CN112335366A - 一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，步骤如下：S1、重构土壤的制备：重构土壤由接种土壤和土壤基质构成，接种土壤来源于区域内的原生境土壤和矿区修复区土壤，取其表层0‑30cm土壤与土壤基质充分混合，原生境土壤、矿区修复区土壤、土壤基质三者的重量比为1:1:8，土壤基质包括矿区原生复合土、土壤改良剂、生物质废弃物，其三者的重量比为4:3:1；S2、用于采矿迹地的覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面，首先进行地貌平整，将重构土壤覆在需要修复的坡面上。本发明采用上述一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，修复效果高效、快速、持久，减蚀效果显著。

Description

一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法

技术领域

本发明涉及人工土壤种源补充与生境改善方法技术领域，特别是涉及一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法。

背景技术

矿山开采对土地、生态系统和人居环境产生了巨大影响。我国共有大中型矿山9000多座，26万座小型矿山，因采矿侵占土地面积已接近40000km²，因此而废弃的土地面积达330km²/a。在我国人地矛盾日益激烈的情况下，加强矿山采矿迹地的土地复垦与生态修复已迫在眉睫。

目前，冀东山区采矿迹地土地复垦与生态修复同时受到自然环境条件和釆矿破坏程度的制约，出现干旱少雨、寒冷多风、土层薄、土壤贫瘠以及土质破碎、缺乏植物植体、坡面长坡度陡等问题。采矿迹地退化生态系统的生态修复的最主要制约因素是土壤贫瘠和植物繁殖体缺失，而表土剥离是最极端的形式，使得土壤整个有机层(20-100cm)缺乏以及被去除，这是几乎全部营养物质、土壤生物以及地上植被集中的区域。因此，冀东山区采矿迹地土地复垦与生态修复中关键要解决土壤贫瘠、植被退化的问题。土壤与植被的快速重构与恢复是冀东山区采矿迹地生态修复中最为基础的技术难题，是实现采矿迹地大规模生态修复与治理的可持续发展的关键。

在土壤重构与植被恢复的研究及技术中，对采矿迹地主要是通过全客土回填、物理化学改良、城市污泥和废弃物人工基质改良、生物改良等技术，并种植植被而实现。

然而，对于目前的土壤修复技术存在一定的缺陷：

(1)地表土壤对植物生长具有很大程度的影响，一般在矿山修复中，由于矿山排土场、废弃矿坑等地土壤层薄、条件差、渣石堆积、重金属污染等问题，因此全客土回填是一种常用且最为有效的措施，但是其涉及表土釆集、存放、二次倒土等，工程量大、成本高。并且，采矿过程中产生大量的固体废弃物，包括剥离的废土、废石和尾矿等，尾矿废弃物通常含有混合的土壤、不同粒径的砂砾、尾矿废物及其风化产物等，与正常的土壤有很大的区别。如，矿区中有害重金属的浓度较大，而有机质、氮、磷的含量均很低。

基于这些原因，回填的客土很容易受到污染(并呈周期性侵蚀现象)，进一步地导致矿区有机质分解和氮矿化过程受到抑制，导致生物多样性衰减，严重地影响植被生长。另外还有一个更关键的实际问题不容忽视：在山区需要仔细权衡提供客土的生态系统受到的干扰程度，考虑到客土来源与采矿迹地生态系统的适宜性，稀缺的客土需从邻近区域获得，但本就脆弱的山区生态系统不宜作为长期、大规模客土的供体。

(2)物理化学改良技术通过施加物理或化学物质对矿山土壤进行酸碱度改良以及施用肥料増加土壤肥力，对植被恢复具有显著影响，但化肥效果短期，需长期的人力物力投入与维护；污泥改良也是目前土壤改良的一个方法，城市污泥中富含有机质，利于植物对营养的吸收，但由于其中同时含有大量重金属和其他污染物，可能造成二次污染。并且由于缺乏土壤生物群落，这些化肥或有机质往往不能为植物高效吸收，这种措施常常导致氮停止流通，从而间接地降低群落生产力和消极地提高贫营养群落的营养水平。

(3)生物改良技术中通常用蚯蚓、藻类和微生物等，能够明显改善土壤理化性质，加速土壤熟化过程，同时选择适宜的植物配置，加快矿山生态修复，另外接种菌技术如真菌菌根应用在矿山土壤修复中，对土壤改良有效，但在冀东山区立地条件恶劣的情况下，此类生物技术受局限较大，效果缓慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，修复效果高效、快速、持久，减蚀效果显著。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，步骤如下：

