Tổng quan nghiên cứu

Khai thác than là ngành công nghiệp trọng điểm đóng góp lớn cho sự phát triển kinh tế của tỉnh Quảng Ninh với lịch sử hơn 100 năm. Đến năm 2016, sản lượng than nguyên khai toàn tỉnh đạt khoảng 42 triệu tấn đi cùng khối lượng đất đá bóc lên tới 207 triệu tấn từ 30 mỏ đang vận hành. Trong đó, diện tích khai trường lộ thiên chiếm khoảng 6.000 ha, thải ra từ 60 đến 70 triệu m3 đất đá mỗi năm, tập trung lớn nhất tại khu vực thành phố Cẩm Phả. Bãi thải Đông Cao Sơn là bãi thải lớn nhất vùng với diện tích quy hoạch 357,5 ha, sức chứa 295 triệu m3, tiếp nhận trên 94% tổng lượng đất đá thải từ các mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn, Khe Chàm II và Đông Đá Mài.

Hoạt động đổ thải tích tụ các khối đất đá khổng lồ tạo nên những ngọn đồi nhân tạo cao từ 60 đến 150 mét, nhiều điểm chạm ngưỡng 250 mét so với mực nước biển, độ dốc sườn tầng từ 30 đến 40 độ. Đất đá bãi thải chứa trên 90% là đá hạt thô và dưới 10% là đất mịn, nghèo kiệt chất hữu cơ, gây ra nguy cơ sạt lở nghiêm trọng trong các đợt mưa lũ lịch sử và làm gia tăng phát tán bụi ra các khu dân cư lân cận như phường Mông Dương và Cửa Ông. Đề tài tập trung đánh giá hiện trạng tài nguyên sinh vật, môi trường thổ nhưỡng và khả năng thích nghi của hệ thực vật trên diện tích gần 80 ha rừng trồng cải tạo tại bãi thải Đông Cao Sơn trong giai đoạn từ tháng 8/2016 đến tháng 8/2017, qua đó cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện giải pháp phục hồi sinh thái mỏ bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết phục hồi sinh thái (Ecological Restoration Theory) và lý thuyết diễn thế sinh thái tự nhiên (Ecological Succession Theory) trên các hệ sinh thái nhân tạo bị thoái hóa nghiêm trọng. Khung lý thuyết vận dụng công nghệ thực vật (Phytoremediation) kết hợp các biện pháp kỹ thuật lâm sinh để đẩy nhanh tiến trình hình thành lớp phủ sinh học, ổn định cơ học sườn dốc và cải thiện chu trình dinh dưỡng đất mỏ.

Các khái niệm then chốt trong mô hình bao gồm:

  • Đặc tính cơ lý - khoáng vật học của bãi thải: Xác định tỷ lệ khoáng hóa (SiO2 chiếm 77,12%, Al2O3 chiếm 9,4%, Fe2O3 chiếm 4,47%) cùng thành phần nham thạch cát kết (chiếm trung bình 44,25%), cuội kết (27,25%) và sét kết (5%) với độ rỗng đá thải 21% và dung trọng khô 2,05 tấn/m3.
  • Chỉ số phì nhiêu đất bãi thải: Đánh giá qua độ chua pH KCl, dung lượng mùn hữu cơ tổng số (CHC), đạm dễ tiêu (Ndt), lân dễ tiêu (P2O5 dt) và kali dễ tiêu (K2O dt).
  • Năng lực thích ứng của cây tiên phong: Khả năng cộng sinh cố định nitơ tự do của vi khuẩn nốt rễ ở loài Keo lá tràm (Acacia auriculiformis) và sức chống chịu khô hạn, cố định sườn dốc của loài Thông nhựa (Pinus merkusiana).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thiết lập qua hệ thống quan trắc thực nghiệm tại 3 khu vực đại diện: Đỉnh bãi thải +300 (diện tích 32,43 ha), khu vực Vũ Môn (diện tích 42,37 ha) và khu vực Khe Rè (diện tích 1,89 ha).

