裴宗陽，陳澤銀，邵學(xué)棟，胡振華

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院，山西太谷030801;2.云南潤滇節(jié)水技術(shù)推廣咨詢有限公司，云南昆明650033;3.山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西太原030024)

煤炭作為一次性能源，在我國能源構(gòu)成比例中占74%左右，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用，但是煤炭的開采和加工對礦區(qū)及其周邊的環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。煤矸石即采煤過程和洗煤過程中排出的矸石，作為煤炭開采和加工過程中的必然產(chǎn)物，占原煤產(chǎn)量的10%～30%，我國每年要排放煤矸石1.5億～2.0億t［1］。在我國，煤矸石的處理方式主要是露天堆放，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國國有重點(diǎn)煤礦現(xiàn)有矸石山1500多座，堆積量達(dá)30億t，占地約5500 hm2;今后我國每年排放矸石約3億t，占地面積 300～400 hm2［2］。大量的煤矸石長期露天堆放，不僅侵占大量耕地，矸石山的淋溶水污染地下水源和江河地表水，而且自燃的矸石釋放大量有害氣體，造成大氣污染，破壞生態(tài)平衡。雖然近幾年煤矸石的綜合利用研究有了較大的進(jìn)展，但是限于我國的國情，煤矸石的利用率還不到30%［3］，煤矸石的綜合利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此對煤矸石山的綠化復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)就顯得尤為重要。

1 我國對煤矸石山的研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代，我國的一些礦區(qū)就開展過煤矸石山植被恢復(fù)的實(shí)踐，如黑龍江鶴崗礦區(qū)于1985—1987年成功對煤矸石山進(jìn)行了針葉林造林試驗(yàn);山東新汶礦務(wù)局從1986年開始對煤矸石山進(jìn)行了4年的闊葉樹種造林試驗(yàn);1987年陽泉礦務(wù)局與山西農(nóng)業(yè)大學(xué)合作，對陽泉礦區(qū)煤矸石山做了覆土培育抗旱耐貧瘠牧草的栽培試驗(yàn)，同時(shí)對10種抗旱耐貧瘠的喬灌木樹種及觀賞植物進(jìn)行了容器育苗栽植試驗(yàn)等［4］。隨著實(shí)踐中遇到問題的增多，相關(guān)方面的研究也相繼展開。

1.1 背景理論

1.1.1 恢復(fù)生態(tài)學(xué)

恢復(fù)生態(tài)學(xué)是進(jìn)行煤矸石山生態(tài)恢復(fù)治理研究應(yīng)用最多的基礎(chǔ)理論。楊主泉等［5］針對煤矸石山極其惡劣的立地條件難以適應(yīng)植物生長的問題，提出以恢復(fù)生態(tài)學(xué)的主要理論為依托，對植物生長限制因子進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立立地條件評價(jià)指標(biāo)體系，為生態(tài)恢復(fù)中的新方法、新技術(shù)應(yīng)用效果評價(jià)提供理論依據(jù)。張成梁［6］以環(huán)境生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過研究煤矸石山的自燃、水分和理化特性，分析研究了自燃煤矸石山植被構(gòu)建的制約因素，提出了自燃煤矸石山生境構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù);在研究植物對煤矸石山環(huán)境脅迫下的抗性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了煤矸石山植被構(gòu)建的基本理論和技術(shù)方法。

1.1.2 土地復(fù)墾學(xué)

土地復(fù)墾學(xué)提倡的是將煤矸石山作為工礦廢棄地，運(yùn)用土地復(fù)墾的相關(guān)理論對矸石山進(jìn)行科學(xué)的整治、復(fù)墾利用。

