CN102577789B - 一种循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法。排土场土石的堆置应把表土和底土分别处理，底土与石头块等堆积在坡体的基础位置；表土单独堆放，仅在必要的坡面部位使用；根据排土场坡体坡度的大小划分成坡顶治理区、陡坡治理区、中坡治理区和缓坡治理区；在各坡面治理区内种植不同的植物并铺设不同透光率的网状覆盖材料；在各坡面治理区内设计雨水收集系统，将坡面的雨水疏导、收集、再利用；在排土场周边建立植物育种基地；雨水收集系统获得的雨水主要用于浇灌育种基地内的植物，而坡面治理所需植物种子又主要来源于育种基地。可有效改良土壤和控制水土流失；在半干旱草原区具有良好的应用前景和推广价值。

Description

一种循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法

技术领域

本发明涉及一种循环可持续式草原矿区植被恢复方法，特别涉及一种半干旱草原矿区排土场植被恢复方法。

背景技术

半干旱草原区气候干燥，年降雨量少于400mm，植被以草本植物为主，草地退化常有发生，生态环境脆弱。近年来随着国家经济发展对能源需求的日益强烈，矿物开采活动在半干旱草原区的开展日趋强烈。矿物的开采导致了大量的土方剥离与堆积，在矿区形成了较大的堆积体，这些排土场形成的大型土堆其坡面植被恢复比较困难。特别困难的是在半干旱草原区，降雨量少且时间分布不均，在雨季排土场水土流失比较严重，而在寒冷干燥的冬季因大风作用导致沙尘暴发生频率较高。因此，干旱、水土流失、沙尘暴、生态环境脆弱成为半干旱草原矿区植被恢复的主要障碍和困难。

为此，相关部门尝试了各种方法来恢复治理矿区的排土场，已使用的技术包括沙障治理技术、修筑梯田技术、挖取鱼鳞坑技术、水力喷播技术、客土与施加有机物改良土壤技术等，这些技术涵盖了工程措施、植被措施、土壤改良措施等几个方面。这些措施实施的目的是恢复排土场原有植被，控制坡面水土流失与沙尘飞扬。这些技术都在不同程度上对排土场的植被恢复起到一定的作用，特别是措施实行的第一年效果非常好，但是第二、三年坡面植被逐渐退化，原因是第一年养护措施良好，大量的灌溉、浇水保证了植物所需的水分，而随后几年灌溉等养护措施跟不上，导致植被生长缓慢或停滞，甚至全部植物死亡。而土壤改良与坡面客土技术需要大量的表土，但在实际环境中，表土资源非常有限，其他有机肥料的添加又增加了成本，所以这些措施既不长久也不具有大面积推广的可能性，没有从根本上解决植被恢复的难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法。

本发明的目的通过如下方式实现：

循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法，首先，排土场土石的堆置应把表土和底土分别处理，底土与石头块等堆积在坡体的基础位置；表土单独堆放，仅在必要的坡面部位使用。然后，对排土场坡体按照坡度进行分类，分成坡顶治理区、陡坡治理区(坡度大于30度)、中坡治理区(坡度介于15-30度)和缓坡治理区(坡度低于15度)；针对不同的坡体(陡坡治理区、中坡治理区、缓坡治理区)部位，配置不同的植被恢复措施；针对不同的坡体部位采用不同透光率的网状覆盖材料覆盖；在各坡面治理区内设计雨水收集系统，所收集的雨水用于所述植物育种基地灌溉用水，在旱季缓解干旱对于植物的胁迫，增加了雨水利用率和植物成活率；所述植物育种基地：是在矿区大气扬尘影响的草地划定一定区域，进行围封管理，种植排土场植被恢复所需的乡土植物种，在区域内进行种子的繁育和收集，所收集的种子每年春季播撒到排土场坡面植被稀疏的片区。此措施在降低购买草种所需成本的同时，大大增加了坡面植被的成活率，同时围封区域禁止牲畜采食，降低了矿区扬尘对于牛羊肺部健康的影响。本方法关键步骤所述如下：

