西部干旱半干旱露天煤礦生態(tài)重構技術難點及發(fā)展方向

畢銀麗，彭蘇萍，杜善周

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083; 2.中國礦業(yè)大學(北京) 生態(tài)修復研究院，北京 100083; 3.神華準格爾能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017100)

黃河流域是我國煤炭工業(yè)的主產區(qū)，煤炭產量占全國70%以上。該地區(qū)氣候干旱半干旱，年降雨量少，蒸發(fā)量大，年蒸發(fā)量超過降雨量的6倍以上，大規(guī)模的現代煤炭開采對地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響。2020年中共中央政治局召開會議審議了《黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要》[1]。會議指出，黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展是事關中華民族偉大復興的千秋大計，要綜合治理、系統治理、源頭治理。這其中，黃河流域煤炭基地的生態(tài)環(huán)境修復是整個黃河流域生態(tài)修復的重要組成部分，必須高度重視黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復與治理[2-3]。

加強干旱半干旱露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理的研究與工程示范是當務之急。由于黃河中上游鄂爾多斯盆地北沿一帶的煤炭資源豐富、煤層厚、煤質好、埋藏淺、開采成本低，有利于露天開采。近年來，隨著我國西部煤礦露天開采的發(fā)展，露天煤礦的產量從以前的不到10%提高到16.9%，而且這一比例還在進一步擴大。但該地區(qū)水資源嚴重缺乏(水資源總量僅占全國的3.9%)，制約了生態(tài)重構效率。而該地區(qū)是我國乃至世界水土流失最嚴重的地區(qū)之一，水土流失面積占到92.5%。露天煤礦開發(fā)進一步加劇了礦區(qū)水資源的匱乏，特別是露天開采過程對礦區(qū)上覆地層高強度的剝離，破壞了原有礦藏的上覆巖層結構，風蝕沙化更為嚴重，土壤侵蝕模數最高可達18 000 t/(km2·a)，使原生地表更加支離破碎，溝壑縱橫，生態(tài)環(huán)境更加脆弱，抵御自然災害的能力進一步減弱。

剝離后的巖土要搬運倒堆形成新的松散堆積排土場，使露天礦區(qū)的地表地形地貌和生態(tài)環(huán)境發(fā)生了根本的變化。重構排土場時一般底層為破碎巖石，僅在表層上覆40 cm以上土壤層，這種堆放結構在西部干旱半干旱露天礦區(qū)進一步造成水資源流失，土地生產力下降，植被生長難，生態(tài)景觀破碎，難以保證生態(tài)重構的高效性[4-5]。該地區(qū)每平方公里每年水土流失量高達1.88萬t，每年向黃河輸送泥沙達1億t以上，約占黃河上中游地區(qū)年入黃河泥沙總量的1/16，植被覆蓋度不足25%，被國內外生態(tài)專家喻為“地球癌癥”。因此，在20世紀90年代初討論鄂爾多斯盆地煤炭開發(fā)時，就有專家堅決反對，擔心大規(guī)模的煤炭開發(fā)使西部干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進一步惡化，造成“雪上加霜”的效應！

因此，筆者就西部干旱半干旱露天煤礦區(qū)生態(tài)重構目前的研究進展、關鍵技術難點和發(fā)展方向進行論述，為我國黃河流域煤礦區(qū)高質量發(fā)展提供一些新的思路和技術。

1 干旱半干旱露天煤礦區(qū)生態(tài)重構研究現狀

露天煤礦排土場生態(tài)重構是土層重構、水分高效利用、表土改良及生態(tài)重構的綜合生態(tài)效應。土層重構是生態(tài)重構的基礎，水分在排土場土壤的高效節(jié)約利用是干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構的關鍵，而排土場表土的改良提質是實現礦區(qū)生態(tài)系統可持續(xù)發(fā)展的核心，通過土-水-生態(tài)的協調獲得較好的露天礦區(qū)生態(tài)效應。

