露天煤礦排土場無法覆土區(qū)域生態(tài)恢復重建技術

刁立夫

（山西忻州神達花溝煤業(yè)有限公司，山西 原平 034117）

山西是我國的煤炭大省，多年來，為國家經(jīng)濟建設做出重大貢獻的同時，也付出了巨大的資源環(huán)境代價[1]。因此，必須做好礦山開采破壞土地的復墾工作，以有效遏制礦區(qū)地表破壞及水土流失，保護、恢復和重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[2]。為控制和減少煤炭露天開采活動占用耕地、林地，露天煤礦多選用溝深肚大的荒溝作為排土場地，在有限的排土空間內最大限度地增加其收容能力[3]，由此產(chǎn)生了排土場高陡邊坡，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著整體邊坡角度的增大而減小[4]，因此，需進行削坡開級，保障邊坡穩(wěn)定后，再行生態(tài)恢復治理。受用地和空間等因素限制，削坡開級形成的臺階寬度小、難覆土，地表物質更趨復雜、土壤理化性狀更加惡化[5]，生態(tài)恢復治理難度較大。目前，無法覆土邊坡多采用掛網(wǎng)噴播、植生毯覆蓋的生態(tài)恢復措施，見效快但成本高，管護要求較為嚴格，大面積實施資金壓力大，種植穴換土栽植或生態(tài)袋栽植也常見應用，但其工程量較大、施工成本也較高，受立地條件限制，存在一定的局限性。為探索無法覆土邊坡技術可行、經(jīng)濟適用的生態(tài)恢復重建方式，妥善解決類似條件下生態(tài)恢復治理問題，以山西忻州神達花溝煤業(yè)有限公司露天煤礦排土場無法覆土邊坡生態(tài)恢復重建的實踐為例，論證治理方式符合重建生態(tài)系統(tǒng)的群際平衡和價值取向，提出可行技術。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件

山西忻州神達花溝煤業(yè)有限公司露天煤礦位于山西省忻州市原平市段家堡鄉(xiāng)，礦田屬寧武煤田軒崗礦區(qū)，地勢南高北低，最高海拔為1 595 m，最低海拔為1 520 m，根據(jù)全國水土保持區(qū)劃，屬北方土石山區(qū)。氣候為溫帶半干旱大陸性季風氣候，多年的平均氣溫為6.2 ℃，極端最高氣溫為33.4 ℃（1961年），極端最低氣溫為-22.4 ℃（1995 年）；多年平均降雨量431.5 mm，多年平均蒸發(fā)量1 900 mm；多年的平均風速2.6 m/s，最大風速為22.0 m/s，全年主導風向為西北風；結凍期為11 月至次年3 月，全年無霜期約120 d，平均凍土深度150 cm。土壤類型主要為石灰性褐土，區(qū)域內植被以灌草為主，有少量的闊葉林分布，優(yōu)勢植物為虎榛子、沙棘、紫穗槐、白榆、蒿類等。

1.2 施工概況

研究的排土場位于礦區(qū)采掘場南側高山的陽面溝谷中，占地面積約69.33 hm2，排棄標高為1 700～1 320 m 水平，排棄物料為巖土混合物、煤矸石，因場地溝谷較深，無法將運輸?shù)缆沸拗翜瞎鹊撞窟M行自下而上逐層堆墊排棄，而采用頂端排棄的方式排棄物料，排土到界后采用挖掘機由上至下逐步進行臺階修建，以保障邊坡穩(wěn)定、便于生態(tài)恢復重建施工。為控制占地，臺階修建過程平盤寬度逐步變窄，導致部分臺階坡面無法進行表土覆蓋，因此，通過多方案比選，采用了無覆土生態(tài)重建工藝。方式為：選用1 年生沙棘、白榆、紫穗槐等鄉(xiāng)土適生苗木，植入20 cm（口徑）×25 cm（高度）的營養(yǎng)杯內裝表土先行培育，為保障成活率，每營養(yǎng)杯培育2 株同類苗木，各類苗木等比例培育，待苗木萌發(fā)出葉后連同營養(yǎng)杯移植至臺階坡面行間混栽，株行距1 m×1 m（1 個營養(yǎng)杯/m2），“品”字型分布；為保障苗木成活率、保存率，配套落實滴箭灌溉設施，實現(xiàn)點對點灌溉，各平盤修建永久性排水溝，有效疏導匯水，防止坡面沖蝕和匯水入滲影響邊坡穩(wěn)定。營養(yǎng)杯育苗、坡面栽植、滴箭安裝接續(xù)進行，于2020 年4 月開工，2020年6 月底前（雨季前）完工。

