山西省王莊煤礦生態(tài)恢復(fù)模式研究

王慶林,朱宗澤,張永領(lǐng)

（河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000）

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)都是對(duì)原有農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行一定程度破壞之后建立起來的,由于其在生產(chǎn)和建設(shè)過程中農(nóng)林植被絕大部分被破壞,才導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào)、人類生存環(huán)境惡化,需要一定程度的修復(fù)或重建才能適宜人們生活或居住[1-2]。自20世紀(jì)30年代,西歐及北美各國已經(jīng)開始在礦區(qū)的植被恢復(fù)方面進(jìn)行深入研究[3-4];80年代始,澳大利亞、新西蘭等著重強(qiáng)調(diào)廢礦地的恢復(fù)和治理[5-6]。

自20世紀(jì)90年代,我國才開始對(duì)礦山廢棄地復(fù)墾及有毒有害物質(zhì)污染后的植被修復(fù)研究[7-8]。由于大部分煤礦系統(tǒng)具有基本相似的生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題及其產(chǎn)生機(jī)理[9],所以尋求區(qū)域適宜的、又對(duì)其它地區(qū)有一定借鑒意義的環(huán)境整治或治理模式就成為恢復(fù)煤礦脆弱生態(tài)系統(tǒng)的必要方法之一[10]。本研究就是以自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論為指導(dǎo),在深刻辨識(shí)研究區(qū)所面臨的主要生態(tài)與環(huán)境問題的基礎(chǔ)上,提出了適合于山西省王莊煤礦的土地系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)模式。該研究不僅為王莊煤礦生態(tài)恢復(fù)工作的開展提供科學(xué)依據(jù),也力爭為全國其它礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)工作提供借鑒。

1 研究區(qū)概況及生態(tài)環(huán)境問題

1.1 研究區(qū)概況

王莊煤礦建于1958年,正式投產(chǎn)于1966年12月,經(jīng)過兩次改擴(kuò)建,2008年實(shí)際生產(chǎn)能力接近750萬 t/a;現(xiàn)有井田南北長11 km,東西寬4.6 km,面積51 km2。由于王莊煤礦地處上黨盆地中部,屬巨厚沖積層高潛水位礦區(qū)。隨著煤炭資源的持續(xù)開采,從而引發(fā)了一系列生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題,如果不加強(qiáng)治理與恢復(fù),將嚴(yán)重影響礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 生態(tài)環(huán)境問題辨析

王莊煤礦的開采主要引起兩方面的生態(tài)與環(huán)境問題:一是采煤沉陷,二是廢棄物壓占土地,主要包括矸石山壓占土地和電廠的粉煤灰堆放占地。

1.2.1 采煤沉陷 王莊煤礦屬?zèng)_積層礦區(qū),沖擊層厚度達(dá)300～400 m。煤層開采后,上覆巖層整體下沉,采空區(qū)上方的地表出現(xiàn)變形和沉陷。因上覆巖層下沉速度較快,下沉區(qū)域較為集中,深度從邊緣向中心部逐漸加深,最深處一般為采出煤層厚度的60%～70%,一般為1 m左右,最深可達(dá)2.5 m。另外,王莊煤礦屬于高潛水位礦區(qū),地表沉陷后,埋藏不深的淺層地下水露出地表,或地面流水線遭到破壞,地表水匯集到沉陷盆地中部,形成常年積水或季節(jié)性積水。據(jù)實(shí)地勘察,常年積水面積約1/5,季節(jié)性積水面積約1/4?？傊?至少有一半的沉陷耕地會(huì)大幅度的減產(chǎn)或絕產(chǎn),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到極大影響。

截至2008年底,王莊煤礦采煤已造成的沉陷土地面積約1 409.52 hm2,其中經(jīng)過治理,成效較為顯著的面積為263.63 hm2,另外1 145.89 hm2的沉陷土地沒有進(jìn)行治理或治理成效不明顯,其沉陷程度和所占比例見表1。據(jù)預(yù)測,到2010年底礦區(qū)沉陷地將超過1 450 hm2,治理任務(wù)十分艱巨。

表1 2008年底王莊煤礦采煤沉陷地面積

1.2.2 廢棄物壓占土地 在采煤和煤洗選加工過程中產(chǎn)生的煤矸石是王莊煤礦主要的采礦廢棄物,每年接近70萬 t,約占煤炭產(chǎn)量的10%。目前共有4座矸石場:舊矸石山、西矸石山、西風(fēng)井矸石山及新排矸系統(tǒng)。其中前三者分別占地4.30 hm2、6.00 hm2、1.50 hm2,新排矸系統(tǒng)矸石直接排入東古村北部山溝,不再平地起堆,也不再占用耕地,占地面積約 7 hm2。2008年底累計(jì)矸石存放量為563萬 t,占地面積18.80 hm2;如果只是增加生產(chǎn)量而不增加消耗量,預(yù)計(jì)到2010年將新增占地7.40 hm2。雖然近年來的治理力度和效果較好,但造成自然環(huán)境的污染、不同程度的危害人體健康還在所難免。

