Question

自燃煤矸石山立地改良技术

Answer 1

由上节可知，自燃煤矸石山立地条件很差，集自然条件下的各种胁迫因子于一体。其中高温、干旱、强盐、酸化、坡陡、压实、营养不足是最为重要的限制因子，如不进行基质的人工改良，植物很难生存。因此灭火、理化性质改良、整形整地、土壤重构和水肥条件改善是自燃煤矸石山植被构建的必要前提。

自燃煤矸石山灭火降温。由于自燃煤矸石山燃烧使得表层风化物温度很高，植物很难在如此高温下生长，而且也不利于绿化施工碧郑首的实施。因此自燃煤矸石山立地改良的首要任务是灭火降温；对于潜在自燃煤矸石山应注意防火工作。

整形整地。地形陡峭，容易产生水土流失。由于煤矸石山坡度较大、结构松散，而且没有经过压实和覆盖处理，加上表面有一定的风化碎块，在大风和暴雨条件下，容易发生风蚀和水蚀。另外在植被恢复施工过程中，由于人为因素，容易发生滑塌等重力侵蚀。

煤矸石山表层风化物的改良。煤矸石表层风化物物理性质很差，尤其是保水持水能力差；同时存在限制植物生长的物质，包括酸性、盐渍、重金属等其他有毒元素；缺乏植物生长需要的氮、磷、钾等营养元素和土壤生物（如蚯蚓、线虫等有益微生物）。所以，对煤矸石山的整形整地和风化物基质的改良技术直接关系到植被恢复工作的成败。

一、煤矸石山整形技术

1.煤矸石山整形整地的作用和目的

煤矸石山坡面的坡度较大，如阳泉煤矸石山的安息角一般在40°左右，坡度大，施工难度大，不利于植被建设，有条件可将坡度放缓。而且坡度较大极易造成煤矸石山的水土流失，因此地形设计主要是对煤矸石山坡面的坡度进行整理，减少坡度，并适当地进行工程整地，以丛洞增加整理后的煤矸石山的水分和养分的保持能力。

煤矸石山的整形整地工作在国外多采用推平整地、减缓坡度、覆盖土壤以及添加营养物质等措施，较大规模地改良煤矸石山的立地条件。但由于我国土地资源的短缺和其他社会、经济因素，很难达到如此规模的改良。同时我们认识到对自燃煤矸石山放缓坡度的过程，必然要开挖山体，扰动着火点。未经开挖的山体，由于多年的风化和沉积作用，着火点处于一种封闭压实的状态，燃烧并不剧烈。开挖后，改善了供氧条件，火势可能加大。因此只能以较小的整形工程规模、局部的整地措施和较少的经济投入达到尽量改善立地环境的目的。而且在覆土前对煤矸石山进行一定的整理非常必要，有利于下一步用推土机推平，坡面用挖掘机和人工整理平整，然后碾压。

自燃煤矸石山整形的主要目的和作用在于：

1）减缓坡度，稳定地表结构，减少水土流失；

2）便于植被恢复施工，提高造林质量；

3）改善孔隙状况，提高土壤的持水和保水能力；

4）找出火源和潜在燃烧点，以便及时悔数防灭火；

5）增加栽植区土壤的厚度，提高栽植成活率和保存率，促进植物生长。

2.自燃煤矸石山整形整地的要求

自燃煤矸石山整形一般包括削坡整形、防灭火、梯田、水土保持工程。一般整形整地的要求是：

1）建立一条环山道路直达山顶，便于运料和整地施工以及游人登顶；

2）对山顶进行平整以建立亭台和休闲活动场地；

3）结合景观设计和整地种植，采取平缓陡坡、修建梯田等方法重塑地貌景观；

4）在一些适宜位置建立错落有致的石阶供游人登山；

5）建立排水系统，由于煤矸石山高度较大，坡度较陡，表面覆土后很容易发生表面侵蚀，产生水土流失，因此煤矸石山整形的同时应设计完善的排水系统；

6）在重塑地貌时，如发现高温区或自燃区应进行注浆灭火和覆土压实，在潜在燃烧区应做好防火措施。

二、自燃煤矸石山整地的方式与技术规格

1.整地的方式

整地的方式有全面整地和局部整地两种。按照既经济省工又能较大程度地改善立地质量的原则，同时坚持尽量减少火源暴露氧气的原则，不提倡整个煤矸石山全面覆土的整地方式，而采取局部整地方式。在局部整地方式中，带状整地方式和块状整地方式均可采用。带状整地方式可采用水平梯田和反坡梯田的方法；块状整地可采用鱼鳞坑和穴状两种方法。

