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(jiān)硬，在成煤過(guò)程中伴隨著煤層，是煤炭行業(yè)引入的最大固體殘?jiān)?，將在采煤、開(kāi)采、洗煤和露天礦剝離過(guò)程中排放。它包括巷道掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)矸石、采掘過(guò)程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過(guò)程中挑出的洗矸石等1礦物質(zhì)元素從化學(xué)組成來(lái)講,煤矸石主要由無(wú)機(jī)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(jiàn)為高嶺土、蒙脫石、伊利石、石英、長(zhǎng)石、云母和綠泥石類(lèi)。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(jī)質(zhì),它主要包括C、H、O、N、S等元素,其中C是有機(jī)質(zhì)的主要成分,也是燃燒時(shí)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(guó)最主要的能源之一,在沒(méi)有妥善利用途徑的情況下,煤矸石一般作為煤炭開(kāi)采過(guò)程中的副產(chǎn)品就近堆放于礦區(qū)周?chē)?。煤矸石堆置呈丘?高達(dá)數(shù)十米,即煤矸石山,其中常混有硫鐵礦和少量煤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(jìn)入煤矸石山內(nèi)部,硫鐵礦氧化發(fā)熱,熱量積累至溫度達(dá)到可燃物的燃點(diǎn)時(shí),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(guò)程中會(huì)釋放出SO煤矸石在運(yùn)輸、堆放過(guò)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(guò)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)9倍,冬季嚴(yán)重時(shí)超標(biāo)25.4倍;銅川礦區(qū)曾因污染嚴(yán)重被稱(chēng)為衛(wèi)星上看不到的城市暴露在空氣中的煤矸石經(jīng)過(guò)自然風(fēng)化、雨水淋溶,其中的有害成分極易進(jìn)入土壤和水體,加上硫化物氣體形成的酸沉降的作用,會(huì)造成煤矸石山周?chē)恋?、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(dá)146~160mg,Al含量達(dá)11~19mg,分別超過(guò)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(shí)釋放自燃后煤矸石山內(nèi)部溫度可達(dá)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(shí)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(guó)每開(kāi)采1億t煤炭將排放約1400萬(wàn)t煤矸石,每洗選1億t煉焦煤將排放2000萬(wàn)t煤矸石,每洗選1億t動(dòng)力煤將排放1500萬(wàn)t煤矸石。我國(guó)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(guó)規(guī)模較大的煤矸石山達(dá)1600座,占用土地約1.5萬(wàn)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(diǎn)和視距內(nèi)礦山在人的視覺(jué)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(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng),這勢(shì)必會(huì)影響到區(qū)域生態(tài)格局與各種生態(tài)過(guò)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(duì)自然景觀造成破壞,引發(fā)嚴(yán)重的景色干擾。同時(shí),煤矸石在排放過(guò)程中產(chǎn)生的塵埃降落在周邊的建筑物上,使其失去原來(lái)的色調(diào),使光照強(qiáng)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(qiáng),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(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)造成嚴(yán)重的水土流失2.6顆粒大小不均勻,危害社會(huì)安全煤矸石山多為人工堆積而成,高度過(guò)高,坡度過(guò)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(kāi)挖和暴雨侵蝕時(shí),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(cái)產(chǎn)安全,而且還會(huì)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(duì)煤矸石的淋濾滲透,形成溢流水,向地勢(shì)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(zhǎng)。重金屬污染也對(duì)周?chē)h(huán)境和人類(lèi)生產(chǎn)生活造成危害,這種危害具有隱蔽性、緩慢性、長(zhǎng)期性和不可逆性,因此容易被人類(lèi)忽視,但危害卻是致命和無(wú)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(gè)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(dá)國(guó)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(qiáng)酸性、重金屬等因素的限制作用,自然恢復(fù)下植物演替進(jìn)展十分緩慢。近年來(lái),越來(lái)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(duì)嶺北礦排矸區(qū)植被自然恢復(fù)過(guò)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(lèi)僅有30余種目前,學(xué)者們對(duì)植被演替研究的結(jié)果基本表明,隨著煤矸石堆置時(shí)間的增加,經(jīng)過(guò)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(zhǎng)的需要,適合植物生長(zhǎng),植物種類(lèi)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(shì)。但是,完全依靠自然恢復(fù),矸石廢棄地植被恢復(fù)過(guò)程至少需要10a~20a,個(gè)別條件較差的地區(qū)甚至需要20a~30a,如果再將經(jīng)過(guò)多重演替達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間考慮在內(nèi),廢棄地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)預(yù)計(jì)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(lèi)單一,多年生植物種比重很低,是一個(gè)較不穩(wěn)定的植物群落考慮植被自然恢復(fù)演替時(shí)間的漫長(zhǎng)性,需對(duì)植被群落實(shí)行人工干預(yù),加快植被群落的恢復(fù)演替進(jìn)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(chǎng)所所有與植被生長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)煤矸石山的立地條件進(jìn)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(diǎn)。段永紅等對(duì)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(zhǎng)的條件。賈平等對(duì)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(huì)對(duì)復(fù)墾種植和周?chē)h(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(zhǎng),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(hù)管理。1)基質(zhì)改良?；|(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(duì)煤矸石山進(jìn)行地形整理和土壤物理結(jié)構(gòu)改良。通過(guò)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(guò)采取這種措施改善植物生長(zhǎng)的基質(zhì)環(huán)境。覆土的厚度是關(guān)鍵性技術(shù),針對(duì)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(duì)土壤中缺乏營(yíng)養(yǎng)元素,可以適當(dāng)施加含N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素的化學(xué)肥料;針對(duì)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(jìn)行改良(3)生物改良。生物改良是選擇對(duì)極端惡劣環(huán)境有較強(qiáng)耐性的重金屬富集植物、固氮類(lèi)植物、綠肥植物、固氮微生物、菌根、真菌等來(lái)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(guò)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(diǎn),煤矸石山的立地類(lèi)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(yáng)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(wú)覆土綠化技術(shù)、覆土綠化技術(shù)和抗旱栽植技術(shù)。(1)無(wú)覆土綠化技術(shù)。無(wú)覆土綠化技術(shù)是先將煤矸石山表面進(jìn)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(wú)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(jì)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(cái)力。但無(wú)覆土綠化技術(shù)的施工時(shí)間受限,需要避開(kāi)雨季進(jìn)行施工,否則容易加重水土流失。無(wú)覆土綠化技術(shù)對(duì)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(jìn)行了成功實(shí)驗(yàn)。覆土綠化技術(shù)對(duì)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(zhǎng)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(hù)管理。養(yǎng)護(hù)管理是植物栽培工作中非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié),俗語(yǔ)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(duì)恢復(fù)植被的養(yǎng)護(hù)管理更加重要。煤矸石山造林養(yǎng)護(hù)管理的目的是通過(guò)對(duì)林地植被的管理與保護(hù),為植被的成活、生長(zhǎng)、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(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境效益的綜合分析與評(píng)價(jià),特別是計(jì)量化研究還未見(jiàn)報(bào)道4煤石山植被恢復(fù)研究1)煤矸石的大量堆放對(duì)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(duì)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(duì)環(huán)境的污染,變廢為寶;再次要對(duì)煤矸石山進(jìn)行植被恢復(fù),通過(guò)植被恢復(fù)建設(shè),達(dá)到改善煤矸石山及整個(gè)礦區(qū)周邊環(huán)境的目標(biāo)。2)煤矸石山植