西部露天煤矿区排土场生态受损特征研究

王艳秋，张伯昆，代艳丽

（1.赤峰市水利规划设计研究院，内蒙古 赤峰 024000；2.内蒙古中水泽源水利工程有限公司 内蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

露天开采是全球主要采煤方式，全球煤炭生产增加值的75%来自露天开采，我国露天煤矿年产量逐步提高到煤炭总产量的15%[1]。随着经济社会的快速发展，对土地和煤炭资源的需求不断增长，煤炭资源的规模和开发程度也在不断提高，对土地资源和生态环境的破坏也越来越严重[2-3]。露天煤矿开采改变了土地原有用途，破坏了植被和耕地，露天开采后受损土地短期内难以恢复，导致土地沙化、水土流失和土地质量下降，对我国1.2亿hm2耕地红线保护提出了新的挑战。研究表明，我国露天煤矿每开采1万吨煤，破坏的土地面积为0.22 hm2，其中直接采掘破坏占55%，间接占用破坏占45%。露天煤矿开采对土壤的扰动导致高达80%的土壤有机碳流失，地表植被的移除导致几乎所有的植被碳库流失。据估算，我国因生产建设活动破坏而未复垦的土地面积超过666.67多万hm2[4-5]。每年新增约26.67万hm2，其中60%是耕地或农用地[6-8]。这种情况严重威胁着国家粮食安全、生态安全和社会发展，解决煤矿开采间接导致的土地受损问题、恢复重建煤矿开采区生态系统，对我国实施生态文明建设战略有巨大推进作用。

因此开展煤矿排土场及周边原地貌区土壤理化性质、植物群落结构及土壤侵蚀特征研究，探究其生态系统功能变化过程和植被自然修复能力。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗，坐落于东胜煤田补连矿区的东南部。其地理坐标为：E110°05′55″～110°10′48″，N39°15′16″～39°17′50″。研究区处于毛乌素沙地南缘生态脆弱带，气候类型为半干旱大陆性季风气候。研究区主要土壤类型为风沙土，约占矿区面积的70%，风沙土广泛分布是本区生态脆弱的标志。风沙土质地粗，细砂粒占比的80% 以上，粗砂粒、粉砂粒及黏粒的含量占比往往在20% 以下。土壤结构松散，贫瘠。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤

1）样地布设及取样：在武家塔矿区原地貌及排土场分别选择3 块样地，在每块样地内分别取样测量土壤理化指标。物理指标：机械组成、容重、总孔隙度、水分常数（田间持水量、饱和导水率）；化学指标：有机质、养分（全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾）、pH 值、电导率；土壤取样深度为10cm、30cm、50cm，每层取样数量为3 个，用环刀取样，将土样装入密封袋带回实验室。

2）土壤理化指标测定方法：土壤机械组成：筛分法结合比重计法。

容重：环刀法，用环刀在野外取原状土土样，密封后带回实验室烘干，根据公式计算土壤容重，容重=烘干土重量/环刀体积。

总孔隙度：容重换算法，根据公式计算土壤总孔隙度，总孔隙度=(1-容重/比重)×100，其中土壤比重采用比重瓶法测量。

有机质：重铬酸钾容量法。

全氮：半微量开氏法。

全磷：NaOH 熔融-钼锑抗比色法。

全钾：NaOH 熔融-火焰光度法。

碱解氮：碱解扩散法。

速效磷：碳酸氢钠浸取-钼锑抗比色法。

速效钾： NH4OAc 浸提-火焰光度法。

pH 值：pH 酸度计电位法（水:土=1:1）。

电导率：电导率仪法。

1.2.2 水土流失

1）风蚀：在排土场西北侧选择新排裸地3 块，每个样地布设三组集沙仪。集沙仪进沙口朝向为西北方向。进沙口面积为10cm2,外扩展角度为11。当充满沙尘的空气进入沙箱时，空气速度会迅速下降，在重力的作用下沉积在集沙盒。BSNE 集沙仪由镀锌金属板、18 目和 60 目不锈钢筛网构成，其中60 目筛网用于空气交换，18 目筛网用于减少沉积土壤颗粒的移动。安装两个仪器，分别在进沙口距地表10cm 和25cm 高度。每次风蚀过后，将集沙仪的风化物倒入纸袋中，带回实验室，在60℃下烘干并称重，用于计算输沙率=风蚀物重量/进沙口面积·单位时间。