S1、重构土壤的制备

重构土壤由接种土壤和土壤基质构成，接种土壤来源于区域内的原生境土壤和矿区修复区土壤，取其表层0-30cm土壤与土壤基质充分混合，原生境土壤、矿区修复区土壤和土壤基质三者的重量比为1:1:8，土壤基质包括矿区原生复合土、土壤改良剂、生物质废弃物其三者的重量比为4:3:1；

S2、用于采矿迹地的覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面，首先进行地貌平整，将重构土壤覆在需要修复的坡面上，根据现场地质地貌、土壤条件的差别以及恢复的要求不同，覆土的厚度为25-35cm；种植乡土适宜草本种子及灌木、乔木幼苗；

对于坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将重构土壤与生态袋工程措施相结合，种植乡土适宜草本种子及灌木、乔木幼苗，草本种子置于装有重构土壤的木浆纸袋中，木浆纸袋置于生态袋内重构土壤上侧，生态袋错茬码放于需修复的边坡，当坡度大于40°时，与混凝土格栅式框架相结合，在框格中码放生态袋。

优选的，草本种子及灌木、乔木幼苗种类为采矿迹地方圆30km范围内生长的、适应性显著的3-5种草本的混合草种和5-8种木本植物，混合草种中各草种等量混合，木本植物种植密度为株距2m。

优选的，原生境土壤为本土优势物种显著、物种丰富且无外来物种的土壤。

优选的，矿区原生复合土包括矿区表土被剥离后显现的深层原生土壤、粉碎后的废石和尾矿或砂砾及其风化产物。

优选的，土壤改良剂包括风化煤、糖厂副产品的生物黄腐酸钾、天然沸石粉、聚丙烯酸钾盐。

优选的，生物质废弃物包括采矿迹地方圆30km范围内的农作物废弃物、杂草和/或园林废弃物，生物质废弃物中小麦、玉米秸秆二者比例和不低于60％。

优选的，矿区修复区为生态修复多年后，生态修复效应显著的地区。矿区原生复合土包括矿区剥离的废土、粉碎后的废石和尾矿、砂砾及其风化产物，按照土性材料与岩性粉碎材料1:1混合。

优选的，风化煤为绿色环保型有机肥原料，制备方法为先将风化煤过筛100-150目，后将碳酸氢钠与碳酸氢钾重量比1:1的组合，配制成浓度为15-30wt％的溶液喷洒到风化煤上，搅拌均匀放置24-72小时，活化风化煤腐殖酸含量N＞40％，有机质含量＞70％。

因此，本发明采用上述一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，修复效果高效、快速、持久，减蚀效果显著。

本发明通过引入本土土壤接种及群落演替理论，以退化土壤生物群落演替人工引导、土壤重构、植被演替人工引导为思路，应用土壤接种技术、方法，从而突破矿区土壤修复中“土壤属性恢复滞后”的技术瓶颈。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构中边坡坡度小于40°时，将生态袋直接码放于修复边坡的正立面图；

图2是本发明一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构中边坡坡度小于40°时，将生态袋直接码放于需修复的边坡的侧立面图；

图3是本发明一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构中边坡坡度大于40°时，将生态袋与拱形混凝土格栅相结合，在框格中码放生态袋，用于修复边坡的正立面图；

图4是本发明一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构中边坡坡度大于40°时，将生态袋与拱形混凝土格栅相结合，在框格中码放生态袋，用于修复边坡的侧立面图。

附图标记

1、生态袋(内含木浆纸袋)；2、坡脚；3、S形排水道；4、拱形混凝土格栅。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，步骤如下：

S1、重构土壤的制备

重构土壤由接种土壤和土壤基质构成，接种土壤来源于区域内的原生境土壤和矿区修复土壤区，取其表层0-30cm土壤与土壤基质充分混合。原生境土壤、矿区修复区土壤和土壤基质三者的重量比为1:1:8，土壤基质包括矿区原生复合土、土壤改良剂、生物质废弃物，其三者的重量比为4:3:1；

原生境土壤为本土优势物种显著、物种丰富且无外来物种的土壤。矿区修复区为生态修复多年后，生态修复效应显著的地区，矿区原生复合土包括矿区剥离的废土、粉碎后的废石和尾矿、砂砾及其风化产物，按照土性材料与岩性粉碎材料1:1混合。

