摘要：露天煤矿的开采对矿区生态环境造成了严重破坏，特别是大量剥离物形成的排土场，占用了大量的土地资源。生态恢复作为一项有效的采矿废弃地治理措施，随着采矿业的发展成为这一领域研究的重点。露天煤矿排土场的复垦对于改善矿区生态环境意义重大。本文介绍了露天矿排土场对环境的影响和排土场复垦治理技术，研究了某露天煤矿排土场的复垦现状、复垦方式与效果，提出了矿区排土场生态恢复的建议。
关键词：露天煤矿；排土场；复垦
中图分类号：TD88
文献标识码：A
文章编号：1007-0370 (2011) 03-0039-04
Study on Waste Dump Reclamation of Open-Pit Coal Mine
Gao Shuhui1, Jia Zhibin1, Zhang Shuli2, Li Jing2
（ 1 College of Environment and Resources of Inner Mongolia University，Hohhot 010021；
2 Inner Mongolia Academy of Environmental Sciences，Hohhot 010011）
Abstract：
The open-pit coal mining has seriously damaged the ecological environment of the mining area，especially the waste dump has occupied many land resources. With the development of mining，ecological restoration has been the research focus in this filed as an effective measure of wasteland treatment. The reclamation of waste dump is significant to improve the ecological environment of the mining area. In this paper，the environmental impact and reclamation techniques of mine waste dump is introduced，a coal mine is taken as an example and its reclamation status，reclamation mode and effect is studied. Then suggestions about ecological restoration of mine waste dump are made.
Key words：
open-pit coal mine；waste dump；reclamation
露天煤矿的开采和建设带来了严峻的环境问题，不仅污染环境、破坏生态系统和影响自然景观，其大规模的土地挖损和占压也严重破坏了土地资源。矿业是除农业外扰动土地最多的行业，1989年1月1日起施行的《土地复垦规定》规定土地复垦实行“谁破坏、谁复垦”的原则，因从事开采矿产资源等生产建设活动，造成土地破坏的企业和个人，都要按规定进行土地复垦。2005年9月7日发布并实施的《矿山生态环境保护与污染防治技术政策》对废弃地的复垦也作了要求。露天矿排土场作为采矿废弃物的堆置场所，一般占到矿山用地的50%以上，排土场的复垦绿化是露天煤矿环境保护和生态恢复的重要组成部分。因此研究露天煤矿排土场的复垦治理对降低采矿带来的环境影响和促进土地资源的合理利用具有实际意义。
1 露天煤矿排土场对环境的影响
露天煤矿的开采以剥离挖损土地的形式进行，不仅显著改变了矿区原地貌景观，也带来了扬尘、地表水污染、地下水平衡破坏、固体废弃物和生态破坏等环境问题，特别是采矿产生的大量剥离物，占用了大面积的土地。被剥离的土岩混合物集中排放到一个特定的区域，就形成了排土场。排土场一般分为内排和外排，据调查测算，露天开采外排土场占压土地约为挖损破坏土地的1.5～2.5倍，平均为2.0倍左右［1］；即使是内排，在实现之前仍占用一定土地。因此露天采矿的排土场所产生的环境问题不容小视。
1.1 对周边环境的污染
1.1.1
大气污染
