铁矿区水土保持生物复垦覆被整局研究

PAGE\*MERGEFORMAT1铁矿区水土保持生物复垦覆被整局研究摘要:矿业是云南经济发展的五大支柱产业之一。但是矿业开发也导致了土地资源破坏、环境污染等问题，特别是工矿区造成的水土流失和生态环境破坏得更为严重。因此对矿区进行以水土保持为重点的生态重建，亦即利用植被来进行侵蚀控制和坡面保护，进行水土保持和生物复垦，实现各种需要的土地复垦形式非常必要，也是非常有意义的。本文选取具有代表性的大红山铁矿废石场和坑采塌陷区作为水土保持生物复垦覆被的研究对象，主要分析了矿区现在的植被面貌及其损毁现状与趋势，并进行了矿区不同植被水土保持功能的探讨。在此基础上，对矿区修复立地条件进行分析，确定群落类型的搭配，规划出矿区水土保持生物复垦覆被格局，并运用GIS对矿区水保效果进行预测，最后对如何落实矿区水土保持和生物复垦提出相应的建议。关键词：工矿区；水土保持；生物复垦覆被格局0、前言我国是世界上水土流失最严重的国家之一。截止19%年，全国水土流失面积仍有179万平方公里。从水土资源的合理利用和保护角度来分析水土流失，工矿区造成的水资源、土地资源的破坏更令人忧虑。因采掘工业我国每年约破坏土地面积达0.6万公顷，每年从国土表面上搬动和运移的岩土量达32.5亿吨。而破坏土地的总复垦累计面积还不足0.67万公顷，按全国破坏土地面积200万公顷计算，平均复垦率还不到1%，这与国外矿山平均复垦率75%相去甚远。另一方面，若我国土地复垦率达50%。复垦土地亩产值为200元，则复垦后的土地年产值可达30亿元，由此可见，我国的土地破坏里大、复垦率低，复垦效益潜力大。矿产资源的开采，无论是井工开采还是露天开采，造成的水土资源破坏都是十分严重的。井工开采，易造成地表塌陷，诱发崩塌滑坡。由于长期排水，疏千了矿区及其附近的地表水和浅层地下水，造成地下水下降，不仅导致人畜饮水困难，水地变成早田，而且影响植物生长，甚至枯死，加剧风蚀和沙化。露天开采则大量压占破坏土地，排弃土石.根据28个重点露天矿调查，仅排土场就占地4400公顷，今后每年还要新增占地超过400公顷。重点金属矿山每年剥离岩石；矿山渣石占地达200万公顷。由于这些弃渣边坡陡(一般35°以上)，水土流失是原地貌的3倍以上。据不完全统计，山西省因采煤造成300多个村庄26万人无饮用水26万公顷，因采煤占用土地达7.5万公顷。平朔安太堡露天煤矿共占地面积21万平方公里，每天的弃渣弃土可达20万吨以上。云南作为矿业大省，素有“有色金属王国”之美称。矿业是云南省经济发展的五大支柱产业之一，但其矿业开发导致了土地资源破坏、环境污染等问题，特别是工矿区造成的水土流失和生态环境破坏得更为严重，因此对矿区进行以水土保持为重点的生态重建非常必要。随着经济的发展和生态环境破坏的日益严重，水土保持问题己引起国家的高度重视，由于工矿区自身的生产建设活动和水土流失的特殊性，在预防监督和综合整治等方面，需要把水土保持与环境整治、土地复垦、资源合理开发利用结合起来，以达到合理利用和保护水土资源的目的。1、工矿区水土保持的意义1.1云南采矿业对土地资源的破坏矿山开发诱发的地震、瓦斯爆炸、岩石爆炸、矿井突水、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害十分普遍。具体表现如下：易门铜矿采空区塌陷:尾矿直接排入绿汁江污染河流；东川铜矿生态环境恶化、水土流失严重、泥石流频发；兰坪铅锌矿的水污染、滑坡、崩塌问题等，都较为严重。由于矿山建筑设施及废石、废渣、尾矿占用和破坏的土地已达6万公顷，相当于1个中等县的耕地面积。而矿区土地复垦率低，各类矿山开采遗留了大面积采空区和生态破坏区域。以破坏土地的恢复为例，云南省矿产开发破坏土地恢复面积4970.756公顷，占破坏土地面积的14.59%，污染土地价理面积3073.97公顷，仅占污染总面积的23.56%。