高原高寒木里矿区生态治理中土壤重构治理效果研究

刘 帅，熊 涛，孙 浩，李永军，梁俊安，辛素伟，李 津，赵竞赛，

郭 鹏，高 超，胡 航，辛 顺

(中煤地质集团有限公司，北京 100049)

0 引言

木里煤田位于祁连山南麓，属于黄河一级支流大通河源头湿地生态区，是黄河流域生态环境保护的重点地区[1-2]。加强对木里矿区生态环境综合整治，有利于保护祁连山地区的生态系统、生物物种及其遗传多样性，具有极其重要的战略意义。

1 木里矿区概况

1.1 地质概况

木里煤田形成于中生代的凹陷性含煤沉积盆地，为一复式向斜构造，南西部为侏罗纪泥页岩。其中聚乎更矿区的西南部发育倾向南西的单斜构造，浅层倾角为35°～45°，深层变缓，倾角为5°～20°。地层出露上三叠统、中侏罗统、第四系，含煤地层分布在侏罗系。上三叠统主要发育尕勒得寺组(T3g)，与中侏罗统含煤地层呈平行不整合接触，在矿区的南北两侧均有分布；主要发育中细粒灰绿色砂岩、粉砂岩与泥岩互层，局部夹煤层。中侏罗统木里组，分为四个岩性段，砂砾岩段、下含煤段、上含煤段、泥岩段。

1.2 自然条件

木里煤田地处海拔4 030～4 300m，气候寒冷，昼夜温差较大，最低气温-35.6℃，最高气温19.38℃，属于典型的高原大陆性气候，矿区的主要的植被类型为高寒沼泽类，常常与高寒草甸类交错生长；土壤类型以高山草甸土、沼泽草甸土为主，自然土壤层厚度>50cm；地表水系有大通河、哆嗦河、哆嗦贡玛河，水质矿化度0.13～0.47g/L。

1.3 矿区修复情况

2014年8—12月，青海省对矿区制定具体可行的实施方案，迅速开展了矿区综合整治工作，确保矿区生态环境初步改善；2015—2016年，加快落实河道疏浚、水系畅通等工作，尽最大努力恢复湿地生态系统，实现矿区生态环境根本改善，矿区生产秩序明显好转。2017—2018年，在前期生态环境综合整治的基础上，做好已整治区域管理和养护。前期的生态治理虽有成效，但由于青海省聚乎更及哆嗦贡玛矿区具备独特的生态系统，海拔高，空气稀薄，气候寒冷、干旱，生态系统比较脆弱，并且经过多年的露天开采，矿区内土壤层被大规模剥离，对整个生态系统扰动剧烈，失去了土壤原有的功能，其生态功能仍需进一步的提高，仍需继续开展生态治理工作。

2 主要地质环境问题

通过对治理区土壤基质野外调查，现阶段面临的主要地质环境问题简要概况如下。

1)复绿区域内石块较多、地表土不足。矿区内按照地貌类型分为渣山边坡平面、渣山平面、渣山坡面、道路生活区。其中渣山边坡平面部分区域为页岩、粉砂岩的堆积体，石块占比超过50%；部分区域为白色中粗粒粉砂岩碎块，石块粒径10～15cm，占比超过50%。渣山平面部分区域含石率较小，部分区域为页岩、粉砂岩的堆积体，部分区域为白色中粗粒砂岩。渣山坡面部分区域为第四系坡积物、砂岩、页岩的混合物；部分区域为粉砂岩、页岩碎块混合物，石块占比超过50%；部分区域为白色中粗粒粉砂岩碎块，石块粒径10～15cm，占比超过50%。道路的主成分是砂岩、页岩碎块的混合物，砂岩占比超过50%。生活区主要为第四系坡积物腐殖土，伴有页岩、砂岩碎块。

