露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

周國馳，楊 卓，康亞華

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽，110015；2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 通遼，029100）

露天煤礦開采形成的排土場等廢棄地是一類特殊的受損生態(tài)系統(tǒng)，且受損程度已超過了生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力承受限值，必須采取人為干預(yù)或輔助使其結(jié)構(gòu)和功能逐漸恢復(fù)完善而達(dá)到一種新的平衡。在科學(xué)進(jìn)行土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)過程中，應(yīng)以演替理論、限制因子理論、生態(tài)適應(yīng)性理論、景觀生態(tài)學(xué)理論、種群密度制約原理、生物與環(huán)境的協(xié)同進(jìn)化原理等生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合土壤改良技術(shù)、水土保持技術(shù)、土壤種子庫技術(shù)、景觀生態(tài)恢復(fù)技術(shù)以及生態(tài)監(jiān)測等技術(shù)恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天煤礦受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)工作。

露天煤礦在進(jìn)行土地復(fù)墾工作時(shí)應(yīng)當(dāng)持有生態(tài)學(xué)視角，以待復(fù)墾礦區(qū)植被復(fù)原與地域生物多樣性保護(hù)為目標(biāo)，利用生物工程恢復(fù)礦區(qū)受損的生態(tài)格局，以采礦剝離物為基質(zhì)配制重構(gòu)土壤，因地制宜進(jìn)行土壤改良，恢復(fù)土壤功能促進(jìn)植物生長，同時(shí)，在土地復(fù)墾中更強(qiáng)調(diào)土壤功能的提高與生態(tài)功能的恢復(fù)，注重景觀優(yōu)化、人與自然的和諧發(fā)展等問題。

1 土地復(fù)墾與生態(tài)學(xué)理論

1.1 植被演替理論

所有生態(tài)系統(tǒng)的重建與恢復(fù)都是以植物恢復(fù)為基礎(chǔ)，植被演替理論作為露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的重要理論成為專家學(xué)者研究的重點(diǎn)[1]。土地復(fù)墾實(shí)質(zhì)是經(jīng)過先鋒物種入侵、定居和競爭3 個(gè)階段，最終形成植物群落中群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)穩(wěn)定動態(tài)變化的過程。在露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建的初期，植物群落處于演替的前期，常常以抗逆性強(qiáng)的豆科、禾本科等草本植物作先鋒種，隨著演替的進(jìn)行，物種多樣性與植被覆蓋度開始提高，灌木與喬木開始出現(xiàn)。植物群落的演替受到土壤養(yǎng)分、土壤水分、土壤物理性狀等多種土壤微生態(tài)環(huán)境因子的影響[2]，引入外來種會減緩生態(tài)演替的進(jìn)程，補(bǔ)植建群種則能加速演替的進(jìn)程，在植被恢復(fù)演替過程中，土壤水分是制約生態(tài)修復(fù)過程中植物多樣性變化的重要因素[3]。在土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)過程中，自然恢復(fù)群落的物種多樣性高于人工恢復(fù)，從較長的時(shí)間尺度分析，自然恢復(fù)效果優(yōu)于人工恢復(fù)，但通過自然恢復(fù)實(shí)現(xiàn)露天煤礦生態(tài)重建所需時(shí)間較長。綠色礦山建設(shè)需要深入研究露天煤礦待復(fù)墾土地植被結(jié)構(gòu)特征與演替方式，采用最佳人工修復(fù)措施，開展露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作。

1.2 限制因子理論

限制因子理論是生態(tài)學(xué)理論的核心，生物的生長與發(fā)育取決于其所處的多種生態(tài)因子的綜合。在露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建過程中，采礦剝離物的種類、堆砌時(shí)間、坡度坡向、改良措施以及陽光水分均可以成為限制因子，影響露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的效果。在土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、土壤pH、土壤鹽含量等諸多土地復(fù)墾過程中植物生長的重要限制因子中[4]，影響最大的因子為土壤有效深度，其次是有機(jī)質(zhì)含量[5]。MARTINEZ-RUIZ 等[6]的研究認(rèn)為，鈾礦廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中，土壤質(zhì)地和場地坡度坡向是植被恢復(fù)過程中的限制因子。郭逍宇等研究發(fā)現(xiàn)，煤礦廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中，光照和水分是群落優(yōu)勢種生態(tài)梯度變化的重要限制因子[7]。

1.3 生態(tài)適應(yīng)性理論

生態(tài)位是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)中的重要概念，群落的建群種與優(yōu)勢種在很大程度上直接影響了群落的穩(wěn)定性。在土地復(fù)墾過程中，想要重建1 個(gè)結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定的群落，必須參考當(dāng)?shù)仨敿壢郝涞奈锓N的生態(tài)位及物種的重要值，合理配置適應(yīng)能力強(qiáng)的植物。目前露天煤礦土地復(fù)墾過程中，常用的先鋒種為適生性較強(qiáng)的禾本科、豆科、菊科等草本植物及部分灌木，這些植物具有較強(qiáng)的耐受性，對改善待復(fù)墾土壤微生態(tài)具有顯著效果，其中以具有莖瘤和根瘤的豆科植物是最為理想的先鋒種。在廢棄礦山的酸性土壤中，種植鄉(xiāng)土豆科植物植被成活率明顯提高[8]。

