CN113115603B - 一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法 - Google Patents

一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，在繁殖期开始前，将生长旺盛期的植物粉碎后与废弃地表的粉尘层、表土层混合形成混合层；挖出混合层和翻耕层，然后将混合层铺设到底土层上并在混合层中加入激发剂；然后在混合层上铺设翻耕层；在翻耕层上构筑网格状土垄将翻耕层分隔成若干矩形斑块，然后平整斑块内土壤；对平整后斑块内的土壤进行灌溉；土壤表面覆膜处理，维持厌氧状态，强还原环境监测：厌氧条件下，混合层变为腐殖质层，处理一周后腐殖质层土壤氧化还原电位不高于‑170mV；植物可在修复后土壤环境自主修复生长。本发明的土壤修复方法不需要引入外来物种，在原位修复，而且处理时间短、效率高、成本低。

Description

一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法
技术领域
本发明涉及一种土壤修复方法，具体涉及一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法。
背景技术
‌随着煤炭资源利用的迅速发展，煤炭露天开采模式占有越来越多的比例，煤(粉)尘是露天开采主要的环境污染物，在矿区及周边区域煤(粉)尘进入到环境中在土壤表面形成煤(粉)层。煤(粉)粉尘沉降对土壤及植物群落主要影响如下：煤(粉)尘在土壤表层形成一层类似于结皮的结构，植物凋落物难以通过煤尘层进入土壤层分解，土壤中腐殖质及养分减少；土壤煤尘具有较大的吸热能力，造成表层土壤温度增加，降低表层土壤水分含量；煤尘重金属等污染物会长期存留在表土环境中，改变土壤动物和微生物区系，带来极大的环境隐患。同时由于土壤表层养分减少，使得根系发育较深的灌木类植物形成优势物种，使得该区域地表主要植被类型发生变化。
针对矿区土壤的修复，有物理方法，包括挖掘填埋法、通风法等；生物方法，包括投菌法、生物通气法等；化学方法，包括焚烧法、化学清洗法、光化学降解法、化学氧化还原法等。针对常用的挖掘填埋法、化学钝化、投菌等方法，需要耗费的工程量大，具有二次污染风险等，而成本也相应较高，现有的修复方法都不利于实际的推广使用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，不引入外来物种，原位修复，处理时间短、效率高且成本低。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，包括以下步骤，
步骤一，在繁殖期开始前，将生长旺盛期的植物粉碎后与废弃地表的粉尘层、表土层混合形成混合层；
步骤二，挖出混合层和翻耕层，然后将混合层铺设到底土层上并在混合层中加入10-20 g/m2土的外源小分子激发剂，外源小分子激发剂的成分包括Glu、Ala、Acetic acid和Oxalic acid；
步骤三，步骤二中混合层构建深度为15cm-35cm，构建深度指混合层顶部距地表距离，混合层厚度为5-10cm；然后在混合层上铺设翻耕层；
步骤四，在翻耕层上构筑网格状土垄将翻耕层分隔成若干矩形斑块，然后平整斑块内土壤；
步骤五，对平整后斑块内的土壤进行灌溉，使土壤含水量达到100%最大田间持水量，确保土壤孔隙被水分子充满，由土壤表面开始向下至5cm处厚度的土壤处于厌氧状态，溶解氧含量≤0.2mg/L；
步骤六，土壤表面覆膜处理，维持厌氧状态15-20天，处理期内厌氧层溶解氧含量≤0.2mg/L，微氧层溶解氧含量≤0.5mg/L, 微氧层溶解氧含量高于0.5mg/L时则补水驱除氧气；强还原环境监测：厌氧条件下，混合层土壤微生物在外源小分子激发下与粉碎后的植物反应，混合层变为腐殖质层，处理一周后腐殖质层土壤氧化还原电位不高于-170mV；
