煤礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題及林業(yè)復(fù)墾對策研究

杜金龍，郝漢舟

（1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查總院，北京 100039；2.咸寧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

1 引言

煤炭一直是我國能源主體，占一次性能源消費的70%。但長期以來，煤礦開采以破壞環(huán)境為代價對經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻［1］。礦區(qū)采煤及相關(guān)活動，產(chǎn)生了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，導(dǎo)致耕地與林地毀損，大氣、水與土壤污染，造成生物圈與巖石圈破壞。

礦區(qū)土地復(fù)墾方式包括農(nóng)業(yè)復(fù)墾、林業(yè)復(fù)墾、自然保護復(fù)墾、水利資源復(fù)墾與建筑復(fù)墾等［2］（表1），前兩種在實踐中已得到廣泛運用，是最主要的復(fù)墾方式。而林業(yè)復(fù)墾更是因為環(huán)境治理功能強、土地質(zhì)量要求低，成為發(fā)達國家礦區(qū)復(fù)墾的首選［3］。我國過去主要基于經(jīng)濟效益考慮，對礦區(qū)復(fù)墾偏重于農(nóng)業(yè)復(fù)墾方式。當(dāng)前應(yīng)改變傳統(tǒng)觀念，加大礦區(qū)林業(yè)復(fù)墾比重，以應(yīng)對多發(fā)的礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題。

表1 礦區(qū)主要復(fù)墾方式及其用途

2 環(huán)境地質(zhì)問題

煤礦區(qū)因開采方式、程度及所處區(qū)域的不同，會產(chǎn)生類型各異、程度不等的環(huán)境地質(zhì)問題。如井工開采導(dǎo)致地面變形，露天開采造成土壤與植被損毀；西部生態(tài)脆弱礦區(qū)因疏排地下水導(dǎo)致土地荒漠化，東部平原礦區(qū)因采空沉降造成土壤鹽漬化；以及礦坑水排放、煤矸石堆積導(dǎo)致大氣和水土污染。

2.1 地面變形

煤礦區(qū)地面變形主要包括地面沉降、地裂縫和地面塌陷3種，是因煤炭井下采空導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力失衡而產(chǎn)生。我國煤炭產(chǎn)量95%來自井工開采，多利用垮落法管理頂板，地面變形可達煤層采出厚度的65%～95%。據(jù)統(tǒng)計，我國因煤炭開采形成沉陷區(qū)累計40萬hm2，年增1.5～2萬hm2／年［4］。

礦區(qū)地面變形將導(dǎo)致耕地與植被破壞、地貌景觀改變、房屋路基失穩(wěn)及河水?dāng)嗔鞯?，并引發(fā)次生災(zāi)害，包括山地及丘陵誘發(fā)山體滑坡及泥石流，平原區(qū)地面沉降導(dǎo)致土壤大面積鹽漬化。

2.2 土壤損毀與污染

礦區(qū)土壤損毀主要來自露天煤礦剝土行為，其導(dǎo)致表層土壤理化性質(zhì)改變、養(yǎng)分流失、生產(chǎn)力部分或完全傷失。我國露天煤礦產(chǎn)量雖不大（占總量5%～10%），但萬噸煤的土地損毀率可達0.02～0.18hm2，截止2001年［5］毀地約8800hm2。

土壤污染主要由煤矸石堆放淋濾造成，包括土壤酸化與重金屬污染（Hg、Cd、Pb、Cr、As生物毒性顯著）。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤矸石累計存量約30億t，年排放約1.5億t［6］，大部分露天堆放。煤矸石含大量硫化物和重金屬，堆放過程中發(fā)生風(fēng)化和氧化，降雨淋濾后形成含重金屬元素的酸性溶液（pH值可達4.0～5.0）污染土壤?；糁莸V區(qū)土壤Hg、Cd含量為0.075mg／kg與0.278mg／kg，是山西土壤平均值的3.26倍和2.73倍［7］。重金屬元素會降低土壤質(zhì)量、轉(zhuǎn)移營養(yǎng)物質(zhì)、危害生物群落乃至生態(tài)系統(tǒng)、威脅食品安全。而土壤酸化既會限制植物生長，還會提高重金屬離子溶解度，加劇污染。