1.表土添加与网状材料覆盖。对于陡坡治理区，因其坡度较大，易发生水土流失，因此采用透光率(即将材料水平放置地面，垂直光照后材料下光斑面积占整个材料的面积)小于30％的网状覆盖材料覆盖，覆盖后可大大降低水土流失的发生。但也降低了光照对于土壤熟化的速率，为了弥补这一缺点，在坡面进行表土的施加处理，一般施加的土壤厚度在10cm以上即可。表土的施加可大大提高植物的成活能力。

对于中坡治理区，采用疏密相间、透光率介于30％-50％的网状覆盖材料覆盖。密集的部位因其遮荫保温效果，植物的成活较容易，稀疏部位接受的日光比较充分，有利于土壤的熟化。疏密相间，既有利于植物的成活又有利于土壤的熟化，同时密集部位可有效降低坡面的水土流失。如果在陡坡区表土覆盖后，表土还有剩余，则优先在中坡区覆盖。

对于缓坡治理区，因其坡度较小，水土流失相对较轻微，因此，采用透光率介于50％-80％的稀疏网状覆盖材料覆盖，一般不进行表土覆盖。

2.雨水收集再利用技术：针对半干旱草原区降水少且时间分配相对集中的特点，为减少坡面雨水汇集产生大的地表径流，在坡面铺设雨水收集系统，所收集的雨水用于所述植物育种基地灌溉用水，在旱季缓解干旱对于植物的胁迫，增加了雨水利用率和植物成活率。

3.植物育种基地的建立：植物育种基地的建立，是在矿区大气扬尘影响的草地划定一定区域，进行围封管理，种植排土场植被恢复所需的乡土植物种，在区域内进行种子的繁育和收集，所收集的种子每年春季播撒到排土场坡面植被稀疏的片区。此措施在降低购买草种所需成本的同时，大大增加了坡面成活植株的数量，同时围封区域禁止牲畜采食，降低了矿区扬尘对于牛羊肺部健康的影响。

4.植物配置与栽培技术：本发明针对不同的坡体部位，配置不同的植被恢复措施，分成坡顶治理区、陡坡治理区、中坡治理区、缓坡治理区。对于坡顶治理区，因土壤以生土或者底土为主，比较贫瘠，故选用耐贫瘠的植物--芥菜型油菜(Brassica junceaL.)进行种植。根据实际观测，芥菜型油菜在半干旱草原矿区具有良好的生态适应性，成活率较高。在坡顶种植2-3年油菜以后，土壤已经基本熟化，可以调整种植其他植物。

对于陡坡治理区(坡度大于30度)和中坡治理区(15-30度)，陡坡治理区因有表土的添加，所以植物的成活相对容易一些，根据实际观测，宜以豆科、深根系的植物如小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam)或沙打旺(Astragalus adsurgens Pall)和非豆科浅根性植物如大籽蒿(Artemisia sieversiana Ehrhart ex Willd)相间搭配种植较好，豆科植物通过固氮作用可有效增加土壤养分，促进非豆科植物成长。对于中坡治理区，若没有表土施加，可以先种植2年左右的芥菜型油菜，土壤熟化后再按照陡坡治理区模式进行植物的配置，后期等到植物群落基本稳定后可以播撒其他植物种子，所需种子来源于周围的育种基地。

对于缓坡治理区，因其没有表土添加，所以早期应种植芥菜型油菜，改良土壤。本区因距离平坦草原区非常近，所以后期植物的种植应以平坦草原区的植物种类为主，所需植物种子来源于围封的植物育种基地，采用随机混播的播种方式，遵循植物自然的生长竞争规律，让其自然竞争演替。