步骤七，混合层变为腐殖质层后，植物可在修复后土壤环境自主修复生长。
进一步的，所述步骤一中生长旺盛期植物通过悬空耙原位粉碎，粉碎深度为2-5cm。
进一步的，所述步骤一中参与和粉碎植物混合的粉尘层深度为1-2cm。
进一步的，所述步骤二中外源小分子激发剂成分及比例为：Glu 10 mg /g，Ala 1mg /g，Acetic acid 0.1 mg /g，Oxalic acid 0.1 mg /g，Glu:Ala :Acetic acid :Oxalic acid，质量比的配比为100:10:1:1；该比例下的外源小分子激发剂能有效促进土壤中微生物复苏，在强还原环境下分解植物形成腐殖酸，进而络合吸附粉尘层中的重金属，并生成腐殖质层为上层土壤提供养分。
进一步的，所述步骤三中混合层中植土混合比为1:1-2.5，该植土混合比的配置与上述比例的外源小分子激发剂比例相适应，能达到最佳效果，构建后土壤紧实度为120-190PSI，具体的紧实度根据当地自然区域情况来定。
进一步的，所述步骤四中矩形斑块长*宽的尺寸为30m*30m，该尺寸能够在保证厌氧环境条件下降低操作难度，降低操作成本，土垄高*宽的尺寸为15cm*10cm。
进一步的，所述步骤四中斑块内土壤平整度偏差≤5cm。
与现有技术相比本发明由退化土壤腐殖质层再造、外源小分子模拟根系分泌物激发、强还原条件粉尘重金属钝化等技术组成；将粉尘沉降区退化土壤中入侵植物粉碎，将粉碎后的植物、粉尘和土壤混合后填埋至设定深度作为腐殖质来源，有效提高土壤养分；模拟植物根系分泌物组分分析，将类似于根系分泌物组成的外源小分子激发剂施放于腐殖质层，并利用土垄将修复区围起，在翻耕后的土壤表层注水形成厌氧条件，处于激发状态的土壤微生物和腐殖质充分反应形成强还原条件，强还原条件下腐殖酸与粉尘中重金属进行吸附、钝化等反应降低粉尘重金属生物有效性，强还原条件下生成自由基杀死土壤病原微生物。本专利是基于矿区粉尘沉降造成退化土壤复垦，能增加土壤腐殖质含量，增加土壤养分和保水能力，降低粉尘重金属胁迫，有效提高矿区退化土壤质量的生态修复方法。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：
重构土壤表面：
步骤一，在繁殖期开始前，将生长旺盛期的植物通过悬空耙原位粉碎，粉碎深度为2-5cm，与废弃地表以下深度为1-2cm的粉尘层及深度为2-5cm的表土层混合形成混合层。破坏了长期沉降形成的粉尘层，消除了植物种子、凋落物进入土壤的障碍，利用入侵木质化植物植株作为腐殖质层来源，采用破碎、旋耕等技术，有效的消除入侵植物存在状态，同时为腐殖质形成提供原材料。
添加激发剂构建腐殖质层：
步骤二，挖出混合层和翻耕层，然后将混合层铺设到底土层上并将10-20 g/m2土的外源小分子激发剂通过螺旋式犁壁埋入到混合层中，外源小分子激发剂成分及比例为：
Glu 10 mg /g，Ala 1 mg /g，Acetic acid 0.1 mg /g，Oxalic acid 0.1 mg /g，Glu:Ala :Acetic acid :Oxalic acid，质量比的配比为100:10:1:1；外源小分子有效促进休眠微生物的复苏，促进微生物发挥降解功能，促进腐殖质形成。
步骤三，步骤二中混合层构建深度为15cm-35cm，混合层自身的厚度为5-10cm，植土混合比为1:1-2.5，构建后土壤紧实度为120-190 PSI；然后在混合层上铺设翻耕层。
区块化处理：
步骤四，在翻耕层上构筑网格状土垄，土垄高*宽的尺寸为15cm*10cm，网格状土垄将翻耕层分隔成若干长*宽的尺寸为30m*30m的矩形斑块，然后平整斑块内土壤，平整度偏差≤5cm。
构造厌氧环境：
步骤五，区块化处理后，对斑块内的土壤进行充分灌溉，使土壤含水量达到100%最大田间持水量，确保土壤孔隙被水分子充满，由土壤表面开始向下至5cm处厚度的土壤处于厌氧状态，溶解氧含量≤0.2mg/L。
厌氧环境及强还原反应维持：