Phương pháp lấy mẫu và bố trí thực địa:

  • Cỡ mẫu điều tra sinh trưởng: Thiết lập 36 ô tiêu chuẩn ngẫu nhiên định hình (diện tích mỗi ô 200 m2, kích thước 20m x 10m), đảm bảo dung lượng mẫu lớn với n ≥ 30 cây trên mỗi ô tiêu chuẩn, thực hiện lặp lại 3 lần trên từng dạng lập địa.
  • Phương pháp lấy mẫu đất: Thu thập mẫu đất tầng 10 đến 20 cm theo tiêu chuẩn TCVN 4060:1985 và TCVN 5297:1995.
  • Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm: Đo pH bằng máy đo điện thế tỷ lệ đất:dung dịch 1:2,5; xác định mùn theo phương pháp Tiurin; phân tích đạm bằng phương pháp Kjeldahl, lân theo phương pháp Oniani, kali bằng quang kế ngọn lửa Matlova; hàm lượng kim loại nặng (Cu, Pb, As, Cd, Zn) phân tích trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Đề tài áp dụng kiểm định phi tham số Kruskal - Wallis để kiểm tra tính thuần nhất giữa các ô tiêu chuẩn trước khi gộp số liệu thống kê sinh học bằng phần mềm SPSS và Excel.

Timeline nghiên cứu thực địa diễn ra liên tục 12 tháng (từ tháng 8/2016 đến tháng 8/2017) với 2 mốc quan trắc đồng bộ vào tháng 2/2017 (cây 6 tháng tuổi) và tháng 8/2017 (cây 1 năm tuổi).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, môi trường nền đất đá ban đầu trước khi cải tạo ở mức cực kỳ nghèo kiệt và chua hóa nặng. Kết quả phân tích tại 3 vị trí cho thấy độ pH KCl dao động từ 3,47 đến 3,80; hàm lượng mùn chỉ đạt từ 0,32% đến 0,53%; đạm dễ tiêu từ 0,4 đến 0,6 mg/100g đất; lân dễ tiêu từ 0,35 đến 0,45 mg/100g đất và kali dễ tiêu từ 0,4 đến 0,6 mg/100g đất. Đất đá vụn cỡ hạt dưới 50mm chỉ chiếm 10%, trong khi đá tảng kích thước lớn hơn 500mm ở sườn dốc chiếm tới trên 60%.

Thứ hai, các loài cây trồng cải tạo thể hiện tỷ lệ sống và khả năng chống chịu ấn tượng trên giá thể đất đá thải. Sau 6 tháng, tỷ lệ sống toàn diện tích dao động từ 83,32% đến 88,06%; sau 1 năm đạt từ 80,42% đến 85,70%. Keo lá tràm tại khu vực đỉnh bãi thải đạt tỷ lệ sống 85,33% sau 1 năm với tỷ lệ cây tốt tăng từ 20,78% lên 26,82%. Mô hình Thông nhựa tại khu vực Khe Rè sau 1 năm duy trì tỷ lệ sống 80,66% nhưng tỷ lệ cây phẩm chất tốt tăng trưởng vượt bậc từ 23,40% lên 32,15%, cây phẩm chất xấu giảm mạnh từ 25,38% xuống 18,91%.

Thứ ba, thảm thực vật trồng nhân tạo cải thiện rõ nét độ phì của đất và tiểu khí hậu vi mô. Sau 12 tháng gây trồng, độ pH KCl đất tăng thêm 0,4 đến 0,5 đơn vị, đạt ngưỡng 3,93 đến 4,25. Hàm lượng mùn tăng lên mức 0,45% đến 0,71%. Mật độ bụi lơ lửng tại khu vực Khe Rè (310 µg/m3) và Vũ Môn (320 µg/m3) giảm đáng kể so với thời kỳ chưa phủ xanh, chỉ còn vượt nhẹ quy chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT khoảng 1,03 đến 1,06 lần.

Thảo luận kết quả

Diễn thế sinh thái tự nhiên trên bãi thải than diễn ra vô cùng chậm chạp: giai đoạn 1 đến 5 năm chỉ có 2 đến 3 loài cỏ le, cỏ bông lau cao 10 đến 50 cm mọc thưa thớt; phải mất từ 20 đến 30 năm mới xuất hiện các loài cây gỗ ưa sáng như Hú đay, Ba bét. Việc can thiệp trồng Keo lá tràm với mật độ 5.000 cây/ha và Thông nhựa 7.500 cây/ha đã rút ngắn thời gian phủ xanh xuống chỉ còn 1 đến 2 năm.

