內(nèi)蒙古半干旱生態(tài)脆弱礦區(qū)生態(tài)修復耦合機理與產(chǎn)業(yè)模式

陳玉碧，黃錦樓，* ，徐華清，2，趙 波，陳文蝦，程冠全，馬慧君

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085;2.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求日益增長，煤炭作為主要能源開采量越來越大，開采帶來的人為干預和擾動強度大，造成生態(tài)系統(tǒng)的嚴重破壞。存在問題主要是煤炭開發(fā)占用和破壞土地、地形地貌及景觀破壞，其次是礦業(yè)活動引發(fā)的地面塌(沉)陷、崩塌、滑坡等地質(zhì)災害，固體廢棄物對環(huán)境的影響以及礦業(yè)開發(fā)對地下水系統(tǒng)的影響與破壞等問題。針對這些問題，國家、地方投入大量的人力財力，如神華集團馬家塔露天煤礦投入資金2650萬元，復墾土地 124.87 hm2，也初見成效［1］。而目前礦山生態(tài)修復工作還停留在完成復墾任務和單一技術的研究，并未形成一個“以集成統(tǒng)籌技術，以技術指導修復，以修復實現(xiàn)復墾，以復墾創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)濟，以經(jīng)濟回饋修復”的生態(tài)修復與產(chǎn)業(yè)模式耦合系統(tǒng)。

1 研究區(qū)域概況及研究現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古煤炭資源極其豐富，已查明和預測含煤盆地180余個，面積約1118萬km2。該地區(qū)屬于半干早大陸性氣候，常年干早少雨，平均降水量為400mm左右，年蒸發(fā)量是年降雨量的5—6倍，水資源嚴重缺乏，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，春秋冬三季的風蝕和夏季水蝕嚴重，導致植被覆蓋率低。一方面是礦區(qū)資源日益枯竭，產(chǎn)業(yè)鏈條難以維繼;另一方面是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化，地表塌陷、水土流失和土地沙漠化、固體廢棄物壓占污染土地等，人民生活環(huán)境受到嚴重威脅。

針對以上問題，不少專家學者從生態(tài)修復和環(huán)境治理方法進行了探索與試驗研究。張成梁［2］提出師法自然生態(tài)修復法，模擬自然，修復之后無受損痕跡;肖武和胡振琪［3］等人在分析采前地面地形特征的基礎上，結(jié)合煤礦開采計劃，對地表動態(tài)沉陷過程進行了模擬，分析煤炭開采影響下地面土地利用變化的動態(tài)過程，以確定復墾時機，實現(xiàn)邊采邊復;肖雪毅和陳保冬［4］試驗證明叢枝菌根真菌對礦山重建具有物種多樣性的植被具有潛在作用，畢銀麗等人［5］通過接種菌根真菌和根瘤菌等微生物，對煤矸石和粉煤灰進行生物改良，表明植物根系對基質(zhì)理化性狀有一定的改良與培肥作用;曹世雄等人［6］提出穴襯膜栽植技術防滲漏抗旱造林方法，確保水分在短期內(nèi)不會被蒸發(fā)、滲漏，大大提高了樹木的成活率，同時，隨著雨季到來，充足的水分還可使薄膜自動降解，防止了水分無法正常滲漏的危險。

本文在此基礎上進一步深入研究了半干旱生態(tài)脆弱礦區(qū)生態(tài)修復及礦區(qū)生態(tài)修復與產(chǎn)業(yè)模式耦合系統(tǒng)的實現(xiàn)途徑及優(yōu)勢，并重點分析了該耦合系統(tǒng)的關鍵技術和生產(chǎn)潛力。

2 生態(tài)修復與產(chǎn)業(yè)模式的耦合系統(tǒng)

