馮國寶，阮夢穎，李海波，李鵬波，胡振琪

(1.山西潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司，山西省長治市，046204；2. 中國礦業(yè)大學(北京)，北京市海淀區(qū)，100083；3. 天津城建大學，天津市西青區(qū)，300384)

0 引言

煤矸石是煤炭開采、分選及加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，隨著煤礦的開采，煤矸石的產(chǎn)出量一般占原煤產(chǎn)量的10%～30%，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤矸石累計量已達35億t以上。煤矸石的大量堆棄不僅對大氣、水體及土體造成污染，而且會對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成破壞，最終導致礦區(qū)內(nèi)植物物種多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降以及生態(tài)功能的退化[1-2]。近年來，國內(nèi)外對煤矸石山的復墾大多通過滅火、整地、植被重建等方法，對煤矸石山進行生態(tài)環(huán)境修復。煤矸石山的綠化造林也是我國礦山復墾工作的重要內(nèi)容之一[3-4]。

潞安礦區(qū)位于山西省東南部的沁水煤田東部邊緣中段，地跨長治、襄垣、屯留、潞城和長子等市縣。礦區(qū)分為南北二區(qū)，北區(qū)包括現(xiàn)有的生產(chǎn)礦井及近期規(guī)劃區(qū)，南區(qū)為長治礦區(qū)。潞安礦區(qū)矸石山的類型主要分為填溝堆放和平地起堆。山西潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司常村煤礦(以下簡稱“常村煤礦”)矸石山位于長治市屯留縣境內(nèi)208國道西，北靠常村礦區(qū)，西倚太長高速公路，總占地面積為0.066 1 km2，東西走向256 m，南北寬為256 m。

常村煤礦煤矸石山的總堆量約為300萬t，礦井平均每天出矸2 980 t。治理前矸石山南北寬約為260 m，東西長約為260 m，高度約為55 m，坡度為21°～43°，由地面起堆，未發(fā)生過自燃。常村煤矸石山治理前如圖1所示。

圖1 常村煤礦煤矸石山治理前

1 常村煤礦煤矸石山整形整地

1.1 煤矸石山整形

煤矸石山整形分為全面整形和局部整形。全面整形主要是指全面客土覆蓋，改良矸石山表層土壤理化性質(zhì)，便于全面恢復植被，提高地表植被覆蓋率；局部整形主要指局部帶式客土整形，形式包括水平帶狀、帶狀、水平階、水平溝、反坡梯田和魚鱗坑。

常村煤礦按照既經(jīng)濟省工又能較大程度改善立地質(zhì)量的原則，采用了局部整地的方式。在局部整地方式中，主要采用了帶狀整地法和塊狀整地法。帶狀整地采用反坡梯田的方法，塊狀整地采用魚鱗坑的方法。常村煤礦煤矸石山整形示意如圖2所示。

圖2 常村煤礦煤矸石山整形示意

根據(jù)煤矸石山具體的地形情況，將坡面自上而下整理成反坡傾斜梯田，梯田的田面寬度為1～3 m、反坡傾斜角度為2°～8°，梯田隔坡的水平間距為2～5 m，整地后坡面坡度要降低到30°以內(nèi)，遇到火點尤其要推散開降溫；魚鱗坑是指形似半月形的坑穴，規(guī)格分為大小2種，整形時沿著等高線自上而下開挖，大魚鱗坑長度為0.8～1.5 m、寬度為0.6～1.0 m，小魚鱗坑長度約為0.7 m、寬度約為0.8 m，坑與坑呈“品”字形，以利于保土蓄水。

1.2 覆土整地

對常村煤礦煤矸石山進行整形后，再進行覆土工程再塑土體。覆土深度是各種覆土整地技術指標中最重要的一個指標[5-6]，適當?shù)卦黾痈餐辽疃?，加厚疏松肥沃土層，有利于植物的生長和發(fā)育，加快山體植被恢復的速度。一般煤矸石山覆土整地的厚度依照植物種類的不同采取不同的覆土厚度，草本植物為15 cm、小灌木為30 cm、大灌木為45 cm、小喬木為60 cm、大喬木為100 cm。整地寬度不宜過大，以反坡梯田為例，在坡度分別為20°、30°和40°條件下，其整地寬度依次以1.5 m、1.0 m和0.8 m為宜。整地長度隨地形破碎程度、裸巖和坡度而確定。