2)土壤板结，土壤成分不适宜植物生长。地形修复虽将现有地貌与周围相协调，但土石方开挖与回填破坏了原有土壤的团粒状结构及土壤成分，短时间难以恢复。通过对区内渣石含量较少的土源地进行取样分析显示治理区内适宜捡石渣土改良成为土壤基质(覆土)的渣土pH值在8.22～8.76，全氮含量0.062%～0.29%、全钾21.2～24.8g/kg、全磷0.625～0.764g/kg、有机质1.27%～15.9%、速效氮30.97～96.56mg/kg，速效磷2.300～5.523mg/kg，速效钾61.5～121mg/kg、pH 值为7.35～7.59。三江源地区未退化草地区(0～10cm深度)全氮含量4.5～5.0g/kg、全钾含量18～18.4g/kg、全磷含量0.76～0.78g/kg、有机碳含量60～70g/kg、pH值为8.12左右[3]；速效氮600mg/kg、速效钾200mg/kg[4]。研究区内全氮含量含量、全磷含量、有机质、速效钾、有机质低于标准值下限，有机碳含量大部分高于标准值(考虑渣土主要来源于含有机质较高的泥岩、炭质泥岩风化产物)，pH值为弱碱性，高于标准值上限符合标准。

3 土壤重构方法

利用无人机航拍形各矿井的高清影像图，并利用ArcGIS软件勾绘图斑，以图斑为单位，规格为1m×1m，实地调查砾石含量、土壤质地等各方面因子变化，并在研究区内土源地进行土壤取样，另外对经过土壤重构后的混合土样进行取样化验[5-7]。植物样方调查指标主要包括：植被物种覆盖度、植物出株数、地上生物量测定；土壤样品理化性质测定指标主要包括：pH值、有机碳、全氮、磷，速效氮、磷、钾等[8-13]。

翻耕型地区多为矿山道路，渣山平台基质土含量较多的位置，使用挖掘机进行翻耕，深度为50cm，通过机械捡拾筛分，将大于5cm的块石直接压埋于25cm深度之下，剩余小于5cm的细颗粒渣土覆于其上，形成厚度为25cm土壤基质层，使之达到可通过施肥进行土壤改造的条件。对于坡地机械翻耕和人工捡拾相结合的方法，将翻耕出的大于5cm的块石集中在坡底，清运掩埋或在平台上挖坑掩埋(图1)。

图1 土壤重构技术路线Figure 1 Technical roadmap of soil reconfiguration

覆土型区域采用挖掘机挖掘采土→运输→覆土→晾晒→捡石工艺，形成25cm土壤基质层(覆土层)，达到通过施肥进行土壤改造的条件。

坡面主要采取人工或机械的方式将捡拾以后剥离出来的渣土整平，将33m3羊板粪(有机质含量大于30%，杂质小于10%，水分小于40%，无较大的石块)均匀铺设后采用机械或人工浅耕5cm，以达到渣土和羊板粪充分混合形成重构土。重构土混合后将有机肥2 000kg/亩(1亩=666.67m2，下同)均匀铺设至表面，形成种草复绿面，再浅翻5cm。

平面采取人工或机械的方式将捡拾以后剥离出来的渣土整平，厚度25cm，将5cm(30m3/亩)羊板粪(有机质含量大于30%，杂质小于10%，水分小于40%，无较大的石块)均匀铺设后采用机械或人工浅耕10～20cm，以达到渣土和羊板粪充分混合形成重构土。重构土混合后将有机肥1 500kg/亩均匀铺设至表面，形成种草复绿面再浅翻5cm。

4 治理效果分析

4.1 土壤重构后土壤组分含量变化特征

许多研究表明土壤可作为植物生长的基质和物质基础，能够提供必要的支撑及水分、养分[14-15],因此土壤重构部分成为覆土种草工作的重中之重[16-17]。

矿山修复环境下，土壤重构的组分由基质土、泥岩及石砾三者组成。图2展示了土壤重构前后的组分变化，研究区治理前石砾含量10%～80%，基质土含量0～90%，泥岩含量0～70%，治理后石砾含量0～50%，基质土含量32%～100%，泥岩含量0～63%，可见土壤改良之前石砾、泥岩含量较高，可支撑植被生长的基质土较少，相对比而言土壤改良之后土壤石砾、泥岩含量显著降低，基质土的含量明显增加。