本发明专利与现有技术相比具有如下优点和创新：

(1)本发明针对半干旱草原矿区干旱缺水的特点，在坡面建立雨水收集系统，将宝贵的雨水资源加以收集和再利用，可有效缓解植物育种基地内植物生长所受干旱的胁迫。

(2)本发明在草原矿区粉尘影响的区域划定一定区域，进行围封禁牧管理，避免了粉尘对于当地牧区牛羊牲畜呼吸系统和健康的影响，同时又培育了矿区排土场坡面治理所需的植物种子，每年可培育足量的种子满足矿区排土场治理需求，同时降低了历年购买植物种子的成本，经济、环保、可持续。

(3)本发明针对草原矿区表土资源比较短缺的特点，在坡面不同的坡度划定不同的治理区，因地制宜采用不同的治理措施，仅在陡坡治理区添加表土并铺设密集的网状覆盖材料，而在中坡采用疏密相间的网状覆盖材料，在缓坡再用稀疏的网状覆盖材料，预留了稀疏部位作为土壤熟化的空间，同时又控制了水土流失与尘土飞扬。

(4)本发明在植物配置方面，采用芥菜型油菜这一非常耐贫瘠的植物种作为底土生土区域种植的先锋植物，而在后期采用深根性的豆科牧草小叶锦鸡儿或者沙打旺与非豆科牧草大籽蒿相间搭配种植，可有效改良土壤和控制水土流失；在半干旱草原区具有良好的应用前景和推广价值。

附图说明

图1为本发明草原矿区排土场植被恢复方法示意图。

图2为不同治理区土壤有机质差异

图3为不同治理区域地表湿度差异(a早晨6点，b中午14点)

图4为不同治理区不同深度土壤地温差异

图5为不同治理区小叶锦鸡儿主根长(a)与株高(b)状况对比

图6为不同治理区大籽蒿主根长(a)与株高(b)状况对比

图7为不同治理区植物多样性差异

图8为宏文煤矿陡坡治理区土壤有机质含量

图9为宏文煤矿陡坡治理区两种植物高度状况

图10为宏文煤矿陡坡治理区两种植物密度状况

图1中各标号含义如下：1，坡顶治理区；2，芥菜型油菜；3，陡坡治理区；4，小叶锦鸡儿/沙打旺；5，大籽蒿；6，中坡治理区；7，缓坡治理区；8，混播牧草；9，雨水收集管；10，表土层；11，碎石底土层；12，网状覆盖材料；13，集水池；14，坡面治理所需植物育种基地。

具体实施方式

下面结合2个实例做进一步的阐述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参考图1，坡顶治理区1，区内种植芥菜型油菜2；陡坡治理区3内添加表土10，并有网状覆盖材料12覆盖，然后种植小叶锦鸡儿/沙打旺4和大籽蒿5；中坡治理区6内添加碎石底土层11后铺设网状覆盖材料12，然后早期种植芥菜型油菜2，后期种植小叶锦鸡儿/沙打旺4和大籽蒿5；缓坡治理区7内添加碎石底土层11后铺设网状覆盖材料12，种植混播牧草8；上述陡坡治理区，中坡治理区和缓坡治理区交界处设有雨水收集管9；收集雨水后流入集水池13；集水池13内的雨水用于在旱季灌溉坡面治理所需植物育种基地14内的植物。

所述混播牧草8是指按照当地草原植物群落组成进行配置。

所述雨水收集管9为普通PVC塑料管，管直径大于20厘米，从管道横截面纵向剖开成2瓣，分别单独使用。

所述表土层10是指草原矿区开采剥离出来的表层土壤(剥离深度在20厘米左右)，坡面铺设厚度一般在10厘米左右。

所述碎石底土层11是指草原矿区开采挖掘剥离出来的碎石和底层土壤(表土以下部分)。

所述网状覆盖材料12可以是生物或者非生物材料编制而成，形状不限，仅对透光率做要求，分成密集，稀疏和疏密相间网三种。

所述集水池13为混凝土浇筑而成，池深与容量可根据当地年降雨量和坡面集水区面积计算得出。

所述坡面治理所需植物育种基地14，是指在采矿粉尘影响的草地区域内，划定一定面积进行围封禁牧，基地内可再划小区管理，种植不同的植物。

实施例2：

2007年在内蒙古锡林浩特市乌兰图噶煤矿西排土场进行实践。首先对矿区采矿剥离的表土和碎石底土分别进行放置，碎石底土主要用于堆积坡体，坡体堆积后根据坡面不同的坡度划定不同的治理区。

