陳俊賢,陳振華,吳志強(qiáng),陳 川,楊江州

(貴州地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì),貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引言

“綠水青山就是金山銀山”已經(jīng)成為現(xiàn)如今生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要理念,“礦山生態(tài)修復(fù)”也是保護(hù)“青山綠水”的重要環(huán)節(jié)。趙晶等[1]以景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)探索了生態(tài)+景觀的礦山生態(tài)修復(fù)模式,并取得治理成效。王根鎖等[2]則認(rèn)為現(xiàn)階段礦山生態(tài)修復(fù)側(cè)重于研究誘發(fā)的環(huán)境負(fù)效應(yīng)原因及其修復(fù)治理技術(shù)方法,礦山生態(tài)修復(fù)也側(cè)重于對(duì)地形地貌景觀和土壤破壞的修復(fù),忽略了植被固碳方面的考慮,在全球“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下,礦山生態(tài)修復(fù)原有的環(huán)境污染治理模式和生態(tài)修復(fù)治理模式應(yīng)結(jié)合綠色低碳的理念,將礦山生態(tài)修復(fù)研究的視角從負(fù)效應(yīng)修復(fù)治理轉(zhuǎn)向“碳匯經(jīng)濟(jì)”治理[2]。摒棄“一刀切”和“一法通”的礦區(qū)修復(fù)觀念,優(yōu)化礦山土地資源再利用,構(gòu)建以“碳匯”為引導(dǎo)的礦山生態(tài)修復(fù)體系是未來礦山生態(tài)修復(fù)的發(fā)展方向。同時(shí)在“雙碳”戰(zhàn)略下,廢棄煤炭礦山修復(fù)后能夠恢復(fù)或增強(qiáng)碳匯功能,彌補(bǔ)曾經(jīng)采煤擾動(dòng)后導(dǎo)致的碳匯損失,使廢棄“碳源”真正轉(zhuǎn)為綠色“碳匯”[3]。鑒于此,對(duì)典型煤礦礦山開展以“碳匯”為導(dǎo)向的生態(tài)修復(fù)工作,估算“碳匯”指標(biāo)參數(shù)具有重要的研究意義。

2 研究區(qū)概況

2.1 礦區(qū)基本情況

研究區(qū)位于畢節(jié)地區(qū),屬黔中山原向黔西北高原山地過渡地帶,為構(gòu)造剝蝕溶蝕中山地貌。氣候特征主要為中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),平均氣溫為14.5 ℃,降水充沛。構(gòu)造單元主要為畢節(jié)北東向構(gòu)造內(nèi)大頂坡背斜南東翼。地層主有煤系地層長(zhǎng)興組(P3c)、龍?zhí)督M(P3l)和茅口組(P2m)分布于治理區(qū)西、北、東部;中部和南部周邊則為第四系雜填土(Qml)和殘坡積土(Qel+dl),物質(zhì)成分主要為粉質(zhì)粘土、亞粘土、煤矸石及其它渣石料。地表水系屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅?。區(qū)內(nèi)無河流,近南北向小沖溝較發(fā)育,沖溝水流量隨季節(jié)變化極明顯,雨季有水,旱時(shí)干涸,動(dòng)態(tài)變化顯著。土壤以黃壤、磚紅壤為主,厚度一般為30～50 cm,pH值6.5～7.5。