1.1 露天采礦對植被群落與土壤的影響

露天采礦通過剝離地表土壤和植被等方式，導致植被群落直接破壞。植被變化是區(qū)域生態(tài)變化最直接的反映，對礦區(qū)植被群落演變規(guī)律研究十分重要。在露天采煤過程中，選擇高效機械化開采工藝會產生大量廢棄物、揚塵，對植物賴以生存的環(huán)境造成污染。隨著廢礦石、土方的堆積形成高坡度大坡長的排土場新景觀，導致礦區(qū)生境分割，限制了生物種群交流范圍，生物多樣性逐漸降低。郝志遠和李素清[6]通過對陽泉礦區(qū)不同復墾年限(2003，2013年)的煤矸石山植物群落進行研究，結果發(fā)現復墾地植被群落多樣性主要受植被類型、復墾年限、地形影響，并且隨著復墾年限的增加，植被群落向更加穩(wěn)定、多樣化的方向演替。春風等[7]通過對內蒙古巴音華礦區(qū)植物群落進行數量化分析，證實了物種豐富度和多樣性隨著采礦干擾影響的減弱而顯著提升的變化趨勢，并且隨著礦區(qū)周邊干擾程度不同，植被群落更替出現較大差異。有關采礦區(qū)植被群落研究，國外多以植被復原技術和植被重建技術為主要研究方向，針對矸石山與露天采礦區(qū)的植被群落展開，進而采用植樹和種草或將復墾地改造成濕地的方式加以保護。

由于露天采礦會對煤層上方的表土和巖層進行剝離，不僅在采場損毀大量土地，產生的排棄物也會占用大量土地，對區(qū)域土壤造成破壞，導致水土流失。在礦山開采過程中造成的水土流失、土壤鹽堿化等問題已成為全世界研究的熱點。土壤作為區(qū)域生態(tài)地質環(huán)境的重要組成部分，在資源開發(fā)過程中也被破壞的最為嚴重，其作為各種生態(tài)系統的基質和載體，可為生物的生長發(fā)育提供必要的水分和養(yǎng)分。因此，一旦土壤遭到破壞或污染，必然會導致依附于其上生存的物種消失、生物多樣性降低。尤其是處在生態(tài)脆弱區(qū)的干旱半干旱地區(qū)，因煤炭開采所致的水土流失、土壤結構破壞，對區(qū)域植被、動物、土壤微生物的生長、發(fā)育和恢復產生更為不利的影響。有學者針對我國煤礦區(qū)重金屬污染進行了研究，發(fā)現煤礦區(qū)受到重金屬不同程度的污染后對當地生態(tài)也造成一定的影響[8]。另外，還有學者發(fā)現采煤也會對土壤養(yǎng)分具有明顯的負面影響，破壞原土壤碳、氮等元素的“平衡”。開展礦區(qū)土壤生態(tài)恢復工作十分重要，趙韻美等[9]發(fā)現礦區(qū)不同植被恢復模式下土壤養(yǎng)分有改善特征。劉孝陽等[10]指出礦區(qū)排土場不同復墾類型土壤養(yǎng)分的變化以及礦區(qū)微地形也會對土壤養(yǎng)分分布產生一定影響。地面植被類型對保護和改善土壤環(huán)境具有很大作用，利用植物本身促進生態(tài)群落與土壤提質的和諧演變成為新的關注點。

1.2 露天排土場土層重構對生態(tài)效應的影響

排土場重構土體是在人工改變地貌上新發(fā)育的土壤，礦區(qū)重構土體的物理性質與自然土壤比有明顯的差距，重構土體生產力通常較低，堆積過程中大型機械的壓實作用，使得土壤密度較高(1.55～1.86 g/cm3)，孔隙度較低(26%～45%)，持水量低，滲透率差，水力傳導速率慢，生物多樣性空間異質性增強[11-13]。露天排土場復墾土壤理化性質，與未擾動土壤相比，土壤結構性差，土壤質地、有效陽離子交換量、密度、持水性和相關化學性質都存在顯著差異[14-15];李玉婷等[16]研究了黃土露天礦區(qū)排土場重構土壤典型物理性質的空間差異，重構土壤在垂直方向上均屬于弱變異，土壤密度和孔隙度在層間差異顯著，土壤深度越大，土壤密度越大，土壤機械組成各土層間沒有差異;黃雨晗等[17]對比不同復墾年限排土場和原始地貌未損毀土壤的物理指標，復墾8 a和4 a的排土場土壤密度、土壤含水率和土壤礫石含量均高于未損毀的土壤，隨復墾年限的增長，重構土壤密度、礫石含量和砂粒含量呈下降趨勢，隨土層深度的增加，重構土壤密度、粉粒和黏粒含量呈增大趨勢;SHRESTHA等[18]研究了重構土地復墾28 a后土壤物理性質變化，發(fā)現重構土壤表層土與未擾動土壤表層土密度相似，但5～10 cm和10～15 cm土層，重構土體與未擾動土體仍呈現顯著差異，土壤累計入滲量重構土體顯著小于未擾動土體;李芳等[19]對復墾1,3，5和10 a后的重構土體進行研究，運用復雜網絡神經進行分析，發(fā)現復墾10 a后土壤表層土壤幾乎恢復到了未受損狀態(tài)，反映土壤質量的指標中，土壤密度是最重要的指標，土壤有機質是影響土壤質量的直接指標，土壤養(yǎng)分(速效磷和速效氮)是快速影響指標;侯湖平等[20]研究了復墾1,6,15 a土壤及其微生物群落變化，結果顯示細菌群落是對重構土體反應最敏感的一個指標，經過15 a的復墾后，重構土體的細菌群落多樣性已經與天然土壤高度相似。