本案例中通过坡度仪现场量测坡度，发现多数坡度介于25-30度，所以治理方式按照中坡治理区的模式；而坡脚坡度较缓，为10度左右，故按照缓坡治理模式进行治理。

对于坡顶治理区，因其地面比较平坦，且以生土为主，所以主要种植芥菜型油菜，采用条播的方式，播种量按照12公斤/亩，行株距15cm。

对于中坡治理区，因为现场有多余的表土，所以首先在坡面覆盖表土，覆盖厚度10cm，按照坡上-坡中-坡下的次序覆盖。沿坡顶到坡脚方向每隔10米水平铺设一段雨水收集管(PVC塑料管)，管直径为25cm，沿中线纵向剖成2部分，单独埋入坡面土壤，分横向和纵向管道，横向长度每10米一段。两根横向雨水收集管之间设置纵向的管道连接，纵向管道将雨水导入下面的集水池，在地面沿着横向方向在坡脚每隔50米建造一个圆柱形集水池，池深5.1米，半径3米，集水池容积为144立方米(按照年降雨量300mm计算，坡长为30米，坡度为25度，坡体水平占地面积为50×30×cos25°＝1360平米，年汇水量476立方米，考虑到坡面土壤结构松散，按照60％的雨水渗透到土壤中计算，坡面产流量476×(1-60％)＝142.8立方米)，然后用混凝土硬化底部和坑壁，四周设置护栏，以防止人畜掉入集水池。浇灌时，采用水泵抽取池内水，浇灌到育种基地。然后在坡面采用小叶锦鸡儿与大籽蒿相间种植，采用条带状种植的方式，行、株距15cm，播种量12公斤/亩(两种植物播种量各6公斤)。播种后在坡面铺设柳条编织的网状覆盖材料，考虑到此处坡度中等，因此采用疏密相间的网状覆盖材料覆盖坡面，覆盖材料形状为矩形方块，方块规格为2m×1m，其透光率为40％左右，方块内包括大网格和小网格疏密相间，大网格规格20cm×20cm，小网格规格20cm×2cm。以后每年春季在植被稀疏处补播一定量的种子，所需种子来源于周围的育种基地。

对于坡脚区，因其坡度小于15度，故按照缓坡治理区的模式治理，早期主要种植芥菜型油菜，2年后在坡面种植与周边草地类似的植物种(如克氏针茅、猪毛菜、虫实、冰草、冷蒿、狗尾草、轮叶委陵菜、羊草、萹蓄豆、胡枝子、锦鸡儿等)，采用随机混合播撒草种的方式种植，播种量每亩12公斤以上。播种后覆盖稀疏的矩形网状材料，网格大小为20cm×20cm，其透光率为70％左右，用三根柳条紧挨并用横竖编织而成。

植物育种基地建设。对于矿区周边受粉尘影响的草地，牛羊采食牧草后常有肺部和呼吸系统疾病的发生。为了控制这种不良影响并且把采矿对周边的人畜健康影响程度降低到最低，在矿区周边牧草地划定一定的区域进行围封管理，面积至少6000平米以上(按照坡长为30米，跨度200米计算，坡面面积为6000平米)。采用普通铁丝网护栏进行围封禁牧，区域内可进一步分成若干小区培育种植不同的植物，包括芥菜型油菜育种小区、小叶锦鸡儿/沙打旺与大籽蒿育种小区、原始草地植物育种小区。各个小区春季耕翻耙除原有杂草根后，将购买的新种子播撒到对应小区种植即可。

