不同建植技術對露天煤礦排土場生態修復效果的影響及評價

孔令偉，薛春曉，蘇 鳳，石 龍

（中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州730000）

不同建植技術對露天煤礦排土場生態修復效果的影響及評價

孔令偉，薛春曉，蘇 鳳，石 龍

（中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州730000）

為解決礦區排土場生態修復難和生態修復成本高的問題，提出了一種新的穴鋪建植技術對排土場進行生態修復，并于2012—2015年期間選擇4種建植技術對永順煤炭有限公司礦區排土場開展生態修復工作。基于修復后（2015年）的植被生長狀況和土壤改良效果，并通過對比分析的手段，對不同建植技術的生態修復效果進行了評價。結果表明：穴鋪植生袋建植法（A）、旱梯田坡面建植法（B）、旱坡植生袋建植法（C）和沙柳圍護建植法（D）4種不同建植技術中，在植被覆蓋度方面表現為A（85%）＞C（80%）＞B（73%）＞D（63%）＞E（7%，裸地）；土壤容重方面表現為A（1.21 g/cm3）＜C（1.27 g/cm3）＜B（1.31 g/cm3）＜D（1.43 g/cm3）＜E（1.52 g/cm3）；土壤侵蝕模數方面表現為A[3 630 t/（km2·a）]＜C[6 350 t/（km2·a）]＜B[7 860 t/（km2·a）]＜D[15 730 t/（km2·a）]＜E[26 000 t/（km2·a）]，均表明A技術在植被生長狀況和土壤質地改良方面效果顯著，有效解決了試驗區人工建植植物群落穩定性差和水土流失量大等問題，成功完成了試驗區的生態修復。穴鋪植生袋建植技術在礦區排土場或類似區域的生態修復工程實踐中具有良好的借鑒和參考作用。

露天煤礦；建植技術；生態修復

我國是最早發掘和利用煤炭資源的國家[1]，煤炭在我國一次性能源消費結構中所占比率一直是70%左右，在國民經濟發展和人民生活中起著極其重要的作用，尤其是在我國北方大部分地區，煤炭更是不可或缺的能源。然而，由于不合理的開發利用，在煤炭開采過程中形成大量裸坡和廢棄堆積物，地表植被和物種資源遭到破壞，并造成礦區水土流失、土地荒漠化現象加劇，生態環境惡化，且礦區植被重建率遠低于發達國家75%的水平[2]。而我國的大型露天煤礦又多處于干旱、半干旱的生態脆弱區，增加生態修復難度和成本。因而，有必要對礦區的生態修復技術進行研究，以解決礦區生態修復難和成本較高的問題。

國外在礦區生態修復研究方面與我國相比，起步較早，研究技術比較成熟，取得良好的修復效果。早在20世紀初，美國等一些發達國家就開展了礦區生態修復方面的研究工作[3]，并隨著礦區環境問題加劇，開始重視生態恢復重建研究。澳大利亞在礦區生態修復研究方面取得顯著的成績，并將礦區生態修復工作作為礦區生產的重要組成部分[4]。另外，美國、德國、加拿大等一些發達國家通過頒布一系列法令條款來約束礦區開采活動，并保證礦區開采后，能夠取得良好的生態修復效果。國外在礦區生態修復方面已有許多成功的案例，如德國的魯爾自然保護區、美國的麥克勞林金礦[5]和加拿大多倫多市的湯米遜公園等，值得我國礦區生態修復工作者學習和借鑒。近年來，國外在受損與退化環境區的生態環境恢復、重建和植被的恢復已成為當前生態學科研究的熱點方面和問題之一[6]。

