煤矸石山坡面不同覆蓋的水土保持效益分析

宋 楠，張成梁，張洪江，耿勝慧，張靜雯，王 賢

（1．北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083；2．輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京100089）

我國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，其中礦區(qū)水土流失又是最嚴(yán)重的一種類型［1］。煤矸石是煤礦生產(chǎn)過程中所形成的必然產(chǎn)物，是礦區(qū)的主要污染源之一，它既占地又污染環(huán)境。煤矸石的產(chǎn)量約占煤炭開采量的10%～25%，全國每年約新增矸石4．00×108t，綜合利用約為6．00×107t，其余部分就近混雜堆積儲(chǔ)存形成煤矸石山［2］。自然堆放的煤矸石山，表層形成的風(fēng)化物不斷受到風(fēng)吹雨淋的作用，細(xì)小顆粒幾乎全部流失。沒有細(xì)小的風(fēng)化物，植物就難以定居；沒有植被，風(fēng)化物就容易遭受風(fēng)蝕和水蝕，這樣的惡性循環(huán)使得煤矸石山的植被長期不能自然恢復(fù)，水土流失嚴(yán)重［3］。傳統(tǒng)對煤矸石山治理主要采用直接覆土的方式，即煤矸石填充后根據(jù)用地的需求采取不同厚度的覆土，但是直接覆土這種治理模式投資大，尤其在土源缺乏的地方無法進(jìn)行，且異地取土有可能造成更大范圍的水土流失，故直接覆土的模式水土保持效益并不理想［4］。目前煤礦區(qū)環(huán)境整治與生態(tài)恢復(fù)日益受到重視，礦區(qū)水土保持逐漸成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，尤其是煤矸石山治理模式的研究，但迄今為止的所有研究多是針對裸露矸石山或純黃土覆蓋的治理模式。

本文通過在山西省陽泉煤業(yè)集團(tuán)三礦280自燃煤矸石山鋪設(shè)不同覆蓋方式煤矸石樣地，研究不同的煤矸石覆蓋對煤矸石山坡面水土保持及植物生長的影響，為尋求更理想的煤矸石山治理模式提供理論支持。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省陽泉市陽泉礦區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°54′—114°04′，北緯37°40′—38°31′。礦區(qū)溝谷縱橫，為低山丘陵區(qū)，地勢西北高東南低，海拔660～1 373m。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。夏季日照時(shí)間長，輻射強(qiáng)度大，氣溫較高，多年平均降水量為564．2mm，降水比較集中，6—9月降水量約占年降水量的70%；冬季冷空氣活動(dòng)頻繁，氣候寒冷干燥，多晴天，降水稀少。多年平均氣溫為11．3℃，全年以西，北偏西風(fēng)為主，年均風(fēng)速2m／s。280煤矸石山由三礦開采時(shí)產(chǎn)生的煤矸石堆積而成，為小型煤矸石山，排矸結(jié)束20a余，整平并覆蓋黃土。2005年6月開始采用自然恢復(fù)和人工引種相結(jié)合的方法進(jìn)行植被恢復(fù)，引進(jìn)的植物主要有臭蒿（Artemisiaannua）、荊條（Vitexxnegundo）和狗尾草（Setariaviridis）、紫穗槐（Amorphafruticosa）、高羊茅（Festucaarundinacea）、百脈根（Lotus corniculatus）和刺槐（Robiniapseudoacacia）、山皂角（Gleditsiamicrophylla）等抗逆性較強(qiáng)的植物［5］。

1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在280煤矸石山陽坡的上部，鋪設(shè)11塊3m×5m混合覆蓋的試驗(yàn)樣地，其水平投影面積為15m2，坡度均為33°，試驗(yàn)樣地鋪設(shè)方式見圖1。每塊樣地采用不同的覆蓋間距和覆蓋率，并在其上均勻播撒植物種子，同時(shí)設(shè)置純黃土覆蓋和裸露矸石山2塊對照樣地，各樣地具體鋪設(shè)情況見表1。每塊試驗(yàn)樣地同時(shí)設(shè)有2塊同種覆蓋的對照樣地。

