畢銀麗，彭蘇萍，杜善周

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 生態(tài)修復(fù)研究院，北京 100083; 3.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

黃河流域是我國煤炭工業(yè)的主產(chǎn)區(qū)，煤炭產(chǎn)量占全國70%以上。該地區(qū)氣候干旱半干旱，年降雨量少，蒸發(fā)量大，年蒸發(fā)量超過降雨量的6倍以上，大規(guī)模的現(xiàn)代煤炭開采對地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。2020年中共中央政治局召開會議審議了《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》[1]。會議指出，黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計，要綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理。這其中，黃河流域煤炭基地的生態(tài)環(huán)境修復(fù)是整個黃河流域生態(tài)修復(fù)的重要組成部分，必須高度重視黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理[2-3]。

加強干旱半干旱露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理的研究與工程示范是當(dāng)務(wù)之急。由于黃河中上游鄂爾多斯盆地北沿一帶的煤炭資源豐富、煤層厚、煤質(zhì)好、埋藏淺、開采成本低，有利于露天開采。近年來，隨著我國西部煤礦露天開采的發(fā)展，露天煤礦的產(chǎn)量從以前的不到10%提高到16.9%，而且這一比例還在進一步擴大。但該地區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏(水資源總量僅占全國的3.9%)，制約了生態(tài)重構(gòu)效率。而該地區(qū)是我國乃至世界水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，水土流失面積占到92.5%。露天煤礦開發(fā)進一步加劇了礦區(qū)水資源的匱乏，特別是露天開采過程對礦區(qū)上覆地層高強度的剝離，破壞了原有礦藏的上覆巖層結(jié)構(gòu)，風(fēng)蝕沙化更為嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)最高可達18 000 t/(km2·a)，使原生地表更加支離破碎，溝壑縱橫，生態(tài)環(huán)境更加脆弱，抵御自然災(zāi)害的能力進一步減弱。

剝離后的巖土要搬運倒堆形成新的松散堆積排土場，使露天礦區(qū)的地表地形地貌和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了根本的變化。重構(gòu)排土場時一般底層為破碎巖石，僅在表層上覆40 cm以上土壤層，這種堆放結(jié)構(gòu)在西部干旱半干旱露天礦區(qū)進一步造成水資源流失，土地生產(chǎn)力下降，植被生長難，生態(tài)景觀破碎，難以保證生態(tài)重構(gòu)的高效性[4-5]。該地區(qū)每平方公里每年水土流失量高達1.88萬t，每年向黃河輸送泥沙達1億t以上，約占黃河上中游地區(qū)年入黃河泥沙總量的1/16，植被覆蓋度不足25%，被國內(nèi)外生態(tài)專家喻為“地球癌癥”。因此，在20世紀(jì)90年代初討論鄂爾多斯盆地煤炭開發(fā)時，就有專家堅決反對，擔(dān)心大規(guī)模的煤炭開發(fā)使西部干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進一步惡化，造成“雪上加霜”的效應(yīng)！

因此，筆者就西部干旱半干旱露天煤礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)目前的研究進展、關(guān)鍵技術(shù)難點和發(fā)展方向進行論述，為我國黃河流域煤礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供一些新的思路和技術(shù)。

1 干旱半干旱露天煤礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)研究現(xiàn)狀

露天煤礦排土場生態(tài)重構(gòu)是土層重構(gòu)、水分高效利用、表土改良及生態(tài)重構(gòu)的綜合生態(tài)效應(yīng)。土層重構(gòu)是生態(tài)重構(gòu)的基礎(chǔ)，水分在排土場土壤的高效節(jié)約利用是干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵，而排土場表土的改良提質(zhì)是實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的核心，通過土-水-生態(tài)的協(xié)調(diào)獲得較好的露天礦區(qū)生態(tài)效應(yīng)。

1.1 露天采礦對植被群落與土壤的影響

露天采礦通過剝離地表土壤和植被等方式，導(dǎo)致植被群落直接破壞。植被變化是區(qū)域生態(tài)變化最直接的反映，對礦區(qū)植被群落演變規(guī)律研究十分重要。在露天采煤過程中，選擇高效機械化開采工藝會產(chǎn)生大量廢棄物、揚塵，對植物賴以生存的環(huán)境造成污染。隨著廢礦石、土方的堆積形成高坡度大坡長的排土場新景觀，導(dǎo)致礦區(qū)生境分割，限制了生物種群交流范圍，生物多樣性逐漸降低。郝志遠和李素清[6]通過對陽泉礦區(qū)不同復(fù)墾年限(2003，2013年)的煤矸石山植物群落進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)墾地植被群落多樣性主要受植被類型、復(fù)墾年限、地形影響，并且隨著復(fù)墾年限的增加，植被群落向更加穩(wěn)定、多樣化的方向演替。春風(fēng)等[7]通過對內(nèi)蒙古巴音華礦區(qū)植物群落進行數(shù)量化分析，證實了物種豐富度和多樣性隨著采礦干擾影響的減弱而顯著提升的變化趨勢，并且隨著礦區(qū)周邊干擾程度不同，植被群落更替出現(xiàn)較大差異。有關(guān)采礦區(qū)植被群落研究，國外多以植被復(fù)原技術(shù)和植被重建技術(shù)為主要研究方向，針對矸石山與露天采礦區(qū)的植被群落展開，進而采用植樹和種草或?qū)?fù)墾地改造成濕地的方式加以保護。

