陜北采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的水文過程及其作用研究探討

李剛王娜

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安 710000；3.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；4.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710000；5.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710000)

引言

我國既是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，也是最大的煤炭消費國。煤炭是我國最主要的能源，約占我國一次性能源消費量的74%[1]。煤炭開采活動往往會對礦區(qū)周邊造成地面塌陷、煤矸石和粉煤灰大量堆積等危害。此外，我國煤炭開采中井工開采約占96%，只有4%的煤礦是露天開采，由于井工開采形成地下采空區(qū)，勢必造成嚴(yán)重的地面塌陷。目前，我國由于煤炭開采造成的采煤塌陷、沉陷區(qū)面積約200萬hm2，并且以每年7萬hm2的速度增加，按照現(xiàn)有的生產(chǎn)規(guī)模，到2030年采煤塌陷區(qū)的規(guī)模將達到280萬hm2，然而采煤塌陷區(qū)的復(fù)墾率只有35%左右[2]。采煤所造成的塌陷是一種危害嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，打破了區(qū)域原本平衡的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，引起了地質(zhì)、地貌、植被、土壤、水分等因子的變化[3-6]，嚴(yán)重損毀當(dāng)?shù)剞r(nóng)田耕地和生態(tài)環(huán)境。我國土地資源匱乏，由于采煤塌陷所造成的地質(zhì)損毀、地貌破壞，使得區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境極度脆弱，這些問題已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展中的突出矛盾之一[7-9]。采煤沉陷區(qū)治理是踐行國家生態(tài)文明建設(shè)、美麗礦區(qū)建設(shè)、“綠水青山就是金山銀山”的重要內(nèi)容，加快推進是十分必要的。習(xí)近平總書記多次視察采煤沉陷區(qū)治理工作，2018年9月28日視察撫順礦業(yè)集團西露天礦時強調(diào)，開展采煤沉陷區(qū)綜合治理要本著科學(xué)的態(tài)度和精神，搞好評估論證，做好整合利用這篇大文章。

1 研究區(qū)概況

陜西省榆林地區(qū)煤礦位于黃土高原和毛烏素沙地的復(fù)合過渡地帶，屬我國北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)，加之當(dāng)?shù)爻瑥姸鹊拈_采活動，造成了當(dāng)?shù)氐V區(qū)植被覆蓋率嚴(yán)重減少，荒漠化加劇等一系列生態(tài)問題，其中煤礦采空區(qū)的土體污染、土體損毀和生態(tài)環(huán)境問題最為嚴(yán)重，也是當(dāng)下的研究熱點。根據(jù)《全國生態(tài)功能區(qū)劃(修編版)》(公告2015年底61號)和《全國水土保持規(guī)劃國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)復(fù)核劃分成果》(辦水保[2013]188號)，榆林市處于我國鄂爾多斯高原防風(fēng)固沙重要區(qū)、黃土高原土壤保持重要區(qū)以及黃河多沙粗沙國家級水土流失重點治理區(qū)。榆林地區(qū)長城沿線防風(fēng)固沙林帶是我國北方防沙帶的重要組成部分，東南黃土丘陵溝壑區(qū)是黃土高原水土保持重要功能區(qū)，在能源經(jīng)濟發(fā)展模式下，榆林市本身就很脆弱的生態(tài)環(huán)境面臨著越來越突出的生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)環(huán)境安全形勢十分嚴(yán)峻，嚴(yán)重制約著榆林市乃至陜西省的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

榆林市是陜西省最為重要的煤炭基地，在陜西有著舉足輕重的地位，是一帶一路上少有的高端能源化工基地，煤炭資源豐富、潛力巨大、優(yōu)勢明顯，全市54%的土地面積含煤，已探明儲量1500億t，預(yù)測儲量2800億t。區(qū)域內(nèi)煤炭開發(fā)起步于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時開采大多為小礦井，存在資源回收利用率低、安全可靠性差等一系列問題，且經(jīng)過20多年的開發(fā)，原采空區(qū)所誘發(fā)的地表塌陷、地下水位下降、地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境破壞等已成為困擾當(dāng)?shù)厝藗兩睢⑵髽I(yè)和榆林安全、可持續(xù)發(fā)展的重要問題。因此，對于該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境綜合治理更要樹立“數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)、人文”的四位一體土地整治理念，以生態(tài)環(huán)境“永續(xù)發(fā)展”為基本原則，開展煤礦采空區(qū)生態(tài)綜合治理。煤礦采空區(qū)的治理要堅持保障糧食供給安全、生態(tài)環(huán)境安全2大方面，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人居環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境同步發(fā)展。