露天礦排土場覆土方式往往以矸石、砂礫為基底，上覆表土，由于表土不足，大量的采礦伴生土壤被堆積在排土場表面，這些土壤大多結構性差，有效養(yǎng)分低，不適合植物生長。為解決這一難題，研究礦區(qū)伴生土壤與礦區(qū)本地土壤、礦區(qū)工業(yè)產物等混合的重構方式改善土壤結構。砒砂巖成巖程度低，顆粒膠結作用弱，其中蒙脫石含量較高，具有保水保肥的效果，且在我國西北地區(qū)分布廣泛，能有效改造粗質的排土場覆土物理性狀[21]。研究表明，砒砂巖和沙土質量比1∶2～1∶5配比條件下，具有良好孔隙度特征，持水能力較強，土壤理化性質較好[22];攝曉燕等[23]研究發(fā)現，砒砂巖對降低入滲率和飽和導水率、增加含水量和持水能力效果顯著，砒砂巖與沙土比例為1∶3時，復配土的吸水和保水性能最佳;韓霽昌等[21]以小麥、玉米、大豆、馬鈴薯4種作物為材料，分析不同砒砂巖和沙的質量比(1∶1,1∶2,1∶5)作物產量，發(fā)現馬鈴薯在砒砂巖與沙1∶5混合時產量最高，小麥、玉米、大豆在砒砂巖與沙1∶2混合時產量最高;針對質地較細的排土場土壤可以將其與砂粒等粗顆粒土壤進行混合重構[13]，達到改善土壤質量的作用。

1.3 排土場土壤改良對水土高效協同利用生態(tài)效應

排土場土壤由于是新構土壤，其土壤結構極其不穩(wěn)定，降雨發(fā)生時不能有效地保存雨水，水分往往通過徑流和漏滲的形式流失，處于干旱半干旱地區(qū)排土場在雨熱同期的條件下，降雨之后往往伴隨著高溫天氣，土壤的快速蒸發(fā)又使排土場土壤含水進一步降低，對露天開采不同復墾年限土壤真菌群落多樣性產生影響[24]。我國開展的礦區(qū)廢棄地研究主要集中在土壤微生物修復技術、土壤重構技術、排土場環(huán)境治理技術等方面。杜善周[25]對準能露天礦排土場生態(tài)建設報告指出，排土場構建過程中水土保持生物工程可有效減少地表和坡面水土流失。露天礦排土場治理的關鍵是水分的保持和植被的建植，并且利用沙棘有效地控制了排土場邊坡的水土流失。

礦區(qū)土地復墾的難點之一是表土量不足，表土的稀缺性嚴重影響了排土場復墾效應和土壤質量的提升，因此有學者提出使用工業(yè)固體廢棄物等材料制作表土替代材料[26]。胡振琪等[27]研究發(fā)現，將風化煤、粉煤灰等工業(yè)廢渣以一定比例添加到土壤中，再輔以化學肥料，能夠有效提高土壤肥力，促進復墾區(qū)苜蓿生長。也有學者研究發(fā)現，采礦伴生的巖板粉末、粉煤灰以及被風化的土壤基質都有成為表土替代材料的潛力[26]。有研究報道，在固體廢棄物和礦區(qū)土壤中添加草炭、秸稈、礦物肥料、紫花苜蓿等改良劑能夠有效地促進礦區(qū)生態(tài)復墾。目前國內外學者主要利用工業(yè)生產產生的固體廢棄物作為表土的替代材料，或者將其制作成土壤改良劑添加于土壤中，但由于各礦區(qū)地質條件及周圍工業(yè)設施的不同，產生的固體廢棄物種類也不同，造成土壤改良劑的應用具有較強的局限性。因此應該因地制宜、結合當地實際情況選擇復墾方式和適當的表土替代材料。

