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礦采對高寒草地的影響及植被恢復技術

發布時間:2019-09-04所屬分類:工程師職稱論文瀏覽:1

摘 要: 摘要:礦業廢棄地的復墾已成為中國當前面臨的緊迫任務之一。針對青藏高原植物生長期短,礦渣的礫質性、松散性和土壤貧瘠性植被生長的自然環境的約束瓶頸,通過研究生態脆弱區礦業廢棄地的修復治理進程,總結提出了青藏高原典型礦山廢棄土地的生態修復和植被

  摘要:礦業廢棄地的復墾已成為中國當前面臨的緊迫任務之一。針對青藏高原植物生長期短,礦渣的礫質性、松散性和土壤貧瘠性植被生長的自然環境的約束瓶頸,通過研究生態脆弱區礦業廢棄地的修復治理進程,總結提出了青藏高原典型礦山廢棄土地的生態修復和植被重建的治理模式,凝練篩選出關鍵技術,為高寒高海拔礦區的地質環境治理和土地復墾提供技術參考。

  關鍵詞:青藏高原;礦山;廢棄地;植被恢復;關鍵技術

礦采對高寒草地的影響及植被恢復技術

  青藏高原地處印度板塊與歐亞板塊的交匯部位,主體位于特提斯巨型成礦域,在陸-陸碰撞形成的造山帶內已發現多條世界級規模的成礦帶和眾多的巨型-大型礦床,礦產資源蘊藏豐富,潛力巨大[1-2] 。青藏高原發育高寒草原、高寒草甸、高寒濕地等生態系統類型,為高原及周邊地區乃至亞洲或全球提供各種環境服務功能[3] :①青藏高原作為中國和東南亞重要江河的發源地,提供著重要的水調節和供給功能,對當地、周邊地區及全球的天氣、氣候、水文過程和環境變化產生深刻影響[4] ;② 青藏高原通過植被光合作用和土壤呼吸作用調節大氣CO2、O2,對大氣碳氧平衡產生重要的影響,是全球重要的碳庫[5] ;③青藏高原孕育著許多具有獨特結構和功能特點的動植物種類,是中國極其重要的種質資源,是中國和世界生物多樣性保護的重要組成部分。然而,青藏高原特殊的地形、地貌、氣候、地質背景等決定了其生態環境和地質環境極其脆弱,與區域氣候背景所形成的平衡經常處于臨界閾值狀態,對外部條件變化表現的非常敏感[6-7] 。

  礦產資源勘探開發在青藏高原產生了一系列礦山地質環境問題。例如拉脊山露天采石造成的地形地貌景觀破壞、青南高原砂金礦開采導致的植被群落退化、甲瑪銅礦礦山泥石流災害等[8] 。而區內的高海拔、寒冷氣候,以及植物生長周期短等特殊的自然條件,導致區內植被難以自然恢復,人工治理難度也遠大于東部地區,而且經濟代價也更高[9-11] 。所以,圍繞高原區的環境約束條件和典型礦山地質環境問題,采用現場調查和文獻查閱的方法,查明了典型礦業廢棄地的原生植被、生態系統類型,在總結破壞特征的基礎上劃分了礦業廢棄地類型,開展礦業廢棄地生態修復、植被重建的模式與關鍵技術研究,對保護青藏高原生態環境、發揮青藏高原的重要環境功能具有重要意義。

  1 青藏高原典型礦山廢棄土地類型

  礦業廢棄地指采礦活動所破壞的、非經治理而無法使用的土地,包括裸露的采礦巖口、廢土(石、渣)堆、煤矸石堆、尾礦庫、廢棄廠房等建筑用地,地下采空塌陷地及圈定存在采空塌陷隱患的荒廢地等。根據其成因可劃分為4種類型:由剝離表土、開采的巖石碎塊和低品位礦石堆積而成的廢石堆廢棄地;由于礦物開采而形成的大量的采礦區和塌陷區,即采礦坑廢棄地;開采的礦石經分選出精礦后的剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地;采礦作業面、機械設施、礦山輔助建筑物、道路交通等占用后廢棄的土地[12-13] 。按其破壞性質可劃分為物理性的壓占挖損和化學性的污染破壞。

  恢復生態學是對社會經濟活動導致退化的生態系統、各類廢棄地和廢棄水域進行生態治理的科學技術基礎。它應用了許多生態學理論,主要有:限制性因子原理(尋找生態系統恢復的關鍵因子)、熱力學定律(確定生態系統能量流動特征)、種群密度制約及分布格局原理(確定物種的空間配置)、生態適應性原理(盡量采用鄉土物種進行生態恢復)、生態位原理(合理安排生態系統中的物種及其配置)、植物入侵、生物多樣性理論(引進物種時強調生物多樣性)、綴塊-廊道-基底理論(從景觀層次考慮生境破碎化和整體土地利用方式)等[14] 。