2）水蚀：降雨在坡面产生径流，由于径流的侵蚀作用，会在坡面产生侵蚀沟，在同一地区，侵蚀沟在单位面积上的长度即侵蚀沟密度可以代表坡面水蚀状况。因此，采用坡面侵蚀沟密度法进行项目区不同恢复年限、不同植被状况条件下坡面的水蚀状况对比。侵蚀沟密度=侵蚀沟总长度/单位面积。

2 结果与分析

2.1 土壤养分变化分析

原始地貌的平均有机质含量最高为5.98 g/kg，排土场的有机质含量最低为1.14 g/kg，仅为原始地貌的19%。排土场、原始地貌有机质含量为六级，属于极缺乏肥力的土壤。

速效氮又称碱解氮，是指作物当季可越境吸收利用的氮素，它是促进作物生长和提高农产品品质的重要因素。经测定，排土场、原始地貌的速效氮含量分别为4.01 mg/kg、3.52 mg/kg。垂直方向土壤中碱解氮的含量总趋势均为上层含量低，越往下含量越高。全效氮含量中，排土场、原始地貌的含量分别为0.12 g/kg、0.28 g/kg。排土场的全氮含量最低为0.15 g/kg。

速效磷含量低是制约矿区土壤肥力的重要因素，一般在砂性土（偏碱性）、栗钙土中速效磷含量低。排土场、原始地貌的速效磷含量5.89mg/kg、5.84mg/kg。

项目区不同采样点的土壤样品中钾的含量均较氮、磷丰富。排土场、原始地貌的速效钾含量46.84mg/kg、50.93 mg/kg。速效钾含量等级从排土场为五级。原始地貌速效钾含量等级为四级。

总体而言，排土场土壤为碱性土壤，肥力较低，总体表现为“缺氮、少磷、富钾”。

2.2 土壤颗粒组成与质地变化分析

各区域的土壤粒径中细砂粒的含量相对较大，占粒径组成的90%～98%之间，粉粒及黏粒的含量较少，质地为砂土。各区域埋深在0～10cm 处的土壤粒径砂粒含量大体高于在10～25cm 处的砂粒含量，黏粒与粉粒的变化差异较小。排土场平均的砂粒含量以及粉粒含量均高于原始地貌天然油蒿群落区，黏粒含量低于原始地貌天然油蒿群落区。排土场在0～10cm 处的砂粒含量高于原始地貌天然油蒿群落区，但在10～25cm 处,排土场新排土的砂粒含量低于原始地貌天然油蒿群落区。由此可知，原始地貌的黏粒含量较高，土壤的吸水性、黏结性、保肥性和可塑性较强，说明原始地貌的土壤水分含量高于排土场。原始地貌土壤的砂粒含量较低，说明土壤的排水和通气性相对低于新排土，可有效贮存水分，提高土壤结构的稳定性。综上所述，原始地貌的土壤性质优于排土场，天然油蒿群落可以有效改良土壤质地。

2.3 土壤重金属变化分析

不同堆放区域的土壤中重金属含量如表4-3所示。数据显示种植年限较短的复垦区的土壤中铜和铬含量最高，达到了13.17 mg/kg和58.46 mg/kg，且明显的高于排土场和原始地貌中的含量，而镉和铅的含量在排土场、原始地貌、试验区以及复垦区中含量比较接近，如镉含量变化范围为0.03～0.05mg/kg，镉含量变化范围为7.40～8.57 mg/kg。