2.3 土地荒漠化

土地荒漠化是干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱礦區(qū)最突出的環(huán)境問題之一，產(chǎn)生原因包括疏排地下水使區(qū)域地下水位下降，導(dǎo)致礦區(qū)周邊植被缺水退化；采空區(qū)地面塌陷、地裂縫導(dǎo)致沙土結(jié)構(gòu)破壞，植被退化；露天采區(qū)直接毀壞植被等。

中西部是我國能源重要輸出地區(qū)，同時也是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，土地沙漠化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。隨著我國煤炭開發(fā)的重心西移，該問題將變得更加突出。

2.4 地下水環(huán)境惡化

煤礦區(qū)地下水環(huán)境惡化的主要表現(xiàn)為井下排水導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)污染；煤矸石堆積淋濾導(dǎo)致淺層地下水污染。

采煤時疏排地下水難以避免，這一行為將形成人工匯，改變地下水流場，輕則形成降落漏斗，重則疏干含水層，導(dǎo)致地下水功能退化，影響周邊區(qū)域工農(nóng)業(yè)、居民與生態(tài)用水。表2為我國中西部2005年礦井水排放量及利用率［8］，可見每采出1t煤就會排放0.6～1.0t地下水，且僅有10%～20%被循環(huán)利用。2000年全國煤礦排放礦井水23億t，占煤礦總污水83.6%［9］。

表2 中西部礦井水排放量和利用率（2005）

淺層地下水污染主要為煤矸石堆放淋濾產(chǎn)生的重金屬與酸污染。污染物沿土壤層或采煤裂隙進入含水層，使淺層地下水受到不同程度污染。

2.5 大氣污染

礦區(qū)大氣污染包括粉塵污染和廢氣污染。粉塵主要為煤矸石揚塵，含重金屬等毒害物。廢氣主要為礦井瓦斯和煤矸石自燃氣體。瓦斯主要成分甲烷是溫室氣體，增溫效應(yīng)為CO2的21倍。我國礦井年排放甲烷70～90億m3，占全球30%［6］。煤矸石自燃釋放SO2、CO2、CO等毒害氣體，一來損害人類呼吸系統(tǒng)，二來形成酸雨破壞建筑與植被。2006年國有煤礦存在矸石山1500余座，長期自燃的就達389座。

2.6 其它環(huán)境地質(zhì)問題

其它環(huán)境地質(zhì)問題包括露天開采和基建形成的不穩(wěn)定邊坡；剝土及其它堆土、煤矸石等松散物受強降雨作用形成的泥石流；煤炭自燃導(dǎo)致的空氣污染和燒變巖區(qū)（導(dǎo)水性強）礦坑突水等。

3 林業(yè)復(fù)墾優(yōu)勢

3.1 有效恢復(fù)礦區(qū)經(jīng)濟與生態(tài)功能

林業(yè)復(fù)墾投入成本低、回報較高，可有效恢復(fù)礦區(qū)經(jīng)濟與生態(tài)功能。陳新生等［10］在采煤塌陷區(qū)運用層次分析法，對農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和旅游業(yè)等4種典型復(fù)墾模式研究后發(fā)現(xiàn)，無論塌陷區(qū)深淺、積水有否，林業(yè)復(fù)墾的生態(tài)效益均為最佳，綜合效益也僅次于農(nóng)業(yè)復(fù)墾（積水較深除外）。借鑒國外礦區(qū)復(fù)墾優(yōu)先考慮生態(tài)功能的原則，塌陷區(qū)應(yīng)以林業(yè)復(fù)墾為首選，并可推廣至露天采區(qū)。

