我國煤矸石山的水分研究進展

裴宗陽，胡振華，劉瑞龍，陳澤銀

（1.山西農業大學林學院，山西 太谷 030801；2.云南潤滇節水技術推廣咨詢有限公司，云南 昆明 650033）

煤矸石是煤炭生產和加工過程中產生的主要固體廢棄物[1]，其產量占煤炭開采量的10%～25%，全國每年新增煤矸石約4億t，但綜合利用約為6000 萬t，其余部分就近混雜堆積儲存，形成煤矸石山[2]。煤矸石的大量積存會導致諸多的環境和社會問題。目前，在我國，雖然部分煤矸石可作為煤礦沉陷裂縫的填充物、煤矸石發電燃料以及建筑材料再利用，但大量的煤矸石仍以堆積成矸石山的形式存在。因此，煤矸石山的植被恢復與生態重建是解決煤矸石山生態環境問題的最佳途徑。

煤矸石山制約植被生長恢復的立地因子很多，研究主要集中在煤矸石中的重金屬[3]、pH值和全鹽含量[4]等方面，對于煤矸石水分方面的研究較少。水分是一切生物生存和發展的第一要素，土壤水分狀況是植物生存和穩定最敏感的限制因子，也是制約植被恢復與生態環境重建的決定性因子[5]。而土壤水分主要存在于土粒表面或土粒間的毛管孔隙中，由于煤矸石山缺乏持水力強的毛管孔隙，導致煤矸石山的土壤水分問題較一般的土壤更加嚴重。煤矸石山土壤水分的有效供應就成了其生態構建的關鍵因子。

1 國內研究現狀

早在20世紀80年代，我國一些礦區就已開展煤矸石山植被恢復的實踐。隨著實踐中遇到的問題日益增多和突出，我國的許多學者開始對煤矸石山立地條件進行研究。關于煤矸石的水分研究，也有初步進展，研究的重點主要集中在水分特征、入滲規律、其他立地條件對水分的影響等。

1.1 水分特征

土壤水分條件是影響植被成活、生存和生長最關鍵的立地因子。只有對煤矸石山的水分特征作系統、深入的研究，才能為煤矸石山的植被恢復提供科學的參考。

早在1991年，段永紅等[6]就以山西陽泉9號煤矸石山頂部風化殼為研究地，取該風化殼0～30cm的表層風化物為研究對象，經過8個月矸石風化物剖面水分含量野外實地調查，結果表明，矸石風化物具有一定的保水性能，其水分含量隨降雨量的多少而增減，且矸石風化層0～10，10～20，20～30cm的水分含量隨降雨量增減的幅度依次減少；同時，對植物生長狀況的調查表明，矸石山上生長的植被也隨剖面水分的豐缺而枯榮，從側面反映出水分對矸石山的植物生長至關重要。

杜永吉等[7]采用澳大利亞生產的DIVINER 2000便攜式土壤水分測定儀，定位測定了自燃煤矸石山深度為0～100cm的黃土矸石復合層、黃土層和裸露矸石層水分體積含水率的季節變化和垂直變化，對煤矸石水分特征作了進一步研究。根據水分含量變化規律，將自燃煤矸石山的水分季節變化分為4個時段：土壤水分消耗期（3—6月）、土壤水分積累期（7—8月）、土壤水分消退期（9—11月）和土壤水分穩定期（12—2月）。對水分含量隨季節的動態變化規律進行研究，為煤矸石山植被恢復中的需水過程進行人為控制提供了科學依據。通過標準差將自燃煤矸石山土壤水分的垂直變化分為速變層、活躍層和相對穩定層。

