关于露天矿土地复垦与生态重建的几个问题

第32卷　第1期冶金矿山设计与建设　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　

2000年1月M eta l m i ne design and con struction 33文章编号:10004-1273(2000) 01-0033-05

关于露天矿土地复垦与生态重建的几个问题

白中科, 赵景逵

(山西农业大学资源环境科学系, 山西太谷030801)

　　摘　要:论述了露天矿区土地复垦与生态重建的有关技术问题, 并提出了目前该研究的不足和今后10～15年技术研究的侧重点。

　　关键词:露天矿; 生态重建; 耕地总量动态平衡; 适宜性评价; 方法论　　中图分类号:TD 88　　　　　　文献标识码:A

On several problem s of land open -p it m i ne and BA I 　　Abstract :Som e p land reclam ati on and eco logy rebu ilding it m ere described . T he i m p erfecti on of the and p articu lar em p hasis of the techn ical research in the

15w ere p u t fo rw ard . fu 　　words :op en 2p it m ine ; eco logy rebu ilding ; dynam ic balance of to tal

cu ltivati on land ; adap tab ility evaluati on ; m ethodo logy

1　生态系统演变对效益的影响

　　矿区生态系统是以矿山生产作业区为核心的一个独特的人工、半人工生态系统。该系统在受损前的资源特点是地上光温资源较充足、地表水土资源较贫瘠, 地下矿产资源较丰富; 该系统在受损后, 光温不变、水土废弃、矿产耗竭。该系统结构与功能的变化极大地受着矿山生产的性质、规模及服务年限的影响。

　　研究结果表明, 大型露天矿生态系统演变分为3个阶段, 4个类型和3个过程, 如图1所示。　　由原脆弱生态演变为极度退化生态为第 阶段, 即矿区生态系统破损阶段; 由极度退化生

收稿日期:1999-12-20

作者简介:白中科(1963-) , 男, 山西运城人, 山西农业

大学资源环境科学系副教授, 主要从事土壤

态演变为生态重建雏形为第 阶段, 即矿区生态系统雏形建立阶段; 由重建生态雏形演变为重建生态相对稳定型为第 阶段, 即矿区生态系统动态平衡阶段。第 阶段为结构、功能完全丧失过程, 并产生较大负效益(不考虑从系统中摄取的采矿利润) , 只能要求“清洁生产”, 尽量减小破坏产生的负效益。第 阶段为结构与功能骨架恢复与调整过程, 其主要目的是重塑地貌、再造土体、改善生境, 所采取的措施主要是起水土保持、防风固沙等作用, 这些防护功能产生的效益只能是以生态效益为主。同时, 此阶段的社会效益也仅仅体现在减轻自然灾害方面, 如保护新造土地不遭沟蚀破坏与石化、沙化, 减轻矿区下游洪涝灾害与泥沙危害等, 此阶段仅可获得少量的经济效益。第 阶段为结构合理、功能高效的持续过程, 此阶段因保水、保土效益及生态效益较好, 矿区

学、矿区土地复垦与生态恢复的研究。生态系统已具备生产性功能的基本条件, 既可考

　　　　　　　　　　34　冶金矿山设计与建设　　　　　　第32卷　第1期

要的时间大约为6～10年。

虑以经济效益为主导, 同时, 此阶段的社会效益不仅体现在减轻自然灾害上, 而且已上升到促进社会进步, 改善农业基础设施, 提高土地生产率, 使失去土地的矿区农民重返家园, 调整土地利用结构和农业生产结构, 适应市场经济, 提高环境质量, 缓解人地矛盾, 促进脱贫致富奔小康等。此阶段, 才可能是矿区经济效益、生态效益和社会效益高度统一阶段

。

3　待复垦土地适宜性评价

　　土地适宜性评价是土地复垦利用方向决策和改良途径选择的基础。按一般土地适宜性评价步骤, 首先对需进行评价的土地作土地质量调查, 编制图件, 并根据土地利用总体规划等文件, 提出该土地利用的目标, 两者进行比配后, 调节利用目标或提高土地质量来完成土地适宜性评价工作。

　　但露天矿的待复垦土地是在数年后或数十年后才出现, , 。

, 其评价单元类型可根据矿山说明书中有关岩土特征、岩土

图1、类型及过程

比例、排弃方式、堆置形态以及水土保持、土地复垦和环境保护的要求, 采用影响复垦植被最大的6个限制因子, 即岩土污染程度、重塑地形坡度、

2“耕地总量

动态平衡”

