高原高寒木里礦區(qū)生態(tài)治理中土壤重構(gòu)治理效果研究

劉 帥，熊 濤，孫 浩，李永軍，梁俊安，辛素偉，李 津，趙競賽，

郭 鵬，高 超，胡 航，辛 順

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100049)

0 引言

木里煤田位于祁連山南麓，屬于黃河一級支流大通河源頭濕地生態(tài)區(qū)，是黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)地區(qū)[1-2]。加強(qiáng)對木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治，有利于保護(hù)祁連山地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)、生物物種及其遺傳多樣性，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

1 木里礦區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

木里煤田形成于中生代的凹陷性含煤沉積盆地，為一復(fù)式向斜構(gòu)造，南西部為侏羅紀(jì)泥頁巖。其中聚乎更礦區(qū)的西南部發(fā)育傾向南西的單斜構(gòu)造，淺層傾角為35°～45°，深層變緩，傾角為5°～20°。地層出露上三疊統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)、第四系，含煤地層分布在侏羅系。上三疊統(tǒng)主要發(fā)育尕勒得寺組(T3g)，與中侏羅統(tǒng)含煤地層呈平行不整合接觸，在礦區(qū)的南北兩側(cè)均有分布；主要發(fā)育中細(xì)?；揖G色砂巖、粉砂巖與泥巖互層，局部夾煤層。中侏羅統(tǒng)木里組，分為四個(gè)巖性段，砂礫巖段、下含煤段、上含煤段、泥巖段。

1.2 自然條件

木里煤田地處海拔4 030～4 300m，氣候寒冷，晝夜溫差較大，最低氣溫-35.6℃，最高氣溫19.38℃，屬于典型的高原大陸性氣候，礦區(qū)的主要的植被類型為高寒沼澤類，常常與高寒草甸類交錯(cuò)生長；土壤類型以高山草甸土、沼澤草甸土為主，自然土壤層厚度>50cm；地表水系有大通河、哆嗦河、哆嗦貢瑪河，水質(zhì)礦化度0.13～0.47g/L。

1.3 礦區(qū)修復(fù)情況

2014年8—12月，青海省對礦區(qū)制定具體可行的實(shí)施方案，迅速開展了礦區(qū)綜合整治工作，確保礦區(qū)生態(tài)環(huán)境初步改善；2015—2016年，加快落實(shí)河道疏浚、水系暢通等工作，盡最大努力恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境根本改善，礦區(qū)生產(chǎn)秩序明顯好轉(zhuǎn)。2017—2018年，在前期生態(tài)環(huán)境綜合整治的基礎(chǔ)上，做好已整治區(qū)域管理和養(yǎng)護(hù)。前期的生態(tài)治理雖有成效，但由于青海省聚乎更及哆嗦貢瑪?shù)V區(qū)具備獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，海拔高，空氣稀薄，氣候寒冷、干旱，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，并且經(jīng)過多年的露天開采，礦區(qū)內(nèi)土壤層被大規(guī)模剝離，對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)擾動劇烈，失去了土壤原有的功能，其生態(tài)功能仍需進(jìn)一步的提高，仍需繼續(xù)開展生態(tài)治理工作。