目前的土壤改良方法大多是單一的，如土壤替代材料或是不同植物組合與耕作方式的研究等。但礦區(qū)生態(tài)恢復不是一個單獨的修復過程，而是以土壤基質改良為基礎，植被和微生物相互作用的過程。針對露天礦排土場“土壤改良-植被組合-微生物優(yōu)選”三位一體的改良方式的研究則未充分開展。在構建排土場的過程中，土壤結構不良、水肥質量下降、植被多樣性減少，如何改良土壤基質就成為研究的重點。

近年來利用有機生物秸稈材料來提高土壤性狀成為研究的熱點。秸稈覆蓋不僅可以增強土壤水分的下滲、降低土壤水分蒸發(fā)，還具有良好的蓄水保墑效果[28]。研究表明，隨著秸稈覆蓋量的增加，相對蒸發(fā)量逐漸減小[29]，逢煥成[30]在陜西部分地區(qū)設置試驗田，冬小麥在夏閑期和生長期采用秸稈覆蓋能有效使土壤保持濕潤狀態(tài)，覆蓋量為6 000～7 500 kg/hm2最佳;同樣對于玉米秸稈而言，覆蓋量以6 500～7 500 kg/hm2最佳[31]。秸稈覆蓋除蓄水保墑作用以為，還可以改善土壤的養(yǎng)分狀況。李娜娜等[32]研究了2013—2015年旱地玉米秸稈覆蓋模式與傳統耕作模式相比，土壤有機質質量分數增加了19.8%，全氮質量分數提高了8.4%，水分利用率提高了11.3%;侯賢清等[33]研究了覆蓋措施下對旱作馬鈴薯生長的影響，結果表明秸稈覆蓋處理可以提高15%左右的貯水量，且深松覆蓋處理的土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀質量分數顯著提高。秸稈覆蓋在增加土壤養(yǎng)分的同時還能防止土壤養(yǎng)分流失，呂凱等[34]連續(xù)2 a進行野外徑流小區(qū)觀測，結果表明隨著秸稈覆蓋量的增加土壤養(yǎng)分流失量也隨之減少，相對于對照，泥沙中的有機質質量分數降低了83.97%～82.5%、全氮質量分數降低61.49%～85.56%、全磷質量分數降低44.69%～83.75%、全鉀降低52.52%～81.79%，并得出以7 500 kg/hm2小麥秸稈覆蓋量綜合效益最好。秸稈覆蓋改善了土壤中碳氮比例，為土壤微生物的活動提供了豐富的碳源和氮源，提高了土壤微生物種群多樣性，改善了土壤微生物群落結構[35]。韓新忠等[36]通過大田試驗研究小麥秸稈覆蓋對土壤微生物量及酶活性的影響，結果表明，秸稈還田覆蓋顯著提高了土壤微生物量碳、氮，顯著提高了土壤脲酶活性、過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性。

2 干旱半干旱區(qū)露天煤礦與井工煤礦生態(tài)環(huán)境治理的差異及其關鍵技術難點

針對干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復，煤炭企業(yè)和相關學者均進行了長期的探索，通過對區(qū)域主要井工煤礦開采過程中巖層結構及采動裂隙演化規(guī)律、地下水資源保護、煤炭開采對水和生態(tài)環(huán)境影響的研究現狀分析，提出了干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復要結合煤層賦存特點和煤層開采工藝技術，對上覆巖層產生的裂隙發(fā)育特征與展布格局，裂隙與地表水和礦井水的導通與耦合關系，裂隙對地表生態(tài)發(fā)育與退化作用等進行系統描述[2]。

