礦山周?chē)鷳B(tài)環(huán)境修復(fù)與治理研究

尚紅霞

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

煤炭主要用于發(fā)電、冶金作業(yè)、水泥和其他工業(yè)作業(yè)。燃煤發(fā)電廠的發(fā)電量占我國(guó)總發(fā)電量的70%以上。盡管煤礦開(kāi)采提供了就業(yè)、收入，并對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，但它也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。目前，我國(guó)等主要的煤炭生產(chǎn)國(guó)依賴(lài)于淺層煤，93%以上的煤是通過(guò)地表開(kāi)采方法產(chǎn)生的。地表采礦可能會(huì)引發(fā)一些環(huán)境問(wèn)題，如土地退化、森林砍伐和區(qū)域生物多樣性的喪失。我國(guó)大部分煤炭資源沉積在森林覆蓋和河流流域下。土地退化和森林砍伐是不可避免的，煤礦開(kāi)采還可導(dǎo)致大片貧瘠土地的形成。特定地區(qū)的采礦作業(yè)晝夜噪聲強(qiáng)度高，造成生物多樣性喪失，對(duì)附近社會(huì)造成干擾。同時(shí)來(lái)自礦區(qū)和煤炭?jī)?chǔ)量的高酸性徑流可能污染地下水，并可能對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。此外，我國(guó)地下煤礦火災(zāi)也通過(guò)排放有害氣體對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響。采礦活動(dòng)的累積影響引起了世界各地的關(guān)注，有必要對(duì)煤礦周邊生態(tài)環(huán)境修復(fù)保護(hù)與治理進(jìn)行研究，指引煤礦開(kāi)采朝向環(huán)保方向發(fā)展。

1 地表煤礦開(kāi)采破壞與植被特征

地表開(kāi)采方法被廣泛應(yīng)用于煤炭開(kāi)采，其效率很大程度上取決于給定煤層的深度，該方法可以回收地表多達(dá)90%的煤。大規(guī)模的煤炭地表開(kāi)采涉及面積巨大，需較多大型設(shè)施，如鏟車(chē)、自卸機(jī)、拖曳線和輸送機(jī)。在地表開(kāi)采過(guò)程中，清除整個(gè)植被覆蓋物，將土壤和底土分開(kāi)儲(chǔ)存。森林區(qū)域的表土、底土、煤層如圖1所示。

圖1 表層煤炭開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞示意Fig.1 Schematic diagram of environmental damage caused by surface coal mining

植被土壤的去除暴露了斷裂的煤層和使用開(kāi)采機(jī)械破壞的地表。在整個(gè)煤層被開(kāi)采出來(lái)之前，所有的植被土壤都被傾倒在開(kāi)采區(qū)域之外，通常稱(chēng)為外部?jī)A倒。一旦這些傾倒場(chǎng)不活動(dòng)，它們就會(huì)通過(guò)傾斜、棄渣堆的重新分級(jí)和表土覆蓋來(lái)穩(wěn)定[2]。周?chē)獠坷鴪?chǎng)的設(shè)計(jì)是技術(shù)復(fù)墾的另一個(gè)重要方面。其中包括定期研究坡度，以測(cè)量坡度的角度和穩(wěn)定性。

2 礦山修復(fù)工作程序及準(zhǔn)則

2.1 工作程序概述

當(dāng)?shù)乇聿傻V活動(dòng)在森林或河谷發(fā)生時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。在恢復(fù)過(guò)程開(kāi)始時(shí)，應(yīng)該考慮影響生態(tài)系統(tǒng)功能的因素。有幾個(gè)因素控制著退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，一些是自然的，另一些是人為的[3]。在進(jìn)行某個(gè)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境工作時(shí)，礦區(qū)環(huán)境保護(hù)研究的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 礦區(qū)環(huán)境保護(hù)研究的技術(shù)路線Fig.2 Technical route of mining area environmental protection research

(1)自然過(guò)程?；謴?fù)研究表明，有助于恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的自然過(guò)程應(yīng)該是首選的，因?yàn)樗鼈兪强沙掷m(xù)的、成本不高，而且可以在更大規(guī)模上應(yīng)用。自然演替過(guò)程表明，隨著時(shí)間的推移，自然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需援助的恢復(fù)，并形成發(fā)育充分功能的土壤。在實(shí)際項(xiàng)目中，不能完全依靠自然演替來(lái)播種理想的物種，消除不理想的物種并管理實(shí)踐。植物演替的自然過(guò)程需要時(shí)間。礦區(qū)土壤的大部分特征需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然過(guò)程才能形成，必須結(jié)合土壤管理工具，以加速礦區(qū)土壤的恢復(fù)[4]。