2 研究方法

對無法覆土區(qū)生態(tài)重建苗木采樣分析，樣方規(guī)格10 m×10 m，采用直接測量法獲取表征苗木生長狀況的成活率、生長高度、冠幅數(shù)據(jù)，結合對應樣地土壤和自然地貌土壤的養(yǎng)分檢測數(shù)據(jù)，通過比對分析，從植被配置適宜性、土壤演變狀況論證技術措施的可行性。樣地白榆（喬木）苗木調查見表1，樣地沙棘（灌木）苗木調查見表2，樣地紫穗槐（灌木）苗木調查見表3。

表1 樣地白榆（喬木）苗木調查

表2 樣地沙棘（灌木）苗木調查

表3 樣地紫穗槐（灌木）苗木調查

1）樣地白榆（喬木）。樣方編號：Y2－1；采樣地點：排土場1540 臺階(2020 年復墾)；采樣時間：2021－06－06；調查位置：經(jīng)度112°39′11.06″，緯度38°58′54.33″；苗木成活率88%；苗木平均高度22.23 cm；平均冠幅18.9 cm（平均冠幅為各苗木冠幅乘積后求和，取平均冠幅的算數(shù)平方根所得）。

2）樣地沙棘（灌木）。樣方編號：Y2－2；采樣地點：排土場1540 臺階(2020 年復墾)；采樣時間：2021－06－07；調查位置：經(jīng)度112°39′11.06″，緯度38°58′54.33″；苗木成活率96%；苗木平均高度35.17 cm；平均冠幅33.86 cm（平均冠幅為各苗木冠幅乘積后求和，取平均冠幅的算數(shù)平方根所得）。

3）樣地紫穗槐（灌木）。樣方編號：Y2－3；采樣地點：排土場1540 臺階(2020 年復墾)；采樣時間：2021－06－08；調查位置：經(jīng)度112°39′11.06″，緯度38°58′54.33″；苗木成活率88%；苗木平均高度27.5 cm；平均冠幅16.86 cm（平均冠幅為各苗木冠幅乘積后求和，取平均冠幅的算數(shù)平方根所得）。

4）樣地土壤養(yǎng)分。樣方編號：Y2－4；采樣地點：排土場1540 臺階(2020 年復墾)；采樣時間：2021－05－22；調查位置：經(jīng)度112°39′11.06″，緯度38°58′54.33″；檢測結果：①pH 值8.26；②全氮1.098%；③速效鉀57 mg；④有機質20.9 g；⑤有效磷81.9 mg。

5）自然地貌土壤養(yǎng)分。樣方編號：Y3－1；采樣地點：排土場西側自然地貌；采樣時間：2021－05－22；調查位置：經(jīng)度112°36′00.10″，緯度38°58′47.29″；檢測結果：①pH 值8.20；②全氮0.686%；③速效鉀67 mg；④有機質13.4 g；⑤有效磷4.6 mg。

根據(jù)樣地表征苗木生長狀況的成活率、生長高度、冠幅測算數(shù)據(jù)，評價苗木的適生性、生長速度、長勢，表明苗木的選取和治理方式可行。

土壤養(yǎng)分檢測數(shù)據(jù)體現(xiàn)土壤質量狀況，根據(jù)樣地和原地貌土壤養(yǎng)分檢測數(shù)據(jù)比對分析，表明植被恢復后，在植被及人工誘導扶持作用下土壤演變趨勢，體現(xiàn)植被對土壤立地條件的適宜性和與土壤交互過程中所發(fā)揮的功能，進一步論證治理方式可行。

3 研究結果

1）苗木選取。排土場生態(tài)恢復重建須做好植被選擇和搭配，建立較穩(wěn)定的人工重建生態(tài)系統(tǒng)，使其能適應當?shù)貝毫拥淖匀粭l件，改變極度退化的立地條件[6]，保障植被水土保持作用的持續(xù)發(fā)揮。由于研究區(qū)水源短缺，風沙大，應選擇耐干旱、抗風沙、耐瘠薄的樹種[7]，紫穗槐、白榆、沙棘符合選用要求，屬當?shù)剡m生苗木，能夠較為快速的郁閉成林，從而有效減弱雨水對地面的沖刷作用，防止水土流失[8]，此外，紫穗槐、沙棘是具有根瘤菌的綠肥植物，根部具有較強的穿透能力，能促進土壤水穩(wěn)性團粒結構的形成[9]，能夠為自身及其他植物提供良好的氮素生長環(huán)境[10]，因此，選取上述苗木作為生態(tài)恢復重建的先鋒建群植物。

