承德鹰手营子矿区土壤生态修复技术探讨

武智勇 尹鹏星 郭巾巾 李建东

（1.河北民族师范学院 资源与环境科学学院，河北 承德 067000；2.江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116）

生态修复必须有充分且科学的理论架构作基础，以及因地制宜的可行性方法作依托。生态修复在一般情况下有技术经济、美学及自然等三项原则。不同修复原则会根据被修复地区的特点、条件与实际用途不同而表现出不一样的方式方法。现今鹰手营子矿区生态修复是在人为参与下，针对性运用生态修复中所需要的不同原则使之自然资源更加集约、生态环境得以改善和保护以及生态功能区扩展，最终使其生态水平能够得到最大程度改善，并能恢复到开采之前甚至更好的自然状态，以此达到矿区的生态环境适应、资源利用、人居水平和谐发展的基本目标[1]。

鹰手营子矿区位于承德市西南部，地理坐标区间为北纬40°28′28″—40°37′24″，东经117°34′35″—117°53′02″，地属燕山山脉沉降带的过渡地带，地势西北高，东南低，平均海拔500米。开采历史超过百年，主要分为小煤窑开采和国有大煤矿两种。小煤窑开采有两个时间段需注意，一是清末的地表露头少量开采；二是上世纪90年代到2008年北京奥运前期，先是出现了众多的集体或私营小煤窑，后因全球性经济危机、国家生态文明发展及奥运的影响，小煤窑逐渐消失。国有大煤矿有三座，始建于上世纪50年代末、设计服务年限为60年，随着开采时间的增加，上世纪90年代后，煤矿开采量逐年减少。当下，该区出现采空陷落、地面塌陷、地裂缝等地质灾害，土地资源被破坏，水环境遭到严重污染，固废侵占土地，生态景观破坏等矿山生态问题，已严重阻碍该区的生态文明建设和经济发展[2]。结合现今矿区生态修复手段，根据该区矿山生态环境现状，提出针对性的修复措施，以此为承德地方经济发展提供指导性意见，同时为其他地区的矿区绿色高质量发展提供良好的借鉴与参考。

图1 研究区域位置图

1 生态修复原则

1.1 自然生态原则

自然资源和当地物理组件是任何一个相对复杂的生态系统的基础，同时也是限制经济发展的重要因素之一[3]。对于煤矿来说，不仅要分析其地理位置特征，还要了解其水文、气候等生态环境条件。自然生态原则要求确保该地区的自然资源不缩减，土地荒漠化问题不加重。这是重视生态系统平衡和自然资源保护的原则，并以使生态环境得以保护、防止自然资源浪费、可持续利用为最终目标。协调好煤炭资源的开发与环境保护之间的关系，不主张单纯追求经济发展，忽略保护环境的发展模式。

1.2 经济生态原则

在生态环境恢复的过程中不能以阻止自然恢复为借口，削弱甚至停止经济的发展，特别是完全停止对煤炭资源在该地区的计划开采，因为经济活动是一整个煤矿区复杂的复合生态系统得以生存和保持健康、快速发展的活力源泉，也是生态恢复和本地经济发展的基本保证。因此，在煤矿区生态恢复的问题上，一方面不抑制煤炭资源在该地区相关产业的发展，但应制定煤炭资源更合理的开发利用规划，促进整个地区的经济发展；另一方面，应规划明确的经济发展方式保护环境，确保在环境治理过程中经济良好发展。

1.3 社会生态原则

人类的生产活动中存在复杂的生态系统，有些地方人类的聚集，则产生长时间的人类社会行为，从而形成一定的文化概念。因此，在煤矿区生态恢复规划必须考虑到人的生产，生活和环境中人的需求，之后经过环境整治方案的制定得到公众检查，获得公众的支持。

1.4 复合生态原则

鹰手营子矿区具有一个复杂的生态系统，具有特殊的生态特征。因此，在鹰手营子矿区生态系统的恢复计划中，生活区、工业区、农业区、农耕区、道路区等要看做一个整体，各生态系统和小煤矿之间以及各煤矿为综合体可以作为独立和统一的单元。在鹰手营子矿区生态系统的过程来修复和规划，使整个生态系统得到全面和可持续发展，复杂生态系统功能在以时间结构来实现规划设计的基础上，有效地利用资源和保护生态环境作为工作的重中之重，确定以上出发点后，按照生态系统的自治，鹰手营子矿区可作为一个有机的、不可分割的综合整治规划的复杂演变。

