露天矿排土场生态修复与植被重建技术

项元和，于晓杰†，魏勇明，2

(1.内蒙古水利科学研究院，010020，呼和浩特;2.内蒙古大学环境与资源学院，010021，呼和浩特)

黑岱沟露天煤矿自1990年破土动工以来，已征用几十km2的土地。上亿t的剥离物堆置、填沟后，形成了矿区大面积无植被覆盖、松散剥离土组成的大型排土场(北排土场、东排土场、西排土场、果园、捣蒜沟、马连沟等)。彻底改变了原地貌的性质，在大风和暴雨的作用下，极易发生新的水土流失和风蚀沙化［1-2］;因此，对矿区内的排土场进行生态恢复与植被重建工作具有重要的现实意义。

1 研究区概况

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇，蒙、晋、陕交界处，东临黄河，北距首府呼和浩特市120 km。矿区气候属于中温带半干旱大陆性气候，年平均气温5.3～7.6℃，最大冻土深度149 cm。年总降水量231～459.5 mm，平均408 mm，降水多集中在7—9月份，约占全年降水量的80%。年蒸发量为1 824.7～2 896.1 mm，日照时间3 119.3 h。

研究区地貌属黄土丘陵区，原生地表沟壑纵横，因受强烈侵蚀的影响，矿区内地带性土壤不明显，非地带性土壤——黄绵土广泛分布。地带性植被属暖温型草原带，植被稀疏低矮，盖度一般在30%以下，天然森林已全遭破坏。

矿区建设后在排土场和其他废弃地区域开展生态重建工程形成新的人工生态系统，代替了原来的自然和农业生态系统，使生态系统的结构和组成发生了根本变化。原来处于相对稳定的系统结构，被人工生态系统和自然恢复的生态系统代替，生态系统更加趋于多样，水土保持功能得以发挥［3］。

2 土壤系统修复技术

对露天矿排土场进行植被重建的首要任务是明确限制生态环境恢复的主要因子，并清除这些不利因素，否则，植被恢复工作难以开展。露天矿排土场土地的共同特点是土壤中缺少自然土中的营养物质，尤其是缺少氮、磷和有机质。由于植物生长所需主要营养物质的匮乏，使得土壤肥力低下，不适宜于植物生长;因此，植被重建的前提是改良土壤，为植物提供必须的生长条件［4］。

为寻找适合矿区土壤系统修复的最佳技术，进行多项土壤改良方法的试验研究，并对排土场(北排、东排、马连沟等)现状复垦植被的土壤水分改良效果、土壤养分改良效果、土壤微生态环境改良效果等进行监测、分析，根据矿区的条件选择出露天矿排土场土壤改良的有效方法。

2.1 土壤培肥

排土场土壤改良施氮、磷化肥后，土壤有机质、速效养分含量增加幅度较高，但由于无机化肥的价格较高，且在干旱缺水条件下肥效难以充分发挥;因此，排土场在复垦种植时主要利用化肥作为种肥或部分植物的追肥使用，作为大规模复垦土壤培肥地力的肥料主要还是有机肥。有机肥在分解过程中，产生多种有机酸，有利于土壤中难溶性养分溶解释放，提高养分的有效性，充分发挥土壤的潜在肥力。有机肥料在分解过程中可产生二氧化碳，促进植物的光合作用。总之，有机肥的作用是多方面的，它具有化肥所没有的优越性。

2.2 粉煤灰改良土壤

在黑岱沟露天矿排土场试验区的研究表明，施粉煤灰1 t/hm2处理，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷质量分数分别比对照增加 90.7%、65.8%、23.5%、65.1%和18.8%，施粉煤灰2 t/hm2处理，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷质量分数分别比对照增加138.8%、156.6%、63.9%、75.5%和55.8%。从各养分的增加幅度来看，增施粉煤灰后土壤有机质、全氮、全磷质量分数增加较多。粉煤灰可以用作土壤改良剂，在与农家肥和化肥混合施用时效果较好，其主要作用表现在:可以明显改良土壤质地，降低土壤密度，增加土壤孔隙度，提高地温，促进土壤微生物活性，有利于养分转化，有利于保温保墒，使水、肥、气、热趋向协调，为作物生长创造良好的土壤环境，促进作物增产。

