煤礦采空區(qū)土體有機重構(gòu)對植被恢復效應及生態(tài)環(huán)境影響的探討

李剛

摘 要 煤礦采空區(qū)是煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔，能引起覆巖層變動，造成塌陷、土體環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境破壞等問題。開展不同土體有機重構(gòu)方式下植被恢復效應研究不僅可以評價土體重構(gòu)效果，也可以為采空區(qū)植被恢復建設、生態(tài)重建提供基礎數(shù)據(jù)，其結(jié)果將有利于對不同土體有機重構(gòu)方式下重建植被后的環(huán)境演化規(guī)律、演變特征及其質(zhì)量優(yōu)劣進行評價，以利于分等定級，因地制宜采取相應措施，促進采空區(qū)生態(tài)重建、生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定?；诖耍瑢γ旱V采空區(qū)土體有機重構(gòu)對植被恢復效應及生態(tài)環(huán)境的影響進行探討。

關(guān)鍵詞 煤礦采空區(qū);土體有機重構(gòu);植被恢復;生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：X75;X171.4 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.088

煤礦采空區(qū)是煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔，能引起覆巖層的變動，造成塌陷、土體環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境破壞等問題，同時還會導致地表植物和土壤質(zhì)地發(fā)生變化，對礦區(qū)周邊的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1-3]。對采空區(qū)的綜合治理普遍認為是一個世界難題，尤其是在自然生態(tài)環(huán)境極為脆弱的區(qū)域，煤礦開采及其產(chǎn)生的煤礦采空區(qū)所導致的生態(tài)環(huán)境退化更為顯著[4-5]。如何解決煤礦開采活動導致的土體結(jié)構(gòu)破壞、水土流失、植被多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題是煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復的主要難題。

1 煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復研究現(xiàn)狀

1.1 煤礦采空區(qū)土體有機重構(gòu)

土體有機重構(gòu)是將一定深度的土體作為研究對象，圍繞構(gòu)成土體的材料與結(jié)構(gòu)開展研究，以置換、復配、增減等技術(shù)手段，對退化型、污染型、損毀型、低效型等缺陷土體或未利用土體進行再生或重構(gòu)，將土體重塑為可支撐生命特征，實現(xiàn)生命體生存、繁衍的土壤。通過土體有機重構(gòu)技術(shù)手段可以有效改善土體的結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分，修復土體中的重金屬、有機污染物等，為進一步植被恢復提供良好的環(huán)境條件。

1.2 煤礦采空區(qū)治理現(xiàn)狀

西方發(fā)達國家較早開始關(guān)注煤礦采空區(qū)治理并付諸實踐，對煤礦采空區(qū)的整治以土地綜合治理和生態(tài)環(huán)境重建為主要內(nèi)容。我國煤礦采空區(qū)治理起步較晚，從最初的土地復墾到生態(tài)修復到綜合治理，有關(guān)研究不斷深化。目前，國內(nèi)外對于煤礦采空區(qū)的治理主要包括以下3方面的內(nèi)容。

1）煤礦采空區(qū)的土地整治，包括煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復以及煤礦采空區(qū)的綜合治理[6-8]。最初的煤礦采空區(qū)治理是以恢復土地的可利用狀態(tài)為目標進行，其主要措施包括填充治理和非填充治理兩大類[9]。其中，填充治理主要是先將采空區(qū)表層熟土剝離，利用煤礦開采后產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰以及泥漿等材料對采空區(qū)的深坑進行回填，最后將剝離的表土再覆蓋在土地表層，使土地達到可利用狀態(tài)[10]。一些采空區(qū)的治理只需通過就地平整、挖深墊淺等方法對采空塌陷地區(qū)進行土地修整，使其達到可以使用的狀態(tài)[11-12]。

2）隨著技術(shù)的發(fā)展，煤礦采空區(qū)治理在土地復墾的基礎上進一步實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境修復[13-14]。煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復技術(shù)主要體現(xiàn)在土地復墾和生態(tài)環(huán)境重建兩大方面，主要措施為植樹造林[15-16]。

3）近年來，煤礦采空區(qū)的治理體現(xiàn)出了因地制宜的治理原則，在煤礦采空區(qū)創(chuàng)新性利用資源，實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益相統(tǒng)一，主要產(chǎn)業(yè)模式包括發(fā)展林業(yè)、農(nóng)業(yè)種植、漁業(yè)養(yǎng)殖以及農(nóng)林牧漁業(yè)綜合開發(fā)等，最終實現(xiàn)土地生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。此外，還有一些煤礦采空區(qū)通過發(fā)展礦山公園、自然資源旅游、科學研究基地等方式實現(xiàn)煤炭采空區(qū)的綜合治理[17]。

1.3 土體有機重構(gòu)對植被恢復及生態(tài)環(huán)境的影響

植被恢復與重建是煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素，主要表現(xiàn)在植被個體的生理特征和群落特征。但是開展植被恢復需要良好的土體結(jié)構(gòu)和無污染的土壤作為支撐條件，所以在煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復治理之前，最重要的環(huán)節(jié)是進行土體有機重構(gòu)。

