全 文 ：黄土区大型露天煤矿剧烈扰动土地
生态重建研究*
白中科 (山西农业大学, 太谷 030801)
王文英 李晋川 卢崇恩 (山西省生物研究所,太原 030006)
摘要 采用调查、类比、室内模拟和野外试验示范相结合的方法, 1991~ 1995 年对平朔
安太堡露天煤矿土地扰动特征和生态重建适用技术进行了研究. 结果表明,原有地层被
100~ 150m 的岩土混乱排弃层所代替,形成了典型的人工松散堆积地貌 ! ! ! 排土场; 原有
地面形态被平盘与边坡相间的梯状地形所代替, 5~ 10 年间非均匀沉降剧烈, 边坡不稳;
原有地表土壤被黄土类母质和石砾状物质所代替,土体容重> 1. 6g∀cm- 3, 根系穿透阻力
30~ 60kg∀ cm- 3 , 有机质含量< 4. 0g∀kg - 1; 原有植被破坏后不易恢复, 土壤侵蚀模数>
15000t∀km- 2∀a- 1 ,比原地貌大 33% .生态重建适用技术体系包括 5 项工程复垦技术和 3
项生物复垦技术.
关键词 黄土区 露天煤矿 扰动土地 生态重建
Ecological rehabilitation of drastically disturbed land at large opencut coalmine in loess area .
Bai Zhongke ( S hanx i Agr icultural University , Taigu 030801 ) , Wang Wenying, L i
Jinchuan, Lu Chongen ( Shanx i Institute of Biology , Taiyan 030006 ) . Chin. J . A pp l.
Ecol . , 1998, 9( 6) : 621~ 626.
With the combinat ion of investig at ion, analog y, simulation, field test and demonstration, the
characteristics of land disturbance and the suitable techniques for ecological rehabilitation at
Pingshuo Antaibao Opencut Coal M ine w ere studied from 1991 to 1995. The or iginal g eological
strata was substituted by a disorder der elict layer of rocks and loess wit h 100 ~ 150m height,
resulting in the formation of t ypical art ificial loose piled landforms, namely dumps. The original
topographic appearance was substituted by terr aced slopes, resulting in sever e uneven subsidence
dur ing 5~ 10 years and instability of steep slopes. The o riginal surface so il w as substituted by
loess typed par ent mater ial and stoneshaped materials, resulting in soil bulk density > 1. 6g∀
cm- 3 , resistance coefficient to plant roots 30~ 60kg∀cm- 3 , and org anic matter content < 4. 0
g∀ kg - 1. After the or iginal vegetation destroy ed, it w as ver y difficult to restore the original
vegetation, resulting in soil erosion index > 15000t∀ km- 2∀y r- 1, 33% greater than that of
original topog raphy. T he suitable technolog ical systems for ecolog ical rehabilitation include five
engineer ing and three biolog ical r eclamation techniques.
Key words Loess ar ea, Opencut coal mine, Disturbed land, Ecological rehabilitat ion.
* 国家# 八五∃重点科技攻关项目( 85- 910- 06) .
1997- 01- 31收稿, 1998- 08- 31接受.
1 引 言
黄土高原地区的煤炭资源极为丰富,
初步探明储量 5. 8 % 1011 t ,约占全国已探
明储量的 2/ 3.而且, 本区大型特大型煤田
又特别集中,全国 16个 1. 0 % 1010t以上的
大型煤田,本区就占 10个; 全国 5. 0 % 1010
t 以上的特大型煤田全部集中于本区. 据
预测, 21世纪前期, 全国煤炭年产量将达
到 4. 0 % 109t , 其中 60~ 70%的煤炭来自
应 用 生 态 学 报 1998 年 12 月 第 9 卷 第 6 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 1998, 9( 6)&621~ 626
黄土高原[ 3] . 然而, 黄土高原生态环境已
十分脆弱,在本区进行如此大规模的煤炭
开采, 特别是露天开采, 将会诱发土地再
度退化.而国外相近生态条件下的露天矿
区并无技术上可行的直接经验可借
鉴[ 11, 12] , 国内露天矿区开采特别是大型
露天 矿 区的 生 态 恢 复研 究 还 很 不
够[ 1, 2, 4~ 10] . 本文以平朔安太堡露天煤矿
(以下简称 ATB矿)为例, 探讨其采矿对土
地的扰动特征和生态重建适用技术体系,
旨在为黄土区正在开采和将要开采的一系
列大型露天煤矿生态重建提供理论和实践
依据.
