裴宗陽，胡振華，劉瑞龍，陳澤銀

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801；2.云南潤滇節(jié)水技術(shù)推廣咨詢有限公司，云南 昆明 650033）

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物[1]，其產(chǎn)量占煤炭開采量的10%～25%，全國每年新增煤矸石約4億t，但綜合利用約為6000 萬t，其余部分就近混雜堆積儲存，形成煤矸石山[2]。煤矸石的大量積存會導(dǎo)致諸多的環(huán)境和社會問題。目前，在我國，雖然部分煤矸石可作為煤礦沉陷裂縫的填充物、煤矸石發(fā)電燃料以及建筑材料再利用，但大量的煤矸石仍以堆積成矸石山的形式存在。因此，煤矸石山的植被恢復(fù)與生態(tài)重建是解決煤矸石山生態(tài)環(huán)境問題的最佳途徑。

煤矸石山制約植被生長恢復(fù)的立地因子很多，研究主要集中在煤矸石中的重金屬[3]、pH值和全鹽含量[4]等方面，對于煤矸石水分方面的研究較少。水分是一切生物生存和發(fā)展的第一要素，土壤水分狀況是植物生存和穩(wěn)定最敏感的限制因子，也是制約植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境重建的決定性因子[5]。而土壤水分主要存在于土粒表面或土粒間的毛管孔隙中，由于煤矸石山缺乏持水力強(qiáng)的毛管孔隙，導(dǎo)致煤矸石山的土壤水分問題較一般的土壤更加嚴(yán)重。煤矸石山土壤水分的有效供應(yīng)就成了其生態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵因子。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代，我國一些礦區(qū)就已開展煤矸石山植被恢復(fù)的實(shí)踐。隨著實(shí)踐中遇到的問題日益增多和突出，我國的許多學(xué)者開始對煤矸石山立地條件進(jìn)行研究。關(guān)于煤矸石的水分研究，也有初步進(jìn)展，研究的重點(diǎn)主要集中在水分特征、入滲規(guī)律、其他立地條件對水分的影響等。

1.1 水分特征

土壤水分條件是影響植被成活、生存和生長最關(guān)鍵的立地因子。只有對煤矸石山的水分特征作系統(tǒng)、深入的研究，才能為煤矸石山的植被恢復(fù)提供科學(xué)的參考。

早在1991年，段永紅等[6]就以山西陽泉9號煤矸石山頂部風(fēng)化殼為研究地，取該風(fēng)化殼0～30cm的表層風(fēng)化物為研究對象，經(jīng)過8個月矸石風(fēng)化物剖面水分含量野外實(shí)地調(diào)查，結(jié)果表明，矸石風(fēng)化物具有一定的保水性能，其水分含量隨降雨量的多少而增減，且矸石風(fēng)化層0～10，10～20，20～30cm的水分含量隨降雨量增減的幅度依次減少；同時，對植物生長狀況的調(diào)查表明，矸石山上生長的植被也隨剖面水分的豐缺而枯榮，從側(cè)面反映出水分對矸石山的植物生長至關(guān)重要。

杜永吉等[7]采用澳大利亞生產(chǎn)的DIVINER 2000便攜式土壤水分測定儀，定位測定了自燃煤矸石山深度為0～100cm的黃土矸石復(fù)合層、黃土層和裸露矸石層水分體積含水率的季節(jié)變化和垂直變化，對煤矸石水分特征作了進(jìn)一步研究。根據(jù)水分含量變化規(guī)律，將自燃煤矸石山的水分季節(jié)變化分為4個時段：土壤水分消耗期（3—6月）、土壤水分積累期（7—8月）、土壤水分消退期（9—11月）和土壤水分穩(wěn)定期（12—2月）。對水分含量隨季節(jié)的動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究，為煤矸石山植被恢復(fù)中的需水過程進(jìn)行人為控制提供了科學(xué)依據(jù)。通過標(biāo)準(zhǔn)差將自燃煤矸石山土壤水分的垂直變化分為速變層、活躍層和相對穩(wěn)定層。

張銳等[8]以山西省陽泉市280煤矸石山為對象，初步研究了煤矸石山風(fēng)化堆積物水分的動態(tài)特征，結(jié)果表明，煤矸石質(zhì)地較差，礫石和塊石平均含量達(dá)86.07%；煤矸石山孔隙組成以非毛管孔隙為主，其剖面 0～15，15～30，30～45，45～60cm這4個深度的毛管孔隙度平均值分別為1.40%，1.36%，1.32%和1.17%，導(dǎo)致土壤持水量常年維持在較低水平，0～60cm的平均土壤持水量為19.7 t/hm2。煤矸石風(fēng)化堆積物水分季節(jié)性變化主要受降水量及其季節(jié)分配的影響，隨著季節(jié)性降水量的增加，矸石風(fēng)化物水分平均含量會相應(yīng)升高。煤矸石山的儲水量與降水量之間表現(xiàn)出較好的一元線性正相關(guān)關(guān)系。在降雨量較少，或降雨次數(shù)多或雨強(qiáng)較大的情況下，裸露煤矸石地的儲水量往往大于覆土煤矸石地的儲水量。一般情況下，煤矸石山30～40cm深處有明顯的干層，使煤矸石山下層在旱季保持有較多的水分。