　　我国人多地少, 必须执行国际上最为严格的耕地保护政策, 确保“耕地总量动态平衡”。大型露天矿开采速度快, 破坏面积大, 影响范围广, 开采时间几十年至上百年, 土地利用结构及其“耕地总量动态平衡”与井下塌陷地迥然不同。须借助矿山的机械进行地貌重塑与土体再造, 消除荒地和其它未利用地, 改善土地利用结构, 协调农林牧之间物质与能量的转化关系, 开发耕地的潜在生产力巨大。但规划的耕地并不可能马上就能恢复成耕地使用, 尤其是大型露天矿排土场, 由于初期压缩沉降剧烈, 水分无效损失较多(包括地表径流、深层渗漏和地表蒸发) 、土壤肥力贫瘠等限制性因素, 必须通过一定的工程复垦工艺和生物复垦工艺, 方可使规划的耕地恢复成可利用的耕地。根据我们10年的研究经验, 采取科学合理的采排工艺和生土块速熟化等适用技术体系, 大型露天矿排土场地表稳定、水土流失轻微、土地生产力达到或超过当地农田的生产力所需

地表物质组成、有效覆土厚度、土体容重和坡向6级分类指标逐级推断, 最后肯定可能出现的类

型, 为进一步进行土地适宜性评价和土地复垦规划提供理论依据。

3. 1　以“岩土污染程度”为第1层次指标推断

　　排土场主要利用方向是农用地, 即耕地、林地和牧地, 因此首先考虑的因素是新造地的岩土对复垦植物有无污染。故以“岩土污染程度”为第1层次指标, 将排土场分为:

　　有污染的(A ) (X )

　　无污染的(B ) (V )

　　但根据环境保护的要求, 若对植物有潜在污染的局部岩土, 必须采取压埋、包埋和填埋工艺, 而不能将其放在地表, 作为复垦种植层, 故应剔除A 类(X 表示剔除, V 表示保留) 。

3. 2　以“重塑地形坡度”为第2层次级指标推断

　　与原地貌相比, 排土场显著的特点是平盘与边坡截然分明、相间分布的阶梯状地形, 地貌的改变, 特别是坡度比例的调整, 对降水、热量起着

2000年1月　　　　　　　　　白中科等　关于露天矿土地复垦与生态重建的几个问题　　　　　　　　　35

再分配的作用, 从而影响到物质的分散、搬运和沉积。故以“重塑地形坡度”为第三产业层次级指标推断, 排土场分为:

) (V ) 　　无污染的平盘(B 1) (0～5°

) (V ) 　　无污染的斜坡(B 2) (>30°

　　在排土场形成过程中, 不同排土工艺使土体容重不同, 构成复垦植被能否存活的决定性因子。　　故以“土体容重”划分为:

　　无污染的厚层极紧覆土平台(B 1111) (X )

　　无污染的厚层紧实覆土平台(B 1112) (X ) 　　无污染的厚层疏松覆土平台(B 1113) (V ) 　　无污染的薄层疏松覆土斜坡(B 213) (V ) 　　无污染的岩土混排斜坡(B 22) (V ) 　　无污染的砂岩斜坡(B 23) (V ) 　　无污染的泥岩、页岩斜坡(B 24) (V )

　　B 1类和B 2类是排土场构成的主体。3. 3　以“地表物质组成”为第3层次指标推断

　　原地貌地表物质被黄土质广泛覆盖, 而排土场因岩土比例、风化程度、排土工艺等因素影响, 使地表物质组成变得复杂, 从而构成了复垦植被生长好坏的决定因子。故以“成土母质”即地表物质组成进一步划分为:

　　无污染的覆土平台(B 11) (V )

　　无污染的岩土混排平台(B 12) (X ) 　　无污染的石砾平台(B 13) (X ) 　　无污染的覆土斜坡(B 21) (V )

　　无污染的岩土混排斜坡(B 22) (V ) 　　无污染的砂岩斜坡(B 23) (V ) 　　无污染的泥岩、页岩斜坡(B 24) (V )

　　据研究, 经大型卡车压实的极紧平台, 径流系数可达70%, 加剧了水土流失的复杂性和复垦的难度, 故排土场不应出现B 1111类和B 1112类。3. 6　以“坡向”为第6　　“坡向”分为阴向、、半阳, “坡向”, 。:

(B 11131)