省内许多矿区都存在植被遭到破坏，水土流失严重、斜坡稳定性下降的情况。仅在过去5年中，全省矿山地质灾害造成的直接经济损失近4亿元。因此，如何有效地进行矿区水土保持，全面系统整治、建设矿区生态环境已刻不容缓。1.2本研究的目的和意义本研究选择最具有代表性的，也是云南省矿区急待开展水土保持和土地复垦的昆明钢铁公司的大红山铁矿矿山废石场及采空塌陷区来进行水土保持生物复垦格局的研究。本研究是利用植被进行矿区生态重建，进行合理植被配置，使大红山矿区重建后的生物复垦覆被格局合理优化，从而实现矿区水土保持和生态修复的目的。开展本研究将丰富应用生态学、恢复生态学以及工矿区水土保持和土地复垦相关理论的探索，在实践上为铁矿区乃至类似矿区进行水土保持、泥石流防治、土地复垦和水土资源的合理利用提供示范。同时对开拓云南省矿区水土保持和土地复垦的理论研究和技术开发，加快矿区生态环境建设，也有着积极的现实意义。2、工矿区水土保持、植被恢复与重建的理论与方法2.1工矿区水土保持基本概念工矿区水土保持，是指在国土范围内对建设区和矿区造成的水土流失进行预防治理，充分保护和合理利用水土资源，恢复和重建生态环境，改替和提高土地生产力的综合性科学技。它涉及采矿工艺、道桥、废弃物排放、废弃地植被恢复与重建、非稳定体工程等多种特殊水土保持技术，是一门与土壤、地质、生态、环保、土地复垦、国土整治等多学科密切相关的交叉学科。因此，工矿区水土保持从总体上看是属于环境恢复和整治问题，但从技术实施和最终实现的目标看又是水土资源的合理利用和保护问题。昆明理工大学2001级硕士学位失造成的干早和贫疮，同时还会有毒性污染等其他问题。因此，工矿区植被恢复与重建工程和原地貌的水土保持植物工程相比，其难度大，技术性强，这就要求对立地条件分析要比原地貌的更具体和具针对性。(l)气候因子一般而言，区域气候不会因采矿及各项工程建设发生变化，因此，如同原地貌一样，工矿区植被种类极大地受着本区域内生物气候带的影响。采矿及工程建设带来的此种微气候变化会反过来影响植物生长。(2)地形因子采矿和工程建设活动不会影响区域地貌因子。但如前所述，工矿区原地表植被一般被摧毁，原地貌形态不复存在。工矿区的再塑地貌使物质和能量发生了重新分配，这对植被布局和生长产生了明显的影响，甚至影响生态系统的形成与性质。地形的变动主要影响光照条件、风力、风向、颗粒的移动、水分状况、温度状况、物质的迁移和转化等。因此，采矿及工程建设活动中，新地形设计的合理性以及工程结束后形成地形的稳定性，直接影响着工矿区植被工程的成败，影响水土流失的地形地貌因素主要有地貌类型、坡度、坡长、坡向等，它们之间综合影响着水土流失的发生。工矿区分布在何种地貌条件，决定了其水土流失的基本类型和侵蚀强度。植被覆盖度高的地区，其水蚀较轻微，地层扰动可能引起重力侵蚀。在一定范围内，地面的坡度愈大，径流速度愈大，水流冲刷能力愈强，水土流失就越严重。在坡度相同的情况下，水土流失的强度取决于坡长，坡面越长，汇聚的径流量越大，侵蚀力就越强。除了这二者外，坡形也是影响水土流失的重要因素。(3)地表的物质性质是植物生长的介质。立地条件的好坏，在很大程度上取决于地表物质的性质。由于采矿及工程建设扰动了土壤、岩层及水文等，使排弃物(废石、废渣)的氧化还原、溶解、水化、水解、淋溶、酸碱等条件发生变化，也就不可避免地暴露出一些特殊的问题。2.2立地条件存在的问题和改良方法在工矿区植被恢复与重建工程中，首先要考虑有没有严重污染，因为污染严重的岩土都不易在短时间内有所改善。故污染问题应在“固体废物堆场”设计及施工时得以解决。2.2.1适宜植物种的筛选与引种工矿区植被恢复与重建工程，大体可通过两种途径实现：其一、改地适树，即主要通过人为改善立地条件，使其基本适应植物的生物学特性。此法廉价有效，被普遍采用，只要措施得当，可速见成效。但工矿区各种限制性因子往往并非一般措施可以完全克服，许多废弃地的理化性质，本身尚处于一种变动状态过程中，并不十分稳定，加之，受区域经济水平的制约，有时立地条件改良并非能获得理想的结果，使其完全适应植物的生长。