2 材料与方法
2. 1 开矿前原自然概况
试验示范区选择在山西省西北部的 ATB 矿.
开矿前的地貌类型为黄土低山丘陵, 海拔高度
1300~ 1400m, 年均降雨量 450mm, 65% 集中在 6
~ 9 月, 年均蒸发量 2160mm, 年均温 6. 2∋ , 年均
风速 2. 3~ 4. 7m∀s- 1 ,最大风速 20m∀s- 1. 地带性
植被属干草原类型, 地带性土壤为栗钙土和黄绵
土,土壤有机质含量低、结构差、抗蚀能力弱, 水
蚀模数为 10000t∀km- 2∀ a- 1左右, 风蚀模数为
2000t∀km- 2∀a- 1左右.
2. 2 试验示范区的建立及研究方法
1990~ 1995 年, 在新造的 430hm2 排土场上
进行了生态重建试验示范研究. 其中, 布设鱼鳞
坑、水平阶、小畦、灌缝、堆状地面等试验工程
343hm2 ;修筑排水渠、挡水墙和拦渣坝等试验工
程 10000m;进行了 62种植物的引种和筛选试验,
包括 13 种乔木、5 种灌木、38 种牧草、6 种中药
材、9 种农作物,具体植物名称、栽培方法、配置模
式详见资料[ 2] . 岩土的有机质、pH 值、全氮、全
磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、水分、容重、渗
透系数、穿透阻力、径流模数、侵蚀模数等主要参
数测定参见文献[ 2] .
3 结果与分析
3. 1 土地扰动特征分析
3. 1. 1 地貌 ATB 矿所在地的原有地层
层序为 C2 (中石碳系)C3 (上石碳系)P1
(早二叠系)N(新第三系)Q (第四系) ,开
矿后原有地层层序被剧烈扰动. 其中,内排
土场是在缺损 C3P1NQ 的地层情况下,
在 C2地层之上添加了约 100~ 150m 厚的
排弃层,外排土场是在原有地面上增加了
一个高约 100~ 150m 的排弃层. 此类排弃
层,快速堆垫、层序紊乱、物质松散, 5~ 10
年间,存在着非常强烈的压缩沉降过程.由
于基底承载力不一,排弃物料混杂等因素,
不同部位压缩沉降速率不一, 造成地表变
形和径流紊乱, 甚至诱发整体失稳. 如
AT B矿南排土场, 1991年发生突发性座落
式滑坡,滑落体积 1. 032 % 107m3, 其主要
原因是堆积速度过快和大量地表径流汇集
渗入基底,降低基底承载力.
同时,新造排土场小地形与原地貌相
比,已发生变化, 尤其是边坡, 其垂直高20
~ 40m,边坡角为岩土的自然安息角( 36~
42() . 如此陡高的人工堆垫边坡,极易发生
水土流失.径流小区试验结果表明,其土壤
侵蚀模数为 27530t∀km- 2∀a- 1,约是平台
侵蚀模数的 11倍. 在暴雨期,极易发生坡
面泥石流等灾害.
3. 1. 2 土壤 ATB 矿原地表被第四纪黄
土覆盖,堆垫后地表物质组成发生了变化,
有黄土、红土、红黄土、土石混堆、泥质页
岩、炭质页岩、砂质页岩和砂岩等.大量生
土及石砾、石块暴露地表,植物养分极其贫
瘠.其中, 黄土类母质有机质含量 14~
38g∀ kg- 1 ( n = 9) , 全氮 012 ~ 024g∀
kg- 1( n= 9) , 全磷 029~ 055g∀kg- 1( n=
9) , 速效氮 110~ 180mg∀kg - 1( n= 5) ,
速效磷 26~ 69mg∀kg- 1 ( n= 9) [ 2] .试种
的马铃薯、荞麦产量分别为 2250kg∀hm- 2
和 195kg∀ hm- 2, 仅相当于当地产量的
13%和 12%.