對煤矸石山水分狀況的研究表明[9-12]，煤矸石山的水分條件差，且煤矸石的保水、持水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于植被自然生長的土壤，對于大多數(shù)植物根系來說，很難吸收利用。

1.2 入滲規(guī)律

土壤入滲是自然降水或人工灌溉水分進(jìn)入土壤的過程。它是重要的土壤水文和土壤物理指標(biāo)，對土壤的抗侵蝕能力、涵養(yǎng)水源能力、水分運(yùn)動性質(zhì)等具有關(guān)鍵的作用。

張光燦等[13]通過對山西潞安礦務(wù)局王莊煤礦的野外實(shí)地調(diào)查和試驗(yàn)觀測，得出了煤礦區(qū)矸石山人工植物群落的生長規(guī)律——煤矸石山植物群落經(jīng)過9 a的自然演替和生長過程，其種類及數(shù)量發(fā)生了較大變化，而且通過對煤矸石山刺槐種群和混交林群落的土壤入滲性能的觀測，得出刺槐種群與混交林群落具有明顯減少矸石山土壤滲透速率的作用，尤其在土壤初始入滲階段更加明顯；混交林群落對土壤滲透性的改善作用大于刺槐種群；煤矸石山的累計入滲量隨入滲時間的變化呈線性增加，即入滲速率為常數(shù)。胡振琪等[14]在某煤矸石山選取了8個有代表性的地段，測試了煤矸石的入滲規(guī)律，結(jié)果表明，煤矸石各個被測點(diǎn)的入滲量隨時間的變化呈線性關(guān)系。煤矸石山入滲規(guī)律用通式表達(dá)為：I=a＋bt，其中，I為入滲量，t為入滲時間，說明煤矸石山的入滲速率是一個常數(shù)。

續(xù)海龍等[15]在撫順西露天煤礦復(fù)墾矸石山，采用雙環(huán)法對榆樹林地、荒草地、農(nóng)田地3種典型地段下的煤矸石，進(jìn)行水分入滲測定，結(jié)果表明，林地質(zhì)地較差，初始滲透率、穩(wěn)滲率、平均入滲率均表現(xiàn)為榆樹林地＞荒地＞農(nóng)用地；且不同植被類型煤矸石復(fù)墾地的入滲規(guī)律模型，可較好地擬合土壤物理中常用的Kostiakov入滲方程為f（t）＝kt-a（式中，f（t） 為入滲速率，單位為mm/min；t為入滲時間，單位為min；a為入滲指數(shù)），進(jìn)而說明煤矸石的入滲速率隨入滲時間呈指數(shù)遞減。

關(guān)于煤矸石的入滲問題，仍存在不同的觀點(diǎn)。筆者結(jié)合新近的研究認(rèn)為，煤矸石不同的入滲規(guī)律可能與煤矸石的風(fēng)化程度有關(guān)；續(xù)海龍等[15]得出，煤矸石的入滲規(guī)律與農(nóng)業(yè)土壤、林業(yè)土壤存在類似的結(jié)論，可能是這些試驗(yàn)地的煤矸石風(fēng)化程度較高，與土壤結(jié)構(gòu)相近；張光燦等[13-14]認(rèn)為，煤矸石的入滲速率是常數(shù)，可能是由于試驗(yàn)選取地的煤矸石風(fēng)化程度較低，結(jié)構(gòu)性差，非連續(xù)的縫隙和空洞多，保水保肥性強(qiáng)的孔隙少所致。

1.3 其他立地條件的影響

煤矸石山立地條件極其復(fù)雜，是多種多樣的氣候、地貌地形、土壤、水文、生物、植被等因子的綜合。由于生態(tài)系統(tǒng)中的各個因子之間的相互作用，水分作為煤矸石山植被恢復(fù)的限制因子之一，也會受到煤矸石山其他立地條件的影響。