在基地建立后，需要对排土场用铁丝网进行围封，防止牲畜对于坡面的破坏。在旱季，为了缓解干旱对于植物的胁迫可用水泵抽取集水池的雨水浇灌育种基地内的植物。在秋季采集植物种子，次年春节随机播撒在排土场坡面植被稀疏的地段。

治理效果调查：调查于2011年8月份进行。调查主要针对措施实施3年后排土场坡面土壤和植物特征进行，土壤方面调查了土壤有机质(采用重铬酸钾氧化法测定)，地温(地温计法)，相对湿度(湿度仪法)，植物特征主要对坡面植物的组成、密度(样方法)，并在坡中位置随机挖取大籽蒿和小叶锦鸡儿各4株作为典型，测定主根长度和地上部高度。为了对比本技术的治理效果，对同一坡面的直立式沙障治理区也进行调查，作为本技术的对照，沙障治理区植物配置与排水设施与前文中坡治理区相同，措施的实施时间也大致相同。直立式沙障由同类型的柳条插入坡面土壤，分成横向垄和纵向垄交叉构成矩形格状，行距30cm，株距5cm，柳条直径约1cm，沙障高度25cm。

从土壤有机质含量来看(图2)，中坡治理区土壤有机质尤其是表层0-3厘米深度的土壤有机质明显高于对照的沙障治理区，这可能与中坡治理区植物生长良好，枯枝落叶较多有关；加上坡面的柳条网状材料的覆盖，增大了坡面对于有机物的保留能力。特别是在冬季干燥、大风的作用下，中坡治理区对于有机物的保留能力应该强于沙障区。

从土壤湿度来看(图3)，在夏季，无论是早晨六点最冷的时段还是中午14点最热的时段，均以中坡治理区的湿度较大，尤其在早晨差异更明显。湿度大表明地面水分含量多，在气候干旱的草原地区，这对于植物的生长具有积极效果，有利于植物的生长发育。

进一步调查发现，在地表温度方面(图4)，中坡治理区的地温在最热时段明显低于对照区，表明中坡治理区具有较低的地温，降低了高温对于植物的胁迫作用。同时低温降低了水分的蒸发，因此，增加了土壤对于水分的保留能力，客观上缓解了干旱对于植物的胁迫，有利于植物的生长发育。良好的植物生长发育，对于坡面水土保持具有重要作用。

调查还对小叶锦鸡儿和大籽蒿的完整植株进行了取样分析，在坡面不同位置随机选择4株，尽量挖取完整的根系，现场量测株高和主根长度。由图5可见，对于小叶锦鸡儿来说，中坡治理区与对照区的植株高度没有差异，但是主根长度却有明显差异，位于对照区的小叶锦鸡儿主根更长，扎根更深表明植物受到了干旱的胁迫。为了寻求更多的水分，植物扎根明显加深。这些表明小叶锦鸡儿在中坡治理区更容易成活。对于大籽蒿来说(图6)，主根长度和株高在对照区和中坡治理区没有差异，这可能与大籽蒿属于浅根性植物有关。

从坡面植物多样性来看(图7)，中坡治理区在措施实施3年后，坡面植物的组成明显趋于丰富多样，平均每平米有5种植物，而对照区域只有2种植物，这说明中坡治理区植物更容易成活。

实施例3：

2008年在内蒙古锡林浩特市宏文集团露天煤矿南排土场进行了实践。首先通过现场量测坡度发现，多数坡度为35度，属于陡坡，因此按照陡坡治理区的模式进行治理，仅坡脚区坡度为12度左右，故坡脚区按照缓坡治理区模式进行。

对于陡坡治理区，首先对于坡面进行平整，填补小的沟壑，然后在坡面铺设表土，厚度10cm，铺设后平整坡面，然后铺设排水管道，铺设方法与管道规格同案例1所述，铺设后在坡面播种沙打旺和大籽蒿，同样采用相间条带状种植的方式，行、株距15cm，播种量12公斤/亩(两种植物各6公斤)。种植后建设排水管道与集水池(同案例1)，然后再铺设由柳条编制的矩形网状覆盖材料，其透光率为25％左右，矩形块体规格为2m×1m，块体内网格规格为2cm×2cm。坡顶区、坡脚区治理与排土场周围植物育种基地的建设同案例1.鉴于案例2宏文煤矿排土场与实施例2乌兰图噶煤矿排土场堆积的坡度及种植的植物都不尽相同，铺设的时间也不同，因此不对两排土场做对比，仅单独对其治理效果进行了初步的调查，调查结果如下：