1.3 灌溉與排水

為了合理、有效地利用水資源，沿煤矸石山建立灌溉和排水系統(tǒng)，用于保持修復后矸石山植被的水肥需求和山體排水需求，保持植物生長，避免水土流失[1, 5, 7]。為滿足矸石山的灌溉需求，在山頂構(gòu)建蓄水池，蓄水池的大小視降雨量多少和被澆灌植物需水量的大小而確定。山上澆灌水的主管道、支管道布置要滿足山體各部位都能澆到水，有條件的地區(qū)還可安裝噴灌設備和滴管，以便節(jié)約用水，并能多次少量澆水，既能滿足植物需要、降低地表溫度，又能增加葉面濕度。

截水工程是將矸石山的雨水截留在排水溝和草溝之內(nèi)，既滿足植物對水分的需求，也可預防徑流水沖刷坡體[6]。一般草溝在平臺內(nèi)側(cè)，按照地形調(diào)整至平順曲線為草溝中心線，挖到設計深度、寬度且成形后，用疏松表土覆蓋上面，每隔10～20 cm挖出1條橫向直溝，用分株法種植匍匐性草類，再覆土充分踏實。山體排水采用分級截留排水的方法，防止因雨水沖刷而引起矸石山體滑坡。排水工程為漿砌石水渠的明排工程。

2 煤矸石山植被選擇

2.1 植物選擇的原則

2.1.1優(yōu)先選擇鄉(xiāng)土樹種的原則

煤矸石山與其他土壤有著完全不同的理化性質(zhì)，立地環(huán)境與鄉(xiāng)土樹種正常生長發(fā)育的土壤條件有較大差異，需要參照區(qū)域性森林群落組成，選擇有價值的、適合生存的鄉(xiāng)土建群種或優(yōu)勢樹種，輔助外來樹種進行植被恢復。

2.1.2喬、灌、草相結(jié)合的原則

困難立地條件下的植被恢復應遵循植被演替規(guī)律[5]，模擬天然植被結(jié)構(gòu)，實行喬、灌、草復層混交是快速建造穩(wěn)定植被的科學途徑。在煤矸石山植被配置一般建議采用以灌木草本為主的群落結(jié)構(gòu)，減少喬木的使用，在斜坡上建議構(gòu)建以草本為主的草本灌木群落，在平臺上構(gòu)建以灌木為主的灌木草本群落，覆土較厚的區(qū)域可以部分種植喬木。

2.1.3抗性與生態(tài)效益優(yōu)先的原則

煤矸石山立地條件極差，覆土和整地后的土壤也會隨著煤矸石山的燃燒、微量元素的釋出等對植物的立地條件造成較大影響，因此在植物選擇中要考慮選擇耐瘠薄、耐高溫、耐污染氣體和灰塵等耐性較強的樹種。同時作為通過植被自身生產(chǎn)改良的土壤，在植物選擇方面要綜合植物自身的生產(chǎn)力和植物對土壤的穩(wěn)固作用，選擇具有較強的護土、固碳等能力的樹種，以盡快形成自然生態(tài)修復機制。

2.1.4平衡投資與效益原則

植被生態(tài)恢復過程中，由于不合理的配置和土壤改良等問題，極容易造成植被群落的再次損毀。因此在不影響植被恢復質(zhì)量的前提下，應合理安排好時間進程，在植被大面積栽植前，應對植物群落配置和植物栽植技術方法進行小面積實驗，成功后再進行大面積推廣種植，減少投資成本，避免因大面積工程失敗造成的經(jīng)濟損失。