綜上所述，煤礦采空區(qū)生態(tài)綜合治理是實現(xiàn)國土和生態(tài)安全的必要手段，是解決自然資源供需矛盾和實現(xiàn)人地關(guān)系和諧發(fā)展的保障，通過煤礦采空區(qū)綜合治理與重建，可以促進這一生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)重建，因此有必要開展系統(tǒng)的煤礦采空區(qū)土體污損狀況和生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究以及土體有機重構(gòu)、植被重建技術(shù)研究。

2 陜北采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的重要性

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與能量流動的中樞[10]。采煤塌陷區(qū)復(fù)墾和重建的首要任務(wù)是植被恢復(fù)，植被作為生態(tài)脆弱地區(qū)最敏感的生態(tài)環(huán)境因子，其變化直接影響到其它環(huán)境因子的變化[11]，所有自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建都是以植被恢復(fù)為基本前提。植被恢復(fù)不僅起著構(gòu)建退化生態(tài)系統(tǒng)初始植物群落的作用，還能夠促進土壤結(jié)構(gòu)與肥力以及土壤微生物和動物等的恢復(fù)，進而促進整個生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。此外，植物根系還直接對采煤塌陷區(qū)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。針對采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)，國內(nèi)外已經(jīng)實施了一系列以植被建設(shè)為主要措施的重大生態(tài)工程，有效促進了采煤塌陷區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與重建。然而，在陜西省榆林地區(qū)采煤塌陷區(qū)開展以植被建設(shè)為主的生態(tài)恢復(fù)過程受到水分因素的限值，該區(qū)域煤礦多處于黃土高原與毛烏素沙地的復(fù)合過渡地帶，自身生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱缺水，很大程度限制了采煤塌陷區(qū)的植被恢復(fù)效果。相關(guān)理論研究，特別是對植被恢復(fù)格局變化、水文過程及其作用機制的研究滯后，缺乏對工程實踐的有效指導(dǎo)是造成這種現(xiàn)狀的重要原因。因此，科學(xué)、全面地探究采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的水文過程、響應(yīng)機制，并探索適宜的調(diào)控對策和途徑是有效提高采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)、生態(tài)重建的關(guān)鍵科技需求。

3 陜北采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)水文過程及其重要性研究

植被恢復(fù)的水文效應(yīng)是植被生態(tài)系統(tǒng)的重要功能[12]，由于植被的攔截、攔蓄作用，植被不僅可以涵養(yǎng)水源，保持水土穩(wěn)定性；還可以有效減少地表徑流，將地表水變?yōu)榈叵滤岣咄馏w結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；也可以消洪補枯，使降雨在土壤中以“壤中流”的形式匯集，形成穩(wěn)定平緩的水資源，最終滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。盡管大量學(xué)者針對生態(tài)水文學(xué)開展了一系列客觀、全面的研究，詮釋了植被對水文產(chǎn)生影響的過程和機制，但這些研究多集中在沙漠、荒漠、黃土高原、喀斯特地貌地區(qū)等區(qū)域。陳洪松等研究了西南喀斯特地區(qū)土壤-巖石環(huán)境中，植被恢復(fù)的水文-侵蝕過程和規(guī)律[13]；李新榮等研究了沙漠-荒漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮對沙區(qū)土壤生態(tài)水文過程響應(yīng)與反饋機理研究[14-17]。但是，對于采煤塌陷區(qū)這一特殊生態(tài)脆弱區(qū)植被恢復(fù)的水文過程和響應(yīng)機制鮮有研究。對于采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的研究大多集中在采煤塌陷對植物群落和植被的影響，而植被恢復(fù)對采煤塌陷區(qū)生態(tài)重建以及重建過程中的機理機制研究較少。作為采煤塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，植被恢復(fù)與重建已成為該類型環(huán)境脆弱區(qū)中生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)之一，研究植被恢復(fù)的水文過程、機理是揭示采煤塌陷區(qū)生態(tài)重建和恢復(fù)機理，以及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性和穩(wěn)定性發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