由于露天采礦會對煤層上方的表土和巖層進行剝離，不僅在采場損毀大量土地，產(chǎn)生的排棄物也會占用大量土地，對區(qū)域土壤造成破壞，導(dǎo)致水土流失。在礦山開采過程中造成的水土流失、土壤鹽堿化等問題已成為全世界研究的熱點。土壤作為區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的重要組成部分，在資源開發(fā)過程中也被破壞的最為嚴(yán)重，其作為各種生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)和載體，可為生物的生長發(fā)育提供必要的水分和養(yǎng)分。因此，一旦土壤遭到破壞或污染，必然會導(dǎo)致依附于其上生存的物種消失、生物多樣性降低。尤其是處在生態(tài)脆弱區(qū)的干旱半干旱地區(qū)，因煤炭開采所致的水土流失、土壤結(jié)構(gòu)破壞，對區(qū)域植被、動物、土壤微生物的生長、發(fā)育和恢復(fù)產(chǎn)生更為不利的影響。有學(xué)者針對我國煤礦區(qū)重金屬污染進行了研究，發(fā)現(xiàn)煤礦區(qū)受到重金屬不同程度的污染后對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)也造成一定的影響[8]。另外，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)采煤也會對土壤養(yǎng)分具有明顯的負(fù)面影響，破壞原土壤碳、氮等元素的“平衡”。開展礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)工作十分重要，趙韻美等[9]發(fā)現(xiàn)礦區(qū)不同植被恢復(fù)模式下土壤養(yǎng)分有改善特征。劉孝陽等[10]指出礦區(qū)排土場不同復(fù)墾類型土壤養(yǎng)分的變化以及礦區(qū)微地形也會對土壤養(yǎng)分分布產(chǎn)生一定影響。地面植被類型對保護和改善土壤環(huán)境具有很大作用，利用植物本身促進生態(tài)群落與土壤提質(zhì)的和諧演變成為新的關(guān)注點。

1.2 露天排土場土層重構(gòu)對生態(tài)效應(yīng)的影響

排土場重構(gòu)土體是在人工改變地貌上新發(fā)育的土壤，礦區(qū)重構(gòu)土體的物理性質(zhì)與自然土壤比有明顯的差距，重構(gòu)土體生產(chǎn)力通常較低，堆積過程中大型機械的壓實作用，使得土壤密度較高(1.55～1.86 g/cm3)，孔隙度較低(26%～45%)，持水量低，滲透率差，水力傳導(dǎo)速率慢，生物多樣性空間異質(zhì)性增強[11-13]。露天排土場復(fù)墾土壤理化性質(zhì)，與未擾動土壤相比，土壤結(jié)構(gòu)性差，土壤質(zhì)地、有效陽離子交換量、密度、持水性和相關(guān)化學(xué)性質(zhì)都存在顯著差異[14-15];李玉婷等[16]研究了黃土露天礦區(qū)排土場重構(gòu)土壤典型物理性質(zhì)的空間差異，重構(gòu)土壤在垂直方向上均屬于弱變異，土壤密度和孔隙度在層間差異顯著，土壤深度越大，土壤密度越大，土壤機械組成各土層間沒有差異;黃雨晗等[17]對比不同復(fù)墾年限排土場和原始地貌未損毀土壤的物理指標(biāo)，復(fù)墾8 a和4 a的排土場土壤密度、土壤含水率和土壤礫石含量均高于未損毀的土壤，隨復(fù)墾年限的增長，重構(gòu)土壤密度、礫石含量和砂粒含量呈下降趨勢，隨土層深度的增加，重構(gòu)土壤密度、粉粒和黏粒含量呈增大趨勢;SHRESTHA等[18]研究了重構(gòu)土地復(fù)墾28 a后土壤物理性質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)重構(gòu)土壤表層土與未擾動土壤表層土密度相似，但5～10 cm和10～15 cm土層，重構(gòu)土體與未擾動土體仍呈現(xiàn)顯著差異，土壤累計入滲量重構(gòu)土體顯著小于未擾動土體;李芳等[19]對復(fù)墾1,3，5和10 a后的重構(gòu)土體進行研究，運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)進行分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)墾10 a后土壤表層土壤幾乎恢復(fù)到了未受損狀態(tài)，反映土壤質(zhì)量的指標(biāo)中，土壤密度是最重要的指標(biāo)，土壤有機質(zhì)是影響土壤質(zhì)量的直接指標(biāo)，土壤養(yǎng)分(速效磷和速效氮)是快速影響指標(biāo);侯湖平等[20]研究了復(fù)墾1,6,15 a土壤及其微生物群落變化，結(jié)果顯示細菌群落是對重構(gòu)土體反應(yīng)最敏感的一個指標(biāo)，經(jīng)過15 a的復(fù)墾后，重構(gòu)土體的細菌群落多樣性已經(jīng)與天然土壤高度相似。