地表蒸散發(fā)（ET）和生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力（GPP）是陸表生物地球物理和生物地球化學過程中的兩個關(guān)鍵變量。ET連接了地表能量、水分和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)等物質(zhì)和能量交換過程，是生態(tài)環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)響應研究的核心過程之一[18-22]。開展不同土體有機重構(gòu)方式下植被恢復效應研究不僅可以評價土體重構(gòu)效果，也可以對煤礦采空區(qū)的地表蒸散發(fā)和總初級生產(chǎn)力等生態(tài)環(huán)境指標產(chǎn)生正面影響，進而為采空區(qū)植被恢復建設、生態(tài)重建提供基礎數(shù)據(jù)，其結(jié)果將有利于對不同土體有機重構(gòu)方式下重建植被后的環(huán)境演化規(guī)律、演變特征及其質(zhì)量優(yōu)劣進行評價，以利于分等定級，因地制宜地采取相應措施，促進采空區(qū)生態(tài)重建、生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。

2 煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復研究存在的問題

國內(nèi)外對于煤礦采空區(qū)的相關(guān)研究和實踐持續(xù)開展，但在治理模式上多以實踐經(jīng)驗為主，缺乏系統(tǒng)的理論研究，在治理效果評價上定性研究多、定量研究少。

1）煤礦采空區(qū)土體與生態(tài)環(huán)境問題很復雜，只依靠土地平整和植樹造林為主的生態(tài)修復措施難以實現(xiàn)最佳的治理和修復效果。2）在煤礦采空區(qū)土地整治方面，傳統(tǒng)的填充治理已經(jīng)較為成熟，主要包括采礦廢棄物回填和注漿治理，但是對于土地耕作層的治理僅僅停留在表土回填、就地平整、挖深墊淺等層面，只側(cè)重于將煤礦采空區(qū)恢復到可利用狀態(tài)，鮮有涉及到土體構(gòu)型的優(yōu)化和重構(gòu)等更高層次的開發(fā)利用，土地復墾的穩(wěn)定性和可持續(xù)性差。3）在煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復以及煤炭采空區(qū)的綜合治理方面，目前的研究方法和措施僅局限于植樹造林，對于樹種的選擇僅依靠經(jīng)驗，側(cè)重于把煤炭采空區(qū)修復成與原來土地利用狀態(tài)部分或完全不同的復雜人工生態(tài)系統(tǒng)，而對于具有抗逆性鄉(xiāng)土物種篩選研究和工程實踐較少，且嚴重忽視了煤炭采空區(qū)土壤污染修復和地質(zhì)災害治理等。由于理論研究滯后，體系欠缺，煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復具有一定的盲目性[23-26]。

3 土體有機重構(gòu)對煤礦采空區(qū)植被恢復及生態(tài)環(huán)境重建具體對策

在煤礦采空區(qū)開展大規(guī)模的土體有機重構(gòu)與生態(tài)恢復重建是一種強烈的人類活動影響區(qū)域自然環(huán)境的表現(xiàn)，如何保證這種人類活動對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響是正面的、可持續(xù)性的，需要進行深入研究。目前對于煤礦開采過程對區(qū)域氣候和生態(tài)系統(tǒng)影響的研究受到越來越多的關(guān)注，大部分學者主要利用區(qū)域氣候模式和水文模型模擬研究煤礦開采對于該區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境變化的影響。然而對于區(qū)域內(nèi)土地復墾和植被重建對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的定量、系統(tǒng)性影響研究有限。

3.1 主要技術(shù)手段

土體有機重構(gòu)的技術(shù)手段主要是針對煤礦采空區(qū)土體污染及損毀現(xiàn)狀，開展包括土地工程基礎勘察、土體有機重構(gòu)力學特性研究、土體有機重構(gòu)顆粒配給、土體有機重構(gòu)剖面層級重構(gòu)、土體有機重構(gòu)生化需求配給、土體有機重構(gòu)生物營養(yǎng)保障（養(yǎng)分需求、微生物恢復）等核心內(nèi)容的土體有機重構(gòu)技術(shù)研發(fā)工作[27]。

3.2 具體實踐

1）在土地復墾完成的基礎上，煤礦采空區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)綜合治理的成敗取決于對植物的優(yōu)化配置和科學篩選以及對水資源的合理利用。通過調(diào)查采空區(qū)及周邊鄉(xiāng)土物種生長狀況和性狀，篩選用于土體穩(wěn)定性維持、污染土壤修復的備選鄉(xiāng)土物種（喬-灌-草-隱花植物）[28]。

2）利用所篩選出的鄉(xiāng)土物種生長、繁殖特點，生態(tài)適應性及演替及其與土壤水文過程、土體污損狀況的關(guān)系，針對污染土體植物修復、損毀土體穩(wěn)定性、抗旱造林等不同修復類型，研究不同土體有機重構(gòu)方式下備選物種的生理生態(tài)與功能性狀，并開展分區(qū)域的植被重建關(guān)鍵技術(shù)研究（物種搭配組成、種植規(guī)模及調(diào)控技術(shù)），評估其對煤礦采空區(qū)環(huán)境的適應表現(xiàn)，為以生態(tài)功能恢復為主的煤礦采空區(qū)植被重建提供支撐[29-31]。

3）針對區(qū)域內(nèi)土體污染和損毀等環(huán)境問題，構(gòu)建新的礦區(qū)復墾土體構(gòu)型，加快自然修復和土壤質(zhì)量演化的速度，可以在較短時間內(nèi)消除土地荒蕪、土體污染等生態(tài)環(huán)境問題，有效提升土地復墾的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

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