纤维植生工艺在西北干旱区矸石山生态修复中的应用

周 勇，贾建忠，狄小东，张 焜，孙 伟

(1.国家能源集团乌海能源有限责任公司，内蒙古自治区 乌海 016000；
2.矿冶科技集团有限公司，北京100160)

煤矸石是一种成煤过程中形成的伴生灰黑色岩石，质地坚硬，具有较低的碳含量。煤炭开采和加工中作为固体废弃物被大量排放，来源包括巷道掘进、夹层产出以及洗煤矸石等[1]，是多种岩石的混合物。目前我国煤炭工业的排矸量约占开采量的10%～20%，矸石多以圆锥式或沟谷倾倒式自然松散地堆放在矿区周边，形成煤矸石山。全国累计堆存煤矸石山1 600多座，现存煤矸石总量约45亿t，而且仍呈高速增长趋势[2]。

煤矸石山不仅大量占用土地，且因其含碳、硫，结构疏松，极易自燃并释放SO2、H2S、CO等有害气体，严重甚至发生火灾，威胁周边人身和生产安全，同时还伴随产酸和重金属污染风险[3]。因此煤矸石山治理始终受到人们重视，而生态修复是目前常用且行之有效的方法[4]。

本研究的试验地点位于内蒙古自治区乌海市老石旦煤矿3#矸石山。属半沙漠干旱的温带高原大陆性气候，干旱半沙漠区，降水量小，地表无常年水体。冬季少雪，春季干旱，夏季炎热高温，秋季气温剧降。年平均气温7.8～8.0 ℃，年均降水量为155.6 mm，多集中在7、8、9三个月，占全年总降水量的68.55%。年蒸发量2 946.5～3761.2 mm，春、秋、冬季多风[5]。

土壤类型主要有灰漠土、风砂土和草甸土，地带性植被类型为荒漠化草原，有零星地中海残留植物。植被以旱生小针茅为主，植被覆盖度3%～15%左右，草群高度3～5 cm。矿区内基本无人工植被。

本研究的矸石山前期已经覆盖过沙土作为灭火处理。在沙土表面应用纤维植生工艺，选用材料自下而上主要包括改性基质和植生纤维[6]两部分。改性基质的组分结合当地来源性调查确定为按质量配比畜牧有机肥30%、木料发酵物30%、砂土40%以及12.0 g/m2的保水剂。

植生纤维组分为木材纤维和不同配比黏合剂，本研究共选用4种型号植生纤维，组分特性见表1。

表1 植生纤维组分特性表

混播植物选择原则以耐寒、耐旱为主，结合本土适生植物调查及工程案例，本研究选用品种及种子用量见表2。

表2 植物品种选用

主体工艺为，在覆沙土的基面上，使用横向拦挡技术将坡面分割，空格内回填改性基质形成营养基层，其上使用机械喷施混配种子的植生纤维，灌溉养护最终形成植被层。

3.1 坡面加糙工艺

坡面加糙是指在坡面采用横向拦挡技术，起到分割坡面，稳定后期纤维营养基质的作用。结合覆土后矸石山坡面实际情况，沿等高线按一定高差布设植生板。例如坡比为1∶2～1∶3，则两行间距为1.5 m；
坡比为1∶1.5～1∶2，则两行间距为1 m。固定在坡面的植生板具备承载能力，可两行植生板之间添加植生基质。

3.2 改性植生基质

依据地区的材料来源性调研，确定基质材料的主要组分为如下四种：1)粗纤维：废木料、秸秆与堆肥发酵物，用以提供基质骨架和有机质。2)绿化专用肥：复合肥，用以提供N、P、K等营养元素。3)砂土：示范区地表砂土，用以改善纤维比重和结构。4)保水剂：用以优化基质持水性能。

3.3 植生纤维喷施

喷施使用液力纤维喷播机，纤维物料为4种不同型号的美国进口纤维，专用机械罐体容积9.4 m3(2 500加仑)，单次可作业面积约800 m2。加料时先向专用喷施机械的料罐中注水，当水位超过罐体底部搅拌杆时，启动搅拌，加入纤维。加料量按每473 L(125加仑)水加入一袋纤维产品，投加SMM纤维18袋，纸纤维4袋，草种3 kg，单次作业的额定用量投加完毕后，继续注水至满罐。继续搅拌混合至少10 min。

喷施作业时要求均匀地喷涂在坡体施工表面。为了防止左右和上下的喷涂阴影，喷涂施工需从两个方向进行，或以降雨式修补背面阴影。

4.1 初期效果

在实施3周后，对各个分区进行样地覆盖度调查，将结果汇总按从高到底排序，见表3。

表3 各分区初期生长状况差异表

根据表3可知，四种不同纤维的初期植生效果按出苗覆盖度从高到低排列为：纤维B>纤维C>纤维A>纤维D。纤维B的植生效果明显优于(P<5%)其他三种，喷播实施3周后的覆盖度为39.85%；
纤维C的植生效果次之，3周后的覆盖度为34.57%；
纤维D的植生效果最差，3周后的覆盖度为28.74%。

4.2 后期效果

在实施12周后，对各个分区进行样地覆盖度调查，将结果汇总按从高到底排序，见表4。

表4 各分区后期生长状况差异表

根据表4可知，四种不同纤维的后期植生效果按出苗覆盖度从高到低排列为：纤维B>纤维C>纤维A>纤维D。纤维B的植生效果最优，明显优于(P<5%)A、D两种，喷播实施12周后的覆盖度为65.66%；
纤维C后期植生效果也较优，覆盖度为59.38%；
纤维D植生效果最差，喷播12周后覆盖度为38.11%。

4.3 优势植物

实施12周后对最佳植生区(3区、植生纤维B)内的各种植物调查覆盖度，统计结果见图1。

图1 出苗12周后3区各种植物覆盖度调查统计

根据调查可知，最佳植生区出苗12周后总覆盖度为65.66%，发育较好。其中黑麦草的覆盖度达到51.60%，成为优势种；
紫花苜蓿次之，覆盖度16.39%；
其他禾本科植物披碱草、高羊茅分别为12.56%和6.63%；
菊科两种草本覆盖度为2%～3%。说明在初期的复垦中，1)禾本科植物发挥了先锋草种的作用，快速复绿形成规模。2)豆科苜蓿现阶段为次优品种，作为多年生固氮植物，对植被群落稳定有益。3)菊科花类草本占比较少，但未见退化，保留了未来试验区实现景观性的可能。

结合老石旦煤矿3#矸石山应用成功的案例，可以认为纤维植生工艺运用在西北干旱区矸石山生态修复施工中是可行的。以植生纤维B(97%木材纤维和5%高强度有机聚合胶联剂)的植生效果最佳，后期覆盖度达到65.66%，远超过西北干旱地区自然植被覆盖度。优势的草本植物为黑麦草、苜蓿，优势灌木为柠条。

植生纤维A的植生效果稍差，可能是由于有机聚合胶联剂添加量过高(10%)，导致喷播后的纤维层整体稠密，亲水、持水能力差，不利于植物根系发育。植生纤维D的植生效果最差，是由于组分没有添加有机聚合胶联剂添，纤维层聚合性差，在西北强风吹蚀影响下极易破坏，因此不适于在本地区运用。

植生纤维工艺在西北地区矸石堆生态修复应用中，砂土的用量仅为全部材料的40%，相较传统覆土复垦的方法，可节省60%的土源消耗，为本就贫瘠、风沙吹蚀严重的西北地区节约了宝贵的表土资源。

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