露天礦排土場覆土方式往往以矸石、砂礫為基底，上覆表土，由于表土不足，大量的采礦伴生土壤被堆積在排土場表面，這些土壤大多結(jié)構(gòu)性差，有效養(yǎng)分低，不適合植物生長。為解決這一難題，研究礦區(qū)伴生土壤與礦區(qū)本地土壤、礦區(qū)工業(yè)產(chǎn)物等混合的重構(gòu)方式改善土壤結(jié)構(gòu)。砒砂巖成巖程度低，顆粒膠結(jié)作用弱，其中蒙脫石含量較高，具有保水保肥的效果，且在我國西北地區(qū)分布廣泛，能有效改造粗質(zhì)的排土場覆土物理性狀[21]。研究表明，砒砂巖和沙土質(zhì)量比1∶2～1∶5配比條件下，具有良好孔隙度特征，持水能力較強，土壤理化性質(zhì)較好[22];攝曉燕等[23]研究發(fā)現(xiàn)，砒砂巖對降低入滲率和飽和導(dǎo)水率、增加含水量和持水能力效果顯著，砒砂巖與沙土比例為1∶3時，復(fù)配土的吸水和保水性能最佳;韓霽昌等[21]以小麥、玉米、大豆、馬鈴薯4種作物為材料，分析不同砒砂巖和沙的質(zhì)量比(1∶1,1∶2,1∶5)作物產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯在砒砂巖與沙1∶5混合時產(chǎn)量最高，小麥、玉米、大豆在砒砂巖與沙1∶2混合時產(chǎn)量最高;針對質(zhì)地較細的排土場土壤可以將其與砂粒等粗顆粒土壤進行混合重構(gòu)[13]，達到改善土壤質(zhì)量的作用。

1.3 排土場土壤改良對水土高效協(xié)同利用生態(tài)效應(yīng)

排土場土壤由于是新構(gòu)土壤，其土壤結(jié)構(gòu)極其不穩(wěn)定，降雨發(fā)生時不能有效地保存雨水，水分往往通過徑流和漏滲的形式流失，處于干旱半干旱地區(qū)排土場在雨熱同期的條件下，降雨之后往往伴隨著高溫天氣，土壤的快速蒸發(fā)又使排土場土壤含水進一步降低，對露天開采不同復(fù)墾年限土壤真菌群落多樣性產(chǎn)生影響[24]。我國開展的礦區(qū)廢棄地研究主要集中在土壤微生物修復(fù)技術(shù)、土壤重構(gòu)技術(shù)、排土場環(huán)境治理技術(shù)等方面。杜善周[25]對準(zhǔn)能露天礦排土場生態(tài)建設(shè)報告指出，排土場構(gòu)建過程中水土保持生物工程可有效減少地表和坡面水土流失。露天礦排土場治理的關(guān)鍵是水分的保持和植被的建植，并且利用沙棘有效地控制了排土場邊坡的水土流失。

礦區(qū)土地復(fù)墾的難點之一是表土量不足，表土的稀缺性嚴(yán)重影響了排土場復(fù)墾效應(yīng)和土壤質(zhì)量的提升，因此有學(xué)者提出使用工業(yè)固體廢棄物等材料制作表土替代材料[26]。胡振琪等[27]研究發(fā)現(xiàn)，將風(fēng)化煤、粉煤灰等工業(yè)廢渣以一定比例添加到土壤中，再輔以化學(xué)肥料，能夠有效提高土壤肥力，促進復(fù)墾區(qū)苜蓿生長。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采礦伴生的巖板粉末、粉煤灰以及被風(fēng)化的土壤基質(zhì)都有成為表土替代材料的潛力[26]。有研究報道，在固體廢棄物和礦區(qū)土壤中添加草炭、秸稈、礦物肥料、紫花苜蓿等改良劑能夠有效地促進礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾。目前國內(nèi)外學(xué)者主要利用工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的固體廢棄物作為表土的替代材料，或者將其制作成土壤改良劑添加于土壤中，但由于各礦區(qū)地質(zhì)條件及周圍工業(yè)設(shè)施的不同，產(chǎn)生的固體廢棄物種類也不同，造成土壤改良劑的應(yīng)用具有較強的局限性。因此應(yīng)該因地制宜、結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況選擇復(fù)墾方式和適當(dāng)?shù)谋硗撂娲牧稀?/p>