在試驗(yàn)樣地鋪設(shè)1a后，采用侵蝕溝測量法測算每塊樣地的溝蝕量，并用測針法測定1a的面蝕量。采用TDR便攜式土壤水分測定儀對試驗(yàn)樣地進(jìn)行水分監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為2009年9月—2010年9月，測量深度為20cm。在播撒種子1a后用數(shù)碼照相法對樣地植被蓋度進(jìn)行測定，即用數(shù)碼相機(jī)對樣地進(jìn)行垂直拍攝，并用 ArcGIS 10．0和 Erdas 9．2軟件對照片進(jìn)行分析，得出各塊樣地的植被蓋度［6］。

表1 煤矸石樣地具體鋪設(shè)情況

2 結(jié)果與討論

2．1 保水效益分析

對13種樣地土壤淺層含水率全年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2和表2。

圖2 不同樣地土壤表層水分季節(jié)變化

表2 不同樣地土壤表層年平均含水率

從土壤水分的季節(jié)變化可以看出，按不同方式覆蓋的煤矸石樣地的水分含量呈現(xiàn)相似的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，與降水季節(jié)變化規(guī)律一致，主要受降水量和季節(jié)分配的影響。9—12月，樣地土壤水分含量逐漸降低，主要原因是降水量逐漸減少，而植物的蒸騰作用和土壤的蒸發(fā)作用加強(qiáng)，到12月，水分含量達(dá)到最低點(diǎn)；從12月份到翌年3月，樣地土壤水分含量急劇增加，主要原因是冰雪融水的補(bǔ)給；3—6月，樣地土壤水分含量緩慢降低，主要原因是隨著溫度的上升，植物的生長速度加快，吸收了大量的水分，雖然降水量有所增加，但是土壤水分的消耗大于供給；6—9月，樣地土壤水分含量逐漸達(dá)到峰值，此時(shí)正值當(dāng)?shù)氐挠昙?，土壤水分得到充分的補(bǔ)充，雖然土壤蒸發(fā)較強(qiáng)，而且植物的耗水也加大，但土壤水分的供給大于消耗。不同樣地的土壤水分含量變化趨勢基本上一致，土壤水分的總體變化為高—低—高。

雖然不同煤矸石樣地土壤水分動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律一致，但由于煤矸石鋪蓋方式的不同，不同煤矸石樣地在同一時(shí)期內(nèi)土壤水分狀況表現(xiàn)出明顯的差異，1，2，3，4，12號樣地的土壤含水率明顯低于5，6，7，8，9，10，11，13號樣地的含水率。這是由于表層矸石風(fēng)化失水后，一般形成5～10cm的干層，由于其顆粒較粗，與下層的毛細(xì)管聯(lián)系較弱，下層的大部分水分須通過擴(kuò)散作用方可被蒸發(fā)，故表層失水后反而對下層水分的保存有利，致使下層尤其在旱季可能含有較多的水分，這個(gè)干層具有一定的保水性能［7］。由于1，2，3，4號樣地的煤矸石鋪設(shè)間距遠(yuǎn)大于5，6，7，8，9，10，11號樣地，形成的干層不如后者完整，還有黃土的裸露，保水性能不好，因此其土壤含水率也不如后者。

可見，隨著煤矸石覆蓋率的增加土壤淺層含水率也在不斷增加，矸石的覆蓋能夠減少蒸發(fā)，大大提高蓄水效益。

2．2 保土效益分析

對13種樣地的侵蝕量采用下面公式進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表3所示：

分析表3可知，1—11號樣地的單位面積侵蝕量明顯低于12，13號樣地，相對于裸露和純黃土覆蓋的矸石山，采用混合覆蓋的矸石山的保土效益顯著提高。采用不同措施的煤矸石山的保土效益的總體趨勢為：混合覆蓋的矸石山保土效益＞純黃土覆蓋的矸石山保土效益＞裸露矸石山保土效益。在1—11號樣地中，隨著煤矸石覆蓋率的增加，樣地單位面積的侵蝕量先減后增，5，7，8號樣地的保土效益最好。

