我國煤矸石山水分研究進(jìn)展

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 2云南潤滇節(jié)水技術(shù)推廣咨詢有限公司)

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]。煤矸石的產(chǎn)量約占煤炭開采量的10%-25%,全國每年約新增煤矸石 4億 t,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)境問題和社會問題。目前,我國除了少部分的煤矸石作為煤礦沉陷區(qū)裂縫的填充物、煤矸石發(fā)電廠燃料以及建筑材料等,大部分未被利用,對生態(tài)環(huán)境造成了很大影響。為了改善這種狀況,在煤矸石山進(jìn)行植被恢復(fù)與生態(tài)重建是解決煤矸石破壞生態(tài)環(huán)境的最好方法。

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)定的最敏感的限制因子,也是制約植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境重建的決定性因子[3]。土壤水分主要存在于土粒間的非毛管孔隙和毛管孔隙中,由于煤矸石山缺乏持水力強(qiáng)的毛管孔隙,導(dǎo)致煤矸石山植被恢復(fù)中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,我國的一些礦區(qū)就開展過煤矸石山植被恢復(fù)的實(shí)踐。隨著實(shí)踐中遇到的問題日益增多和突出,許多學(xué)者就開始了對煤矸石山立地條件的研究。關(guān)于煤矸石的土壤水分研究,也得到了初步的進(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方面。

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)的、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,山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的段永紅等[4]就以陽泉礦務(wù)局 9號煤矸石山頂部風(fēng)化殼為研究基地,取該風(fēng)化殼 0-30 cm的表層風(fēng)化物為研究對象,經(jīng)過 8個(gè)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,其水分含量隨降水量的多少而增減,矸石風(fēng)化層 0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm的水分含量隨降水量增減的幅度依次減少。同時(shí),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榮枯。這也從側(cè)面反映,水分對矸石山的植物生長至關(guān)重要。

如果段永紅等的研究還僅限于矸石山 30 cm深以內(nèi)的淺層風(fēng)化物的水分特征,且水分含量的測定仍采用傳統(tǒng)的烘干稱重法,那么杜永吉和張成梁等[5]于 2009年采用澳大利亞生產(chǎn)的 DIVINER2000便攜式土壤水分測定儀,定位測定自燃煤矸石山深度為 0-100 cm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,既是研究區(qū)土壤水分測定技術(shù)的一次革新,也是對煤矸石水分特征研究的深入。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(gè)時(shí)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(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究,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[6](2008年)以陽泉市 280號煤矸石山為研究對象,初步研究了煤矸石山風(fēng)化堆積物水分的動(dòng)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 4個(gè)深度(0-15 cm、15-30 cm、30-45 cm、45-60 cm)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,0-60 cm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)化物水分平均含量也相應(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。在降水量較少或是降水次數(shù)多、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 30-40 cm深處有明顯的干層,使得煤矸石山下層在旱季保持有較多的水分。

綜合眾多對煤矸石山水分狀況的研究[7-10],總結(jié)出: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。這對于大多數(shù)植物根系來說,很難吸收利用。這就不難說明煤矸石山植被的生長恢復(fù)狀況普遍不好的原因。

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)水分能力、水分運(yùn)動(dòng)性質(zhì)等具有關(guān)鍵的作用。

張光燦等[11](2002年)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,不僅得出了煤礦區(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(jì)入滲量隨入滲時(shí)間的變化呈線性增加,即入滲速率為不隨入滲時(shí)間變化的常數(shù)。胡振琪等[12]于 2005年在某煤矸石山選取了 8個(gè)有代表性的地段,測試其入滲規(guī)律,結(jié)果表明:煤矸石各個(gè)測點(diǎn)的入滲量隨時(shí)間的變化規(guī)律成線性關(guān)系。

總結(jié)上述二人的研究結(jié)果,得出煤矸石山入滲的一致規(guī)律,表達(dá)通式為:I=a+bt,I為入滲量,t為入滲時(shí)間。說明煤矸石山的入滲速率是一個(gè)常數(shù)。

而續(xù)海龍和魏忠義[13](2009年)在撫順西露天煤礦復(fù)墾矸石山選取榆樹林地、荒草地、農(nóng)田地 3種典型地段,采用雙環(huán)法分別對 3種典型復(fù)墾植被類型進(jìn)行煤矸石的水分入滲測定,結(jié)果表明:林地質(zhì)地較差,不同植被類型的初始滲透率、穩(wěn)滲率、平均入滲率均表現(xiàn)為:榆樹林地 ＞荒草地 ＞農(nóng)田地;且不同植被類型煤矸石復(fù)墾地的入滲規(guī)律仍然與土壤物理中常用的 Kostiakov入滲方程(f(t)=kt-α,f(t)為入滲速率,mm/min;t為入滲時(shí)間,min;a為入滲指數(shù))存在較好的擬合關(guān)系,說明煤矸石的入滲速率隨入滲時(shí)間成指數(shù)遞減。

上述說明:關(guān)于煤矸石的入滲問題,仍存在不同的研究觀點(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[13]得出煤矸石的入滲規(guī)律與農(nóng)業(yè)土壤、林業(yè)土壤相類似的結(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;而張光燦、胡振琪[11-12]等持有煤矸石的入滲速率是常數(shù)的觀點(diǎn),可能是試驗(yàn)選取地的煤矸石風(fēng)化程度低,結(jié)構(gòu)性極差,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,它是多種多樣的氣候、地貌、地形、土壤、水文、生物、植被等因子的綜合。水分作為煤矸石山植被恢復(fù)的限制因子之一,由于生態(tài)系統(tǒng)中的各個(gè)因子之間的相互作用,水分也會受煤矸石山其他立地條件的影響。

鄭國強(qiáng)等[14](2008年)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:煤矸石山溫度在垂直方向隨著深度的增加有上升趨勢,而水分含量在垂直方向因溫度升高逐步下降,其水分含量較自燃煤矸石山平均高出 10%-15%。這個(gè)研究結(jié)果表明,煤矸石山的自燃以及煤矸石的特性導(dǎo)致了煤矸石的溫度與黃土不同,溫度對煤矸石水分有較大的影響;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,控制它的溫度。

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,包括水分狀況,都會得到較大改善。續(xù)海龍等[13](2009年)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[15](2008年)對王莊煤礦植被恢復(fù)后的煤矸石山的調(diào)查試驗(yàn)還得出,高覆蓋度林地將改善矸石山土壤滲透特性,并提高煤矸石山表層的持水能力。張光燦等[11](2002年)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減少煤矸石山滲透速率,提高煤矸石山的持水和保肥能力的作用;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)境問題才引起各國的爭相研究。截至目前為止,眾多研究中最成功的仍是生物造田。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,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?加入適量水,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)合肥料增加土壤疏松、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),已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

水分作為煤矸石山生態(tài)恢復(fù)最重要的限制因子,對其進(jìn)行科學(xué)的研究,將大大提高煤矸石山植被恢復(fù)與生態(tài)重建的成功機(jī)率。但是,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,僅簡單的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)(如隨著煤矸石風(fēng)化程度的加深、煤矸石中重金屬的含量等)對煤矸石水分的影響。比如本文中關(guān)于煤矸石入滲規(guī)律的研究,出現(xiàn)兩種差異顯著的結(jié)論,就是未考慮煤矸石風(fēng)化程度對入滲的影響。

(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,它綜合了氣候、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,是否在它們的根系存在著某種微生物,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)針對煤矸石水分研究的新進(jìn)展,加快轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用的速度。如往煤矸石中添加新型材料的粘合劑,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)行灌溉等。

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