为增加栽植区的土层厚度，在整好的植树带或植树穴内再进行适量的“客土”覆盖。“客土”可以是异地土壤或者煤矸石表层风化物，有条件的可以利用污泥覆盖技术，能较大程度地提高煤矸石山肥力水平，改善土壤结构，而且可以降低成本。

2.自燃煤矸石山整地应注意的问题

为保证自燃煤矸石山整地的效果且有利于植被恢复，整地时要考虑整地的深度、平台的宽度、断面形式、覆土的厚度、隔离层、挡土墙等因素。

（1）整地深度

整地深度直接影响植物根系发育，是整地中一个重要的指标。煤矸石山整地的深度因植被不同而异，一般来讲，草本最小为15cm，低矮灌木为30cm，高大灌木为45cm，低矮乔木为60cm，高大乔木为90cm。野外实验发现，高大乔木在阳泉自燃煤矸石山上存活率很低，而且高大乔木生长需要的土量很大，为此应构建以灌木和草本为主、乔木为辅的植物群落结构。

（2）整地宽度

整地宽度的基本原则是在自然条件和社会经济条件许可的前提下，最大限度改善立地条件，控制水土流失。由于煤矸石山坡度较大，整地宽度不宜过大，若采用反坡梯田整地的方式，其整地宽度以2.0～1.0m为宜。

（3）断面形式

断面形式是整地后的土面与原破面所构成的断面形式。为更多地蓄积降雨，减少蒸发，增加土壤湿度，煤矸石山整地的坡土面要低于原坡面，并与原坡面构成一定角度。

（4）隔离层等防火措施

在煤矸石山覆土前，使用惰性材料（黄土、石灰、粉煤灰、粘土等）覆盖并进行碾压，作为隔离层。碾压选择适宜的碾压工具及运行参数，使惰性材料的容重达到1.6～1.8g/cm³。对灭火区域和高温区域进行重点碾压（增加惰性材料的覆盖厚度及碾压强度）。为了更好地抑制煤矸石内部黄铁矿的氧化，在整形好的煤矸石山表面，每平方米喷洒2～3L的氧化亚铁硫杆菌专性杀菌剂（苯甲酸钠溶液，浓度为0.3%～0.4%）。并在潜在自燃煤矸石山表面接种硫酸盐还原菌，按照接种量500mL/m²菌液均匀地喷洒在煤矸石山上。

（5）复层结构覆土

经振动压实的煤矸石山的入渗率较小，黄土覆盖压实后，渗透率更低，这有利于防灭火。压实程度与空气流动性成反相关，压实程度与灭火效果成正相关。但是过分压实的土壤不利于植物生长，严重影响到降雨的入渗和植物的根系发育。要使煤矸石山不发生自燃，要将煤矸石山的密实度压实到大于0.75；要治理已燃的煤矸石山，则需将矸石堆的密实度压实到大于0.82。

鉴于灭火和种植的矛盾，结合覆土压实的要求及植物对土壤条件的需要，研究采用下部土层压实，上部留有一定厚度的土层保持正常密实度用于蓄水、生长植物的方法，可以兼顾灭火和种植的要求。

（6）排水沟

为减少地表径流对煤矸石山表土的冲刷，保持煤矸石山的水土；同时由于被裸露的矸石会产生较高的温度，一旦暴露于空气中，很快就会复燃，并使植物缺水。为了保护好覆盖封闭效果，应做好梯田田面的排水、平台（马道）排水和煤矸石山的纵坡排水（自上而下的排水沟）。梯田田面和平台的雨水通过排水沟集中流到煤矸石山的纵坡排水沟内，排到煤矸石山下，进而避免地表径流在地面的集中和流速的增加，减轻地表的水土流失。在修建排水渠道、蓄水池时，将建筑物和煤矸石之间增加隔离层，以减少氧气的渗入（图6-5）。

（7）挡土墙

针对煤矸石山的“烟囱效应”，应对坡脚挡土墙进行隔离设计，即在挡土墙的下部和内侧增加隔离层。隔离层与坡面的覆土层衔接，构成了一个完整的石灰等碱性物质隔氧层，确保空气不从底部进入，阻断煤矸石山“烟囱效应”的进口通道，限制了空气的进入，进而防治或切断煤矸石自燃需要的氧气。

3.整地季节及施工方式

煤矸石山的整地应按照至少提前一个雨季的原则进行，即如果是春季造林，整地最好在造林前一年的雨季以前进行；如果是秋季造林，整地最好在当年的雨季以前进行。这样有利于植树带的蓄水保墒和增加有机质等养分含量。