1.4 景觀生態(tài)學(xué)理論

景觀恢復(fù)作為露天煤礦生態(tài)修復(fù)過程中的重點(diǎn)工作，也是最見效果的環(huán)節(jié)，因此在土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)過程中，遵循景觀生態(tài)學(xué)原理至關(guān)重要。尊重地形、維持場地完整性是景觀生態(tài)學(xué)所遵循的原理之一，以澳大利亞露天煤礦生態(tài)修復(fù)為例，以近自然地貌和自然景觀重塑作為重點(diǎn)工作，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是地形的異質(zhì)性的提高[9]。成層結(jié)構(gòu)可以有效提高植物對環(huán)境資源的利用能力，在土地復(fù)墾過程中，應(yīng)充分考慮群落的垂直結(jié)構(gòu)，依據(jù)“近自然群落”理論，在選擇植物種類時(shí)應(yīng)參考頂級群落的物種組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成一個(gè)合理的喬-灌-草混合搭配的多層次群落結(jié)構(gòu)。

2 土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

2.1 土壤改良技術(shù)

良好的立地條件是植物健康生長、群落穩(wěn)定的基礎(chǔ)，土壤改良技術(shù)的應(yīng)用在露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建中至關(guān)重要。土壤改良技術(shù)包括物理改良技術(shù)、化學(xué)改良技術(shù)以及生物改良技術(shù)。

1）物理改良技術(shù)?？屯潦亲钣行У奈锢砀牧技夹g(shù)之一。在露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)用中，采礦前先將耕層土壤分層取走、單獨(dú)保存，或直接運(yùn)至帶復(fù)墾地塊，混合采礦剝離物方式來進(jìn)行土壤改良，并通過深翻、旋耕能農(nóng)業(yè)措施，提高土壤透水透氣能力、改善土壤結(jié)構(gòu)。

2）化學(xué)改良技術(shù)?；瘜W(xué)改良是指向土壤中施入化學(xué)試劑、肥料等化學(xué)物質(zhì)來改善土壤條件。實(shí)踐表明，向露天煤礦待復(fù)墾土壤中加入腐熟糞肥、秸稈、無污染的有機(jī)污泥可以有效提高土壤養(yǎng)分含量。露天煤礦待復(fù)墾土壤常屬堿性土壤，采用硫酸氫鹽、FeSO4、磷肥等可以有效降低土壤pH。施用硫酸鈣可以改善土壤鹽堿化程度，提高土壤透水透氣能力；施用鈣離子、磷酸鹽、有機(jī)肥、泥炭等材料可以降低土壤重金屬毒性。

3）生物改良技術(shù)。生物改良是通過利用植物、土壤動物和微生物的生命活動及其代謝產(chǎn)物來改良土壤的理化性質(zhì)和土壤營養(yǎng)狀況。研究表明，豆科植物可以提高土壤中可利用氮素水平；鴨跖草、蜈蚣草、景天、香蒲等植物對土壤重金屬表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力，降低土壤中重金屬污染；微生物肥料現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)中，豆科植物所具有的根瘤菌可將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮素固定到土壤，用VA 菌根真菌接種可以提高修復(fù)植物生物量，AM菌根能夠增強(qiáng)植物獲取養(yǎng)分的能力，對植物抗逆性的提高有明顯效果，顯著提高修復(fù)植物的成活率。土壤動物是生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中的的重要組成部分，在改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力、促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)等反面發(fā)揮著重要作用，蚯蚓在改善土壤理化性質(zhì)的同時(shí)，還能起到富集重金屬的作用[10]，應(yīng)用于露天煤礦生態(tài)修復(fù)中可以起到較好的效果。

2.2 水土保持工程技術(shù)

露天煤礦排土場在堆砌過程中，形成大量邊坡，邊坡具有不穩(wěn)定特點(diǎn)，降雨量過大已形成水土流失，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。對于坡度較大地塊，常采用削坡整形技術(shù)，降低邊坡坡度。對于不具備作業(yè)條件的邊坡，現(xiàn)已開發(fā)出較多成熟的水土保持技術(shù)，例如：客土噴播技術(shù)、纖維綠化技術(shù)、掛網(wǎng)植生基材噴附技術(shù)、生態(tài)多孔混凝土綠化法、生態(tài)植被毯鋪植技術(shù)、鋼筋水泥框格法等。

2.3 土壤種子庫技術(shù)

土壤種子庫的組成、數(shù)量與植被群落的發(fā)生、更新、物種多樣性和組成有著密切的聯(lián)系，在適宜程度的干擾作用下，土壤種子庫在恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)以及更新植物等方面發(fā)揮著重要的作用，土壤種子庫技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程中。土壤種子庫的國內(nèi)亦有較多研究成果，土壤種子庫數(shù)量充足、分布均勻時(shí)，群落向著穩(wěn)定的方向演替；而土壤種子庫數(shù)量不足時(shí)，群落向衰敗的方向演替。種子庫技術(shù)的應(yīng)用有利于露天煤礦生態(tài)修復(fù)過程中修復(fù)植物向原有植被方向演替。

