纖維植生工藝在西北干旱區(qū)矸石山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

周 勇，賈建忠，狄小東，張 焜，孫 偉

(1.國家能源集團烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏海 016000；2.礦冶科技集團有限公司，北京100160)

煤矸石是一種成煤過程中形成的伴生灰黑色巖石，質(zhì)地堅硬，具有較低的碳含量。煤炭開采和加工中作為固體廢棄物被大量排放，來源包括巷道掘進、夾層產(chǎn)出以及洗煤矸石等[1]，是多種巖石的混合物。目前我國煤炭工業(yè)的排矸量約占開采量的10%～20%，矸石多以圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆放在礦區(qū)周邊，形成煤矸石山。全國累計堆存煤矸石山1 600多座，現(xiàn)存煤矸石總量約45億t，而且仍呈高速增長趨勢[2]。

煤矸石山不僅大量占用土地，且因其含碳、硫，結(jié)構(gòu)疏松，極易自燃并釋放SO2、H2S、CO等有害氣體，嚴(yán)重甚至發(fā)生火災(zāi)，威脅周邊人身和生產(chǎn)安全，同時還伴隨產(chǎn)酸和重金屬污染風(fēng)險[3]。因此煤矸石山治理始終受到人們重視，而生態(tài)修復(fù)是目前常用且行之有效的方法[4]。

1 研究區(qū)概況

本研究的試驗地點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市老石旦煤礦3#矸石山。屬半沙漠干旱的溫帶高原大陸性氣候，干旱半沙漠區(qū)，降水量小，地表無常年水體。冬季少雪，春季干旱，夏季炎熱高溫，秋季氣溫劇降。年平均氣溫7.8～8.0 ℃，年均降水量為155.6 mm，多集中在7、8、9三個月，占全年總降水量的68.55%。年蒸發(fā)量2 946.5～3761.2 mm，春、秋、冬季多風(fēng)[5]。

土壤類型主要有灰漠土、風(fēng)砂土和草甸土，地帶性植被類型為荒漠化草原，有零星地中海殘留植物。植被以旱生小針茅為主，植被覆蓋度3%～15%左右，草群高度3～5 cm。礦區(qū)內(nèi)基本無人工植被。

2 材料應(yīng)用

本研究的矸石山前期已經(jīng)覆蓋過沙土作為滅火處理。在沙土表面應(yīng)用纖維植生工藝，選用材料自下而上主要包括改性基質(zhì)和植生纖維[6]兩部分。改性基質(zhì)的組分結(jié)合當(dāng)?shù)貋碓葱哉{(diào)查確定為按質(zhì)量配比畜牧有機肥30%、木料發(fā)酵物30%、砂土40%以及12.0 g/m2的保水劑。

植生纖維組分為木材纖維和不同配比黏合劑，本研究共選用4種型號植生纖維，組分特性見表1。

表1 植生纖維組分特性表

混播植物選擇原則以耐寒、耐旱為主，結(jié)合本土適生植物調(diào)查及工程案例，本研究選用品種及種子用量見表2。

表2 植物品種選用

3 工藝方法

主體工藝為，在覆沙土的基面上，使用橫向攔擋技術(shù)將坡面分割，空格內(nèi)回填改性基質(zhì)形成營養(yǎng)基層，其上使用機械噴施混配種子的植生纖維，灌溉養(yǎng)護最終形成植被層。

3.1 坡面加糙工藝

坡面加糙是指在坡面采用橫向攔擋技術(shù)，起到分割坡面，穩(wěn)定后期纖維營養(yǎng)基質(zhì)的作用。結(jié)合覆土后矸石山坡面實際情況，沿等高線按一定高差布設(shè)植生板。例如坡比為1∶2～1∶3，則兩行間距為1.5 m；坡比為1∶1.5～1∶2，則兩行間距為1 m。固定在坡面的植生板具備承載能力，可兩行植生板之間添加植生基質(zhì)。

3.2 改性植生基質(zhì)

依據(jù)地區(qū)的材料來源性調(diào)研，確定基質(zhì)材料的主要組分為如下四種：1)粗纖維：廢木料、秸稈與堆肥發(fā)酵物，用以提供基質(zhì)骨架和有機質(zhì)。2)綠化專用肥：復(fù)合肥，用以提供N、P、K等營養(yǎng)元素。3)砂土：示范區(qū)地表砂土，用以改善纖維比重和結(jié)構(gòu)。4)保水劑：用以優(yōu)化基質(zhì)持水性能。

