陳玉碧，黃錦樓，* ，徐華清，2，趙 波，陳文蝦，程冠全，馬慧君

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085;2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增長，煤炭作為主要能源開采量越來越大，開采帶來的人為干預(yù)和擾動(dòng)強(qiáng)度大，造成生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞。存在問題主要是煤炭開發(fā)占用和破壞土地、地形地貌及景觀破壞，其次是礦業(yè)活動(dòng)引發(fā)的地面塌(沉)陷、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，固體廢棄物對(duì)環(huán)境的影響以及礦業(yè)開發(fā)對(duì)地下水系統(tǒng)的影響與破壞等問題。針對(duì)這些問題，國家、地方投入大量的人力財(cái)力，如神華集團(tuán)馬家塔露天煤礦投入資金2650萬元，復(fù)墾土地 124.87 hm2，也初見成效［1］。而目前礦山生態(tài)修復(fù)工作還停留在完成復(fù)墾任務(wù)和單一技術(shù)的研究，并未形成一個(gè)“以集成統(tǒng)籌技術(shù)，以技術(shù)指導(dǎo)修復(fù)，以修復(fù)實(shí)現(xiàn)復(fù)墾，以復(fù)墾創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)濟(jì)，以經(jīng)濟(jì)回饋修復(fù)”的生態(tài)修復(fù)與產(chǎn)業(yè)模式耦合系統(tǒng)。

1 研究區(qū)域概況及研究現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古煤炭資源極其豐富，已查明和預(yù)測(cè)含煤盆地180余個(gè)，面積約1118萬km2。該地區(qū)屬于半干早大陸性氣候，常年干早少雨，平均降水量為400mm左右，年蒸發(fā)量是年降雨量的5—6倍，水資源嚴(yán)重缺乏，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，春秋冬三季的風(fēng)蝕和夏季水蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致植被覆蓋率低。一方面是礦區(qū)資源日益枯竭，產(chǎn)業(yè)鏈條難以維繼;另一方面是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化，地表塌陷、水土流失和土地沙漠化、固體廢棄物壓占污染土地等，人民生活環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。

針對(duì)以上問題，不少專家學(xué)者從生態(tài)修復(fù)和環(huán)境治理方法進(jìn)行了探索與試驗(yàn)研究。張成梁［2］提出師法自然生態(tài)修復(fù)法，模擬自然，修復(fù)之后無受損痕跡;肖武和胡振琪［3］等人在分析采前地面地形特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦開采計(jì)劃，對(duì)地表動(dòng)態(tài)沉陷過程進(jìn)行了模擬，分析煤炭開采影響下地面土地利用變化的動(dòng)態(tài)過程，以確定復(fù)墾時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)邊采邊復(fù);肖雪毅和陳保冬［4］試驗(yàn)證明叢枝菌根真菌對(duì)礦山重建具有物種多樣性的植被具有潛在作用，畢銀麗等人［5］通過接種菌根真菌和根瘤菌等微生物，對(duì)煤矸石和粉煤灰進(jìn)行生物改良，表明植物根系對(duì)基質(zhì)理化性狀有一定的改良與培肥作用;曹世雄等人［6］提出穴襯膜栽植技術(shù)防滲漏抗旱造林方法，確保水分在短期內(nèi)不會(huì)被蒸發(fā)、滲漏，大大提高了樹木的成活率，同時(shí)，隨著雨季到來，充足的水分還可使薄膜自動(dòng)降解，防止了水分無法正常滲漏的危險(xiǎn)。

本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究了半干旱生態(tài)脆弱礦區(qū)生態(tài)修復(fù)及礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與產(chǎn)業(yè)模式耦合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑及優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)分析了該耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)潛力。

2 生態(tài)修復(fù)與產(chǎn)業(yè)模式的耦合系統(tǒng)