622 应 用 生 态 学 报 9 卷
同时, 由表 1可知, ATB 矿排土场覆
土平台因大型机械碾压, 致使土壤物理性
质极差, 土壤容重由原地貌的 140 ~
147g∀cm - 3增至 161~ 169g∀cm- 3, 稳
渗率由原地貌的 04~ 10mm∀min- 1减小
为016~ 028mm∀min- 1, 根系穿透阻力
由原地貌的 213~ 621kg∀cm- 3增至 30
~ 60kg∀cm- 3,径流系数由原地貌的 1120
~ 2367%增至 688% .
表 1 废弃土地与原土地物理特性及径流侵蚀特性比较
Table 1 Comparision of physical properties and runoff
erosion between derelict and undisturbed original land
参数
Parameter
废弃土地
( 0~ 3()
Derel ict land
原土地
( 0~ 15()
Original land
0~ 20cm 容重( g∀cm- 3) 169 140
Bulk density ranging
f rom 0~ 20cm
20~ 80cm 容重( g∀cm- 3) 161 147
Bulk density ranging
f rom 20~ 80cm
稳渗率( mm∀min- 1) 016~ 028 04~ 10
S tabilit y permeability
coeff icient
根系穿透阻力( kg∀cm- 3) 30~ 60 213~ 621
Resistence coef ficient
to plant roots
径流系数( % ) * 68 1120~ 2367
Runof f coef ficient
* 降雨强度 078~ 081mm∀m in- 1、降雨历时 60min针
孔式人工降雨器模拟值 Simulated value using the needle
t ype art ificial device w ith precipitat ion duration of 60min
and precipitat ion intensity of 075~ 081mm∀min- 1.
3. 1. 3 植被 矿区地带性植被类型属干草
原.由于开发历史悠久, 耕垦指数高, 天然
次生林及大片草原群落已毁坏殆尽, 仅有
一定数量小黑杨人工林, 但由于土壤干旱
瘠薄,生长很差, 呈#小老树∃. 另外, 在黄
土丘陵的沟谷中零星分布着以沙棘( H ip
pophae rhamnodes)为主的灌丛. 露采过程
中,对土地的挖损和压占彻底破坏了原有
的植被,由于新造的排土场理化性质不良,
原地带性植被长芒草( St ipa bungeana )、
披碱草( Elymus dahuricus )、百里香( Thy
mus mongol icus )、达乌里胡枝子 ( L es
p edesa dahurica )、扁穗冰草 ( Agropyron
cristatum )等极少侵入,天然植被恢复非常
缓慢.
3. 2 生态重建适用技术体系
3. 2. 1 排土场基底构筑工艺 试验结果表
明,采取以下基底处置措施有利于排土场
的整体稳定: 1)外排土场基底地层从上至
下为黄土状粉土、黄土状粉质粘土、红粘土
和基岩, 其凝聚力分别为 25、50、60 和
300kPa,其中黄土状粉土松软且不利于基
底排水,但大面积清除又不可能,但在一些
重要区段必须清除; 2)外排土场基底原有
的地面排水系统被压占后仍要基本保持排
水通畅,这就要求在排土场基底,尤其是沟
壑充填高钙、低钠难风化的大石块,利用原
排水系统加强基底疏水和导水,增加其承
载力; 3)内排土场基底不存在松软土层问
题,但局部光滑的区段, 应进行爆破处理,
增加其粗糙度,必要时设置基柱、临时挡墙
及抗滑柱等.