2.1 耦合系統(tǒng)流程

該耦合核心圍繞“1大生態(tài)系統(tǒng)，6個技術系列”進行技術集成，以重塑的地形作為中心，自然有山脊和低洼地起起伏伏，向外發(fā)散各個子環(huán)節(jié)。廢棄的煤矸石可作為處理礦井水的人工濕地基質(zhì)和制保水增肥基質(zhì)的原料，處理礦井水吸附飽和的基質(zhì)又能和農(nóng)林有機廢棄物做保水增肥的基質(zhì);利用處理的礦井水可以作為非食用作物的灌溉，種植的能源作物可以通過能源轉(zhuǎn)化或提取得到能源和其他資源性產(chǎn)物;利用太陽能風能集成作為灌溉、礦井水凈化等系統(tǒng)動力和能源，將地下水、經(jīng)凈化的礦井水或儲蓄的雨水，提升至經(jīng)地形重塑后的高程點進行貯存進而根據(jù)重力流作用適時對周邊土地進行灌溉;廢棄的煤矸石與農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過免燒或低溫燒制成具有一定形態(tài)的保水增肥材料，鋪設于復墾土地之下作為輸水和蓄水管道，同時釋放肥力和增加氧氣;經(jīng)復墾土地用以種植黃芪等中草藥經(jīng)濟、能源作物，最后進行高附加值產(chǎn)品提取和轉(zhuǎn)化。具體工藝流程如圖1所示。

2.2 耦合系統(tǒng)的全新理念

該耦合系統(tǒng)實現(xiàn)了六方面的全新理念:

一是社會-經(jīng)濟-環(huán)境效益的復合與博弈。最大程度挖掘土地產(chǎn)出和土地價值，最大化現(xiàn)有資源，為緩解當?shù)禺a(chǎn)業(yè)單一和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤貧瘠、水源匱乏的形勢提供了新途徑。

二是生物鏈-礦物鏈-服務鏈-靜脈鏈-智慧鏈的復合。由于礦區(qū)受損土地修復之后種植作物需要養(yǎng)分水分，因此在煤矸石和礦井水的處理過程中可做到恰如其分的利用，經(jīng)過煤矸石元素調(diào)配、微生物作用制復合功能肥料和保水材料，經(jīng)免燒或低溫燒制成滲灌管道，礦井水則經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)可作為灌溉水。

三是政-產(chǎn)-研-民的結(jié)合。使政府、企業(yè)和科研單位力量集中化，使治理、修復、復墾工作科研化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化和標準化。最終，讓礦區(qū)生態(tài)修復與土地復墾成為政府、企業(yè)、科研單位大力推動和民眾積極參與的工作，實現(xiàn)利益多元化與全民化。

圖1 耦合系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of coupled systems

四是物質(zhì)流-能量流-信息流-資金流-人力流的結(jié)合。將礦區(qū)生態(tài)修復的過程導為物質(zhì)、能量、信息、資金和人力循環(huán)和流動的生態(tài)代謝系統(tǒng)，供給平衡，自行運作。

五是觀念-體制-技術-文化的復合。建立礦區(qū)生態(tài)修復的平衡觀念，生態(tài)代謝系統(tǒng)自行運作體制，技術集成，文化融入，讓生態(tài)修復工程擁有精神和靈魂，賦予生命內(nèi)涵，展現(xiàn)自然與人文關懷。

六是環(huán)境污染的負面控制與生態(tài)服務的正向涵養(yǎng)復合。在未來的煤炭開采中，關注點不應僅局限于破壞后的修復治理，而應將修復治理和以受損土地和廢棄物為“資源”的生產(chǎn)和耕作過程相耦合，開采和修復同時進行的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。在生態(tài)修復的同時，獲取“新”資源和“新”能源，從而可實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復從“處理工藝”向“生產(chǎn)工藝”的轉(zhuǎn)化。

3 耦合系統(tǒng)的關鍵技術

目前，基于廢棄物、礦井水和風能太陽能綜合利用礦區(qū)生態(tài)修復與產(chǎn)業(yè)模式耦合系統(tǒng)仍處于概念提出階段，關于耦合系統(tǒng)的關鍵技術和工藝集成的研究幾乎為空白。綜合考慮該耦合系統(tǒng)的工藝特點、耦合目的及總體收益，以下關鍵技術應得到充分重視并重點研究。