表3 不同樣地的侵蝕模數(shù)

可見，采用煤矸石和黃土的混合覆蓋的煤矸石山具有良好的保土效益，并且煤矸石覆蓋率在35%～45%時(shí)，保土效益達(dá)到最優(yōu)。

2．3 植被蓋度分析

植被的覆蓋度能很好地反映植被的生長狀況。通過對13種樣地植被蓋度的調(diào)查，來反映其植被恢復(fù)狀況。13種樣地的植被蓋度如表4所示。

表4 不同樣地的植被蓋度

分析表4可知，1—11號樣地的植被蓋度明顯高于12，13號樣地，相對于裸露和純黃土覆蓋的矸石山，采用混合覆蓋的矸石山有利于植被的恢復(fù)。在1—11號樣地中，5，7，8號植被覆蓋度最高，植被生長良好。1，2，3，4號樣地相對5，7，8號樣地植被生長狀況不好，這是由于矸石的覆蓋率低，表層的矸石風(fēng)化層不完整，保水性能差，不能為植被的生長提供充足的水分。6，9，10，11號樣地相對5，7，8號樣地植被生長狀況也不好，這是由于6，9，10，11號樣地雖然矸石覆蓋率高，能夠形成完整的矸石風(fēng)化層，具有良好的保水性能，但是由于6，9，10，11號樣地含土量過低，大面積的深色矸石易吸熱升溫（可高達(dá)39℃以上）灼傷幼苗［7］，難保證出苗率。

可見，煤矸石和黃土的混合覆蓋的煤矸石山有利于植被的生長，并且煤矸石覆蓋率在35%～45%時(shí)，植被生長最好。

3 結(jié) 論

（1）按不同方式覆蓋的煤矸石樣地的土壤水分含量呈現(xiàn)相似的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，與降水季節(jié)變化規(guī)律一致，主要受降水量和季節(jié)分配的影響。但在同一時(shí)期內(nèi)，隨著矸石覆蓋率的增加，煤矸石樣地的土壤含水量也隨之增加。

（2）采用不同措施的煤矸石山的保土效益的總體趨勢為：混合覆蓋的矸石山保土效益＞純黃土覆蓋的矸石山保土效益＞裸露矸石山保土效益；在混合覆蓋的煤矸石樣地中，隨著煤矸石覆蓋率的增加，樣地單位面積的侵蝕量先減后增，覆蓋率在35%～45%時(shí)，煤矸石山的保土效益達(dá)到最優(yōu)。

（3）采用煤矸石和黃土的混合覆蓋的煤矸石山有利于植被的生長，并且煤矸石覆蓋率在35%～45%時(shí)，植被恢復(fù)的最好。

（4）煤矸石與黃土混合覆蓋模式蓄水保土效果顯著，植被恢復(fù)良好，工程投資小，對土源依賴度低，是一項(xiàng)廉價(jià)、高效、保水、保土、保苗的矸石山復(fù)墾新技術(shù)。

［1］ 李文銀，王治國．工礦區(qū)水土保持［M］．北京：科學(xué)出版社，1996：117－134．

［2］ 王棟民，左彥峰，李俏，等．煤矸石的礦物學(xué)特征及建材資源化利用［J］．磚瓦，2006（6）：17－23．

［3］ 胡振琪，李鵬波．煤矸石山復(fù)墾［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：49－78．

［4］ 胡振琪．半干旱地區(qū)煤矸石山綠化技術(shù)研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，1995，20（3）：322－327．

［5］ 王偉，張洪江，張成梁，等．煤矸石山植被恢復(fù)影響因子初探［J］．水土保持通報(bào)，2008，28（4）：147－152．

［6］ 張學(xué)霞，朱清科，吳根梅，等．?dāng)?shù)碼照相法估算植被蓋度［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：164－169．

［7］ 段永紅，白中科．陽泉煤矸石山淺層矸石風(fēng)化物水分特性初探［J］．煤炭學(xué)報(bào)，1999，24（5）：533－537．