不同覆蓋方式對自燃煤矸石山坡面土壤水分動態的影響

宋 楠，張成梁，張洪江，張靜雯，耿勝慧，張 焜

（1.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2.輕工業環境保護研究所，北京 100089）

煤矸石是煤礦生產過程中的必然產物，是礦區的主要污染源之一，它既占地又污染環境[1]。煤矸石的產量約占煤炭開采量的10%～25%，全國每年新增矸石約4 億t，綜合利用約為6 000 萬t，其余部分就近混雜堆積儲存，形成煤矸石山[2]。煤矸石的大量積存及其自燃會導致多種環境問題和社會問題，煤矸石山的植被恢復和重建與礦區、礦業城市的環境和可持續發展關系密切。

植物的生長離不開水分，土壤水分狀況是植物生存和穩定的最敏感的限制因子，也是制約植被恢復與生態環境重建的決定性因子[3]。煤矸石山的物理結構極差，尤其是保水持水能力差，故對煤矸石山的整形整地關系到植被恢復工作的成敗。過去，對煤矸石山的復墾主要采用直接覆土的方式，即煤矸石填充后根據用地需求采取不同厚度的覆土[4-5]，但這種復墾模式投資大、復墾綠化效果不理想、在土源缺乏的地方無法進行，且在異地取土的過程中有可能對生態環境造成更大范圍的破壞[6-8]，因此有必要尋求更理想的覆蓋模式。

本研究采用TDR 土壤水分測定儀，對山西省陽泉煤業集團三礦280 自燃煤矸石山中不同覆蓋方式的煤矸石樣地進行定位觀測，以期掌握各覆蓋方式對煤矸石山水分及植物生長的影響，為自燃煤矸石山的植被恢復和生態重建提供理論和技術依據。

1 研究區概況

研究區位于山西省陽泉市陽泉礦區,地理坐標為東經112°54′～114°04′,北緯37°40′～38°31′。礦區溝谷縱橫，為低山丘陵區，地勢西北高，東南低，海拔660～1 373 m 。研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明。夏季日照時間長，輻射強度大，氣溫較高，降水比較集中，降水量占年降水量的70%左右；冬季冷空氣活動頻繁，氣候寒冷干燥，多晴天，降水稀少。年降水量北部多于南部，多年平均降水量為564.2 mm[9]。

陽泉礦區三礦280 煤矸石山排矸結束20 余年,已整平并覆蓋黃土。其地形復雜多樣，風化層厚度不一，成土母質多為炭質頁巖，少數為煤質泥巖和砂巖，主要以礫石和塊石為主，總孔隙度25.29%～32.21%，非毛管孔隙度24.14%～30.8%，土壤持水能力17.6～21.0 t/hm2，煤矸石風化物的初滲速率、穩滲速率分別為8.00 和1.87mm/min。山體自燃并未結束，平均地溫61℃，最高可達192℃[10]。主要植物種為升馬唐（Digitaria ciliaris）、馬齒莧（Portulaca oleracea）、蒺藜（Tribulus terrestris）、臭蒿（Artemisia annus）、荊條（Vitex negundo） 和狗尾草（Setaria viridis）等，人工引種植物主要為紫穗槐（Amorpha fruticosa）、高羊茅（Festuca arundinacea）、百脈根（Lotus corniculatus）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等[11]。

2 研究內容與方法

2.1 煤矸石樣地布設

在280 煤矸石山陽坡的上部，用煤矸石鋪設12 塊3 m×5 m 的混合覆蓋實驗樣地，每塊樣地采用不同的覆蓋間距和覆蓋率，設置一塊純黃土覆蓋的對照樣地，并在實驗樣地上播撒植物種子。樣地的具體鋪設情況見表1。

2.2 煤矸石樣地的水分測定

采用TDR 便攜式土壤水分測定儀對煤矸石樣地進行水分監測。監測時間為2009年9月～2010年9月，測量深度為10 cm。每次測量時，每塊樣地重復3 次，并對純覆土的矸石山坡面進行水分測定，作為對照。

表1 煤矸石樣地具體鋪設情況

2.3 樣地植被的調查

在播撒種子1 a 后，采取數碼照相法對樣地植被的蓋度進行估算[12]。用數碼相機對樣地進行垂直拍攝，并用arcgis 和erdas 軟件對照片進行分析，得出各塊樣地的植被蓋度。

3 結果與分析

3.1 煤矸石山土壤水分季節變化

3.1.1 煤矸石樣地土壤水分季節變化 土壤水分季節變化主要是指在一年內的不同季節土壤水分隨時間變化的趨勢，是土壤水分增勢規律的直觀反映。煤矸石山不同坡面覆蓋模式下土壤水分季節變化如圖1 所示。