(2)物理和營(yíng)養(yǎng)限制。采出的覆巖廢棄物含有較大的碎石塊和煤矸石，密度較大，含水量較低，阻礙了植物物種的建立。因此，需要采取機(jī)械措施來(lái)降低土壤壓實(shí)度，提高礦區(qū)土壤的保水能力。礦區(qū)土壤沒(méi)有土壤層，缺乏土壤理化性質(zhì)和微生物活性，也缺乏結(jié)構(gòu)化的發(fā)展。土壤結(jié)構(gòu)是土壤功能和調(diào)節(jié)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素，它影響水分入滲、土壤侵蝕、養(yǎng)分循環(huán)、根系生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量。此外，不良的物理化學(xué)性質(zhì)、某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏和礦渣的毒性，抑制了土壤形成過(guò)程和植物生長(zhǎng)。鹽度、酸度、保水能力差和有機(jī)質(zhì)缺乏阻礙了自然演替的進(jìn)程。煤礦廢棄物的不利特性導(dǎo)致環(huán)境污染、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)及土地利用模式受擾。退化景觀中良好土壤結(jié)構(gòu)的形成可以通過(guò)添加有機(jī)質(zhì)來(lái)加速。礦區(qū)土壤的理化性質(zhì)是獨(dú)特的，不同于自然土壤。入滲率(IR)影響礦區(qū)土壤的含水量和地表徑流量[5]。礦區(qū)土壤由于其高容重和低孔隙度，紅外線通常較低。

(3)物種多樣性。物種組成是決定生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)軌跡的重要因素。外來(lái)物種被用來(lái)恢復(fù)退化的土地。盡管它們生長(zhǎng)迅速，能夠迅速適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件，但它們可能不像本土物種那樣發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)功能。在開(kāi)墾階段，一些本土物種被自然聚集，增加了生物多樣性和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的功能。樹(shù)木可以通過(guò)有機(jī)物的積累、根際生長(zhǎng)和改善土壤生物活性等過(guò)程，建立一個(gè)可持續(xù)的生物網(wǎng)絡(luò)[6]。植樹(shù)加速了礦區(qū)廢棄物的土壤重新開(kāi)發(fā)。土壤微生物群落也對(duì)土壤功能有重大影響，對(duì)于啟動(dòng)恢復(fù)過(guò)程(如凋落物分解)至關(guān)重要。

2.2 修復(fù)成功的準(zhǔn)則

相關(guān)研究評(píng)估了煤礦山恢復(fù)成功的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，通常的結(jié)論是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和土壤功能的發(fā)展可以很容易在不同階段的恢復(fù)地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。

(1)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。植物生長(zhǎng)、物種組成和多樣性是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所依賴(lài)的最關(guān)鍵因素。新開(kāi)發(fā)場(chǎng)地的物種組成應(yīng)該是什么樣的，生態(tài)系統(tǒng)之間的相似性是什么？這取決于生態(tài)系統(tǒng)的類(lèi)型，并且在不同的生態(tài)系統(tǒng)之間可能會(huì)有所不同。新舊生態(tài)系統(tǒng)之間的物種相似度將達(dá)到90%?？赏ㄟ^(guò)圖3所示的植被栽種方案進(jìn)行實(shí)施。

圖3 經(jīng)濟(jì)林植被設(shè)計(jì)示意Fig.3 Sketch map of economic forest vegetation design

(2)土壤功能。土壤是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，結(jié)合了非生物和生物因素之間的相互作用。非生物因素(如風(fēng)化、淋溶、凍結(jié)、解凍、濕潤(rùn)和干燥[8])以及生物過(guò)程(如能量的捕獲、植物有機(jī)物質(zhì)積累和微生物分解)加速了土壤的發(fā)育過(guò)程。土壤結(jié)構(gòu)和功能通過(guò)支持生物量生產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)以及調(diào)節(jié)環(huán)境相互作用來(lái)支配自我維持的生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。開(kāi)采后土地的不利土壤條件損害了土壤的物理和生化特性。為了抵消采礦對(duì)土壤的影響，使用了土壤改良劑，如生物炭、粉煤灰和堆肥。分解物的快速回收可以通過(guò)添加有機(jī)覆蓋物和表層土壤以及實(shí)施植樹(shù)造林來(lái)實(shí)現(xiàn)，土壤覆膜保護(hù)與防沙處理如圖4所示。

