露天煤矿排土场生态修复与植被重建

露天煤矿排土场生态修复与植被重建1研究目的与意义煤炭是我国最主要的一次性能源，在过去的儿十年里，我国煤炭生产为国民经济的恢复和发展做出巨大的贡献。但是，煤炭资源的开发和利用引发了一系列的生态环境问题，煤矿区已成为典型的严重受损生态系统，其生态环境问题成为制约煤矿区可持续发展乃至区域生态安全的重大隐患。特别是露天开采造成更大的生态环境问题，如(1)土地挖损:露天采煤是把煤层上方的表土和岩层剥离之后进行的一项开采项目，因此，对土地损毁的最主要形式表现为直接挖损，其毁损相当严重。据资料统计，露天煤矿区正式投产后每开采万吨煤要挖损0.02-0.18hm2土地，到目前为止，我国的露天采掘场挖损占地约为8800hm2。露天开采彻底改变了土壤养分的初始条件，且增加了养分流失的机会；(2)土地占压:露天采矿区剥离表层土堆积而形成的外排土场，压占土地量约为采掘场挖损量的1.5-2.5倍，平均为2倍，大量的弃土、弃渣堆积形成的矿渣堆积场和废弃的尾矿，由于是裸露、松散的堆积体极易被雨水冲刷，一旦发生坍塌、滑坡，将会造成河流淤塞、农田毁场、、交通阻断、污染环境等严重后果，给人民生命财产带来巨大损失，严重威胁着人类的生存环境；(3)植被破坏:矿场的建设、废弃土石堆放、修路、地面塌陷与露天采矿剥离等都会引起植被破坏。土壤作为供给植物生长发育所必需的水、肥、气、热的主要源泉，也是营养元素不断循环、不断更新的场所。矿区的建设和生产改变了土地养分的初始条件，从而使植被生长量下降。植物作为生态系统的生产者，它的破坏使得煤矿区土地及其临近地区的生物生存条件破坏，生物量减少，生态系统结构受损、功能及稳定性下降，从而引起水土流失和沙漠化的进一步发生发展。(4)水土流失和土地沙漠化:由于平庄煤矿地处干旱半干旱地区，植被稀少、生态环境脆弱。因此，水土流失和土地沙漠化是最突出的环境问题之一。煤矿区建设和生产要开挖地表，弃土弃渣，破坏土地和植被，从而减少了地面植被的覆盖。植被覆盖率的减少改变了地表径流和地表的粗糙度，使土壤抗蚀指数降低，加剧了水土流失和土地沙化、干化。土地流失导致下游河湖的淤积，土壤营养元素的损失，造成地力衰退。沙漠化的过程主要表现为土壤理化性质的劣化过程，土壤的粗化、伴随沙质荒漠化导致的土壤盐碱化、沼泽化，土壤团聚体粒径减小、含量降低，团粒结构的消失，土壤生物种类与种群数量的减少。沙质沙漠化过程中由于绿色植物这一生产者的减少，改变了生态系统能量转化的途径，改变了水分和营养元素的系统内循环途径，进而影响到土壤物理、化学成分以及动植物和微生物等土壤生物区系的种类和数量，造成植被的逆行演替，导致生态系统退化。因此，煤矿区生态环境采取综合治理迫在眉睫，植被恢复与重建是解决煤矿区及其区域生态环境问题和综合治理的基本途径。对采矿引起的土地功能退化、生态结构缺损、功能失调等问题，通过工程、生物及其他综合措施形成生态系统的初级生产者，恢复和提高生态系统的功能，逐步实现煤矿区的可持续发展。根据煤矿区不同开采时期的技术特点和自然环境等因素，及时实施相应的植被恢复与重建措施，尽量避免或减少对环境的破坏污染，实现采煤矿与环境治理协同进行，是煤矿区可持续发展的必由之路。1.2国内外研究现状及发展趋势植被是陆地生态系统的重要组成部分，是生态系统中物质循环与能量流动的中枢。近儿十年来，由于人类活动的影响，植被大规模的破坏和消失，导致了一系列的环境失调问题，全球生物多样性不断丧失，土地荒漠化日趋严重，人类生存和发展的白然基础受到了极大威胁，人类活动对环境的影响以及退化生态系统的恢复和重建已成为现代生态学研究最引人注目的趋势之一。其中植被恢复是退化生态系统恢复和重建的首要工作，因为儿乎所有的白然生态系统的恢复，总是以植被恢复为前提的。植被恢复是指运用生态学原理，通过保护现有植被，封山育林或营造人工林、灌草植被，修复或重建被毁坏或被破坏的森林和其他白然生态系统，恢复其生物多样性及其生态系统功能。