近年來我國在礦區生態修復方面也開展了多方面的研究工作，但由于經濟技術等條件的限制，研究工作尚處于分散和水平較低的階段，但也取得一定的成績。目前我國對礦區生態修復研究主要集中于植物物種組合優選[7-10]，基于RS和GIS等措施對礦區景觀修復的研究[11-12]，但對于生態修復中具體的建植技術研究和不同建植技術對生態修復效果研究比較少。在邊坡植被建植技術方面我國也開展了一定的研究工作，如“噴混快速綠化”、“噴混植生技術”、“厚層基材噴射護坡技術”和“植被混凝土邊坡防護綠化技術”等高新技術[13-16]，但由于這些技術存在植被單一、基材剝落、宜退化、養護費用高和造價高等缺點，目前在我國礦區邊坡綠化方面的推廣并不普及。因此，本研究提出一種的新的建植技術，來改善礦區植被群落穩定性差、成本高和易退化的情況。選取內蒙古鄂爾多斯市永順煤炭有限公司外排土場作為試驗地點并結合室內試驗，對排土場生態修復建植技術以及生態修復效果、不同建植技術的生態修復效果進行研究，為我國礦區生態修復研究領域積累經驗。

1 研究區概況

研究區選擇位于內蒙古鄂爾多斯市東勝區境內的永順煤炭有限責任公司煤礦首采區外排土場，并作為現場試驗區。排土場土質以沙土為主，土壤團聚體結構較少，坡度達55°，坡頂垂直地表高度約為15 m。該區域地理坐標為北緯39°51′35″—39°52′59″，東經110°00′41″—110°03′43″，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候區，日照豐富，年日照百分率為67.8%。年平均氣溫為5.9℃，無霜期為140 d左右，年平均風速為3.10 m/s，年平均降雨量為387.70 mm，降水量主要集中在7—8月份。當地的主要植被有小葉錦雞兒（Caragana microphylla）、中間錦雞 兒 （Caragana intermedia）、百里香 （Thymus mongolicus）、蒿類、本氏針茅（Stipa capillata）、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、白草（Pennisetum flaccidum）等。

2 研究方法

2.1 植被多樣性調查

本研究于2012年6月開始對礦區排土場進行了生態修復工作，于2015年9月對4種不同人工建植法修復的區域和裸地（對照點）進行植被調查。在每塊修復區域設置1個20 m×20 m的樣地，并在每個樣地內均勻布設5個5 m×5 m的灌木樣方，在每個灌木樣方內隨機布設3個1 m×1 m的草本樣方，進行植被調查[17]。記錄每個樣方內植物種類、高度、蓋度和株數等。

植物重要值P的計算的方法[18]：

式中：Dr為相對密度；Fr為相對頻度；Cr為相對蓋度；di為第i個物種在單位面積內出現的個體數；fi為第i個物種在所作的全部樣方中出現的頻率；ci為第i個物種的地上部分垂直投影面積占樣地面積的百分比。

2.2 土壤容重及土壤侵蝕模數的測定方法

由于該研究區土質以沙土和生土為主，土質比較松散，不宜選用環刀法測土壤容重，因此選用灌砂法測量該區的土壤容重。灌砂法測土壤容重的具體步驟詳見文獻[19]。

利用簡易水土流失觀測場法（樁釘法）測定各修復區土壤侵蝕模數，布設樣地規格為8 m×8 m。將直徑1.2～1.5 m長的鋼釬，在選定的坡面樣方小區按照圖1所示的間距，分縱橫方向共計12支鋼釬垂直打入地下，使鋼釬釘帽與坡面齊平，并在釘帽上涂上油漆，編寫編號，每個樣地內設置兩組平行試驗。

圖1 簡易水土流失觀測場示意圖

經過一段時間的降雨期后，觀測釘帽距地面的高度，以此計算土壤侵蝕厚度和總的水土流失數量。

計算公式為：

式中：A為土壤侵蝕數量（m3）；Z為侵蝕厚度（mm）；S為坡面面積（m2）；θ為斜坡坡度（°）。

2.3 建植技術

在本研究中，不同建植技術中所涉及種子基質層均一致，基質層（腐殖土）中除鑲嵌所選植物種子外，還按照20 g/m2標準鑲嵌營養顆粒，營養顆粒由保水劑、復合肥和有機肥1：5：6的配比組成。