  對于青藏高原而言,露天采石造成的植被毀損及由其產生的地形地貌景觀破壞和三江源保護區的砂金過度開采導致的河道破壞、水土流失和植被退化是礦業廢棄地產生的重要因素。

  1.1 采砂取石造成的斜坡狀廢棄地

  露天采石活動挖損、壓占土地,造成地形地貌景觀改變、含水層結構破壞、水土流失等環境地質問題。一方面在開采過程中未能按一定的邊坡開挖比進行合理開挖及缺乏必要的安全意識,局部地段已形成高數十米、寬數百米的高陡邊坡,在流水侵蝕和重力作用下常失穩致災坍塌,威脅人居、交通安全;另一方面,尾礦隨意堆放,采坑不能及時回填處理,致使采區堆積了大量的固體松散物,在挖損、壓占大面積土地的同時,嚴重阻礙了溝道的泄洪能力,松散而隨意堆放的尾砂料成為礦山泥石流的物質來源,產生地質災害隱患[15] 。

  1.2 河流淘金產生的平緩狀廢棄地

  歷史上,青藏高原的砂金礦長期處于無序開采,尤其是20世紀80年代的大規模粗放采金熱潮,對該地尤其是“三江源”地區的生態地質環境造成極大破壞。人為活動和氣候變化的共同影響造成雪線上升,冰川后退,湖泊萎縮,致使原本就很脆弱的生態環境和草場植被受到明顯影響,自然生態環境日趨惡化。據統計,三江源和內陸河源頭區砂金礦過采區面積約1061.6hm2 ,主要分布于平緩的河谷開闊處的低階地和河漫灘地帶[16] 。過采對礦區地質環境破壞十分嚴重,區內溝坑遍布,砂堆如山。挖損破壞河道數百千米,遺留采金坑塘數以萬計,面積 500~1000m2 的沙坑隨處可見,其中大的面積近 15000m2 ;區內高2~8m、堆積量1000~5000m2 的砂堆遍布[17-18] 。受砂金礦體延展方向控制,砂堆構成沿溝谷方向展布的條帶狀砂梁,由于堆積高度過大,加之近水一側的水流沖刷侵蝕,砂堆易發生滑塌堵塞河道、加劇水土流失等。

  根據恢復生態學理論,結合礦山地質環境治理過程中存在的制約因素,針對青藏高原具有代表性的斜坡狀和平緩型廢棄地,研究提出拉脊山型和紅金臺型礦業廢棄土地的生態修復和植被重建模式,并詳細分析了需要注意的關鍵參數和技術環節。

  2 斜坡狀礦業廢棄地植被恢復模式—— 拉脊山模式

  (1)礦山地質環境條件

  拉脊山采石場位于西寧市南約35km的湟中縣境內,緊靠S101(西久公路)。拉脊山屬高原大陸性氣候,日照時間長,晝夜溫差大,寒長暑短。最高海拔 3820m,降水量 537.6mm,蒸發量 1500~1800mm,且降水量隨地勢增高而增大,蒸發量隨地形增高而減少,具明顯的垂直分帶性,開采前山體為草本植被及灌木林。露天開挖元古界湟中群克素爾組灰巖,用作鋪設公路的碎石。

  (2)礦山地質環境問題

  多年無序采挖形成三角形的開采面,近東西向延 展 約 290m,南 北 長 約 180m,開 采 標 高 2940~ 3012m,開采面積 5.22×104 m2 ,開采坡角大于 50°。區內分布多個廢石渣堆,固體松散廢石堆約 1.6× 104 m3 。露天開采產生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害,導致植被破壞,地貌景觀破壞嚴重。

  (3)治理方法

  結合地質環境條件,首先在礦業開發進程中注意地表土層及植被的剝離與保護,將其作為土地復墾的首選材料。其次,通過確定適宜的本土植物種類,解決植被對環境、氣候的適應問題。第三,采用地膜保溫技術,增加地表溫度,防止客土水分蒸發,促進種子的萌發與生長,同時減少白天紫外線高強輻射,保護植被避免夜晚的霜凍傷害。治理方法包括:削坡+坡腳填筑+三維網護坡植草+坡面平整+ 回填客土+地面排水。

  削坡:由于邊坡高度大于50°,為便于綠化施工和養護,其上部斜坡采用 1∶1.25 坡率進行適量削坡。坡腳填筑邊坡:對削坡開挖的石方,分層壓實填筑邊坡。三維網護坡種草:邊坡頂部借助三維網進行植草綠化,三維網護坡的坡率不超過 1∶1.25。場地平整:采石場內場地整體平整。平整覆土后用于綠化植樹種草。客土回填:由于邊坡近東西向,朝南屬陽坡地帶,光照時間長,坡面水分蒸發強,加之砂礫石空隙較大,回填客土漏失較多,為保證植草生長層的有效性,客土回填表層。排水渠:在削坡完成后圍繞削坡區鋪筑排水渠。蓄水池:為后期綠化養護需要,在采石場開采平臺修建1處蓄水池,用于儲水、灌溉。

