煤石山的危害及植被恢復(fù)研究

煤石山的危害及植被恢復(fù)研究

巖墻為灰黑色巖石，含碳量低，比煤堅硬，在成煤過程中伴隨著煤層，是煤炭行業(yè)引入的最大固體殘渣，將在采煤、開采、洗煤和露天礦剝離過程中排放。它包括巷道掘進過程中的掘進矸石、采掘過程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過程中挑出的洗矸石等1礦物質(zhì)元素從化學(xué)組成來講,煤矸石主要由無機質(zhì)構(gòu)成,包括礦物質(zhì)和水,其礦物質(zhì)成分以粘土礦物和石英為主,常見為高嶺土、蒙脫石、伊利石、石英、長石、云母和綠泥石類。構(gòu)成礦物質(zhì)成分的元素主要有C、H、O、S、Fe、Al、Si、Ca等常量元素和Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu、Zn、F、Cl等微量及痕量元素。煤矸石中還含有少量的有機質(zhì),它主要包括C、H、O、N、S等元素,其中C是有機質(zhì)的主要成分,也是燃燒時產(chǎn)生熱量的最重要的元素2石作為煤石的副產(chǎn)物煤炭是我國最主要的能源之一,在沒有妥善利用途徑的情況下,煤矸石一般作為煤炭開采過程中的副產(chǎn)品就近堆放于礦區(qū)周圍。煤矸石堆置呈丘狀,高達數(shù)十米,即煤矸石山,其中?；煊辛蜩F礦和少量煤2.1大氣總懸浮物的釋放煤矸石山中混有硫鐵礦,當(dāng)有足夠的空氣和水分進入煤矸石山內(nèi)部,硫鐵礦氧化發(fā)熱,熱量積累至溫度達到可燃物的燃點時,煤矸石山中含有的殘煤、碳質(zhì)泥巖和廢木材等可燃物極易發(fā)生自燃。煤矸石山自燃過程中會釋放出SO煤矸石在運輸、堆放過程中產(chǎn)生的粉塵顆粒加劇了大氣中可吸入顆粒物的濃度。甘肅窯街煤礦區(qū)的大氣總懸浮物微粒年平均濃度超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)9倍,冬季嚴(yán)重時超標(biāo)25.4倍;銅川礦區(qū)曾因污染嚴(yán)重被稱為衛(wèi)星上看不到的城市暴露在空氣中的煤矸石經(jīng)過自然風(fēng)化、雨水淋溶,其中的有害成分極易進入土壤和水體,加上硫化物氣體形成的酸沉降的作用,會造成煤矸石山周圍土地、地表水及地下水的污染。俄羅斯莫斯科近郊煤礦區(qū)距矸石堆底部50~60m的土壤中,每100g土壤中Fe含量達146~160mg,Al含量達11~19mg,分別超過允許值3~4倍和1.5倍,土壤被毒化2.2石山氣體難以及時釋放自燃后煤矸石山內(nèi)部溫度可達800~1000℃,正在自燃的煤矸石山,如遇淋溶水的滲入,水氣受熱后急劇膨脹,而煤矸石山內(nèi)空隙有限,孔道狹小,大量氣體不能及時釋放,導(dǎo)致氣體壓力急劇增加而發(fā)生爆炸,嚴(yán)重危及附近居民的安全2.3煤石的排放由于技術(shù)等因素,我國每開采1億t煤炭將排放約1400萬t煤矸石,每洗選1億t煉焦煤將排放2000萬t煤矸石,每洗選1億t動力煤將排放1500萬t煤矸石。我國煤矸石的綜合利用率不到其排放總量的15%,因此,余下的煤矸石多以圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆放在礦區(qū)周邊,形成煤矸石山。目前,全國規(guī)模較大的煤矸石山達1600座,占用土地約1.5萬hm2.4煤石山(基層)礦山的環(huán)境景觀主要是指在一定的視點和視距內(nèi)礦山在人的視覺體系里所形成的整體環(huán)境印象。