2 主要地質(zhì)環(huán)境問題

通過對治理區(qū)土壤基質(zhì)野外調(diào)查，現(xiàn)階段面臨的主要地質(zhì)環(huán)境問題簡要概況如下。

1)復(fù)綠區(qū)域內(nèi)石塊較多、地表土不足。礦區(qū)內(nèi)按照地貌類型分為渣山邊坡平面、渣山平面、渣山坡面、道路生活區(qū)。其中渣山邊坡平面部分區(qū)域?yàn)轫搸r、粉砂巖的堆積體，石塊占比超過50%；部分區(qū)域?yàn)榘咨写至７凵皫r碎塊，石塊粒徑10～15cm，占比超過50%。渣山平面部分區(qū)域含石率較小，部分區(qū)域?yàn)轫搸r、粉砂巖的堆積體，部分區(qū)域?yàn)榘咨写至Ｉ皫r。渣山坡面部分區(qū)域?yàn)榈谒南灯路e物、砂巖、頁巖的混合物；部分區(qū)域?yàn)榉凵皫r、頁巖碎塊混合物，石塊占比超過50%；部分區(qū)域?yàn)榘咨写至７凵皫r碎塊，石塊粒徑10～15cm，占比超過50%。道路的主成分是砂巖、頁巖碎塊的混合物，砂巖占比超過50%。生活區(qū)主要為第四系坡積物腐殖土，伴有頁巖、砂巖碎塊。

2)土壤板結(jié)，土壤成分不適宜植物生長。地形修復(fù)雖將現(xiàn)有地貌與周圍相協(xié)調(diào)，但土石方開挖與回填破壞了原有土壤的團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)及土壤成分，短時(shí)間難以恢復(fù)。通過對區(qū)內(nèi)渣石含量較少的土源地進(jìn)行取樣分析顯示治理區(qū)內(nèi)適宜撿石渣土改良成為土壤基質(zhì)(覆土)的渣土pH值在8.22～8.76，全氮含量0.062%～0.29%、全鉀21.2～24.8g/kg、全磷0.625～0.764g/kg、有機(jī)質(zhì)1.27%～15.9%、速效氮30.97～96.56mg/kg，速效磷2.300～5.523mg/kg，速效鉀61.5～121mg/kg、pH 值為7.35～7.59。三江源地區(qū)未退化草地區(qū)(0～10cm深度)全氮含量4.5～5.0g/kg、全鉀含量18～18.4g/kg、全磷含量0.76～0.78g/kg、有機(jī)碳含量60～70g/kg、pH值為8.12左右[3]；速效氮600mg/kg、速效鉀200mg/kg[4]。研究區(qū)內(nèi)全氮含量含量、全磷含量、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有機(jī)質(zhì)低于標(biāo)準(zhǔn)值下限，有機(jī)碳含量大部分高于標(biāo)準(zhǔn)值(考慮渣土主要來源于含有機(jī)質(zhì)較高的泥巖、炭質(zhì)泥巖風(fēng)化產(chǎn)物)，pH值為弱堿性，高于標(biāo)準(zhǔn)值上限符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 土壤重構(gòu)方法

利用無人機(jī)航拍形各礦井的高清影像圖，并利用ArcGIS軟件勾繪圖斑，以圖斑為單位，規(guī)格為1m×1m，實(shí)地調(diào)查礫石含量、土壤質(zhì)地等各方面因子變化，并在研究區(qū)內(nèi)土源地進(jìn)行土壤取樣，另外對經(jīng)過土壤重構(gòu)后的混合土樣進(jìn)行取樣化驗(yàn)[5-7]。植物樣方調(diào)查指標(biāo)主要包括：植被物種覆蓋度、植物出株數(shù)、地上生物量測定；土壤樣品理化性質(zhì)測定指標(biāo)主要包括：pH值、有機(jī)碳、全氮、磷，速效氮、磷、鉀等[8-13]。

翻耕型地區(qū)多為礦山道路，渣山平臺基質(zhì)土含量較多的位置，使用挖掘機(jī)進(jìn)行翻耕，深度為50cm，通過機(jī)械撿拾篩分，將大于5cm的塊石直接壓埋于25cm深度之下，剩余小于5cm的細(xì)顆粒渣土覆于其上，形成厚度為25cm土壤基質(zhì)層，使之達(dá)到可通過施肥進(jìn)行土壤改造的條件。對于坡地機(jī)械翻耕和人工撿拾相結(jié)合的方法，將翻耕出的大于5cm的塊石集中在坡底，清運(yùn)掩埋或在平臺上挖坑掩埋(圖1)。