3.2 保持水土

地下水位下降和土壤貧瘠化所導(dǎo)致的植被退化，是西部干旱半干旱礦區(qū)土地荒漠化的直接原因?；哪貐^(qū)常運用工程技術(shù)和生物技術(shù)恢復(fù)植被［6］。工程技術(shù)利用化學(xué)物質(zhì)固結(jié)土壤后植樹植草，成本高且難以長期保持、易造成次生污染，優(yōu)勢不如生物技術(shù)。生物技術(shù)通過培植根系發(fā)達、耐風(fēng)蝕沙埋、固氮能力強、生長迅速的植物，來達到保持水土、治理土地荒漠化目的。

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)礦區(qū)，可通過植樹來固結(jié)土壤、減少坡面流，以阻止泥石流和滑坡的發(fā)生。

3.3 促進煤礦污水利用

煤礦污水不僅是對地下水的極大浪費，而且易造成次生污染。但若用于林業(yè)復(fù)墾，則可事半功倍。煤礦污水含豐富有機物和多種礦質(zhì)營養(yǎng)元素，可補充復(fù)墾區(qū)肥力和水分。美國學(xué)者Sopper［11］曾用城市污水淤泥進行礦區(qū)復(fù)墾，取得良好效果。因此可考慮將煤礦污水適當(dāng)沉淀處理，用底部淤泥作為復(fù)墾肥料，上部清水用于灌溉。既可提高煤礦污水利用率，又節(jié)約復(fù)墾成本，一舉兩得。

3.4 修復(fù)和再造土壤

土壤重金屬污染修復(fù)是礦區(qū)土地修復(fù)的重要內(nèi)容。研究表明：生物修復(fù)技術(shù)是最有生命力的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)［12］，目前已發(fā)現(xiàn)400多種植物可超量富集重金屬。農(nóng)業(yè)復(fù)墾與林業(yè)復(fù)墾均可實現(xiàn)重金屬的生物修復(fù)，但從食品安全角度出發(fā)，林業(yè)復(fù)墾更為合適。

露天采煤大量損毀土壤，導(dǎo)致其部分或完全傷失生產(chǎn)力。但是通過種植速生喬灌木、草本植物（尤其是豆科），可使剝土快速形成腐殖質(zhì)層，重新恢復(fù)肥力。德國學(xué)者Katzur等［13］發(fā)現(xiàn)混植赤松、落葉松、歐洲櫟等樹種有利于土壤形成。另有研究表明，豆科植物復(fù)墾可快速穩(wěn)定堆土表面、控制水和風(fēng)力侵蝕、改善土壤理化和微生物性質(zhì)、促進根系層水分與養(yǎng)分積累。

3.5 凈化空氣

森林可滯納粉塵、吸收化學(xué)物質(zhì)，固定毒害氣體（CO2、SO2等）。森林滯納粉塵能力是裸地的75倍，每公頃森林每年可滯塵數(shù)百噸。青楊、桑樹、黃金樹、榆樹、刺槐等林木的樹葉還可吸收粉塵中鉛、鎘，1kg青楊干葉可吸收鉛616mg。

森林是自然界最豐富、最穩(wěn)定的碳貯庫，每年每公頃可吸收約400tCO2，20世紀(jì)80年代至今已吸收CO2工業(yè)總排量的24%～36%。每公頃森林每年還可吸收0.15tSO2以及大量致癌物質(zhì)。

4 林業(yè)復(fù)墾途徑

礦區(qū)復(fù)墾按工藝可分為有覆土復(fù)墾和無覆土復(fù)墾。有覆土復(fù)墾指因礦區(qū)土壤理化性質(zhì)（粒度、孔隙度、酸堿性及水養(yǎng)鹽含量等）不適宜植物生長而在地表覆土的復(fù)墾模式，多用于采空塌陷區(qū)、露天采坑、塊狀煤矸石堆放地復(fù)墾；無覆土復(fù)墾指礦區(qū)土壤適宜或經(jīng)改良后適宜植物生長而無需覆土的復(fù)墾模式，多用于堆土場、松散狀煤矸石堆積場復(fù)墾。目前一般采用有覆土復(fù)墾。

