2004 年全国农业地学学术研讨会 成都

1. 2004 年全国农业地学学术研讨会 成都 矿区生态恢复重建的 生存安全与粮食安全问题 白中科 山西农业大学资源环境学院 E-mail:bzk@sxau.edu.cn

2. 研究背景 • 矿区生态恢复重建的生存安全、粮食安全案例分析——煤矸石山、井工采煤沉陷地、露天采煤排土场 • 对目前与食物安全生产有关的绿色（有机、无公害）食品的看法

3. 研究背景 崇尚自然、保护自然、回归自然 营造绿色环境、美化绿色家园、培育绿色产业 建设绿色基地、兴办绿色企业、开发绿色产品 经济与环境协调发展

4. 研究背景 我国具有世界最强烈的人类活动规模和强度 • 全世界每年搬运岩石和土壤的数量1360亿吨，我国381.7亿吨，占全世界的28.1%。而国土面积占7%；人口占22%！ • 全世界平均每人每年搬运岩石和土壤的数22.7吨，我国31.8吨，是世界平均值的1.4倍。

5. 研究背景 人类活动规模强于自然！ • 人类活动每年所引起地球表面物质运移的数量约等于自然状态下，每年从江河径流中搬运泥沙的17倍。 • 从世界范围内的总体评价，如果人类活动所致的岩石土壤移动，高出自然状态下岩石土壤运移的4-5倍，尚可列入正常的人类活动范围，中国的人类活动强度要比世界平均范围高出3.0-3.5倍。

6. 研究背景 矿区生态环境破坏最为剧烈？ • 工矿区是工程建设区、工厂和矿区的总称，是国土范围内修筑公路、铁路、水利工程和开办矿山、电力、化工、石油等工业企业以及采矿、取石、挖砂等建设活动的场地。 • 矿产资源开发造成的生态环境破坏极为严重。 • 矿区土地复垦与生态恢复重建技术综合复杂、难度大。

7. 以黄土高原为例 • —— 脆弱易损的生态环境 • 90%以上的降水分布在4-10月 • 80%左右的面积发生严重的水土流失 • 森林覆盖度不足10%

8. 以黄土高原为例 • 极其丰富的煤炭资源 • 国土面积不足全国的1/20，已探明储量约占全国的2/3 • 全国16个100亿t以上的大煤田，本区就占10个 • 4个500亿t以上的特大型煤田全部集中于本区

9. 以黄土高原为例 • 。 • 高强度的煤炭资源供应 • 目前全国所需的15亿吨煤炭中的8-9亿t产自本区 • 2015年和2030年，全国所需的27亿t和40亿t煤炭中约有70%产自本区

10. 矿区可持续发展的农业地学支撑能否赶上？ 采矿造成的极度退化生态系统，如何在人工支持下发生顺向演替，并且能否在我国现有的经济水平下，重建一个比原脆弱生态系统结构更合理、功能更有效的生态系统，都需要从实践上和理论上进行回答，而且当代人必须作出回答！

11. 2、矿区生态恢复重建科学研究（1986-2004） • 课题支撑：山西省“七五”、国家“八五”、国家“九五”、国家自然科学基金等。 • 研究方法：定位调查测试、室内分析、时空互代、趋势外推、GIS、典型案例、试验示范、产学研等。研究必备的条件：大型野外试验区! • 部分成果：生存安全与粮食安全问题：土壤质量演变、植被动态变化、水土安全、景观格局与土地可持续利用。

12. 2.1 煤矸石山生态恢复重建的生存安全、粮食安全问题？

13. 矸石山景观 压占土地 污染空气 影响景观

14. 未燃矸石与自燃矸石性状变异试验区 煤矸石生物加速风化试验区 “煤矸石+粉煤灰”生物加速风化试验区 “煤矸石+黄土”生物加速风化试验区

15. 煤矸石观赏植物直接种植试验区 不同复垦基质先锋植物筛选试验区 煤矸石基质复垦植被抗热性能试验区 人工加速风化成土剖面试验区

16. 煤矸石全盐量、pH值变化 自然物理风化的矸石 人工模拟风化的矸石 10mm 7mm 5mm 3mm 2mm 1mm 0.5mm 0.1mm

17. 人工模拟风化破碎煤矸石全盐量、pH值变化

18. ——煤矸石风化成土过程中的土壤环境问题？ • 对矿区局部FeS含量较高的煤矸石必须在排弃岩土和建造排土场时，采用包埋、压埋等技术，将其排在底部，防止发生自燃。 • 对含FeS较少的煤矸石，如果排土工艺或技术经济受限制，可允许将其排在地表，作为复垦基质。 • 如何人为加速煤矸石风化成土、揭示其风化成土过程和环境效应，并使在风化成土过程中不至于对植物和环境造成危害和影响，在农业地学学科是一个有理论价值和实践意义的问题。