2.3 种植豆科牧草

黑岱沟露天矿排土场自1992年复垦以来，首先把豆科绿肥——苜蓿(Medicago)作为改良土壤的先锋植物进行种植，收到了明显的效果。与1992年未复垦裸地相比，复垦初期(5年之内)土壤有机质、全氮、碱解氮和全磷的质量分数增幅最大，种植苜蓿2年后分别增加了1.4、14.3、3.1和4.7倍，其中尤以全氮质量分数的增加最为显著。5年后各养分指标表现为下降趋势，但下降较为缓慢，15年后仍远高于复垦初期的水平。速效磷质量分数变化与此相反，在复垦初期无明显变化，5年之后才有较大幅度的提高。

从大量的试验研究结果可知，种植豆科牧草不仅能增加土壤有机质的有效养分，而且能促进土壤水稳性团粒结构的形成，改善覆盖土的理化性质。因此排土场在复垦种植时，一般都要用豆科植物作为先锋栽种植物，来进行覆盖土的培肥熟化与稳定。

2.4 直接种植灌木

通过对目前已实施的植物措施进行保水效果、土壤养分改良效果、土壤微生态环境改良效果等监测分析，在新建排土场直接种植灌木，如欧李(Cerasus humilis Sok)、紫穗槐(Amorpha fruticosa L)等，仍然可有效提高土壤深层次的养分，蓄存土壤水分。

3 植被重建技术

露天矿区排土场环境条件极端恶劣，其受损生态系统自我恢复将难以实现，或实现过程漫长［5］。如果采用生态恢复措施，排土场中受破坏的生态系统可在相对较短的时间内得以恢复。植被重建是露天矿排土场生态恢复的首要工作。植被重建除了本身起着构建退化生态系统初始植物群落的作用外，还能促进土壤结构与肥力以及土壤微生物与动物的恢复，从而促进整个生态系统结构与功能的恢复与重建［6-7］;因此，研究排土场植被重建问题具有十分重要的现实意义。

3.1 植被重建作物、草树种选择依据

露天矿排土场土地复垦，建立人工植被，首先必须选择适宜的植物品种。为此要做到覆盖土、气候等自然环境条件与植物生态学特性的统一，即“适地适植”的原则。

3.1.1 主要草(树)种选择依据

1)耐土壤贫瘠。排土场土壤主要是矿区开采中最初的剥离物，无结构。因排弃过程中反复碾压使土壤坚硬紧实而干燥，养分极为贫乏，要求所选植物种具有耐贫瘠的生物学特性。

2)抗旱性强。该地区气候属中温带半干旱气候，总的气候特点是:日照充足，有效积温高，水热同期，有利于植物生长;但是夏季降水多以暴雨形式出现，使水土流失加重，春季干旱少雨，多大风，这些又不利于种子植物的成活和生长。为此，在这大风干旱的地区植被恢复应选择抗旱能力强的植物。

图1 植被重建作物和草(树)种选择技术Fig．1 Technology of select crop and plant of plant restoration

3)植物根系的固土和护坡能力。植被固土、护坡是防治水土流失的有效办法，根系土壤增强作用是植被稳定土壤的最有效机械途径。根系能加强土壤的聚合力，在土壤本身强度不变的情况下，通过根系的机械束缚增强根际土层的总体强度，提高滑移抵抗力。植物相互缠绕的侧面根系形成具有一定抗张强度的根网，将根际土壤固结为一个整体，同时垂直根系把浅层根际土层锚固到深处较稳定的土层上，更增加了土体的稳定性。因此，在黑岱沟露天矿区植被恢复中必须本着植被根系固土、护坡能力强的原则进行树草种的选择。

4)考虑经济价值及矿区绿化、美化效果。

3.1.2 主要植物种类选择技术 黑岱沟露天矿自1992年开始开展水土保持与生态重建工作，先后选用了90多种植物进行了人工栽培试验，从栽植植物的水土保持和改良土壤的作用、植物的演替退化规律、植被根系的固土护坡能力、植被抗旱机制及其在矿区排土场复垦土地上的植物生长状况等方面的分析，最终选出适宜矿区内生长的植被类型，见图1。