(B 11132) 　　半阳无污染的厚层疏松覆土平台(B 11133) 　　半阴无污染的厚层疏松覆土平台(B 11134) 　　阳向无污染的薄层疏松覆土斜坡(B 2131) 　　阴向无污染的薄层疏松覆土斜坡(B 2132) 　　半阳无污染的薄层疏松覆土斜坡(B 2133) 　　半阴无污染的薄层疏松覆土斜坡(B 2134) 　　阳向无污染的岩土混排斜坡(B 221) 　　阴向无污染的岩土混排斜坡(B 222) 　　半阳无污染的岩土混排斜坡(B 223) 　　半阴无污染的岩土混排斜坡(B 224) 　　阳向无污染的砂岩斜坡(B 231) 　　阴向无污染的砂岩斜坡(B 232) 　　半阳无污染的砂岩斜坡(B 233) 　　半阴无污染的砂岩斜坡(B 234) 　　阳向无污染的泥岩、页岩斜坡(B 241) 　　阴向无污染的泥岩、页岩斜坡(B 242) 　　半阳无污染的泥岩、页岩斜坡(B 243) 　　半阴无污染的泥岩、页岩斜坡(B 244)

求, B 12和B 13, 也3. 4　以“有效覆土厚度”为第4层次指标推断

　　有效覆土厚度直接影响着植物地下部分的水分和养分容量, 故以“有效覆土厚度”再次划分:

　　无污染的厚层覆土平台(B 111) (V )

　　无污染的中层覆土平台(B 112) (X ) 　　无污染的薄层覆土平台(B 113) (X ) 　　无污染的厚层覆土斜坡(B 211) (X ) 　　无污染的中层覆土斜坡(B 212) (X ) 　　无污染的薄层覆土斜坡(B 213) (V ) 　　无污染的岩土混排斜坡(B 22) (V ) 　　无污染的砂岩斜坡(B 23) (V ) 　　无污染的泥岩、页岩斜坡(B 24) (V )

　　经过上述6个指标综合推断, 露天矿待复垦土地应该出现20个类型的评价单元。然而, 目前我国大多露天矿尚未真正实施“采掘、排弃、造地、复垦”一体化, 按上述6个指标进行组合, 可能出现100多个立地类型, 但大多都不符合土地复垦、水土保持和环境保护的要求, 给后续的土地复垦和生态重建带来很大难度。故这6个指标和20个立地类型也是工程复垦工艺中进行地貌重塑和土体再造的约束条件和应出现的类型。生物复垦工艺应在其基础上, 进行各土

　　再次根据岩土比例及平台最终恢复耕地要求, B 112和B 113不应出现。同时根据作者研究成果, 边坡陡而松散, 覆土在30c m 以上极易发生水土流失, 即使复垦以后的斜坡, 因植物根系主要分布在覆土层中, 而很少下扎到下伏岩土层中。在暴雨期更易产生坡面泥流。从水土保持角度考虑, 斜坡不宜覆土过厚, 再考虑种植的需要, 以薄层覆土为宜。故应剔除B 211和B 212。3. 5　以“土体容重”为第5层指标推断

　　　　　　　　　　36

向和目标的改良性建议。

　冶金矿山设计与建设　　　　　　第32卷　第1期

原地貌, 而矿区水土保持措施是面对有时空变化的新地貌。因此其水土保持措施应是暂时性水土保持措施、过渡性水土保持措施和永久性水土保持措施相结合。如图2所示。

　　暂时性水土保持措施主要是针对地形暂时

地单元适宜性评价, 并提出逼近最终土地利用方

4　时空变动地貌的水土保持

　　常规的水土保持措施只是针对相对静止的

图2成型, 计的

, 、, 一般2, 3～5年内掩; 6～20年内被掩埋的区段选择草灌种植; 20年以上被掩埋的区段选择速生乔木或灌木。

　　过渡性水土保持措施主要是针对最终利用方向为优质农田, 但目前地力十分贫瘠、且多限制性因子的区段而设计的, 主要技术要则是通过种植绿肥牧草, 改良平台土壤, 提高肥力, 之后再转为耕地。

　　永久性水土保持措施主要是针对地形成型不变的区段而设计的, 或者当排土场稳定后, 改建临时工程措施为永久性工程措施, 其主要技术要则是生物和工程措施相结合, 要求永久、坚固。因此, 排土场实际规划治理的面积大于排土场最终形成的面积, 这是和原地貌整治中不同的一点。

于矿区土地复垦与生态重建是一个涉及多学科的综合性应用学科, 因此, 其研究的最基本思维方式即方法论就是利用多个相关学科方法和技术, 进行优化组合, 加上必要的创新, 这一方法论要求从事矿区土地复垦与生态重建的专家应具有宽广的知识面, 并力求多学科专家携手攻关。　　矿区生态重建的综合性是传统的自然科学中少见的, 以下几点可以佐证:

　　(1) 矿区土地复垦与生态重建不仅是用简单的技术去处理生物与环境的关系, 这种关系总是要受社会干预, 经济制约。

　　(2) 矿区土地复垦与生态重建目标虽在当时应是明确的, 但随着时间的推移, 社会要求和经济制约的变化, 其目标是可以变动的, 尤其是大尺度、长时间的大型矿区生态重建, 其目标常会有所提高。

