祁連山煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)主要措施及修復(fù)效果研究
——以肅南縣馬蹄煤礦為例

許爾文 武秀榮 趙維俊 敬文茂 王順利 趙晶忠 袁浩 馬雪娥

(甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000)

祁連山作為我國重要的生態(tài)功能區(qū)以及西北地區(qū)最重要的生態(tài)安全屏障及水源涵養(yǎng)地，是我國生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域。祁連山地區(qū)不僅具有龐大的生物多樣性，同時(shí)也具有豐富的礦產(chǎn)資源。自20世紀(jì)70年代以來，祁連山區(qū)大規(guī)模的采探礦活動(dòng)，最終導(dǎo)致該地區(qū)局部地表塌陷，水土流失嚴(yán)重，植被遭受破壞，河流污染嚴(yán)重，生物多樣性驟減等生態(tài)問題[1，2]。近年來，隨著生態(tài)文明進(jìn)程加快，國家加大對生態(tài)環(huán)境問題保護(hù)，逐步大力整治生態(tài)環(huán)境破壞問題，政府部門也高度重視礦山環(huán)境修復(fù)治理工作的開展，特別是自2016年底以來，黨中央國務(wù)院對甘肅省祁連山自然保護(hù)區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理十分重視，做了多次重要批示，多年來投入了巨大的人力和財(cái)力進(jìn)行礦山修復(fù)治理[3]。

肅南縣馬蹄煤礦是張掖市在祁連山地區(qū)開展的大面積煤礦修復(fù)治理典型工程，目前已經(jīng)取得了較好的治理效果。為了解現(xiàn)階段祁連山區(qū)廢棄煤礦生態(tài)修復(fù)效果，本研究通過對肅南縣馬蹄鄉(xiāng)轄區(qū)修復(fù)治理的8座煤礦區(qū)現(xiàn)場調(diào)查，以肅南縣馬蹄煤礦生態(tài)修復(fù)治理區(qū)為例，本研究主要通過對礦山整體修復(fù)情況展開調(diào)查，總結(jié)當(dāng)?shù)匦迯?fù)治理措施，結(jié)合周邊與修復(fù)治理區(qū)域植被地貌的區(qū)別，總結(jié)成熟可靠的經(jīng)驗(yàn)做法，探討廢棄礦山整體修復(fù)成效，從而因地制宜提出相對應(yīng)的修復(fù)措施，以期為該地區(qū)廢棄礦山生態(tài)修復(fù)，后續(xù)管理措施以及實(shí)現(xiàn)良好的生態(tài)建設(shè)提供可行的舉措[4]。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

肅南縣馬蹄煤礦位于肅南縣馬蹄鄉(xiāng)八一村，地理坐標(biāo)為E100°20′32″，N38°29′28″，礦區(qū)面積4.899km2，海拔2800～3200m，為露天開采煤礦，年均氣溫-0.6～2.0℃，月平均最高氣溫為19.6℃，月平均最低氣溫達(dá)-12.5℃，年降水量435.5mm，且集中在5—9月，年均蒸發(fā)量1052mm，日輻射總量110.28kW·m-2，年均相對濕度60%[5]。礦區(qū)地處山地草原植被帶，土壤多以高山草甸土為主，成土母質(zhì)以殘積-坡積物、洪積母質(zhì)為主，含碎石多，土體厚3～4m，厚薄不勻，土體疏松。區(qū)內(nèi)植被類型垂直帶譜極其明顯，生長著呈片狀、塊狀分布的灌叢和喬木林，主要樹種為青海云杉(Picea crassifolia)、祁連圓柏(Juniperus przewalskii)等。肅南縣馬蹄煤礦始建于1998年，2009年停產(chǎn)，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，礦山開采對地下含水層影響微弱，主要在前期開采過程中，對山體肆意開挖或廢渣亂堆亂放，致使區(qū)內(nèi)開采面坡體裸露，同時(shí)遺留下大量的廢棄渣堆、礦洞和廢棄建筑物等，其廢渣多堆積于礦山周邊地帶及鄰近山坡處，對地形地貌、土地資源造成壓占破壞，礦區(qū)自2017年開始修復(fù)治理工作，2018年底完成礦區(qū)修復(fù)治理。

1.2 研究方法

1.2.1 野外調(diào)查

到礦山區(qū)進(jìn)行勘測，記錄海拔和經(jīng)緯度等相關(guān)地理信息，實(shí)地查看廢棄煤礦整體修復(fù)狀況，調(diào)查礦山修復(fù)對應(yīng)的工程植物措施。劃定樣地展開樣地調(diào)查，在礦區(qū)內(nèi)和礦區(qū)外圍原生地貌區(qū)各劃定1個(gè)20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，對樣地內(nèi)青海云杉的冠幅、胸徑、樹高等指標(biāo)展開調(diào)查；在樣地的四角和中間區(qū)域設(shè)置5個(gè)2m×2m的灌木樣方，調(diào)查并記錄灌木名稱、平均地徑、蓋度、平均高度和株數(shù)等指標(biāo)[4]；在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)1m×1m的樣方，在植物生長旺季7月(2023年)進(jìn)行植物生物量、物種的組成、蓋度、高度等指標(biāo)展開調(diào)查。

