1. 引言
贺兰山是我国西部重要的自然地理分界线和重要的水源涵养林区,是宁夏北部的天然生态屏障,其生态环境直接影响到黄河、银川平原、河套平原,并波及西北、华北及其他地区。宁夏贺兰山国家级自然保护区自然环境复杂多样,生物多样性比较丰富,植被垂直分布明显,是我国中温带半干旱、干旱地区山地生态系统的典型代表 [1] [2]。由于历史原因,宁夏贺兰山国家级自然保护区内人类活动频繁,重大环境生态破坏问题突出。在贺兰山保护区因露天开采,破坏地表植被,而且造成水土流失,又诱发山体滑坡等地质灾害,切断了生态保护区生物廊道,对开采区景观、水环境、生物多样性等均产生巨大影响。因此,为了加快恢复贺兰山生态安全屏障功能,尽快开展贺兰山露天开采采煤迹地生态修复技术研究,具有强烈的迫切性。加强贺兰山生态保护,维护和提升贺兰山生态系统功能,对维护宁夏乃至我国北方地区生态安全,促进宁夏生态文明建设,实现宁夏“生态立区”战略,有着十分重要的意义。
贺兰山保护区生态修复与治理成为宁夏生态环保领域的“一号工程”。目前各企业采矿场地关闭后采取了一些植被恢复措施,但是保护区露天煤矿采煤迹地生态修复是一项十分艰巨的工程,技术力量不足,而且缺乏科学性,现有措施强化了人工痕迹,地形地貌和植被未充分考虑生态系统功能和生态系统的可持续性。因此,系统引进先进的采煤迹地生态修复技术,研发适合贺兰山高海拔露天煤矿采迹地生态修复技术和模式并进行示范,显得极为迫切。
宁夏重点研发计划重大项目“贺兰山保护区采煤迹地生态修复技术与模式研究”(2018BFG02002),瞄准该领域技术短板,组成具有遥感、矿区复垦、生态修复、植物生态等学科背景的专家队伍,以近自然地形重塑技术和研发乡土物种植被恢复技术为核心,综合应用地貌、土壤、水文、风沙动力学、生物、恢复生态等学科相关理论,在贺兰山生态保护区汝箕沟研发采煤迹地地形重塑与土体重构技术、采煤迹地土壤改良与边坡防护技术、适生乡土灌草选育及植被抗旱建植保育技术,确立科学合理的采煤迹地生态修复技术模式并进行综合示范,为贺兰山生态治理区生态修复工程与生态保护提供科技支撑。并将贺兰山保护区采煤迹地生态治理区打造成我国干旱区矿山生态修复技术模式的示范样板区,为西北地区同类地区的采煤迹地生态修复提供技术支持。
2. 项目研究内容、研究思路与技术路线
2.1. 项目研究内容
2.1.1. 贺兰山保护区露天采煤迹地地形重塑与土体重构技术研究
依据贺兰山治理区域不同阶段的地形地貌资料,结合原始地形地貌、气象、水文、地质等资料,研究近自然地形重塑的方法和技术 [3] [4];研发、集成新土体构建集智能化施工与构建技术。
2.1.2. 采煤迹地土壤改良与边坡安全防护技术研究
分别针对已经重塑或新构建的地形地貌的不同坡面和坡位,开展矿区土地整理后立地类型划分,划分的方法、指标体系等研究。以腐殖酸、菌肥或秸秆碎屑和保水剂等材料,研发采煤迹地土壤改良技术 [5] [6] [7] [8]。分别针对已经重塑或新构建的地形地貌的不同坡面和坡位,采用适宜的、经济的生态材料,研发设计防治边坡不稳、阻风蚀、降蒸发的生态防护技术 [9] - [14],实现边坡稳定安全,土壤保水保墒的生态效果。
2.1.3. 贺兰山保护区采煤迹地适生灌草选育及植被抗旱建植保育技术研究
根据植被地带性原理和乡土物种优先的原则,针对不同生境,选育适应的草本和灌木物种;调查乡土物种的种子最佳成熟期,研发蒙古扁桃、沙冬青等乡土灌木快速打破休眠技术以及快繁育苗技术,并制定相应的技术标准,为推动乡土物种种苗工程产业化提供技术保障。针对干旱、缺水问题,研发贺兰山矿区灌草结合的植被抗旱建植保育技术。综合不同生境生态修复的植物选配技术、植被抗旱建植及管理等技术,进行技术集成研究 [15] [16] [17] [18],形成一系列植被恢复技术模式。
2.1.4. 贺兰山保护区采煤迹地生态修复技术模式示范
综合不同生境生态修复的植物选配技术、植被抗旱建植及管理等技术 [19] [20] [21],集成2~3套旱区生态保护区矿区废弃地植被恢复技术,形成可供示范推广的生态修复技术模式。
2.2. 项目研究思路
贺兰山保护区采煤迹地生态修复技术与模式研究技术路线图如下图1所示:
Figure 1. Project technical ideas and methods
图1. 项目技术思路和方法
2.3. 项目野外实施区域
贺兰山汝箕沟矿区大峰矿位于贺兰山腹地,地势高峻,沟谷发育,海拔在+1830 m~+2254 m之间,是典型的高山地形,煤层露头随地形起伏出露于地表。受沟谷切割矿田自然形成中槽、大峰、羊齿、红梁四个采区,是我国稀缺和优质煤种——太西无烟煤的重要产区。大峰露天煤矿东、西两侧境界毗邻贺兰山保护区实验区和缓冲区。大峰东外排土场作为项目试验基地,红梁西翼渣台作为项目示范区。
项目区的气象水文、土地类型及植被概况如下:
2.3.1. 气象
项目区属高山大陆性气候,空气稀薄,含氧量少,经地面空气测定按体积计,含氧量仅为18.9%。风向多西北风,风速较大,最大风力达十级。终年干旱,雨量稀少,变幅大,汝箕沟治理区降水季节多集中于6~9月间,平均降水量200~250 mm,年最大378.2 mm,最小64.2 mm,年平均蒸发量为2455.3 mm,年平均蒸发量远大于降水量。历年平均气温为−0.7℃至1.3℃。每年九月下旬至翌年四月为霜冻期,最大冻土厚度为1.04 m (数据来源:石嘴山市气象局,国家能源集团宁夏煤业集团有限责任公司汝箕沟无烟煤分公司,下同)。
2.3.2. 水文
矿区地处贺兰山腹地,地势陡峭,气候干旱少雨,蒸发量大于降水量,且大气降水均形成地表径流顺自然沟谷流出区外。本区无井、泉、地表水系存在。矿田唯一地表径流为大峰沟洪水流,雨季山洪暴发时,沙沟有水流,平时干涸无水,历年最大洪水流量为3.1万m³/h。
2.3.3. 土地类型
井田内山体基岩裸露,土壤类型主要是淡灰钙土和粗骨土,灰钙土是在干旱气候和荒漠草原植被下形成的地带性土壤,腐殖质积累很低,有机质含量仅为0.5%~0.8%,土壤中碳酸钙以灰白色石灰斑块状沉积形钙积层;粗骨土是由于山丘地区地形起伏,地面坡度大,切割深,上体浅薄,加之风蚀、水蚀大多较重,细粒物质易被淋失,土体中残留粗骨碎屑物增多,因而具显著的粗骨性特征。
2.3.4. 植被
矿区内山体基岩裸露,植被稀少,局部可见少量稀疏草本植被生长,主要为耐寒、耐旱的草本植物,但由于区内矿山开采活动频繁,已对该区域的植被系统造成大面积的破坏,植被覆盖率小于10%,植被覆盖率小,生态条件脆弱。
根据项目区的自然条件和地形地貌,试验区空间布局为:雨养恢复试验区、种质资源圃、乡土物种扩繁试验区、地形重塑试验区、边坡治理试验示范区。示范区空间布局为:边坡治理示范区、植被恢复示范区。
2.4. 项目技术路线
分别针对已经重塑与新构建的地形地貌的不同坡面和坡位,采用砾石覆盖、秸秆覆盖、仿生设计等材料与技术,研发设计防治边坡不稳、阻风蚀、降蒸发的生态防护技术 [4]。根据植被地带性原理和乡土物种优先的原则,针对阴坡、阳坡、平地等不同生境,选育适应的草本和灌木物种。综合不同生境生态修复的植物选配技术、植被抗旱建植及管理等技术(图1)。研发蒙古扁桃、沙冬青、四合木等乡土灌木的快繁育苗技术;研发微生物生态肥料,提高移栽苗木成活率,贺兰山矿区灌草结合的植被抗旱建植保育技术。
3. 项目总体目标、考核指标及预期成果
3.1. 项目总体目标
针对贺兰山保护区露天采煤迹地生态治理技术现状与存在的技术问题,研发采煤迹地地形重塑与土体重构技术、采煤迹地土壤改良与微生境安全防护技术、适生灌草植物选育及植被抗旱建植保育技术,确立科学合理的贺兰山保护区采煤迹地生态修复技术模式,为贺兰山生态保护提供科技支撑,为宁夏生态文明和生态立区战略提供智力支持。
3.2. 考核指标
3.2.1. 基础研究层面
采煤迹地乡土物种及土壤种子库;贺兰山不同生境采煤迹地生态恢复区植物-土壤-微生物特征研究;边坡不同修复措施的生态水文效应;坡面不同恢复阶段植被对土壤水分和养分的影响;不同施肥措施对蒙古沙冬青光合作用和根系生物量的影响。
3.2.2. 技术成果方面
研发产出露天采煤迹地近自然土体构建技术、贺兰山矿区适生植物快繁与抗旱建植技术、旱区矿山土壤快速培肥技术2~3项;采煤迹地生态修复技术模式2~3套;制定旱区矿山采煤迹地生态修复技术规程2~3项;申报相关技术专利2~3项;
3.2.3. 技术示范方面
