煤礦采空區(qū)土體有機(jī)重構(gòu)對(duì)植被恢復(fù)效應(yīng)及生態(tài)環(huán)境影響的探討

李剛

摘 要 煤礦采空區(qū)是煤礦作業(yè)過(guò)程中，將地下煤炭或煤矸石等開(kāi)采完成后留下的空洞或空腔，能引起覆巖層變動(dòng)，造成塌陷、土體環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題。開(kāi)展不同土體有機(jī)重構(gòu)方式下植被恢復(fù)效應(yīng)研究不僅可以評(píng)價(jià)土體重構(gòu)效果，也可以為采空區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)、生態(tài)重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其結(jié)果將有利于對(duì)不同土體有機(jī)重構(gòu)方式下重建植被后的環(huán)境演化規(guī)律、演變特征及其質(zhì)量?jī)?yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)，以利于分等定級(jí)，因地制宜采取相應(yīng)措施，促進(jìn)采空區(qū)生態(tài)重建、生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。基于此，對(duì)煤礦采空區(qū)土體有機(jī)重構(gòu)對(duì)植被恢復(fù)效應(yīng)及生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 煤礦采空區(qū);土體有機(jī)重構(gòu);植被恢復(fù);生態(tài)環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)：X75;X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.088

煤礦采空區(qū)是煤礦作業(yè)過(guò)程中，將地下煤炭或煤矸石等開(kāi)采完成后留下的空洞或空腔，能引起覆巖層的變動(dòng)，造成塌陷、土體環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致地表植物和土壤質(zhì)地發(fā)生變化，對(duì)礦區(qū)周邊的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1-3]。對(duì)采空區(qū)的綜合治理普遍認(rèn)為是一個(gè)世界難題，尤其是在自然生態(tài)環(huán)境極為脆弱的區(qū)域，煤礦開(kāi)采及其產(chǎn)生的煤礦采空區(qū)所導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境退化更為顯著[4-5]。如何解決煤礦開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)破壞、水土流失、植被多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主要難題。

1 煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究現(xiàn)狀

1.1 煤礦采空區(qū)土體有機(jī)重構(gòu)

土體有機(jī)重構(gòu)是將一定深度的土體作為研究對(duì)象，圍繞構(gòu)成土體的材料與結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究，以置換、復(fù)配、增減等技術(shù)手段，對(duì)退化型、污染型、損毀型、低效型等缺陷土體或未利用土體進(jìn)行再生或重構(gòu)，將土體重塑為可支撐生命特征，實(shí)現(xiàn)生命體生存、繁衍的土壤。通過(guò)土體有機(jī)重構(gòu)技術(shù)手段可以有效改善土體的結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分，修復(fù)土體中的重金屬、有機(jī)污染物等，為進(jìn)一步植被恢復(fù)提供良好的環(huán)境條件。

1.2 煤礦采空區(qū)治理現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國(guó)家較早開(kāi)始關(guān)注煤礦采空區(qū)治理并付諸實(shí)踐，對(duì)煤礦采空區(qū)的整治以土地綜合治理和生態(tài)環(huán)境重建為主要內(nèi)容。我國(guó)煤礦采空區(qū)治理起步較晚，從最初的土地復(fù)墾到生態(tài)修復(fù)到綜合治理，有關(guān)研究不斷深化。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤礦采空區(qū)的治理主要包括以下3方面的內(nèi)容。

1）煤礦采空區(qū)的土地整治，包括煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復(fù)以及煤礦采空區(qū)的綜合治理[6-8]。最初的煤礦采空區(qū)治理是以恢復(fù)土地的可利用狀態(tài)為目標(biāo)進(jìn)行，其主要措施包括填充治理和非填充治理兩大類(lèi)[9]。其中，填充治理主要是先將采空區(qū)表層熟土剝離，利用煤礦開(kāi)采后產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰以及泥漿等材料對(duì)采空區(qū)的深坑進(jìn)行回填，最后將剝離的表土再覆蓋在土地表層，使土地達(dá)到可利用狀態(tài)[10]。一些采空區(qū)的治理只需通過(guò)就地平整、挖深墊淺等方法對(duì)采空塌陷地區(qū)進(jìn)行土地修整，使其達(dá)到可以使用的狀態(tài)[11-12]。