图2 土壤组分含量变化特征Figure 2 Soil constituent content variation features

4.2 土壤重构后土壤成分指标含量变化特征

对研究区土源地和土壤重构后的土壤进行取样化验分析(表1)。与土壤重构前土壤成分指标相比，重构后的土壤成分指标均有所变化，土壤重构后的酸碱度降低至中性，氮磷钾以及有机质均显著提高。其中土壤重构前pH值为8.22～8.76，有机质含量1.27%～15.9 %，全氮含量0.062～0.29g/kg，全磷含量 0.625～0.764 g/kg，全钾含量21.2～24.8 g/kg，速效氮含量30.97～96.56 g/kg，速效磷含量2.3～5.523 g/kg，速效钾含量61.5～121 g/kg；土壤重构后pH值降低至7.07～8.15，有机质含量提升至5.72%～15.64%，全氮含量提升至4 730～7 971 g/kg，全磷含量提升至0.819～1.369 g/kg，全钾含量提升至18.7～22.6 g/kg，速效氮含量提升至281.86～714.05g/kg，速效磷含量提升至58.767～158.44 g/kg，速效钾含量提升至728～2 684g/kg。

表1 土壤重构后土壤成分指标含量

4.3 土壤重构后出株数及覆盖度

对研究区的出苗度及覆盖度进行1m×1m现场随机抽样。土壤重构后的出株数集中在15 000株，最低值为7 686株，最高值为42 026株；植被覆盖度为90%，覆盖度最低值68%，最高值100%。

5 讨论

在高原高寒生态破坏区，因煤矿开采造成原位表层土壤理化性质遭到严重破坏，地表裸露，矿区土壤质量极差，缺乏植物正常生长发育所需的土壤层，因此土壤质量的提高是恢复矿山生态系统功能的重要途径，翻耕型土壤重构区采取挖掘机翻耕→捡石→基质土拌和→有机肥拌和等工艺，形成30cm土壤基质层(覆土层)；覆土型土壤重构区通过采取挖掘采土→运输→覆土→晾晒→捡石→基质土拌和→有机肥拌和等工艺进行土壤重构，形成30cm土壤基质层(覆土层)，能够降低治理区的含石率，基质土的添加提高了土壤的团粒结构与有机质，有机肥的添加提高了土壤中有机质及速效氮磷钾的含量，在较长一段时间内可以为人工植被群落提供充足的养料，为人工植被群落向自然群落转换提供能量。

有机质含量作为评价治理区土壤重构成功与否的重要指标之一，通过每年的枯萎植物叶片不断积累与分解，人造基质土中的有机物含量将在微生物的分解作用下转换为牧草生长的有机质；同时土壤重构中有机肥拌和的措施也提高了土壤中植物所需的必要生长元素氮磷钾，为当年植被生长提供了有效营养分，特别是土壤中的速效氮磷钾成分，对提升土壤肥力，改善土壤理化性质方面有巨大的作用，但有机肥+基质土+牧草专用肥三者拌和的肥力持续性还有待进一步的研究。

6 结论

1)高原高寒生态修复区土壤重构的限制性因素包括含石率较高、土壤板结、地表土不足、土壤团粒结构差四个主要问题。

2)确定了高原高寒地区生态修复区土壤重构技术参数，提出了渣土改良由颗粒状的渣土、粉末状的基质土及提升肥力的有机肥为三要素的土壤重构方案。

3)经过渣土改良，对复绿范围内翻耕区及覆土区机械捡拾筛分，含石率明显下降，有效改善了土壤物理性状，土壤重构取得一定成效。

4)渣土+基质土+有机肥+牧草专用肥充分混合，提高了土壤各项指标含量，取得较好的复绿效果，生态服务功能显著提升，促进生态系统向正向演替发展同时为高原高寒生态破坏区土壤重构提供了研究实例。

致谢：衷心感谢青海省木里矿区生态治理项目技术总负责王佟教授级高级工程师对本文的悉心指导和帮助，感谢木里项目组成员对本文相关研究的支持！