李鵬波等［7］以土地復(fù)墾學(xué)為依托，在分析了煤矸石山植被恢復(fù)的研究現(xiàn)狀和存在困難的基礎(chǔ)上，提出了由立地條件分析與評價(jià)、矸石山基質(zhì)改良技術(shù)、樹種選擇和規(guī)劃、抗旱造林栽植技術(shù)、植被撫育管理技術(shù)和植被恢復(fù)的監(jiān)測與評價(jià)等組成的矸石山的植被恢復(fù)“六階段”技術(shù)模式(如圖1)，加深了煤矸石山植被恢復(fù)的理論研究，為矸石山的植被恢復(fù)提供了系統(tǒng)的技術(shù)支持。

圖1 煤矸石山植被恢復(fù)“六階段“技術(shù)模式

1.1.3 景觀生態(tài)學(xué)

煤矸石廢棄地的范疇逐步擴(kuò)大，已不僅限于煤矸石山，如何利用生態(tài)的、可持續(xù)性的理論和方法來進(jìn)行煤矸石廢棄地的景觀重建已成為當(dāng)下急需解決的問題。強(qiáng)調(diào)景觀整體性和異質(zhì)性的景觀三要素——斑塊、廊道和本底，作為描述和分析景觀結(jié)構(gòu)和功能性特征的理論基礎(chǔ)也被引入煤矸石廢棄地的景觀生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)劃。

李東升［8］針對當(dāng)前矸石廢棄地植被恢復(fù)、生態(tài)景觀重建過程中存在的一些問題，以義馬礦區(qū)整個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，提出把握場地稟賦、綜合生態(tài)設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)策略，將礦工生活、奮斗的工作場景保留下來，景觀整合歷史遺跡，建成“人—煤礦—植物”和諧對話的主題公園，并最終將義馬礦區(qū)建成“以一心、兩軸為主的景觀結(jié)構(gòu)，以追憶采煤文化、回歸自然生態(tài)和重現(xiàn)田園風(fēng)光為三卷的景觀布局，以義馬生態(tài)公園、鴻慶公園、銀杏公園和濱河公園等城市綠地形成連續(xù)的斑塊群的景點(diǎn)設(shè)計(jì)”的景觀生態(tài)。

1.2 立地條件

矸石山作為一種特殊的立地條件，與植物生長的一般土壤條件不同，存在著限制植物生長的諸多因素。隋淑梅等［9］通過對阜新地區(qū)矸石山的研究分析，發(fā)現(xiàn)矸石山植被恢復(fù)的限制性條件主要是矸石中的有害成分、較差的物理結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分的貧乏。王偉等［10］對山西省陽泉市280煤矸石山小氣候特征、地形條件、煤矸石理化性質(zhì)、水分和生物特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查分析，并且指出地表溫度、侵蝕狀況、酸性和含水量是影響煤矸石山植物生長的重要因子。

目前，研究煤矸石山立地條件中限制植物生長的因素主要集中在重金屬(包括重金屬的淋溶規(guī)律和重金屬對植物、周邊土壤、水體的影響)和水分條件(煤矸石水分入滲規(guī)律)等方面。

1.2.1 重金屬

對煤矸石中重金屬的研究，多是通過淋溶模擬試驗(yàn)來進(jìn)行的。

肖利萍等［11］對新邱露天礦不同風(fēng)化程度的煤矸石在不同固液比條件下溶解釋放污染物的規(guī)律進(jìn)行了浸泡試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:煤矸石風(fēng)化程度越高，溶解釋放的無機(jī)鹽類污染物的量越多;固液比對煤矸石中污染物的溶解釋放有重要影響。

張明亮等［12］以山東某礦區(qū)為例，通過淋溶模擬試驗(yàn)，研究了煤矸石中重金屬的淋溶規(guī)律，并探討了煤矸石山周邊土壤重金屬污染特征。結(jié)果表明:風(fēng)化矸石淋濾液中的Zn、Pb、Cr和Cu濃度較高，并很快穩(wěn)定;新鮮矸石在淋溶初期檢出Zn，其他重金屬元素沒有檢出;風(fēng)化矸石淋濾液中重金屬的含量要高于未風(fēng)化矸石。矸石山周邊表層土壤中的Zn、Pb、Cr和Cu濃度較高，且濃度高出矸石淋溶液許多倍，表層土壤重金屬含量隨著距煤矸石堆的距離增加而呈明顯的下降趨勢。

