煤礦采空區土體有機重構對植被恢復效應及生態環境影響的探討

      煤礦采空區是煤礦作業過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔，能引起覆巖層的變動，造成塌陷、土體環境污染、生態環境破壞等問題，同時還會導致地表植物和土壤質地發生變化，對礦區周邊的生態系統產生影響[1-3]。對采空區的綜合治理普遍認為是一個世界難題，尤其是在自然生態環境極為脆弱的區域，煤礦開采及其產生的煤礦采空區所導致的生態環境退化更為顯著。如何解決煤礦開采活動導致的土體結構破壞、水土流失、植被多樣性降低等生態環境問題是煤礦采空區生態恢復的主要難題。

　　1 煤礦采空區生態恢復研究現狀

　　1.1 煤礦采空區土體有機重構

　　土體有機重構是將一定深度的土體作為研究對象，圍繞構成土體的材料與結構開展研究，以置換、復配、增減等技術手段，對退化型、污染型、損毀型、低效型等缺陷土體或未利用土體進行再生或重構，將土體重塑為可支撐生命特征，實現生命體生存、繁衍的土壤。通過土體有機重構技術手段可以有效改善土體的結構、養分，修復土體中的重金屬、有機污染物等，為進一步植被恢復提供良好的環境條件。

　　1.2 煤礦采空區治理現狀

　　西方發達國家較早開始關注煤礦采空區治理并付諸實踐，對煤礦采空區的整治以土地綜合治理和生態環境重建為主要內容。我國煤礦采空區治理起步較晚，從最初的土地復墾到生態修復到綜合治理，有關研究不斷深化。目前，國內外對于煤礦采空區的治理主要包括以下3方面的內容。

　　1）煤礦采空區的土地整治，包括煤礦采空區的生態修復以及煤礦采空區的綜合治理[6-8]。最初的煤礦采空區治理是以恢復土地的可利用狀態為目標進行，其主要措施包括填充治理和非填充治理兩大類[9]。其中，填充治理主要是先將采空區表層熟土剝離，利用煤礦開采后產生的煤矸石、粉煤灰以及泥漿等材料對采空區的深坑進行回填，最后將剝離的表土再覆蓋在土地表層，使土地達到可利用狀態[10]。一些采空區的治理只需通過就地平整、挖深墊淺等方法對采空塌陷地區進行土地修整，使其達到可以使用的狀態[11-12]。

　　2）隨著技術的發展，煤礦采空區治理在土地復墾的基礎上進一步實現了生態環境修復[13-14]。煤礦采空區的生態修復技術主要體現在土地復墾和生態環境重建兩大方面，主要措施為植樹造林[15-16]。

　　3）近年來，煤礦采空區的治理體現出了因地制宜的治理原則，在煤礦采空區創新性利用資源，實現生態、經濟和社會效益相統一，主要產業模式包括發展林業、農業種植、漁業養殖以及農林牧漁業綜合開發等，最終實現土地生態系統的良性循環。此外，還有一些煤礦采空區通過發展礦山公園、自然資源旅游、科學研究基地等方式實現煤炭采空區的綜合治理[17]。

　　1.3 土體有機重構對植被恢復及生態環境的影響

　　植被恢復與重建是煤礦采空區生態恢復和可持續發展的關鍵要素，主要表現在植被個體的生理特征和群落特征。但是開展植被恢復需要良好的土體結構和無污染的土壤作為支撐條件，所以在煤礦采空區生態恢復治理之前，最重要的環節是進行土體有機重構。

　　地表蒸散發（ET）和生態系統總初級生產力（GPP）是陸表生物地球物理和生物地球化學過程中的兩個關鍵變量。ET連接了地表能量、水分和生態系統碳循環等物質和能量交換過程，是生態環境變化和生態系統響應研究的核心過程之一[18-22]。開展不同土體有機重構方式下植被恢復效應研究不僅可以評價土體重構效果，也可以對煤礦采空區的地表蒸散發和總初級生產力等生態環境指標產生正面影響，進而為采空區植被恢復建設、生態重建提供基礎數據，其結果將有利于對不同土體有機重構方式下重建植被后的環境演化規律、演變特征及其質量優劣進行評價，以利于分等定級，因地制宜地采取相應措施，促進采空區生態重建、生態系統的平衡與穩定。