露天開采與井工礦開采對生態(tài)環(huán)境的損傷特征有明顯的區(qū)別，井工開采雖然造成上覆地層產生裂隙、塌陷，但上覆巖土層總體結構穩(wěn)定，井工開采沉陷地修復是在原位的拉傷根系修復與生態(tài)結構的穩(wěn)定，而露天開采對環(huán)境生態(tài)的影響實際上是對煤層上覆巖土層的整體剝離及在另一個地方的重新堆放過程，因此露天開采的生態(tài)修復實際上是一個環(huán)境生態(tài)要素的重構過程，包括土、水和植被的重構，它涉及礦區(qū)水資源的保護與利用、排土場土層結構設計、布局與土壤改良、植物的選配組合及生態(tài)系統穩(wěn)定重建等(圖1)，故生態(tài)修復難度更大！因此露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與修復必須在系統調查、長期野外觀測的基礎上，探索新的思路和新的技術路線，并通過科學設計、規(guī)劃與實施，促使西部干旱貧瘠的露天煤礦區(qū)在煤炭開發(fā)過程中，土地得到有效利用，礦區(qū)生態(tài)系統得到有效恢復和更健康發(fā)展，再造出綠水青山的生態(tài)景觀。

圖1 西部干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構研究思路與關鍵技術Fig.1 Gerenal research thought and key technology of ecological reconstruction in open pit coal mine of the arid and semi-arid areas of Western China

由于干旱半干旱地區(qū)的降水量少但集中在7—9月，且多以暴雨形式出現，加上露天排土場堆放較為松散無結構性，造成排土場邊坡水土流失加重。因此露天煤礦排土場設計時應注重季節(jié)性降雨對排土場的沖刷作用和邊坡穩(wěn)定性，目前還沒有針對礦區(qū)匯水、周邊溝谷季節(jié)性徑流及露天礦疏干水體有效回收利用等系統考慮，也沒有形成與露天礦區(qū)開采特點相匹配的的水資源保護理論和工程建設體系，造成現有的干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相對脆弱，抵御自然災害的能力較弱，植被覆蓋度極低。如準格爾礦區(qū)黑岱溝露天煤礦自1990年破土動工以來，已征用幾十平方公里的土地。上億噸的剝離物堆置、填溝后，形成了礦區(qū)大面積無土壤結構、無地表植被的排土場(北排土場、東排土場、果園、搗蒜溝)，不僅占用大量土地資源，而且形成大面積廢棄地，極易發(fā)生新的水土流失和風蝕沙化。做好露天煤礦的生態(tài)環(huán)境整治不但具有社會效應，對礦山企業(yè)本身發(fā)展也具有非常重要的實際意義。例如內蒙古最大的準格爾露天礦區(qū)開采用地指標有限，綠化復墾成熟土地可以置換開采用地，對于保障露天煤礦正常生產來說意義重大。

露天排土場的堆放對于局地微地形及水土分布具有不同的影響，加之排土充填材料的不同、覆土厚度的不一致，導致對于露天排土場土地資源的利用不充分，土地利用率仍然很低，急需進行土地資源綜合利用的分區(qū)規(guī)劃與利用布局，但目前對露天排土場土壤質地及功能劃分的研究尚屬空白。以準能露天礦區(qū)為例，現有露天礦區(qū)內原生土壤主要為黃綿土，排土場土壤為復填土，堆積過程經過了劇烈擾動和碾壓，其土壤質地為粉壤，密度較大，土壤養(yǎng)分含量低。排土場臺階土壤均為復填土，排土覆土時經過大車的來回碾壓，形成了壓實嚴重的排土場土壤，土壤滲透系數低，一般植物根系難以下扎，較難生長。壓實土壤的改良技術，是提升露天排土場土壤重構質量的關鍵，培肥土壤的肥力水平是決定植被重建的重要措施。所以露天礦區(qū)生態(tài)重構要注重提升土壤養(yǎng)分水平，要建立有效的有機、生物修復技術，通過改良來增加土壤肥力，使土壤恢復到具有良好水肥氣熱的狀態(tài)，達到土地復墾目的。