煤電集團(tuán)坑口電廠排放的粉煤灰、廢渣等也壓占了大量的土地。截止到2008年底粉煤灰堆放占地2.13 hm2,據(jù)預(yù)測至 2010年底其占地將達(dá)到 2.60 hm2。另外,截止到2008年底,礦區(qū)由于煤炭開采沉陷引起的搬遷村莊個(gè)數(shù)已達(dá)12個(gè),占地面積約13.00 hm2。礦區(qū)主要廢棄地及其所占面積及2010年的預(yù)測數(shù)值見表2。由此可見,其村莊廢棄地的治理與利用也是礦區(qū)環(huán)境整治工作重點(diǎn)之一。

表2 2008年底及2010年底王莊煤礦廢棄地面積 hm2

2 生態(tài)恢復(fù)與重建模式配置

針對(duì)煤礦存在的主要生態(tài)與環(huán)境問題,本研究以生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理為指導(dǎo),實(shí)施現(xiàn)代集約型生態(tài)農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系,以期達(dá)到土地整治與利用的效果。

2.1 立體種植/養(yǎng)殖模式

此類模式包括設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)模式和農(nóng)漁禽生態(tài)利用模式兩種。前者一般是在距離居民集聚區(qū)較近的非積水穩(wěn)定沉陷區(qū),借助人工建筑的設(shè)施,以可調(diào)控的技術(shù)手段,實(shí)施生產(chǎn)要素的全方位調(diào)控,為農(nóng)業(yè)生物生長提供良好的環(huán)境條件,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,如小拱棚、大拱棚或地膜覆蓋栽培蔬菜和食用菌種植等。后者則強(qiáng)調(diào)充分利用沉陷區(qū)形成有積水的優(yōu)勢,根據(jù)多層次的生物種群的生活規(guī)律和食性以及它們所處的生態(tài)位不同,利用生物間“互利共生”的關(guān)系,按照生態(tài)學(xué)的食物鏈原理,實(shí)現(xiàn)農(nóng)-漁-禽綜合經(jīng)營的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式,如水岸種植耐濕經(jīng)濟(jì)作物、水面養(yǎng)鴨、水下養(yǎng)魚。依據(jù)實(shí)地考察結(jié)果,此兩種立體土地恢復(fù)模式的適宜區(qū)面積可以接近350 hm2,約相當(dāng)于急需治理沉陷地面積的30%。

2.2 物質(zhì)循環(huán)利用模式

亦稱充填恢復(fù)模式,包括煤矸石和粉煤灰充填,不僅可以把煤矸石和粉煤灰變廢為寶,亦可以使沉陷地得以治理,適宜區(qū)域主要是沉陷程度較小的穩(wěn)定沉陷區(qū)。利用煤矸石作為沉陷區(qū)土地的充填材料,既可使采煤破壞的土地得到恢復(fù),又可減少矸石堆放占地,消除矸石山對(duì)環(huán)境的污染。電廠發(fā)電要排放大量的粉煤灰,如僅僅堆棄在自然界中,不僅壓占大片土地,而且污染環(huán)境。若能利用沉陷區(qū)形成的巨大容積來解決粉煤灰堆放問題,則不僅可化解兩害(沉陷區(qū)、粉煤灰),而且對(duì)三方(電廠、煤礦、農(nóng)民)都有利。根據(jù)實(shí)地考察,這種充填恢復(fù)模式的適宜區(qū)面積可以達(dá)到520 hm2,超過急需治理沉陷區(qū)面積的45%。

2.3 礦區(qū)廢棄地林灌草模式

王莊煤礦是一個(gè)老礦區(qū),在長期的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了一些難以治理的廢棄地,如排土場、粉煤灰堆積場、尾礦壩等。它們是一種極端裸地,土壤表土常常缺失、植被稀少。排到地面的礦井水滲入土壤后,也可能引起其pH值過低,危害陸生植物及微生物的生存等。這一切均可造成礦區(qū)水體、土壤和大氣的嚴(yán)重污染,進(jìn)而引發(fā)一系列經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等方面的問題。因此,在此類區(qū)域內(nèi)主要利用生物恢復(fù)技術(shù),采用林灌草種植相結(jié)合的方式改善植被狀況。此模式在此礦區(qū)有較廣的適宜區(qū)域,總面積約15 hm2,約占現(xiàn)有礦區(qū)廢棄地的70%。