图6-5 煤矸石山排水系统

整地施工时，一般是按照由上而下的顺序施工，不仅可以借助重力的作用便于施工，而且可以使下一个梯田的施工不影响上一个已施工好的梯田。

三、自燃煤矸石山的基质改良技术

1.酸性改良

（1）黄土

黄土对煤矸石中的酸有很好的中和作用，可缓冲煤矸石山的酸度。地处黄土高原的阳泉等地，利用当地黄土改良煤矸石山土壤的酸碱度。经黄土覆盖后的自燃煤矸石山酸性大大降低，一般煤矸石中混合约10%的黄土或覆土可满足多数植物的生长。

（2）碳酸氢盐和石灰、石灰石等

由于碳酸氢盐和石灰、石灰石具有很强的碱性，可以用来中和煤矸石酸性物质。这些物质处理效果比较好，但是如果大面积治理煤矸石山费用较高。

2.肥料改良

（1）化学肥料

煤矸石山缺乏植物生长需要的营养元素，因此改善土壤肥力非常必要。氮、磷、钾肥的施用一般能取得迅速而显著的效果。由于煤矸石结构松散、孔隙度较大，化学肥料很容易流失，为此应采用少量多施的方法。

（2）有机肥料

传统培肥，施入农家肥是传统的快速提高土壤肥力的途径，具有见效快、技术简单的特点，而且可以有效改善煤矸石物理结构性能差的缺点。

（3）生物固氮

将植物种类中具有固氮作用的植物种植在煤矸石山上，通过植物的固氮作用，吸收氮元素，在植物体分解后，将氮元素释放到土壤中，进而改良煤矸石基质。

（4）微生物培肥技术

微生物培肥主要是指依靠微生物的活动使土壤肥力改善和提高的过程。它主要是利用土壤中特定的微生物、根系分泌物、菌根以及土壤动物提高土壤活性和生产力。

在治理煤矸石山的过程中，微生物的作用日益受到关注，研究过程也特别注重促进土中微生物或外源特异微生物的繁衍和增加。菌根（Mycorrhizae）作为土壤中菌根真菌与高等植物营养根系形成的一种互利联合体，因其对环境胁迫的高度适应性，受到关注（图6-6）。通过对内生菌根植物的研究显示，与非菌根植物相比，接种菌根真菌的植物可以吸收更多的营养，且抑制植株积累的过量有害元素的量。如丛枝菌根不仅可以促进作物对大量营养元素（N、P、K）的吸收，还可以促进对中量元素和微量元素的吸收。这是因为菌根与植物结合以后，增加了植物根系与土壤的接触的表面积，使原来在空间上对作物无效的养分变成有效养分。这主要是由于菌根的生长减少了离子向根表扩散的距离，增加了根系的吸收效率。同时，根外菌丝的生长增加了植物根和土壤的接触位点，缩短了离子到根系的扩散距离。同时菌根具有较强的络合重金属元素的能力，真菌细胞壁分泌的粘液和真菌组织中的聚磷酸、有机酸均能络合重金属，从而减少重金属向土壤上部的运输量，避免或减轻重金属对植物的毒害。除此以外，丛枝菌根还可以改善植物水分代谢；提高植物的抗、耐病性等特性。

图6-6 菌根

因此，通过研究发现不同内生/外生菌根真菌与不同植物，对煤矸石山土壤基质的营养改善作用，菌根真菌对煤矸石基质的盐渍化、酸化和高温的适应性，对基质中过量重金属和有机污染物的抗性作用，筛选出适应灭火后自燃煤矸石山的微生物和植物组合，建立改良自燃煤矸石山土壤结构和功能的微生物技术是今后自燃煤矸石山微生物培肥技术的重要发展方向。

3.盐渍危害处理

干旱半干旱地区的煤矸石山，年降水量小，蒸发量大于降水量，煤矸石山土壤常处于干旱脱湿状态，土壤盐分淋洗微弱，几乎全年处于积盐状态，并持续多年。

经观测研究发现，盐是伴随着高温而产生的，因此煤矸石山一经灭火，盐的危害即被解除。如果不能灭火，高盐依然伴随着高温制约着植被的构建，除盐首先要灭火。高温下植物是难以生存的，自燃煤矸石山植被建设的前提是灭火。煤矸石山灭火后，盐的胁迫相应就会解除。因此煤矸石山的盐分问题会随着高温问题的解决而解决。