煤石山的危害及植被恢复研究

煤石山的危害及植被恢复研究

岩墙为灰黑色岩石，含碳量低，比煤坚硬，在成煤过程中伴随着煤层，是煤炭行业引入的最大固体残渣，将在采煤、开采、洗煤和露天矿剥离过程中排放。它包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石等1矿物质元素从化学组成来讲,煤矸石主要由无机质构成,包括矿物质和水,其矿物质成分以粘土矿物和石英为主,常见为高岭土、蒙脱石、伊利石、石英、长石、云母和绿泥石类。构成矿物质成分的元素主要有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。煤矸石中还含有少量的有机质,它主要包括C、H、O、N、S等元素,其中C是有机质的主要成分,也是燃烧时产生热量的最重要的元素2石作为煤石的副产物煤炭是我国最主要的能源之一,在没有妥善利用途径的情况下,煤矸石一般作为煤炭开采过程中的副产品就近堆放于矿区周围。煤矸石堆置呈丘状,高达数十米,即煤矸石山,其中常混有硫铁矿和少量煤2.1大气总悬浮物的释放煤矸石山中混有硫铁矿,当有足够的空气和水分进入煤矸石山内部,硫铁矿氧化发热,热量积累至温度达到可燃物的燃点时,煤矸石山中含有的残煤、碳质泥岩和废木材等可燃物极易发生自燃。煤矸石山自燃过程中会释放出SO煤矸石在运输、堆放过程中产生的粉尘颗粒加剧了大气中可吸入颗粒物的浓度。甘肃窑街煤矿区的大气总悬浮物微粒年平均浓度超过国家一级标准9倍,冬季严重时超标25.4倍;铜川矿区曾因污染严重被称为卫星上看不到的城市暴露在空气中的煤矸石经过自然风化、雨水淋溶,其中的有害成分极易进入土壤和水体,加上硫化物气体形成的酸沉降的作用,会造成煤矸石山周围土地、地表水及地下水的污染。俄罗斯莫斯科近郊煤矿区距矸石堆底部50~60m的土壤中,每100g土壤中Fe含量达146~160mg,Al含量达11~19mg,分别超过允许值3~4倍和1.5倍,土壤被毒化2.2石山气体难以及时释放自燃后煤矸石山内部温度可达800~1000℃,正在自燃的煤矸石山,如遇淋溶水的渗入,水气受热后急剧膨胀,而煤矸石山内空隙有限,孔道狭小,大量气体不能及时释放,导致气体压力急剧增加而发生爆炸,严重危及附近居民的安全2.3煤石的排放由于技术等因素,我国每开采1亿t煤炭将排放约1400万t煤矸石,每洗选1亿t炼焦煤将排放2000万t煤矸石,每洗选1亿t动力煤将排放1500万t煤矸石。我国煤矸石的综合利用率不到其排放总量的15%,因此,余下的煤矸石多以圆锥式或沟谷倾倒式自然松散地堆放在矿区周边,形成煤矸石山。目前,全国规模较大的煤矸石山达1600座,占用土地约1.5万hm2.4煤石山(基层)矿山的环境景观主要是指在一定的视点和视距内矿山在人的视觉体系里所形成的整体环境印象。未自燃的煤矸石山为灰黑色,自燃后的煤矸石山为黑褐色。由于煤矸石山与周边环境是一个完整的生态系统,这势必会影响到区域生态格局与各种生态过程的连续性,且黑色的煤矸石山与周边的自然景观及其不符,影响当地的自然景观,对自然景观造成破坏,引发严重的景色干扰。同时,煤矸石在排放过程中产生的尘埃降落在周边的建筑物上,使其失去原来的色调,使光照强度受影响2.5表层土壤入渗能力下降煤矸石山坡度大,在堆放初期入渗能力强,随着煤矸石山表面风化程度的提高,表层土壤发育,入渗能力降低。