黄河流域煤炭基地的生态修复是整个黄河流域生态修复的重要组成部分。近年来，随着我国西部煤矿露天开采的发展，露天煤矿的产量从不到10%提高到16%，直接导致的后果是土壤侵蚀模数最高可达18000t/km2、每平方公里每年水土流失1.88万吨、每年向黄河输送泥沙1亿吨以上。
为了向黄河流域煤矿区高质量发展提供新思路和技术，近日，彭苏萍院士团队就西部干旱半干旱露天煤矿区生态重构目前的研究进展、关键技术难点和发展方向进行论述。这项研究以《西部干旱半干旱露天煤矿生态重构技术难点及发展方向》为题(点击查看原文)于5月17日在《煤炭学报》进行了在线出版。
露天煤矿排土场生态重构是土层重构、水分高效利用、表土改良及生态重构的综合生态效应。研究从露天采矿对植被群落与土壤的影响、露天排土场土层重构对生态效应的影响、排土场土壤改良对水土高效协同利用生态效应三个方面介绍了干旱半干旱露天煤矿区生态重构研究现状。
露天开采与井工矿开采对生态环境的损伤特征有明显的区别，井工开采虽然造成上覆地层产生裂隙、塌陷，但上覆岩土层总体结构稳定，井工开采沉陷地修复是在原位的拉伤根系修复与生态结构的稳定，而露天开采对环境生态的影响实际上是对煤层上覆岩土层的整体剥离及在另一个地方的重新堆放过程，因此露天开采的生态修复实际上是一个环境生态要素的重构过程，包括土、水和植被的重构，它涉及矿区水资源的保护与利用、排土场土层结构设计、布局与土壤改良、植物的选配组合及生态系统稳定重建等，故生态修复难度更大。研究归纳总结了西部干旱半干旱露天矿区生态重构研究思路与关键技术。
西部干旱半干旱露天矿区生态重构研究思路与关键技术
根据西部干旱半干旱区露天矿水资源保护利用和生态重构的关键科学和技术问题，研究提出了露天煤矿生态环境治理的5大主要研究方向：
(1)系统研究干旱半干旱露天矿区自然与人工生态协调发育规律，构建植物优化配置模式。
针对准格尔露天矿区近30年的环境生态整治成效，研究人员观察到，在准格尔矿区外围的原生黄土沟壑区，由于长期处于干旱半干旱气候环境，植物属种单一，多为耐干旱的草本或灌木类植物，很少发育乔木类植物。20世纪80年代在山上多次植树造林，树木的成活率较低，植被生长缓慢。自20世纪90年代大型露天煤矿区的开发建设以来，对露天煤矿排土场按生态重构的标准进行了科学设计与规划，开展了积极的人工生态干预措施，矿区生态环境得到明显改善，矿区整体植被覆盖度提高，带动矿区周边原始生态的持续稳定增加，使矿区生态逐渐达到稳定状态，矿区植被盖度较原始生态提高2~3倍。人工重建生态是如何刺激并促进矿区原生植被生长、促进生态的多样性发展、促进矿区生态正向演替，需要从植物学、生态学等角度进行系统的描述和阐明。同时，要通过现代遥感技术，从时间角度和空间角度出发，分析和研究原始生态与露天矿山生产在生态重构状况下的生态发育特征与演变趋势，为干旱半干旱露天煤矿区的生态重构提供科学指导。
(2)研究干旱半干旱露天矿区水资源分布格局和矿坑水汇聚方法，保障生态重构水资源供给。
西部干旱半干旱露天矿区生态重构，水资源是根本保障。针对西部露天矿区的地质特点，以无人机遥感影像技术、电法探测、地质雷达探测、数字测井、VSP测井和三维地震勘探为主要研究手段，结合水文地质调查，对矿区地质结构和水文地质特征进行精细刻画，在查明矿区地形地貌、植被分布、高程等信息基础上，基于地质–水文地质条件构建出准确的三维地表模型。鄂尔多斯盆地北沿露天煤矿主要由两套煤系地层，在以侏罗纪煤层为主要开发层的露天煤矿，重点研究主采煤层上覆岩层中含水层起伏形态、断层、裂隙(或陷落柱)发育特征，特别是要对该区域可能分布的烧变岩分布特征进行准确圈定，确定导水通道，并对上覆岩层的富水性进行科学预测。在以石炭纪煤层为主要开采层的矿区，最好通过三维地震勘探对露天矿区下伏奥灰起伏形态、构造特征、裂隙发育及岩溶陷落柱分布展布规律进行系统研究，查明矿区奥灰水流场运移规律，通过实际调查和研究揭示采后矿区含水层补、径、排恢复能力，确定煤层开采对区域地下水环境的影响边界及程度、矿坑涌水点与地表、地下水源的关系及导水通道的连通性特征，在掌握露天矿开采过程中应力场、裂隙场和渗流场“3场”演化机理基础上，形成了露天矿区矿坑水库水资源保护模式及关键技术，使矿区生态用水得到有效保障。
(3)建立干旱半干旱露天矿区生态重构工程技术体系，保障矿区生态工程有效实施。
