煤礦區環境地質問題及林業復墾對策研究

杜金龍，郝漢舟

（1.中國煤炭地質總局勘查總院，北京 100039；2.咸寧學院 資源與環境學院，湖北 咸寧 437100）

1 引言

煤炭一直是我國能源主體，占一次性能源消費的70%。但長期以來，煤礦開采以破壞環境為代價對經濟發展做出貢獻［1］。礦區采煤及相關活動，產生了一系列環境地質問題，導致耕地與林地毀損，大氣、水與土壤污染，造成生物圈與巖石圈破壞。

礦區土地復墾方式包括農業復墾、林業復墾、自然保護復墾、水利資源復墾與建筑復墾等［2］（表1），前兩種在實踐中已得到廣泛運用，是最主要的復墾方式。而林業復墾更是因為環境治理功能強、土地質量要求低，成為發達國家礦區復墾的首選［3］。我國過去主要基于經濟效益考慮，對礦區復墾偏重于農業復墾方式。當前應改變傳統觀念，加大礦區林業復墾比重，以應對多發的礦區環境地質問題。

表1 礦區主要復墾方式及其用途

2 環境地質問題

煤礦區因開采方式、程度及所處區域的不同，會產生類型各異、程度不等的環境地質問題。如井工開采導致地面變形，露天開采造成土壤與植被損毀；西部生態脆弱礦區因疏排地下水導致土地荒漠化，東部平原礦區因采空沉降造成土壤鹽漬化；以及礦坑水排放、煤矸石堆積導致大氣和水土污染。

2.1 地面變形

煤礦區地面變形主要包括地面沉降、地裂縫和地面塌陷3種，是因煤炭井下采空導致上覆巖層應力失衡而產生。我國煤炭產量95%來自井工開采，多利用垮落法管理頂板，地面變形可達煤層采出厚度的65%～95%。據統計，我國因煤炭開采形成沉陷區累計40萬hm2，年增1.5～2萬hm2／年［4］。

礦區地面變形將導致耕地與植被破壞、地貌景觀改變、房屋路基失穩及河水斷流等，并引發次生災害，包括山地及丘陵誘發山體滑坡及泥石流，平原區地面沉降導致土壤大面積鹽漬化。

2.2 土壤損毀與污染

礦區土壤損毀主要來自露天煤礦剝土行為，其導致表層土壤理化性質改變、養分流失、生產力部分或完全傷失。我國露天煤礦產量雖不大（占總量5%～10%），但萬噸煤的土地損毀率可達0.02～0.18hm2，截止2001年［5］毀地約8800hm2。

土壤污染主要由煤矸石堆放淋濾造成，包括土壤酸化與重金屬污染（Hg、Cd、Pb、Cr、As生物毒性顯著）。據不完全統計，我國煤矸石累計存量約30億t，年排放約1.5億t［6］，大部分露天堆放。煤矸石含大量硫化物和重金屬，堆放過程中發生風化和氧化，降雨淋濾后形成含重金屬元素的酸性溶液（pH值可達4.0～5.0）污染土壤。霍州礦區土壤Hg、Cd含量為0.075mg／kg與0.278mg／kg，是山西土壤平均值的3.26倍和2.73倍［7］。重金屬元素會降低土壤質量、轉移營養物質、危害生物群落乃至生態系統、威脅食品安全。而土壤酸化既會限制植物生長，還會提高重金屬離子溶解度，加劇污染。

2.3 土地荒漠化

土地荒漠化是干旱半干旱生態環境脆弱礦區最突出的環境問題之一，產生原因包括疏排地下水使區域地下水位下降，導致礦區周邊植被缺水退化；采空區地面塌陷、地裂縫導致沙土結構破壞，植被退化；露天采區直接毀壞植被等。