矿区原生复合土包括矿区表土被剥离后显现的深层原生土壤、粉碎后的废石和尾矿或砂砾及其风化产物。

土壤改良剂包括风化煤、糖厂副产品的生物黄腐酸钾、天然沸石粉、聚丙烯酸钾盐。风化煤为绿色环保型有机肥原料，制备方法为先将风化煤过筛100-150目，后将碳酸氢钠与碳酸氢钾重量比1:1的组合，配制成浓度为15-30wt％的溶液喷洒到风化煤上，搅拌均匀放置24-72小时，活化风化煤腐殖酸含量N＞40％，有机质含量＞70％。

生物质废弃物包括采矿迹地方圆30km范围内的农作物废弃物、杂草和/或园林废弃物，生物质废弃物中小麦、玉米秸秆二者比例和不低于60％。

S2、用于采矿迹地的覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面，首先进行地貌平整，将重构土壤覆在需要修复的坡面上，根据现场地质地貌、土壤条件的差别以及恢复的要求不同，覆土的厚度为25-35cm；种植乡土适宜草本种子及灌木、乔木幼苗；

对于坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将重构土壤与生态袋工程措施相结合，种植乡土适宜草本种子及灌木、乔木幼苗，草本种子通过两层置于装有重构土壤的木浆纸袋中，木浆纸袋置于附着在生态袋内重构土壤的上内侧，将重构土壤填充于生态袋中，生态袋错茬码放于需修复的边坡，当坡度大于40°时，与混凝土格栅式框架相结合，在框格中码放生态袋。

草本种子及灌木、乔木幼苗种类为采矿迹地方圆30km范围内生长的、适应性显著的3-5种草本的混合草种和5-8种木本植物，混合草种中各草种等量混合，木本植物种植密度为株距2m。

实施例一

一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，步骤如下：

S1、重构土壤的制备

按重量份数组合以下成分：接种土壤20份、矿区原生复合土40份、风化煤15份、生物质废弃物10份、生物黄腐酸钾8份、天然沸石粉7份，按这六种原料总体积添加聚丙烯酸钾盐80g/m³。

接种土壤包括原生境土壤和矿区修复区土壤，等比例混合。风化煤为绿色环保型有机肥原料，为植物提供有机质。生物黄腐酸钾系糖厂副产品，纯天然发酵品，无毒副作用，富含氮、磷、钾、氨基酸、粗蛋白、有机质以及多种微量元素、以及维生素、菌体蛋白、表面活性物及促生长因子，尤其黄腐酸含量为50％左右。天然沸石粉富含氮、磷、钾、有机质及多种矿化微量元素，且可吸附土壤中重金属离子。聚丙烯酸钾盐属于土壤保水剂，在自然条件下可反复吸水50次左右后自然降解，同时提高土壤速效养分的特点。

冀东山区采矿迹地土壌修复中重构土壤方法，包括以下步骤：

S1、将接种土壤、矿区原生复合土、风化煤、生物质废弃物、生物黄腐酸钾、天然沸石粉、聚丙烯酸钾盐、按其重量份数混合均匀，重构采矿迹地的土壤。

S2、如图1-4所示，用于土壤覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面(小于40°)时，首先进行土地平整压实，减轻后期非均匀沉降的过程，将重构土壤覆在需要修复的坡面上，根据现场地质地貌、土壤条件的差别以及恢复的要求不同，覆土的厚度为30cm；

对于坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将重构土壤与生态袋工程措施相结合，采用可降解的纤维材料生态袋，将重构土壤填充于生态袋中，选择当地乡土适宜草本种子与重构土壤混合，土壤厚度为4-6cm，填充于木浆纸袋中，木浆纸袋置于生态袋内上侧，生态袋错茬码放于需修复的边坡，坡脚修建3-5m短平台，并码放生态袋；当坡度大于40°时，与拱形混凝土格栅框架相结合，在框格中码放生态袋，坡脚修建3-5m短平台，并码放生态袋，增加防护强度。

本发明中各组分的作用原理：

(1)接种土壤对生态修复的引导和加速作用：土壤接种起到了生态修复的引导剂和加速器。首先，接种土壤提供了适量的本土微生物群落和种子库，在减少了全客土覆盖回填产生的二次破坏的同时增加土壤的生物活性。其次，利用接种土壤，即次生土壤加速生态恢复的潜力，通过适当地干预、调控技术，使重构的土壤能够缩短或跨越土壤的原生演替而较快地进入次生演替。

(2)活化风化煤和天然沸石粉改善土壤理化性质：活化风化煤和天然沸石粉等材料为土壤提供有机质、腐植酸、氮磷钾及微量元素等，提高土壤肥力，沸石粉具有吸附重金属作用，减轻重金属污染。

