煤矿采空区土体有机重构对植被恢复效应及生态环境影响的探讨

      煤矿采空区是煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔，能引起覆岩层的变动，造成塌陷、土体环境污染、生态环境破坏等问题，同时还会导致地表植物和土壤质地发生变化，对矿区周边的生态系统产生影响[1-3]。对采空区的综合治理普遍认为是一个世界难题，尤其是在自然生态环境极为脆弱的区域，煤矿开采及其产生的煤矿采空区所导致的生态环境退化更为显著。如何解决煤矿开采活动导致的土体结构破坏、水土流失、植被多样性降低等生态环境问题是煤矿采空区生态恢复的主要难题。

　　1 煤矿采空区生态恢复研究现状

　　1.1 煤矿采空区土体有机重构

　　土体有机重构是将一定深度的土体作为研究对象，围绕构成土体的材料与结构开展研究，以置换、复配、增减等技术手段，对退化型、污染型、损毁型、低效型等缺陷土体或未利用土体进行再生或重构，将土体重塑为可支撑生命特征，实现生命体生存、繁衍的土壤。通过土体有机重构技术手段可以有效改善土体的结构、养分，修复土体中的重金属、有機污染物等，为进一步植被恢复提供良好的环境条件。

　　1.2 煤矿采空区治理现状

　　西方发达国家较早开始关注煤矿采空区治理并付诸实践，对煤矿采空区的整治以土地综合治理和生态环境重建为主要内容。我国煤矿采空区治理起步较晚，从最初的土地复垦到生态修复到综合治理，有关研究不断深化。目前，国内外对于煤矿采空区的治理主要包括以下3方面的内容。

　　1）煤矿采空区的土地整治，包括煤矿采空区的生态修复以及煤矿采空区的综合治理[6-8]。最初的煤矿采空区治理是以恢复土地的可利用状态为目标进行，其主要措施包括填充治理和非填充治理两大类[9]。其中，填充治理主要是先将采空区表层熟土剥离，利用煤矿开采后产生的煤矸石、粉煤灰以及泥浆等材料对采空区的深坑进行回填，最后将剥离的表土再覆盖在土地表层，使土地达到可利用状态[10]。一些采空区的治理只需通过就地平整、挖深垫浅等方法对采空塌陷地区进行土地修整，使其达到可以使用的状态[11-12]。

　　2）随着技术的发展，煤矿采空区治理在土地复垦的基础上进一步实现了生态环境修复[13-14]。煤矿采空区的生态修复技术主要体现在土地复垦和生态环境重建两大方面，主要措施为植树造林[15-16]。

　　3）近年来，煤矿采空区的治理体现出了因地制宜的治理原则，在煤矿采空区创新性利用资源，实现生态、经济和社会效益相统一，主要产业模式包括发展林业、农业种植、渔业养殖以及农林牧渔业综合开发等，最终实现土地生态系统的良性循环。此外，还有一些煤矿采空区通过发展矿山公园、自然资源旅游、科学研究基地等方式实现煤炭采空区的综合治理[17]。

　　1.3 土体有机重构对植被恢复及生态环境的影响

　　植被恢复与重建是煤矿采空区生态恢复和可持续发展的关键要素，主要表现在植被个体的生理特征和群落特征。但是开展植被恢复需要良好的土体结构和无污染的土壤作为支撑条件，所以在煤矿采空区生态恢复治理之前，最重要的环节是进行土体有机重构。

　　地表蒸散发（ET）和生态系统总初级生产力（GPP）是陆表生物地球物理和生物地球化学过程中的两个关键变量。ET连接了地表能量、水分和生态系统碳循环等物质和能量交换过程，是生态环境变化和生态系统响应研究的核心过程之一[18-22]。开展不同土体有机重构方式下植被恢复效应研究不仅可以评价土体重构效果，也可以对煤矿采空区的地表蒸散发和总初级生产力等生态环境指标产生正面影响，进而为采空区植被恢复建设、生态重建提供基础数据，其结果将有利于对不同土体有机重构方式下重建植被后的环境演化规律、演变特征及其质量优劣进行评价，以利于分等定级，因地制宜地采取相应措施，促进采空区生态重建、生态系统的平衡与稳定。