1.2.2 水 分

煤矸石山坡面較陡不利于保水、矸石的組成特征、水分入滲過快和經(jīng)常自燃導(dǎo)致地溫過高等因素，使得水分成為限制矸石山植物生長的重要因素之一。

段永紅等［13］經(jīng)過8個(gè)月矸石風(fēng)化物剖面水分含量與植物生長狀況的野外實(shí)地調(diào)查與降雨年變化的比較研究發(fā)現(xiàn):矸石風(fēng)化物具有一定的保水性能，矸石風(fēng)化物中的水分含量隨降雨量的多少而增減，矸石風(fēng)化層0—10、10—20、20—30 cm的水分含量隨降雨量增減的幅度依次減少。矸石山上生長的植被也隨剖面水分的豐缺而榮枯。水分對矸石山的植物生長至關(guān)重要。

張光燦等［14］通過對煤矸石山刺槐種群和混交林群落土壤入滲性能的觀測，發(fā)現(xiàn):植物群落具有明顯減小煤矸石山滲透速率，提高煤矸石山保水和持水能力的作用;混交林群落對土壤滲透性的改善作用大于刺槐種群;煤矸石山的累計(jì)入滲量隨入滲時(shí)間的變化呈線性增加，即入滲速率為不隨入滲時(shí)間變化的常數(shù)。

胡振華等［15］采用室內(nèi)模擬徑流沖刷試驗(yàn)，對煤矸石堆置體水土流失規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)集中徑流對煤矸石堆置體具有很強(qiáng)的沖刷作用，會(huì)造成嚴(yán)重的侵蝕，總侵蝕量的大小與設(shè)計(jì)流量呈線性關(guān)系，與坡面坡度呈冪函數(shù)關(guān)系。

張銳等［16］以山西省陽泉市280煤矸石山為研究對象，通過對煤矸石的物理性質(zhì)、水分入滲特性和水分含量的分析，發(fā)現(xiàn)Kostiakov入滲模型能較好地反映研究地區(qū)煤矸石風(fēng)化物的入滲過程，且在入滲過程中煤矸石風(fēng)化物一直保持著較高的滲透速率。煤矸石風(fēng)化堆積物水分季節(jié)性變化主要受降水量及其季節(jié)分配的影響，隨著季節(jié)性降水量的增加，矸石風(fēng)化物水分平均含量也相應(yīng)升高。

鄭國強(qiáng)等［17］采用野外調(diào)查試驗(yàn)、取樣和室內(nèi)分析的方法，研究煤矸石山溫度對水分及植被生長的影響，發(fā)現(xiàn)覆土煤矸石山水分含量在垂直方向因溫度升高逐步下降，其水分含量較自然恢復(fù)煤矸石山平均高出10%～15%。

續(xù)海龍等［18］以撫順西露天煤礦復(fù)墾矸石山為研究對象，對矸石山的水分物理特性進(jìn)行分析測定后發(fā)現(xiàn):林地質(zhì)地較差，不同植被類型的初始滲透率、穩(wěn)滲率、平均入滲率均表現(xiàn)為榆樹林地＞荒地＞農(nóng)用地;不同植被類型的容重大小為農(nóng)用地＞荒草地＞榆樹林地，導(dǎo)致了復(fù)墾矸石山不同植被類型水分入滲的差異。

1.2.3 其他的立地條件

矸石山植被恢復(fù)的限制性條件除了上述重金屬對植物的毒害作用和水分缺乏外，還有其他一些困難的立地條件限制植物生長。

如馮啟言等［19］以兗州煤田山西組和太原組煤矸石為對象，研究了 As、Cr、Hg、Cd、Pb、Cu、Zn 共 7 種微量有害元素在矸石及其周圍土壤中的分布規(guī)律，其含量多數(shù)高于地殼克拉克值和土壤背景值，土壤中的含量離矸石越遠(yuǎn)越小，因此矸石灰塵和溶出液可污染土壤和水體。