3.1.3 矿区筛选出的先锋植物和适生植物 矿区自1992年生态重建以来，就在排土场自然恢复植被种类和生长状况调查的基础上，开展了适宜植被类型的筛选和种植。通过多年植被重建与生态恢复试验工程中取得的一些成果，且在土地复垦和生态恢复技术上积累的一定经验，通过水土保持与生态重建实践、对比试验，筛选出了适合于矿区内部生长的部分植物。乔木有油松(Pinus tabulaeformis)、樟子松(Pinus sylvestris)、刺槐(Robinia pseudoacacia L)、新疆杨(Populus bolleana Lauche)、柳树(Salix matsudana Koidz)、梨树(Pyrus bretschneideri Rehd)、侧柏(Platycladus orientalis)、杜松(Juniperus rigida Sieb.et Zucc)、山楂(Crataegus pinnpatifida Bunge)、樱桃(Cerasua pseudocerasus G.Don)、云杉(Picea asperata Mast)、山丁子(Malus baccata Borkh)等，灌木有沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、柠条(Caragana microphylla(Pall.)Lam)、丁香(Syringa oblate Lindl)、女贞(Ligustrum)、紫花洋槐(Robinia pseudoacacia)、欧李(Cerasus humilis Sok)、锦鸡儿(Caragana sinica Rehd)、沙地柏(Sabina vulgaris Antoine)、小叶鼠李(Rhamnus parvifolia Bunge)等，豆科草种有紫花苜蓿(Medicago sativa L)、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall)、黄芪(Leguminosae)、羊柴(hedysarummaxim)、草木樨(Melilotus suaveolens Ledeb.)等;禾本科草种有披碱草(Elymus dahuricus Turcz)、羊草(Leymus chinense Tzvel)、冰草(Agropyron cristatum Gaertner)、碱茅(Puccinellia distans Parl)、狗尾草(Setaria viridian Beauv)等。

3.2 植被重建技术施工方法

3.2.1 蓄水截流整地

1)深整地蓄水工程。在干旱半干旱地区造林，土壤水分条件是影响造林苗木成活和林木生长的突出限制性因子，通过林地坡面建造微型集水区，使其人工引起地表径流并就地拦蓄利用的植树带深整地蓄水工程来解决这一矛盾，是有效的解决途径。

黑岱沟露天矿北排土场1 275 m标高平台周边，2004年春季采用植苗移植新疆杨16行，株行距均为3 m。为了拦蓄径流，防止水流对边坡产生冲刷，于2003年雨季前采用机械挖掘深整地方式，穴径1.2 m、深0.8 m，整地时把生土作埂表土回填，以提高土壤持水能力，见表1。可以看出，深整地蓄水工程大大增加了土壤积水贮水能力，整地后，土壤变得疏松多孔，渗透性增强，有利于水分迅速下渗到深层，并加以保蓄，使毛细管作用消弱，又可以减少地表水分的蒸腾。

表1 新疆杨不同整地深度对土壤水分影响Tab．1 Infection of soil moisture in different trim soil depth on Populus bolleana Lauche %

2)集流整地。在排土场边坡、工业场地堆垫边坡等地沿等高线采用水平沟、鱼鳞坑整地形式。水平沟、鱼鳞坑按20年一遇标准设计。实践证明，水平沟、鱼鳞坑整地有效地拦蓄了坡面来水，减少了坡面水土流失。

3.2.2 植树带塑料薄膜覆盖 改变土壤表面蒸发条件最有效的方法是进行覆盖，覆盖栽培能有效地改变小气候条件，改变土壤水热状况，从而促进农作物和林木的生长。目前，国内外普遍使用的几种地表覆盖材料有地膜、草纤维膜、秸秆、枯草等，其中地膜覆盖保墒作用显著。

覆盖是人为在大气和土壤的交界面上设置隔离物，它通过改变太阳辐射的吸收、散射、反射等产生的一系列连锁变化，改变土壤的热平衡，通过热量变化，提高或降低了土壤温度，增加了土壤含水量，同时也改变了其他的土壤物理化学特性，覆盖之后避免了击溅，表土一般不产生板结，土壤密度、通气系数、呼吸等发生明显变化，这种微局地环境的改变对于半干旱地区的造林非常重要。

