草原露天煤礦土地復(fù)墾中表土資源管理研究——以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市伊敏露天礦為例

劉小翠,白中科,2,包妮沙,馬蕭

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

20世紀(jì)以來(lái),礦區(qū)開采活動(dòng)頻繁,因挖損、壓占等各種人為因素造成破壞廢棄的土地約2億畝,其中80%以上沒有得到利用[1],其中,草原煤礦開采影響范圍大、程度深,對(duì)地表造成影響嚴(yán)重,根據(jù)“十一五”規(guī)劃綱要和中央國(guó)務(wù)院有關(guān)文件中提出的“加快推進(jìn)土地復(fù)墾”的要求,必須對(duì)礦區(qū)開采破壞的土地進(jìn)行復(fù)墾,而土地復(fù)墾需要滿足植被恢復(fù)的表土資源,因此,必須要求復(fù)墾的土壤有較高的生產(chǎn)力和較高的經(jīng)濟(jì)效益,而表土的多少與質(zhì)量對(duì)土壤條件有重要作用[2,3]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)表土資源管理的研究比較少,并且局限于存儲(chǔ)論方向的研究,因此,本文以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市伊敏露天礦為例,對(duì)礦區(qū)表土資源管理進(jìn)行了研究,以保證土地復(fù)墾工作的順利進(jìn)行。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地理位置及自然環(huán)境概況

伊敏煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗境內(nèi),北距海拉爾區(qū)85 km,距濱洲鐵路及 301國(guó)道 78 km。地理坐標(biāo)為 E 119°30′～119°50′,N 48°30′～ 48°50′,伊敏煤礦地理位置見圖1。

礦區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷漫長(zhǎng),夏季溫涼短促,春秋兩季氣溫變化急促,且春溫高于秋溫,秋雨多于春雨,無(wú)霜期短,氣溫年、日差較大,光照充足,年平均氣溫-2.4℃,年降水量358.8 mm,年蒸發(fā)量1166.0 mm,年最大蒸發(fā)量為1284.0 mm(1987年),無(wú)霜期110 d;月平均風(fēng)速5.2 m?s-1,大風(fēng)(風(fēng)速 17 m?s-1以上)的天數(shù)平均每年21.1 d。區(qū)域內(nèi)地形起伏不大,東西兩側(cè)海拔標(biāo)高在780 m以上,西南較低,海拔標(biāo)高為740～450 m,中部海拔標(biāo)高為667～702 m。分布有線葉菊草甸草原,貝加爾針茅草原,羊草草原,大針茅草原,克氏針茅草原等草原類型。植被覆蓋率達(dá)到70%以上。

圖1 伊敏煤礦地理位置Fig.1 Location of Yimin coal mine

1.2 研究區(qū)土壤概況

土壤受地形、氣候、母質(zhì)、植被影響,處于黑鈣土向暗栗鈣土的過(guò)渡帶。區(qū)內(nèi)地帶性土壤有黑鈣土、栗鈣土、暗栗鈣土;非地帶性土壤有草甸土、沼澤土、風(fēng)沙土。研究區(qū)內(nèi)土壤以黑鈣土為主,黑鈣土發(fā)育于溫帶半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)草甸草原和草原植被下的土壤,其主要特征是土壤中有機(jī)質(zhì)的積累量大于分解量,土層上部有一黑色或灰黑色肥沃的腐殖質(zhì)層,在此層以下或者土壤中下部有一石灰富積的鈣積層,本區(qū)腐殖質(zhì)層厚度約20～50 cm,有機(jī)質(zhì)含量2.9～4.0%,pH 值為8.0～9.1,土壤質(zhì)地為輕壤-中壤土,鈣積層埋深40～60 cm,厚度20～30 cm,土壤養(yǎng)分狀況是缺磷、富鉀、氮中等。

1.3 研究區(qū)土地復(fù)墾概況

研究區(qū)屬于擴(kuò)建項(xiàng)目,共三個(gè)采區(qū),總面積為2359.61 hm2(見圖 2)。首采區(qū)占地面積 90.83 hm2,2005年已經(jīng)全部復(fù)墾為牧草地;首采區(qū)開采所占用的外排土場(chǎng)截止到2008年末已經(jīng)全部復(fù)墾為牧草地。工業(yè)場(chǎng)地位于礦區(qū)的東南側(cè),占地面積133.25 hm2,在后續(xù)開采中仍將使用,故不涉及工業(yè)場(chǎng)地復(fù)墾。