近年來，露天礦區(qū)植被覆蓋率有了較大提高，但生態(tài)資源利用率還存在不合理的現象，人工植被缺乏有效的檢測，未系統分析和掌握其群落演替規(guī)律。因此必須加強排土場生態(tài)分區(qū)，研究其演替規(guī)律，從而有效增加排土場生態(tài)資源的利用效率。通過研究人工植被的有效性，及時發(fā)現復墾植被組合存在的問題，避免生態(tài)退化造成的損失。通過不同配置類型植被的土壤水分利用、土壤養(yǎng)分利用、植物生長發(fā)育狀況、植被對環(huán)境因素的影響等研究，結合生態(tài)效益評價，探索露天礦區(qū)植被優(yōu)化配置模式。結合植物耗水和灌溉方式，合理調配礦區(qū)水資源生態(tài)利用，并建立起礦區(qū)植物水分利用率的評估方法。通過對露天礦區(qū)環(huán)境生態(tài)在水分因子主導下，植被、土壤、氣候、地形等多因子共同作用特征分析，評估露天礦區(qū)生態(tài)承載能力。

3 干旱半干旱區(qū)露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理的主要發(fā)展方向

以露天礦區(qū)煤炭開發(fā)中的環(huán)境生態(tài)保護為重點，針對西部干旱半干旱區(qū)露天礦水資源保護利用和生態(tài)重構的關鍵科學和技術問題，通過多學科交叉研究手段，努力查明露天礦區(qū)水資源的分布及富集特征，形成露天礦區(qū)水、土地和生物資源保護及利用可行性的技術方案、評價方法和多目標優(yōu)化配置綜合調控技術，實現露天礦區(qū)排土場土地資源綜合利用及土壤的重構改良，構建出可協調水資源-植被組合-生態(tài)穩(wěn)定的循環(huán)發(fā)展模式，尋找干旱半干旱地區(qū)露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理關鍵技術。

(1)系統研究干旱半干旱露天礦區(qū)自然與人工生態(tài)協調發(fā)育規(guī)律，構建植物優(yōu)化配置模式。

針對準格爾露天礦區(qū)近30 a的環(huán)境生態(tài)整治成效，筆者觀察到，在準格爾礦區(qū)外圍的原生黃土溝壑區(qū)，由于長期處于干旱半干旱氣候環(huán)境，植物屬種單一，多為耐干旱的草本或灌木類植物，很少發(fā)育喬木類植物。20世紀80年代在山上多次植樹造林，樹木的成活率較低，植被生長緩慢。自20世紀90年代大型露天煤礦區(qū)的開發(fā)建設以來，對露天煤礦排土場按生態(tài)重構的標準進行了科學設計與規(guī)劃，開展了積極的人工生態(tài)干預措施，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，礦區(qū)整體植被覆蓋度提高，帶動礦區(qū)周邊原始生態(tài)的持續(xù)穩(wěn)定增加，使礦區(qū)生態(tài)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，礦區(qū)植被蓋度較原始生態(tài)提高2～3倍(圖2)。人工重建生態(tài)是如何刺激并促進礦區(qū)原生植被生長、促進生態(tài)的多樣性發(fā)展、促進礦區(qū)生態(tài)正向演替，需要從植物學、生態(tài)學等角度進行系統的描述和闡明。同時，要通過現代遙感技術，從時間角度和空間角度出發(fā)，分析和研究原始生態(tài)與露天礦山生產在生態(tài)重構狀況下的生態(tài)發(fā)育特征與演變趨勢，為干旱半干旱露天煤礦區(qū)的生態(tài)重構提供科學指導。

圖2 人工修復對原始生態(tài)的協調作用Fig.2 Coordinated development law of natural and artificial ecology in arid and semi-arid open-pit mining area in Western China