張銳等[8]以山西省陽泉市280煤矸石山為對象，初步研究了煤矸石山風化堆積物水分的動態特征，結果表明，煤矸石質地較差，礫石和塊石平均含量達86.07%；煤矸石山孔隙組成以非毛管孔隙為主，其剖面 0～15，15～30，30～45，45～60cm這4個深度的毛管孔隙度平均值分別為1.40%，1.36%，1.32%和1.17%，導致土壤持水量常年維持在較低水平，0～60cm的平均土壤持水量為19.7 t/hm2。煤矸石風化堆積物水分季節性變化主要受降水量及其季節分配的影響，隨著季節性降水量的增加，矸石風化物水分平均含量會相應升高。煤矸石山的儲水量與降水量之間表現出較好的一元線性正相關關系。在降雨量較少，或降雨次數多或雨強較大的情況下，裸露煤矸石地的儲水量往往大于覆土煤矸石地的儲水量。一般情況下，煤矸石山30～40cm深處有明顯的干層，使煤矸石山下層在旱季保持有較多的水分。

對煤矸石山水分狀況的研究表明[9-12]，煤矸石山的水分條件差，且煤矸石的保水、持水能力遠遠小于植被自然生長的土壤，對于大多數植物根系來說，很難吸收利用。

1.2 入滲規律

土壤入滲是自然降水或人工灌溉水分進入土壤的過程。它是重要的土壤水文和土壤物理指標，對土壤的抗侵蝕能力、涵養水源能力、水分運動性質等具有關鍵的作用。

張光燦等[13]通過對山西潞安礦務局王莊煤礦的野外實地調查和試驗觀測，得出了煤礦區矸石山人工植物群落的生長規律——煤矸石山植物群落經過9 a的自然演替和生長過程，其種類及數量發生了較大變化，而且通過對煤矸石山刺槐種群和混交林群落的土壤入滲性能的觀測，得出刺槐種群與混交林群落具有明顯減少矸石山土壤滲透速率的作用，尤其在土壤初始入滲階段更加明顯；混交林群落對土壤滲透性的改善作用大于刺槐種群；煤矸石山的累計入滲量隨入滲時間的變化呈線性增加，即入滲速率為常數。胡振琪等[14]在某煤矸石山選取了8個有代表性的地段，測試了煤矸石的入滲規律，結果表明，煤矸石各個被測點的入滲量隨時間的變化呈線性關系。煤矸石山入滲規律用通式表達為：I=a＋bt，其中，I為入滲量，t為入滲時間，說明煤矸石山的入滲速率是一個常數。

續海龍等[15]在撫順西露天煤礦復墾矸石山，采用雙環法對榆樹林地、荒草地、農田地3種典型地段下的煤矸石，進行水分入滲測定，結果表明，林地質地較差，初始滲透率、穩滲率、平均入滲率均表現為榆樹林地＞荒地＞農用地；且不同植被類型煤矸石復墾地的入滲規律模型，可較好地擬合土壤物理中常用的Kostiakov入滲方程為f（t）＝kt-a（式中，f（t） 為入滲速率，單位為mm/min；t為入滲時間，單位為min；a為入滲指數），進而說明煤矸石的入滲速率隨入滲時間呈指數遞減。

關于煤矸石的入滲問題，仍存在不同的觀點。筆者結合新近的研究認為，煤矸石不同的入滲規律可能與煤矸石的風化程度有關；續海龍等[15]得出，煤矸石的入滲規律與農業土壤、林業土壤存在類似的結論，可能是這些試驗地的煤矸石風化程度較高，與土壤結構相近；張光燦等[13-14]認為，煤矸石的入滲速率是常數，可能是由于試驗選取地的煤矸石風化程度較低，結構性差，非連續的縫隙和空洞多，保水保肥性強的孔隙少所致。

1.3 其他立地條件的影響

煤矸石山立地條件極其復雜，是多種多樣的氣候、地貌地形、土壤、水文、生物、植被等因子的綜合。由于生態系統中的各個因子之間的相互作用，水分作為煤矸石山植被恢復的限制因子之一，也會受到煤矸石山其他立地條件的影響。