3.1 露天礦區(qū)地形重塑技術

對不同歷史時期礦區(qū)及其周邊開采前后地形地貌分析研究，利用或開發(fā)地形重塑軟件，設計出一種或多種近自然地形，重塑后的景觀可最大限度保蓄水土，為本土微生物植被和動物提供長期穩(wěn)定態(tài)環(huán)境;結(jié)合地形重塑技術，改進開采工藝，使煤礦開采和礦區(qū)地形重塑同時進行，減少表層土壤、矸石堆放的土地占用和生態(tài)破壞。

3.2 礦區(qū)土壤系統(tǒng)恢復重構(gòu)技術

將煤矸石、秸稈與畜禽糞便等構(gòu)成礦區(qū)復合基質(zhì)，結(jié)合菌根技術，借助向礦區(qū)復合基質(zhì)中新栽植的植物接種菌根，篩選礦區(qū)復合基質(zhì)的較優(yōu)配比以及復合基質(zhì)與菌根組合的礦區(qū)修復工藝，構(gòu)建復合基質(zhì)-植物-菌根的礦區(qū)生態(tài)修復系統(tǒng)，揭示菌根對礦區(qū)土壤的修復效應、礦區(qū)恢復土壤的微生物生態(tài)特征的影響。

3.3 礦區(qū)植被恢復與群落構(gòu)建技術

通過對露天和井工開采的生態(tài)影響機理研究，構(gòu)建對應生態(tài)恢復技術，根據(jù)地貌構(gòu)成，結(jié)合物種篩選，研究露天和井工煤礦關鍵復墾模式。從整個礦區(qū)的土壤、地形、降雨及生態(tài)類型等綜合考慮，探討礦區(qū)植被恢復模式，開展生態(tài)安全格局設計。

3.4 井工開采礦區(qū)損傷監(jiān)測與綜合整治技術

針對半干旱草原退化礦區(qū)煤炭開采引起的地表塌陷、裂縫情況，利用實測數(shù)據(jù)獲取采煤沉陷預測模型軟件的關鍵預測參數(shù)，預測出地形地貌變化，減少災害發(fā)生對土地和環(huán)境的的影響;開發(fā)半干旱地區(qū)煤炭開采擾動下的土地損害綜合評價系統(tǒng)與基于信息多源數(shù)據(jù)的快速監(jiān)測技術;構(gòu)建植被快速修復與群落配置技術。

4 耦合系統(tǒng)的潛力

4.1 礦區(qū)受損環(huán)境修復的生態(tài)價值潛力

假設內(nèi)蒙全區(qū)范圍內(nèi)煤炭開采受損土地(包括歷史遺留和每年新增)全部采用本文所設計的耦合系統(tǒng)進行地形重塑、土壤恢復和生態(tài)群落構(gòu)建，歷史遺留和每年開采新增破損土地的環(huán)境修復的生態(tài)價值潛力進行估算。

(1)已有未復墾受損土地

根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理規(guī)劃(2011—2015年)調(diào)查，煤礦開采占用土地面積達6.41 萬 hm2，形成塌(沉)陷面積為 2.53 萬 hm2，煤矸石累計積存量10.66×108t，以煤矸石占地系數(shù)為0.04 m2/t［7］，已有未利用煤矸石占地 0.43 萬 hm2。因此，已有未復墾可修復用于耕作土地至少2.96萬hm2。