其二，选树适地或改树适地，即根据待复昆明理工大学2001级硕士学位论文损、塌陷、堆垫地段，及其它废弃地上，通过人为措施恢复原来的植物群落，或重新建立新的植物群落，以防止水土流失的水土保持植物工程。实际上，工矿区几乎总是人为建造新的植物群落，某种意义上讲，工矿区水土保持植物工程就是植被重建。因此，植被重建就是利用植被控制侵蚀的作用来进行的。因工矿区植被恢复重建的对象，一般是经过人为扰动的、其地形、地表物质的组成与性质大多不利于植物的生长，植被遇到的问题往往是盛加性的，如含有硫铁矿的废石，既有酸害，又有重金属毒害，还存在有机质和养分贫乏。因此，工矿区植被恢复和重建工程除采用常规的水土保持措施外，还必须有其它特殊的技术要求川。根据采矿和工程建设再塑的各种地貌类型的水土流失场地的特点和其植被措施的特殊要求，将其分为松散堆垫地、密实堆垫场地、塌陷地、挖损地，工程建设场地的植被重建和工矿区周围防护区六大类(表1)。表1工矿区植被恢复与重建类别类别场所工矿区类型松散堆垫场地煤矸石山地下开采矿排渣场露天矿山及其它矿山尾矿库选矿粉煤灰场火力发电厂密实堆垫场地各种人工夯实碾压道路边坡、水库、坝坡形成的工程边坡挖损地未充填矿坑露天采矿残坑、建材及各种工程建设残留的取土、取石场所、路堑等取石场取土场塌陷地塌陷地地下开采矿山的采空区工程建设场地水工程及周围场地、民用工用建筑场地、其他水库、引水工程、工业广场及生活区等工矿区周围防护区工矿区周围2.2.2研究方法工矿区植被恢复与重建工程的研究方法可分为初步分析、技术评价、经济核算和全面推广四个步骤，如图1。其中立地条件的分析与评价，影响植物生长的限制性因子的确立，以及通过人为改良措施对限制因子的克服和抑制：抗逆性植物的筛选、引种，各种植物的合理配置(包括林种配置、群落的组成)等是工矿区植被恢复与重建研究方法的核心和工程实施的关键川。2.2.3关键技术2.2.3.1立地条件的分析评价与改良立地条件分析评价立地条件是指待恢复和重建植被场所所有与植被生长发育有关的环境因子的综合。立地条件的分析与评价，可为植物生长限制性因子的克服和制定相应的措施提供科学依据。采矿及各项工程建设常常彻底扰动了原地表形态和地面物质组成，带来比原地貌立地条件更加恶劣、限制性因子更加复杂化的问题，也不单纯是水和土的流。2.3工矿区植被恢复重建工程2.3.1植被控制侵蚀的作用植被具有以下控制侵蚀的作用，主要表现在：能够截留降水，削弱降雨能量；下地被和枯枝落叶层能够防止雨滴击溅，分散和枯枝落叶层能够防止雨滴击溅，分散和滞缓地表径流，拦截和过滤泥沙；同时，植被能够改善土壤结构，增强土壤的透水和蓄水性能；根系还具有固持网络土体，增强土壤抗冲性和抗剪强度的作用。2.3.2概念与类别工矿区植被恢复与重建工程，是指在因采矿及各项工程建设活动再塑的挖昆明理工大学2001级硕士学位论文垦场地的立地条件选择或引进对各种限制性因子有耐力的先锋植物种首先定居，随着先锋植物的生长、繁殖、生境逐渐得以改善，同时其它植物种会逐渐侵入，如生长不受限制，最终将演替成“顶级群落”。这两种途径并非互不相容。事实上，工矿区植被恢复与重建工程经常必须将两者结合起来加以应用。根据工矿区水土保持的主要任务，即减少地表径流，涵养水源，阻挡泥沙流失，固持土壤，可以综合提出选定植物一般具备的特性：具有较强的适应能力；有固氮能力；根系发达，有较高的生长速度；播种栽植较容易，成活率高。但实际上很难找出一种具备上述所有条件的植物。因此，必须根据各工矿区植被和恢复重建场所最突出的问题，把某些条件作为选择植物的主要依据。3、大红山矿区植被水土保持功能分析植被的恢复与保护是改善工矿区生态环境，控制水土流失的必要措施。本章通过对大红山矿区不同类型植被进行定期定量观测和研究，从不同的角度阐述了大红山矿区植被水土保持功能和控制土壤侵蚀的作用，为选择水土保持树种提供科学的依据。