礦區(qū)復(fù)墾按階段分為前期工程復(fù)墾和后期生物復(fù)墾（圖1）。工程復(fù)墾先行，由礦企對破壞土地進行工程恢復(fù)，包括場地平整、表土覆蓋（無土復(fù)墾不需要）和土壤改良等；生物復(fù)墾隨后，包括樹種選擇、林木栽培、撫育和生態(tài)維護等。

圖1 煤礦區(qū)林業(yè)復(fù)墾分階段實施圖

4.1 工程復(fù)墾

4.1.1 場地平整

礦區(qū)平整場地類型主要包括低洼區(qū)與堆積區(qū)，前者主要指采空變形區(qū)和露天采坑，場地平整宜采用挖深墊淺法，并修筑保水和排澇設(shè)施；后者主要指煤矸石堆放區(qū)和排土區(qū)，削減坡度后進行梯田化改造，之后覆蓋有潛在肥力巖土。

4.1.2 表土覆蓋

（1）機械覆土法。用碎土機粉碎土壤后，使用排土機撒布，最后用推土機推平。為防止覆土與基底存在光滑面，覆土前應(yīng)粗糙化地面。

（2）水力覆土法。將土壤和水混合后形成泥漿，之后泵入復(fù)墾區(qū)，待土壤沉淀后排出水分。水力覆土法較機械覆土法快且經(jīng)濟，土壤孔隙性好，有利植物生長，曾在德國成功運用［2］，值得推廣。

4.1.3 土壤改良

（1）客土改良是利用外區(qū)土壤改良本地巖土，如在具潛在肥力的巖土中摻雜外地細粒土，改良其機械組成。

（2）化學(xué)改良是加入化學(xué)物質(zhì)以改良土壤，如在水土流失區(qū)加入瀝青乳液和棉籽醇樹脂乳形成水土保護膜；重土和輕砂土加入粉煤灰提高孔隙度和持水性；酸性土壤pH值較低時加入石灰、過低時加入磷礦粉；堿性土壤施用肥料及其他化學(xué)劑。

（3）生物改良是利用生物技術(shù)改良土壤，主要包括重金屬污染修復(fù)和土壤固氮。重金屬污染生物修復(fù)包括微生物修復(fù)和植物修復(fù)（植物提取、揮發(fā)、過濾、鈍化等），植物提取技術(shù)最具前景；礦區(qū)土壤普遍缺乏營養(yǎng)元素，尤其缺氮，可利用固氮植物如豆科植物（草木樨、雜交苜蓿、野豌豆等）達到聚氮目的。生物改良還包括微生物改良和菌根接種技術(shù)等。

4.2 生物復(fù)墾

4.2.1 樹種選擇

應(yīng)選擇適合當(dāng)?shù)赝寥?、地形和氣候條件的“鄉(xiāng)土樹種”，尤其是老礦區(qū)復(fù)墾。應(yīng)選擇抗污染、易獲取養(yǎng)分、保水土、速生、郁閉快的“先鋒樹種”。固氮樹種尤其是刺槐、胡頹子、錦雞兒、灰赤楊、黑赤楊、沙棘等能適應(yīng)嚴(yán)酷的立地條件，可作為復(fù)墾先鋒樹種。若將固氮樹種與常綠松混植，則會有更好效果。

4.2.2 林木栽培

林木栽培包括樹坑尺寸設(shè)計、造林密度設(shè)置和樹種配置。樹坑邊長宜為0.5m左右，如黃檀為0.3m、赤桉0.45m、銀樺0.6m。造林密度設(shè)置和樹種配置應(yīng)根據(jù)土壤適宜性、樹種生物學(xué)特征、自然生態(tài)和經(jīng)濟條件等確定［3］，如土壤貧瘠區(qū)針葉樹間距為0.8m×1.0m、楊樹為4m×4m；樹種配置傾向于主要樹種+伴隨樹種+灌木混成，實踐證明最佳配比為60%、20%和20%。