治理效果调查：调查方法同实施例2。结果显示，从土壤有机质含量来看(图8)，陡坡治理区表层0-3cm土壤有机质含量较高，明显高于3-10cm土壤，这可能与表土的覆盖有关。较高的有机质含量使得土壤比较肥沃，而这也有利于植物的成活。

从两种植物的高度(图9)来看，平均高度达到80cm左右，说明两种植物个体在坡面生长良好。

从两种植物的密度来看(图10)，在陡坡治理区沙打旺的平均密度为8株/平米，而大籽蒿平均为1.5株/平米左右，两种植物差异较大，可见沙打旺的生态适应性要更强一些，大量的沙打旺生长在坡面，可能导致了大籽蒿的生长空间受到了局限。从现场来看，坡面沙打旺的分布也确实比较多，但这不影响措施的应用效果。在35度这样的陡坡区，植被可以正常生长，对于控制水土流失与沙尘飞扬具有重要的意义。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法，其特征在于，首先，排土场土石的堆置应把表土和底土分别处理，底土与石头块堆积在坡体的基础位置；表土单独堆放，仅在坡面部位使用；根据排土场坡体坡度的大小划分成坡顶治理区、陡坡治理区、中坡治理区和缓坡治理区，陡坡治理区是指坡度大于30度的区域，中坡治理区是指坡度介于15-30度的区域，缓坡治理区是指坡度小于15度的区域；在各坡面治理区内种植不同的植物并铺设不同透光率的网状覆盖材料；在各坡面治理区内设计雨水收集系统，将坡面的雨水疏导、收集、再利用；在排土场周边建立植物育种基地；雨水收集系统获得的雨水主要用于浇灌育种基地内的植物，而坡面治理所需植物种子又主要来源于育种基地；坡顶治理区是指排土场顶部水平区域，区域内土壤为底土，区内早期主要种植耐贫瘠的芥菜型油菜，后期土壤熟化后改种其他植物；陡坡治理区是指坡度大于30度的区域，区域内坡面覆盖约10cm厚的表土，采用小叶锦鸡儿/沙打旺与大籽蒿相间种植，沿着坡顶到坡脚方向每隔10m铺设雨水收集管；在此基础上，再铺设透光率小于30％的密集网状覆盖材料；中坡治理区是指坡度介于15-30度的区域；在区域内，若有表土覆盖采用小叶锦鸡儿/沙打旺与大籽蒿相间种植，若没有表土覆盖则在早期种植芥菜型油菜，后期采用小叶锦鸡儿/沙打旺与大籽蒿相间种植；种植植物的同期沿着坡顶到坡脚每隔10米铺设雨水收集管；在此基础上，再在坡面铺设疏密相间、透光率介于30％-50％的网状覆盖材料；缓坡治理区是指坡度小于15度的区域；区域内土壤为底土，早期种植芥菜型油菜，后期采用与周边草地植物群落组成相类似的植物种混播种植，种植后再在坡面铺设透光率介于50％-80％的网状覆盖材料。

2.根据权利要求1所述的循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法，其特征在于，雨水收集系统包括收集管道和集水池，收集管道是指由普通PVC材料制成的半圆形管道，集水池由混凝土浇筑而成。

3.根据权利要求1所述的循环可持续式草原矿区排土场植被恢复方法，其特征在于，植物育种基地是指在矿区周边受粉尘影响的牧草地内，划定一定的区域进行围封禁牧，种植坡面治理所需的植物，并收获种子以供坡面治理需要；基地内灌溉用水来源于坡面雨水收集系统。

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