2.2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題

2.2.1 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分析

研究區(qū)南東側(cè)為歷史煤礦開采時(shí)期形成的地質(zhì)災(zāi)害隱患邊坡(危巖帶,如圖1所示),總體向北東45°方向延伸,長(zhǎng)度1.13 km,高度在10～80 m范圍內(nèi)。危巖帶上除巖層產(chǎn)狀外主要發(fā)育2組節(jié)理裂隙,邊坡面以內(nèi)無結(jié)構(gòu)面組合交線。該邊坡的表面受開挖爆破等活動(dòng)擾動(dòng)影響,巖體結(jié)構(gòu)類型以碎裂鑲嵌裝為主,局部為散體狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致邊坡表面時(shí)常發(fā)生零星落石、掉塊。整個(gè)危巖帶底部均可見零星崩塌堆積體,形狀以碎塊狀、孤石為主,主要粒徑范圍在1～20 cm范圍內(nèi),整個(gè)危巖帶底部零星落石掉塊形成的崩塌堆積體總體約2 000 m3左右。另外,該邊坡頂部局部地段存在零星裂隙,裂隙平面呈圈椅狀,圈椅向北西280°方向開口,總長(zhǎng)度130 m左右,以垂直發(fā)育為主,地表可見寬度在1～10 cm范圍內(nèi),通村公路路面可見該裂隙寬度2～3 cm,其他地段裂隙寬度在5 cm以上。

圖1 研究區(qū)土地資源占比Fig.1 Proportion of occupied land resource in the study area

2.2.2 含水層破壞現(xiàn)狀分析

研究區(qū)范圍內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶孔隙裂隙水,含水介質(zhì)分別為第四系殘坡積土、二疊系龍?zhí)督M(P3l)粉砂巖和泥巖、二疊系茅口組灰?guī)r。各類含水層的破壞現(xiàn)狀分析如下。

溶孔隙裂隙水:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,龍?zhí)督M未開采貫通至茅口組中間有隔水巖層,只有當(dāng)導(dǎo)水?dāng)鄬踊蚱渌麑?dǎo)水通道溝通上覆含水層水力聯(lián)系時(shí),才會(huì)對(duì)龍?zhí)督M以下地層茅口組含水層造成污染,而地下水被直接污染影響的幾率較小。

松散巖類孔隙水:因第四系全部被挖損破壞,二疊系龍?zhí)督M地層表層及上部基巖裂隙水含水介質(zhì)被挖除,原基巖裂隙水含水介質(zhì)遭受破壞?，F(xiàn)狀條件下,研究區(qū)范圍內(nèi)堆積的渣石料等成為松散巖類孔隙水的含水介質(zhì),因渣石料等空隙比大結(jié)構(gòu)松散堆積厚度大,造成松散巖類孔隙水水量增大,使得該類地下水的儲(chǔ)水含水條件發(fā)生顯著變化。

基巖裂隙水:因礦山歷史煤礦開采活動(dòng),二疊系樂平統(tǒng)龍?zhí)督M地層可以儲(chǔ)水的基巖裂隙整體海拔高度降低,基巖裂隙水的埋藏深度增加即該類地下水水位下降。

2.2.3 地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀分析

研究區(qū)的現(xiàn)狀地形地貌景觀已發(fā)生大幅改變,原始自然斜坡、洼地被挖除破壞后再次堆填改造形成以填方為主的填方地貌,主要包括填方邊坡、填方平臺(tái)(馬道、臺(tái)地)等。地形地貌景觀破壞主要分為挖損破壞和壓占破壞,如圖1所示。挖損破壞主要是煤礦通過露天開采的方式對(duì)地表植被層和第四系土層進(jìn)行剝離,再經(jīng)過煤礦采挖活動(dòng),對(duì)山體邊坡進(jìn)行改造,改造后形成近直立巖坡,南東側(cè)巖破坡高度均為80 m左右,落石掉塊零星崩塌頻繁發(fā)生。同時(shí)礦業(yè)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量廢棄土石方、煤矸石廢料,這部分廢料主要堆疊在研究區(qū)北西側(cè)造成土地資源壓占,同時(shí)新建的工業(yè)場(chǎng)地設(shè)施也會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土地資源造成壓占破壞。研究區(qū)內(nèi)土地資源、植被等壞損毀殆盡,最終確認(rèn)研究區(qū)范圍內(nèi)地形地貌景觀破壞程度為重度。

3 研究區(qū)生態(tài)修復(fù)