圖2 采區(qū)劃分及開采順序圖Fig.2 Division of mining area and mining sequence

本文研究對(duì)象主要為二采區(qū)和部分三采區(qū),復(fù)墾年限內(nèi)(2009～2044)二采區(qū)和三采區(qū)內(nèi)采掘場(chǎng)的挖損破壞土地面積1022.08 hm2,破壞類型均為天然牧草地,經(jīng)過(guò)回填后形成內(nèi)排土場(chǎng),全部復(fù)墾,復(fù)墾面積為1022.08 hm2,土地復(fù)墾率達(dá)到100%(見表1);復(fù)墾后土地利用結(jié)構(gòu)主要為牧草地,并以3 m×5 m的株行距套種灌木,植被覆蓋度大于60%。

表1 研究區(qū)土地復(fù)墾破壞、復(fù)墾表Table 1 Land reclamation and land destruction of study area

2 研究方法

本文采用野外實(shí)地調(diào)查的方法,對(duì)研究區(qū)的面積、采區(qū)劃分、責(zé)任復(fù)墾面積、土壤質(zhì)地等進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,分析表土的作用以及表土管理等措施。

3 研究區(qū)表土的作用

研究區(qū)土壤以黑鈣土為主,黑鈣土形成過(guò)程復(fù)雜且漫長(zhǎng),對(duì)防風(fēng)固沙、保證土地復(fù)墾的實(shí)施、緩解對(duì)周邊地區(qū)的影響有很大的作用。

3.1 研究區(qū)表土的不可替代性

3.1.1 形成過(guò)程長(zhǎng)

黑鈣土的形成主要有兩個(gè)過(guò)程:①腐殖質(zhì)累積過(guò)程,其腐殖層的厚度較薄,一般為30～40 cm,其中區(qū)內(nèi)腐殖層厚度為20～50 cm;②鈣化過(guò)程。由于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)的年降水量不多,水分不足,鈣鎂等鹽類有一部分殘留于土壤中,使土壤膠體表面和土壤溶液都為鈣(或鎂)所飽和,呈中性和堿性反應(yīng)。土壤表層的鈣離子與植物殘?bào)w分解所產(chǎn)生的碳酸結(jié)合,形成重碳酸鈣向下移動(dòng),并以碳酸鈣的形式在腐殖質(zhì)層以下淀積,形成鈣積層。研究區(qū)受季風(fēng)氣候的影響,黑鈣土的形成過(guò)程中尚有明顯的草甸化過(guò)程特征。

3.1.2 性狀特殊

(1)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富,種子庫(kù)密度與多樣性均遠(yuǎn)高于采煤剝離的深層土壤,其龐大的種子庫(kù)是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵。

(2)表層土壤土層較薄,表層之下的土源多為含石礫較多的砂質(zhì)土壤與沙化土壤。

(3)礦區(qū)表層土壤中的微生物和動(dòng)物含量相對(duì)深層生土豐富,其對(duì)于重建生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和穩(wěn)定起到重要的作用。

(4)礦區(qū)土壤受長(zhǎng)期強(qiáng)烈的物理風(fēng)化作用,土質(zhì)偏砂,土體干旱,通氣良好,具有明顯的地帶性,這是深層土壤所無(wú)法代替的。

3.2 防止沙漠化進(jìn)程

沙漠化是干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)由于人地關(guān)系不相協(xié)調(diào)所造成的以風(fēng)沙活動(dòng)為主要標(biāo)志的土地退化[4]。據(jù)研究,內(nèi)蒙古沙漠和沙漠化土地面積居全國(guó)第二位,而沙漠化土地?cái)U(kuò)展速度和可治理沙漠化土地面積居全國(guó)第一位[5]。研究區(qū)地表土層的機(jī)械物質(zhì)組成與現(xiàn)代風(fēng)積沙、土層下伏的海拉爾組散沙非常接近,中細(xì)沙粒成分在土層中占85.3%,現(xiàn)代風(fēng)積沙中占 88.4%,散沙中占90.2%。土層中粒徑小于0.125 mm的極細(xì)沙和粘粉粒物質(zhì)含量為 7.8%,比海拉爾組散沙的5.7%和現(xiàn)代風(fēng)積沙的5.6%稍高。

另外,地表土層具有“三明治”型分層結(jié)構(gòu):上部為植物根系密布、有機(jī)質(zhì)含量比較高的沙質(zhì)栗鈣土層,中部為粗化松散層,下部為鈣積層。而且土層中普遍發(fā)育沙土楔網(wǎng)格,將土層切割成多邊形的“馬賽克”塊體,塊體的內(nèi)部還有次一級(jí)的裂隙或節(jié)理。隔絕強(qiáng)大風(fēng)能與巨厚散沙,在沙漠化控制中起關(guān)鍵性屏障作用的土層,無(wú)論從組成成分、分層結(jié)構(gòu)還是厚度、整體性來(lái)看都非常脆弱,規(guī)模極其有限,是干旱區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)和珍稀自然資源。而土層與草原植被及其根系結(jié)合在一起才能發(fā)揮顯著的抗風(fēng)蝕防沙化作用。