排土场粗糙裸露、易于风化，在卸土、转排和堆放过程中，都会产生大量灰尘。大量的细粒砂土和粉尘进入大气，污染空气，若处于多风大风地带，其污染扩散范围会更大。此外，大量的粉尘颗粒附着在周边植物和农作物上，遮挡叶面，阻塞气孔，阻碍其正常生理作用，严重影响它们的生长和发育。
1.1.2
水体污染
排土场经过大型机械平整压实，其土壤结构发生改变，渗透性降低，经过风化作用和雨水淋溶，边坡径流增加［2］，剥离土岩中的一些有害物质由此迁移进入水体，造成地表水和地下水的污染。
1.1.3
土壤污染
露天堆积的废渣在雨水侵蚀下，其中的有毒有害物质成分容易渗入土壤，造成土壤污染。此外，Ca、Mg、K、Na等盐类物质溶解于地表径流中，最终汇集于平原或低洼地带，再通过蒸发作用，会造成土壤盐渍化；而排土场堆土承压，抬高地下水位，增强矿化度，也是导致土壤盐渍化的原因之一［3］。
1.2 滑坡
滑坡是排土场灾害中最普遍、发生频率最高的一种，其主要形式为：排土场沿基底接触面滑坡、沿基岩软弱层滑坡和内部滑坡［4］。产生滑坡的基本条件是斜坡体前有滑动空间，两侧有切割面。从斜坡的物质组成来看，松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低，容易滑坡；降雨对滑坡的影响最大。
1.3 泥石流
露天开采剥离排弃的大量松散岩土物质目前大多未得到有效防护，极易受到风蚀或暴雨冲刷，成为人为土壤侵蚀和泥石流的潜在泥沙来源［2］，在集中降雨的情况下便可能发生泥石流。矿山排土场泥石流多以滑坡和坡面冲刷共同作用的形式出现，即滑坡和泥石流相伴而生，迅速转化难以截然区分，所以可分为滑坡型泥石流和冲刷型泥石流［4］。
此外，排土场作为收容采矿废弃物的场所，在占压大面积土地的同时，直接破坏了原地表地貌和自然景观。
2 排土场复垦治理技术
排土场一般占矿区总占地面积的50%～80%［5］，是矿山土地复垦的重点，它受排弃土岩的性质、排土场占地面积和几何形状、排土场最终排弃高度和最小排弃平盘宽度、排土场与采场的相对位置和距离以及排土场边坡稳定性等因素的影响［1］。
2.1 复垦绿化的原则
土地复垦按其技术方法一般分为工程复垦和生态复垦。前期工程复垦的基本原则是以土壤重构原理为依据，将剥离物按其性质和数量，分层逐段排弃，力求使复垦后的土地与土壤的自然构成一致，其作业过程一般为：表土采集堆存→废石排弃压实→表土覆盖→土地整形［6］。因此要求在采掘时先将原表土单独剥离存放，建造排土场时一般按照原岩土组合顺序，先堆岩石，然后是土状岩石，最上层是原表土，构成排土场复垦种植层［7］。复垦标准主要是满足复垦区的坡度和覆土厚度、排灌以及防治侵蚀等要求［8］。
生态复垦一般在工程复垦之后进行，其原则是根据排土场的土地特性和当地气候特征，从生态复绿和美化环境的角度出发，因地制宜进行生态治理的设计与实施。在需要时可采取一些措施进行基质改良，最终选择合适的物种进行植被重建。由于矿区的生态环境一般较为脆弱，排土场作为矿区生态系统的一部分，其生态恢复的初期目标应是将其恢复为防护性生态系统，通过林草措施使其复绿以改善不良景观效果［9，10］。在物种选择时，应根据矿区生态环境特点，选择和引入抗性较强的地带性先锋乔木、灌木、草种建成人工植物多层复合生态系统，利于水土保持和实现生态修复。
总之，复垦要以生态重建和恢复为目标，在矿区的自然、经济和社会条件下，遵循国家关于采矿的政策和当地土地利用规划，实现复垦后生态效益、经济效益和社会效益的最优配比与统一。
2.2 复垦技术与措施
2.2.1
植被重建技术的选择
植被重建技术的选择基于矿业废弃地生态恢复目标（如控制环境污染、景观美化、农林用地、旅游用地等）的确定。Johnson等［11］（1994）论述了基本的植被重建技术及其相关问题，根据废弃地理化性质，基本植被重建技术有三类：直接种植普通植物、改良基质后种植耐性植物和表层处理后种植植物。植被重建是生态恢复的最关键阶段，而植被重建中的主要问题是物种选择和基质改良［12］。
2.2.2
物种选择和基质改良
2.2.2.1
基质改良
排土场植被恢复的主要限制因子是土壤肥力。排土场的土壤质地、土壤坚实度和渗透性以及土壤粒度、有机质含量、pH值、营养元素等理化性质往往较差，导致土壤的持水保肥能力较低和营养物质缺乏，不利于植物生长。因此基质改良是废弃地生态恢复中的核心问题［13］。用于废弃地基质改良的措施和材料广泛，理想的改良措施要既能保证生态恢复的既定目标，又是经济、长期有效的。