(2)每年新增受損土地

平均每開采1萬噸煤地表塌陷0.1 hm2，露天礦每開采1萬噸煤要挖損土地約0.2 hm2，露天礦正常生產(chǎn)時每采1萬噸煤，排土場平均壓占0.16 hm2土地。內(nèi)蒙古80%的煤炭產(chǎn)量來自井工開采［8］，根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)2012年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，原煤產(chǎn)量106194.31萬t，按采矸排矸率和洗矸排矸率綜合取15%煤矸石產(chǎn)量約15929.15萬t，可以推出，在內(nèi)蒙古自治區(qū)，每年大約會因煤炭資源的開采造成0.85萬hm2的地表塌陷，挖損土地0.42萬hm2，排土場壓占土地0.34萬hm2，煤矸石壓占土地637.17 hm2。因此，累積每年可修復用于耕作土地超過1.67 萬 hm2。

4.2 生態(tài)修復產(chǎn)品和能源經(jīng)濟作物生產(chǎn)潛力

假設內(nèi)蒙全區(qū)范圍內(nèi)的煤矸石、農(nóng)牧林廢棄物全部采用本文所設計的耦合系統(tǒng)進行處理與生產(chǎn)生態(tài)修復產(chǎn)品，及在此基礎上種植的能源經(jīng)濟作物每年的生產(chǎn)潛力可進行估算。

根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)2012年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，玉米產(chǎn)量1784.39萬t，豬牛羊存欄量分別是 1418.9、1238.7、8605.4 萬頭，原煤產(chǎn)量106194.31萬t，煤矸石15%產(chǎn)量，按并根據(jù)玉米秸稈［9］、牛糞［10］、羊糞［11］、豬糞［12］和煤矸石(以土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法［13］測得，由于煤矸石中速效氮磷鉀含量極少，本估算中忽略不計)的養(yǎng)分含量，可預估全區(qū)廢棄物的年產(chǎn)量如表1所示。參考土壤營養(yǎng)等級標準二級有機質(zhì)含量30—40 g/kg、全氮1.5—2 g/kg、速效磷20—40 mg/kg、速效鉀150—200 mg/kg，取有機質(zhì) 35 g/kg、全氮 1.75 g/kg、速效磷 30 mg/kg、速效鉀175 mg/kg進行估算，得內(nèi)蒙古全區(qū)農(nóng)牧業(yè)廢棄物及煤矸石中養(yǎng)分用于配復合基質(zhì)對應有機質(zhì)288077.4、全氮 21915.51、速效磷 2421010.53、速效鉀2126418.29萬t，即該耦合系統(tǒng)每年最少可生產(chǎn)復合基質(zhì)21915.51萬t作為生態(tài)修復產(chǎn)品進行土壤恢復。

表1 內(nèi)蒙古全區(qū)農(nóng)牧業(yè)廢棄物及煤矸石產(chǎn)量(萬t)Table 1 Agricultural waste and coal gangue output in Inner Mongolia

假設內(nèi)蒙全區(qū)范圍內(nèi)每年新增受損土地全部修復后的80%用于種植能源經(jīng)濟作物，其中40%土地5344 hm2種植能源作物菊芋，按塊莖30t/hm2和莖葉30t/hm2［14］估算，可年產(chǎn)16萬t塊莖用于生產(chǎn)乙醇，16萬t莖葉作為復合基質(zhì)原料;40%土地5344 hm2種植中草藥黃芪，按鮮產(chǎn)量 642.3 kg/666.7m2［15］估算，可年產(chǎn)5.15萬t黃芪用于入藥。

5 結(jié)語

(1)受損土地修復任務繁重，耦合系統(tǒng)生態(tài)價值潛力巨大。已有受損未復墾土地可修復用于耕作面積至少2.96萬hm2，每年新增受損土地可修復用于耕作面積超過1.67萬hm2。

(2)煤矸石、農(nóng)牧林廢棄物來源廣泛，原料充足，可就近改良土壤。每年最少可生產(chǎn)復合基質(zhì)21915.51萬t作為生態(tài)修復產(chǎn)品進行土壤恢復。

(3)耦合系統(tǒng)經(jīng)濟價值顯著。每年新增受損土地全部修復后的80%用于種植能源經(jīng)濟作物，可年產(chǎn)16萬t塊莖用于生產(chǎn)乙醇和5.15萬t黃芪。

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