2.1 耦合系統(tǒng)流程

該耦合核心圍繞“1大生態(tài)系統(tǒng)，6個(gè)技術(shù)系列”進(jìn)行技術(shù)集成，以重塑的地形作為中心，自然有山脊和低洼地起起伏伏，向外發(fā)散各個(gè)子環(huán)節(jié)。廢棄的煤矸石可作為處理礦井水的人工濕地基質(zhì)和制保水增肥基質(zhì)的原料，處理礦井水吸附飽和的基質(zhì)又能和農(nóng)林有機(jī)廢棄物做保水增肥的基質(zhì);利用處理的礦井水可以作為非食用作物的灌溉，種植的能源作物可以通過能源轉(zhuǎn)化或提取得到能源和其他資源性產(chǎn)物;利用太陽能風(fēng)能集成作為灌溉、礦井水凈化等系統(tǒng)動(dòng)力和能源，將地下水、經(jīng)凈化的礦井水或儲(chǔ)蓄的雨水，提升至經(jīng)地形重塑后的高程點(diǎn)進(jìn)行貯存進(jìn)而根據(jù)重力流作用適時(shí)對(duì)周邊土地進(jìn)行灌溉;廢棄的煤矸石與農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過免燒或低溫?zé)瞥删哂幸欢ㄐ螒B(tài)的保水增肥材料，鋪設(shè)于復(fù)墾土地之下作為輸水和蓄水管道，同時(shí)釋放肥力和增加氧氣;經(jīng)復(fù)墾土地用以種植黃芪等中草藥經(jīng)濟(jì)、能源作物，最后進(jìn)行高附加值產(chǎn)品提取和轉(zhuǎn)化。具體工藝流程如圖1所示。

2.2 耦合系統(tǒng)的全新理念

該耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了六方面的全新理念:

一是社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益的復(fù)合與博弈。最大程度挖掘土地產(chǎn)出和土地價(jià)值，最大化現(xiàn)有資源，為緩解當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)單一和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤貧瘠、水源匱乏的形勢(shì)提供了新途徑。

二是生物鏈-礦物鏈-服務(wù)鏈-靜脈鏈-智慧鏈的復(fù)合。由于礦區(qū)受損土地修復(fù)之后種植作物需要養(yǎng)分水分，因此在煤矸石和礦井水的處理過程中可做到恰如其分的利用，經(jīng)過煤矸石元素調(diào)配、微生物作用制復(fù)合功能肥料和保水材料，經(jīng)免燒或低溫?zé)瞥蓾B灌管道，礦井水則經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)可作為灌溉水。

三是政-產(chǎn)-研-民的結(jié)合。使政府、企業(yè)和科研單位力量集中化，使治理、修復(fù)、復(fù)墾工作科研化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化。最終，讓礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與土地復(fù)墾成為政府、企業(yè)、科研單位大力推動(dòng)和民眾積極參與的工作，實(shí)現(xiàn)利益多元化與全民化。

圖1 耦合系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of coupled systems

四是物質(zhì)流-能量流-信息流-資金流-人力流的結(jié)合。將礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的過程導(dǎo)為物質(zhì)、能量、信息、資金和人力循環(huán)和流動(dòng)的生態(tài)代謝系統(tǒng)，供給平衡，自行運(yùn)作。

五是觀念-體制-技術(shù)-文化的復(fù)合。建立礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的平衡觀念，生態(tài)代謝系統(tǒng)自行運(yùn)作體制，技術(shù)集成，文化融入，讓生態(tài)修復(fù)工程擁有精神和靈魂，賦予生命內(nèi)涵，展現(xiàn)自然與人文關(guān)懷。

六是環(huán)境污染的負(fù)面控制與生態(tài)服務(wù)的正向涵養(yǎng)復(fù)合。在未來的煤炭開采中，關(guān)注點(diǎn)不應(yīng)僅局限于破壞后的修復(fù)治理，而應(yīng)將修復(fù)治理和以受損土地和廢棄物為“資源”的生產(chǎn)和耕作過程相耦合，開采和修復(fù)同時(shí)進(jìn)行的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。在生態(tài)修復(fù)的同時(shí)，獲取“新”資源和“新”能源，從而可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)從“處理工藝”向“生產(chǎn)工藝”的轉(zhuǎn)化。

3 耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，基于廢棄物、礦井水和風(fēng)能太陽能綜合利用礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與產(chǎn)業(yè)模式耦合系統(tǒng)仍處于概念提出階段，關(guān)于耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和工藝集成的研究幾乎為空白。綜合考慮該耦合系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)、耦合目的及總體收益，以下關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)得到充分重視并重點(diǎn)研究。