在植被選取方面主要考慮植物的耐旱性、耐貧瘠性、根系狀況等。因此，種子選取組合均為冰草（Agropyron cristatum）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、檸條（Caragana Korshinskii）、榆樹（Ulmus pumila），并按10：30：20：2：1的比例混合。在種子配比方面主要考慮當地土壤質地以沙土為主，質地較差，因此種子選擇以草本為主，并搭配一定比例的灌木和喬木樹種。

（1）旱坡植生帶建植法。主要是利用植生帶技術將種子、營養顆粒和腐殖土按一定比例混合在一起，并裝入植生帶內，然后鋪設于經過修整的排土場坡面上，進行生態修復。植生帶是采用專用機械設備，依據特定的生產工藝，把草種、肥料、添加劑等按一定的密度定植在帶狀載體上，并經過機器滾壓、針刺復合定位或冷粘接等工序，形成的一定規格的工業產品。本課題試驗段所采用制作植生帶的帶狀載體為無紡布（圖2），具備質地柔軟、重量輕、厚薄均勻，并有良好的物理強度，無污染，鋪裝施工后，能夠較快地自然降解，設計采用1 a降解的產品。

（2）旱梯田坡面建植法。旱梯田坡面建植法，主要是在排土場坡面沿不同高度的等高線修筑階梯式梯田，梯田邊緣設有護坎，然后在梯田水平坡面上鋪設種子基質層。

圖2 植生帶結構示意圖

（3）沙柳枝圍護建植法。沙柳圍護建植法是比較傳統的建植技術，其建植方法主要是先在坡面上打線，開淺溝，形成菱形網格狀，并在淺溝上插入沙柳枝（干枯狀態），覆土埋實，最后在坡面上鋪設種子基質層。

（4）穴鋪植生袋建植法。針對礦區排土場邊坡土質松散，水土流失量大的特點，本研究提出一種新的建植方法，即穴鋪植生袋建植法，具有保水保肥特性，該技術主要應用的是邊坡穴植植物裝置，對邊坡進行生態修復。該裝置包括保育籃和基礎包，保育籃采用可自然降解的天然纖維制成；基礎包由可自然降解的袋子和改良土組成，使用時將植物種子均勻拌入腐殖土中，再將拌入種子的腐殖土裝入袋內，再將袋子平鋪于保育籃中[20]，裝置設計見圖3。工藝流程一般為：① 生態修復場地刷坡整理；② 將該種子均勻拌入腐殖土中，再將拌入種子的腐殖土、保水劑和復合肥裝入基質袋中，形成基礎包；③ 在目標邊坡上按一定比例挖穴，挖好后先將多個改良土壤棒插入該挖好的穴內；④ 接著安裝保育籃；⑤ 將基礎包平鋪于保育籃中；⑥ 最后進行澆水養護。

圖3 新型穴植植物裝置圖

3 結果與分析

3.1 植物恢復效果評價

（1）植被生長狀況。從現場調查表（表1）中可以看出，A樣地內植被覆蓋度最高為85%，且植被長勢良好，其次是C樣地為80%，裸地植被覆蓋度最低僅為7%。A樣地內植物種類最多為5種，其樣方內總株數為125株，紫花苜蓿與冰草占總株數的88%，植株平均高達37.2 cm；B樣地植物種類為4種，其總株數為116株，紫花苜蓿與冰草占總株數的90%，平均高為27.6 cm；在A，B，C，D共4種修復措施中，利用穴鋪植生袋建植法修復的A樣地內植物種類最多，植被生長狀況最好，植被覆蓋度最高，其原因是由于利用穴鋪植生袋法，其邊坡穴植植物裝置可有效緩解自然環境因素對植株生長帶來的不利因素的影響，如在植物生長初期能有效減緩風蝕和水蝕帶來的不利因素，防止表層營養物質流失，為植被生長創造了良好的生存環境。因此，利用穴鋪植生袋建植法能夠取得良好的植被修復效果。E裸地樣方內，經過一段時間自我修復，雖出現一定數量的植被，但植被覆蓋度低僅為7%，且植被生長狀況與人工修復措施相比較差，表明通過人工干預的修復措施可以有效提高排土場內植被覆蓋度和植被生長質量。