19. 2.2 采煤沉陷地生态恢复重建的生存安全、粮食安全的问题

20. 因塌陷道路中断

21. 铁路出现蛇形弯曲

22. 教室围墙开裂 学生上学无安全保障

23. 房屋倒塌危及 人们生命安全

24. 地表积水树木被淹

25. 塑料大棚侵入水中 失去功能

26. 因塌陷良田被淹

27. 采煤塌陷裂缝动态变化试验区 深度塌陷地沉陷动态变化试验区 非稳定塌陷地“沉陷侵蚀”试验区 稳定塌陷地“人为加速侵蚀”试验区

28. 泥浆机冲填施工试验现场 大型机械挖低垫高试验现场 冲填颠高后的土地试验区 建成的高产鱼塘试验区

29. ——矿区采煤沉陷地农业地学问题？ • 陆地生态系统变成水域生态系统？ • 人为加速侵蚀？沉陷侵蚀？ • 土壤的污染？酸化？贫瘠化？盐渍化？

30. 2.3 露天矿废弃地生态恢复重建的生存安全与粮食安全问题

31. 人类生存空间发生剧烈的扰动 典型矿土地扰动：24m3大型电铲以1亿m3 /年的速度扰动地貌;200米深矿坑以3000亩/年的速度扩展;百年形成世界上规模最为集中、最大的废弃地200 km2。

32. 不同地貌重塑工艺试验区 陡坡人工植被控制侵蚀试验区 “堆状排土工艺”径流分散试验区 “畦状整地工艺”径流分散试验区

33. 压实土壤水分径流——入渗试验区 压实土壤物理性状改良试验区 废弃地自然植被演替试验区 复垦地初期土壤侵蚀试验区

34. 复垦土地减流减沙试验区 人工再造生境土壤演变试验区 人工重组群落植被演变试验区 复垦地野生植物侵入试验区

35. 复垦土壤污染元素变异？ 复垦土壤 10-1 复垦土壤 10-2 单项: 铬＞砷＞铅＞铜＞镉＞汞 综合：最高值50~60cm 最低值90~100cm 单项: 铬＞铅＞砷＞镉＞汞＞铜 综合：最高值40~50cm 最低值50~60cm

36. 镉 汞

37. 砷 铅

38. 铬 铜

39. 差异原因：土壤重构、植被重建？

40. 一级指标 二级指标 物理指标（0.4） 地表物质组成(0.2)、容重(0.2)、质地(0.2)、土层厚度(0.1)、有效土层厚度(0.1)、土体结构(0.2) 化学指标（0.1） 有机质(0.4)、全氮(0.2)、碱解氮(0.2)、速效磷(0.2) 生物指标（0.2） 土壤生物量 侵蚀指标（0.3） 盖度、侵蚀模数、径流模数、地表非均匀沉降 复垦土壤肥力演变?

41. 土壤肥力总体演变趋势

42. 矿区土壤肥力总体演变趋势 • 土壤肥力在由采矿前原地貌的四级退化到采矿后的六级。 • 在人工支持和诱导下经过10年左右时间，矿区土壤肥力由六级提高到复垦1-3年的五级和复垦6-8年的三级，达到或超过原地貌土壤质量水平。

43. 水土安全 、景观格局演变与土地可持续利用问题？

44. 景观要素分析 ——地形坡度

45. 景观要素分析 ——地表物质

46. 景观要素分析 ——植被类型

47. 景观要素分析 ——植被覆盖度

48. 景观要素分析 ——工程水保措施

49. 景观要素分析 ——非均匀沉降

50. 景观要素分析 ——地表土壤容重