因此,保護(hù)表土資源,特別是淺地表的草原植被及其根系層是防止沙漠化發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵,促進(jìn)土層以及草原植被的形成與恢復(fù)是沙漠化控制的根本途徑。

3.3 保證土地復(fù)墾實(shí)施

土壤是陸地上能生長(zhǎng)植物的疏松表層,是植被賴以生存的基礎(chǔ),采區(qū)表層肥沃的土壤是經(jīng)過(guò)多年植物作用而形成的熟化土壤,其容重、水分等理化性狀以及其對(duì)于植物、動(dòng)物、尤其對(duì)于微生物等生物學(xué)性狀是深層生土所不能替代的,蒙古高原的草原生態(tài)區(qū)更是如此。

在土地復(fù)墾中,使復(fù)墾土壤達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)力,構(gòu)造一個(gè)較優(yōu)的土壤物理、化學(xué)和生物條件是最基本和最重要的內(nèi)容[2,3]。而重構(gòu)土壤是植被重建的基礎(chǔ),重構(gòu)土壤的質(zhì)量是決定復(fù)墾成敗與效益高低的關(guān)鍵[6]。所以,表土資源成為決定土地復(fù)墾成敗的關(guān)鍵因素,因此,需要合理利用表土資源,從而保證土地復(fù)墾的順利實(shí)施。

3.4 緩解對(duì)周邊地區(qū)的影響

研究區(qū)位于呼倫貝爾草原,東北林草交錯(cuò)生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi),主要分布了呼倫貝爾沙地、嫩江下游沙地、科爾沁沙地等集中連片的沙漠化土地。

呼倫貝爾沙地主要集中在海拉爾河南部,從海拉爾至滿洲里鐵路線的沙帶長(zhǎng)150 km,寬4～40 km,距項(xiàng)目區(qū)約60 km;科爾沁沙地位于東北和華北的交界地,距研究區(qū)直線距離約500 km;嫩江下游沙地,位于我國(guó)北方最東端的嫩江下游沖擊平原上,沙地面積達(dá)到52.8萬(wàn)hm2,距項(xiàng)目區(qū)直線距離約400 km,由于上風(fēng)向植被破壞,沙漠化土地向大慶主城區(qū)擴(kuò)延的速率達(dá)到每年500 m。

近10年來(lái),東北沙塵暴頻繁發(fā)生,對(duì)沈陽(yáng)-長(zhǎng)春-哈爾濱一線的城市群造成了嚴(yán)重的污染,也造成停電、停水、停產(chǎn)、妨礙交通并損害建筑物。2002年4月7日,沙塵天氣導(dǎo)致長(zhǎng)春機(jī)場(chǎng)所有航班延誤。大慶市每年也大約觀測(cè)到5次沙塵暴。吉林省的吉林市2003年的沙塵暴次數(shù)為5次。

從圖3中可以看出,項(xiàng)目區(qū)被三大沙地包圍,距離呼倫貝爾沙地只有60 km,如果對(duì)內(nèi)蒙東部(本礦區(qū)所在地)和東北西部草地不加以保護(hù),對(duì)草地沙化現(xiàn)象不加以控制,不僅會(huì)使呼倫貝爾沙地面積擴(kuò)大,而且流沙侵移、沙塵暴肆虐還會(huì)給老工業(yè)基地和東北商品糧基地帶來(lái)深重的風(fēng)沙災(zāi)難。

項(xiàng)目區(qū)露天開采對(duì)地表造成了大規(guī)模的破壞,為緩解對(duì)項(xiàng)目區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響,需要對(duì)破壞土地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)措施。項(xiàng)目區(qū)位于草原生態(tài)脆弱區(qū),表土形成過(guò)程漫長(zhǎng),一旦破壞很難恢復(fù),因此,有表土資源間接緩解了沙漠化推進(jìn)速度。

4 表土資源管理

為保證后期土地復(fù)墾中生物措施的實(shí)施,需要在未開采前,對(duì)采掘場(chǎng)表層土壤進(jìn)行剝離、存放,以保證具有充足的表土資源。

4.1 表土剝離

圖3 研究區(qū)周邊位置圖Fig.3 The Peripheral location of study area

草原礦區(qū)表層土壤是珍貴的熟化資源,含有豐富的有機(jī)質(zhì)、微生物以及龐大的種子庫(kù),而表層土壤之下的土壤多為含礫較多的砂質(zhì)土壤與沙化土壤(圖4)。因此,為保證后期復(fù)墾工作的實(shí)施,需要從基建期開始對(duì)表層土壤進(jìn)行剝離。