4 陜北采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)水文過程研究方法探索

陜西省榆林地區(qū)煤炭資源豐富，全市54%的土地面積含煤，已探明儲量達1500億t，預(yù)測儲量2800億t。區(qū)域內(nèi)煤炭開采起步于20世紀(jì)80年代，存在回收利用率低、安全可靠性差等一系列問題，經(jīng)過多年的開發(fā)，原采空區(qū)所誘發(fā)的地表塌陷、地下水位下降、地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境破壞等問題已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要問題。為了從根本上消除遺留塌陷區(qū)的安全隱患，提高土地利用效率，當(dāng)?shù)卣疀Q定開展采煤塌陷區(qū)的綜合治理工作，對當(dāng)?shù)夭擅核輩^(qū)開展了調(diào)研踏勘，并提出了初步的規(guī)劃和治理措施。但是對于采煤塌陷區(qū)植被、水文、土壤的基本作用尚未有一個詳細的研究過程。

根據(jù)陜北采煤塌陷區(qū)的實際狀況，以采煤塌陷區(qū)土壤水分為切入點，基于不同時空梯度的植被恢復(fù)格局開展野外調(diào)查與模擬實驗，重點研究陜西榆林地區(qū)采煤塌陷區(qū)不同恢復(fù)年限、植被類型、塌陷類型和程度共同作用下的植被格局，尋求不同時空梯度下植被格局的差異性。基于微分方程動力學(xué)模型，確定不同恢復(fù)年限、植被類型、塌陷類型和程度下的植被穩(wěn)定性關(guān)鍵過程轉(zhuǎn)化閾值范圍，揭示采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的水文過程及機理，為采煤塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)和重建及其可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。通過以上措施，可以摸清采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)格局特征，探明區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)的水分特征，揭示植被恢復(fù)對水文過程的適應(yīng)及反饋機制，確定不同時空梯度下植被穩(wěn)定性的生態(tài)-水文閾值，最終可以因地制宜地提出采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)可持續(xù)性和穩(wěn)定性的調(diào)控對策，為采煤塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)和重建及其可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

由于陜北采煤塌陷區(qū)處于黃土高原與毛烏素沙地復(fù)合過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，水分條件差，決定了水分是影響該地區(qū)植被恢復(fù)的關(guān)鍵因素，因此科學(xué)、全面地探究采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的水文過程、響應(yīng)機制是開展相關(guān)研究的核心。在研究過程中必須注意3個方面重要內(nèi)容的探索，采煤塌陷區(qū)植被格局識別。植被是決定著采煤塌陷區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定、生態(tài)可持續(xù)性的關(guān)鍵要素，采煤塌陷區(qū)植被受到多種不同因素的共同影響，形成了不同的植被分布格局，明確采煤塌陷區(qū)的植被格局，是定量分析采煤塌陷區(qū)水文過程的必要前提。植被恢復(fù)的水文過程及其響應(yīng)機制的探索，植被動態(tài)直接影響著采煤塌陷區(qū)水分的傳輸和轉(zhuǎn)化，改變了水文過程，而水文過程又反過來驅(qū)動著植被的分布格局，探明植被恢復(fù)與水文過程的這種耦合互饋機制是解決采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)可持續(xù)性的科學(xué)基礎(chǔ)。植被穩(wěn)定性的生態(tài)-水文閾值的確定，植被恢復(fù)的可持續(xù)性與穩(wěn)定性事關(guān)采煤塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建的成敗，通過研究采煤塌陷區(qū)植被的水文過程，確定區(qū)域內(nèi)植被穩(wěn)定性維持的生態(tài)-水文閾值，是實現(xiàn)采煤塌陷區(qū)植被恢復(fù)的關(guān)鍵問題。