鄭國強等[16]采用野外調查試驗、取樣和室內分析的方法，研究了煤矸石山溫度對水分及植被生長的影響。結果表明：煤矸石山的溫度在垂直方向上隨著深度的增加有上升趨勢，而水分含量在垂直方向上因溫度升高逐步下降，其水分含量較自燃恢復煤矸石山平均高出10%～15%，表明煤矸石山的自燃及其特性導致了煤矸石的溫度與黃土不同，溫度對煤矸石水分有較高的影響；要改善煤矸石山的水分狀況、為植物提供適宜的生長環境，首先必須解決煤矸石山的自燃問題，控制好溫度。

眾多的研究均表明，通過植被恢復及生態重建，煤矸石山的立地條件、水分狀況都會得到較大的改善。續海龍等[15]發現，不同植被恢復類型，煤矸石山的水分入滲差異顯著。魏忠義等[17]對王莊煤礦植被恢復后的煤矸石山的調查試驗得出，高覆蓋度林地能改善矸石山土壤滲透特性，并能提高煤矸石山表層的持水能力。張光燦等[13]發現，煤矸石山植被具有明顯改良土壤的作用，植被恢復9 a以后，煤矸石山的入滲特征有了較大改善；刺槐種群與混交林群落具有明顯降低煤矸石山滲透速率、提高煤矸石山的持水和保肥能力的作用，且混交林群落對土壤滲透性的改善作用大于刺槐純林。

2 國外研究現狀

國外對煤矸石的利用較早，但直到20世紀60年代煤矸石導致的生態環境問題才引起各國重視。截至目前，眾多研究中最成功的是生物造田。由于技術先進、經濟發達，國外對煤矸石山生態恢復的工藝比較細致[18]，先篩選含有機質較高的破碎煤矸石粉，與過磷酸鈣按一定比例混合，加入適量的活化添加劑充分攪勻，加適量水堆漚活化即成，或在活化后摻入氮、鉀和微量元素等制成全養分矸石肥料。煤矸石有機復合肥料可使土壤疏松，增加透氣性，改善土壤結構，提高土壤肥力，達到增產目的。正是因為國外成熟的煤矸石山生物造田技術，使得煤矸石的理化特性和結構已經與一般的土壤相近，所以國外關于煤矸石山水分的研究比較少。

3 結論

水分為煤矸石山生態恢復最重要的限制因子，對其作出科學的研究，將會大大提高煤矸石山植被恢復與生態重建的成功性。但關于煤矸石山水分的研究仍存在著諸多亟待解決的問題。

（1）煤矸石山的水分特征和入滲規律的研究，僅簡單地考慮煤矸石物理性質對它的影響，缺乏研究化學性質對煤矸石水分的影響。例如隨著風化程度的不同，煤矸石中的水分含量是否也會發生變化（本文中關于煤矸石入滲規律的研究，出現2種差異顯著的結論，可能就是未考慮煤矸石風化程度對入滲產生的影響）以及煤矸石中不同重金屬的含量是否也會對煤矸石水分變化產生影響等。

（2）其他立地條件對煤矸石水分的影響研究欠缺。煤矸石山立地條件極其復雜，綜合了氣候、地貌地形、土壤、水文、生物、植被等多種因子。現有的研究多集中在植被對煤矸石水分的影響，而其他立地條件對煤矸石的影響研究比較欠缺。如那些可以在煤矸石山坡面生長的植物是如何影響煤矸石性質的，在它們的根系中是否存在著某種微生物可以生活在貧瘠的煤矸石中，并改良煤矸石山的立地狀況；地下的水文條件是否也會對煤矸石的水分產生影響等。

（3）煤矸石水分研究轉化成經濟有效的實用技術較慢。應結合煤矸石水分研究的最新進展，加快其轉化技術應用的速度。如根據煤矸石風化程度對水分影響的研究，往煤矸石中添加新型材料的黏合劑，促進煤矸石的風化，改善結構，提高植被恢復的成活率；采用科學的節水技術，為干旱的煤矸石山進行灌溉。這些實用技術的應用，將會極大地改善煤矸石山的生態環境，為煤矸石的科學治理提供必要的技術支撐。

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