由于煤矸石山凹凸不平,颗粒组成自上而下逐渐变粗,自燃后其上部粉煤灰所占比重较大,透水性远远小于中下部,这使得煤矸石山表面径流加大,抗蚀性极差,如遇暴雨,会造成严重的水土流失2.6颗粒大小不均匀,危害社会安全煤矸石山多为人工堆积而成,高度过高,坡度过大,组成物质颗粒大小不均匀,容易造成沉降侵蚀,在受到人为开挖和暴雨侵蚀时,易形成坍塌、滑坡和泥石流等灾害,造成附近土地被埋、建筑物被毁,不仅危及居民生命财产安全,而且还会造成环境污染2.7煤石山的沙区土壤条件煤矸石中含有大量的锌、铅、铁、铜、铬、砷、汞等重金属,这些重金属元素随着降水对煤矸石的淋滤渗透,形成溢流水,向地势低洼处积聚,造成煤矸石山周边土壤和地下水污染,影响植物和农作物的生长。重金属污染也对周围环境和人类生产生活造成危害,这种危害具有隐蔽性、缓慢性、长期性和不可逆性,因此容易被人类忽视,但危害却是致命和无法挽回的3石山植被恢复研究3.1植被恢复的概念植被恢复属于土地复垦的范畴,是矿区生态恢复与重建的基础和前提,它既可以是被破坏植物群落的恢复,也可以是一个新的植物群落的创建3.2植被恢复研究煤矸石山植被恢复的研究工作始于英、美等发达国家3.2.1煤石山植被恢复必要性分析由于煤矸石废弃地土壤结构、养分元素、水分因子、土壤的强酸性、重金属等因素的限制作用,自然恢复下植物演替进展十分缓慢。近年来,越来越多的学者关注煤矸石废弃地植被演替规律的研究。林鹰等对岭北矿排矸区植被自然恢复过程的研究表明,在停止排矸10年以上的地段,植被平均盖度不到20%,植物种类仅有30余种目前,学者们对植被演替研究的结果基本表明,随着煤矸石堆置时间的增加,经过生物、物理、化学及其他风化作用,煤矸石山的土壤状况有了相当程度的改善,逐渐满足植物生长的需要,适合植物生长,植物种类和盖度相应增加,生活型组成也随之变化,伴随着群落的形成与演替,植物群落的物种多样性呈逐渐增加趋势。但是,完全依靠自然恢复,矸石废弃地植被恢复过程至少需要10a~20a,个别条件较差的地区甚至需要20a~30a,如果再将经过多重演替达到稳定状态的时间考虑在内,废弃地生态系统恢复预计至少需要50a。而且,自然恢复的植被与原始植被相比,其特征发生了很大变化,植被以草本为主,盖度小,种类单一,多年生植物种比重很低,是一个较不稳定的植物群落考虑植被自然恢复演替时间的漫长性,需对植被群落实行人工干预,加快植被群落的恢复演替进程,尽快恢复矿区生态环境。王晓春等3.2.2立地条件的研究立地条件是指待植被恢复场所所有与植被生长发育有关的环境因子的集合,包括气候、地形条件、土壤条件等。立地条件的研究可为突破植物生长限制性因子的束缚和制定相应措施提供可靠的依据。白中科和胡振琪分别对煤矸石山的立地条件进行研究,均认为矸石山具有颗粒粗、孔隙大、渗透系数高和养分含量低等特点。段永红等对煤矸石山表层风化物的盐分状况研究表明,自燃后的煤矸石风化物含盐量高,pH值极低,难以满足植物生长的条件。贾平等对煤矸石风化层中的重金属作了研究,结果表明,在半干旱气候区,矸石中的重金属尚不会对复垦种植和周围环境造成影响土壤是生态系统的基质和生物多样性的载体作者认为煤矸石山土壤物理结构改良和温度的控制是植被恢复工程的重中之重,只有这两方面确保了,土壤的养分才能得以维持,土壤三相比合理,就具有了土壤化学性质改善的环境条件,这样植物才能成活、生长,植物群落才能得以维持。3.2.3煤石山表层基质改良选择煤矸石山植被恢复技术中,主要包括4方面内容:基质改良、植物种选择与配置、植物栽植技术和后期养护管理。1)基质改良。基质改良是植被恢复的基础和前提,目前基质改良的方法主要有物理改良、化学改良、生物改良和城市污泥改良。