建立试验研究综合示范基地1~2处,示范区面积700 ha。
3.2.4. 人才培养方面
培养技术骨干5~6人;发表学术论文3~5篇;面向社会技术培训2~3次,承办学术会议1~2次。
3.3. 预期成果
给政府部门提交决策咨询报告1份《贺兰山保护区露天开采矿区生态治理技术模式及建议》。利用GeofluvTM设计地形重构,开发智能地形重塑智能化系统1套;筛选出2~3种耐旱、抗寒的保护区本土草本植物,优选出2~3种乡土灌木,并建立种苗快繁基地1~2处;培养企业生态修复技术骨干2~3人;集成2~3套旱区生态保护区矿区废弃地植被恢复技术并示范,示范面积700 ha,培养技术骨干2~3人。
4. 技术关键、难点与创新点
4.1. 技术关键
露天采煤迹地地形重塑与新土体近自然构建技术,以及抗旱植物建植与保育技术是贺兰山矿区生态修复技术的关键,也是当前最需要的技术。
4.2. 技术难点
技术难点是“师法自然”在贺兰山保护区的实施方法和途径,以及乡土物种抗旱建植技术的研发。
4.3. 创新点
本项目综合应用地貌、土壤、水文、风沙动力、生物、恢复生态等学科的相关理论开展生态修复技术研究,创新点如下:
4.3.1. 理论创新
提出以地形重塑和土体重构为主要内容的露天矿区土地恢复理论。
4.3.2. 技术创新
近自然土体构建技术;贺兰山矿区适生植物快繁与抗旱建植技术。
4.3.3. 材料与装备
开发近自然地形重塑装备智能化系统;贺兰山矿区植被快速恢复所需的适生植物物种苗木;研发旱区矿山土壤快速培肥技术所需的材料、肥料。
5. 展望
废弃矿山生态恢复是一项综合的、跨学科的技术,集成了生态、材料、植物、土壤、工程等方面技术为一体的生态恢复技术体系;生态修复的时间应为5~10 a,避免“人一走,草(树)就死”的人工暂时维系的生态修复工程,应当师法自然进行生态修复 [3]。宁夏科技研发重大专项,采用科学的、先进的生态修复理念和技术,以近自然地形重塑和乡土物种植被恢复为核心,研发符合当地条件的生态恢复技术和措施,这对我国保护区矿区生态修复理念的影响将是深远的。
本项目开发的近自然地形重塑装备智能化系统,可为贺兰山保护区采煤迹地低成本生态修复提供技术保障,降低工程成本10%以上;贺兰山采煤迹地植被快速恢复所需的乡土物种苗木繁育,以及土壤快速培肥技术所需的原料,可带动、引领特色乡土种苗产业的发展,为当地实现脱贫致富找到新途径;生态修复项目的资金投入,以及今后的技术示范推广,能创造更多就业岗位,生态修复样板工程带动的生态旅游将带来可观的经济效益;采煤迹地生态系统稳定性和可持续性得到显著增强,因此,项目具有良好的社会效益、经济效益和生态效益。
自然资源部对该项目的实施高度重视,宁夏自然资源厅同步跟踪项目实施过程,宁夏回族自治区科学技术协会委托项目面向全国举办“科技助推贺兰山生态修复高层论坛”,分别针对:1) 干旱区矿山生态修复新材料新技术;2) 西部生态屏障综合管理问题与对策;3) 贺兰山地区煤矿企业生态转型发展,凝聚全国科学家的智慧思想,集成干旱区矿山生态修复的技术方法,维护和提升贺兰山生态系统功能,保障宁夏平原乃至我国西北地区生态安全及经济社会可持续发展,早日实现“青山绿水就是金山银山”。同时通过项目执行和论坛举办,将成立政、产、学、研、用紧密结合的“北方旱区矿山生态修复技术创新中心”,使其成为北方干旱风沙区、陕甘宁蒙能源金三角和西北其他干旱区各类矿山生态修复提供技术研发平台和技术推广的培训中心。
矿区属半干旱、高寒、高风蚀、高水蚀的生态脆弱区,应科学管理。项目今后需要进一步对人工生态系统演替规律、监测–评价–管护、植被与功能关系等问题进行研究,具体内容有:1) 生态修复项目区土壤种子库研究 [22] [23];2) 水、土、气、生等要素变化的长期定位监测,尤其是植被演替过程与生物多样性监测等 [24] [25];3) 坡面不同恢复阶段植被对土壤水分和养分的影响 [26] [27];4) 植被–土壤互作效应 [28] [29];5) 生态恢复效果及成本评价。
基金项目
宁夏重点研发计划重大项目(2018BFG02002);国家重点研发计划项目(2017YFC0504400);北方民族大学高层次人才启动项目(11159181)。
NOTES
*第一作者。