西部露天矿区地貌按成因可分为侵蚀构造梁地、丘陵和构造剥蚀波状高平原类型。梁地和丘陵区地面切割支离破碎，基岩裸露，风化强烈;波状高平原区广泛覆盖风积砂，风蚀作用强烈。建立科学的露天矿土地复垦实施方案是获得好研究与工程实施效果的基础，需要建立起干旱半干旱露天矿区生态重构工程技术体系。重点针对露天矿排土场不同处置方式对土壤的侵蚀作用进行比较研究。
针对干旱半干旱矿区水土流失严重这一难题，通过工程和技术创新，建立起露天矿区水土保持技术体系，使矿区范围内的水土流失得到有效治理。探索合理的露天矿排土作业规范与流程，对整个生态重构工程的各个环节过程进行严格的监控和追责，大幅提高表土的复用率，有效保证露天矿生态重构工程的高质量建设与维护。
大型露天矿排土场是一个人工巨型松散岩土堆积体，“平台–边坡”为基本地貌单元，平台岩土大都由大型机械分层压实，而边坡自然堆倒岩土松散。新建排土场非均匀沉降明显，多裂缝和陷穴，植被覆盖度低，其水蚀特征与原地貌相比差别显著，具体体现在3个方面：① 表层坚硬的覆土碾压平台和陡坡松散岩土为剧烈水蚀创造了条件;② 50～80 m的坡长引起坡面密集的细沟状侵蚀;③ 不均匀沉陷和裂缝造成径流汇集路径具有较大的时空变化特性。在另一方面，露天开采中为了高效和容纳更多的岩土排弃物，多采用机械搬运、压实增大排土场容量，往往忽视覆土层次结构、物理性状对生态布局模式的影响，因此，通过研究，构建近地表4~5 m厚可有效控制排土场水蚀和提高土层含水率的海绵型表层结构是干旱半干旱黄土区大型排土场土地复垦和植被恢复的基础。将海绵型表层结构(隔水层–涵水层–表土层)与排土场的汇流工程设计有机综合在一起，使排土场的水分得到充分的保存和有效利用，来大幅度地提高露天煤矿的生态重构效果。
针对露天开采中为多采用机械搬运、压实，往往忽视覆土层次结构、物理性状对生态布局模式的影响这一现状，要研制排土场建设质量高精度检测装备与成套技术，实现对露天矿排土场工程中不同地貌、不同地表结构、不同工程类型的工程质量的快速检测，利用探测结果和不同植物生长需水量、土层厚度要求，设计出经济合理灌溉水系分布管网与种植分区模块，实现排土场重建生态景观布局。
(4)研究干旱半干旱露天排土场土壤生物化学改良方法，增强植物逆境下的生物修复能力。
针对干旱半干旱区露天矿排土场重构土壤结构差，土壤肥力低、植物组合单一、重建生态难、植被易于退化，排土场压实作用对植物根系下扎困难等诸多问题，研究排土场土壤生物有机改良方法。近年来在生物修复过程发现80%以上植物根系侵染有菌根真菌，也发现传统的非菌根植物如莎草科、十字花科、藜科等根系中也有大量深色有隔内生真菌(DSE)定殖根内，深入研究DSE与菌根真菌联合生态修复技术体系成为生物修复的一个新的方向。不但要研究单一土壤微生物菌剂，也要注重微生物组合培养，及其DSE菌剂产品开发和不同菌剂组合培养基质的实施方法，以获得良好的生态修复效果。通过实施接菌，提高植物的光合效率，增加植物干物质，促进植物根系发育，增强植物的抗土壤压实、养分贫瘠、干旱缺水及易盐碱化等逆境的生理生化反应，使重构后的生态环境效果大大提高。
(5)露天排土场土地资源综合利用及生态重构关键技术，构建有机生物联合重构的模式。
采用遥感影像与现场调研相结合的方法，通过分析露天排土场中不同充填排弃物种类、充填覆土工艺、土地利用类型等，实现对不同复垦年限排土场植物群落累年演变的有效监测，对矿区重建人工生物功能结构优化和矿区生态重构的景观规划设计。系统探索利用低成本、绿色环保的改良材料，结合机械松耕物理手段与有机改良生物方法，促进土壤结构的改良技术。例如，采用覆草或秸秆联合接菌处理技术，改善土壤理化和生物性状，促进干旱地区的土壤提质与作物生长。
筛选驯化出适合地区特色的抗旱、耐寒、耐贫瘠植物。探索立体种植方式以突破原有生态重构单一的模式。在空间上形成草、灌、乔相结合的混交配置，建立起科学的生态结构模式，提高了土地利用效率及光、温、水、养分的空间互补优势。形成不同种、不同组合类型的生物群落，增加矿区范围内物种多样性和生态多样化。例如，准能矿区排土场，以“经济林/中草药、经济林/农作物、生态林/草”3种立体组合，作为林药间(套)作、农林复合、生态养地的最优立体种植模式，其立体生态效应及改土效率最优。优选经济合理、能促进地区经济发展的立体种植模式，可实现干旱半干旱露天矿区生态、经济与社会效益的高效性。
人工修复对原始生态的协调作用
露天矿区利用物探方法对水资源的探测及其空间分布
露天排土场三层海绵结构的构建与布局模式
微生物DSE干菌剂产品开发及促生机理
露天排土场不同植物组合生态重构模式