　　2 煤矿采空区生态恢复研究存在的问题

　　国内外对于煤矿采空区的相关研究和实践持续开展，但在治理模式上多以实践经验为主，缺乏系统的理论研究，在治理效果评价上定性研究多、定量研究少。

　　1）煤矿采空区土体与生态环境问题很复杂，只依靠土地平整和植树造林为主的生态修复措施难以实现最佳的治理和修复效果。2）在煤矿采空区土地整治方面，传统的填充治理已经较为成熟，主要包括采矿废弃物回填和注浆治理，但是对于土地耕作层的治理仅仅停留在表土回填、就地平整、挖深垫浅等层面，只侧重于将煤矿采空区恢复到可利用状态，鲜有涉及到土体构型的优化和重构等更高层次的开发利用，土地复垦的稳定性和可持续性差。3）在煤矿采空区的生态修复以及煤炭采空区的综合治理方面，目前的研究方法和措施仅局限于植树造林，对于树种的选择仅依靠经验，侧重于把煤炭采空区修复成与原来土地利用状态部分或完全不同的复杂人工生态系统，而对于具有抗逆性乡土物种筛选研究和工程实践较少，且严重忽视了煤炭采空区土壤污染修复和地质灾害治理等。由于理论研究滞后，体系欠缺，煤矿采空区的生态修复具有一定的盲目性[23-26]。

　　3 土体有机重构对煤矿采空区植被恢复及生态环境重建具体对策 　　在煤矿采空区开展大规模的土体有机重构与生态恢复重建是一种强烈的人类活动影响区域自然环境的表现，如何保证这种人类活动对于区域生态环境的影响是正面的、可持续性的，需要进行深入研究。目前对于煤矿开采过程对区域气候和生态系统影响的研究受到越来越多的关注，大部分学者主要利用区域气候模式和水文模型模拟研究煤矿开采对于该区域气候和生态环境变化的影响。然而对于区域内土地复垦和植被重建对区域生态环境变化的定量、系统性影响研究有限。

　　3.1 主要技术手段

　　土体有机重构的技术手段主要是针对煤矿采空区土体污染及损毁现状，开展包括土地工程基础勘察、土体有机重构力学特性研究、土体有机重构颗粒配给、土体有机重构剖面层级重构、土体有机重构生化需求配给、土体有机重构生物营养保障（养分需求、微生物恢复）等核心内容的土体有机重构技术研发工作。

　　3.2 具体实践

　　1）在土地复垦完成的基础上，煤矿采空区受损生态系统综合治理的成败取决于对植物的优化配置和科学筛选以及对水资源的合理利用。通过调查采空区及周边乡土物种生长状况和性状，筛选用于土体稳定性维持、污染土壤修复的备选乡土物种（乔-灌-草-隐花植物）[28]。

　　2）利用所筛选出的乡土物种生长、繁殖特点，生态适应性及演替及其与土壤水文过程、土体污损状况的关系，针对污染土体植物修复、损毁土体稳定性、抗旱造林等不同修复类型，研究不同土体有机重构方式下备选物种的生理生态与功能性状，并开展分区域的植被重建关键技术研究（物种搭配组成、种植规模及调控技术），评估其对煤矿采空区环境的适应表现，为以生态功能恢复为主的煤矿采空区植被重建提供支撑[29-31]。

　　3）针对区域内土体污染和损毁等环境问题，构建新的矿区复垦土体构型，加快自然修复和土壤质量演化的速度，可以在较短时间内消除土地荒芜、土体污染等生态环境问题，有效提升土地复垦的稳定性和可持续性。