圖4 土壤表面的覆膜處理示意Fig.4 Schematic diagram of mulching treatment on soil surface

(3)時(shí)間限制。當(dāng)設(shè)定恢復(fù)目標(biāo)時(shí)，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所需的時(shí)間不容易確定。生態(tài)系統(tǒng)屬性的恢復(fù)取決于地質(zhì)氣候條件、植物種類(lèi)、礦區(qū)廢棄物的性質(zhì)、后處理和維護(hù)以及人為活動(dòng)的干擾程度。礦山退化地點(diǎn)的生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生自然演替過(guò)程，導(dǎo)致森林茂密。所有的植被類(lèi)型都是在開(kāi)墾的初始階段建立起來(lái)的(在樹(shù)木行之間播種草和種子)。隨著時(shí)間的推移，草和豆科植物的覆蓋提高了快速生長(zhǎng)的樹(shù)木和多用途樹(shù)木的有機(jī)質(zhì)和氮的產(chǎn)量，這些樹(shù)木逐漸成長(zhǎng)并發(fā)展為森林。

3 礦山生態(tài)修復(fù)方法探討

3.1 林業(yè)復(fù)墾方法

相關(guān)研究過(guò)程始終強(qiáng)調(diào)了礦山復(fù)墾的經(jīng)濟(jì)視角，以及森林的產(chǎn)生、生物多樣性和其他重要的環(huán)境視角。在快速栽培方法下快速生長(zhǎng)的天然森林和再生礦場(chǎng)的典型視圖如圖5所示。包括礦山復(fù)墾的技術(shù)和生物方面，主要包括[9]：①通過(guò)中和高酸性或堿性土壤，創(chuàng)造一個(gè)適合樹(shù)木生長(zhǎng)的介質(zhì)；②通過(guò)適當(dāng)調(diào)整變質(zhì)材料，保障地面不被壓實(shí)；③管理與樹(shù)木生長(zhǎng)相容的適當(dāng)?shù)孛娓采w條件；④創(chuàng)建多用途樹(shù)木的種植園，包括本地物種、木材物種和灌木，以改善土壤性質(zhì)；⑤使用適當(dāng)?shù)臉?shù)木播種技術(shù)種植策略，保證幼苗存活率。

圖5 礦場(chǎng)周邊林業(yè)復(fù)種示意Fig.5 Schematic diagram of forestry multiplecropping around mine

3.2 使用草混合物、毛墊覆蓋方法

使用草混合物修復(fù)煤礦傾倒場(chǎng)的方法得到了廣泛認(rèn)可與接受。在傾倒場(chǎng)開(kāi)發(fā)草蓋，為傾倒邊坡提供了穩(wěn)定性，干燥后作為覆蓋材料提高土壤肥力。草—豆科植物的混合物有可能積累有機(jī)物并固定大氣中的氮，從而增加微生物活性和礦山土壤肥力。隨著時(shí)間的推移，根系的生長(zhǎng)降低了體積密度，增加了土壤孔隙度，加速了土壤物理?xiàng)l件的恢復(fù)。

生長(zhǎng)在煤礦傾倒場(chǎng)斜坡上的草—豆科植物混合物如圖6所示。在我國(guó)氣候條件下，一些廣泛用于恢復(fù)礦山退化土地的草和豆科植物有：馬尾草、山楂、檸檬草、花椒和木槿。土工織物可用于邊坡穩(wěn)定、植被管理和人為侵蝕控制受干擾土地。

圖6 草類(lèi)覆蓋物對(duì)于邊坡的生態(tài)修復(fù)示意Fig.6 Schematic diagram of ecological restoration of grass mulch on slope