目前的土壤改良方法大多是單一的，如土壤替代材料或是不同植物組合與耕作方式的研究等。但礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)不是一個單獨的修復(fù)過程，而是以土壤基質(zhì)改良為基礎(chǔ)，植被和微生物相互作用的過程。針對露天礦排土場“土壤改良-植被組合-微生物優(yōu)選”三位一體的改良方式的研究則未充分開展。在構(gòu)建排土場的過程中，土壤結(jié)構(gòu)不良、水肥質(zhì)量下降、植被多樣性減少，如何改良土壤基質(zhì)就成為研究的重點。

近年來利用有機生物秸稈材料來提高土壤性狀成為研究的熱點。秸稈覆蓋不僅可以增強土壤水分的下滲、降低土壤水分蒸發(fā)，還具有良好的蓄水保墑效果[28]。研究表明，隨著秸稈覆蓋量的增加，相對蒸發(fā)量逐漸減小[29]，逢煥成[30]在陜西部分地區(qū)設(shè)置試驗田，冬小麥在夏閑期和生長期采用秸稈覆蓋能有效使土壤保持濕潤狀態(tài)，覆蓋量為6 000～7 500 kg/hm2最佳;同樣對于玉米秸稈而言，覆蓋量以6 500～7 500 kg/hm2最佳[31]。秸稈覆蓋除蓄水保墑作用以為，還可以改善土壤的養(yǎng)分狀況。李娜娜等[32]研究了2013—2015年旱地玉米秸稈覆蓋模式與傳統(tǒng)耕作模式相比，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了19.8%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了8.4%，水分利用率提高了11.3%;侯賢清等[33]研究了覆蓋措施下對旱作馬鈴薯生長的影響，結(jié)果表明秸稈覆蓋處理可以提高15%左右的貯水量，且深松覆蓋處理的土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高。秸稈覆蓋在增加土壤養(yǎng)分的同時還能防止土壤養(yǎng)分流失，呂凱等[34]連續(xù)2 a進行野外徑流小區(qū)觀測，結(jié)果表明隨著秸稈覆蓋量的增加土壤養(yǎng)分流失量也隨之減少，相對于對照，泥沙中的有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了83.97%～82.5%、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低61.49%～85.56%、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低44.69%～83.75%、全鉀降低52.52%～81.79%，并得出以7 500 kg/hm2小麥秸稈覆蓋量綜合效益最好。秸稈覆蓋改善了土壤中碳氮比例，為土壤微生物的活動提供了豐富的碳源和氮源，提高了土壤微生物種群多樣性，改善了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[35]。韓新忠等[36]通過大田試驗研究小麥秸稈覆蓋對土壤微生物量及酶活性的影響，結(jié)果表明，秸稈還田覆蓋顯著提高了土壤微生物量碳、氮，顯著提高了土壤脲酶活性、過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性。

2 干旱半干旱區(qū)露天煤礦與井工煤礦生態(tài)環(huán)境治理的差異及其關(guān)鍵技術(shù)難點

針對干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)，煤炭企業(yè)和相關(guān)學(xué)者均進行了長期的探索，通過對區(qū)域主要井工煤礦開采過程中巖層結(jié)構(gòu)及采動裂隙演化規(guī)律、地下水資源保護、煤炭開采對水和生態(tài)環(huán)境影響的研究現(xiàn)狀分析，提出了干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)要結(jié)合煤層賦存特點和煤層開采工藝技術(shù)，對上覆巖層產(chǎn)生的裂隙發(fā)育特征與展布格局，裂隙與地表水和礦井水的導(dǎo)通與耦合關(guān)系，裂隙對地表生態(tài)發(fā)育與退化作用等進行系統(tǒng)描述[2]。

