煤炭矿区生态修复技术研究进展
时间：2023-02-11 14:40:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赫苗花，施建军*，唐俊伟，贾顺斌，李超，邢云飞，李思瑶，刘青青，张海蓉
(1.青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；
2.青海省草原总站，青海 西宁 810016；
3.青海省引黄济宁工程建设管理局，青海 西宁 810016)
煤炭作为我国主要的优势矿产资源，在能源结构中具有基础性地位[1,2]。随着经济的发展，人类对于能源、资源的需求不断增大，矿区的开采也在不断增加，目前我国煤矿约有6 000座，其中露天煤矿400余座[3]，煤矿开采造成的生态问题严重，露天煤矿开采更是严重破坏矿区的生态环境。煤矿的开采严重破坏土地，据统计全国6大聚煤区露天煤矿的大量开采已经形成了约200万hm2的采煤沉陷区[3,4]；
造成植被长势不良、绿度下降、生物量减少，植物多样性减少、地表景观改变等[5-7]；
煤矿开采还会造成地表水污染和地下水污染，采矿后的脱水通常会被释放到附近的水体中，排放的水含有悬浮物、金属污染物和其他污染物，进而危害水资源[8]。露天开采占据的地表面积更大，且更易产生大量的粉尘，煤矿粉尘会危害居民健康、影响植物生长，还造成土壤重金属污染[9]。通过在采矿前和采矿期间的预防措施，以及在采矿完成后的补救措施，可以将采矿的污染最小化。
青海省木里煤矿位于祁连山南麓的木里矿区，是祁连山水源涵养地，也是生态安全屏障的重要组成部分，生态地位重要。木里煤矿由江仓、聚乎更、哆嗦贡马3个矿区组成，形成11座露天矿坑，19座渣山，采坑总面积1 433.04万m2、渣山总面积1 856.79万m2[10]。木里矿区平均海拔4 100 m，温度低，环境恶劣，属于高寒冻土区，不利于植被生长，植被类型主要是高寒草甸类和高寒沼泽类，生态系统脆弱，易破坏，难修复[11,12]。由于缺乏生态保护意识，长期的无规划开采，加之生态系统的脆弱，导致很多生态环境问题和地质灾害隐患[13]。生态保护要求坚持重视“推进绿色发展，促进人与自然和谐共生”的理念，全面贯彻习近平生态文明思想，以资源保护为主，加快实施修复治理项目。习总书记多次强调重视木里矿区的综合整治，坚持不彻底解决绝不放手的发展理念，走高质量发展之路。为响应习近平总书记生态保护的号召，2014年木里煤矿停产以来，进行生态修复治理。生态修复是一个系统性的工程，良好的生态环境是各种生物和生物、生物和环境之间相互配合、相互作用的结果，2020年正式启动木里煤矿保护项目，但许多修复工程细节的研究还不够完善，矿区的不同地形选用的草种、群落的配置以及土壤改良剂不同，导致各地区治理效果参差不齐，因此对于木里矿区的生态修复还需要更加深入的研究。
从不同的角度选择矿区生态修复的方案更有利于不同生态环境的保护。宏观大尺度方面，从景观生态角度制定修复方案更有利于生态系统的组合。21世纪后，景观生态学被应用到煤炭矿区的研究。煤炭的开采严重破坏了景观生态系统，导致景观结构缺陷、功能不平衡等一系列的景观生态问题。利用最小累计阻力(MCR)模型重构煤炭矿区的景观生态模型和生态走廊，能解决景观生态的结构缺陷，保证各生态系统结构和功能的持续性[14-16]。通过景观格局指数评价景观系统的稳定性，分析景观生态格局的演变，是目前国内外最常用的方法，可为我们评价景观生态提供借鉴[17-20]。小尺度方面，不同时期对不同地形地貌生态修复的措施不同，煤矸石堆、煤矿边坡、储煤区、生活区的生态修复都有各自的侧重点。
1.1煤矸石堆治理。早期采用简单的整地方式，利用覆土和石灰拌土改良土壤质地，并种植生物量较大、根系发达、抗逆性好的植物[21-24]。目前有了更成熟完善的综合治理方式，先修建拦渣墙和排水渠稳定煤矸石堆，再通过回填表土和人工建植植被的方式来恢复生态环境[25,26]。不同表土覆盖的厚度是土壤重构的关键，研究表明，需要根据煤矸石堆的具体情况来确定覆土的厚度[27-30]。为促进生态系统结构稳定性、功能多元化、生物多样化，人工建植可采用先锋植物和引入乔灌草混交搭配[31-33]。