在黑岱沟露天矿东排土场、东沿帮排土场香花槐(Cladrastis wilsonii Takeda)、紫花洋槐、新疆杨的栽植中采用厚度为0.010～0.015 mm无色透明塑料薄膜直接覆盖于土壤表面，当年植株生长状况明显好于未覆膜区。

3.2.3 针阔混交林分有序更替 黑岱沟露天矿北排土场1 275 m标高平台周边2004年种新疆杨16行，株行距均为3 m，采用挖掘机1 m3的挖铲进行穴状整地，2005年在新疆杨中间又种植了油松，目的是实现针阔混交林分有序更替。新疆杨生长较快，能迅速形成上层林冠，创造了庇荫条件，油松的幼树在其下可茁壮生长，当经过一定阶段后，油松高度逐步超过新疆杨，并形成更高的主林层，此时，喜光的新疆杨便逐渐枯死，最后全部被淘汰，成为油松纯林，完成树种更替过程。

针阔混交阶段的关键是林分主次位置的互换，林分从造林之初的以阔为主，过渡到针阔平等，最后发展到以针为主。新疆杨为油松发挥了遮荫、辅佐作用后，完成历史使命，最后退出了混交类型。因此，在造林之初要促进新疆杨的生长，而在油松进入中龄林后，要人为逐渐抑制新疆杨的生长，促进混交林分向油松的过渡。

3.2.4 沙棘灌丛密度调整优化 沙棘的萌蘖能力很强，萌蘖株或萌枝的群体结构与单位面积的萌蘖数或萌枝数相关。当萌蘖数或萌枝数低于某一密度时，随数量增加生物量也增加;在超过这一数量时，生物量不再增加，反而下降。这一密度即最佳萌蘖数或萌枝数。通过密度调整，可以保证灌丛拥有最大生物量。其技术方法包括去密留疏、去小留大、去弱留强，通过对过密沙棘林进行疏伐，达到改善林内光照和空气条件，增加植株个体的营养面积，满足沙棘的生物学和生态学要求，提高其产量的目的;调整雌雄株比例(以利用果实为主的林分)，使雌株和雄株的比例保持在8∶1或10∶1，以改善保留雌株的生长环境达到提高其结果能力的目的;合理修剪，增强树势等，充分发挥萌生灌木群落的生长优势，改善林内卫生状况，大大提高单位面积的蓄积量，从而更好地发挥其多方面的生态经济功能。

3.2.5 合理确定造林密度 造林密度与幼林郁闭早晚及林木生长有密切关系，并不是密度越大，产量越高，只有根据造林目的、林种及树种的生物学特性并结合当地条件和具体要求确定合理造林密度，才能取得预期的生态、社会、经济效益。

现有的一些确定初植密度的方法，如按不同配置形式确定初植密度和按经营目的确定初植密度等方法，通常具有一定的经验性和随意性，而且对当地制约林分密度的主要因子考虑较少。下面就所研究的准格尔露天矿矿区的主要造林树种——新疆杨和油松，根据树冠生长发育过程来确定初植密度。

这种方法的基本程序是通过调查现有造林地第一树种幼林时期林冠的生长发育状况，了解和掌握各树种平均冠幅随年龄而变化的规律，然后根据所要求的幼林年限和该年限的平均冠幅，以及希望达到的郁闭度，确定出该树种的初植密度。

由准格尔露天矿矿区所要求的幼林郁闭年限(新疆杨林5年、油松林7年)和该年限的平均冠幅(新疆杨林1.2075 m2、油松林0.8169 m2)以及希望达到的郁闭度(均为0.3)，各树种的初植密度由下式计算。

式中:N为初植密度，株/hm2;S为单位面积，hm2;D为某树种要求郁闭年限的树冠投影面积，m2;C为要求达到的郁闭度。

据此式计算出黑岱沟露天矿区新疆杨林的合理初植密度为2 330株/hm2，株行距2 m×2 m;油松林的合理初植密度为3 672株/hm2，株行距1.5 m×1.5 m。