1.2.2 指標(biāo)計(jì)算方法

1.2.2.1 蓋度

利用樣方量算法，將1m×1m的方格窗(每個(gè)小格為4cm×4cm)置入小樣方內(nèi)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方內(nèi)所有植被投影面積所占方格窗內(nèi)所有小方格的百分比，即確定為樣方內(nèi)植被蓋度。

1.2.2.2 物種相對豐富度指數(shù)(R)

豐富度是指植物群落中所具有的不同植物種類的總數(shù)。計(jì)算公式：

R=(S-1)/lnN

式中，N為總個(gè)體數(shù)量；S為總物種數(shù)量；ln為自然對數(shù)，底數(shù)2.7182838[6，7]。

1.2.2.3 物種多樣性指標(biāo)

在分析項(xiàng)目區(qū)植物物種多樣性時(shí)，選用Shannon-weaver多樣性計(jì)算，公式：

式中，H為多樣性指數(shù)；P為第i種植物類型蓋度；S為植物種數(shù)[6，7]。

1.2.2.4 物種優(yōu)勢度指數(shù)

在分析項(xiàng)目區(qū)植物物種優(yōu)勢度時(shí)，選用Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)計(jì)算，公式：

I=Nmax/N

式中，Nmax為群落中最大種的多度、蓋度或重要值；N為群落的總個(gè)體數(shù)[8]。

1.2.2.5 物種均勻度指數(shù)

均勻度指數(shù)來描述植物群落中不同植物種類分配的均勻程度，公式：

E=H/lnS

式中，H為多樣性指數(shù)；S為總物種數(shù)量；ln為自然對數(shù)，底數(shù)2.7182838[6，7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)修復(fù)措施及狀況分析

2.1.1 工程措施

2.1.1.1 廢棄建筑物拆除整平工程

礦區(qū)內(nèi)分布的原有廢棄建筑物，建筑結(jié)構(gòu)為磚木及彩鋼房對土地資源造成壓占，對棄建筑物拆除與就近渣堆整平，使其壓占土地資源得以恢復(fù)。

2.1.1.2 礦洞回填、渣堆整平

礦區(qū)分布大小礦洞、渣堆壓占土地資源面積，這些礦洞分布分散、分布數(shù)量較大，利用現(xiàn)有棄渣堆就近回填，由于單個(gè)礦洞回填方量小，且分布分散，不宜采用機(jī)械，因此采用人工回填的方式進(jìn)行回填。較小的渣堆就地整平，剩余的較大渣堆進(jìn)行削坡整平，整平后渣堆坡角小于30°。

2.1.1.3 溝道清理疏導(dǎo)

礦山內(nèi)棄渣堆無序堆放，部分堆放在溝道內(nèi)及溝岸兩側(cè)，不僅擠壓溝道造成溝道多次改道，也使溝道內(nèi)的水流漫流，不僅威脅下游安全，而且也造成了水土流失現(xiàn)象。為了溝道通暢、規(guī)范水流和減少水土流失，在溝岸兩側(cè)棄渣堆整平的基礎(chǔ)上，對擠壓溝道和堵塞溝道的棄渣堆進(jìn)行清理并對現(xiàn)有溝道進(jìn)行截彎取直，經(jīng)過清理溝使溝道恢復(fù)原始溝道的通暢狀態(tài)，并結(jié)合鉛絲石籠工程，穩(wěn)固溝岸及溝岸兩側(cè)的棄渣堆。清理出砂石進(jìn)行回填低洼地帶，部分可用于鉛絲石籠工程墻后回填。

2.1.1.4 鉛絲石籠工程

對棄渣堆擠壓和堵塞的溝道進(jìn)行清理疏導(dǎo)，使溝道恢復(fù)了原有的通暢形態(tài)，在此基礎(chǔ)上，為了防止溝道內(nèi)季節(jié)性水流的側(cè)蝕和底蝕，在清理疏導(dǎo)后的溝岸兩側(cè)修建鉛絲石籠，穩(wěn)固溝岸，因此，根據(jù)現(xiàn)有地形和溝岸形態(tài)，在溝岸兩側(cè)布設(shè)鉛絲石籠，鉛絲石籠頂寬1.0m，底寬1.0m，地上高1.0m，基礎(chǔ)埋深1.5m，迎水面及背水面直立，堤背采用廢渣或碎石土回填。

2.1.2 植物措施

對廢渣堆壓占的土地資源整平后，在場地上部進(jìn)行0.1～0.3m厚的覆土工程，并且播撒草籽，使其自然恢復(fù)。草籽選擇適宜當(dāng)?shù)胤N植的，并且萌發(fā)快，扎根深，生長迅速，耐寒耐旱等。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，主要選用披堿草(Elymus dahuricus)，撒播量為50kg·hm-2。在礦區(qū)栽植青海云杉2000多株，云杉定制苗高在1.0m以上，苗木冠幅在0.5m以上，苗色正常，根系發(fā)達(dá)，頂端無損，無病蟲害。對恢復(fù)治理播撒草種的礦區(qū)采取圍欄封育措施，形成一個(gè)完整的封育區(qū)，防止人為活動(dòng)和放牧破壞植被生長，使得植被更好、快速生長[9]。