2.2 植物種類

根據(jù)常村煤礦的氣候條件、地形條件和煤矸石山的立地條件，特別是已有的煤矸石山綠化的經(jīng)驗，結(jié)合我國煤矸石山適宜植物種類選擇的經(jīng)驗，常村煤礦煤矸石山植被恢復選擇的樹種包括9種喬木、11種灌木、10種草本、5種宿根花卉、3種藤本植物等，常村煤礦煤矸石山選擇植物種類如下：喬木：刺槐(Robiniapseudoacacia)、臭椿(Ailanthusaltissima)、枸樹(Broussonetiapapyrifera)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白皮松(Pinusbungeana)、香花槐(Robiniaidaho)、白蠟(Fraxinuschinensis)、火炬樹(RhusTyphina)、油松(Pinustabuliformis)；灌木：紫穗槐(AmorphafruticosaL.)、檉柳(Tamarixchinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、木槿(Hibiscussyriacus)、檸條(CaraganaKorshinskii)、錦雞兒(Caraganasinica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、連翹(ForsythiasuspensaVahl)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、紅瑞木(Cornusalba)、鋪地柏(Sabinaprocumbens)；草本：沙打旺(Astragalusadsurgens)、草木樨(Melilotusofficinalis)、狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaarundinacea)、冰草(Agropyroncristatum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、早熟禾(PoaannuaL.)、白三葉(Trifoliumrepens)；宿根花卉：打碗花(Calysteginhederacea)、牽?；?Pharbitisnil(Linn.)Choisy)、紅花酢漿草(Oxaliscorymbosa)、蜀葵(Alcearosea)、金光菊(RudbeckiahirtaL.)；藤本：葛藤(Puerarialobata)、紫藤(Wisteriasinensis)、爬山虎(Parthenocissustricuspidata)。

3 煤矸石山植物配置模式

按照礦區(qū)廢棄地植被恢復的目的，利用植物耐瘠薄、抗干旱、繁衍迅速、覆蓋效果好、根系發(fā)達等特點，最大程度體現(xiàn)水土保持生態(tài)效應。同時考慮常綠植物以及觀花、觀型植物的結(jié)合配置，營造適宜的生態(tài)景觀效果，發(fā)揮植被群落的效能[5, 8, 9]。

3.1 純植草型配置模式

以草本植物為主的植被配置模式。主要種植紫花苜蓿、高羊茅等喜溫暖、適合半干旱氣候的植物，利用其側(cè)根發(fā)達、繁殖快、能快速適應環(huán)境的特點，起到防止降水沖刷的護坡作用，特別是矸石山邊坡，采取植草護坡措施，以達到防止水土流失的目的。設計紫花苜蓿模式、高羊茅模式和高羊茅-紫花苜蓿模式這3種單純草本配置模式，主要播種在中坡位。

3.2 草灌型配置模式

草灌型模式主要用于固坡或熟化土壤，防止水土流失，增加土壤的有機質(zhì)含量，促進煤矸石風化，提高土壤肥力，為引入喬木打下基礎。單一的草本植物根系較淺，集中分布在土壤表層，較少能深入到巖礫層中，因此固坡能力稍差。而灌木與草本植物相比根系較深，可以達到土壤較深層，草灌結(jié)合的模式中，其根系交織在一起形成網(wǎng)絡，固坡能力增強。設計紫穗槐模式、紫穗槐-紫花苜蓿模式、紫穗槐-高羊茅模式、紫穗槐-高羊茅-紫花苜蓿模式和黃芪模式這5種灌木或草灌型模式，主要集中在中上坡位。

3.3 喬灌和喬草配置模式

這種模式的特點是樹木和草本植物同時覆蓋地表減少了地表水分蒸發(fā)，增加有機質(zhì)含量。樹木強大的深根系統(tǒng)和草本植物的淺根系統(tǒng)形成了網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，對改良土壤結(jié)構(gòu)并穩(wěn)固煤矸石起到了很好的作用。從自然植被恢復看，自然植被恢復蓋度在20%以上的矸石廢棄地即可采用喬木的模式，在喬、草復合型配置中，以喬木占65%、草本占35%為宜。

4 煤矸石山植被種植技術要點

為了保證煤矸石山植物的成活率，根據(jù)植苗造林成活的基本原理與關鍵因子，在煤矸石山植被恢復過程中不僅要重視植物品種的選擇，還要考慮植物種植技術的適宜性，以保證矸石山植物栽植的成活率。