2.4 景觀恢復(fù)技術(shù)

景觀生態(tài)學(xué)已廣泛的被應(yīng)用于露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)過程中。在加拿大關(guān)閉油砂礦的生態(tài)修復(fù)過程中就將景觀恢復(fù)及作為首要目標(biāo)，景觀恢復(fù)技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)地表地貌重塑，其次加強(qiáng)加強(qiáng)修復(fù)場地和周邊湖濱生態(tài)系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)、斑塊的聯(lián)通性采場排水系統(tǒng)和地面水系的有機(jī)聯(lián)系等[11]。近年來，礦山生態(tài)修復(fù)中其他景觀恢復(fù)方面的研究同樣備受關(guān)注，如不同物種對景觀配置的影響對礦山景觀恢復(fù)的作用、生態(tài)恢復(fù)過程中景觀結(jié)構(gòu)和功能的響應(yīng)和反饋、景觀價(jià)值、景觀尺度上的生態(tài)恢復(fù)、采后景觀的維持和優(yōu)化、景觀恢復(fù)效果評價(jià)等。

2.5 生態(tài)監(jiān)測技術(shù)

露天煤礦的土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)具有長期性和系統(tǒng)性，土地復(fù)墾本質(zhì)上是對土地功能與土地用途的恢復(fù)，植物種植工程的結(jié)束恰恰是植被生長、土壤功能提高、生態(tài)系統(tǒng)開始演替和趨于穩(wěn)定的開始。因此，必須對進(jìn)行了土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程后的露天煤礦進(jìn)行長期監(jiān)測十分必要，通過持續(xù)的監(jiān)測進(jìn)而判斷工程的有效性。土地質(zhì)量、植被長勢與演替方向、區(qū)域小氣候變化及其它環(huán)境指標(biāo)的動態(tài)變化是監(jiān)測的重點(diǎn)。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS 技術(shù)等已廣泛應(yīng)用于露天煤礦生態(tài)監(jiān)測中。

3 生態(tài)效益

露天煤礦實(shí)現(xiàn)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)帶來的生態(tài)的效益很多，不僅包括土壤肥力的恢復(fù)和物種多樣性的恢復(fù)，還包括土地價(jià)值的提高、碳信用潛力增加、水資源的保護(hù)等，同時(shí)，在促進(jìn)煤炭資源開采利益相關(guān)方的合作以及提供更好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等發(fā)面均有重要意義。先鋒物種的生長發(fā)育為群落的生態(tài)環(huán)境的改變提供了條件，為其它物種的自然入侵、定居及種群擴(kuò)大創(chuàng)造良好的環(huán)境，從而提高生物多樣性，生物量不斷的積累，系統(tǒng)生產(chǎn)力也隨之增加，惡劣生態(tài)環(huán)境逐漸被改善。隨著露天煤礦生態(tài)修復(fù)年限的增加，土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤物理性狀、土壤微生態(tài)以及土壤生產(chǎn)力逐年提高，經(jīng)過植物修復(fù)的土壤，其性狀與養(yǎng)分水平明顯高于裸地恢復(fù)，并且隨著修復(fù)時(shí)間的延長呈現(xiàn)不斷提高的趨勢。對露天煤礦進(jìn)行植物修復(fù)可以有效減少風(fēng)蝕、水蝕作用，降低礦區(qū)范圍內(nèi)粉塵污染，同時(shí)起到涵養(yǎng)水源的作用。

4 結(jié)語

我國露天煤礦在采取土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工程措施后，存在的主要問題在于修復(fù)方案照搬照抄，所采取的工程措施缺乏針對性；修復(fù)后短期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能依然不穩(wěn)定；缺乏長期的監(jiān)測與科學(xué)的評價(jià)；常以園藝思維進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，忽視重建生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的整體修復(fù)。在后續(xù)開展露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作中，還應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

1）我國露天煤礦分布范圍廣，氣候環(huán)境與地域特征不盡相同，在土地復(fù)墾過程中應(yīng)注意因地制宜原則，合理選擇修復(fù)植物，植物配置時(shí)因遵循景觀適宜性原則，按照“近自然”地貌設(shè)計(jì)景觀效果。

2）在土壤改良技術(shù)中，植物改良措施已取得較多研究成果，土壤動物與微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤改良中發(fā)揮著無可替代的作用，應(yīng)加強(qiáng)土壤動物與微生物改良技術(shù)的研究與應(yīng)用。

3）土壤種子庫技術(shù)的應(yīng)用有利于群落向著穩(wěn)定的方向演替，在采礦作業(yè)時(shí)，應(yīng)注意收集和保存表土及種子庫，方便土地復(fù)墾過程中加以利用。

4）土地復(fù)墾工作結(jié)束后，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)監(jiān)測與生態(tài)修復(fù)質(zhì)量評價(jià)，要根據(jù)監(jiān)測與評估結(jié)果及時(shí)進(jìn)行植被的調(diào)整與補(bǔ)充。