未自燃的煤矸石山為灰黑色,自燃后的煤矸石山為黑褐色。由于煤矸石山與周邊環(huán)境是一個完整的生態(tài)系統(tǒng),這勢必會影響到區(qū)域生態(tài)格局與各種生態(tài)過程的連續(xù)性,且黑色的煤矸石山與周邊的自然景觀及其不符,影響當(dāng)?shù)氐淖匀痪坝^,對自然景觀造成破壞,引發(fā)嚴(yán)重的景色干擾。同時,煤矸石在排放過程中產(chǎn)生的塵埃降落在周邊的建筑物上,使其失去原來的色調(diào),使光照強度受影響2.5表層土壤入滲能力下降煤矸石山坡度大,在堆放初期入滲能力強,隨著煤矸石山表面風(fēng)化程度的提高,表層土壤發(fā)育,入滲能力降低。由于煤矸石山凹凸不平,顆粒組成自上而下逐漸變粗,自燃后其上部粉煤灰所占比重較大,透水性遠遠小于中下部,這使得煤矸石山表面徑流加大,抗蝕性極差,如遇暴雨,會造成嚴(yán)重的水土流失2.6顆粒大小不均勻,危害社會安全煤矸石山多為人工堆積而成,高度過高,坡度過大,組成物質(zhì)顆粒大小不均勻,容易造成沉降侵蝕,在受到人為開挖和暴雨侵蝕時,易形成坍塌、滑坡和泥石流等災(zāi)害,造成附近土地被埋、建筑物被毀,不僅危及居民生命財產(chǎn)安全,而且還會造成環(huán)境污染2.7煤石山的沙區(qū)土壤條件煤矸石中含有大量的鋅、鉛、鐵、銅、鉻、砷、汞等重金屬,這些重金屬元素隨著降水對煤矸石的淋濾滲透,形成溢流水,向地勢低洼處積聚,造成煤矸石山周邊土壤和地下水污染,影響植物和農(nóng)作物的生長。重金屬污染也對周圍環(huán)境和人類生產(chǎn)生活造成危害,這種危害具有隱蔽性、緩慢性、長期性和不可逆性,因此容易被人類忽視,但危害卻是致命和無法挽回的3石山植被恢復(fù)研究3.1植被恢復(fù)的概念植被恢復(fù)屬于土地復(fù)墾的范疇,是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建的基礎(chǔ)和前提,它既可以是被破壞植物群落的恢復(fù),也可以是一個新的植物群落的創(chuàng)建3.2植被恢復(fù)研究煤矸石山植被恢復(fù)的研究工作始于英、美等發(fā)達國家3.2.1煤石山植被恢復(fù)必要性分析由于煤矸石廢棄地土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分元素、水分因子、土壤的強酸性、重金屬等因素的限制作用,自然恢復(fù)下植物演替進展十分緩慢。近年來,越來越多的學(xué)者關(guān)注煤矸石廢棄地植被演替規(guī)律的研究。林鷹等對嶺北礦排矸區(qū)植被自然恢復(fù)過程的研究表明,在停止排矸10年以上的地段,植被平均蓋度不到20%,植物種類僅有30余種目前,學(xué)者們對植被演替研究的結(jié)果基本表明,隨著煤矸石堆置時間的增加,經(jīng)過生物、物理、化學(xué)及其他風(fēng)化作用,煤矸石山的土壤狀況有了相當(dāng)程度的改善,逐漸滿足植物生長的需要,適合植物生長,植物種類和蓋度相應(yīng)增加,生活型組成也隨之變化,伴隨著群落的形成與演替,植物群落的物種多樣性呈逐漸增加趨勢。但是,完全依靠自然恢復(fù),矸石廢棄地植被恢復(fù)過程至少需要10a~20a,個別條件較差的地區(qū)甚至需要20a~30a,如果再將經(jīng)過多重演替達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間考慮在內(nèi),廢棄地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)預(yù)計至少需要50a。