铜、铬、镉和铅等四种重金属的含量，与种植以及堆积年限没有明显的相关性，并且垂直方向上的重金属含量也与埋深无明显的相关性，说明重金属在复垦过程中并未出现富集现象，其重金属含量的高低，主要是与堆积时基础垫层的煤矸石中重金属含量有关。根据《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中土壤污染物分级标准，土壤属于一级，尚未受到重金属的侵害。

2.4 土壤侵蚀特征

1）风力侵蚀：项目区大部分区域土壤为风沙土，砂粒含量很高，结构松散，质地粗糙，特别是在新排土区，无任何植被，加之本地区冬春季节西风和西北风强劲，极易发生严重的风蚀现象。

利用集沙仪分别观测新排土区和项目试验田的风蚀情况，如图1 所示。

图1 新排土区输沙率动态变化

新排土区于2018 年秋季完成排土。由图1 中可以看出，2019 年春季，新排土区地表5cm 明显高于25cm 输沙率，这是由于新排土区无植被导致风蚀剧烈所致。为了加快新排土区的植被恢复，2019年夏季，通过扦插沙柳，播种沙打旺、紫花苜蓿、胡枝子、草木樨、草谷子、柠条、紫穗槐等草本和灌木植物，并洒施了生物炭、保水剂和微生物菌肥等一系列人工干预措施，以促进新排土区植被的自然恢复。因此，在2019 年夏季以后，新排土区地表5cm 和25cm 输沙率呈逐渐下降的趋势，这是由于一方面冬春季节多大风，夏秋季节风力较小，进而影响风蚀强度呈现季节变化的原因；另一方面，通过人工干预+自然修复措施，植被逐渐恢复，土壤持续改良，起到了防风固沙的作用。与2019 年相比，新排土区2020 年同期5cm 和25cm 输沙率明显下降，这更加说明了人工干预+自然修复措施通过恢复植被+改良土壤，有效控制了风蚀作用。

2）水力侵蚀：项目区排土场边坡坡度均为35°～ 40°之间，接近沙土的自然休止角。于2018年和2019年秋季对不同恢复年限的排土场边坡上、中、下部分别进行2m×2m 样方侵蚀沟密度观测。

影响边坡侵蚀沟密度的因素主要为植被盖度，新排土边坡当年植被盖度只有10%，第二年植被盖度为25%，其水力侵蚀强烈，侵蚀沟密度分别为8.9m/m2和6.6 m/m2。说明较低的植被盖度难以起到防治水力侵蚀的作用。2018 年秋季调查的恢复5年排土场边坡，植被盖度已达到40%，只有在坡上部由于上游平台边缘挡土埂损坏，降雨产生径流直接由平台流向边坡造成一定程度的冲刷，形成了少量的侵蚀沟，而中部和下部则无侵蚀沟，平均侵蚀沟密度为0.4 m/m2。2019 年秋季调查临近的恢复6a排土场边坡，植被盖度为40%，其上游平台挡土埂完好，其坡上、中、下部均无侵蚀沟。对于恢复9a和14a 排土场边坡，植被盖度达到50%，其坡面也均无侵蚀沟。

因此，可以认为，植被盖度达到40%时，可以完全抑制排土场边坡产流造成的水力侵蚀。

3 结 论

排土场土壤为碱性土壤，肥力较低，总体表现为“缺氮、少磷、富钾”。

露天开采对排土场区土壤质量的影响长期存在。排土场平均的砂粒含量以及粉粒含量均高于原始地貌区，黏粒含量低于原始地貌区。排土场在0～10cm 处的砂粒含量高于原始地貌区，但在10～25cm 处,排土场新排土的砂粒含量低于原始地貌区。

排土场生物修复措施通过扦插沙柳，播种沙打旺、紫花苜蓿、胡枝子、草木樨、草谷子、柠条、紫穗槐等草本和灌木植物，并洒施了生物炭、保水剂和微生物菌肥等一系列人工干预措施，人工干预+自然修复措施通过恢复植被+改良土壤，有效控制了风蚀作用，抑制排土场边坡产流造成的水力侵蚀。