2）栽植調控。排土場無法覆土區(qū)域的基層物料質地松散、孔隙大、養(yǎng)分含量低，采用營養(yǎng)杯先行育苗，再移植至坡面進行生態(tài)恢復，能夠克服惡劣的立地條件，解決直接進行苗木栽植或換土栽植存在的水分滲流快、土壤流失大的問題，有利于幼苗定居和成活。因項目所在地海拔較高，苗木栽植節(jié)氣遲于海拔較低區(qū)，為解決引苗栽植的時節(jié)差異問題，需將計劃栽植的苗木在萌發(fā)前移植到項目區(qū)，以延遲其萌發(fā)，進行營養(yǎng)杯培育可使后續(xù)坡面栽植施工不受節(jié)氣限值，為施工爭取了寬裕時間。營養(yǎng)杯育苗前將苗木短截，保留根部以上10 cm 左右的主桿，控制蒸騰作用。因無法覆土區(qū)物料松散，須隨挖穴、隨栽植，這就要求選用的營養(yǎng)杯苗便于坡面運送和栽植，同時又能滿足必要的土壤條件，經(jīng)實操比對，選用了前述規(guī)格的營養(yǎng)杯進行育苗，并配套滴箭灌溉措施（因無法覆土邊坡地表比熱小，溫差大，需保障及時、有效灌溉）。

3）苗木狀況。根據(jù)喬灌木樣地調查和統(tǒng)計分析，施工次年苗木成活率：沙棘約96%、紫穗槐約88%、白榆約88%，符合“生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，造林成活率在70%（含）以上；其他地區(qū)造林成活率在85%（含）以上”[11]的要求；苗木高度：沙棘、紫穗槐、白榆平均高度分別為35、27、22 cm，年均生長高度沙棘25 cm、紫穗槐17 cm、白榆12 cm，說明苗木生長速度較快；苗木冠幅：沙棘苗平均34 cm，且側枝較多，白榆苗平均19 cm，紫穗槐苗平均17 cm，但與栽植初期無冠幅相比，生長幅度顯著。因苗木栽植初期先恢復和發(fā)育根部、莖部發(fā)育相對遲緩，在栽植當年不能過求實效，自次年開始，地上部分生長速度及生長量會明顯加快。

4）土壤狀況。通過對植被重建區(qū)和原自然地貌土壤養(yǎng)分檢測、比對分析，植被重建區(qū)土壤pH 值、速效鉀、全氮含量趨同于原自然地貌，有效磷含量高于自然地貌，個別樣地的土壤全氮、有機質含量已高于原自然地貌，說明在植被、人工誘導扶持作用下，能夠使重建區(qū)土壤得到改良，通過植被與土壤功能交互作用，促進正向演進。此外，通過調查觀測，栽植苗木的側根已伸出營養(yǎng)杯預留孔洞外10～20 cm，說明苗木在擴大土壤養(yǎng)分吸收范圍和地下生長空間，這對后續(xù)生長和保持水土具有重要意義。

5）施工經(jīng)濟性。本生態(tài)恢復重建工程施工面積約52 hm2，施工承包綜合單價10 元/m2（苗木培育、栽植及養(yǎng)護單價8.5 元/m2，滴箭灌溉設施單價1.5元/m2；承包期為3 年），施工經(jīng)濟性相對合理。

綜上所述，排土場無法覆土條件下，選用1 年生沙棘苗＋紫穗槐苗＋白榆苗利用營養(yǎng)杯先行培育，再移植至坡面，配套滴箭灌溉保障措施和完善的截排水措施，恢復重建生態(tài)是可行的。

4 結語

探索了排土場無法覆土條件下的生態(tài)恢復重建方式，結合工程實施實際，提出可行技術措施，因目前尚處于試驗觀測階段，在調查研究、植被選擇、措施配置上還比較局限，今后將繼續(xù)對措施改進和完善、重建生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與調控、植被及土壤演變規(guī)律等開展進一步研究和交流合作，系統(tǒng)總結、積累此立地條件下生態(tài)恢復重建經(jīng)驗，以更好的服務于實踐，為生態(tài)恢復治理工作提供有益借鑒。