煤礦傾倒場(chǎng)由于高度和連續(xù)傾倒而高度不穩(wěn)定，增加了草豆材料和土壤損失的概率。使用合適的傾倒場(chǎng)土工布?jí)|，有可能減少土壤侵蝕，特別是在斜坡上的土壤侵蝕來(lái)促進(jìn)土壤保護(hù)。同樣，覆蓋物也可以用于保持土壤水分，調(diào)節(jié)土壤溫度，并向傾倒表面提供有機(jī)物。國(guó)內(nèi)部分礦場(chǎng)在赤土上鋪合成土工布?jí)|[10]，1年后發(fā)現(xiàn)土壤飛濺高度降低51%，飛濺侵蝕降低90%。

3.3 菌根定殖技術(shù)的應(yīng)用

礦屑往往缺乏土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，影響了植被覆蓋層的建立。這些廢料的生物回收旨在恢復(fù)微生物群落，并幫助繼續(xù)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，以發(fā)展一個(gè)自我驅(qū)動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)。真菌菌根因其在植物和微生物間的生物相互作用而受到廣泛關(guān)注。真菌和其寄主植物存在共生關(guān)系，真菌為植物提供營(yíng)養(yǎng)和水，反過(guò)來(lái)又從植物中獲得碳水化合物。叢枝菌絲真菌與許多菌絲宿主營(yíng)養(yǎng)交換，也提供宿主植物抵御許多病原體的保護(hù)。真菌很容易吸收植物生長(zhǎng)所必需的磷和氮等元素。

通過(guò)菌根定殖對(duì)玉米對(duì)采礦影響土壤的研究，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照土壤相比，脫氫酶活性和葉綠素含量分別增加了40%和10%。同樣，研究了叢枝菌根真菌對(duì)pH值的影響，土壤pH值酸性含量增加80%，脫氫酶活性增加30%。另一項(xiàng)對(duì)煤礦區(qū)的研究表明，干旱增加了菌根定殖率，降低了植物干重、養(yǎng)分含量、水分利用效率和復(fù)水化率。真菌孢子密度的差異可能與植物的特性和根際條件有關(guān)。真菌與植物根系的聯(lián)系對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要，也有助于在礦井傾倒區(qū)建立自我維持生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。菌根關(guān)聯(lián)可通過(guò)提高植物的耐旱能力和磷的利用率來(lái)提高礦場(chǎng)的生產(chǎn)力。各種環(huán)境和土壤特性，如pH值、有機(jī)物、水分、溫度和植物年齡，影響了真菌在根際的定殖。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注意到具有菌根感染的寄主植物適合于降解位點(diǎn)的生物回收。

4 環(huán)境治理工程探討

4.1 地面塌陷的治理工程

地面塌陷治理主要是針對(duì)地面塌陷坑和地表裂縫等進(jìn)行充填、碾壓、平整、 覆土、綠化[11]。

目前，我國(guó)最常用的治理塌陷的方法包括： ①充填復(fù)墾法。礦山開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)形成大量的廢石棄渣等，將其作為主要的充填材料，對(duì)地表采空塌陷進(jìn)行充填。該方法不但對(duì)塌陷區(qū)的復(fù)墾及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)等問(wèn)題做出了處置，而且還處理了礦山廢棄物的堆積問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)目前最常用的治理方法。 ②壓力注漿法。當(dāng)發(fā)生地面沉降或地面塌陷以后，利用人工或機(jī)械的方式，將水泥砂漿灌入塌陷體之中，或者先進(jìn)行回填然后再進(jìn)行灌漿，用來(lái)改變圍巖巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而防止沉降或塌陷的進(jìn)一步惡化。 ③地下采空區(qū)充填法。通常是從開(kāi)采的技術(shù)方法以及采礦工藝等多方面，對(duì)地面塌陷進(jìn)行災(zāi)害的預(yù)防，充填采礦法主要包括了一邊開(kāi)采、一邊充填以及先開(kāi)采然后再集中進(jìn)行充填2種方法。