李樹志、牛曉耕、卞正富等[4-6]學(xué)者認(rèn)為當(dāng)前生態(tài)修復(fù)治理倡導(dǎo)自然修復(fù)的治理模式,碳中和背景下具有低碳投入特征的生態(tài)自修復(fù)、引導(dǎo)型修復(fù)模式具有一定的優(yōu)勢(shì)。SCHLESINGER[7]認(rèn)為礦區(qū)土壤和植被的恢復(fù),將使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固定大氣中CO2的潛力得到釋放,其中林地在全球碳循環(huán)中占有重要作用。植物的種植模式會(huì)對(duì)煤礦的生態(tài)修復(fù)產(chǎn)生影響,不同植物的配植可起到增加植物生物量、加快修復(fù)進(jìn)度和吸附降解有害元素等作用[8]。基于以上研究成果結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀條件,總體規(guī)劃研究區(qū)采取“地質(zhì)環(huán)境治理+生態(tài)環(huán)境治理”的方式。

3.1 地質(zhì)環(huán)境治理

地質(zhì)災(zāi)害治理:研究區(qū)東側(cè)歷史時(shí)期地質(zhì)災(zāi)害治理形成裸露巖質(zhì)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但其表面因機(jī)械或爆破擾動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)已碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)為主,局部為散體狀結(jié)構(gòu),整個(gè)邊坡表面零星落石掉塊現(xiàn)象頻繁,故采用“挖填改造+邊坡清理”的方式對(duì)該裸露巖壁進(jìn)行治理。

水環(huán)境破壞治理:針對(duì)研究區(qū)西側(cè)由研究區(qū)涌向居民區(qū)的坡面匯流(強(qiáng)降雨時(shí)段),擬在修復(fù)區(qū)邊緣適當(dāng)位置根據(jù)地形條件設(shè)置截排水溝疏導(dǎo),即采用“地表疏排”的方式進(jìn)行治理。

煤矸石自燃治理:采用“灌漿法”對(duì)煤矸石自燃點(diǎn)進(jìn)行治理,將適當(dāng)類型的漿液加壓注入地質(zhì)鉆孔內(nèi),減少煤矸石與氧氣等自燃所需氣體的接觸,阻止煤矸石自燃。

3.2 耕地、林地和草地生態(tài)環(huán)境治理

耕地旱地復(fù)墾區(qū)運(yùn)用施工機(jī)械進(jìn)行土層攤鋪平整厚度不小于0.5 m,平整后用耕地機(jī)翻耕耙平一次,然后人工撒播光葉紫花苕、三葉草、紅車軸草等綠肥草籽和普鈣的混合物,以對(duì)土壤肥力、微生物環(huán)境、蓬松度等進(jìn)行改良,綠肥作物至少生長(zhǎng)枯萎1個(gè)周期。設(shè)計(jì)旱地復(fù)墾總面積67.41 hm2。

林地整治區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)杉木類型為帶土球1～2 a以上育齡杉樹全冠苗,栽植方式為坑穴栽植,株距2 m×3 m,每公頃設(shè)計(jì)栽植株數(shù)1 850株,整地方式為機(jī)械開挖人工輔助開挖成坑穴,單株整地規(guī)格不小于0.6 m×0.6 m×0.6 m。設(shè)計(jì)復(fù)墾林地面積55.56 hm2,栽植杉樹總計(jì)92 505株。

草地復(fù)綠區(qū)采用坡面綠化方式對(duì)水土流失區(qū)域的填土邊坡表面進(jìn)行綠化,綠化草籽為草灌混合型,其中草本作物草籽建議選擇紅車軸草、白車軸草等,每公頃撒播量不小于167 kg,灌木草籽選擇火棘、大葉黃楊等,每畝撒播量不小于134 kg,播種方式為雨后人工撒播。設(shè)計(jì)播種面積11.54 hm2。

3.3 研究區(qū)成效

實(shí)施生態(tài)修復(fù)后,可修復(fù)4種地類共計(jì)149.07 hm2,見表1。其中旱地67.41 hm2、林地55.56 hm2、草地11.54 hm2和農(nóng)村道路9.27 hm2,擬修復(fù)4類二級(jí)地類總面積占研究區(qū)總面積的96.44%,不能修復(fù)為土地資源的區(qū)域?yàn)閿M綠化的巖質(zhì)邊坡區(qū)域,面積5.30 hm2占研究區(qū)面積的3.56%。