1.2煤矿边坡治理。早期国内外对于煤炭边坡的治理主要是通过机械平整土地、改造成梯田、加强坡角的支挡等简单方式削坡减载[34-36]。对于边坡稳定性及其影响因素认识不完善，没有综合研究边坡高度和坡度两者的关系。目前在露天煤矿开采研究中，边坡的治理已经深入研究了边坡的高度和坡度的关系，维持了边坡的稳定性，避免坡体滑动造成损失，从而达到更好的治理效果[37-40]。
1.3储煤区的治理。早期大型的储煤场主要采用挡风抑尘来防尘，挡风抑尘墙被广泛用于煤炭堆放、装卸的场所，但只能减少扬尘，起不到根本的治理作用，环保效果不理想[41]。近年来研究表明，全封闭式储煤场更能达到环保要求，是大势所趋，从技术、造价、施工时长、煤场占比面积、储煤量等角度选择储煤场的布置方式和网架结构形式，既能节约资金，又能环保[42-44]。
1.4生活区的治理。机械拆除处理地面建筑物，回填处理地下建筑，平整场地，覆土种草[25]。在绿化配置设计中应注重以人为本，突出植物的防噪音隔离作用[45]。
随着生态理论发展和科技技术的不断更新，矿区生态修复技术措施也在不断发展完善。矿区的生态修复主要以土壤改良和植被重建为主。最初的生态修复是从植被重建开始的，一直以来植被重建也被认为是生态修复的重要方式，通过选择不同的植被和不同的植被配置方案，探究不同植被对土壤的影响，进而改善生态环境[46]。土壤中的养分决定着植被的生长状况，因此土壤的改良对于矿区的生态修复也至关重要。因地域差异和外部干扰，不同的生态系统需要修复的方案不同。国内外矿区的修复方案主要表现在两个方面:矿区的植被重建，包括不同植被的选择和不同植被的配置方案；
矿区的土壤改良，包括干草转移、施用改良剂、施用有机肥料、微生物改良等修复措施。
2.1 矿区植被重建
同种植物在不同的地理环境下的生长状况、优势程度不同，不同种植物对环境的适应能力、土壤的改良效果和对生态系统的恢复能力也不相同，依据气候和地理条件选择适宜的草种是恢复矿区生态系统的关键。受区域、地形、气候等条件影响，选择适应能力强、抗逆性好、根系发达、成活率高、能改良土壤、有较高的生长速度且能在矿业废弃地上能自然定居的植物[47-50]，是矿区生态修复的基础和关键。
2.1.1矿区植被的选择
选择合适的草种是生态修复的关键。豆科植物有固氮能力，能通过根部的根瘤菌将大气中的氮固定到土壤中，改善矿区土壤，促进植物生长。晋陕蒙高原地区矿区治理，多项研究都提出了以豆科植物作为先锋植物。李晋川等[51]对安太堡煤矿废弃地复垦植被的研究提出，柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKOM.)、刺槐(RobiniapesudoacaciaLinn.)等豆科植物生长迅速，产量高，能有效增加土壤含氮量。王丽丽[52]在晋陕蒙煤矿区排土场的研究提出，以紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)为主的豆科落叶灌木和沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、紫苜蓿(MedicagosativaLinn.)等为主的豆科草本植物能改良土壤，改善生态环境。大量的研究证明原物种对矿区的恢复治理更有利，矿区的优势物种会变为本土物种，外来物种很难生存或者存活时间短。英国南约克郡的匹克国家公园通过种植慢生的地方草种代替速生但抵抗力低的农业草种，能更好地适应因采矿被破坏的土壤，有助于矿区的生态修复[53]。张琳等[54]对内蒙古锡林露天煤矿排土场边坡人工恢复植被的调查，植物群落组成禾本科种类最多，坡面优势种由人工种植植物羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.)和紫苜蓿转变为本土植物大籽蒿(ArtemisiasieversianaEhrhartexWilld.)、栉叶蒿(Neopallasiapectinata(Pall.)Poljak.)。印度加利亚(Jharia)煤矿八年的造林治理表明，原矿区快速生长的树木阔荚合欢(Albizialebbeck(Linn.)Benth.)、黄豆树(Albiziaprocera(Roxb.)Benth.)和印度黄檀(DalbergiasissooDC.)对恢复煤矿退化的土地和增加矿山土壤碳氮库至关重要[55]。由于不同品种适宜种植的地理环境和气候条件不同，本土品种已经能更好地适应环境，所以，以本土品种为主，辅以引进品种，更有利于生态修复。