　　2 煤礦采空區生態恢復研究存在的問題

　　國內外對于煤礦采空區的相關研究和實踐持續開展，但在治理模式上多以實踐經驗為主，缺乏系統的理論研究，在治理效果評價上定性研究多、定量研究少。

　　1）煤礦采空區土體與生態環境問題很復雜，只依靠土地平整和植樹造林為主的生態修復措施難以實現最佳的治理和修復效果。2）在煤礦采空區土地整治方面，傳統的填充治理已經較為成熟，主要包括采礦廢棄物回填和注漿治理，但是對于土地耕作層的治理僅僅停留在表土回填、就地平整、挖深墊淺等層面，只側重于將煤礦采空區恢復到可利用狀態，鮮有涉及到土體構型的優化和重構等更高層次的開發利用，土地復墾的穩定性和可持續性差。3）在煤礦采空區的生態修復以及煤炭采空區的綜合治理方面，目前的研究方法和措施僅局限于植樹造林，對于樹種的選擇僅依靠經驗，側重于把煤炭采空區修復成與原來土地利用狀態部分或完全不同的復雜人工生態系統，而對于具有抗逆性鄉土物種篩選研究和工程實踐較少，且嚴重忽視了煤炭采空區土壤污染修復和地質災害治理等。由于理論研究滯后，體系欠缺，煤礦采空區的生態修復具有一定的盲目性[23-26]。

　　3 土體有機重構對煤礦采空區植被恢復及生態環境重建具體對策 　　在煤礦采空區開展大規模的土體有機重構與生態恢復重建是一種強烈的人類活動影響區域自然環境的表現，如何保證這種人類活動對于區域生態環境的影響是正面的、可持續性的，需要進行深入研究。目前對于煤礦開采過程對區域氣候和生態系統影響的研究受到越來越多的關注，大部分學者主要利用區域氣候模式和水文模型模擬研究煤礦開采對于該區域氣候和生態環境變化的影響。然而對于區域內土地復墾和植被重建對區域生態環境變化的定量、系統性影響研究有限。

　　3.1 主要技術手段

　　土體有機重構的技術手段主要是針對煤礦采空區土體污染及損毀現狀，開展包括土地工程基礎勘察、土體有機重構力學特性研究、土體有機重構顆粒配給、土體有機重構剖面層級重構、土體有機重構生化需求配給、土體有機重構生物營養保障（養分需求、微生物恢復）等核心內容的土體有機重構技術研發工作。

　　3.2 具體實踐

　　1）在土地復墾完成的基礎上，煤礦采空區受損生態系統綜合治理的成敗取決于對植物的優化配置和科學篩選以及對水資源的合理利用。通過調查采空區及周邊鄉土物種生長狀況和性狀，篩選用于土體穩定性維持、污染土壤修復的備選鄉土物種（喬-灌-草-隱花植物）[28]。

　　2）利用所篩選出的鄉土物種生長、繁殖特點，生態適應性及演替及其與土壤水文過程、土體污損狀況的關系，針對污染土體植物修復、損毀土體穩定性、抗旱造林等不同修復類型，研究不同土體有機重構方式下備選物種的生理生態與功能性狀，并開展分區域的植被重建關鍵技術研究（物種搭配組成、種植規模及調控技術），評估其對煤礦采空區環境的適應表現，為以生態功能恢復為主的煤礦采空區植被重建提供支撐[29-31]。

　　3）針對區域內土體污染和損毀等環境問題，構建新的礦區復墾土體構型，加快自然修復和土壤質量演化的速度，可以在較短時間內消除土地荒蕪、土體污染等生態環境問題，有效提升土地復墾的穩定性和可持續性。