2 矿区生态修复技术

煤矿区的生态修复主要从五个方面来进行，分别是对矿山及其周边地区土壤物理结构的改变、有机质含量的提升、重金属的治理、土壤酸碱度的平衡、植物种类搭配的制定。

2.1 改变废旧矿山土壤的结构

在长期的采矿活动过程中、废旧矿区的闲置往往会对矿区及其周边地区的土壤结构在不同的程度上造成影响，加之矿山废弃地疏于对尾矿和煤矸石山的处理，土壤层几乎消失殆尽。而煤矸石山土壤孔隙率颇高，表面稀松多孔隙，保水性差。因此要结合矿山本身及其周边地区的实际情况对该片区域的土壤物理结构进行改变，以期达到矿区生态修复的目的，主要方法有以下两种：

2.1.1 表土转换法

防止外来新壤同被污染的土壤发生接触污染，需将两个土层隔开。根据矿山所在区域的土地可利用情况，在原废弃矿山土壤上平铺较肥沃的黏土层，且压实；如果技术条件和资金支持允许、充足，还可以利用高密度的聚酯乙烯薄膜作为隔离层，随后再在隔离层上铺盖较为肥沃的土壤，覆盖土厚度的确定需要依据矿区生态修复的目标和方向，一般情况下覆盖土厚度达到8～15cm即可，但是若想要达到可耕甚至更高的要求，覆盖土则需要高于50cm的厚度。在企业开采矿产以前最好将采矿区及其周边地区的表层土壤和亚表层土壤进行集中收集并合理保存，此役的目的是为矿区后期的生态修复创造良好的物质和自然基础，取土厚度仍需因地制宜，正常情况下为30cm。

2.1.2 无脊椎动物土壤修复法

在土壤中生活的无脊椎生物往往在生物圈中担当着消费者与分解者的责任，会在一生中将大量的残枝败叶分解掉，从而提升土壤中能量循环速度和土壤肥沃程度。与此同时，伴随着在土壤中的无脊椎动物不停歇的身体蠕动与位置移动，使土壤结构在很大程度上得以改善。因此在矿山生态修复过程中引进土壤无脊椎动物不仅能够加快修复的进度，还将新构建的生态系统功能，使之不断完善。蚂蚁和蚯蚓是最具代表性的无脊椎土壤动物。早在140年前的达尔文就已经将有关蚯蚓可改变土壤结构和肥力的情况记录在册。Y.Dominguez着重针对矿区的土壤与蚂蚁活动之间存在的联系进行了大量研究后得出关键性结论，蚂蚁在其生存过程中的能够在较大程度上改善矿区土壤物理结构，同时有助于矿区及其周边地区的植物生长[4]。Curry针对蚯蚓在退化土壤的生态修复过程中的作用与价值进行了科学而详实的研究论证[5]。在我国，黄守程等人利用蚯蚓参与土壤改良，研究结果表明，蚯蚓的引进使土壤中的全氮、全钾及有机质含量增加[6]。刘向辉等在废弃矿地生态修复中应用蚯蚓后发现，废弃矿地的土壤理化性质得以改善，土壤通透性加强，同时由于蚯蚓的生存活动能够降低重金属含量，从而使土壤得以可持续利用[7]。

2.2 土壤重构的化学技术

矿区废弃地机质改良是指针对土壤中植物生长所需营养成分，包括有机质和氮、磷、钾等微量元素含量的改善，以提高矿区废弃地的土壤肥力，从而实现加快植物生长的目的。营养不足的土壤将会使得植物的存活率降低、生长速度减缓或死亡，甚至会打破该区域生态平衡，使生态多样性下降[8]。因此土地再生利用工程中，通常需要对土地中营养成分的含量、配比进行调节。

2.2.1 污泥堆肥改良技术

经研究发现，城市污泥黏性较强，含水量可达70%，且其中含有丰富的氮、磷、钾等有机物质是植物生长的必要营养物质，若将城市淤泥引入到废旧矿区土壤生态修复之中将会有效改善废旧矿区中土壤保水性差、有机质含量低的缺点[9]。还有研究显示将黑麦草种植在矿土中的生长情况要明显落后于含有30%污泥的矿土；除此以外，植物残枝败叶、动物排泄物和部分生活垃圾中因氮、磷等元素的含量高也常被利用[10]。