4.1 種植時間

4.1.1春季種植

春季在土壤化凍后到樹木發(fā)芽前正是樹木開始萌動的時期，此時樹體內(nèi)貯藏營養(yǎng)物質(zhì)豐富，生理機制開始活躍，樹木的生長環(huán)境也開始好轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)在地溫升高、土壤解凍返潮。另外土壤化凍后，也便于掘苗、刨坑等工程的操作。因此春季造林應在地溫升高到植物根系開始活動，但地上部分還未發(fā)芽之前進行種植。

4.1.2夏季(雨季)造林

雨季是全年降水集中、氣溫最高的季節(jié)，土壤水分條件好，所以雨季造林有利于根系恢復和生長。但植物生長蒸騰量大，掌握好造林時間也是非常關鍵的。雨季造林關鍵是要掌握好雨情，一般是在下過1～2場透雨而且降雨穩(wěn)定之后開始造林。在華北地區(qū)，適宜的時間是“頭伏”末和“二伏”初最好，以連陰天氣為最佳時間。

4.2 種植方法

一般大面積植被恢復主要采用裸根苗種植。裸根苗造林最常用的是穴植法，種植技術的關鍵是保證苗木根系舒展，一般采用“三埋、兩踩、一提苗”的苗木栽植技術。

苗木栽植前，開挖樹穴時應將表土(淺層土)放成一堆，將心土(深層土)另外放成一堆，避免將表土和心土混放。樹穴挖好后，先將基肥放在樹穴的最下層，然后將表土碾碎，平整、均勻地放在肥料上，這樣樹苗的根部不直接接觸肥料，碾碎的表土又為根部提供了向下生長、擴展舒張的良好條件，這是第一埋，埋的是肥料和表土；接著放入樹苗，樹苗放入后進行第二埋，就是培入心土，在培土操作進行到一半時，暫停培土；將樹苗稍微向上提一下，目的是防止樹苗窩根，影響成活和生長；提苗后，不要立即埋土，這時要將已埋的土向下踩實，目的是使樹苗的根須和土壤緊密接觸，盡快吸收水分和營養(yǎng)元素，以便扎根生長，有利于樹木的成活和生長；接著進行第三埋，就是將剩下的心土埋入，一直埋到與地面平齊，進行第二次踩實，目的是使樹苗樹干挺直，也使樹苗與土壤緊密結(jié)合，以防被風吹斜；最后將土在樹苗根部打成圍土堰，注意要打成倒漏斗狀，這樣可承接雨水和灌溉水，便于水流順著樹根流下，澆水后最好覆上土(仍成倒漏斗狀)，以防水分散失，提高成活率。

4.3 苗木保護與保水

在煤矸石山這樣極端缺水的立地條件下復墾造林，苗木的水分保持是植物成活和生長的關鍵因素。苗木成活的關鍵是維持苗木體內(nèi)的水分平衡，增加種植時的苗木含水量、增加種植時的根系量和種植后的吸水量、減少種植時的葉量和種植后的蒸騰量等是苗木保護的關鍵，因此，要采取適當措施避免苗木失水和供給苗木足夠的水分。

4.4 后期養(yǎng)護

栽植完工后的苗木養(yǎng)護管理是煤矸石山植被恢復工作的一項關鍵任務。煤矸石山植被生態(tài)重建的管理重點是要加強水、肥的管理。從施工結(jié)束到植物群落成型的一段時間內(nèi)，必須適時進行基材修補、追肥、澆水、植物補種和病蟲害防治，來促進植被生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)自我演替。

5 常村煤礦煤矸石山植被重建效益

5.1 常村煤礦煤矸石山植物多樣性

2018年，根據(jù)在常村煤礦煤矸石山采集的植物標本以及調(diào)查的相關數(shù)據(jù)，常村煤礦煤矸石山已經(jīng)有植物22種，屬于11科，21屬。常村煤礦煤矸石山種植植物見表1。

5.2 常村煤礦煤矸石山土壤恢復效果

表1 常村煤礦煤矸石山種植植物

續(xù)表1

常村煤礦煤矸石山植被重建后，土壤理化性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化。針對不同坡度、坡向和坡位監(jiān)測分析了不同模式下植被恢復對土壤的改良效益，課題組選擇了常村煤礦煤矸石山不同植被恢復模式的樣地見表2。