植被恢复与植被重建、植被修复、生物多样性恢复以及生物工程治理等都是内涵基本相同的词语，它既是一种治理手段，同时也是治理的过程和目的，国内外对此项已经做了有益的理论探讨。2植被恢复国内外研究概况关于植被恢复的研究很多，概括主要有以下儿个方面。植被退化的基本特征及其生态后果、植被恢复目标及其生态学原理、干扰体系对退化植被系统的影响、植被恢复途径以及植被恢复对环境的影响、效益评价等等。(1)植被退化的基本特征及其生态后果。这方面的研究主要包括退化植被的植物种类组成变化及其发展趋势，植物群落结构的变化，生物生产力下降，生物问关系的改变。张晓华等认为，草原退化实质上是生态系统的退化，退化体现在非生物因素，亦体现在生产者、消费者和分解者三个生物功能组分以及草地生态系统的结构特征和功能过程，退化阶段不同其表征指标不同。(2)植被恢复目标及其生态学原理。主要包括生境组合胁迫原理、生态适应性原理、种群密度制约和分布格局原理、群落内种问关系协同进化依赖原理、生态位原理、群落演替原理、生物入侵理论、生物多样性原理、斑块一廊道一本底景观结构模式原理等。(3)干扰体系对退化植被或生态系统的影响。主要干扰方式有森林采伐、开垦、过度放牧、开采矿产资源、采摘、不合理的种植和养殖、在人为有意或无意帮助下外来种的侵入和偶见种取代群落建群种与优势种的生态现象以及病虫害的大发生等。PeterM.在对美国加州一块牧草地恢复研究中指出，适当的干扰（如土壤干扰、引入新物种等）对恢复乡土物种是有必要的，但同时也存在生物入侵的隐患。(4)植被恢复途径。二十世纪70年代，日本学者宫胁昭(Miyawaki)根据植被演替理论，采用当地乡土树种的种了进行营养钵育苗，配以适当的土壤改造，在较短时问内建立起适应于当地气候的顶极群落类型，这一方法取得了显著成绩，得到了世界公认，称之为“宫胁法“，近年来他和他的同事又在马来西亚、泰国等地从事热带林的恢复均取得了可喜的成绩；我国的北京、马鞍山、上海以及山东等地也在试用这种方法进行地带性的植被恢复；Gaynor在退化草地生态系统恢复中指出，因地制宜地进行松土、耕翻等改善土壤结构，增施肥料，补播乡土优良牧草增加植被恢复速率，合理放牧等也是有效的人工促进恢复措施;对于退化水生生态系统的恢复，Middleton指出应根据不同湿地选择最佳位置重建湿地生物群落。国内报导的有中国科学院华南热带植物研究所在广东小良、鹤山以及沿海侵蚀地上开展的研究，以及中国科学院植物研究所在江西亚热带红壤丘陵地上进行的退化植被恢复与重建的研究。近年来，在矿山废弃地及城市垃圾场上都已开展了植被重建的研究。此外，我国已经和正在开展的许多重大生态环境工程，如三北防护林和长江上游防护林建设、沙漠治理、草场改良、荒山绿化、次生林改造也都属于植被恢复和重建。(5)植被恢复对环境影响及效益评价。AlegreJ.等人通过栽种野生豆科灌木种恢复半干旱地中海地区植被，研究结果表明，土壤干旱对于季节性落叶模式和落叶化学成分没有显著影响，相对典型硬叶类树种，豆科植物在提高土壤氮素和有机质含量方面表现出更大的潜力，从而提高退化土壤的生物活性，改良土壤碳固定作为日本京都草案在国际气候变化研讨会中的一项重要内容，具有很大的防治土壤退化和荒漠化的潜力；AnnaMaria所在的土壤保持局对冰岛植被恢复研究很好地说明了严重的土壤退化和气候变化所带来的灾害，可以通过植被恢复的碳固定效益得到很大的消减；J.Akhter通过栽种一种叫kallar的耐盐碱草，可以显著改善盐碱土的物理性状。3土壤系统修复技术对露天矿排土场进行植被重建的首要任务是明确限制生态环境恢复的主要因子，并清除这些不利因素，否则，植被恢复工作难以开展。露天矿排土场土地的共同特点是土壤中缺少自然土中的营养物质，尤其是缺少氮、磷和有机质。由于植物生长所需主要营养物质的匿乏，使得土壤肥力低下，不适宜于植物生长;因此，植被重建的前提是改良土壤，为植物提供必须的生长条件。为寻找适合矿区土壤系统修复的最佳技术，进行多项土壤改良方法的试验研究，并对排土场(北排、东排、马连沟等)现状复垦植被的土壤水分改良效果、土壤养分改良效果、土壤微生态环境改良效果等进行监测、分析，根据矿区的条件选择出露天矿排土场土壤改良的有效方法。