3.1植被水土保持效益分析选择矿区的云南松林地和草地为研究对象，以裸地作为对照地，对不同植被类型相对于裸地的土壤理化特征和水分入渗变化规律进行分析研究，研究内容和方法如下。3.1.1研究内容与方法(l)土壤水分及物理性状的测定土壤物理性状可以用土壤的容重、厚度、孔隙度等指标来反映。在试验区内挖掘土壤剖面，用环刀和铝盒取样，采用烘干法和浸水法测定土壤的自然含水量、土壤容重、孔隙度等指标。采用烘干法，将称过重的土样，置于电热恒温千燥箱中，在10°左右烘至恒重，求其失水重占干土重的百分数，即可求出土壤的含水量。土壤总孔隙度=(1-容重/比重)x100%。容重测定，用环刀法。(2)土壤渗透性的测定用渗透筒法，一次渗透100，共渗透400ml水，根据所需时间及渗透深度便可求出土壤的渗透速度和渗透系数。(3)土壤中水分变化动态观测在每次降雨前后，每间隔2-4h用铝盒采取土样，用烘干法测定土壤的含水量，从而得出雨后土壤水分的变化动态。(4)土壤主要化学性状的测定PH值的测定采用电位法：速效N测定采用扩散皿法：速效P测定采用olsen昆明理工大学2001级硕士论文法；速效K测定采用原子吸收法；有机质测定采用凡Cr20，法；全N测定采用开氏定N法；全P、全K测定采用NaOH碱熔法；阳离子代换量测定采用醋酸按交换法。均土壤抗蚀性测定通过测定土壤团聚体在静水中的分散速度，以比较土壤抗蚀性大小。植被主要通过改善土坡的物理性质来影响其抗蚀性能。不同植被其土壤抗蚀性不同，团聚度较好、有机质含量较高的土壤，其水稳性指数较高，抗蚀性较强：反之则小。选取不同植被类型的样地：小庙沟草地和甘蔗地；二井司草地、麻栋树、松林和甘蔗地；哈姆白族草地和黄土坡的麻栋林。将风干土进行筛分，选取直径为7-10cm的土粒50颗，均匀放在孔径为5mm的金属网格上，然后置于静水中进行观测。以1min为间隔，分别记录分散土粒的数量，连续观测10min，其综合即为10min内完成分散的土粒总数(包括半分散数)。由于土粒分散的时间不同，需要校正系数，每分钟校正系数如下：第1分钟：5%第2分钟：15%第3分钟：25%第4分钟：35%第5分钟：45%第6分钟：5S%第7分钟：65%第8分钟：75%第9分钟：85%第10分钟：95%在第10分钟没有散开的土粒，其水稳性指数为100%。按下式进行计算水稳性指数：将每个土壤样品重复以上实验三次，将三次实验计算结果进行平均即得该样品土粒的水稳性指数。3.2讨论(1)关于样地抗蚀性不一样问题，可能是因为抗蚀性强的样地土粒团聚度较好、植被覆盖度较大，有机质含量较高的缘故；而抗蚀性差的样地有机质含最低，土粒较松散，有机质含量差些的缘故。(2)关于林草抗蚀性强问题，主要是因为它们改善了土壤孔隙状况，增加有机质含量，使土壤团粒结构增加，因此其抗蚀性大于农地。农地受人类活动影响，有机质含量低，土壤结构差，故土壤抗蚀性较草地林地低。(3)关于影响土壤抗蚀性大小的诸因子问题，有机质含量的高低，对土壤抗蚀性的大小有着重要关系，其影响作用是多方面的。有机质含量越高，土壤抗蚀性越大，建议在农田中多施加有机肥。(4)关于土壤抗蚀性，它是多种因素共同作用的结果，不同植被类型对土壤抗蚀性因子的影响程度是不同的。水土流失治理从生物措施角度来讲，建立多树种、高密度、乔灌草相结合的混交林模式对治理矿区水土流失，更好地进行水土保持有着积极的意义。4、矿区生物复垦覆被格局分析矿区土地复垦二般分为两个阶段，第一阶段为矿山技术复垦(可谓工程复垦)，后一阶段为复垦种植，如种植农作物、种草、种树等(可谓生物复垦)。两者可以先后进行，也可同时进行。生物覆被格局的确定只有通过土地复垦的后一阶段植被重建才能实现，而土地复垦又是水土保持覆被格局实现的保证。本章研究的目的是建立合理、优化的生物复垦覆被格局。主要通过确定矿区复垦土地的利用方向，进行待复垦土地的适宜性评价，分析植被重建立地条件，筛选出适宜的重建植被种类，进行合理配置，来规划矿区生物复垦覆被优化格局，以达到矿区水土保持的目的。