露天開采與井工礦開采對生態(tài)環(huán)境的損傷特征有明顯的區(qū)別，井工開采雖然造成上覆地層產(chǎn)生裂隙、塌陷，但上覆巖土層總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，井工開采沉陷地修復(fù)是在原位的拉傷根系修復(fù)與生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而露天開采對環(huán)境生態(tài)的影響實際上是對煤層上覆巖土層的整體剝離及在另一個地方的重新堆放過程，因此露天開采的生態(tài)修復(fù)實際上是一個環(huán)境生態(tài)要素的重構(gòu)過程，包括土、水和植被的重構(gòu)，它涉及礦區(qū)水資源的保護與利用、排土場土層結(jié)構(gòu)設(shè)計、布局與土壤改良、植物的選配組合及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定重建等(圖1)，故生態(tài)修復(fù)難度更大！因此露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)必須在系統(tǒng)調(diào)查、長期野外觀測的基礎(chǔ)上，探索新的思路和新的技術(shù)路線，并通過科學(xué)設(shè)計、規(guī)劃與實施，促使西部干旱貧瘠的露天煤礦區(qū)在煤炭開發(fā)過程中，土地得到有效利用，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得到有效恢復(fù)和更健康發(fā)展，再造出綠水青山的生態(tài)景觀。

圖1 西部干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)研究思路與關(guān)鍵技術(shù)Fig.1 Gerenal research thought and key technology of ecological reconstruction in open pit coal mine of the arid and semi-arid areas of Western China

由于干旱半干旱地區(qū)的降水量少但集中在7—9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)，加上露天排土場堆放較為松散無結(jié)構(gòu)性，造成排土場邊坡水土流失加重。因此露天煤礦排土場設(shè)計時應(yīng)注重季節(jié)性降雨對排土場的沖刷作用和邊坡穩(wěn)定性，目前還沒有針對礦區(qū)匯水、周邊溝谷季節(jié)性徑流及露天礦疏干水體有效回收利用等系統(tǒng)考慮，也沒有形成與露天礦區(qū)開采特點相匹配的的水資源保護理論和工程建設(shè)體系，造成現(xiàn)有的干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相對脆弱，抵御自然災(zāi)害的能力較弱，植被覆蓋度極低。如準(zhǔn)格爾礦區(qū)黑岱溝露天煤礦自1990年破土動工以來，已征用幾十平方公里的土地。上億噸的剝離物堆置、填溝后，形成了礦區(qū)大面積無土壤結(jié)構(gòu)、無地表植被的排土場(北排土場、東排土場、果園、搗蒜溝)，不僅占用大量土地資源，而且形成大面積廢棄地，極易發(fā)生新的水土流失和風(fēng)蝕沙化。做好露天煤礦的生態(tài)環(huán)境整治不但具有社會效應(yīng)，對礦山企業(yè)本身發(fā)展也具有非常重要的實際意義。例如內(nèi)蒙古最大的準(zhǔn)格爾露天礦區(qū)開采用地指標(biāo)有限，綠化復(fù)墾成熟土地可以置換開采用地，對于保障露天煤礦正常生產(chǎn)來說意義重大。

露天排土場的堆放對于局地微地形及水土分布具有不同的影響，加之排土充填材料的不同、覆土厚度的不一致，導(dǎo)致對于露天排土場土地資源的利用不充分，土地利用率仍然很低，急需進行土地資源綜合利用的分區(qū)規(guī)劃與利用布局，但目前對露天排土場土壤質(zhì)地及功能劃分的研究尚屬空白。以準(zhǔn)能露天礦區(qū)為例，現(xiàn)有露天礦區(qū)內(nèi)原生土壤主要為黃綿土，排土場土壤為復(fù)填土，堆積過程經(jīng)過了劇烈擾動和碾壓，其土壤質(zhì)地為粉壤，密度較大，土壤養(yǎng)分含量低。排土場臺階土壤均為復(fù)填土，排土覆土?xí)r經(jīng)過大車的來回碾壓，形成了壓實嚴(yán)重的排土場土壤，土壤滲透系數(shù)低，一般植物根系難以下扎，較難生長。壓實土壤的改良技術(shù)，是提升露天排土場土壤重構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵，培肥土壤的肥力水平是決定植被重建的重要措施。所以露天礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)要注重提升土壤養(yǎng)分水平，要建立有效的有機、生物修復(fù)技術(shù)，通過改良來增加土壤肥力，使土壤恢復(fù)到具有良好水肥氣熱的狀態(tài)，達到土地復(fù)墾目的。

近年來，露天礦區(qū)植被覆蓋率有了較大提高，但生態(tài)資源利用率還存在不合理的現(xiàn)象，人工植被缺乏有效的檢測，未系統(tǒng)分析和掌握其群落演替規(guī)律。因此必須加強排土場生態(tài)分區(qū)，研究其演替規(guī)律，從而有效增加排土場生態(tài)資源的利用效率。通過研究人工植被的有效性，及時發(fā)現(xiàn)復(fù)墾植被組合存在的問題，避免生態(tài)退化造成的損失。通過不同配置類型植被的土壤水分利用、土壤養(yǎng)分利用、植物生長發(fā)育狀況、植被對環(huán)境因素的影響等研究，結(jié)合生態(tài)效益評價，探索露天礦區(qū)植被優(yōu)化配置模式。結(jié)合植物耗水和灌溉方式，合理調(diào)配礦區(qū)水資源生態(tài)利用，并建立起礦區(qū)植物水分利用率的評估方法。通過對露天礦區(qū)環(huán)境生態(tài)在水分因子主導(dǎo)下，植被、土壤、氣候、地形等多因子共同作用特征分析，評估露天礦區(qū)生態(tài)承載能力。