Các dữ liệu nghiên cứu về sự chuyển hóa chất lượng cây trồng và thành phần hóa học đất có thể được trình bày một cách trực quan thông qua biểu đồ cột ghép (so sánh tỷ lệ cây tốt - trung bình - xấu giữa mốc 6 tháng và 12 tháng) kết hợp cùng bảng đối chiếu đa biến (thể hiện sự gia tăng tương quan giữa pH, mùn hữu cơ và vi lượng N-P-K theo thời gian).

Nguyên nhân chính giúp Keo lá tràm thích ứng tốt là nhờ cơ chế nốt rễ cố định nitơ khí quyển, cung cấp nguồn dinh dưỡng hữu cơ tại chỗ từ thảm lá rụng, trong khi Thông nhựa có khả năng phát triển rễ sâu bám chắc vào các khe nứt của đá cát kết. Các hàm lượng kim loại nặng phân tích như Đồng (12 đến 33 mg/100g), Chì (42 đến 65 mg/100g), Asen (3,65 đến 6,2 mg/100g) đều nằm trong ngưỡng an toàn của QCVN 03:2015/BTNMT đối với đất lâm nghiệp, khẳng định tính khả thi cao của mô hình sinh học tại vùng than Đông Bắc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hoàn thiện quy trình làm đất bậc thang và xử lý hố trồng: Đào hố kích thước 40x40x40 cm so le hình nanh sấu, tạo mặt bằng rạch rộng 0,5 mét trên sườn dốc trên 32 độ. Bổ sung giá thể ruột bầu gồm 70% đất màu kết hợp 30% phân hữu cơ vi sinh nhằm duy trì tỷ lệ sống của cây con đạt trên 85% trong năm đầu. Thời gian thực hiện từ quý 1 đến quý 3 hàng năm do Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam chỉ đạo triển khai.
  2. Trồng bổ sung 106.000 hàng cỏ Vetiver bảo vệ sườn dốc: Triển khai trồng cỏ Vetiver theo đường đồng mức tại các cung trượt xung yếu và sườn tầng Vũ Môn nhằm giảm 70% lượng đất đá rửa trôi trong mùa mưa lũ. Dự án hoàn thành trong giai đoạn 2018 - 2020 do Công ty Than Cao Sơn phối hợp Công ty Môi trường Vinacomin thực hiện.
  3. Thiết lập mô hình rừng hỗn giao Keo lá tràm và Thông nhựa đa tầng tán: Chuyển đổi dần các diện tích rừng thuần loài sang cấu trúc hỗn giao đa loài với mật độ 5.000 đến 6.000 cây/ha, thúc đẩy tầng cây bụi bản địa (Sim, Mua, Lá nến) phát triển nhằm nâng độ che phủ thực vật toàn bộ 357,5 ha bãi thải đạt trên 90% vào năm 2025 dưới sự thẩm định của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh.
  4. Xây dựng hệ thống trạm quan trắc tự động và kiểm soát môi trường định kỳ: Thiết lập mạng lưới quan trắc khí tượng, bụi lơ lửng PM10, khí độc (SO2, CO, NO2) và chỉ tiêu lý hóa đất định kỳ 6 tháng một lần, đảm bảo 100% các điểm giám sát đạt quy chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT và QCVN 03:2015/BTNMT, do các đơn vị tư vấn môi trường mỏ chủ trì vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Tổng cục Môi trường): Khai thác các căn cứ thực nghiệm và số liệu lý hóa đất bãi thải để ban hành quy chuẩn kỹ thuật địa phương về cải tạo, phục hồi môi trường sau khai thác khoáng sản.
  • Doanh nghiệp khai thác mỏ và hoàn nguyên môi trường (Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam, Tổng công ty Đông Bắc): Áp dụng trực tiếp gói kỹ thuật nhân giống cây bầu lớn 18x25 cm, đào hố tạo rạch và mật độ trồng 5.000 cây/ha vào các dự án hoàn thổ thực tế nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư.
  • Viện nghiên cứu sinh thái, Trường đại học chuyên ngành Lâm nghiệp và Môi trường: Sử dụng hệ thống dữ liệu 36 ô tiêu chuẩn, phương pháp xử lý thống kê Kruskal - Wallis và quy luật diễn thế thực vật làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ phục hồi bãi thải đá.
  • Kỹ sư lâm sinh và chuyên viên tư vấn lập báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM): Vận dụng các giải pháp công trình kết hợp sinh học để xây dựng phương án phòng ngừa sạt lở sườn bãi thải dốc từ 30 đến 40 độ cho các dự án khai trường lộ thiên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đặc điểm thổ nhưỡng của bãi thải than Đông Cao Sơn gây khó khăn gì cho thực vật? Đất đá bãi thải Đông Cao Sơn có hơn 90% là đá hạt thô, góc dốc 30 đến 40 độ, độ chua cao với pH KCl chỉ từ 3,47 đến 3,80. Hàm lượng mùn hữu cơ cực thấp từ 0,32% đến 0,53%, thiếu hụt trầm trọng đạm và lân dễ tiêu, khả năng giữ nước kém khiến thực vật tự nhiên rất khó bén rễ và sinh trưởng.