2.2.2.2
施肥改良
用于改善基质营养结构和补充植物所需的主要养分，常用的肥料有电厂粉煤灰、膨润土、污水污泥、泥炭、秸秆、生活垃圾、农家肥及化肥等。这类肥料物质本身就是固体废弃物，用于废弃地改良，实现了“以废治废”。
2.2.2.3
施用石灰和石膏等改良
用于改良复垦地土壤中的酸碱性问题。通过向土壤加入中和剂，利用中和作用来调节土壤的pH值，使之达到适合植物生长的最佳范围。石灰、碳酸氢盐等碱性物质用于中和土壤的酸性；石膏、硫磺和硫酸等主要用于改善土壤的碱性问题。
2.2.2.4
生物改良
生物改良一般是以上改良技术的继续与深入，主要是利用对极端生境条件具耐性的植物、绿肥作物、金属富集植物、固氮微生物、菌根真菌来进行土壤的熟化和改良［12］。
2.2.3
植物种类选择
排土场复垦的效果最终体现于各种植物的合理配置和种植，生态恢复的成功程度同样依赖于选择合适的植物种类。因此物种选择应当遵循以下原则：
（1）选择对土壤要求不高、易成活、适应环境能力强的物种，即耐旱耐湿、耐酸碱性、抗有毒有害物质、抗风沙等耐受范围广的物种。
（2）选择根系发达、能固氮和生长快速的物种。利于水土保持、改善土壤理化性质和快速恢复绿色景观。
（3）尽量选择适应当地气候的优良乡土树种作为先锋树种，也可引进外来速生树种。
（4）尽量选择兼顾生态效益和经济效益的物种，在保证生态恢复效果的同时，选择经济价值较高的物种，同时要满足栽培和管理费用较低的要求。
2.2.4
种植与管理
植物的种植时期应当是雨量充沛、气温适宜的季节，土壤的水分和温度满足种子萌发的外界条件。一般种子类以春、夏初雨前播种为主，夏播为辅；乔木、灌木类以早春栽植为主，秋冬栽植为辅［14］。种植方式如撒播、条播和带肥播种等［15］。
植物的管理包括灌溉、追肥等，特别是种植后的第一年。管理强度应该逐年降低，使其逐渐形成自维持的生态系统。
2.2.5
后期监测、评价与维护
植被重建后，应当在管理停止之后继续进行监测、评价和后期维护等，以确保其向生态系统协调、稳定的方向发展。一方面，对于养分不足等一些因素导致的植被退化，后续监测与维护的目的在于及时进行技术指导，发现植被退化的决定因素，以改善不良状况；另一方面，对于重建植被生长良好，乡土种不断侵入甚至取代植被重建阶段的一些先锋植物的情况，后续监测和评价侧重于植被重建的生态环境效益，了解生态恢复的过程和机制，总结经验［12］。
3 某露天煤矿排土场复垦研究
3.1 矿区自然环境概况
该露天煤矿地处高原丘陵区剥蚀堆积地貌与低缓丘陵地貌的过渡地带，露天采场海拔标高990m～1213m，整体走势为东北高-西南低。矿区属中温带干旱半干旱气候，春季多风干旱，主导风向为西南风，多年平均风速3.5m/s，夏季温热雨水不均，据当地气象资料显示：历年极端最高气温39.2℃，最低气温-42.4℃，多年平均气温2.2℃；多年平均降水量289mm，雨季为6、7、8三个月；年平均蒸发量1850mm，蒸发量大，冻结期为10月初～12月上旬，解冻期为翌年3月末～4月中旬，最大冻土深度为1.50m。该矿所属煤田内最大的河流由于连年气候干旱已成为季节性河流，区内河水流量的多少取决于上游水库的控制及降水量的大小，矿区发育有第四系孔隙潜水含水层和白垩系含煤组裂隙承压水含水岩组。
露天矿区土壤类型为栗钙土类淡栗钙土亚类，由腐殖质层、钙积层与母质层构成。土壤偏碱性，有机质含量较低，缺磷、富钾、氮中等。矿区植被属非地带性低山丘陵草甸草场类，植被类型为小叶锦鸡儿+羊草+冷蒿(Caragana microphylla+Leymus chinensis+Artemisia frigida）、克氏针茅（Stipa krylovii）+羊草（冰草）（Agropyron cristatum）+杂类草、小叶锦鸡儿+针茅（Stipa capillata）+冰草（羊草，冷蒿）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）+针茅（羊草）+杂类草等。
3.2 矿区排土场