圖1 土壤重構(gòu)技術(shù)路線Figure 1 Technical roadmap of soil reconfiguration

覆土型區(qū)域采用挖掘機(jī)挖掘采土→運(yùn)輸→覆土→晾曬→撿石工藝，形成25cm土壤基質(zhì)層(覆土層)，達(dá)到通過施肥進(jìn)行土壤改造的條件。

坡面主要采取人工或機(jī)械的方式將撿拾以后剝離出來的渣土整平，將33m3羊板糞(有機(jī)質(zhì)含量大于30%，雜質(zhì)小于10%，水分小于40%，無較大的石塊)均勻鋪設(shè)后采用機(jī)械或人工淺耕5cm，以達(dá)到渣土和羊板糞充分混合形成重構(gòu)土。重構(gòu)土混合后將有機(jī)肥2 000kg/畝(1畝=666.67m2，下同)均勻鋪設(shè)至表面，形成種草復(fù)綠面，再淺翻5cm。

平面采取人工或機(jī)械的方式將撿拾以后剝離出來的渣土整平，厚度25cm，將5cm(30m3/畝)羊板糞(有機(jī)質(zhì)含量大于30%，雜質(zhì)小于10%，水分小于40%，無較大的石塊)均勻鋪設(shè)后采用機(jī)械或人工淺耕10～20cm，以達(dá)到渣土和羊板糞充分混合形成重構(gòu)土。重構(gòu)土混合后將有機(jī)肥1 500kg/畝均勻鋪設(shè)至表面，形成種草復(fù)綠面再淺翻5cm。

4 治理效果分析

4.1 土壤重構(gòu)后土壤組分含量變化特征

許多研究表明土壤可作為植物生長的基質(zhì)和物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠提供必要的支撐及水分、養(yǎng)分[14-15],因此土壤重構(gòu)部分成為覆土種草工作的重中之重[16-17]。

礦山修復(fù)環(huán)境下，土壤重構(gòu)的組分由基質(zhì)土、泥巖及石礫三者組成。圖2展示了土壤重構(gòu)前后的組分變化，研究區(qū)治理前石礫含量10%～80%，基質(zhì)土含量0～90%，泥巖含量0～70%，治理后石礫含量0～50%，基質(zhì)土含量32%～100%，泥巖含量0～63%，可見土壤改良之前石礫、泥巖含量較高，可支撐植被生長的基質(zhì)土較少，相對比而言土壤改良之后土壤石礫、泥巖含量顯著降低，基質(zhì)土的含量明顯增加。

圖2 土壤組分含量變化特征Figure 2 Soil constituent content variation features

4.2 土壤重構(gòu)后土壤成分指標(biāo)含量變化特征

對研究區(qū)土源地和土壤重構(gòu)后的土壤進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析(表1)。與土壤重構(gòu)前土壤成分指標(biāo)相比，重構(gòu)后的土壤成分指標(biāo)均有所變化，土壤重構(gòu)后的酸堿度降低至中性，氮磷鉀以及有機(jī)質(zhì)均顯著提高。其中土壤重構(gòu)前pH值為8.22～8.76，有機(jī)質(zhì)含量1.27%～15.9 %，全氮含量0.062～0.29g/kg，全磷含量 0.625～0.764 g/kg，全鉀含量21.2～24.8 g/kg，速效氮含量30.97～96.56 g/kg，速效磷含量2.3～5.523 g/kg，速效鉀含量61.5～121 g/kg；土壤重構(gòu)后pH值降低至7.07～8.15，有機(jī)質(zhì)含量提升至5.72%～15.64%，全氮含量提升至4 730～7 971 g/kg，全磷含量提升至0.819～1.369 g/kg，全鉀含量提升至18.7～22.6 g/kg，速效氮含量提升至281.86～714.05g/kg，速效磷含量提升至58.767～158.44 g/kg，速效鉀含量提升至728～2 684g/kg。