3.1土壤培肥排土场土壤改良施氮、磷化肥后，土壤有机质、速效养分含量增加幅度较高，但由于无机化肥的价格较高，且在干旱缺水条件下肥效难以充分发挥;因此，排土场在复垦种植时主要利用化肥作为种肥或部分植物的追肥使用，作为大规模复垦土壤培肥地力的肥料主要还是有机肥。有机肥在分解过程中，产生多种有机酸，有利于土壤中难溶性养分溶解释放，提高养分的有效性，充分发挥土壤的潜在肥力。有机肥料在分解过程中可产生二氧化碳，促进植物的光合作用。总之，有机肥的作用是多方面的，它具有化肥所没有的优越性。3.2粉煤灰改良土壤在黑岱沟露天矿排土场试验区的研究表明，施粉煤灰1t/hm2耐处理，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷质量分数分别比对照增加90.7%,65.8%,23.5%,65.1%和18.8%，施粉煤灰2t/hm2处理，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷质量分数分别比对照增加138.8%、156.6%、63.9%、75.5%和55.8%。从各养分的增加幅度来看，增施粉煤灰后土壤有机质、全氮、全磷质量分数增加较多。粉煤灰可以用作土壤改良剂，在与农家肥和化肥混合施用时效果较好，其主要作用表现在:可以明显改良土壤质地，降低土壤密度，增加土壤孔隙度，提高地温，促进土壤微生物活性，有利于养分转化，有利于保温保墒，使水、肥、气、热趋向协调，为作物生长创造良好的土壤环境，促进作物增产。3.3植被重建技术露天矿区排土场环境条件极端恶劣，其受损生态系统自我恢复将难以实现，或实现过程漫长。如果采用生态恢复措施，排土场中受破坏的生态系统可在相对较短的时间内得以恢复。植被重建是露天矿排土场生态恢复的首要工作。植被重建除了本身起着构建退化生态系统初始植物群落的作用外，还能促进土壤结构与肥力以及土壤微生物与动物的恢复，从而促进整个生态系统结构与功能的恢复与重建；因此，研究排土场植被重建问题具有十分重要的现实意义。3.3.1植被重建作物、草树种选择依据露天矿排土场土地复垦，建立人工植被，首先必须选择适宜的植物品种。为此要做到覆盖土、气候等自然环境条件与植物生态学特性的统一，即“适地适植”的原则。3.3.2主要草(树)种选择依据(1)耐土壤贫瘩。排土场土壤主要是矿区开采中最初的剥离物，无结构。因排弃过程中反复碾压使土壤坚硬紧实而干燥，养分极为贫乏，要求所选植物种具有耐贫瘩的生物学特性。(2)抗旱性强。该地区气候属中温带半干旱气候，总的气候特点是旧照充足，有效积温高，水热同期，有利于植物生长；但是夏季降水多以暴雨形式出现，使水土流失加重，春季干旱少雨，多大风，这些又不利于种子植物的成活和生长。为此，在这大风干旱的地区植被恢复应选择抗旱能力强的植物。(3)植物根系的固土和护坡能力。植被固土、护坡是防治水土流失的有效办法，根系土壤增强作用是植被稳定土壤的最有效机械途径。根系能加强土壤的聚合力，在土壤本身强度不变的情况下，通过根系的机械束缚增强根际土层的总体强度，提高滑移抵抗力。植物相互缠绕的侧面根系形成具有一定抗张强度的根网，将根际土壤固结为一个整体，同时垂直根系把浅层根际土层锚固到深处较稳定的土层上，更增加了土体的稳定性。因此，在黑岱沟露天矿区植被恢复中必须本着植被根系固土、护坡能力强的原则进行树草种的选择。(4)考虑经济价值及矿区绿化、美化效果。3.3.3主要植物种类选择技术黑岱沟露天矿自1992年开始开展水土保持与生态重建工作，先后选用了90多种植物进行了人工栽培试验，从栽植植物的水土保持和改良土壤的作用、植物的演替退化规律、植被根系的固土护坡能力、植被抗旱机制及其在矿区排土场复垦土地上的植物生长状况等方面的分析，最终选出适宜矿区内生长的植被类型，见图1。3.3.4矿区筛选出的先锋植物和适生植物矿区自1992年生态重建以来，就在排土场自然恢复植被种类和生长