表2 常村煤礦煤矸石山不同植被恢復模式的樣地

常村煤礦煤矸石山不同植被恢復模式下土壤理化性質(zhì)見表3。

表3 常村煤礦煤矸石山不同植被恢復模式下土壤理化性質(zhì)

由表3可以看出，經(jīng)過不同模式的植被恢復，常村煤礦煤矸石山的地溫降至23.91～26.25 ℃。高羊茅-紫花苜?；謴湍Ｊ较峦寥篮孔罡?，黃芪模式下土壤含水量最低，僅有8.90 %。土壤pH的變化范圍為5.29～7.98，鋪地柏在改良土壤酸堿度方面較弱。

常村煤礦煤矸石山不同植被恢復模式下土壤養(yǎng)分含量見表4。

表4 常村煤礦煤矸石山不同植被恢復模式下土壤養(yǎng)分含量

植被恢復后，土壤養(yǎng)分含量中速效氮的改良效果為紫穗槐-高羊茅-紫花苜?；旌夏Ｊ?紫花苜蓿>高羊茅-紫花苜蓿>黃芪>紫穗槐>鋪地柏；速效鉀的改良效果為紫花苜蓿>高羊茅-紫花苜蓿>黃芪>紫穗槐-高羊茅-紫花苜?；旌夏Ｊ?紫穗槐>鋪地柏；速效磷的改良效果為紫花苜蓿>紫穗槐-高羊茅-紫花苜?；旌夏Ｊ?紫穗槐>黃芪>高羊茅-紫花苜蓿>鋪地柏；有機質(zhì)恢復質(zhì)量為紫花苜蓿>紫穗槐>紫穗槐-高羊茅-紫花苜?；旌夏Ｊ?高羊茅-紫花苜蓿>黃芪>鋪地柏。

通過對地溫、土壤含水量、土壤酸堿度及土壤養(yǎng)分的測定和評價，鋪地柏在降低地溫、提高土壤含水量方面具有較強的潛力，而對土壤酸堿度的調(diào)節(jié)能力較弱；紫穗槐、紫花苜蓿和榆樹在調(diào)節(jié)地溫、含水量及土壤養(yǎng)分方面均表現(xiàn)出較好的效果；高羊茅和火炬樹在改善矸石山土壤環(huán)境方面處于中等水平；黃芪在調(diào)節(jié)土壤含水量和土壤養(yǎng)分的能力方面稍差。

5.3 綜合效益分析

根據(jù)監(jiān)測分析，常村煤礦煤矸石山現(xiàn)有喬木7 062株、灌木370 894株和大量花草。如果林木價值按照喬木90元/株、灌木40元/株、花草按照12元/m2計算，可取得直接經(jīng)濟效益1 626.51萬元；廢棄地變?yōu)榱值氐耐恋貎r值按照22.5元/m2計，因恢復土地資源而創(chuàng)造的經(jīng)濟效益總計148.76萬元；通過煤矸石山植被恢復，為企業(yè)節(jié)省排污、環(huán)境損害罰款可達1 292.70萬元。因此，煤矸石山植被恢復可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

常村煤礦煤矸石山植被重建可以有效控制大氣環(huán)境污染，杜絕SO2、CO、H2S等有害氣體的排放，控制了周邊水和土壤環(huán)境污染，防止了煤矸石中重金屬和酸性物質(zhì)對周邊土地的污染，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善具有較大的作用。同時良好的煤矸石山環(huán)境景觀，也為周邊居民提供了一個休閑娛樂的場所，減少了社會矛盾，提升了周邊居民的生活質(zhì)量。常村煤礦煤矸石山治理后如圖3所示。

圖3 常村煤礦煤矸石山治理后

6 結(jié)語

煤矸石山作為一種特殊的造林立地種類型，其立地條件較差，環(huán)境污染嚴重，對植被恢復提出了較高的要求。建立穩(wěn)定、高效的煤矸石山植被生態(tài)系統(tǒng)，需要針對煤矸石山的立地條件和區(qū)域植被條件，在整形整地、植被選擇、種植技術、撫育管理等方面選擇適宜的技術方法，并結(jié)合礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、重建投資等條件進行建設，才能建立煤矸石山自我演替的植被生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)礦區(qū)矸石山生態(tài)環(huán)境的綜合治理。