表1 土壤重構(gòu)后土壤成分指標(biāo)含量

4.3 土壤重構(gòu)后出株數(shù)及覆蓋度

對研究區(qū)的出苗度及覆蓋度進(jìn)行1m×1m現(xiàn)場隨機(jī)抽樣。土壤重構(gòu)后的出株數(shù)集中在15 000株，最低值為7 686株，最高值為42 026株；植被覆蓋度為90%，覆蓋度最低值68%，最高值100%。

5 討論

在高原高寒生態(tài)破壞區(qū)，因煤礦開采造成原位表層土壤理化性質(zhì)遭到嚴(yán)重破壞，地表裸露，礦區(qū)土壤質(zhì)量極差，缺乏植物正常生長發(fā)育所需的土壤層，因此土壤質(zhì)量的提高是恢復(fù)礦山生態(tài)系統(tǒng)功能的重要途徑，翻耕型土壤重構(gòu)區(qū)采取挖掘機(jī)翻耕→撿石→基質(zhì)土拌和→有機(jī)肥拌和等工藝，形成30cm土壤基質(zhì)層(覆土層)；覆土型土壤重構(gòu)區(qū)通過采取挖掘采土→運(yùn)輸→覆土→晾曬→撿石→基質(zhì)土拌和→有機(jī)肥拌和等工藝進(jìn)行土壤重構(gòu)，形成30cm土壤基質(zhì)層(覆土層)，能夠降低治理區(qū)的含石率，基質(zhì)土的添加提高了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)，有機(jī)肥的添加提高了土壤中有機(jī)質(zhì)及速效氮磷鉀的含量，在較長一段時(shí)間內(nèi)可以為人工植被群落提供充足的養(yǎng)料，為人工植被群落向自然群落轉(zhuǎn)換提供能量。

有機(jī)質(zhì)含量作為評價(jià)治理區(qū)土壤重構(gòu)成功與否的重要指標(biāo)之一，通過每年的枯萎植物葉片不斷積累與分解，人造基質(zhì)土中的有機(jī)物含量將在微生物的分解作用下轉(zhuǎn)換為牧草生長的有機(jī)質(zhì)；同時(shí)土壤重構(gòu)中有機(jī)肥拌和的措施也提高了土壤中植物所需的必要生長元素氮磷鉀，為當(dāng)年植被生長提供了有效營養(yǎng)分，特別是土壤中的速效氮磷鉀成分，對提升土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)方面有巨大的作用，但有機(jī)肥+基質(zhì)土+牧草專用肥三者拌和的肥力持續(xù)性還有待進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)論

1)高原高寒生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤重構(gòu)的限制性因素包括含石率較高、土壤板結(jié)、地表土不足、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差四個(gè)主要問題。

2)確定了高原高寒地區(qū)生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤重構(gòu)技術(shù)參數(shù)，提出了渣土改良由顆粒狀的渣土、粉末狀的基質(zhì)土及提升肥力的有機(jī)肥為三要素的土壤重構(gòu)方案。

3)經(jīng)過渣土改良，對復(fù)綠范圍內(nèi)翻耕區(qū)及覆土區(qū)機(jī)械撿拾篩分，含石率明顯下降，有效改善了土壤物理性狀，土壤重構(gòu)取得一定成效。

4)渣土+基質(zhì)土+有機(jī)肥+牧草專用肥充分混合，提高了土壤各項(xiàng)指標(biāo)含量，取得較好的復(fù)綠效果，生態(tài)服務(wù)功能顯著提升，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)向正向演替發(fā)展同時(shí)為高原高寒生態(tài)破壞區(qū)土壤重構(gòu)提供了研究實(shí)例。

致謝：衷心感謝青海省木里礦區(qū)生態(tài)治理項(xiàng)目技術(shù)總負(fù)責(zé)王佟教授級高級工程師對本文的悉心指導(dǎo)和幫助，感謝木里項(xiàng)目組成員對本文相關(guān)研究的支持！