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(fù)效應(yīng)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(fù)建設(shè)、生態(tài)重建提供基礎(chǔ)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(yīng)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。基于此，對煤礦采空區(qū)土體有機重構(gòu)對植被恢復(fù)效應(yīng)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(fù);生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：X75;X171.4 文獻標(biāo)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(dǎo)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(rèn)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)的主要難題。

1 煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)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(fù)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(fù)土體中的重金屬、有機污染物等，為進一步植被恢復(fù)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(fù)墾到生態(tài)修復(fù)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(fù)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(fù)土地的可利用狀態(tài)為目標(biāo)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(fù)墾的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境修復(fù)[13-14]。煤礦采空區(qū)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要體現(xiàn)在土地復(fù)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(xué)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(fù)及生態(tài)環(huán)境的影響

植被恢復(fù)與重建是煤礦采空區(qū)生態(tài)恢復(fù)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(fù)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(fù)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(xué)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(yīng)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(fù)效應(yīng)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(biāo)產(chǎn)生正面影響，進而為采空區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)、生態(tài)重建提供基礎(chǔ)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(yīng)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(fù)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(fù)雜，只依靠土地平整和植樹造林為主的生態(tài)修復(fù)措施難以實現(xiàn)最佳的治理和修復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)成與原來土地利用狀態(tài)部分或完全不同的復(fù)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(yán)重忽視了煤炭采空區(qū)土壤污染修復(fù)和地質(zhì)災(zāi)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(fù)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(fù)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(fù)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(xué)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(fù)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(chǔ)勘察、土體有機重構(gòu)力學(xué)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(fù)）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(fù)墾完成的基礎(chǔ)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(xué)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(fù)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(yīng)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(fù)、損毀土體穩(wěn)定性、抗旱造林等不同修復(fù)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(yīng)表現(xiàn)，為以生態(tài)功能恢復(fù)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(fù)墾土體構(gòu)型，加快自然修復(fù)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(fù)墾的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

參考文獻：

[1] Zhang JX，Li M，Taheri A，et al.Properties and Application of Backfill Materials in Coal Mines in China[J].Minerals，2019，9（1）：53.

[2] 吳曉華，葉進霞，夏春英，等.兗州煤田礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀與治理對策[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008（1）：53-57.

[3] 馮穎雪.黃土緩坡丘陵區(qū)采煤塌陷對土壤侵蝕與土地利用的影響[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2017.

[4] 方榮耀.煤礦采空區(qū)的地震響應(yīng)特征分析[D].太原：太原理工大學(xué).2018.

[5] 王剛，王婷.關(guān)于煤礦采空區(qū)建筑結(jié)構(gòu)抗變形處理措施的探討[J].能源技術(shù)與管理，2014，39（6）：150-152.

[6] 朱亞威.鶴崗市交通煤礦地表沉陷規(guī)律及在生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用[D].哈爾濱：黑龍江科技大學(xué)，2018.

[7] 武杰.煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分析及治理[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2018（3）：102-103.

[8] 仵撥云，李永紅，向茂西，等.煤礦采空區(qū)地面塌陷及其環(huán)境效應(yīng)[A].陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站學(xué)術(shù)研討會論文匯編[C].西安：陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，2015：6.

[9] 王巧妮，陳新生，張智光.采煤塌陷地復(fù)墾研究綜述[J].中國國土資源經(jīng)濟，2009，22（6）：23-24，47.

[10] 高彥生，姬宗皓，王魯平.濟寧市采煤塌陷地現(xiàn)狀分析與治理研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2009（S1）：75-76.

[11] 吳言忠，邢志良.采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾的綜合利用研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2007（3）：75-76.

[12] 諸葛雷，王其雷，宋宗超.山東省采煤塌陷地綜合治理模式研究[J].山東煤炭科技，2015（4）：166-167.

[13] 蔣業(yè)林，胡賢江，潘庭雙.塌陷區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重建探討[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2002（1）：113-115.

[14] Arup S，Mitra AK.Reclamation of mining-generated wastelands at alk-usha Gopalpur abandoned open cast project，ranging coalfield eastern India[J].Environmental geology，2002（1）：39-47.

[15] 卞正富.我國煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2005（6）：1673-2464.

[16] 王林，曹珂，車軒，等.礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)研究進展[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013，29（12）：170-172.

[17] 夏春光.重慶市采煤塌陷地生態(tài)修復(fù)研究[D].重慶：西南大學(xué)，2015.

[18] Cheng L，Zhang L，Wang YP，et al.Recent increases in terrestrial carbon uptake at little cost to the water cycle[J]. Nature Communications，2017，8（1）： 110.

[19] Li G，Sun SB， Han JC，et al.Corrigendum to“Impacts of Chinese Grain for Green program and climate change on vegetation in the Loess Plateau during 1982—2015”[Sci. Total Environ. 660 （2019） 177–187][J].Science of the Total Environment，2019，665.