3. 2. 2 排土场主体构筑工艺 排土场主体
构筑指从排土场基底构筑完毕后至排土场
表层覆土前的空间范围. 主体构筑应注意
以下问题: 1)扇形推进, 多点同时排弃,延
长排土场各部位沉降压缩过程; 2)在满足
地表厚层覆土( > 80cm )的前提下, 尽量采
取岩土混排工艺, 逐层堆垫、逐层压实、增
加单位空间的岩土容量,减轻非均匀沉降;
3)选煤厂选出的煤矸石含 FeS 较多, 煤泥
含水较多,应分散排弃,减少自燃和不稳定
几率; 4)局部污染元素相对富集的岩层应
进行#包埋∃、#压埋∃, 避免堆放在最低层、
最表层和边坡面上.
3. 2. 3 排土层平台构筑工艺 ( 1)黄土母
质直接铺覆工艺: 国外和我国非黄土区露
天矿排土场建造的惯例是: 先把开挖区原
表土单独剥离存放一处,并加以养护,当排
土场达到最终标高后,先铺底土,再把原表
土二次倒运,再覆于排土场表面.其理由是
原表土是主要的土源,且肥沃,可直接用于
6236 期 白中科等:黄土区大型露天煤矿剧烈扰动土地生态重建研究
种植.但在 ATB 矿照搬此法不可行. 这是
由于: 1)黄土类母质俱无有毒物质,风成或
水成过程中就有过成壤过程, 通过合理培
肥、生土熟化措施,其生产力可在短期内高
于原表土的生产力[ 6] ; 2)表层土壤长期受
水蚀、风蚀影响, 肥力瘠薄, 与下层黄土母
质营养元素的含量及抗蚀能力已无显著差
别; 3) ATB 矿黄土资源丰富, 占剥离岩土
总量的 40%左右, 不存在土源缺乏问题;
4)ATB矿采用大型机械操作, 剥离电铲容
积达 24m3,如进行表土的单独剥离存放会
给采排带来诸多不便.故 AT B矿在排土场
平台构筑时, 可破除#原表土单独剥离存
放∃的惯例,黄土母质可直接铺地表进行复
垦种植,这样可节省大量的二次倒土和表
土保存管理费用. ( 2)堆状地面排土工艺:
排土场地表压实会造成植物扎根困难和产
生大量地表径流,以及排土场有不均匀沉
陷裂缝存在, 汇集径流钻入裂缝, 集中灌
渗,诱发崩塌、滑坡和坡面泥石流. 为综合
解决这两大问题,在排土末期采用#疏松堆
土法∃,即大型运输车在平台上排土后轻度
推去顶尖,地表呈蜂窝凹凸不平,具有强化
表层均匀入渗防止深层集中灌渗等多重功
能: 1)可将集水面积控制在 100m2 之内;
2)在排水场压缩沉降过程中, 虚土在一定
程度上可填补沉陷裂缝; 3)通体疏松,稍加
整理即可种植, 种植绿肥牧草 3 年, 0 ~
10cm 土层团粒结构可达 10%左右, 同时,
在1. 03mm∀min- 1降雨强度、50min 降雨
历时下,土层水分入渗率达 96%, 比未种
植的高 28% ,比压实的高 76% [ 2] .
3. 2. 4 排土场边坡构筑工艺 按常规的排
土场设计要求: 表层必须厚层覆土.但根据
田间工程试验结果, 如果其边坡也按此要
求就有不妥,因为在雨季,特别是暴雨期发
生#剥皮∃的几率最大.故排土场边坡构筑,
应采取以下措施: 1)坡肩修筑挡水墙,阻止
平台径流汇入边坡, 杜绝切沟和冲沟的发
生; 2)坡脚堆放大石块, 拦截坡面下移泥
沙,保护坡脚排水渠系; 3)坡面不覆厚层黄
土,而是土石混堆后立即种植;或者薄层覆
土作为备用土, 种植时覆土沿坡逐坑下移
覆土立即种植; 遇到局部砂、页岩的坡,可
客土种植.