2.2.2 微生物改良土质

科学研究证明植物生长需要营养物质，然而矿区土壤中有利于植物生长的营养元素含量相当低，因此，如何加快与增强矿区土壤中营养物质含量成为矿区土质改良的关键所在。微生物能够加快对矿区土壤基质的修缮过程，并促进其向农业生产土壤转化，通过缩短矿土成熟化所需时间来提升土壤肥力，为植被生长提供最基本条件。而丛枝菌根已被证实可以通过侵染植物根系的皮层细胞来改善土壤中的磷元素含量来加快宿主植物的生长[11]。

2.3 土壤重金属的祛除

由于有大量以离子或晶体状态的重金属元素散布在矿山的土壤中，对植物正常生长产生了很大的阻碍作用，怎样减少或去除矿山中如此大量的重金属是矿山修复中又一关键问题所在。

2.3.1 化学改良祛除法

化学改良是指将一定量的化学改良剂投入到废弃矿地中，从而改变土壤中重金属的存在形态，钝化被污染土壤中迁移性和溶解性较高的重金属污染物，使植物对重金属元素的吸收能力下降[12]。大量研究证明，可以在土壤中添加与重金属离子形成稳定螯合物的螯合剂乙二胺四乙酸来降低植物对重金属离子的吸收利用能力，以达到减少重金属对植物毒害的目的。而金属阳离子与Ca2+相互之间可产生拮抗作用，从而使土壤毒性趋于缓和。

2.3.2 植物改良祛除法

植物改良去除法是一种以利用超富集植物降低和转移土壤中重金属为目的的重金属去除手段[13]。我国学者马杰等研究验证大叶凤尾蕨与百足草能够很好地富集As，植物可见光躯体部分As含量最大达694mg/kg[14]。柯文山等利用温室条件对芥菜和鲁白进行砂培盆栽研究发现其不仅长势喜人，还能对Pb进行大量迁移，其可见光躯体部分Pb含量超出1000mg/kg，可作为良好的铅污染土壤修复植物[15]。

2.4 土壤酸碱度的稳定

由于自然因素等原因，因煤矿山废弃的大部分土地酸碱化程度较为严重，但也有极少数地区出现弱碱性的情况，故在生态修复之前必须首先使废弃地土壤酸碱度的稳定，通常会采用化学手段进行改造[15]。针对弱酸性的矿山土壤应当分散、均匀施用适量的石灰和碳酸氢盐使土壤pH偏碱性，同时要注意，普遍使用碳酸氢盐，但这里更加偏向于用碳酸钙盐，原因是碳酸钙盐不仅可以提高土壤的pH值，而且利用钙离子的拮抗作用可除去土壤中部分重金属；改善为数不多的弱碱性矿区土壤的酸碱度一般采用硫酸钙及硫酸氢盐等物质。尽管有不少科学合理的方法可修复矿区土壤接近甚至赶超开采前水平以达到植物生长的条件，但仍应注意到不同矿区因破坏程度不同而使用的生态修复手段也应适时调整以保证修复的针对性、合理性及具体性。

2.5 配置植物物种模式的选择

矿区植物修复技术是以利用植物生长过程中的物理、化学及生物作用改善土质、调整土壤结构为方法，使其得到完全修复或最大程度接近破坏前的水平。通过前面四个过程分别对土壤物理结构、营养物含量、重金属污染物以及酸碱度等问题进行治理，使得矿区土壤基本情况稳定，为后续的植物种植打下良好基础。在现有改良矿区土壤之上如何合理配置植物物种是矿区生态修复能否成功的重中之重。美国是国际上在矿区植被修复领域取得重大成果最多的国家之一，其有一套高效且具有针对性的矿山植被修复体系，包含植物品种的选择、种植时机与方式以及植后经营管理等[16]。在我国矿区植被修复与国际先进水平还有较大差距，多停留在选择植被种类层面。然而优质植被物种的选择仅是植被修复过程中的开始，怎样构建一个能够自我调适、物种多样良好的生态系统不仅是植被修复技术能否成功转化的基础，也是矿山生态修复能画上完美句号的关键之处[17]。

3 矿区生态修复方法

3.1 生态修复煤矿塌陷区

大部分矿区经过多年的作业，在地下坑道遍布的同时已经形成众多大小不一的采空区，采煤形式利用下行式，煤层顶板管理类型为自由垮落式，煤层在一般情况下存储于200～400米的较浅地层，顶板岩层是砂页岩、石炭系与二叠系砂岩，因为稳定性较差而容易导致顶板碎裂与冒落。由于采空区的顶板变形、垮落、位移而直接影响地表形态造成地面塌陷，经过对现场的勘察后发现该区域的塌陷类型的主要表现有两种:

（1）矿区共发生大小地裂缝50条。地裂缝长一般为10～30m，最长720m；裂缝宽一般为0.2～0.5m，最大为3m；可见深度一般为0.5～2m，最大深度为4.2m。

（2）塌陷坑采空区顶板破碎导致地表物质塌陷成坑。地下采空，采空区顶板、上覆岩土体自下而上向空区陷落、扭曲、形变，这种变形破坏发展至地表，导致地面下沉、变形，形成采空塌陷地质灾害。据统计，矿区地面塌陷面积达514.41×104m2，其中国有大矿塌陷面积406.41×104m2，小煤窑塌陷面积约108.00×104m2。

作为采空区环境恶化报警器的地裂缝通常会诱发不可小视的地面塌陷等地质灾害，因此需要在裂缝产生初期就要采取科学且必要的技术手段与可行的办法对其进行生态修复，不然裂缝宽度和深度均会不断地扩大，不但会破坏地貌形态，还会大大增加引发其它恶性的自然灾难的可能性，严重威胁了矿区及周边人们的生命财产安全。利用煤泥或煤矸石填埋是最具经济效益的地裂缝生态修复手段。

根据鹰手营子矿区的实际情况进行分类修复：

（1）由于地表不再变动的浅层塌陷区域地质条件相对稳定，可将移土兴农作为重点方向，并利用当地独特的地理位置特征，高效发展生态农业经济；同样地质条件的深层塌陷区域可因地制宜，在林牧业发展的同时利用天然水源或引入水源发展水产养殖农副业；但对于地质条件仍存在隐患的塌陷区要以防灾减灾工作为主要方向，利用合理有效的手段改善区域内土地条件，适当开展农林作物的种植工作[18]。

（2）塌陷区位于坡度较大的山坡上，对己稳定的塌陷区，可以选择粉煤灰填埋造林，选取荆条、山楂、酸枣、板栗、毛榛、雾灵落叶松等当地耐旱耐寒抗贫瘠的树种；对于地面有可能会再次沉降的不稳定塌陷区要先利用北京报春、歪头菜、华北耧斗菜、雾灵花香芥等草本植物和胡枝子、平榛、荆条、六道木等灌木稳定塌陷区土层，随着时间的推移再根据土层改造情况和变化适当种植桦树、栎树、椴树等乔木。

由于煤矿塌陷区的土壤结构被不同程度的破坏，在塌陷程度较低的地区进行修复之前需要对土壤结构进行整体性修复。经研究发现，城市污泥黏性较强，且含水量可达70%，其中含有丰富的氮、磷、钾等有机物质是植物生长的必要营养物质，然后根据植物的适应性和土壤特点择优栽培。煤矿塌陷区修复工艺流程如下：

首先在植物修复的前期选用酢浆草科车轴三叶草和豆科黄芪属扁茎黄芪草本植物来进行混合栽植以起到土壤进行前期的固氮、固土效果，然后在原来先锋植物配置基础上继续立体式植物修复，可使土地得到永久的修复，进而使矿区的生态系统能够得到有效修复和稳定发展。

其次，为达到防沙固土、防止污染、美化被修复矿区环境的目的，植物配置模式可根据区内海拔按以下进行：壳斗科栎属辽东栎林；椴树科椴树属段树林；豆科刺槐属洋槐×杨柳科柳属旱柳混交林；松科松属短叶松×扁科扁柏属扁柏混交林；松科松属落叶松×黄杨科黄杨属小叶黄杨混交林；蔷薇科山楂属山楂林×胡桃科胡桃属核桃楸混交林；杂木林。

3.2 生态修复煤矿区排土场

原有地表排土场因煤矿开采被破坏情况比较严重，因此在修复的前期阶段需要对其地表土壤进行改变和修复。应先覆一层50cm厚的土壤在其表面，然后因地制宜对其进行植物修复，可采取直接播种或直接栽植等方式。值得注意的是为达到改善土壤结构、土壤的疏松度及植物的根系能够向较深石缝发育，在其边坡覆土时的厚度应在25-35cm较为宜[19]。在边坡附近还要修建宽、深各30cm排水渠用于边坡的排水。