对高寒矿区生态修复的研究发现，多数地区种植抗逆性好的禾本科植物[56,57]。段新伟等[12]通过对木里矿区的地理条件和经济效益的综合考虑，建议使用冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng.)、披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)、中华羊茅(FestucasinensisKengexS.L.Lu.)、老芒麦(ElymussibiricusLinn.)、星星草(Puccinelliatenuiflora(Griseb.)Scribn.etMerr.)5种禾本科草种混播，进行木里矿区的生态修复。杨鑫光等[58]分析了天峻县木里煤矿的三种抗寒草种，结果表明冷地早熟禾和垂穗披碱草的抗寒性更高。汪庆等[59]以祁连山双龙煤矿为试验地，将草地早熟禾(PoapratensisLinn.)和其他杂草群落相对照，另增加人工选种披碱草，结果表明人工种垂穗披碱草生物量大，生长状况好，种子饱满，有很好的适应性。因此，禾本科植物中，早熟禾和披碱草更适宜应用于高寒矿区的修复。
2.1.2矿区植被的群落配置
草种的选择对于生态恢复固然重要，但已有许多研究表明混播比单播对矿区土壤和生态系统的恢复效果更好，混播能够充分利用空间、保持土壤储水量，提高抵御自然灾害的能力[60,61]。不同的植被配置方案对土壤理化性质的影响明显不同，对生态环境的治理效果也不相同[62-64]。安太堡露天矿复垦区的研究中，相比刺槐林和油松—刺槐—柠条混交林，油松—刺槐混交林土壤肥力最高，显著地改善了土壤的生态环境，促进了土壤养分的提高[65]，该试验中，乔木混交林比乔木林纯林和乔灌混交林对土壤质地的改善更佳。在山西河东矿区对煤矸石堆的研究中，提出植被恢复应以草为先锋开路，在生态环境有所改善后，再种植灌木和乔木，来改善矿区生态[66]。植被的恢复情况可以通过土壤的理化性质体现，土壤有机碳是土壤质量评价的指标[67,68]。山西太原矿区恢复植被的配置模式中，在乔草、灌草和乔灌草三种类型中，以圆柏为主的乔灌草组合最有利于土壤的碳固定[69]。对于温带大陆性气候的山西，最适宜的植被配置模式为草、灌、乔相结合模式。在内蒙古露天煤矿区的研究中，草本、灌草、灌木林、乔灌4种不同植被配置的模式下，柠条+紫苜蓿的灌草群落对土壤有机质、土壤全氮含量、土壤肥力改善更明显[70]。王丽丽[52]研究了已恢复19年的内蒙古煤矿区排土场，表明灌木沙棘和草本植物长芒草混合种植对土壤的改良效果较好[71]。内蒙古西北部的霍林河露天矿排土场植被恢复应采用以乔灌配置和灌草配置为主模式[72]。郑海峰等人[73]在黑岱沟煤矿的研究表明，乔灌牧草混交模式有较好的保水效果，土壤具有较好的水热环境。对于半干旱大陆性气候的内蒙古，在群落配置中以豆科乔木，并组合以合适的灌木、草本能更好地改良土壤。因此，群落配置需要根据不同地区因地制宜。高寒矿区海拔高、生态系统脆弱、环境差，矿区造成植被生长的土壤理化性质和土壤肥力降低，高寒矿区生态修复更需要利用合适的群落配置来改善生态环境。
国外有研究表明乔灌组合植物存活时间短，草本植物比木本植物具有更高的生长能力，群落配置需要搭配草本类植物[74]。草种的混播模式能够快速建立植被覆盖度，提高群落结构的多样性，速生慢生草种搭配，一年生和多年生草种混种，有助于矿区的生态修复[75]。印度北部露天煤炭矿区生态的研究发现，林木下种植禾本科、菊科、豆科草本对生物量的贡献大[76]。美国东北部煤矿土地的自然生态系统恢复中，多种树种、灌木及草种的多样化实现了自然生态系统的恢复[77]。种群对群落时间、空间、资源的合理利用，有利于群落中各种群相互作用、相互补充。多个种群组成的群落比单个种群更能充分利用资源，维持群落稳定性。不同地区的环境条件以及植被种类决定其适合的草种混播模式，关于高寒矿区群落草种搭配和搭配比例还需要大量的试验研究。生态修复既要考虑植被，还需要考虑土壤类型和土壤的理化性质等。