表1 生態(tài)修復(fù)工程修復(fù)土地統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of restored land by ecological restoration engineering

4 研究區(qū)碳匯估算

劉祥宏等[11]通過構(gòu)建煤礦區(qū)生態(tài)體系研究得出煤礦陸地生態(tài)系統(tǒng)是以土壤碳匯和植被碳匯為主,少數(shù)涉及濕地碳匯。根據(jù)研究區(qū)特征和 IPCC(國(guó)際氣候變化研究委員會(huì))對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的定義,將研究區(qū)碳匯估算轉(zhuǎn)換為“兩個(gè)方向、三個(gè)種類”進(jìn)行計(jì)算,即地上生物量方向和土壤有機(jī)質(zhì)方向,分別計(jì)算林地種類碳匯、草地種類碳匯和耕種類地碳匯。而生態(tài)修復(fù)區(qū)域?yàn)樾陆◤?fù)綠區(qū)域,樹種為新種,種植后根系發(fā)育較為緩慢,地下生物量不做統(tǒng)計(jì)計(jì)算;同時(shí)區(qū)內(nèi)無枯死木、枯落物,也不做碳匯計(jì)算。

4.1 地表生物碳匯儲(chǔ)量

目前,關(guān)于測(cè)算地上生物量碳匯的研究方法有生物量法、蓄積量法、渦旋相關(guān)法、渦度協(xié)方差法、弛豫渦旋積累法等[12]。不同方法計(jì)算方式的結(jié)果有著明顯差異,用生物量推算碳儲(chǔ)量是目前地上生物量碳匯計(jì)量最為準(zhǔn)確的方法。結(jié)合研究區(qū)生態(tài)修復(fù)特征,林地恢復(fù)樹種數(shù)量、胸徑和樹高基本為同一標(biāo)準(zhǔn),故本研究采用生物量擴(kuò)展因子法來計(jì)算的地上碳匯量。

4.1.1 喬木層

利用林分生物量與木材材積比值的平均值(BEF:生物量擴(kuò)展系數(shù)),乘以該森林類型的總蓄積量,得到該類型喬木層的總生物量[13]。

(1)

B喬木=V×BEF×SVD

(2)

V單ij=0.000 079 852 4×D1.742 20×H1.011 98

(3)

4.1.2 草本層

草本層地上部分碳匯量根據(jù)草本部分平均單位面積生物量、草本植物含碳率及草本層面積進(jìn)行計(jì)算。

C草木=B草木×CF草木×S草木

(4)

4.2 土壤有機(jī)質(zhì)碳匯儲(chǔ)量

目前土壤有機(jī)質(zhì)的碳儲(chǔ)量估算方法研究較少,本研究采用張穎、李曉格等學(xué)者對(duì)背景是森林碳匯潛力分析論文中計(jì)算土壤碳匯的公式進(jìn)行計(jì)算。

(5)

C土壤=SOC×S土壤面積

(6)

4.3 估算結(jié)果

根據(jù)表2面積數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)植被數(shù)據(jù)和公式(1)至(5)計(jì)算見表2。

5 結(jié)論

(1)在“雙碳”戰(zhàn)略下,煤礦礦山生態(tài)修復(fù)正逐漸從傳統(tǒng)的“一刀切”治理思想向新的復(fù)合治理模式的轉(zhuǎn)變,考慮碳匯因素后的修復(fù)方式將對(duì)區(qū)域碳平衡及緩解區(qū)域氣候變化產(chǎn)生重要影響。

(2)選取了貴州省畢節(jié)市某煤礦治理區(qū)作為生態(tài)修復(fù)和碳匯研究區(qū),通過地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)環(huán)境治理等生態(tài)修復(fù)手段對(duì)礦山進(jìn)行治理修復(fù)面積為134.51 hm2,其中林地55.56 hm2,草地11.54 hm2,耕地67.41 hm2。