(2)研究干旱半干旱露天礦區(qū)水資源分布格局和礦坑水匯聚方法，保障生態(tài)重構水資源供給。

西部干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構，水資源是根本保障。針對西部露天礦區(qū)的地質特點，以無人機遙感影像技術、電法探測、地質雷達探測、數字測井、VSP測井和三維地震勘探為主要研究手段，結合水文地質調查，對礦區(qū)地質結構和水文地質特征進行精細刻畫，在查明礦區(qū)地形地貌、植被分布、高程等信息基礎上，基于地質-水文地質條件構建出準確的三維地表模型(圖3)。鄂爾多斯盆地北沿露天煤礦主要由兩套煤系地層，在以侏羅紀煤層為主要開發(fā)層的露天煤礦，重點研究主采煤層上覆巖層中含水層起伏形態(tài)、斷層、裂隙(或陷落柱)發(fā)育特征，特別是要對該區(qū)域可能分布的燒變巖分布特征進行準確圈定，確定導水通道，并對上覆巖層的富水性進行科學預測。在以石炭紀煤層為主要開采層的礦區(qū)，最好通過三維地震勘探對露天礦區(qū)下伏奧灰起伏形態(tài)、構造特征、裂隙發(fā)育及巖溶陷落柱分布展布規(guī)律進行系統研究，查明礦區(qū)奧灰水流場運移規(guī)律，通過實際調查和研究揭示采后礦區(qū)含水層補、徑、排恢復能力，確定煤層開采對區(qū)域地下水環(huán)境的影響邊界及程度、礦坑涌水點與地表、地下水源的關系及導水通道的連通性特征，在掌握露天礦開采過程中應力場、裂隙場和滲流場“三場”演化機理基礎上，形成了露天礦區(qū)礦坑水庫水資源保護模式及關鍵技術，使礦區(qū)生態(tài)用水得到有效保障。

圖3 露天礦區(qū)利用物探方法對水資源的探測及其空間分布Fig.3 Water sources situattion applied geophysical detection technology and their spatial distruction

(3)建立干旱半干旱露天礦區(qū)近地表土層重構工程技術體系，保障礦區(qū)生態(tài)工程有效實施。

西部露天礦區(qū)地貌按成因可分為侵蝕構造梁地、丘陵和構造剝蝕波狀高平原類型。梁地和丘陵區(qū)地面切割支離破碎，基巖裸露，風化強烈;波狀高平原區(qū)廣泛覆蓋風積砂，風蝕作用強烈。建立科學的露天礦土地復墾實施方案是獲得好研究與工程實施效果的基礎，需要建立起干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)重構工程技術體系。重點針對露天礦排土場不同處置方式對土壤的侵蝕作用進行比較研究。

針對干旱半干旱礦區(qū)水土流失嚴重這一難題，通過工程和技術創(chuàng)新，建立起露天礦區(qū)水土保持技術體系，使礦區(qū)范圍內的水土流失得到有效治理。探索合理的露天礦排土作業(yè)規(guī)范與流程，對整個生態(tài)重構工程的各個環(huán)節(jié)過程進行嚴格的監(jiān)控和追責，大幅提高表土的復用率，有效保證露天礦生態(tài)重構工程的高質量建設與維護[25]。

大型露天礦排土場是一個人工巨型松散巖土堆積體，“平臺-邊坡”為基本地貌單元，平臺巖土大都由大型機械分層壓實，而邊坡自然堆倒巖土松散。新建排土場非均勻沉降明顯，多裂縫和陷穴，植被覆蓋度低，其水蝕特征與原地貌相比差別顯著，具體體現在3個方面:① 表層堅硬的覆土碾壓平臺和陡坡松散巖土為劇烈水蝕創(chuàng)造了條件;② 50～80 m的坡長引起坡面密集的細溝狀侵蝕;③ 不均勻沉陷和裂縫造成徑流匯集路徑具有較大的時空變化特性。在另一方面，露天開采中為了高效和容納更多的巖土排棄物，多采用機械搬運、壓實增大排土場容量，往往忽視覆土層次結構、物理性狀對生態(tài)布局模式的影響，因此，通過研究，構建近地表4～5 m厚可有效控制排土場水蝕和提高土層含水率的海綿型表層結構，是干旱半干旱黃土區(qū)大型排土場土地復墾和植被恢復的基礎。將海綿型表層結構(隔水層-涵水層-表土層)與排土場的匯流工程設計有機綜合在一起，使排土場的水分得到充分的保蓄和有效利用，來大幅度地提高露天煤礦的生態(tài)重構效果(圖4)。

圖4 露天排土場三層結構的構建與布局模式Fig.4 Three-layer structure model for mining ecological environment reconstruction in arid and semi-arid open-pit dump

針對露天開采中多采用機械搬運、壓實，往往忽視覆土層次結構、物理性狀對生態(tài)布局模式的影響這一現狀，要研制排土場建設質量高精度物探檢測裝備與成套技術，實現對露天礦排土場工程中不同地貌、不同地表結構、不同工程類型的工程質量的快速檢測，利用物探探測結果和不同植物生長需水量、土層厚度要求，設計出經濟合理灌溉水系分布管網與種植分區(qū)模塊，實現排土場重建生態(tài)景觀布局。