根据以上公式计算，可确定出矿区主要造林树种的造林密度，见表2。

表2 主要树种的造林密度Tab．2 Forestation density of primary plant

3.2.6 种植点的配置 在黑岱沟露天矿区排土场平台绿化主要采用行状配置的配置方式，采用这种方式能充分利用林地空间，树冠和根系的发育也比较均匀，有利于速生丰产，便于抚育管理。在坡地条件下，行状配置时要使种植行的方向与径流线保持垂直，以利于水土保持。

3.2.7 直播、移栽、扦插

1)直播。准格尔露天矿矿区的农作物和牧草，为了有较长的生长期，都是早春土壤解冻后抢墒播种，雨季播种必须在7月15日前完成，否则生长的幼苗太小经不住当地冬季严寒的伤害而死亡。直播种子的前处理根据土壤墒情来确定，若土壤墒情好，可温水浸种催芽后播种，豆科牧草(如紫花苜蓿、沙打旺等)一般浸种12～16 h，种皮薄的用30℃的水浸种，种皮厚的用60℃的水浸种，种皮坚硬的用70℃以上的水浸种，禾本科牧草播种前需进行去芒处理。

2)移栽。在准格尔露天矿矿区沙棘、紫穗槐、香花槐、刺槐等移栽苗以1～2年生较好，油松、樟子松、柳树等树苗以2～4年生较好。苗木过小难以与杂草竞争，苗木过大则成活率降低，且运输费加大。矿区现有的沙棘林、紫穗槐林、香花槐林等都是用移栽法栽植的，据调查其成活率均在90%以上。

3)扦插。扦插有春插、秋插和夏插，落叶树以春季新芽未萌动以前扦插为好，常绿树以春末夏初或秋天扦插为好。准格尔露天矿矿区对沙柳、新疆杨等几种落叶树都采取春插，在春季3月下旬—4月上旬，新芽未萌动前完成，插条采用1～2年生枝条，截成20 cm左右的小段，在清水中浸泡72 h，以除去生根障碍物，插前用激素处理一下，落叶树一般用吲哚丁酸，乔木类用0.001% ～0.02%的吲哚丁酸，灌木类用0.001% ～0.002%的吲哚丁酸，处理时间12～24 h，然后迅速扦插，地上留1～2个芽，及时浇水。

3.2.8 苗木根系活力增强 在云杉、圆柏(Juniperus chinensis L)、油松及插条等树种造林前，应用ABT生根粉溶液对根系提前处理，可加快苗木根系的恢复速度，提高造林成活率。

ABT生根粉慢浸质量分数50～200 mg/kg，速蘸质量分数500～2 000 mg/kg。ABT生根粉质量分数越高，所需浸泡时间越短。一般阔叶树处理的质量分数稍低，针叶树处理的质量分数稍高。

3.3 排土场植被优化配置模式

植被优化配置模式主要通过不同配置类型植被土壤水分利用效果、土壤养分利用效果、植物生长发育状况、植被对环境因素的影响、投资分析与经济评价的分析研究，同时结合生态效益和经济效益的评价结果进行选择。

生态效益和经济效益常是比较不同生态修复模式优劣的重要指标。张树礼等［6-7］以水土保持功能、土壤养分及相关理论特征为尺度系统地评价了乔、灌、草之间组合而成的各种模式优劣，并总结出它们的特点和规律。李相玺等［8］综合经济效益和生态效益，评价乔灌草结构的大小顺序为乔、灌、草模式＞乔、灌模式＞乔、草模式＞乔木纯林，如土壤侵蚀量前4种模式分别比乔木纯林模式减蚀达74.9%、65.%、62.5%和61.6%，对比效果比较明显。见图2。

系统是若干部分在相互联系、相互作用之中形成的具有某种确定功能的整体。因此有必要对司法鉴定管理信息系统中主要相关概念进行梳理。下图为司法鉴定管理信息框架图（图1）。