（2）物種特征。重要值P是一個綜合的定量指標，可表示一個物種在某群落組成中的作用和地位。一般重要值大的物種也是群落中的優勢種，表明該物種對群落組成、結構和環境具有明顯的控制作用，通常情況下它們個體數量大、投影蓋度大[21]。因此，可根據重要值的指標來確定植物物種在群落以及演替過程中所起的作用和地位。

由圖4可知，在4種不同的人工修復措施中冰草與紫花苜蓿的重要值最高，二者重要值之和均占到植物總重要值的一半以上，從而表明紫花苜蓿與冰草為修復3年后的優勢種。如利用穴鋪植生袋建植法修復的A樣地內，冰草與紫花苜蓿的重要值分別為41.2%和29.2%，占植物總重要值的70.4%；沙打旺、檸條和榆樹的重要值分別為14.5%，8.7%和6.5%。

表1 修復3年后植被生長情況

圖4 不同修復措施中植物重要值對比

結合植物重要值和植被生長狀況發現，雖然冰草重要值指標較高，但其生長狀況較差，處于半枯萎狀態（大部分葉片發黃），有衰退的跡象，而紫花苜蓿和沙打旺等植被長勢良好，因此本研究認為再經過1～2 a的恢復期后冰草很可能被沙打旺、檸條等植被所替代，而成為新的優勢種。分析其原因可能是由于冰草屬于禾本科植物，而紫花苜蓿、沙打旺等植被屬于豆科植物，且有研究發現紫花苜蓿與沙打旺根部均能與根瘤菌產生共生作用。因此，紫花苜蓿與沙打旺可通過兩種不同的途徑來獲得氮素，一是通過吸收土壤中的氮素，主要是植物通過根系吸收硝酸鹽，二是通過根瘤菌固定空氣中的氮，將空氣中的氮轉變為氨，最后轉變為氨基酸和蛋白質被植物所利用[22]。由于排土場土壤貧瘠，含氮量少，冰草在人工干預的初始階段時生長速度較快，長勢良好，但隨著時間的推移土壤中含氮量與初期人工施肥時相比有所下降，無法滿足冰草正常生長的需求，從而導致冰草逐漸衰退，而紫花苜蓿與沙打旺等植物通過固氮作用獲得額外的營養補給，從而保持良好的生長態勢。

3.2 水土保持效益評價

（1）不同修復措施下土壤容重。土壤容重是指一定容積的土壤（包括土粒間孔隙）烘干后的土壤干重與同容積水質量的比重，又稱為土壤假比重或干容重。土壤容重的大小與土壤中的有機質含量、孔隙結構、質地以及土壤緊實度等緊密相關。土壤容重的大小在一定程度上能夠反映出土壤的孔隙狀態和貯水能力大小。當土壤容重較高時，表明土壤結構緊密，土壤中孔隙較少，水源涵養和水土保持能力較低；反之，當土壤容重較低時，表明土壤中孔隙較多，土壤結構疏松，其水源涵養能力和水土保持功能較高。土壤容重的大小也能客觀地反映出植物對于土壤結構等物理性狀的改善程度。土壤容重和孔隙度直接影響到土壤的通氣性和透水性，是決定土壤水源涵養功能的重要指標[23]。表2為土壤容重分級表[24]。