中西部是我國能源重要輸出地區，同時也是生態環境脆弱區，土地沙漠化現象十分嚴重。隨著我國煤炭開發的重心西移，該問題將變得更加突出。

2.4 地下水環境惡化

煤礦區地下水環境惡化的主要表現為井下排水導致地下水位持續下降、水質污染；煤矸石堆積淋濾導致淺層地下水污染。

采煤時疏排地下水難以避免，這一行為將形成人工匯，改變地下水流場，輕則形成降落漏斗，重則疏干含水層，導致地下水功能退化，影響周邊區域工農業、居民與生態用水。表2為我國中西部2005年礦井水排放量及利用率［8］，可見每采出1t煤就會排放0.6～1.0t地下水，且僅有10%～20%被循環利用。2000年全國煤礦排放礦井水23億t，占煤礦總污水83.6%［9］。

表2 中西部礦井水排放量和利用率（2005）

淺層地下水污染主要為煤矸石堆放淋濾產生的重金屬與酸污染。污染物沿土壤層或采煤裂隙進入含水層，使淺層地下水受到不同程度污染。

2.5 大氣污染

礦區大氣污染包括粉塵污染和廢氣污染。粉塵主要為煤矸石揚塵，含重金屬等毒害物。廢氣主要為礦井瓦斯和煤矸石自燃氣體。瓦斯主要成分甲烷是溫室氣體，增溫效應為CO2的21倍。我國礦井年排放甲烷70～90億m3，占全球30%［6］。煤矸石自燃釋放SO2、CO2、CO等毒害氣體，一來損害人類呼吸系統，二來形成酸雨破壞建筑與植被。2006年國有煤礦存在矸石山1500余座，長期自燃的就達389座。

2.6 其它環境地質問題

其它環境地質問題包括露天開采和基建形成的不穩定邊坡；剝土及其它堆土、煤矸石等松散物受強降雨作用形成的泥石流；煤炭自燃導致的空氣污染和燒變巖區（導水性強）礦坑突水等。

3 林業復墾優勢

3.1 有效恢復礦區經濟與生態功能

林業復墾投入成本低、回報較高，可有效恢復礦區經濟與生態功能。陳新生等［10］在采煤塌陷區運用層次分析法，對農業、林業、漁業和旅游業等4種典型復墾模式研究后發現，無論塌陷區深淺、積水有否，林業復墾的生態效益均為最佳，綜合效益也僅次于農業復墾（積水較深除外）。借鑒國外礦區復墾優先考慮生態功能的原則，塌陷區應以林業復墾為首選，并可推廣至露天采區。

3.2 保持水土

地下水位下降和土壤貧瘠化所導致的植被退化，是西部干旱半干旱礦區土地荒漠化的直接原因。荒漠化地區常運用工程技術和生物技術恢復植被［6］。工程技術利用化學物質固結土壤后植樹植草，成本高且難以長期保持、易造成次生污染，優勢不如生物技術。生物技術通過培植根系發達、耐風蝕沙埋、固氮能力強、生長迅速的植物，來達到保持水土、治理土地荒漠化目的。

在地質災害易發礦區，可通過植樹來固結土壤、減少坡面流，以阻止泥石流和滑坡的發生。

3.3 促進煤礦污水利用

煤礦污水不僅是對地下水的極大浪費，而且易造成次生污染。但若用于林業復墾，則可事半功倍。煤礦污水含豐富有機物和多種礦質營養元素，可補充復墾區肥力和水分。美國學者Sopper［11］曾用城市污水淤泥進行礦區復墾，取得良好效果。因此可考慮將煤礦污水適當沉淀處理，用底部淤泥作為復墾肥料，上部清水用于灌溉。既可提高煤礦污水利用率，又節約復墾成本，一舉兩得。

3.4 修復和再造土壤

土壤重金屬污染修復是礦區土地修復的重要內容。研究表明：生物修復技術是最有生命力的土壤重金屬污染修復技術［12］，目前已發現400多種植物可超量富集重金屬。農業復墾與林業復墾均可實現重金屬的生物修復，但從食品安全角度出發，林業復墾更為合適。