3.1 露天礦區(qū)地形重塑技術(shù)

對(duì)不同歷史時(shí)期礦區(qū)及其周邊開采前后地形地貌分析研究，利用或開發(fā)地形重塑軟件，設(shè)計(jì)出一種或多種近自然地形，重塑后的景觀可最大限度保蓄水土，為本土微生物植被和動(dòng)物提供長期穩(wěn)定態(tài)環(huán)境;結(jié)合地形重塑技術(shù)，改進(jìn)開采工藝，使煤礦開采和礦區(qū)地形重塑同時(shí)進(jìn)行，減少表層土壤、矸石堆放的土地占用和生態(tài)破壞。

3.2 礦區(qū)土壤系統(tǒng)恢復(fù)重構(gòu)技術(shù)

將煤矸石、秸稈與畜禽糞便等構(gòu)成礦區(qū)復(fù)合基質(zhì)，結(jié)合菌根技術(shù)，借助向礦區(qū)復(fù)合基質(zhì)中新栽植的植物接種菌根，篩選礦區(qū)復(fù)合基質(zhì)的較優(yōu)配比以及復(fù)合基質(zhì)與菌根組合的礦區(qū)修復(fù)工藝，構(gòu)建復(fù)合基質(zhì)-植物-菌根的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，揭示菌根對(duì)礦區(qū)土壤的修復(fù)效應(yīng)、礦區(qū)恢復(fù)土壤的微生物生態(tài)特征的影響。

3.3 礦區(qū)植被恢復(fù)與群落構(gòu)建技術(shù)

通過對(duì)露天和井工開采的生態(tài)影響機(jī)理研究，構(gòu)建對(duì)應(yīng)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)，根據(jù)地貌構(gòu)成，結(jié)合物種篩選，研究露天和井工煤礦關(guān)鍵復(fù)墾模式。從整個(gè)礦區(qū)的土壤、地形、降雨及生態(tài)類型等綜合考慮，探討礦區(qū)植被恢復(fù)模式，開展生態(tài)安全格局設(shè)計(jì)。

3.4 井工開采礦區(qū)損傷監(jiān)測(cè)與綜合整治技術(shù)

針對(duì)半干旱草原退化礦區(qū)煤炭開采引起的地表塌陷、裂縫情況，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取采煤沉陷預(yù)測(cè)模型軟件的關(guān)鍵預(yù)測(cè)參數(shù)，預(yù)測(cè)出地形地貌變化，減少災(zāi)害發(fā)生對(duì)土地和環(huán)境的的影響;開發(fā)半干旱地區(qū)煤炭開采擾動(dòng)下的土地?fù)p害綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)與基于信息多源數(shù)據(jù)的快速監(jiān)測(cè)技術(shù);構(gòu)建植被快速修復(fù)與群落配置技術(shù)。

4 耦合系統(tǒng)的潛力

4.1 礦區(qū)受損環(huán)境修復(fù)的生態(tài)價(jià)值潛力

假設(shè)內(nèi)蒙全區(qū)范圍內(nèi)煤炭開采受損土地(包括歷史遺留和每年新增)全部采用本文所設(shè)計(jì)的耦合系統(tǒng)進(jìn)行地形重塑、土壤恢復(fù)和生態(tài)群落構(gòu)建，歷史遺留和每年開采新增破損土地的環(huán)境修復(fù)的生態(tài)價(jià)值潛力進(jìn)行估算。

(1)已有未復(fù)墾受損土地

根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理規(guī)劃(2011—2015年)調(diào)查，煤礦開采占用土地面積達(dá)6.41 萬 hm2，形成塌(沉)陷面積為 2.53 萬 hm2，煤矸石累計(jì)積存量10.66×108t，以煤矸石占地系數(shù)為0.04 m2/t［7］，已有未利用煤矸石占地 0.43 萬 hm2。因此，已有未復(fù)墾可修復(fù)用于耕作土地至少2.96萬hm2。