  2. Vì sao Keo lá tràm và Thông nhựa được chọn làm loài cây trồng chủ lực? Keo lá tràm có phổ sinh thái rộng, rễ chứa vi khuẩn cố định đạm giúp cải tạo độ phì của đất nghèo, đạt tỷ lệ sống trên 85% sau 1 năm. Thông nhựa có rễ cọc đâm sâu bám chắc vào nền đá nổ mìn, chịu được nắng nóng bề mặt lên đến 39,8 độ C và duy trì tỷ lệ cây tốt tăng dần từ 23,4% lên 32,15%.

  3. Thảm thực vật nhân tạo giúp đẩy nhanh tiến trình diễn thế sinh thái ra sao? Diễn thế tự nhiên trên bãi thải cần từ 20 đến 30 năm mới xuất hiện các loài cây gỗ như Hú đay, Ba bét. Mô hình trồng rừng nhân tạo khép tán chỉ sau 2 đến 3 năm, nâng độ pH đất tăng 0,4 đến 0,5 đơn vị và tạo thảm mục dày, mở đường cho các loài cây bụi bản địa như Sim, Mua phát triển nhanh chóng.

  4. Sau 1 năm gây trồng, chất lượng môi trường bãi thải biến chuyển như thế nào? Sau 12 tháng, độ pH KCl đất tăng lên mức 3,93 đến 4,25, hàm lượng mùn tăng lên 0,45% đến 0,71%. Nồng độ bụi lơ lửng tại khu vực Khe Rè và Vũ Môn tiệm cận ngưỡng an toàn theo chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT, đồng thời các chỉ tiêu kim loại nặng như Chì, Asen, Cadimi đều nằm dưới giới hạn cho phép của đất lâm nghiệp.

  5. Biện pháp kỹ thuật nào giúp ổn định sườn dốc bãi thải cao trên 60 mét? Giải pháp hữu hiệu nhất là kết hợp kỹ thuật công trình và sinh học: đánh rạch ngang rộng 0,5 mét dọc sườn dốc trên 32 độ để đào hố trồng cây kích thước 40x40x40 cm theo hình nanh sấu, đồng thời trồng bổ sung 106.000 hàng cỏ Vetiver tạo mạng lưới rễ giằng chống xói mòn và sạt trượt đất đá trong mùa mưa.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng đất đá thải bãi thải Đông Cao Sơn với độ chua cao (pH từ 3,47 đến 3,80) và hàm lượng đá thô chiếm trên 90%.
  • Xác định được năng lực sinh trưởng vượt trội của Keo lá tràm và Thông nhựa với tỷ lệ sống sau 1 năm duy trì từ 80,42% đến 85,70% trên diện tích gần 80 ha.
  • Chứng minh hiệu quả cải tạo môi trường đất thực tế: độ pH tăng 0,4 đến 0,5 đơn vị và hàm lượng mùn hữu cơ tăng lên 0,45% đến 0,71% sau 12 tháng.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật tích hợp gồm đào hố nanh sấu, giá thể dinh dưỡng 30% hữu cơ, kết hợp 106.000 hàng cỏ Vetiver và mô hình hỗn giao đa tầng.
  • Lộ trình giai đoạn 2018 - 2025 tập trung mở rộng phủ xanh toàn bộ 357,5 ha bãi thải, đưa công tác hoàn nguyên môi trường mỏ than trở thành hình mẫu sinh thái bền vững.

Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp khai thác khoáng sản hãy ứng dụng ngay mô hình kỹ thuật phục hồi sinh thái này để bảo vệ môi trường vùng mỏ Quảng Ninh xanh và bền vững.