我國(guó)煤矸石山水分研究進(jìn)展

裴宗陽(yáng) 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(rùn)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(guò)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(kāi)采量的10%-25%,全國(guó)每年約新增煤矸石 4億 t,綜合利用約為 6000萬(wàn) t,其余部分就近混雜堆積儲(chǔ)存形成煤矸石山[2]。煤矸石的大量積存會(huì)導(dǎo)致諸多的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題。目前,我國(guó)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(duì)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(wèn)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

早在 20世紀(jì) 80年代,我國(guó)的一些礦區(qū)就開(kāi)展過(guò)煤矸石山植被恢復(fù)的實(shí)踐。隨著實(shí)踐中遇到的問(wèn)題日益增多和突出,許多學(xué)者就開(kāi)始了對(duì)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(duì)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(zhǎng)最關(guān)鍵的立地因子。只有對(duì)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(yáng)泉礦務(wù)局 9號(hào)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(duì)象,經(jīng)過(guò) 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(duì)植物生長(zhǎng)狀況的調(diào)查表明,矸石山上生長(zhǎng)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(duì)矸石山的植物生長(zhǎng)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(cè)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(cè)定儀,定位測(cè)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(cè)定技術(shù)的一次革新,也是對(duì)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(duì)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(guò)程進(jìn)行人為控制提供了科學(xué)依據(jù)。通過(guò)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(duì)穩(wěn)定層。

張銳等[6](2008年)以陽(yáng)泉市 280號(hào)煤矸石山為研究對(duì)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(chǔ)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(chǔ)水量往往大于覆土煤矸石地的儲(chǔ)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(duì)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(zhǎng)的土壤。這對(duì)于大多數(shù)植物根系來(lái)說(shuō),很難吸收利用。這就不難說(shuō)明煤矸石山植被的生長(zhǎng)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(guò)程,它是重要的土壤水文和土壤物理指標(biāo),對(duì)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(guò)對(duì)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(cè),不僅得出了煤礦區(qū)矸石山人工植物群落的生長(zhǎng)規(guī)律—煤矸石山植物群落經(jīng)過(guò) 9 a的自然演替和生長(zhǎng)過(guò)程,其種類及數(shù)量發(fā)生了較大變化,而且通過(guò)煤矸石山刺槐種群和混交林群落的土壤入滲性能的觀測(cè)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(duì)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(cè)試其入滲規(guī)律,結(jié)果表明:煤矸石各個(gè)測(cè)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(shuō)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(shù)林地、荒草地、農(nóng)田地 3種典型地段,采用雙環(huán)法分別對(duì) 3種典型復(fù)墾植被類型進(jìn)行煤矸石的水分入滲測(cè)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(shù)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(shuō)明煤矸石的入滲速率隨入滲時(shí)間成指數(shù)遞減。

上述說(shuō)明:關(guān)于煤矸石的入滲問(wèn)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(huì)受煤矸石山其他立地條件的影響。

鄭國(guó)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(duì)水分及植被生長(zhǎng)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(shì),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(duì)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(zhǎng)環(huán)境,首先必須解決煤矸石山的自燃問(wèn)題,控制它的溫度。

眾多的研究均表明,通過(guò)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(huì)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(duì)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(duì)土壤滲透性的改善作用大于刺槐純林。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)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(wèn)題才引起各國(guó)的爭(zhēng)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(guó)外對(duì)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(guò)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?guó)外成熟的煤矸石山生物造田技術(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(guó)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(duì)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(wèn)題。

(1)煤矸石山的水分特征和入滲規(guī)律的研究,僅簡(jiǎn)單的考慮煤矸石物理性質(zhì)對(duì)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(duì)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(duì)入滲的影響。

(2)其他立地條件對(duì)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。現(xiàn)有的研究多集中在植被對(duì)煤矸石水分的影響,而其他立地條件對(duì)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(zhǎng)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(huì)對(duì)煤矸石的水分產(chǎn)生影響等。

(3)針對(duì)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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