3 干旱半干旱區(qū)露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理的主要發(fā)展方向

以露天礦區(qū)煤炭開發(fā)中的環(huán)境生態(tài)保護為重點，針對西部干旱半干旱區(qū)露天礦水資源保護利用和生態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，通過多學(xué)科交叉研究手段，努力查明露天礦區(qū)水資源的分布及富集特征，形成露天礦區(qū)水、土地和生物資源保護及利用可行性的技術(shù)方案、評價方法和多目標(biāo)優(yōu)化配置綜合調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)露天礦區(qū)排土場土地資源綜合利用及土壤的重構(gòu)改良，構(gòu)建出可協(xié)調(diào)水資源-植被組合-生態(tài)穩(wěn)定的循環(huán)發(fā)展模式，尋找干旱半干旱地區(qū)露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理關(guān)鍵技術(shù)。

(1)系統(tǒng)研究干旱半干旱露天礦區(qū)自然與人工生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)育規(guī)律，構(gòu)建植物優(yōu)化配置模式。

針對準(zhǔn)格爾露天礦區(qū)近30 a的環(huán)境生態(tài)整治成效，筆者觀察到，在準(zhǔn)格爾礦區(qū)外圍的原生黃土溝壑區(qū)，由于長期處于干旱半干旱氣候環(huán)境，植物屬種單一，多為耐干旱的草本或灌木類植物，很少發(fā)育喬木類植物。20世紀(jì)80年代在山上多次植樹造林，樹木的成活率較低，植被生長緩慢。自20世紀(jì)90年代大型露天煤礦區(qū)的開發(fā)建設(shè)以來，對露天煤礦排土場按生態(tài)重構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)進行了科學(xué)設(shè)計與規(guī)劃，開展了積極的人工生態(tài)干預(yù)措施，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，礦區(qū)整體植被覆蓋度提高，帶動礦區(qū)周邊原始生態(tài)的持續(xù)穩(wěn)定增加，使礦區(qū)生態(tài)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，礦區(qū)植被蓋度較原始生態(tài)提高2～3倍(圖2)。人工重建生態(tài)是如何刺激并促進礦區(qū)原生植被生長、促進生態(tài)的多樣性發(fā)展、促進礦區(qū)生態(tài)正向演替，需要從植物學(xué)、生態(tài)學(xué)等角度進行系統(tǒng)的描述和闡明。同時，要通過現(xiàn)代遙感技術(shù)，從時間角度和空間角度出發(fā)，分析和研究原始生態(tài)與露天礦山生產(chǎn)在生態(tài)重構(gòu)狀況下的生態(tài)發(fā)育特征與演變趨勢，為干旱半干旱露天煤礦區(qū)的生態(tài)重構(gòu)提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖2 人工修復(fù)對原始生態(tài)的協(xié)調(diào)作用Fig.2 Coordinated development law of natural and artificial ecology in arid and semi-arid open-pit mining area in Western China

(2)研究干旱半干旱露天礦區(qū)水資源分布格局和礦坑水匯聚方法，保障生態(tài)重構(gòu)水資源供給。

西部干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)，水資源是根本保障。針對西部露天礦區(qū)的地質(zhì)特點，以無人機遙感影像技術(shù)、電法探測、地質(zhì)雷達探測、數(shù)字測井、VSP測井和三維地震勘探為主要研究手段，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查，對礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)特征進行精細刻畫，在查明礦區(qū)地形地貌、植被分布、高程等信息基礎(chǔ)上，基于地質(zhì)-水文地質(zhì)條件構(gòu)建出準(zhǔn)確的三維地表模型(圖3)。鄂爾多斯盆地北沿露天煤礦主要由兩套煤系地層，在以侏羅紀(jì)煤層為主要開發(fā)層的露天煤礦，重點研究主采煤層上覆巖層中含水層起伏形態(tài)、斷層、裂隙(或陷落柱)發(fā)育特征，特別是要對該區(qū)域可能分布的燒變巖分布特征進行準(zhǔn)確圈定，確定導(dǎo)水通道，并對上覆巖層的富水性進行科學(xué)預(yù)測。在以石炭紀(jì)煤層為主要開采層的礦區(qū)，最好通過三維地震勘探對露天礦區(qū)下伏奧灰起伏形態(tài)、構(gòu)造特征、裂隙發(fā)育及巖溶陷落柱分布展布規(guī)律進行系統(tǒng)研究，查明礦區(qū)奧灰水流場運移規(guī)律，通過實際調(diào)查和研究揭示采后礦區(qū)含水層補、徑、排恢復(fù)能力，確定煤層開采對區(qū)域地下水環(huán)境的影響邊界及程度、礦坑涌水點與地表、地下水源的關(guān)系及導(dǎo)水通道的連通性特征，在掌握露天礦開采過程中應(yīng)力場、裂隙場和滲流場“三場”演化機理基礎(chǔ)上，形成了露天礦區(qū)礦坑水庫水資源保護模式及關(guān)鍵技術(shù)，使礦區(qū)生態(tài)用水得到有效保障。