(2)每年新增受損土地

平均每開采1萬噸煤地表塌陷0.1 hm2，露天礦每開采1萬噸煤要挖損土地約0.2 hm2，露天礦正常生產(chǎn)時(shí)每采1萬噸煤，排土場(chǎng)平均壓占0.16 hm2土地。內(nèi)蒙古80%的煤炭產(chǎn)量來自井工開采［8］，根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)2012年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，原煤產(chǎn)量106194.31萬t，按采矸排矸率和洗矸排矸率綜合取15%煤矸石產(chǎn)量約15929.15萬t，可以推出，在內(nèi)蒙古自治區(qū)，每年大約會(huì)因煤炭資源的開采造成0.85萬hm2的地表塌陷，挖損土地0.42萬hm2，排土場(chǎng)壓占土地0.34萬hm2，煤矸石壓占土地637.17 hm2。因此，累積每年可修復(fù)用于耕作土地超過1.67 萬 hm2。

4.2 生態(tài)修復(fù)產(chǎn)品和能源經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)潛力

假設(shè)內(nèi)蒙全區(qū)范圍內(nèi)的煤矸石、農(nóng)牧林廢棄物全部采用本文所設(shè)計(jì)的耦合系統(tǒng)進(jìn)行處理與生產(chǎn)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)品，及在此基礎(chǔ)上種植的能源經(jīng)濟(jì)作物每年的生產(chǎn)潛力可進(jìn)行估算。

根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)2012年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，玉米產(chǎn)量1784.39萬t，豬牛羊存欄量分別是 1418.9、1238.7、8605.4 萬頭，原煤產(chǎn)量106194.31萬t，煤矸石15%產(chǎn)量，按并根據(jù)玉米秸稈［9］、牛糞［10］、羊糞［11］、豬糞［12］和煤矸石(以土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［13］測(cè)得，由于煤矸石中速效氮磷鉀含量極少，本估算中忽略不計(jì))的養(yǎng)分含量，可預(yù)估全區(qū)廢棄物的年產(chǎn)量如表1所示。參考土壤營養(yǎng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)有機(jī)質(zhì)含量30—40 g/kg、全氮1.5—2 g/kg、速效磷20—40 mg/kg、速效鉀150—200 mg/kg，取有機(jī)質(zhì) 35 g/kg、全氮 1.75 g/kg、速效磷 30 mg/kg、速效鉀175 mg/kg進(jìn)行估算，得內(nèi)蒙古全區(qū)農(nóng)牧業(yè)廢棄物及煤矸石中養(yǎng)分用于配復(fù)合基質(zhì)對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)288077.4、全氮 21915.51、速效磷 2421010.53、速效鉀2126418.29萬t，即該耦合系統(tǒng)每年最少可生產(chǎn)復(fù)合基質(zhì)21915.51萬t作為生態(tài)修復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行土壤恢復(fù)。

表1 內(nèi)蒙古全區(qū)農(nóng)牧業(yè)廢棄物及煤矸石產(chǎn)量(萬t)Table 1 Agricultural waste and coal gangue output in Inner Mongolia

假設(shè)內(nèi)蒙全區(qū)范圍內(nèi)每年新增受損土地全部修復(fù)后的80%用于種植能源經(jīng)濟(jì)作物，其中40%土地5344 hm2種植能源作物菊芋，按塊莖30t/hm2和莖葉30t/hm2［14］估算，可年產(chǎn)16萬t塊莖用于生產(chǎn)乙醇，16萬t莖葉作為復(fù)合基質(zhì)原料;40%土地5344 hm2種植中草藥黃芪，按鮮產(chǎn)量 642.3 kg/666.7m2［15］估算，可年產(chǎn)5.15萬t黃芪用于入藥。

5 結(jié)語

(1)受損土地修復(fù)任務(wù)繁重，耦合系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值潛力巨大。已有受損未復(fù)墾土地可修復(fù)用于耕作面積至少2.96萬hm2，每年新增受損土地可修復(fù)用于耕作面積超過1.67萬hm2。

(2)煤矸石、農(nóng)牧林廢棄物來源廣泛，原料充足，可就近改良土壤。每年最少可生產(chǎn)復(fù)合基質(zhì)21915.51萬t作為生態(tài)修復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行土壤恢復(fù)。

(3)耦合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著。每年新增受損土地全部修復(fù)后的80%用于種植能源經(jīng)濟(jì)作物，可年產(chǎn)16萬t塊莖用于生產(chǎn)乙醇和5.15萬t黃芪。

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