表2 土壤容重分級標準

由圖5可知，E裸地下的土壤容重最大為1.52 g/cm3（過緊實），顯著大于其他4種人工建植模式下的土壤容重，表明在人工建植條件下的生態修復對土壤質地和結構等的改善起到了一定的促進作用。對比4種不同人工建植技術條件下的修復區域，發現A樣地土壤容重最小為1.21 g/cm3（適宜），為裸地條件下土壤容重的0.79倍，其次C樣地，其土壤容重為1.27 g/cm3（偏緊），為裸地條件下土壤容重的0.84倍，其余2種土壤容重大小為B樣地1.31 g/cm3（偏緊）和D樣地1.43 g/cm3（緊實）。結果表明，通過不同的生態修復措施能夠有效改善土壤質地和結構，使修復區土壤容重明顯優于裸地區土壤容重。其原因是由于植物在生長過程中，根系不斷滲入土壤中，使原本緊實的土壤產生分散，增加了土壤了孔隙，且在根系衰老或死亡時，根系會發生收縮，從而使土壤中產生更多的孔隙，并且死亡的根系和地表枯落物通過自身的腐殖分解作用轉化為腐殖質，也能有效地改善土壤的孔隙狀況和團聚結構，使得經過人工修復的土壤質地發生改變，在一定范圍內，土壤容重減小，有效地提高了修復區土壤的水源涵養功能和水土保持功能。另外，在穴鋪植生袋建植技術中應用的邊坡穴植植物裝置（含有保育籃、土壤棒等）在經過3年的修復期后在一定程度上分解，對土壤有機質含量、營養元素含量的提升和土壤質地的改良也具有一定的促進作用；而裸地土壤容重較大，其原因是由于該區域土質主要以沙土為主，且地表植被覆蓋較小，土壤孔隙較少，從而造成該區域土壤容重較大，且由于該區域土壤團粒結構較少，土粒間粘合力較差，抗侵蝕能力較差，易造成水土流失。

圖5 不同建植技術下土壤容重對比

（2）侵蝕溝類型對比。從侵蝕溝形狀大小和分布密度來看，利用穴鋪植生袋建植技術修復的區域形成的侵蝕溝尺寸和分布密度均相對較小，表明其防護效果最好，其次是旱坡植生袋建植技術、旱梯田坡面建植技術，防護效果較差的是沙柳圍護建植技術，具體對比情況見表3。

相比于其他幾種人工建植修復技術，裸坡坡面形成的侵蝕溝數量相對較少，侵蝕溝寬度較小、深度較淺。分析其原因主要是由于裸坡坡面植被覆蓋度小，土壤團粒結構少，也沒有人工輔助措施來減緩或減少徑流量的產生。因此，在降雨條件下，易形成面蝕，從而造成侵蝕溝數量相對較少。

（3）不同修復措施下土壤侵蝕模數。由圖6可知，土壤侵蝕模數從小到大依次排序為：A，C，B，D和E，其中4種人工干預修復條件下的土壤侵蝕模數分別為裸地條件下土壤侵蝕模數的14.97%，24.42%，30.23%和60.50%，表明不同的人工修復措施對土壤侵蝕模數的減少具有明顯的改善作用，有效地減少了坡地土壤的水土流失情況。其中，利用穴鋪植生袋建植法土壤侵蝕模數最小為3 630 t/（km2·a），而利用沙柳枝圍護建植法土壤侵蝕模數最高的為15 730 t/（km2·a）。

表3 不同修復措施下形成的侵蝕溝類型對比

圖6 不同修復類型下土壤侵蝕模數對比

利用人工生態修復措施能有效降低土壤侵蝕模數，其原因主要有以下幾個方面：（1）植被覆蓋度。植被覆蓋度高可有效減少雨水對地表土壤的直接沖刷，通過枝葉的攔截作用有效地減少了到達地面的降雨量和雨滴勢能，在一定程度上減緩地表發生濺蝕、面蝕和溝蝕的可能。另有研究表明，當地表植被覆蓋度為85%以上時，能較大程度地保護地表土壤，防治土壤侵蝕[25]；而利用穴鋪植生袋建植法修復的A樣地，其植被覆蓋度達85%；（2）植物根系作用。植物根系通過改善土壤的孔隙狀況和質地結構增強了土壤滲透率和穩定性，同時植物根系可通過對土體的纏繞、串連和固結作用增強土壤抗沖蝕性，從而增強土壤的水土保持的作用[25-26]；（3）枯落物的作用。地表枯枝落葉層通過對地表的覆蓋，有效地減弱了雨水對地表的沖刷，而且枯枝落葉還可以吸收一部分水分，延緩了地表徑流的形成，并且其腐殖質層也可以通過改善土壤的質地結構來增強土壤的水土保持作用。有研究表明，當地表枯落物層厚度達1 cm以上時，土壤流失量可減少80%以上[27]。因此，通過人工生態修復措施可以有效減小土壤的流失量，改善土壤質地，增強土壤的水源涵養功能。