4.1矿区重建植被的目标与复垦模式根据矿区的自然条件，社会经济可持续发展的需要，将矿区废弃地复垦成人工与半人工优化的乔、灌、草生态系统是矿区复垦的实践目标。4.1.1矿区复垦土地的利用方向我国目前主要的复垦方向有农业复垦、林业复垦、牧草地复垦、建筑复垦、复垦为游乐场所等形式。根据大红山铁矿的具体条件，可以采用林业复垦和农业复垦相结合的方式。这是由于矿山位于农村，破坏的土地也多数为农用地，因而矿山开采与农业生产的矛盾普遍存在。因此矿山土地复垦后土地的主要利用方向为农业用地，这是符合我国国情的。同时矿区位于丘陵山区，这些地区水资源缺乏，水土流失严重，矿区复垦的主要方向是林业复垦，通过植树造林改善矿区的环境条件，并起到保持水土的作用。同时对大红山铁矿坑采塌陷区、废石场进行林、农复垦，其意义是重大的。可以美化环境、恢复生态，地表变形得意逐渐复原，减小由于矿山开采带来的对原有环境的破坏，同时还可其到加固废石场的作用，减轻泥石流和地震等自然灾害的影响。另外，林、农复垦还有一定的经济效益。4.2植被重建立地条件分析4.2.1气候因子一般来说，区域气候不会因采矿及各项工程建设发生变化，但对小气候的影响，尤其是气温、光照、风速的变化。随着大红山矿区的不断开发，出现的再塑堆垫地貌(废石场)会出现新的阴坡阳坡，并对热量、光照、水分等进行再分配。同时也出现迎风面和顶部风速大，而背风面风速小的变化。昆明理工大学2001级硕士学位论文4.2.2地形因子随着大红山矿区的不断开发，矿区原地貌形态受人为影响较大。无论是挖损地形、塌陷地形还是堆垫地形多数坡度大于原地面坡度。坡度越大，地面组成物抗蚀力、抗冲力就越弱，矿区的水土流失量也越大。4.2.3地表的物质组成立地条件的好坏很大程度上决定于地表物质的性质。经常规分析，大红山铁矿N、P贫乏严重，K贫乏轻度，Ca和gM贫乏轻度，而在微量元素、阳离子交换量、Na、盐碱这些化学特性方面都比较充足。4.2.4再塑土体大红山矿区土壤遭受破坏后，就需要再塑土体。它是指对土体构型进行人为组合，相当于通常所谓的造地。如果矿区有表土来源，尽可能覆盖表土：没有表土或无法保存和利用表土，可以使用普通土层；若根本没有覆土条件，则尽可能地铺覆易风化的岩石碎屑物质，以利于进一步成土。5、结论(1)不同植被在相同的降雨量情况下地表径流量不相同。地表径流会带走昆明理工大学20()1级硕士学位论文已被滴溅分离的土壤颗粒，这种趋势在裸地表现最为明显。裸地土壤流失量最大，松林和草地的土壤流失量都较小。地表径流量、土壤侵蚀量与植被状况、土壤物理性状、土壤渗透性能及土壤的抗蚀性密切相关。(2)不同植被类型对土壤抗蚀性因子的影响程度是不同的。林地和草地减少侵蚀效益都是比较好的，裸地的侵蚀效益最差。从水土保持效果看，不同地表覆盖类型控制土壤侵蚀的顺序是：林地与草地>农用地>裸地。林地和草地涵蓄降水功能强，持水保土效益高，对于调节径流、拦蓄泥沙、减少降雨对坡面侵蚀的效果十分明显。(3)根据矿山立地条件，通过植物种类筛选和合理的植被配置，达到矿区废弃地利用和植被恢复的目的。根据矿区的环境条件，筛选的植物种类应具备适应性强、抗逆性好、有改良土壤能力、根系发达，有较快的生长速度、播种栽植较容易，成活率高等特性。大红山矿区群落布局与结构设计是以林业为主，主要目的是为了改善矿区景观和生态环境，宜栽植乔木为主，配以适当的草灌，营造防护林与生态林。在废石场顶部、坑采塌陷区缓坡带以农林复合为主，最好由林草过渡较为合理；废石场的边坡与陷落区陡坡用于林业，形成一个保护性林业与农业相结合的布局与生态模式。按照群落演替理论和群落发展规律，适时引入高级植物种及辅以人工栽培管理措施是加速复垦进程的重要环节。(4)地表覆盖因子C是最为重要的因子，其重要性可以通过C与实测数据及计算数据之间的相关性所证明，它对土壤侵蚀有非常明显的控制作用。