3. 2. 5 排土场排水渠构筑工艺 田间工程
试验结果表明, 排土场为一巨型松散堆积
体,刚性建筑因地面变型而易破损,故短期
内不宜多修筑硬化渠系. 根据排土场在矿
区布设位置、可能造成影响程度、松散体稳
定程度,设置硬化骨干排水渠系与非硬化
临时排水渠系.前者主要利用硬化、稳定不
变的路面和区段修筑浆砌渠等,排泄大暴
雨时的地面径流; 后者主要采用易修复的
非刚性材料修筑宽浅干砌渠、土渠、石砾
沟、石筐、土袋等, 排泄大暴雨时局部的地
面径流[ 2] .
3. 2. 6 排土场生土快速熟化技术 排土场
平台大部分地块最终利用方向为优质耕
地,但初期因表层覆盖生土, 缺乏有机质、
氮和磷,故应快速培肥.因矿区很难得到大
量的有机肥料,短期内既要控制水土流失,
又要提高地力, 最可行的措施是种植绿肥
牧草, 就地压青或过腹还田. 试验结果表
明,栽植沙打旺 ( Astr agalus adsurgens ) 4
年的复垦地, 0~ 20cm 土层有机质由 3. 2g
∀kg - 1提高到 0. 64~ 0. 72g∀kg - 1,全氮由
0. 24g∀kg- 1提高到 0. 28~ 0. 54g∀kg- 1.在
栽培牧草 4年的土地上直接种植玉米,产
量可达 46893kg∀hm- 2, 种植牧草后的减
流减沙效益有了明显的提高(表 2) .
土壤快速培肥的另一条途径是平衡施
肥. 试验结果表明, 沙打旺以高磷肥水平
( 300kg ∀hm- 2 )与中、高氮水平 ( 225kg∀
hm- 2 )配施, 产量可得9 339 ~ 94 48 kg∀
624 应 用 生 态 学 报 9 卷
表 2 复垦地种植牧草减流减沙效益*
Table 2 Effects reducing runoff and sediments by planting
forage on reclaimed lands
指标
Index
平台
T erraces
( 0~ 3()
陡坡地
Steep slopes
( 36~ 42()
植被覆盖率( % ) 0 > 95 0 > 95
Vegetation cover
径流模数 139300 10700 4700 17400
Runof f amount
( m3∀km- 2∀a- 1)减流效益( % ) 92 63
E ffect reducing runof f
侵蚀模数 2547 472 27530 6375
E rosion amount
( t∀km- 2∀a- 1)
减沙效益( % ) 80 77
E ffect reducing sediments
* 1994年 8个径流小区 (面积 100~ 150m2) 的测试统
计结果. T he statist ical result s from 8 runoff spots with
area of 100~ 150m 2 during 1994.
hm- 2;红豆草以中等水平磷肥 ( 150kg∀
hm
- 2
)配施高水平氮肥( 262. 5kg∀hm- 2 ) ,
产量可得 6129~ 7254kg∀hm- 2; 无芒雀麦
以中等水平磷肥( 150kg∀hm- 2 )配施高水
平氮肥( 262. 5kg∀hm- 2 ) , 产量为7043~
8264kg∀hm - 2; 谷子以施氮肥 127. 5kg∀
hm- 2、磷肥 79. 5kg∀hm- 2, 产量为4384. 0
kg∀hm- 2;黍子以施氮肥 150kg∀hm- 2、磷
肥 52. 3kg ∀ hm- 2, 产量为 2162. 3kg ∀
hm- 2[ 2] .
3. 2. 7 排土场岩石加速风化技术 由上述
排土场边坡构筑工艺可知, 边坡不宜大面
积厚层覆土, 故加速碎砾风化是生物复垦
的关键.结果表明,砂岩靠自然风化成碎屑
需 10年以上, 故需#客土∃种植; 泥质页岩
1~ 2 年即可风化成细颗粒, 故可直接种
植,种植前提前挖坑,先靠自然加速表层风
化,再靠根系加速风化;而碳质页岩和砂质
页岩在 3~ 5年内只能风化成碎屑状,不再
形成细颗粒. 美国弗吉尼亚理工学院施入
城市污泥与锯屑,使岩石风化层含水增加,
促进了化学风化,同时污泥也接种了微生
物,促进了生物风化[ 6] . 但 AT B矿排土场
目前大面积加入污泥还不可能. 只能靠种
植绿肥植物加速风化成土.结果表明,碳质
页岩碎砾坡种植牧草 4年与对照的相比,
风化层深度由 10cm 增至 15 ~ 20cm, < 3
mm 的颗粒重量由 22%增至 46%.