2.1.3 修復(fù)狀況

根據(jù)收集到的資料和現(xiàn)場調(diào)查，初步掌握馬蹄鄉(xiāng)煤礦區(qū)通過回填廢棄礦洞，整平穩(wěn)固棄渣，疏導(dǎo)溝道，覆土種草等工程和植物措施，使遭受破壞的自然保護(hù)區(qū)植被得以恢復(fù)，使水源涵養(yǎng)功能基本得到恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境逐步趨于良性循環(huán)。總體上達(dá)到“溝道平整穩(wěn)固，水流暢通，植被基本恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境逐漸改善”的綜合防治體系和治理目標(biāo)。

2.2 礦區(qū)植被狀況分析

通過對礦區(qū)修復(fù)區(qū)和周邊原地貌的植被進(jìn)行調(diào)查，本研究所在礦區(qū)為露天煤礦，植物修復(fù)措施主要是栽植青海云杉幼苗，覆土種草。栽植的青海云杉平均樹高已達(dá)到1.5m，長勢良好。在修復(fù)區(qū)發(fā)現(xiàn)草本植物種類9種，在周邊原地貌共發(fā)現(xiàn)植物種類13種，修復(fù)區(qū)原始散播草種主要為披堿草(Elymus dahuricus)、早熟禾(Poa annua)草種，見表1，經(jīng)過7年的恢復(fù)，以及附近野生草種的侵入，礦區(qū)植被已恢復(fù)到原生地貌的水平。

礦區(qū)所在地植被具有良好的生長狀況，植物根長、植株高度、從植物伴隨著返青到枯黃不斷增大。其中，群落蓋度季節(jié)動(dòng)態(tài)變化明顯，在生長旺期已與原生地貌草地80%的蓋度水平相當(dāng)，根據(jù)草本群落指標(biāo)計(jì)算方法統(tǒng)計(jì)相關(guān)指標(biāo)，見表2；植株分蘗數(shù)也在持續(xù)增加，平均每植株可達(dá)到20個(gè)以上；植株高度在2023年平均達(dá)到20cm。

表1 不同區(qū)域植被狀況統(tǒng)計(jì)表

表2 不同區(qū)域植被相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論與討論

肅南縣馬蹄煤礦生態(tài)修復(fù)措施包括工程措施和植物措施，修復(fù)治理后總體達(dá)到了“溝道平整穩(wěn)固，水流暢通，植被基本恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境逐漸改善”的綜合防治體系和治理目標(biāo)。項(xiàng)目的實(shí)施，通過地貌景觀恢復(fù)，移栽青海云杉，建設(shè)水源涵養(yǎng)林1.4hm2，恢復(fù)地表植被結(jié)構(gòu)，降低地表徑流沖刷，減少水土流失；恢復(fù)的林草地增加了當(dāng)?shù)刂参锒鄻臃N類，極大地提高了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)效益。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，肅南縣馬蹄鄉(xiāng)有修復(fù)治理煤礦8座，除肅南縣馬蹄煤礦，其他均為占用草地、荒地的露天煤礦，修復(fù)模式主要為恢復(fù)地貌景觀，覆土種草，修復(fù)治理模式較為單一，但草本恢復(fù)長勢較好，也已與周邊原生地貌沒有太大區(qū)別，肅南縣馬蹄煤礦修復(fù)模式較為典型，因靠近溝道水源，移栽了青海云杉林，形成了林、灌、草的層次結(jié)構(gòu)，修復(fù)治理效果最好。因此，在礦山修復(fù)治理中應(yīng)按照“宜林則林、宜草則草、宜荒則荒”的分類治理原則，實(shí)施“一礦一策”生態(tài)治理，不能盲目追求層次化、多樣性的修復(fù)模式，統(tǒng)籌做好廢棄礦山修復(fù)過程中區(qū)域和生態(tài)的結(jié)合。研究表明，采用草種混播的方式可以作為高原礦區(qū)復(fù)綠的有效措施，在此基礎(chǔ)上采取多草種混播的方式則更有利于群落穩(wěn)定性增強(qiáng)以及有利于提高草種的成活率，同時(shí)對于提高人工草地的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性具有一定的促進(jìn)作用[10]。根據(jù)高山礦區(qū)修復(fù)治理經(jīng)驗(yàn)，草本建議使用如中華羊茅(Festuca sinensis)、苜蓿(Medicago sativa)、星星草(Puccinellia tenuiflora)、冷地早熟禾(Poa crymophila Keng.)、披堿草(Elymus dahuricus)、灌木使用沙棘(Hippophae rhamnoides)、檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)、金露梅(Dasiphora fruticosa)等。