4.2.3 林木撫育

林木撫育是通過人工培育促進林木生長發(fā)育的過程，林業(yè)部門強調(diào)“三分種、七分管（撫）”。林木幼小期對環(huán)境適宜能力弱，尤其應(yīng)加強撫育。

撫育工作包括灌排水、施肥、松土和除草等，其中尤以水肥調(diào)控最為重要。土壤水分不足或過多均會影響林木根系正常發(fā)育，干旱或水分滲漏區(qū)應(yīng)注意灌水保墑，積水段或降雨期則應(yīng)注意排水防澇。復(fù)墾地土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)較少，應(yīng)增施化肥和有機肥。土壤形成硬殼時應(yīng)注意松土。強風(fēng)化土壤第一年須進行不少于4～5次除草。

4.2.4 生態(tài)維護

林地復(fù)墾的最終目標(biāo)是建立覆蓋充分、良性發(fā)展的森林，而保持穩(wěn)定、善于自我調(diào)節(jié)的可持續(xù)林地生態(tài)系統(tǒng)是其關(guān)鍵［14］。根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，物種多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)在復(fù)墾區(qū)使用多物種，構(gòu)建并維護喬、灌、草、藤立體生態(tài)系統(tǒng)。

4.3 林業(yè)復(fù)墾效益評價

林業(yè)復(fù)墾效益主要包括經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。經(jīng)濟效益是土地復(fù)墾后的經(jīng)濟產(chǎn)出；生態(tài)效益指復(fù)墾后環(huán)境的改善和生物量的提高。生態(tài)效益難以定量評價，卻是發(fā)達國家的關(guān)注焦點。目前澳大利亞等國［15］正致力于制定復(fù)墾質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)尤其是生態(tài)系統(tǒng)建立及自我維持標(biāo)準(zhǔn)。

復(fù)墾成本也需要充分考慮。一般說來，復(fù)墾成本主要取決于工程復(fù)墾投入（比例可達90%），因此應(yīng)通過發(fā)展工程復(fù)墾技術(shù)來降低復(fù)墾成本。

5 結(jié)語

煤礦區(qū)采煤及相關(guān)行為，產(chǎn)生了地面變形、土壤損毀與污染、土地荒漠化、地下水環(huán)境惡化、大氣污染等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

林業(yè)復(fù)墾因生態(tài)功能強、土地質(zhì)量要求低成為國際礦區(qū)復(fù)墾首選，在恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)與經(jīng)濟功能、保持水土、促進煤礦污水利用、修復(fù)和再造土壤、凈化空氣等方面具有巨大優(yōu)勢。

林業(yè)復(fù)墾分前期工程復(fù)墾與后期生物復(fù)墾兩階段，前者含場地平整、表土覆蓋與土壤改良，后者含樹種選擇、林木栽培、撫育和生態(tài)維護。

（1）煤礦區(qū)應(yīng)盡量減少環(huán)境地質(zhì)問題的發(fā)生。如通過充填法緩解采空沉降，單獨保存表土以減輕露采區(qū)土壤損毀，在干旱區(qū)實施地下水回灌、提高煤矸石和礦井水利用率以及抽采瓦斯等。

（2）我國礦區(qū)復(fù)墾現(xiàn)狀不容樂觀，受政策、資金、技術(shù)的多重制約。國家應(yīng)考慮出臺配套政策、法律、法規(guī)，暢通固定投資渠道，構(gòu)建生產(chǎn)科研組織，并實施嚴(yán)格的監(jiān)管。

（3）應(yīng)加強煤矸石山無土復(fù)墾、土壤重金屬生物修復(fù)、煤礦污水循環(huán)利用等專題研究。

（4）礦區(qū)復(fù)墾應(yīng)加強生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)研究，而不僅僅是關(guān)注單一物種的篩選與培植。

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