图2 植被优化配置模式筛选指标体系Fig．2 Optimization collocate of plant

根据植被重建技术及筛选出的排土场适宜草树种对排土场进行植被的优化配置。

3.3.1 排土场植被的整体配置格局 在排土场径流分散小区布置的基础上，根据排土场不同部位与利用方式等进行植被总体配置。平台沿道路两侧设置以杨树为主的网格状防护林，平台周边营造以蓄水为目的的大坑深整地乔木防护林，防止平台径流汇入边坡;平台各小区根据规划利用方向合理配置植被，平台规划为农田时，以种植过渡性植被牧草为主;而在排土场的边坡，由于坡度太大，不利于种植，暴雨条件下还容易产生剥皮和泥流，因此在边坡形成后，迅速实施水平沟、鱼鳞坑整地，建立以柠条、沙棘、山杏(Armeniaca sibirica(L.)Lam.)等耐旱固土灌木为主的等高植物篱。边坡产流直接汇入其下方的平台，为平台的植物种植提供了更好的水分支持。坡脚水分条件好，栽植速生乔木。

3.3.2 平台植被配置模式 排土场平台网格化整治后，根据平台的不同位置及利用方向将平台植被配置模式分为用于绿化美化矿区环境、防止水土流失的永久性林牧用地和最终利用方向为育苗基地和高产农作物用地。

1)永久性林牧用地平台植被配置模式。主要布置在黑岱沟露天矿先期剥离形成、分布于工业广场的刘四沟、捣蒜沟、马连沟排土场平台经及北排土场面向工业广场部分，起着绿化美化矿区环境、防止粉尘污染、控制水土流失、防风固沙等重要作用。主要树种有杨树、油松、山杏、桧柏、杜松、苹果梨、123苹果(Malus pumila Mill.)、沙地柏、沙棘等;草本植物有紫花苜蓿、沙打旺、红豆草(Leguminosae)、草木樨、披碱草、冰草等。

植被配置模式主要有乔草复合模式、草灌乔景观生态模式、乔灌混交模式和灌草复合模式等。

2)最终利用方向为育苗基地和高产农作物用地平台植被配置模式。东排土场地处背风向阳处，排土场下部为汽车排土，上部为排土机排土，且上覆约60 m的黄土，土层厚、土质相对较好，利于植物生长，主要植被配置为育苗基地、经济林模式，其中东排土场南侧设置为高产农作物用地。内排土场规划为高产农作物用地。

东排土场现已实施的绿化苗木有油松、樟子松、紫花洋槐、香花槐、丁香、女贞、五叶地锦(P．thomsoni)，经济植物、药用植物有欧李，草本植物有紫花苜蓿和无芒雀麦(Bromus inermis Layss.)。

3.4 排土场土地复垦与植被重建技术体系

对排土场现状复垦植被进行多项土壤改良方法的试验研究及对黑岱沟露天矿多年的水土保持与生态重建工作经验和试验优选，最终形成适宜矿区环境特点的露天矿排土场生态修复与植被重建技术体系，见图3。

4 结论

1)通过多项土壤改良方法的试验研究，并对排土场现状复垦植被的土壤水分改良效果、土壤养分改良效果、土壤微生态环境改良效果等进行监测、分析，选择出露天矿排土场土壤系统修复的最佳技术主要包括土壤培肥、粉煤灰改良土壤、种植牧科豆草、直接种植灌木。

图3 土地复垦与生态重建技术体系Fig．3 Technology system of ecological restoration and plant restoration

2)通过总结黑岱沟露天矿多年的水土保持与生态重建工作，从栽植植物的水土保持和改良土壤的作用、植物的演替退化规律、植被根系的固土护坡能力、植被抗旱机制及其在矿区排土场复垦土地上的植物生长状况等方面的分析，最终选出适宜矿区内生长的植被类型。乔木有油松、樟子松、刺槐、新疆杨、柳树、梨树、侧柏、杜松、山楂、樱桃、云杉、山丁子等，灌木有沙棘、柠条、丁香、女贞、紫花洋槐、欧李、锦鸡儿、沙地柏、小叶鼠李等，豆科草种有紫花苜蓿、沙打旺、黄芪、羊柴、草木樨等，禾本科草种有披碱草、羊草、冰草、碱茅、狗尾草等。

3)试验优选后提出了矿区植被重建的关键技术体系，在实施试验的基础上确定了如蓄水截流整地技术、植树带塑料薄膜覆盖技术、针阔混交林分有序更替技术等适宜矿区植被重建的关键技术。提出了适宜矿区环境特点的露天矿排土场的生态修复与植被重建的技术体系。

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