　　(3) 矿区土地复垦与生态重建大多是事先的推测、估计、规划, 决不可能等待一切准备完毕后再进行, 所以只能在不完善的方法下起步, 只能在探索、学习中去完成规划, 再在设计过程中去完善规划。

　　(4) 矿区土地复垦与生态重建工程涉及到规划、设计和实施技术等问题。关于实施技术, 可

5　土地复垦与生态重建研究的方

法论

　　矿区土地复垦与生态重建研究方法论是研究矿区土地复垦与生态重建的基本思维方式, 揭示矿区土地复垦与生态重建的具体研究方法。由

2000年1月　　　　　　　　　白中科等　关于露天矿土地复垦与生态重建的几个问题　　　　　　　　　37

由各有关学科技术去解决, 现代科学技术对这部分工作是能较好解决的, 如恢复植被工程, 可由土壤学家来解决成土过程、土壤熟化培肥, 生物学家、农学家、林学家来解决恢复什么样的植被和如何种植、管理和经营等问题。

　　问题的关键是如何完成多目标, 而且这些多目标常会互相冲突。要解决在这种情况下的规划、设计、管理等问题。

　　当前矿区土地复垦与生态重建可参照下列步骤:

　　(1) 以社会要求、经济条件为主导, 推导出总目标, 这样总目标是多种目标的综合。　　(2) 再以生态系统破坏程度与总目标去“配比”, 找出差距。

　　(3) 以现有的科学技术及经济的可行性来衡量, 是否可缩小差距达到目标。

　　(4) 能达到目标就可进行规划, 目标, 只能修改目标后, 　　(5) , 故随时间的推移, 规划必将修正。

　　关于规划中的方法问题, 笔者认为:现代科学的进展, 使很多自然学科已建立了各类模型, 但不可能是自然学科都可建立模型, 尤其是生物科学的模型是较少而不完善的, 其中生态模型很多是在探索、初创阶段。当前, 要尽量应用现有的模型, 但也有很多是各学科的研究调查成果, 此种“散珠”似的资料、内容, 如何去串缀, 尤其是各学科间的交叉、结合, 这是首要的难题。目前较为成熟可行的方法是人工智能

专家系统。它是

由10个不同学科30位专家的理论和经验组成的矿区土地复垦与生态重建系统, 可逐层完成矿区生态景观镶嵌格局演变、矿区地貌重塑与土体再造、矿区新造地植被恢复与生产力提高的预测、决策、规划与设计。

　　在我国, 真正开展采矿退化土地复垦与生态恢复重建科学研究是从1989年国务院颁布的《土地复垦规定》开始的。故研究水平明显落后于裸地、森林采伐地、弃耕地、沙漠化地等其它退化生态系统的恢复和重建研究。而露天开采废弃地的生态恢复重建才起步不久, 理论和方法还不够成熟。其研究明显不足是:①缺乏从清洁生产角度进行生境再造制约条件的研究, 也就是说, 忽视了露天采矿与井下采矿在生境再造方面的不同, 即可以利用露天采矿大型机械运移岩土的便利条件, 进行地貌重塑和土体再造。②由于时间短, 上, 究、功能高效、持。, , 如平朔矿区土地复垦与生态重建将可能在100年左右, 重建160

2

km 。为了能够较准确地估计和把握生态恢复重

建的后果、人工正确地诱导生态最终演替方向, 故急需深入研究的课题是:对现有的生境类型和植物配置模式, 根据环境保护、水土保持、土地复垦的要求, 作出合理的评价, 保持生态重建最小风险和最大效益目标的实现。此项研究将从理论上丰富人为条件下的土壤资源再生的土壤学内容和此种极端生态条件下的生态学内容。

[参考文献]

[1]　史源英, 白中科. 矿区“生态重建”效益的阶段性及

其定量评价探讨. 煤矿环境保护, 1998, 12(3) :49

-53.

[2]　白中科, 郭青霞, 史源英等. 安家岭露天煤矿土地

利用结构预测. 煤炭学报, 1999, 24(2) :207-211.

[3]　焦志芳, 高建钰, 白中科. 露天煤矿待复垦土地适

宜性评价单元类型划分. 山西农业大学学报,

1999, 19(1) :49-51.

[4]　申广荣, 白中科, 赵景逵等. 采矿废弃地生态重建

6　今后研究的侧重点

专家系统的研制与应用. 土壤侵蚀与水土保持学报, 1998, 4(3) :86-91.