表土層相對(duì)較軟(除冬季),不需要爆破,由挖掘機(jī)直接剝離、裝運(yùn),研究區(qū)的凍冰期從9月下旬到翌年4月下旬,長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月,這期間剝離工作可以根據(jù)具體情況采取適當(dāng)?shù)谋品绞健?/p>

圖4 土壤破壞對(duì)比圖Fig.4 Comparison Chart of soil destruction

在研究區(qū)采掘場(chǎng)表層土壤及上層草皮單獨(dú)剝離。伊敏一號(hào)露天礦共分為三個(gè)采區(qū)(圖2),復(fù)墾責(zé)任面積為1022.08 hm2,研究區(qū)范圍內(nèi),剝離厚度根據(jù)表土厚度而定,土壤類型主要為黑鈣土,土地構(gòu)成中具有單獨(dú)存放意義的土層為腐殖質(zhì)層,一般厚度為20～40 cm。因土層厚度不均,剝離層可以較原有腐殖質(zhì)層稍厚,取平均值,為30 cm,整個(gè)研究區(qū)共剝離表土326.62萬(wàn)m3。

4.2 表土存放

對(duì)于基建期間二采區(qū)部分剝離的表土直接鋪覆于附近存在一定程度退化的草地上作為臨時(shí)堆土場(chǎng)。

當(dāng)排土標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后,需要進(jìn)行及時(shí)的覆土,在覆土之前,需使用整平機(jī)或推土機(jī)平整平臺(tái)臺(tái)面,然后將剝離的表土鋪覆到上面,以便于后期的土地復(fù)墾。

當(dāng)采取剝離的表土達(dá)到一定量后,可以實(shí)施“邊采邊覆”,將剝離的草皮分別鋪覆于前面結(jié)束整地的內(nèi)排土場(chǎng)。這樣,一方面減少了表層土壤的二次搬運(yùn),另一方面減少排土場(chǎng)的地面裸露時(shí)間,緩解了風(fēng)蝕沙化,研究區(qū)覆土工程量見表2。

表2 研究區(qū)覆土工程量統(tǒng)計(jì)表Table 2 The covering soil quantities statistics tables in study area

4.3 表土管護(hù)

伊敏一號(hào)露天礦到2009年全部實(shí)現(xiàn)內(nèi)排,在全部實(shí)現(xiàn)內(nèi)排前,需對(duì)二采區(qū)、三采區(qū)剝離并鋪覆于臨時(shí)堆土場(chǎng)的表土進(jìn)行管護(hù),防止其出現(xiàn)退化。

部分二采區(qū)剝離的表土主要用于內(nèi)排土場(chǎng)的表土鋪覆,由于表土堆放時(shí)間較長(zhǎng)、土壤結(jié)構(gòu)松散,易受到風(fēng)蝕及水蝕的侵害,在堆放的表土周邊采用纖維土袋壘砌土墻作為臨時(shí)擋護(hù),其他裸露面采用撒播草籽防護(hù),研究區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)最終復(fù)墾為灌草混交地,其中草籽選擇羊草和披堿草混播,故在裸露面采用羊草和披堿草1∶1撒播。其他位置可實(shí)現(xiàn)剝離后直接回鋪到前面結(jié)束整地的內(nèi)排土場(chǎng)。

5 結(jié)論

內(nèi)蒙古伊敏一號(hào)露天煤礦處于典型的內(nèi)蒙古草原生態(tài)區(qū),土地表層土壤是經(jīng)過(guò)多年熟化而成的珍貴熟土資源。

研究區(qū)的表土主要為黑鈣土,黑鈣土土壤中有機(jī)質(zhì)的積累量大于分解量,土層上部有一黑色或灰黑色肥沃的腐殖質(zhì)層,肥沃的腐殖質(zhì)層有效地減少了草原區(qū)水土流失及沙漠化的速度,研究區(qū)在開采生產(chǎn)過(guò)程中,大量地破壞了表土資源,加劇了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞。草原區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū),表土資源是經(jīng)過(guò)多年熟化形成,一旦破壞,將難以恢復(fù),進(jìn)而對(duì)當(dāng)?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)造成的災(zāi)難性的影響,甚至對(duì)老工業(yè)基地和東北商品糧基地帶來(lái)嚴(yán)重的風(fēng)沙災(zāi)難,將大面積影響人類的生存和發(fā)展,帶來(lái)的負(fù)面影響是沉重的。

因此,研究區(qū)必須要加強(qiáng)土地復(fù)墾,在土地復(fù)墾過(guò)程中,需要極度重視表土資源,本文通過(guò)分析研究區(qū)的土壤特點(diǎn),提出切實(shí)可行的表土資源管理措施,其中包括對(duì)表土的剝離、存放以及改良等措施,保證肥沃的表土資源得以再利用,進(jìn)一步確保土地復(fù)墾中生物恢復(fù)措施的成效。

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