2）隨著技術(shù)的發(fā)展，煤礦采空區(qū)治理在土地復(fù)墾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境修復(fù)[13-14]。煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要體現(xiàn)在土地復(fù)墾和生態(tài)環(huán)境重建兩大方面，主要措施為植樹(shù)造林[15-16]。

3）近年來(lái)，煤礦采空區(qū)的治理體現(xiàn)出了因地制宜的治理原則，在煤礦采空區(qū)創(chuàng)新性利用資源，實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益相統(tǒng)一，主要產(chǎn)業(yè)模式包括發(fā)展林業(yè)、農(nóng)業(yè)種植、漁業(yè)養(yǎng)殖以及農(nóng)林牧漁業(yè)綜合開(kāi)發(fā)等，最終實(shí)現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。此外，還有一些煤礦采空區(qū)通過(guò)發(fā)展礦山公園、自然資源旅游、科學(xué)研究基地等方式實(shí)現(xiàn)煤炭采空區(qū)的綜合治理[17]。

1.3 土體有機(jī)重構(gòu)對(duì)植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境的影響

植被恢復(fù)與重建是煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素，主要表現(xiàn)在植被個(gè)體的生理特征和群落特征。但是開(kāi)展植被恢復(fù)需要良好的土體結(jié)構(gòu)和無(wú)污染的土壤作為支撐條件，所以在煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理之前，最重要的環(huán)節(jié)是進(jìn)行土體有機(jī)重構(gòu)。

地表蒸散發(fā)（ET）和生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）是陸表生物地球物理和生物地球化學(xué)過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵變量。ET連接了地表能量、水分和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)等物質(zhì)和能量交換過(guò)程，是生態(tài)環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究的核心過(guò)程之一[18-22]。開(kāi)展不同土體有機(jī)重構(gòu)方式下植被恢復(fù)效應(yīng)研究不僅可以評(píng)價(jià)土體重構(gòu)效果，也可以對(duì)煤礦采空區(qū)的地表蒸散發(fā)和總初級(jí)生產(chǎn)力等生態(tài)環(huán)境指標(biāo)產(chǎn)生正面影響，進(jìn)而為采空區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)、生態(tài)重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其結(jié)果將有利于對(duì)不同土體有機(jī)重構(gòu)方式下重建植被后的環(huán)境演化規(guī)律、演變特征及其質(zhì)量?jī)?yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)，以利于分等定級(jí)，因地制宜地采取相應(yīng)措施，促進(jìn)采空區(qū)生態(tài)重建、生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。

2 煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤礦采空區(qū)的相關(guān)研究和實(shí)踐持續(xù)開(kāi)展，但在治理模式上多以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏系統(tǒng)的理論研究，在治理效果評(píng)價(jià)上定性研究多、定量研究少。

1）煤礦采空區(qū)土體與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題很復(fù)雜，只依靠土地平整和植樹(shù)造林為主的生態(tài)修復(fù)措施難以實(shí)現(xiàn)最佳的治理和修復(fù)效果。2）在煤礦采空區(qū)土地整治方面，傳統(tǒng)的填充治理已經(jīng)較為成熟，主要包括采礦廢棄物回填和注漿治理，但是對(duì)于土地耕作層的治理僅僅停留在表土回填、就地平整、挖深墊淺等層面，只側(cè)重于將煤礦采空區(qū)恢復(fù)到可利用狀態(tài)，鮮有涉及到土體構(gòu)型的優(yōu)化和重構(gòu)等更高層次的開(kāi)發(fā)利用，土地復(fù)墾的穩(wěn)定性和可持續(xù)性差。3）在煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復(fù)以及煤炭采空區(qū)的綜合治理方面，目前的研究方法和措施僅局限于植樹(shù)造林，對(duì)于樹(shù)種的選擇僅依靠經(jīng)驗(yàn)，側(cè)重于把煤炭采空區(qū)修復(fù)成與原來(lái)土地利用狀態(tài)部分或完全不同的復(fù)雜人工生態(tài)系統(tǒng)，而對(duì)于具有抗逆性鄉(xiāng)土物種篩選研究和工程實(shí)踐較少，且嚴(yán)重忽視了煤炭采空區(qū)土壤污染修復(fù)和地質(zhì)災(zāi)害治理等。由于理論研究滯后，體系欠缺，煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復(fù)具有一定的盲目性[23-26]。