許麗等［20］采用野外調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法，對阜新市孫家灣矸石山不同坡向的風(fēng)速變化進(jìn)行研究的結(jié)果表明:在整個(gè)生長季中，對于排矸年限相同的樣地，陽坡的風(fēng)速均大于陰坡，陽坡樣地的風(fēng)速減弱系數(shù)平均低于陰坡樣地13.67%;各月風(fēng)速由大到小的次序?yàn)?月＞6月＞7月＞9月＞8月;生長季盛行西南風(fēng)和南風(fēng)。

張成梁［6］在自燃煤矸石山生境及植被構(gòu)建技術(shù)研究中，首先對陽泉煤矸石山自燃及其引發(fā)的爆炸等災(zāi)害的原因、理化特征、水分動(dòng)態(tài)和高溫特性等進(jìn)行了研究，為分析研究自燃煤矸石山植被構(gòu)建的制約因素及探討解決途徑奠定了理論和實(shí)踐技術(shù)基礎(chǔ)。

2 工程實(shí)踐中的技術(shù)利用

就煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)踐而言，首先必須探討的是矸石山適宜植物種的篩選。不論是理論研究，還是工程實(shí)踐，我國學(xué)者都已做了大量相關(guān)的工作。如常用于礦區(qū)水土保持林營造的油松、側(cè)柏、刺槐等喬木和紫穗槐、檸條、荊條等灌木，這些樹種都已在實(shí)踐中得到很好的應(yīng)用和證明。

在國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——《土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》之外，我國工程技術(shù)人員在實(shí)踐中不斷推新，創(chuàng)造發(fā)明了煤矸石山生態(tài)修復(fù)的諸多可行的技術(shù)和專利等。

如面對矸石山坡面水土流失嚴(yán)重、不利于植被恢復(fù)的問題，湖南省雙勝生態(tài)環(huán)保有限公司成功研制了CS高次團(tuán)?；旌侠w維法植被恢復(fù)技術(shù)(簡稱CS植被恢復(fù)技術(shù))［21］，該技術(shù)使用富含有機(jī)質(zhì)和黏土的腐殖質(zhì)土等客土材料，加入團(tuán)粒劑、純天然黏土劑、多種灌木植物的種子等材料在噴播瞬間與空氣發(fā)生作用，誘發(fā)團(tuán)粒反應(yīng)，形成與自然界表土具有相同結(jié)構(gòu)的高次團(tuán)粒人造綠化基盤。沈守云等［22］運(yùn)用CS高次團(tuán)粒混合纖維法植被恢復(fù)技術(shù)對金竹山煤矸石礦區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)，25個(gè)月后發(fā)現(xiàn)噴播刺槐等10種植物的土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量明顯升高。

面對煤矸石山自燃所導(dǎo)致的高溫、干旱等無法適應(yīng)植物生長的苛刻立地條件，林森等［23］從廢物利用、污染物減量化的角度考慮，提出用粉煤灰和煤矸石風(fēng)化物作為制漿材料。張成梁［6］針對地處黃土高原的陽泉具有豐富的黃土的特點(diǎn)，將黃土作為制漿的主要原料，可以大大降低滅火成本，并通過試驗(yàn)測定得出以10%黃土加5%石灰配制漿液為好的結(jié)論。同時(shí)，針對傳統(tǒng)的注漿方法無法大規(guī)模灌漿滅火，注水摻入空氣易發(fā)生爆炸的弊病，張成梁研制出了一種注水管械，申請了“自燃煤矸石山隔氧滅火注漿管”實(shí)用新型專利(專利號:ZL 200620024643.0)。與傳統(tǒng)的矸石覆土技術(shù)相比，張成梁還提出復(fù)層結(jié)構(gòu)覆土，即在30 cm黃土壓實(shí)層上面覆蓋20 cm原狀土壤，可以兼顧滅火和種植的要求。