3.3 植生纖維噴施

噴施使用液力纖維噴播機，纖維物料為4種不同型號的美國進口纖維，專用機械罐體容積9.4 m3(2 500加侖)，單次可作業(yè)面積約800 m2。加料時先向?qū)Ｓ脟娛C械的料罐中注水，當(dāng)水位超過罐體底部攪拌桿時，啟動攪拌，加入纖維。加料量按每473 L(125加侖)水加入一袋纖維產(chǎn)品，投加SMM纖維18袋，紙纖維4袋，草種3 kg，單次作業(yè)的額定用量投加完畢后，繼續(xù)注水至滿罐。繼續(xù)攪拌混合至少10 min。

噴施作業(yè)時要求均勻地噴涂在坡體施工表面。為了防止左右和上下的噴涂陰影，噴涂施工需從兩個方向進行，或以降雨式修補背面陰影。

4 效果分析

4.1 初期效果

在實施3周后，對各個分區(qū)進行樣地覆蓋度調(diào)查，將結(jié)果匯總按從高到底排序，見表3。

表3 各分區(qū)初期生長狀況差異表

根據(jù)表3可知，四種不同纖維的初期植生效果按出苗覆蓋度從高到低排列為：纖維B>纖維C>纖維A>纖維D。纖維B的植生效果明顯優(yōu)于(P<5%)其他三種，噴播實施3周后的覆蓋度為39.85%；纖維C的植生效果次之，3周后的覆蓋度為34.57%；纖維D的植生效果最差，3周后的覆蓋度為28.74%。

4.2 后期效果

在實施12周后，對各個分區(qū)進行樣地覆蓋度調(diào)查，將結(jié)果匯總按從高到底排序，見表4。

表4 各分區(qū)后期生長狀況差異表

根據(jù)表4可知，四種不同纖維的后期植生效果按出苗覆蓋度從高到低排列為：纖維B>纖維C>纖維A>纖維D。纖維B的植生效果最優(yōu)，明顯優(yōu)于(P<5%)A、D兩種，噴播實施12周后的覆蓋度為65.66%；纖維C后期植生效果也較優(yōu)，覆蓋度為59.38%；纖維D植生效果最差，噴播12周后覆蓋度為38.11%。

4.3 優(yōu)勢植物

實施12周后對最佳植生區(qū)(3區(qū)、植生纖維B)內(nèi)的各種植物調(diào)查覆蓋度，統(tǒng)計結(jié)果見圖1。

圖1 出苗12周后3區(qū)各種植物覆蓋度調(diào)查統(tǒng)計

根據(jù)調(diào)查可知，最佳植生區(qū)出苗12周后總覆蓋度為65.66%，發(fā)育較好。其中黑麥草的覆蓋度達到51.60%，成為優(yōu)勢種；紫花苜蓿次之，覆蓋度16.39%；其他禾本科植物披堿草、高羊茅分別為12.56%和6.63%；菊科兩種草本覆蓋度為2%～3%。說明在初期的復(fù)墾中，1)禾本科植物發(fā)揮了先鋒草種的作用，快速復(fù)綠形成規(guī)模。2)豆科苜?，F(xiàn)階段為次優(yōu)品種，作為多年生固氮植物，對植被群落穩(wěn)定有益。3)菊科花類草本占比較少，但未見退化，保留了未來試驗區(qū)實現(xiàn)景觀性的可能。

5 結(jié)論和討論

結(jié)合老石旦煤礦3#矸石山應(yīng)用成功的案例，可以認(rèn)為纖維植生工藝運用在西北干旱區(qū)矸石山生態(tài)修復(fù)施工中是可行的。以植生纖維B(97%木材纖維和5%高強度有機聚合膠聯(lián)劑)的植生效果最佳，后期覆蓋度達到65.66%，遠超過西北干旱地區(qū)自然植被覆蓋度。優(yōu)勢的草本植物為黑麥草、苜蓿，優(yōu)勢灌木為檸條。

植生纖維A的植生效果稍差，可能是由于有機聚合膠聯(lián)劑添加量過高(10%)，導(dǎo)致噴播后的纖維層整體稠密，親水、持水能力差，不利于植物根系發(fā)育。植生纖維D的植生效果最差，是由于組分沒有添加有機聚合膠聯(lián)劑添，纖維層聚合性差，在西北強風(fēng)吹蝕影響下極易破壞，因此不適于在本地區(qū)運用。

植生纖維工藝在西北地區(qū)矸石堆生態(tài)修復(fù)應(yīng)用中，砂土的用量僅為全部材料的40%，相較傳統(tǒng)覆土復(fù)墾的方法，可節(jié)省60%的土源消耗，為本就貧瘠、風(fēng)沙吹蝕嚴(yán)重的西北地區(qū)節(jié)約了寶貴的表土資源。