3 土體有機(jī)重構(gòu)對(duì)煤礦采空區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境重建具體對(duì)策

在煤礦采空區(qū)開(kāi)展大規(guī)模的土體有機(jī)重構(gòu)與生態(tài)恢復(fù)重建是一種強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)影響區(qū)域自然環(huán)境的表現(xiàn)，如何保證這種人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響是正面的、可持續(xù)性的，需要進(jìn)行深入研究。目前對(duì)于煤礦開(kāi)采過(guò)程對(duì)區(qū)域氣候和生態(tài)系統(tǒng)影響的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，大部分學(xué)者主要利用區(qū)域氣候模式和水文模型模擬研究煤礦開(kāi)采對(duì)于該區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境變化的影響。然而對(duì)于區(qū)域內(nèi)土地復(fù)墾和植被重建對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的定量、系統(tǒng)性影響研究有限。

3.1 主要技術(shù)手段

土體有機(jī)重構(gòu)的技術(shù)手段主要是針對(duì)煤礦采空區(qū)土體污染及損毀現(xiàn)狀，開(kāi)展包括土地工程基礎(chǔ)勘察、土體有機(jī)重構(gòu)力學(xué)特性研究、土體有機(jī)重構(gòu)顆粒配給、土體有機(jī)重構(gòu)剖面層級(jí)重構(gòu)、土體有機(jī)重構(gòu)生化需求配給、土體有機(jī)重構(gòu)生物營(yíng)養(yǎng)保障（養(yǎng)分需求、微生物恢復(fù)）等核心內(nèi)容的土體有機(jī)重構(gòu)技術(shù)研發(fā)工作[27]。

3.2 具體實(shí)踐

1）在土地復(fù)墾完成的基礎(chǔ)上，煤礦采空區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)綜合治理的成敗取決于對(duì)植物的優(yōu)化配置和科學(xué)篩選以及對(duì)水資源的合理利用。通過(guò)調(diào)查采空區(qū)及周邊鄉(xiāng)土物種生長(zhǎng)狀況和性狀，篩選用于土體穩(wěn)定性維持、污染土壤修復(fù)的備選鄉(xiāng)土物種（喬-灌-草-隱花植物）[28]。

2）利用所篩選出的鄉(xiāng)土物種生長(zhǎng)、繁殖特點(diǎn)，生態(tài)適應(yīng)性及演替及其與土壤水文過(guò)程、土體污損狀況的關(guān)系，針對(duì)污染土體植物修復(fù)、損毀土體穩(wěn)定性、抗旱造林等不同修復(fù)類(lèi)型，研究不同土體有機(jī)重構(gòu)方式下備選物種的生理生態(tài)與功能性狀，并開(kāi)展分區(qū)域的植被重建關(guān)鍵技術(shù)研究（物種搭配組成、種植規(guī)模及調(diào)控技術(shù)），評(píng)估其對(duì)煤礦采空區(qū)環(huán)境的適應(yīng)表現(xiàn)，為以生態(tài)功能恢復(fù)為主的煤礦采空區(qū)植被重建提供支撐[29-31]。

3）針對(duì)區(qū)域內(nèi)土體污染和損毀等環(huán)境問(wèn)題，構(gòu)建新的礦區(qū)復(fù)墾土體構(gòu)型，加快自然修復(fù)和土壤質(zhì)量演化的速度，可以在較短時(shí)間內(nèi)消除土地荒蕪、土體污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，有效提升土地復(fù)墾的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

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