圖3 露天礦區(qū)利用物探方法對水資源的探測及其空間分布Fig.3 Water sources situattion applied geophysical detection technology and their spatial distruction

(3)建立干旱半干旱露天礦區(qū)近地表土層重構(gòu)工程技術(shù)體系，保障礦區(qū)生態(tài)工程有效實施。

西部露天礦區(qū)地貌按成因可分為侵蝕構(gòu)造梁地、丘陵和構(gòu)造剝蝕波狀高平原類型。梁地和丘陵區(qū)地面切割支離破碎，基巖裸露，風(fēng)化強烈;波狀高平原區(qū)廣泛覆蓋風(fēng)積砂，風(fēng)蝕作用強烈。建立科學(xué)的露天礦土地復(fù)墾實施方案是獲得好研究與工程實施效果的基礎(chǔ)，需要建立起干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)工程技術(shù)體系。重點針對露天礦排土場不同處置方式對土壤的侵蝕作用進行比較研究。

針對干旱半干旱礦區(qū)水土流失嚴(yán)重這一難題，通過工程和技術(shù)創(chuàng)新，建立起露天礦區(qū)水土保持技術(shù)體系，使礦區(qū)范圍內(nèi)的水土流失得到有效治理。探索合理的露天礦排土作業(yè)規(guī)范與流程，對整個生態(tài)重構(gòu)工程的各個環(huán)節(jié)過程進行嚴(yán)格的監(jiān)控和追責(zé)，大幅提高表土的復(fù)用率，有效保證露天礦生態(tài)重構(gòu)工程的高質(zhì)量建設(shè)與維護[25]。

大型露天礦排土場是一個人工巨型松散巖土堆積體，“平臺-邊坡”為基本地貌單元，平臺巖土大都由大型機械分層壓實，而邊坡自然堆倒巖土松散。新建排土場非均勻沉降明顯，多裂縫和陷穴，植被覆蓋度低，其水蝕特征與原地貌相比差別顯著，具體體現(xiàn)在3個方面:① 表層堅硬的覆土碾壓平臺和陡坡松散巖土為劇烈水蝕創(chuàng)造了條件;② 50～80 m的坡長引起坡面密集的細溝狀侵蝕;③ 不均勻沉陷和裂縫造成徑流匯集路徑具有較大的時空變化特性。在另一方面，露天開采中為了高效和容納更多的巖土排棄物，多采用機械搬運、壓實增大排土場容量，往往忽視覆土層次結(jié)構(gòu)、物理性狀對生態(tài)布局模式的影響，因此，通過研究，構(gòu)建近地表4～5 m厚可有效控制排土場水蝕和提高土層含水率的海綿型表層結(jié)構(gòu)，是干旱半干旱黃土區(qū)大型排土場土地復(fù)墾和植被恢復(fù)的基礎(chǔ)。將海綿型表層結(jié)構(gòu)(隔水層-涵水層-表土層)與排土場的匯流工程設(shè)計有機綜合在一起，使排土場的水分得到充分的保蓄和有效利用，來大幅度地提高露天煤礦的生態(tài)重構(gòu)效果(圖4)。

圖4 露天排土場三層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與布局模式Fig.4 Three-layer structure model for mining ecological environment reconstruction in arid and semi-arid open-pit dump

針對露天開采中多采用機械搬運、壓實，往往忽視覆土層次結(jié)構(gòu)、物理性狀對生態(tài)布局模式的影響這一現(xiàn)狀，要研制排土場建設(shè)質(zhì)量高精度物探檢測裝備與成套技術(shù)，實現(xiàn)對露天礦排土場工程中不同地貌、不同地表結(jié)構(gòu)、不同工程類型的工程質(zhì)量的快速檢測，利用物探探測結(jié)果和不同植物生長需水量、土層厚度要求，設(shè)計出經(jīng)濟合理灌溉水系分布管網(wǎng)與種植分區(qū)模塊，實現(xiàn)排土場重建生態(tài)景觀布局。