(3)聚丙烯酸钾盐改善土壤结构：聚丙烯酸钾盐材料主要改善土壤水分条件，增加土壤孔隙度。

三者共同作用于土壤，改善土壤水分及养分条件，增加土壤团聚体，改善土壤结构；同时土壤生物因素与非生物因素彼此间相互作用，协同修复土壤生态系统功能，为植被恢复及生态系统的修复创造了可持续的物质循环和能量流动环境。

该接种土壤中的微生物对土壤和植被根系的持续作用，保证了土壤修复和植被恢复过程中协同促进，实现了高效、快速、持续的土壤-植被协同修复。

本发明的土壤重构方法首先解决冀东山区土壤资源稀缺、无法实施全客土修复的问题，同时提供土壤养分，尤其通过土壤接种增加了重构土壤中的本土微生物群落和本土植物种子库，增加土壤的生物活性，加快土壤熟化过程，促使土壤环境的进入良性循环，使土壤生态系统达到并维持在植物生长与土壤熟化相互促进的平衡状态。

与现有技术相比，有以下不同：

(1)本发明首次将土壤混合接种理论及技术引入到冀东山区采矿迹地生态修复中，利用接种土壤丰富的本土微生物及种子库资源对采矿迹地原生性复合土壤实施土壤演替以及植被发育的引导作用。解决了采矿迹地退化生态系统建立快速的、可持续的土壤-植被系统这一关键技术问题。

(2)本发明首次将接种土壤、土壤改良剂与生态袋生态修复工程措施相结合用于采矿迹地土壤修复及水土减蚀，修复效果高效、快速、持久，减蚀效果显著。

实施例二

位于河北省廊坊市三河市东部蒋福山白云石露天矿区(东经117°05′13″～117°11′10″，北纬40°00′23″～40°02′34″)。矿区土壤类型以石灰性褐土为主，土质疏松，抗蚀抗冲性差，水土流失严重，有机质含量少。长时间的矿业活动使矿区内地表原貌荡然无存，取而代之的是满目疮痍的孤丘、残山、采坑、渣堆等，成为白茫茫的一片凌乱无秩序的乱石场。

2018年，选择两处坡度坡长、坡面破碎度等立地条件相似的坡面及平台，根据本发明相关内容进行对照试验。试验过程中，以接种土壤为单一变量，其他条件在同类立地类型下样地设置、植物种子、样地的养护与管理等不变。

在平整或坡度较缓的坡面，将接种土壤与土壤基质按2:8混合成为重构土壤作为实验组Ⅰ(Experimental groupⅠ，EgⅠ)，厚度为30cm。同时为了验证重构土壤中本土微生物群落对土壤修复的效应，设置了复合微生物菌剂添加实验作为对照组Ⅰ(Control groupⅠ，CgⅠ)，每立方重构土壤中添加5g复合微生物菌剂，包括固氮菌、光合菌、根瘤菌、解淀粉芽砲杆菌、枯草芽砲杆菌，添加量有效活菌数≥5亿/克；将所述复合微生物菌剂按1:100的比例加水稀释，均匀喷洒并再次混合均匀。为了验证重构土壤对贫瘠土壤的生物活性改良效应，设置全部为贫瘠土壤基质而无接种土壤的试验作为对照组Ⅱ(CgⅡ)。为了验证重构土壤具有与全客土相近的修复效应，设置全部为客土而无重构土壤的试验为对照组Ⅲ(CgⅢ)。土层厚度30cm，土壤表面覆盖无繁殖体的干草层3-5cm，以保持土壤水分。

在坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将该重构土壤与生态袋工程措施相结合。选择PET材料生态袋，生态袋的规格为80cm×40cm，填充后的规格为65cm(长)×35cm(宽)×30cm(厚)。生态袋中填充接种土壤与土壤基质按2:8混合土壤作为实验组Ⅱ(EgⅡ)；同时依据上文的实验条件分别设置对照组Ⅳ(CgⅣ)、Ⅴ(CgⅤ)、Ⅵ(CgⅥ)。实验组与对照组生态袋中的木浆纸袋中均添加同质、同比的植物种子，木浆纸袋置于生态袋内上面。

根据三河市当地的气候特点，以上草本植物种子选择紫花苜蓿(Medicagosativa)、黄花草木樨(Melilotus officinalis)、沙打旺(Astragalus adsurgens)、狗牙根(Cynodon dactylon)和黑麦草(Lolium perenne)(购于当地的种子公司或人工采收成熟种子)，相同比例混合，播种密度为20-25Kg·ha^-1，播种深度为3-5cm；木本选择沙棘(Hippophae rhamnoides)、土庄绣线菊(Spiraea pubescens)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、荆条(Vitex negundo var.heterophylla)和蚂蚱腿子(Myripnois dioica)等，均为2年实生苗，木本株距2m。以上实验设置见下表1。