(1)物理改良。物理改良主要是对煤矸石山进行地形整理和土壤物理结构改良。通过整地工作,减缓煤矸石山的坡度,保证坡脚的稳定性和防止坡体滑坡。土壤结构物理改良主要指覆土,通过采取这种措施改善植物生长的基质环境。覆土的厚度是关键性技术,针对煤矸石山不同的立地条件,选择适宜的覆土厚度是植被恢复成功与否的重要因素。(2)化学改良。煤矸石山土壤极端的pH值和贫瘠的养分是植被恢复的重要限制性因子。针对土壤中缺乏营养元素,可以适当施加含N、P、K等营养元素的化学肥料;针对土壤呈现的酸性,可以施加碳酸氢盐和生石灰,也可以利用盐碱化土地直接进行改良(3)生物改良。生物改良是选择对极端恶劣环境有较强耐性的重金属富集植物、固氮类植物、绿肥植物、固氮微生物、菌根、真菌等来改善煤矸石山表层土壤的理化性质(4)城市污泥改良。城市污泥外观性状近似于土壤,其富含N、P、K等养分和大量微生物,在条件适合的矿区用于煤矸石山基质改良不仅可以改善煤矸石山土壤的理化性质、提高土壤肥力,还能够增加矿区土壤的微生物活性2)植物种选择。植物种的选择是生态植被恢复过程中的重要环节。煤矸石山表层缺乏土壤基本结构、养分贫瘠、土壤酸碱性极端、持水能力差、重金属污染等使植被恢复受到严重影响。因此,选择适宜的植物种、构建合理的植物群落是植被恢复成功的重要因素植物种选择应遵循以下原则:(1)生态适应性;(2)先锋性;(3)相似性;(4)抗逆性;(5)多样性;(6)特异性。植物有各自的特点,煤矸石山的立地类型各异,应根据煤矸石山不同的立地条件选择植物种,如阴坡和阳坡、坡上和坡下应选择不同的植物种3)植物栽植技术。目前植物栽植技术主要有无覆土绿化技术、覆土绿化技术和抗旱栽植技术。(1)无覆土绿化技术。无覆土绿化技术是先将煤矸石山表面进行带状整地和块状整地后将植物直接种植在煤矸石山表面。无覆土绿化技术适用于风化较好、表层土壤发育较好的煤矸石山,特别适合经济水平低和土源紧缺的地区,可以节省大量的人力、物力、财力。但无覆土绿化技术的施工时间受限,需要避开雨季进行施工,否则容易加重水土流失。无覆土绿化技术对煤矸石山立地条件和整体环境的改善效果较差(2)覆土绿化技术。覆土绿化技术是在煤矸石山表面或种植穴内覆盖一定厚度的土壤、粉煤灰、污泥等,这种方法已在部分矿区进行了成功实验。覆土绿化技术对于改善煤矸石山的土壤环境有较大作用,植被恢复效果较好,造林成活率较高(3)抗旱栽植技术。很多情况下,煤矸石山植被成活和生长的主要限制因素是土壤水分因子,因此如何保水成为保证植被恢复成功的关键。目前煤矸石山抗旱栽植技术包括:保水剂技术、覆盖保水技术、容器苗造林技术和(4)ABT生根粉技术。4)后期养护管理。养护管理是植物栽培工作中非常重要的技术环节,俗语有“三分栽植、七分管理”,尤其是在全球气候多变、极端天气多发的情况下,对恢复植被的养护管理更加重要。煤矸石山造林养护管理的目的是通过对林地植被的管理与保护,为植被的成活、生长、繁殖、更新创造良好的环境条件,使之迅速成林3.2.4关于恢复效率的研究目前关于煤矸石废弃地的植被恢复效益研究多集中于土壤改良效益研究,对整个生态环境效益的综合分析与评价,特别是计量化研究还未见报道4煤石山植被恢复研究1)煤矸石的大量堆放对矿区及周边环境造成严重影响,首先要从根本上减少煤矸石的排放量,从源头遏制煤矸石堆放对矿区环境造成的影响;其次要增加煤矸石的综合利用,减少其对环境的污染,变废为宝;再次要对煤矸石山进行植被恢复,通过植被恢复建设,达到改善煤矸石山及整个矿区周边环境的目标。2)煤矸石山植