鄭國強(qiáng)等[16]采用野外調(diào)查試驗(yàn)、取樣和室內(nèi)分析的方法，研究了煤矸石山溫度對水分及植被生長的影響。結(jié)果表明：煤矸石山的溫度在垂直方向上隨著深度的增加有上升趨勢，而水分含量在垂直方向上因溫度升高逐步下降，其水分含量較自燃恢復(fù)煤矸石山平均高出10%～15%，表明煤矸石山的自燃及其特性導(dǎo)致了煤矸石的溫度與黃土不同，溫度對煤矸石水分有較高的影響；要改善煤矸石山的水分狀況、為植物提供適宜的生長環(huán)境，首先必須解決煤矸石山的自燃問題，控制好溫度。

眾多的研究均表明，通過植被恢復(fù)及生態(tài)重建，煤矸石山的立地條件、水分狀況都會得到較大的改善。續(xù)海龍等[15]發(fā)現(xiàn)，不同植被恢復(fù)類型，煤矸石山的水分入滲差異顯著。魏忠義等[17]對王莊煤礦植被恢復(fù)后的煤矸石山的調(diào)查試驗(yàn)得出，高覆蓋度林地能改善矸石山土壤滲透特性，并能提高煤矸石山表層的持水能力。張光燦等[13]發(fā)現(xiàn)，煤矸石山植被具有明顯改良土壤的作用，植被恢復(fù)9 a以后，煤矸石山的入滲特征有了較大改善；刺槐種群與混交林群落具有明顯降低煤矸石山滲透速率、提高煤矸石山的持水和保肥能力的作用，且混交林群落對土壤滲透性的改善作用大于刺槐純林。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外對煤矸石的利用較早，但直到20世紀(jì)60年代煤矸石導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題才引起各國重視。截至目前，眾多研究中最成功的是生物造田。由于技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，國外對煤矸石山生態(tài)恢復(fù)的工藝比較細(xì)致[18]，先篩選含有機(jī)質(zhì)較高的破碎煤矸石粉，與過磷酸鈣按一定比例混合，加入適量的活化添加劑充分?jǐn)噭?，加適量水堆漚活化即成，或在活化后摻入氮、鉀和微量元素等制成全養(yǎng)分矸石肥料。煤矸石有機(jī)復(fù)合肥料可使土壤疏松，增加透氣性，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，達(dá)到增產(chǎn)目的。正是因?yàn)閲獬墒斓拿喉肥缴镌焯锛夹g(shù)，使得煤矸石的理化特性和結(jié)構(gòu)已經(jīng)與一般的土壤相近，所以國外關(guān)于煤矸石山水分的研究比較少。

3 結(jié)論

水分為煤矸石山生態(tài)恢復(fù)最重要的限制因子，對其作出科學(xué)的研究，將會大大提高煤矸石山植被恢復(fù)與生態(tài)重建的成功性。但關(guān)于煤矸石山水分的研究仍存在著諸多亟待解決的問題。

（1）煤矸石山的水分特征和入滲規(guī)律的研究，僅簡單地考慮煤矸石物理性質(zhì)對它的影響，缺乏研究化學(xué)性質(zhì)對煤矸石水分的影響。例如隨著風(fēng)化程度的不同，煤矸石中的水分含量是否也會發(fā)生變化（本文中關(guān)于煤矸石入滲規(guī)律的研究，出現(xiàn)2種差異顯著的結(jié)論，可能就是未考慮煤矸石風(fēng)化程度對入滲產(chǎn)生的影響）以及煤矸石中不同重金屬的含量是否也會對煤矸石水分變化產(chǎn)生影響等。

（2）其他立地條件對煤矸石水分的影響研究欠缺。煤矸石山立地條件極其復(fù)雜，綜合了氣候、地貌地形、土壤、水文、生物、植被等多種因子?，F(xiàn)有的研究多集中在植被對煤矸石水分的影響，而其他立地條件對煤矸石的影響研究比較欠缺。如那些可以在煤矸石山坡面生長的植物是如何影響煤矸石性質(zhì)的，在它們的根系中是否存在著某種微生物可以生活在貧瘠的煤矸石中，并改良煤矸石山的立地狀況；地下的水文條件是否也會對煤矸石的水分產(chǎn)生影響等。

（3）煤矸石水分研究轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)有效的實(shí)用技術(shù)較慢。應(yīng)結(jié)合煤矸石水分研究的最新進(jìn)展，加快其轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用的速度。如根據(jù)煤矸石風(fēng)化程度對水分影響的研究，往煤矸石中添加新型材料的黏合劑，促進(jìn)煤矸石的風(fēng)化，改善結(jié)構(gòu)，提高植被恢復(fù)的成活率；采用科學(xué)的節(jié)水技術(shù)，為干旱的煤矸石山進(jìn)行灌溉。這些實(shí)用技術(shù)的應(yīng)用，將會極大地改善煤矸石山的生態(tài)環(huán)境，為煤矸石的科學(xué)治理提供必要的技術(shù)支撐。

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