排土场修复技术要点：

（1）排土场的生态修复规划应该把恢复农业生产考虑进来，为保证土壤营养物质和菌类的含量稳定需堆置高度约10m的地表熟化土壤。

（2）通常情况下按照就近原则制定排土方案进行，将内排土场作为第一选择是为了高效利用已经存在的露天区。

（3）可以通过调节排土线发展方式来尽可能缩小排土场占地范围，最终用逐段修复代替再生利用，如坡面角和降低台阶尺度等方式的应用可使水土流失进一步减少。

（4）均匀分布不同岩石以平整排土场的基地。进行平整过程的平台四周应高于中部但倾斜角以小于5度为宜。为避免雨水对边坡的冲刷应严格把控基地表面左右的反坡坡度。在设计平台与施工时应建设横向排水坡度防止暴雨径流，降低洪涝风险。

（5）应在回填时注意考虑填充城市地下管道、生活垃圾等中的污泥肥料，并将一层厚度为30cm的土壤覆在其表面。

（6）边坡以外的被破坏地表层地区植物搭配应按如下方案进行：豆科胡枝子属胡枝子灌丛；蔷薇科山楂属山里红纯林；蔷薇科蔷薇属山刺玫纯林；蔷薇科花椒属水榆花椒纯林；松科松属青松青松×榆科榆属榆树混交林；黄杨科黄杨属小叶黄杨×松科落叶松属落叶松混交林；松科松属油松×扁科扁柏属扁柏混交林。边坡被破坏的地表层地区的植物搭配应按如下方案进行：豆科扁茎黄芪、三叶草×洋槐；豆科黄芪属扁茎黄芪、酢浆草科车轴草属三叶草×胡颓子科沙棘属沙棘×松科松属青松；酢浆草科车轴草属三叶草、豆科黄芪属扁茎黄芪；酢浆草科车轴草属三叶草、豆科黄芪属扁茎黄芪×松科松属雾灵落叶松。两侧的边坡沟渠植物搭配方案按如下进行：豆科胡枝子属胡枝子×马鞭草科牡荆属荆条灌丛；鼠李科鼠李属小叶鼠李×鼠李科枣属酸枣灌丛；山楂×核桃树混交林；杂木林。

3.3 生态修复煤矿区尾矿

在进行煤矿区尾矿植物修复前必须对其土壤进行修复，在表层铺一层30cm厚的土壤，再对其进行植物的搭配。修复技术要点如下：

（1）对不同尾矿为恢复农业生产所需要的方案作出归纳，如利用地形变化进行选择的填充沟谷模式、河滩再生利用模式，还有尾矿覆土再生利用与尾矿不覆土再生利用等，因此，要因地制宜地选择再生利用模式，不仅要考虑精简工艺过程，还要讲求科学性、实效性、经济性。

（2）矿区土地再生利用方案的初步设计应在尾矿再生利用实施中完成，包括再生利用点建立、地质图形测绘、再生利用工程方案制定、技术经济分析。生物再生利用方案制定，然后依照矿区的生态环境现状与周边现有农业发展情况、土壤与水文等物理、化学性质调研与分析，实施合适且优质植物的栽培。

（3）应准备不少于多种的筹备资金办法以确保资金能够充裕。

（4）因地制宜定制符合当地实际条件的土地生态修复科学技术准则。

（5）边坡除外的被破坏地表层地区植物搭配应按如下方案进行：洋槐纯林；满堂红纯林；沙棘纯林；青松×沙棘混交林；洋槐×旱柳混交林；青松×榆树混交林；小叶黄杨×落叶松混交林；油松×扁柏混交林。边坡被破坏的地表层地区的植物搭配应按如下方案进行：直立黄芪、三叶草×洋槐；直立黄芪、三叶草×胡颓子科沙棘×青松；三叶草、直立黄芪×青松；青松×虎榛子。两侧的边坡沟渠植物搭配方案按如下进行：胡枝子×荆条；马尾松×洋槐、小叶杨×洋槐。

4 结论

在结合学界有关煤矿区生态修复与环境保护的原理、经验方法的基础上，对煤矿区的生态修复的概念、理论架构、原则与目标以及土壤修复措施等要素进行了分析。以鹰手营子矿区作为研究区域，对区内生态环境现状进行了科学的考察与记录，针对矿山及其周边地区土壤物理结构的改变、有机质含量的提升、重金属物质的铲除、土壤pH值的平衡、植物种类搭配的确定等生态修复技术作了具体解析，并结合矿山修复方法对区内煤矿塌陷区、排土场、尾矿的生态修复制定因地制宜的方案，促进当地生态环境的改善，地质灾害的减轻或消除，破损的山体植被的恢复，真正落实青山绿水就是金山银山的生态文明理念，以促进矿区生态系统与社会经济系统更加协调、稳定与可持续发展。