2.2 矿区土壤的改良
矿区由于采矿会造成土地塌陷、水土流失，改变土壤原有的层次结构，破坏土壤的理化特性，影响土壤肥力，降低土壤有机质，严重影响植被的生长[67]。矿区生态系统恢复的主要目的是建立稳定的植被群落，土壤作为植被的生长环境，是矿区重建的基础。改良土壤是植物群落重建的前提，改良土壤措施包括干草转移、施用改良剂、施用有机肥料、微生物修复等。
干草转移技术，是指在成熟期对草本植物采割，将成熟的干草连同种子转移到待耕地。刘丹等[78]对煤矿排土场干草转移重建坡面层的研究发现，干草转移技术可以降低土壤温度，提高土壤含水量，增加土壤有机质，加快土壤养分循环，进而提高草本植物盖度和生物多样性。Agnes-Júlia Albert等[79]对退耕地草地恢复研究表明，通过干草转移能促进种子传播，增加物种数量和物种组成，进而改善土壤质量。
施用改良剂可以改变土壤物理组成、性质、pH值以及土壤微生物等特性，为植物定植和生长提供适宜的生存环境，刺激微生物的生长和活动，对提高土壤肥力和质量有积极的影响。Claire L等人[80]认为，用粉煤灰可以改良粗粒和细粒的土壤质地，提高粗粒土壤持水能力，提高酸性土壤的pH值和大多数微量营养元素的浓度。李希来等[81]在研究青藏高原高山沼泽草甸废弃煤矿地的生态恢复中发现，高寒矿区的矿矸石和永久冻土层形成的煤矿矿屑的基质中含有足够的营养物质，可以满足播种种子的初生长要求，这与Claire L的结论一致。Schuman[82]证明石膏与木渣结合可以改善土壤的物理特性、水的渗透和盐的浸出，有利于建立理想的高产植物群落，可以防止矸石的进一步酸化。储祥云[83]、于宁等[84]研究表明，施用石灰能缓解土壤酸害，提高土壤有效磷的含量，恢复土壤酶活性，进而改善土壤状况，促进作物更好地吸收土壤养分。
有机肥料中含有植物生长发育所必需的大量营养元素，可以改善土壤理化性状、活化土壤养分、维持和促进微生物繁殖[85,86]。宋艳红等[87]提出用煤矸石生产的有机肥料，能增加土壤的透气性，增大植物产量，从而解决了煤矸石长期堆放造成的污染。河北邯郸矿区农民采收油菜籽后，将油菜花杆粉碎作为有机肥料还田，增加了土壤肥力，改善了土壤特性[88]。
微生物改良法是利用一种或多种微生物及其代谢产物改善植物根系环境的方法，具有无污染、绿色、成本低的优点，对植物生长有促进作用。郭秀珠等[89]使用微生物菌肥改良土壤，促进土壤中有机质和营养元素的分解，缓解土壤酸化，促进植物生长。侯亚玲等[90]通过研究不同含量枯草芽孢杆菌对盐碱土壤蒸发的影响，得出枯草芽孢杆菌可以分泌激素类、酶等物质，从而提高土壤的持水性能，增强植物的抗病、抗干旱、抗盐碱等抗逆性。Singh等人[91]对矿渣进行了微生物辅助植物修复，发现土壤理化特性提高了3～5倍。因此，微生物改良法能修复矿区的生态环境。
综上所述，不同的破坏程度、不同的环境对煤炭矿区生态修复采取的措施不同，但都以近自然恢复和维持生态系统稳定为目标。煤矿开采阻碍植被生长，破坏土壤的结构和特性，因此需要对矿区的生态修复采取综合措施，以土壤改良为前提，植被重建为基础，因地制宜开展矿区生态修复。
高寒矿区生态修复过程中存在的问题主要为：目前高寒矿区的研究中皆为高播量禾本科混播[92,93]，草种的类型单一，群落结构不稳定；
草种播种量大，浪费资源；
种子萌发率、越冬率低；
土壤质量差，土壤改良的施肥量大；
生态系统稳定性的评价方法不统一，缺乏完整的评价体系；
生态系统的稳定性存在时间限制，随着时间的延长，生态系统的多样性下降，植被逐渐退化。建议通过以下几个方面的改进研究恢复高寒矿区的生态：多种不同科的草种进行混播，增强群落稳定性；
研究不同草种组合、比例、播种量及种植方式的群落配置研究，以达到低播量高盖度；
通过种子丸粒化促进种子萌发，提高种子抗性；
对于高寒矿区土壤的修复，目前已实施以肥代土，能更好地恢复植被[94,95]，研究合适的有机肥、剂量以及微生物菌剂等，能进一步改善土壤质量、恢复植被。科学制定完备的生态系统稳定性的评价体系；
考虑气候、地域、时间、空间、生态系统、群落等多方面的因素，以近自然恢复，维持生态系统的多样性和稳定性。