该露天矿年生产能力为1000万t，分为四个采区，目前在进行首采区的开采。根据露天煤矿一期工程初步设计，矿区形成外排土场两座和内排土场，其中内排占用采掘场的采空区，外排分别为采场境界内的北排和采场境界外的南排。2006年基建期剥离物就近排弃至南排，2010年达产起实现南排与北排同时排弃，达产5年开始实现部分内排，达产19年外排土场服务期满后实现全部内排。其中南排占地面积为810hm2，北排为742hm2，总排弃高度均为100m，台阶高度25m，台阶坡面角为33°，最终稳定边坡角为18°，最小工作平盘为80m。
3.3 排土场植被重建现状
以排土场1065作业区的生态恢复工程为例，其边坡从2009年开始复垦，坡面和平台（见图1）均采用人工开成1m×1m菱形方格，网格沟内种植老芒麦（Elymus sibiricus）、披碱草（Elymus dahuricus）等混合牧草，中央撒播柠条（Caragana Korshinskii）等，表面经人工处理后撒播沙打旺（Astragalus adsurgens）、沙蒿（Artemisia halodendron）种子，种植完成后全部用稻草编织成的草帘子覆盖以更好地起到水土保持作用。除这些主要物种外，平台还有黄花草木樨（Melilotus suaveolens）、紫花苜蓿（Medicago sativa）和山荞麦（Polygonum aubertii）等植物。
为了更好地研究排土场植被恢复方法与效果，矿区在排土场复垦中设计了一些实验对照区，并在一段时期后，进行了对比分析。
3.3.1
施肥和未施肥的对照
对照的两个区域均覆有表土，从2008年开始复垦（见图2），施肥的边坡和平台植物主要为柠条和白榆（Ulmus pumila），有多种杂草生长；未施肥的区域柠条多，冠幅大，盖度相比施肥地较低，平台植物还有克氏针茅、冰草和樟子松（Pinus sylvestnis var. mongolica）等。
3.3.2
无表土和覆表土的对照
无表土边坡是在自然风干两年的剥离物上进行撒种，植物生长的土壤为红土，并含不少石头和砂岩，特性较差，导致植物成活率极低，零星分布且稀疏矮小，长势差；覆表土的区域从2009年8月开始复垦，表土轻微沙质化，其边坡覆土厚度约为0.3～0.5m，平台约为0.5～1m，虽然植被盖度不高，但相对无表土区域来说，表土中的营养物质对植物的生长作用明显，如图3对比。
图3 排土场无表土（左）与覆表土（右）对比
Fig.3 Waste Dump With Surface Soil and Waste Dump Without Surface Soil
4 结论与建议
4.1 结论
排土场的自然恢复过程缓慢，但是通过人工覆土种植、保证水分及相应的管理措施，排土场的植被恢复是可行的。由于该矿排土场的复垦年限较短，目前还处于边复垦边试验阶段，其复垦效果尚不明显，通过现场调查和对比，平盘上植物物种的选择较为合理，边坡植物及其效果有待于进一步的观察和记录。植物恢复效果取决于土壤水分条件和保持土壤肥力，由于当地春季多风干旱，因此春季要注意保证土壤水分。风沙大且降雨量小使边坡植物的护土护坡能力下降，容易造成水土流失，所以应加强边坡的稳定性和选择合适的边坡植物，如沙棘等灌木。并且在排土场周围种植速生、高大的乔木，来减少风力对土壤的剥蚀和水分的散失，在发生侵蚀沟的地方，应在沟头采用移植草皮等方法防治水土流失，在植被恢复前还应在距排土场一定距离设置围栏以防牲畜破坏。此外，种植后期的养护管理工作也很重要，包括定期检查植物长势、浇水追肥、防治病虫害和培土补种等。
4.2 建议
在矿业废弃地生态恢复实践中，需慎重选择复垦植被和模式。植物种类的选择第一要考虑到能适应当地气候条件，对极端基质条件具有耐性的用以长期定居的物种，以期获得永久性植被；第二则要求它们具有速生性和高生物量，以尽快地改良基质并为长期定居的物种提供隐蔽条件。林草措施是最有效的生态恢复模式，包括乔、灌、草的不同结构组合模式。一些煤矿排土场复垦的成功经验表明：在重建植被时，应按照乔灌草结合的原则，先治上后治下，先治沟后治坡，先治坡后治台，先覆土后建立人工植被［16，17］。恢复前期应以植被绿化和改良土壤为主，尽量多采用乡土物种、固氮能力较强的豆科植物和不进入食物链的物种混交种植［18］，以达到良好的生态效益。因此今后应积极借鉴其他矿区复垦的先进经验和已推广应用的研究成果，对排土场复垦的物种选择、配置及复垦措施进行优化。
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收稿日期：2010-04-10