圖1 煤矸石山不同坡面覆蓋模式下土壤水分季節變化

不同覆蓋方式煤矸石樣地的水分含量呈相似的季節動態變化規律，與降水季節變化規律相一致，主要受降水量季節分配的影響。從9月到12月，煤矸石樣地的土壤水分逐漸減少，主要原因是降水量逐漸減少，而植物的蒸騰作用和土壤的蒸發作用較強烈。到12月份，含水量達到最低點。從12月到次年3月，煤矸石樣地土壤含水量急劇增加，主要原因是冰雪融水的補給。從3月份到6月，煤矸石樣地的土壤含水量緩慢降低，主要原因是隨著溫度的上升，植物的生長速度加快，吸收了大量的水分，雖然降水量有所增加，但是土壤水分的消耗大于供給[11]。6月到9月，矸石樣地的土壤含水量逐漸達到峰值，因為此時正值當地的雨季，土壤水分得到充分的補充和續存，雖然土壤蒸發較強，且植物的耗水也加大，但土壤水分的供給大于消耗。

雖然不同煤矸石樣地土壤水分動態變化規律相一致，但由于煤矸石鋪蓋方式的不同，不同煤矸石樣地在同一時期內土壤水分狀況表現出明顯的差異，1、2、3、4 樣地的土壤含水率低于5、6、7、8、9、10、11 樣地的含水率。這是由于表層矸石風化失水后，一般形成5～10 cm 的干層，由于其顆粒較粗，與下層的毛細管聯系較弱，下層的大部分水分須通過擴散作用方可被蒸發，故表層失水后反而對下層水分的保存有利，致使下層在旱季可能含有較多的水分，這個干層具有一定的保水性能[6]。由于1、2、3、4樣地的煤矸石鋪設間距遠大于5、6、7、8、9、10、11樣地，形成的干層不如后者完整，還有黃土的裸露，保水性能不好，故其土壤含水率也不如后者。

3.1.2 混合覆蓋和傳統黃土覆蓋下煤矸石山水分季節變化 采用矸石和土壤相混合的覆蓋模式，既能減輕對土源的需求，又能很好地改良矸石山的水分狀況。混合覆蓋樣地和純黃土覆蓋樣地水分季節變化如圖2 所示。

圖2 混合覆蓋樣地和純黃土覆蓋樣地水分季節變化

由圖2 可以看出，由于煤矸石風化層良好的保水性能，故煤矸石和黃土混合覆蓋樣地的土壤水分狀況明顯優于純黃土覆蓋的樣地。這種優勢在3、4、5、6月更為明顯，其原因是在旱季，土壤水分供給不足，隨著溫度的升高，土壤蒸發逐漸增強，煤矸石風化層的保水作用更加突出；雖然7、8、9月土壤蒸發很強，但由于充足的大氣降水，使得土壤水分有充足的供給，煤矸石風化層的保水作用不明顯；10、11、12、1、2月份大氣降水急劇減少，且溫度很低，土壤蒸發很弱，煤矸石風化層的保水作用同樣不明顯。

3.2 煤矸石山植被恢復調查

植被的覆蓋度能很好地反映植被的生長狀況。通過對12 塊樣地植被覆蓋度的調查，來反映其植被恢復狀況。12 塊樣地的植被覆蓋度如表2 所示。

表2 12 塊樣地的植被覆蓋度

1、2、3、4、6、9、10、11、12 號樣地，植被覆蓋度低；5、7、8 號樣地，植被覆蓋度高，生長良好。相對5、7、8 號樣地，1、2、3、4 號樣地的植被生長狀況不好，其原因是矸石的覆蓋率低，表層的矸石風化層不完整，保水性能差，不能為植被的生長提供充足的水分。相對5、7、8 號樣地，6、9、10、11、12 號樣地的植被生長狀況也不好，其原因是雖然這些樣地的矸石覆蓋率高，能夠形成完整的矸石風化層，具有良好的保水性能，但其含土量過低，大面積的深色矸石易吸熱升溫（可高達39℃以上），灼傷幼苗，從而降低了植被產量。

4 結 論

不同覆蓋方式煤矸石樣地的水分含量呈現相似的季節動態變化規律，與降水季節變化規律相一致，說明其主要受降水量季節分配的影響。在同一時期內，隨著矸石覆蓋率的增加，煤矸石樣地的土壤含水量也隨之增加，且矸石與黃土混合覆蓋的煤矸石樣地的表層土壤水分狀況明顯好于純黃土覆蓋的煤矸石山。

矸石覆蓋間隔在0.3～1 m，覆蓋率在10%～30%的煤矸石覆蓋模式，土壤保水性能不好，植被成活率低；矸石覆蓋間隔在0～0.1 m，覆蓋率在45%～100%的煤矸石覆蓋模式，土壤表層溫度過高，種子出苗率低；矸石覆蓋間隔在0.15～0.25 m，覆蓋率在35%～45%的煤矸石覆蓋模式，既能為植物的生長提供充足的水分，又能保證良好的出苗率，植被恢復狀況最優。

在煤矸石與黃土混合覆蓋模式下，樣地植物生長良好，且工程投資小，對土源依賴度低。由此可見，煤矸石與黃土混合覆蓋模式是一項廉價、高效、保水、保苗的矸石山復墾新技術。

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