(4)研究干旱半干旱露天排土場土壤生物化學改良方法，增強植物逆境下的生物修復能力。

針對干旱半干旱區(qū)露天礦排土場重構土壤結構差，土壤肥力低、植物組合單一、重建生態(tài)難、植被易于退化，排土場壓實作用對植物根系下扎困難等諸多問題，研究排土場土壤生物有機改良方法。近年來在生物修復過程發(fā)現80%以上植物根系侵染有菌根真菌，也發(fā)現傳統的非菌根植物如莎草科、十字花科、藜科等根系中也有大量深色有隔內生真菌(DSE)定殖根內，深入研究DSE與菌根真菌聯合生態(tài)修復技術體系成為生物修復的一個新的方向。不但要研究單一土壤微生物菌劑，也要注重微生物組合培養(yǎng)，及其DSE菌劑產品開發(fā)和不同菌劑組合培養(yǎng)基質的實施方法，以獲得良好的生態(tài)修復效果。通過實施接菌，提高植物的光合效率，增加植物干物質(圖5)，促進植物根系發(fā)育，增強植物的抗土壤壓實、養(yǎng)分貧瘠、干旱缺水及易鹽堿化等逆境的生理生化反應，使重構后的生態(tài)環(huán)境效果大大提高。

圖5 微生物DSE干菌劑產品開發(fā)及促生機理Fig.5 Product development of DSE Microbial inoculum and the mechanism of their promoting plant growth

(5)露天排土場土地資源綜合利用及生態(tài)重構關鍵技術，構建有機生物聯合重構的模式。

采用遙感影像與現場調研相結合的方法，通過分析露天排土場中不同充填排棄物種類、充填覆土工藝、土地利用類型等，實現對不同復墾年限排土場植物群落累年演變的有效監(jiān)測，對礦區(qū)重建人工生物功能結構優(yōu)化和礦區(qū)生態(tài)重構的景觀規(guī)劃設計。系統探索利用低成本、綠色環(huán)保的改良材料，結合機械松耕物理手段與有機改良生物方法，促進土壤結構的改良技術。例如，采用覆草或秸稈聯合接菌處理技術，改善土壤理化和生物性狀，促進干旱地區(qū)的土壤提質與作物生長。

篩選馴化出適合地區(qū)特色的抗旱、耐寒、耐貧瘠植物。探索立體種植方式以突破原有生態(tài)重構單一的模式。在空間上形成草、灌、喬相結合的混交配置，建立起科學的生態(tài)結構模式(圖6)，提高了土地利用效率及光、溫、水、養(yǎng)分的空間互補優(yōu)勢。形成不同種、不同組合類型的生物群落，增加礦區(qū)范圍內物種多樣性和生態(tài)多樣化。例如，準能礦區(qū)排土場，以“經濟林/中草藥、經濟林/農作物、生態(tài)林/草”3種立體組合，作為林藥間(套)作、農林復合、生態(tài)養(yǎng)地的最優(yōu)立體種植模式，其立體生態(tài)效應及改土效率最優(yōu)。優(yōu)選經濟合理、能促進地區(qū)經濟發(fā)展的立體種植模式，可實現干旱半干旱露天礦區(qū)生態(tài)、經濟與社會效益的高效性。

4 結 語

露天開采與井工礦開采對環(huán)境生態(tài)的損傷特點明顯不同，井工開采造成上覆地層產生裂隙、塌陷，井工開采沉陷地修復是原位修復與生態(tài)保護，而露天開采是對煤層上覆巖土層的整體剝離及搬運重新堆放過程，無序堆放結構在干旱半干旱露天礦區(qū)會加劇水土流失，土地生產力下降，植被生長更難。因此露天開采的生態(tài)修復實際上是生態(tài)環(huán)境因子的重構過程，包括土、水和植被的重構。它涉及礦區(qū)水資源的保護與利用、排土場土層結構重構與土壤改良、植物組合及生態(tài)系統重建與穩(wěn)定等，其難度更大！因此露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與修復必須探索新的思路和技術，促使西部干旱貧瘠土地得到高效利用，礦區(qū)生態(tài)系統得到有效恢復和健康發(fā)展，再造綠水青山的生態(tài)景觀，為西部干旱半干旱露天煤礦區(qū)生態(tài)重構探索出一條高效可行新途徑。