地面塌陷治理工程方案如圖7所示。

圖7 地面塌陷治理工程方案示意Fig.7 Schematic diagram of the groundcollapse treatment project

4.2 礦井周?chē)刭|(zhì)資源治理工程

礦井周?chē)刭|(zhì)資源治理工程主要包括：①拆除。將建筑物拆除后的建筑材料和垃圾清理，并運(yùn)至塌陷坑進(jìn)行回填。未使用完的廢棄物可用以鋪墊礦區(qū)公路。建筑物拆除后，應(yīng)將地面推平至原始狀態(tài)。 ②覆土?？紤]到礦區(qū)大多數(shù)屬于丘陵地貌，地表熟化土層較寶貴，所以在工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)期間，應(yīng)注意保護(hù)地表熟化土層，地表熟化土層要單獨(dú)剝離存放，有計(jì)劃地直接用于工業(yè)場(chǎng)地治理覆土，解決了覆土的來(lái)源問(wèn)題，節(jié)約了治理費(fèi)用。覆土厚度不小于30 cm，覆土后用人工或機(jī)械方法進(jìn)行整平(圖8)。③植被恢復(fù)。根據(jù)礦山區(qū)域內(nèi)植被類(lèi)型，在適宜季節(jié)播撒草籽恢復(fù)植被，選擇當(dāng)?shù)剡m生的植被種類(lèi)。植被選取應(yīng)該盡量與區(qū)域內(nèi)原生的植物相一致。④井口封閉。對(duì)采礦工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)三眼井進(jìn)行封閉。

圖8 充填覆土施工示意Fig.8 Schematic diagram of filling and covering soil construction

4.3 修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和事后治理工程

對(duì)于采礦后土地和利益相關(guān)者來(lái)說(shuō)，建立土地管理者、生態(tài)恢復(fù)管理方和植被覆蓋施工方是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。當(dāng)在棄土表面進(jìn)行播種或種植時(shí)，無(wú)論是否應(yīng)用表土，都需要進(jìn)一步注意建立植物物種，并確保所需的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。不利的土壤條件，如極低的土壤濕度和高度壓實(shí)的土壤表面，限制了種子的萌發(fā)和植物根系的發(fā)育。因此，持續(xù)監(jiān)測(cè)各種限制參數(shù)和各種修正方案的應(yīng)用對(duì)于支持植被生長(zhǎng)至關(guān)重要，后期護(hù)理需要在最初種植后2～5年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。

礦區(qū)場(chǎng)地后期處理的主要目標(biāo)是確保在廢棄場(chǎng)地建立植物，管理更好的植物—土壤關(guān)系，從而再生自然生態(tài)系統(tǒng)的屬性。

在植被開(kāi)發(fā)過(guò)程中監(jiān)測(cè)場(chǎng)地特征對(duì)于確定恢復(fù)措施的成功至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)包括土壤物理化學(xué)和生物特性、植物多樣性、土壤改良的影響、生物量生產(chǎn)、凋落物、土壤健康、養(yǎng)分循環(huán)、適當(dāng)管理、控制侵蝕、排水和進(jìn)一步的人為干擾。殖民化入侵物種也應(yīng)該被監(jiān)測(cè)，因?yàn)樗鼤?huì)影響其他種植物種的生長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦周?chē)嘶恋氐纳鷳B(tài)恢復(fù)對(duì)于抵消土地利用變化的負(fù)面影響至關(guān)重要。采礦嚴(yán)重改變了場(chǎng)地特征，導(dǎo)致生物多樣性的喪失、土壤侵蝕和土地退化。另一方面，生態(tài)恢復(fù)可以恢復(fù)礦山土壤質(zhì)量，建立植物—土壤關(guān)系，有利于利益相關(guān)者和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。對(duì)采礦后場(chǎng)地的適當(dāng)管理需要適宜技術(shù)和生物復(fù)墾以及持續(xù)的監(jiān)測(cè)和護(hù)理，直到建立一個(gè)可以維持的生態(tài)系統(tǒng)。森林復(fù)墾方法可以成為恢復(fù)采礦后地點(diǎn)的可行形式，但是，它可能取決于預(yù)期的土地用途。土壤改良劑，如表層土、生物炭、化學(xué)和生物肥料、覆蓋和草豆混合物播種，已被證明是成功的礦山恢復(fù)工具。雖然科學(xué)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)被廣泛用于評(píng)估廢棄場(chǎng)地的恢復(fù)情況，但迫切需要一個(gè)全球土壤質(zhì)量指標(biāo)來(lái)確定恢復(fù)情況的成功程度。一個(gè)成功的恢復(fù)項(xiàng)目應(yīng)包括生態(tài)功能、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、文化和傳統(tǒng)接受，以及一個(gè)自我維持的生態(tài)系統(tǒng)。