  (4)關鍵技術

  制約因素:植被種子如何附著在斜坡上,寒冷氣候,如何保障種子發芽。

  為實現上述目的,采用三維網客土植草進行恢復重建,其技術流程為:整理坡面、鋪設三維網、回填客土混合料、養護。

  覆蓋三維網的目的,一是防止雨水沖削,阻滯種子在發芽生根期的移動損失;二是防止水分蒸發,起保溫保濕的作用。

  種植喬灌木套種先鋒草本。選擇合適的草、灌、喬木種類,以坡面草本植被恢復為主,輔以喬灌木或藤本植物,構建適宜的群落結構。

  三維網植草對水、熱條件無嚴苛要求,草種選用根系發達、耐貧瘠、耐干旱、生長周期短的先鋒植物,以垂穗披堿草、老芒麥、賴草、冷地早熟禾、青稞為主。

  3 平緩型礦業廢棄地植被重建型模式—— 紅金臺砂金礦模式

  (1)礦區地質環境條件

  紅金臺治理區地處巴顏喀拉山北部布青山南坡的三江源自然保護區核心區——黃河(鄂陵湖)北岸一級支流柯爾咱程河谷,海拔在 4200m 以上。地貌單元為高海拔沖洪積山間寬谷平原。年均氣溫-3.8℃,年均降雨量321.6mm,蒸發量1322.5mm;區內土壤屬高山草甸土,腐殖層厚度5~10cm。

  (2)礦山地質環境問題

  紅金臺砂金礦區約 15km2 ,開采前區內湖泊眾多,水草豐茂,大規模的砂金開采后,導致草場退化,加劇土地沙漠化,過采廢渣擠占 80%~90%的河道,嚴重影響著黃河源區局地水土涵養功能。

  (3)治理方法

  治理方法主要為地形平整+回填覆土+引水淤灌+植被恢復。地形平整:開采區地形起伏較大,采金坑、棄料隨意堆放,其不平整面積占整個治理面積的70%。依據治理區塊不同坡降分區進行覆坑平整覆土,結合治理難易程度,劃區分塊治理恢復,依據地貌呈自然緩坡狀或成階梯狀、條帶狀進行分區分片覆坑平整治理恢復。首先必須保留堆置殘留的細粒物(砂壤土與礦砂的混合土),回填和整平原堆棄的粗粒物礫石后,其次回填并整平細粒物,以利于上層腐殖土的覆蓋和種草。回填覆土:在土壤資源極缺的條件下,先用砂壤土進行覆土作業,在此基礎上進行亞砂土覆土作業,兩者相加總厚度不小于0.2m。引水淤灌:之后引水灌溉,以便于形成新的地下徑流,也利于保持覆土后土壤的濕度,并可在砂土表層形成一層淤土。植被恢復:采用礦區周邊相同的植被種子以保證礦區植被恢復的科學性、合理性和生態恢復功能的平穩性。封育圍欄:網圍欄整體封育,以利于植物群落的自然演替。

  (4)關鍵技術

  高寒區砂金礦草甸恢復模式需要解決的關鍵問題是,選擇的草種必須適應高寒、土壤貧瘠。依據礦區自然條件及當地已有人工草種生物學特征,當地選擇耐寒、耐土壤養分貧瘠的垂穗披堿草進行地質環境治理恢復。

  4 結 論

  礦業廢棄地植被可以通過人工重建進行恢復,但青藏高原屬高海拔地區,氣候寒冷,晝夜溫差大,土層淺薄,植物生長期短,外來品種的引入,因種子不成熟而不能完成其自然繁衍過程;加之礦產開發廢渣的礫質性、松散性和土壤貧瘠性均不利于植被生長,成為制約高寒高海拔區礦山土地復墾的瓶頸。研究提出的青藏高原礦山地質環境治理模式和關鍵技術,結合礦山開采前剝離、儲存原生高寒草皮,不僅促進了高寒高海拔地區地質環境的保護和礦業廢棄土地復墾,而且可以減少新建礦山開采與植被恢復的矛盾,對青藏高原生態保護、綠色礦山建設,乃至長江中下游的水資源涵養利用具有參考價值。

  《礦采對高寒草地的影響及植被恢復技術》來源:《地質通報》2018年12期,作者:張江華; 王葵穎; 徐友寧; 陳華清; 喬岡。

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