4 結論

（1）穴鋪植生帶建植技術、旱梯田坡面建植技術、旱坡植生帶建植技術和沙柳圍護建植技術均可滿足在無養護條件下的生態修復，修復后植被覆蓋度分別為85%，73%，80%和63%，其中利用穴鋪植生袋建植技術修復的區域植被恢復效果最優。

（2）利用不同的人工修復措施修復的區域，在修復初期植物優勢種以冰草（先鋒草種）為主，現階段群落優勢種轉變為紫花苜蓿與冰草組成的共優種，而冰草長勢衰退，沙打旺、檸條和榆樹等植被長勢良好，易形成灌草組合的植物群落，對保障植物群落結構后期的穩定性具有重要的意義。

（3）利用不同的人工生態修復技術，其土壤質地和水土保持功能均得到有效地改善，其中穴鋪植生袋建植修復技術防護效果最為顯著，土壤容重處于適宜狀態，為1.21 g/cm3，土壤侵蝕模數最小為3 630 t/（km2·a）。

（4）利用不同建植技術對礦區排土場生態修復效果有較大的影響，其中利用穴鋪植生袋建植技術在免養護的情況下取得了顯著的生態修復效果，因此可在類似地區進行推廣應用，為我國礦區生態修復工作提供新的思路和借鑒作用。

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Evalution and Effect of Different Construction Techniques on the Ecological Restoration of the Stackpile in Opencast Coal Mine

KONG Lingwei，XUE Chunxiao，SU Feng，SHI Long
（Northwest Research Institute Co.，Ltd.of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou730000，China）

In order to solve the problem of high cost of ecological restoration and ecological restoration difficulty in coal mining area，a new method of planting technology（hole spread implant bag method）was proposed to carry out ecological restoration.During the period from 2012 to 2015，4 kinds of construction techniques were selected to carry out the ecological restoration work on the dump in coal mine of Yongshun Coal Co.，Ltd.Based on the vegetation growth status and soil improvement effect，the effect of different construction techniques were evaluated by the means of comparative analysis.The results showed that the vegetation coverage of the four kinds of construction techniques：hole spread implant bag method（A），drought terrace slope method（B），implant bag method（C），and Salix enclosure planting method（D），decreased in the order：A（85%）＞C（80%）＞B（73%）＞D（63%）＞E（7%，Bare land）；soil bulk density increased in the sequence of A（1.21 g/cm3）＜C（1.27 g/cm3）＜B（1.31 g/cm3）＜D（1.43 g/cm3）＜E（1.52 g/cm3）；soil erosion modulus increased in the sequence of A[3 630 t/（km2·a）]＜C[6 350 t/（km2·a）]＜B[7 860 t/（km2·a）]＜D[15 730 t/（km2·a）]＜E[26 000 t/（km2·a）].The results showed that technique A had better performance on the vegetation growth status and soil texture improvement aspects，and solved the problems such as the difference of stability of the artificial plant communities and the water and soil erosion in the experimental area，and successfully completed the experimental area of ecological restoration.And the technique A has a good reference function in the practice of the field or similar regional ecological restoration projects.

opencast coal mine；planting technology；ecological restoration

Q145;S157

A

1005-3409（2017）01-0187-07

2016-02-25

2016-03-20

中國中鐵股份有限公司重點科研項目（2012-重點-53）；中鐵科學研究院青年基金（2015-KJ006-Z006-XB）；科技部專項資助項目（2012EG123033）

孔令偉（1989—），男，山西祁縣人，助理工程師，主要從事地質災害防治和生態修復工作。E-mail：konglw192819＠163.com

薛春曉（1981—），男，內蒙古鄂爾多斯人，高級工程師，主要從事生態修復與風沙防治工作。E-mail：xcx0931＠163.com