露天采煤大量損毀土壤，導致其部分或完全傷失生產力。但是通過種植速生喬灌木、草本植物（尤其是豆科），可使剝土快速形成腐殖質層，重新恢復肥力。德國學者Katzur等［13］發現混植赤松、落葉松、歐洲櫟等樹種有利于土壤形成。另有研究表明，豆科植物復墾可快速穩定堆土表面、控制水和風力侵蝕、改善土壤理化和微生物性質、促進根系層水分與養分積累。

3.5 凈化空氣

森林可滯納粉塵、吸收化學物質，固定毒害氣體（CO2、SO2等）。森林滯納粉塵能力是裸地的75倍，每公頃森林每年可滯塵數百噸。青楊、桑樹、黃金樹、榆樹、刺槐等林木的樹葉還可吸收粉塵中鉛、鎘，1kg青楊干葉可吸收鉛616mg。

森林是自然界最豐富、最穩定的碳貯庫，每年每公頃可吸收約400tCO2，20世紀80年代至今已吸收CO2工業總排量的24%～36%。每公頃森林每年還可吸收0.15tSO2以及大量致癌物質。

4 林業復墾途徑

礦區復墾按工藝可分為有覆土復墾和無覆土復墾。有覆土復墾指因礦區土壤理化性質（粒度、孔隙度、酸堿性及水養鹽含量等）不適宜植物生長而在地表覆土的復墾模式，多用于采空塌陷區、露天采坑、塊狀煤矸石堆放地復墾；無覆土復墾指礦區土壤適宜或經改良后適宜植物生長而無需覆土的復墾模式，多用于堆土場、松散狀煤矸石堆積場復墾。目前一般采用有覆土復墾。

礦區復墾按階段分為前期工程復墾和后期生物復墾（圖1）。工程復墾先行，由礦企對破壞土地進行工程恢復，包括場地平整、表土覆蓋（無土復墾不需要）和土壤改良等；生物復墾隨后，包括樹種選擇、林木栽培、撫育和生態維護等。

圖1 煤礦區林業復墾分階段實施圖

4.1 工程復墾

4.1.1 場地平整

礦區平整場地類型主要包括低洼區與堆積區，前者主要指采空變形區和露天采坑，場地平整宜采用挖深墊淺法，并修筑保水和排澇設施；后者主要指煤矸石堆放區和排土區，削減坡度后進行梯田化改造，之后覆蓋有潛在肥力巖土。

4.1.2 表土覆蓋

（1）機械覆土法。用碎土機粉碎土壤后，使用排土機撒布，最后用推土機推平。為防止覆土與基底存在光滑面，覆土前應粗糙化地面。

（2）水力覆土法。將土壤和水混合后形成泥漿，之后泵入復墾區，待土壤沉淀后排出水分。水力覆土法較機械覆土法快且經濟，土壤孔隙性好，有利植物生長，曾在德國成功運用［2］，值得推廣。

4.1.3 土壤改良

（1）客土改良是利用外區土壤改良本地巖土，如在具潛在肥力的巖土中摻雜外地細粒土，改良其機械組成。

（2）化學改良是加入化學物質以改良土壤，如在水土流失區加入瀝青乳液和棉籽醇樹脂乳形成水土保護膜；重土和輕砂土加入粉煤灰提高孔隙度和持水性；酸性土壤pH值較低時加入石灰、過低時加入磷礦粉；堿性土壤施用肥料及其他化學劑。

（3）生物改良是利用生物技術改良土壤，主要包括重金屬污染修復和土壤固氮。重金屬污染生物修復包括微生物修復和植物修復（植物提取、揮發、過濾、鈍化等），植物提取技術最具前景；礦區土壤普遍缺乏營養元素，尤其缺氮，可利用固氮植物如豆科植物（草木樨、雜交苜蓿、野豌豆等）達到聚氮目的。生物改良還包括微生物改良和菌根接種技術等。