(4)研究干旱半干旱露天排土場土壤生物化學(xué)改良方法，增強植物逆境下的生物修復(fù)能力。

針對干旱半干旱區(qū)露天礦排土場重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)差，土壤肥力低、植物組合單一、重建生態(tài)難、植被易于退化，排土場壓實作用對植物根系下扎困難等諸多問題，研究排土場土壤生物有機改良方法。近年來在生物修復(fù)過程發(fā)現(xiàn)80%以上植物根系侵染有菌根真菌，也發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的非菌根植物如莎草科、十字花科、藜科等根系中也有大量深色有隔內(nèi)生真菌(DSE)定殖根內(nèi)，深入研究DSE與菌根真菌聯(lián)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系成為生物修復(fù)的一個新的方向。不但要研究單一土壤微生物菌劑，也要注重微生物組合培養(yǎng)，及其DSE菌劑產(chǎn)品開發(fā)和不同菌劑組合培養(yǎng)基質(zhì)的實施方法，以獲得良好的生態(tài)修復(fù)效果。通過實施接菌，提高植物的光合效率，增加植物干物質(zhì)(圖5)，促進植物根系發(fā)育，增強植物的抗土壤壓實、養(yǎng)分貧瘠、干旱缺水及易鹽堿化等逆境的生理生化反應(yīng)，使重構(gòu)后的生態(tài)環(huán)境效果大大提高。

圖5 微生物DSE干菌劑產(chǎn)品開發(fā)及促生機理Fig.5 Product development of DSE Microbial inoculum and the mechanism of their promoting plant growth

(5)露天排土場土地資源綜合利用及生態(tài)重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建有機生物聯(lián)合重構(gòu)的模式。

采用遙感影像與現(xiàn)場調(diào)研相結(jié)合的方法，通過分析露天排土場中不同充填排棄物種類、充填覆土工藝、土地利用類型等，實現(xiàn)對不同復(fù)墾年限排土場植物群落累年演變的有效監(jiān)測，對礦區(qū)重建人工生物功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化和礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)的景觀規(guī)劃設(shè)計。系統(tǒng)探索利用低成本、綠色環(huán)保的改良材料，結(jié)合機械松耕物理手段與有機改良生物方法，促進土壤結(jié)構(gòu)的改良技術(shù)。例如，采用覆草或秸稈聯(lián)合接菌處理技術(shù)，改善土壤理化和生物性狀，促進干旱地區(qū)的土壤提質(zhì)與作物生長。

篩選馴化出適合地區(qū)特色的抗旱、耐寒、耐貧瘠植物。探索立體種植方式以突破原有生態(tài)重構(gòu)單一的模式。在空間上形成草、灌、喬相結(jié)合的混交配置，建立起科學(xué)的生態(tài)結(jié)構(gòu)模式(圖6)，提高了土地利用效率及光、溫、水、養(yǎng)分的空間互補優(yōu)勢。形成不同種、不同組合類型的生物群落，增加礦區(qū)范圍內(nèi)物種多樣性和生態(tài)多樣化。例如，準(zhǔn)能礦區(qū)排土場，以“經(jīng)濟林/中草藥、經(jīng)濟林/農(nóng)作物、生態(tài)林/草”3種立體組合，作為林藥間(套)作、農(nóng)林復(fù)合、生態(tài)養(yǎng)地的最優(yōu)立體種植模式，其立體生態(tài)效應(yīng)及改土效率最優(yōu)。優(yōu)選經(jīng)濟合理、能促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的立體種植模式，可實現(xiàn)干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟與社會效益的高效性。

4 結(jié) 語

露天開采與井工礦開采對環(huán)境生態(tài)的損傷特點明顯不同，井工開采造成上覆地層產(chǎn)生裂隙、塌陷，井工開采沉陷地修復(fù)是原位修復(fù)與生態(tài)保護，而露天開采是對煤層上覆巖土層的整體剝離及搬運重新堆放過程，無序堆放結(jié)構(gòu)在干旱半干旱露天礦區(qū)會加劇水土流失，土地生產(chǎn)力下降，植被生長更難。因此露天開采的生態(tài)修復(fù)實際上是生態(tài)環(huán)境因子的重構(gòu)過程，包括土、水和植被的重構(gòu)。它涉及礦區(qū)水資源的保護與利用、排土場土層結(jié)構(gòu)重構(gòu)與土壤改良、植物組合及生態(tài)系統(tǒng)重建與穩(wěn)定等，其難度更大！因此露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)必須探索新的思路和技術(shù)，促使西部干旱貧瘠土地得到高效利用，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得到有效恢復(fù)和健康發(fā)展，再造綠水青山的生態(tài)景觀，為西部干旱半干旱露天煤礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)探索出一條高效可行新途徑。