為解決煤矸石中硫含量高毒害植物、污染土壤和地下水的問題，畢銀麗等［24］提出利用微生物去除矸石中的硫，形成的酸性廢水用堿性粉煤灰中和，同時(shí)結(jié)合菌根真菌和其他微生物來進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)。

3 結(jié)語

在探討了我國煤矸石山生態(tài)恢復(fù)方面的研究進(jìn)展和工程實(shí)踐中的技術(shù)利用之后，發(fā)現(xiàn)我國在煤矸石山生態(tài)恢復(fù)研究方面仍然存在著很大的欠缺，有待進(jìn)一步研究。

(1)煤矸石山植被恢復(fù)體系的構(gòu)建。傳統(tǒng)意義上的煤矸石山植被恢復(fù)，僅僅局限于矸石山覆土后，選擇并栽植個(gè)別耐旱、耐貧瘠的植物種，尚未形成系統(tǒng)的體系。構(gòu)建系統(tǒng)的植被恢復(fù)體系，不僅可以提高植被的存活率，而且更重要的是能夠盡快實(shí)現(xiàn)煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)，發(fā)揮它的生態(tài)功能。生態(tài)恢復(fù)體系的構(gòu)建既要結(jié)合煤矸石山的立地條件中的各個(gè)因子，包括主要的限制因子，也要符合生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律，構(gòu)建出的生態(tài)恢復(fù)體系如圖2。

(2)立地條件的系統(tǒng)研究。由于煤矸石山復(fù)雜的立地條件，與植被生長一般意義上的土壤條件差異顯著，在實(shí)際中若考慮不全面，則進(jìn)行的植被恢復(fù)就有可能失敗。只有對矸石山的立地條件作出全面的、科學(xué)的、系統(tǒng)的研究，才能避免植被恢復(fù)失敗的發(fā)生。除了上述的重金屬狀況(包括重金屬的種類、含量、分布、淋溶規(guī)律以及對植物的影響等)、水分條件(包括水分的變化、入滲規(guī)律等)以及其他一些立地條件外，需要作進(jìn)一步研究的煤矸石山立地條件仍有很多，如現(xiàn)有的煤矸石山堆放時(shí)間長短不一，因此亟待研究煤矸石的風(fēng)化程度對植物生長的影響;矸石中的各種養(yǎng)分(包括各種速效養(yǎng)分)含量顯著大于黃土，即矸石中潛在養(yǎng)分巨大，如何將這一部分轉(zhuǎn)化成可被植被吸收利用的養(yǎng)分，相對于矸石山養(yǎng)分貧瘠的現(xiàn)狀，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義;矸石山坡面一般較陡，與黃土坡面土壤侵蝕方面的大量研究相比，矸石山坡面侵蝕的研究還未深入開展等。

圖2 煤矸石山生態(tài)恢復(fù)體系

(3)煤矸石山植被恢復(fù)的演替規(guī)律?，F(xiàn)有的煤矸石山生態(tài)恢復(fù)研究，多集中在短期的、能明顯得出結(jié)論的植被與矸石山的相互作用，如某種植物是否適應(yīng)矸石山的苛刻立地條件，但是缺乏長期的觀測和試驗(yàn)，未就煤矸石山的植被恢復(fù)動(dòng)態(tài)變化(即演替規(guī)律)作出研究。

(4)煤矸石山植被恢復(fù)的生態(tài)評價(jià)體系。煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)是一項(xiàng)重大的、長期的任務(wù)，并非一次前期投入就能取得效果。煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)往往被簡單地理解成覆土栽樹，由此導(dǎo)致許多煤矸石山投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行的植被恢復(fù)，或由于煤矸石山的自燃導(dǎo)致功虧一簣，或由于一場暴雨將坡面的覆土沖刷，使植物失去賴以生長的土壤而死亡。因此，急需建立一套科學(xué)、合理的矸石山植被恢復(fù)的生態(tài)評價(jià)體系。

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