4.2 生物復墾

4.2.1 樹種選擇

應選擇適合當地土壤、地形和氣候條件的“鄉土樹種”，尤其是老礦區復墾。應選擇抗污染、易獲取養分、保水土、速生、郁閉快的“先鋒樹種”。固氮樹種尤其是刺槐、胡頹子、錦雞兒、灰赤楊、黑赤楊、沙棘等能適應嚴酷的立地條件，可作為復墾先鋒樹種。若將固氮樹種與常綠松混植，則會有更好效果。

4.2.2 林木栽培

林木栽培包括樹坑尺寸設計、造林密度設置和樹種配置。樹坑邊長宜為0.5m左右，如黃檀為0.3m、赤桉0.45m、銀樺0.6m。造林密度設置和樹種配置應根據土壤適宜性、樹種生物學特征、自然生態和經濟條件等確定［3］，如土壤貧瘠區針葉樹間距為0.8m×1.0m、楊樹為4m×4m；樹種配置傾向于主要樹種+伴隨樹種+灌木混成，實踐證明最佳配比為60%、20%和20%。

4.2.3 林木撫育

林木撫育是通過人工培育促進林木生長發育的過程，林業部門強調“三分種、七分管（撫）”。林木幼小期對環境適宜能力弱，尤其應加強撫育。

撫育工作包括灌排水、施肥、松土和除草等，其中尤以水肥調控最為重要。土壤水分不足或過多均會影響林木根系正常發育，干旱或水分滲漏區應注意灌水保墑，積水段或降雨期則應注意排水防澇。復墾地土壤養分和有機質較少，應增施化肥和有機肥。土壤形成硬殼時應注意松土。強風化土壤第一年須進行不少于4～5次除草。

4.2.4 生態維護

林地復墾的最終目標是建立覆蓋充分、良性發展的森林，而保持穩定、善于自我調節的可持續林地生態系統是其關鍵［14］。根據生態學原理，物種多樣性是生態系統穩定與發展的基礎。因此，應在復墾區使用多物種，構建并維護喬、灌、草、藤立體生態系統。

4.3 林業復墾效益評價

林業復墾效益主要包括經濟效益和生態效益。經濟效益是土地復墾后的經濟產出；生態效益指復墾后環境的改善和生物量的提高。生態效益難以定量評價，卻是發達國家的關注焦點。目前澳大利亞等國［15］正致力于制定復墾質量檢驗標準尤其是生態系統建立及自我維持標準。

復墾成本也需要充分考慮。一般說來，復墾成本主要取決于工程復墾投入（比例可達90%），因此應通過發展工程復墾技術來降低復墾成本。

5 結語

煤礦區采煤及相關行為，產生了地面變形、土壤損毀與污染、土地荒漠化、地下水環境惡化、大氣污染等一系列環境地質問題。

林業復墾因生態功能強、土地質量要求低成為國際礦區復墾首選，在恢復礦區生態與經濟功能、保持水土、促進煤礦污水利用、修復和再造土壤、凈化空氣等方面具有巨大優勢。

林業復墾分前期工程復墾與后期生物復墾兩階段，前者含場地平整、表土覆蓋與土壤改良，后者含樹種選擇、林木栽培、撫育和生態維護。

（1）煤礦區應盡量減少環境地質問題的發生。如通過充填法緩解采空沉降，單獨保存表土以減輕露采區土壤損毀，在干旱區實施地下水回灌、提高煤矸石和礦井水利用率以及抽采瓦斯等。

（2）我國礦區復墾現狀不容樂觀，受政策、資金、技術的多重制約。國家應考慮出臺配套政策、法律、法規，暢通固定投資渠道，構建生產科研組織，并實施嚴格的監管。

（3）應加強煤矸石山無土復墾、土壤重金屬生物修復、煤礦污水循環利用等專題研究。

（4）礦區復墾應加強生物多樣性與生態系統研究，而不僅僅是關注單一物種的篩選與培植。

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