2.4 村莊廢棄地“林果-畜禽”模式

由于采煤沉陷的影響,導(dǎo)致一些村民住房和基礎(chǔ)設(shè)施遭受不同程度的破壞,地面、屋頂、墻體出現(xiàn)裂縫或整個(gè)建(構(gòu))筑物發(fā)生傾斜、變形等,導(dǎo)致村民不得不整體搬遷。這種村莊廢棄遺址的復(fù)墾,要根據(jù)地面下沉深度,采取簡單的充填式或非充填式復(fù)墾技術(shù)和必要的整平措施,將其恢復(fù)為具有可耕種能力的土地。由于該類型區(qū)復(fù)墾后的土壤肥力較差,土地生產(chǎn)能力較弱,可以選擇栽種對(duì)土壤條件要求不高、生命力強(qiáng)的林木,并在林地或果園內(nèi)放養(yǎng)一些經(jīng)濟(jì)動(dòng)物,以野生取食為主,輔以必要的人工飼養(yǎng)。研究表明,禽畜的糞便返回土壤,明顯提高了土壤肥力。因此這種模式對(duì)于采煤沉陷地復(fù)墾后的土地而言,既能增加土壤肥力,又帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也可以保護(hù)和美化環(huán)境。這種模式適合絕大部分村莊廢棄地。

3 模式效益評(píng)價(jià)

為說明問題,本研究2007年、2008年以礦區(qū)內(nèi)的一塊沉陷地為例進(jìn)行效益評(píng)價(jià)示范。該沉陷區(qū)位于屯留縣上村鎮(zhèn)東司徒村,面積接近50 hm2,其原始土地類型有非積水穩(wěn)定沉陷區(qū)和季節(jié)性積水沉陷區(qū),各約占75%和25%。其原土地利用方式以粗放式糧食耕作占絕對(duì)優(yōu)勢,現(xiàn)在的土地恢復(fù)模式是立體種植/養(yǎng)殖模式。

3.1 沉陷區(qū)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

沉陷區(qū)治理后土地利用率將由原來的55%提高到95%;治理后耕地28.10 hm2,蔬菜用地9.36 hm2,漁塘用地10.04 hm2。按照發(fā)展高產(chǎn)高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的思路,種植品種以采摘相配套的果蔬品種和糧食作物為主,同時(shí)發(fā)展多種經(jīng)營。按生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃方案,單位面積平均投資6萬元/hm2,共計(jì)投資300萬元。根據(jù)上村鎮(zhèn)2007年和2008年工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以小麥、蘋果套種為例,每年平均比治理前多增6 000元/hm2;種植大棚蔬菜,年收益約 27 000元/hm2,魚塘年收益達(dá)18 000元/hm2,預(yù)計(jì)5 a內(nèi)就可將全部投資收回。

3.2 沉陷區(qū)社會(huì)效益評(píng)價(jià)

方案實(shí)施后,有效土地增加近20 hm2,約占沉陷地總面積的40%。不僅滿足了沉陷區(qū)居民的耕地需求,據(jù)估算糧食年產(chǎn)達(dá)3.0萬kg,徹底改變了沉陷區(qū)內(nèi)吃糧難的問題。另外,該方案實(shí)施預(yù)計(jì)將動(dòng)用7萬個(gè)勞工日,可解決近1 500人的勞動(dòng)就業(yè)問題,基本消除了沉陷區(qū)內(nèi)剩余勞動(dòng)力的就業(yè)難問題,礦區(qū)和農(nóng)民的關(guān)系得到了極大改善。

3.3 沉陷區(qū)生態(tài)效益評(píng)價(jià)

礦區(qū)沉陷造成原有生態(tài)系統(tǒng)失調(diào),自然景觀破壞、水土流失加劇。通過應(yīng)用立體種植/養(yǎng)殖模式的實(shí)施,區(qū)內(nèi)太陽能、水、地形等自然要素將得到最充分的利用,耕地、淡水、糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、水生生物等農(nóng)業(yè)自然資源得到合理的開發(fā)和利用。可以預(yù)言,區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)各組成要素更加相互適應(yīng)、相互協(xié)調(diào),最終將形成一個(gè)較為穩(wěn)定、良性、高效循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

由上可知,本實(shí)施方案的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益均較為明顯。因此,至少本研究所提出的立體種植/養(yǎng)殖模式在研究區(qū)域內(nèi)有較強(qiáng)的適宜性。

4 結(jié)論

基于山西省王莊煤礦的主要生態(tài)與環(huán)境問題,本研究重點(diǎn)篩選了4種主要生態(tài)恢復(fù)模式,并對(duì)立體種植/養(yǎng)殖模式在典型樣區(qū)內(nèi)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益評(píng)價(jià)。據(jù)此,初步得出如下三點(diǎn)結(jié)論。

(1)采煤沉陷面積增大和大量廢棄地的不斷產(chǎn)生是王莊煤礦的主要生態(tài)和環(huán)境問題。

(2)實(shí)施立體種植/養(yǎng)殖模式、物質(zhì)循環(huán)利用模式、礦區(qū)廢棄地林灌草模式和村莊廢棄地“林果-畜禽”模式等4種模式是解決王莊煤礦現(xiàn)今主要生態(tài)和環(huán)境問題的重要途徑之一。

(3)立體種植/養(yǎng)殖模式在研究區(qū)有較強(qiáng)的適宜性,而且經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益明顯。

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