以上的草本种子播种和木本苗种植时间均为春季，地面温度回升至12℃以上，土壤墒情较好时进行。春旱不宜播种时，可以夏播，并选在雨季来临和透雨后进行。对所述接种土壤、土壤基质及重构土壤的土壤速效养分、有机质含量、微生物生物质碳等土壤基础数据进行测定(表2)。

然后，在以上实验组和对照组样地分别设置5个1m×1m的样方，进行以下植物和土壤参数的监测：1个月时样方中草本植物的出苗率以及4个月后样方中草本植被的总生物量，同时分别监测木本植物种植时及4个月后的基径、冠幅(表3-表6)。

监测4个月后样方土壤速效养分、有机质含量、微生物生物质碳(反应微生物数量与微生物活性)等实施例实验数据(表7)。

表7.四个月后样方土壤实验数据

将以上获得的基础数据与实施例实验数据以及试同类型立地类型实施例验数据间进行对比分析。

由上表2-表7分析可见，通过土壤接种方法形成的重构土壤的其各项指标出两个明显且具有普遍性的特征：①不同立地条件下的实验组各项指标均显著高于全部为土壤基质而无接种土壤的对照组Ⅱ；②实验组各项指标不低于添加了复合微生物菌剂对照组Ⅰ和全客土而无重构土壤的对照组Ⅲ。

通过以上分析可知，本发明的土壤重构方法在冀东山区采矿迹地生态修复中的应用，明显提高植物出苗率，提高了土壤养分条件，改善土壤理化性质，增加土壤生物活性，高效、快速提高了土壤的熟化过程，促进植被持续健康生长。

因此，本发明采用上述一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，修复效果高效、快速、持久，减蚀效果显著。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于，步骤如下：

S1、重构土壤的制备

重构土壤由接种土壤和土壤基质构成，接种土壤来源于区域内的原生境土壤和矿区修复区土壤，取其表层0-30cm土壤与土壤基质充分混合，原生境土壤、矿区修复区土壤和土壤基质三者的重量比为1:1:8，土壤基质包括矿区原生复合土、土壤改良剂、生物质废弃物，其三者的重量比为4:3:1；

S2、用于采矿迹地的覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面，首先进行地貌平整，将重构土壤覆在需要修复的坡面上，根据现场地质地貌、土壤条件的差别以及恢复的要求不同，覆土的厚度为25-35cm；种植乡土适宜草本种子及灌木、乔木幼苗；

对于坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将重构土壤与生态袋工程措施相结合，种植乡土适宜草本种子及灌木、乔木幼苗，草本种子置于装有重构土壤的木浆纸袋中，木浆纸袋置于生态袋内重构土壤上侧，生态袋错茬码放于需修复的边坡，当坡度大于40°时，与混凝土格栅式框架相结合，在框格中码放生态袋。

2.根据权利要求1所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：草本种子及灌木、乔木幼苗种类为采矿迹地方圆30km范围内生长的、适应性显著的3-5种草本的混合草种和5-8种木本植物，混合草种中各草种等量混合，木本植物种植密度为株距2m。

3.根据权利要求1所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：原生境土壤为本土优势物种显著、物种丰富且无外来物种的土壤。

4.根据权利要求1所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：矿区原生复合土包括矿区表土被剥离后显现的深层原生土壤、粉碎后的废石和尾矿或砂砾及其风化产物。

5.根据权利要求1所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：土壤改良剂包括风化煤、糖厂副产品的生物黄腐酸钾、天然沸石粉、聚丙烯酸钾盐。

6.根据权利要求1所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：生物质废弃物包括采矿迹地方圆30km范围内的农作物废弃物、杂草和/或园林废弃物，生物质废弃物中小麦、玉米秸秆二者比例和不低于60％。

7.根据权利要求1所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：矿区修复区为生态修复多年后，生态修复效应显著的地区，矿区原生复合土包括矿区剥离的废土、粉碎后的废石和尾矿、砂砾及其风化产物，按照土性材料与岩性粉碎材料1:1混合。

8.根据权利要求5所述的一种基于土壤接种的采矿迹地土壤重构方法，其特征在于：风化煤为绿色环保型有机肥原料，制备方法为先将风化煤过筛100-150目，后将碳酸氢钠与碳酸氢钾重量比1:1的组合，配制成浓度为15-30wt％的溶液喷洒到风化煤上，搅拌均匀放置24-72小时，活化风化煤腐殖酸含量N＞40％，有机质含量＞70％。

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