3. 2. 8排土场植被恢复技术 经筛选有18
种植物可作为矿区废弃地生态重建的先锋
植物. 牧草有沙打旺、红豆草 ( Pnobrychis
v iciaef olia )、紫花苜蓿( M edicago sativa)、
白花草木樨( Melilotus albus )、黄花草木樨
( Melilotr us of f icinalis )、无芒雀麦( Bror
nus inermis ) ;灌木有;沙棘、枸杞( Lycium
chinense )、柠条锦鸡儿( Caragana korshin
ski i ) ;乔木有:油松( Pinus tabulaef orm is)、
刺 槐 ( Robinia pseudoacacia )、新疆 杨
( Pop ulus albavar . pyr amidalis )、合作杨
( Populus % x iaozhuanica )、小黑杨( Popu
lus nigr a)、旱柳 ( Sal ic matsudana ) ; 中药
材有:板蓝根( Isatis indigotica )、黄芪( As
t ragalus membr anceus) .还有一些植物,因
综合效益值不大,不再列出[ 2] .
植物品种配置因利用方向、空间位置
及恢复程度而异.研究结果表明,边坡最终
利用方向是永久性林牧用地,控制水土流
失的有效植被覆盖度应在 80%以上, 配置
模式以#坡麓乔木 % 坡面灌木并混播豆科
禾本科牧草 %坡肩乔木∃效果较好.平台除
设置必要的道路和农田林网外,大部分的
最终利用方向为优质农田, 在 5~ 10年的
恢复期间,应以过渡性的灌、草措施为主,
配置模式以#灌木∃或#豆科牧草∃或#灌木
% 豆科牧草∃效果较好.植被配置还与地形
成型有关:如 2年内可能被掩埋的区段不
宜种植;若 3~ 5年内可能被埋, 可选择草、
灌种植, 若在 20年以上才可能被掩埋,则
可选择速生乔木,使其成材.
4 结论与建议
4. 1 黄土区大型露天采煤对土地的扰动
主要表现在地貌、土壤和植被 3个方面,扰
6256 期 白中科等:黄土区大型露天煤矿剧烈扰动土地生态重建研究
动后的土地极度退化, 无法在自然条件下
恢复,必须借助人工支持和诱导,重建一个
全新的人工、半人工的生态系统.
4. 2 矿区生态重建适用技术体系包括:排
土场基底构筑工艺、排土场主体构筑工艺、
排土场平台构筑工艺、排土场边坡构筑工
艺和排土场排水渠构筑工艺 5项工程复垦
技术,岩石加速风化、生土快速熟化和合理
配置植物 3项生物复垦技术.
4. 3 煤矿开发后造成的问题不仅仅是生
态环境问题,而且与矿区社会、经济密不可
分.目前, 我国煤矿生态环境保护工作主要
问题是: 1)注重单一治理技术,缺乏综合整
治方案; 2)注重环境质量评价,缺乏长期环
境管理; 3)注重环境技术研究,缺乏政策法
规研究; 4)煤炭行业经济不景气,全面生态
重建资金难以到位.因此, 针对上述问题,
运用生态恢复学理论, 开展我国不同类型
矿区生态重建理论与实践的研究, 以便形
成从基本理论原则、分类分区指标、生态重
建标准到实施规范细则等一整套适用成
果,真正实现矿区生态的全面恢复.
致谢 参加研究的还有山西省生物研究所马志
本研究员, 山西农业大学赵景逵教授、王治国副
教授, 山西省畜牧研究所吴增禄研究员, 安太堡
露天煤矿佟则昂高级工程师、陈建军工程师、宋
振勇工程师等,谨致谢意.
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