而且,自然恢復(fù)的植被與原始植被相比,其特征發(fā)生了很大變化,植被以草本為主,蓋度小,種類單一,多年生植物種比重很低,是一個較不穩(wěn)定的植物群落考慮植被自然恢復(fù)演替時間的漫長性,需對植被群落實行人工干預(yù),加快植被群落的恢復(fù)演替進程,盡快恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。王曉春等3.2.2立地條件的研究立地條件是指待植被恢復(fù)場所所有與植被生長發(fā)育有關(guān)的環(huán)境因子的集合,包括氣候、地形條件、土壤條件等。立地條件的研究可為突破植物生長限制性因子的束縛和制定相應(yīng)措施提供可靠的依據(jù)。白中科和胡振琪分別對煤矸石山的立地條件進行研究,均認(rèn)為矸石山具有顆粒粗、孔隙大、滲透系數(shù)高和養(yǎng)分含量低等特點。段永紅等對煤矸石山表層風(fēng)化物的鹽分狀況研究表明,自燃后的煤矸石風(fēng)化物含鹽量高,pH值極低,難以滿足植物生長的條件。賈平等對煤矸石風(fēng)化層中的重金屬作了研究,結(jié)果表明,在半干旱氣候區(qū),矸石中的重金屬尚不會對復(fù)墾種植和周圍環(huán)境造成影響土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)和生物多樣性的載體作者認(rèn)為煤矸石山土壤物理結(jié)構(gòu)改良和溫度的控制是植被恢復(fù)工程的重中之重,只有這兩方面確保了,土壤的養(yǎng)分才能得以維持,土壤三相比合理,就具有了土壤化學(xué)性質(zhì)改善的環(huán)境條件,這樣植物才能成活、生長,植物群落才能得以維持。3.2.3煤石山表層基質(zhì)改良選擇煤矸石山植被恢復(fù)技術(shù)中,主要包括4方面內(nèi)容:基質(zhì)改良、植物種選擇與配置、植物栽植技術(shù)和后期養(yǎng)護管理。1)基質(zhì)改良。基質(zhì)改良是植被恢復(fù)的基礎(chǔ)和前提,目前基質(zhì)改良的方法主要有物理改良、化學(xué)改良、生物改良和城市污泥改良。(1)物理改良。物理改良主要是對煤矸石山進行地形整理和土壤物理結(jié)構(gòu)改良。通過整地工作,減緩煤矸石山的坡度,保證坡腳的穩(wěn)定性和防止坡體滑坡。土壤結(jié)構(gòu)物理改良主要指覆土,通過采取這種措施改善植物生長的基質(zhì)環(huán)境。覆土的厚度是關(guān)鍵性技術(shù),針對煤矸石山不同的立地條件,選擇適宜的覆土厚度是植被恢復(fù)成功與否的重要因素。(2)化學(xué)改良。煤矸石山土壤極端的pH值和貧瘠的養(yǎng)分是植被恢復(fù)的重要限制性因子。針對土壤中缺乏營養(yǎng)元素,可以適當(dāng)施加含N、P、K等營養(yǎng)元素的化學(xué)肥料;針對土壤呈現(xiàn)的酸性,可以施加碳酸氫鹽和生石灰,也可以利用鹽堿化土地直接進行改良(3)生物改良。生物改良是選擇對極端惡劣環(huán)境有較強耐性的重金屬富集植物、固氮類植物、綠肥植物、固氮微生物、菌根、真菌等來改善煤矸石山表層土壤的理化性質(zhì)(4)城市污泥改良。城市污泥外觀性狀近似于土壤,其富含N、P、K等養(yǎng)分和大量微生物,在條件適合的礦區(qū)用于煤矸石山基質(zhì)改良不僅可以改善煤矸石山土壤的理化性質(zhì)、提高土壤肥力,還能夠增加礦區(qū)土壤的微生物活性2)植物種選擇。植物種的選擇是生態(tài)植被恢復(fù)過程中的重要環(huán)節(jié)。煤矸石山表層缺乏土壤基本結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分貧瘠、土壤酸堿性極端、持水能力差、重金屬污染等使植被恢復(fù)受到嚴(yán)重影響。因此,選擇適宜的植物種、構(gòu)建合理的植物群落是植被恢復(fù)成功的重要因素植物種選擇應(yīng)遵循以下原則:(1)生態(tài)適應(yīng)性;(2)先鋒性;(3)相似性;(4)抗逆性;(5)多樣性;(6)特異性。植物有各自的特點,煤矸石山的立地類型各異,應(yīng)根據(jù)煤矸石山不同的立地條件選擇植物種,如陰坡和陽坡、坡上和坡下應(yīng)選擇不同的植物種3)植物栽植技術(shù)。目前植物栽植技術(shù)主要有無覆土綠化技術(shù)、覆土綠化技術(shù)和抗旱栽植技術(shù)。(1)無覆土綠化技術(shù)。無覆土綠化技術(shù)是先將煤矸石山表面進行帶狀整地和塊狀整地后將植物直接種植在煤矸石山表面。無覆土綠化技術(shù)適用于風(fēng)化較好、表層土壤發(fā)育較好的煤矸石山,特別適合經(jīng)濟水平低和土源緊缺的地區(qū),可以節(jié)省大量的人力、物力、財力。但無覆土綠化技術(shù)的施工時間受限,需要避開雨季進行施工,否則容易加重水土流失。無覆土綠化技術(shù)對煤矸石山立地條件和整體環(huán)境的改善效果較差(2)覆土綠化技術(shù)。覆土綠化技術(shù)是在煤矸石山表面或種植穴內(nèi)覆蓋一定厚度的土壤、粉煤灰、污泥等,這種方法已在部分礦區(qū)進行了成功實驗。覆土綠化技術(shù)對于改善煤矸石山的土壤環(huán)境有較大作用,植被恢復(fù)效果較好,造林成活率較高(3)抗旱栽植技術(shù)。很多情況下,煤矸石山植被成活和生長的主要限制因素是土壤水分因子,因此如何保水成為保證植被恢復(fù)成功的關(guān)鍵。目前煤矸石山抗旱栽植技術(shù)包括:保水劑技術(shù)、覆蓋保水技術(shù)、容器苗造林技術(shù)和(4)ABT生根粉技術(shù)。4)后期養(yǎng)護管理。養(yǎng)護管理是植物栽培工作中非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié),俗語有“三分栽植、七分管理”,尤其是在全球氣候多變、極端天氣多發(fā)的情況下,對恢復(fù)植被的養(yǎng)護管理更加重要。煤矸石山造林養(yǎng)護管理的目的是通過對林地植被的管理與保護,為植被的成活、生長、繁殖、更新創(chuàng)造良好的環(huán)境條件,使之迅速成林3.2.4關(guān)于恢復(fù)效率的研究目前關(guān)于煤矸石廢棄地的植被恢復(fù)效益研究多集中于土壤改良效益研究,對整個生態(tài)環(huán)境效益的綜合分析與評價,特別是計量化研究還未見報道4煤石山植被恢復(fù)研究1)煤矸石的大量堆放對礦區(qū)及周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響,首先要從根本上減少煤矸石的排放量,從源頭遏制煤矸石堆放對礦區(qū)環(huán)境造成的影響;其次要增加煤矸石的綜合利用,減少其對環(huán)境的污染,變廢為寶;再次要對煤矸石山進行植被恢復(fù),通過植被恢復(fù)建設(shè),達到改善煤矸石山及整個礦區(qū)周邊環(huán)境的目標(biāo)。2)煤矸石山植