步骤六，土壤表面覆膜处理，维持厌氧状态15-20天，处理期内厌氧层溶解氧含量≤0.2mg/L，厌氧层指从土壤表面向下由15cm处开始至30cm处这部分厚度的土壤；微氧层溶解氧含量≤0.5mg/L, 微氧层指从土壤表面开始向下至10cm处这部分厚度的土壤；微氧层溶解氧含量高于0.5mg/L时则补水驱除氧气；强还原环境监测：厌氧条件下，混合层土壤微生物在外源小分子激发下与粉碎后的植物反应，此时，混合层变为腐殖质层；正常情况下，处理一周后，腐殖质层土壤氧化还原电位不高于-170mV，如果处理一周后腐殖质层土壤氧化还原电位高于-170mV，则在腐殖质层通过注射方式，加入1%浓度的葡萄糖作为碳源，使土壤中微生物消耗土壤氧气，维持强还原环境，待氧化还原电位低于-170mV；强还原条件下腐殖酸和粉尘层重金属发生吸附、钝化/稳定化反应，减少重金属胁迫；强还原条件后能改变粉尘层淋滤导致的土壤酸化问题，使得土壤pH值趋于中性；能够促进退化土壤植物种子萌发，促进植物群落自修复过程。
步骤七，植物可在修复后土壤环境自主修复生长，实现群落多样性恢复。
根据景观防尘需要，可在部分区域调整腐殖质层厚度及腐殖质含量提高土壤保水能力，还可通过腐殖质层深度控制不同深度土壤水分含量，引导木质化植物(深根）或禾本科植物生长，以实现人工引导植物物种分化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一，在繁殖期开始前，将生长旺盛期的植物粉碎后与废弃地表的粉尘层、表土层混合形成混合层；
步骤二，挖出混合层和翻耕层，然后将混合层铺设到底土层上并在混合层中加入10-20g/m2土的外源小分子激发剂，外源小分子激发剂的成分包括Glu、Ala、Acetic acid和Oxalic acid；
步骤三，步骤二中混合层构建深度为15cm-35cm，混合层厚度为5-10cm；然后在混合层上铺设翻耕层；
步骤四，在翻耕层上构筑网格状土垄将翻耕层分隔成若干矩形斑块，然后平整斑块内土壤；
步骤五，对平整后斑块内的土壤进行灌溉，使土壤含水量达到100%最大田间持水量，由土壤表面开始向下至5cm处厚度的土壤处于厌氧状态，溶解氧含量≤0.2mg/L；
步骤六，土壤表面覆膜处理，维持厌氧状态15-20天，处理期内厌氧层溶解氧含量≤0.2mg/L，微氧层溶解氧含量≤0.5mg/L, 微氧层溶解氧含量高于0.5mg/L时则补水驱除氧气；强还原环境监测：厌氧条件下混合层变为腐殖质层，处理一周后，混合层土壤氧化还原电位不高于-170mV；
步骤七，混合层变为腐殖质层后，植物可在修复后土壤环境自主修复生长。
2.根据权利要求1所述的一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于：所述步骤一中生长旺盛期植物通过悬空耙原位粉碎，粉碎深度为2-5cm。
3.根据权利要求1所述的一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于：所述步骤一中参与和粉碎植物混合的粉尘层深度为1-2cm。
4.根据权利要求1所述的一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于：所述步骤二中外源小分子激发剂成分及比例为：
Glu 10 mg /g，Ala 1 mg /g，Acetic acid 0.1 mg /g，Oxalic acid 0.1 mg /g，Glu:Ala :Acetic acid :Oxalic acid，质量比的配比为100:10:1:1。
5.根据权利要求1所述的一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于：所述步骤三中混合层中植土混合比为1:1-2.5，构建后土壤紧实度为120-190 PSI。
6.根据权利要求1所述的一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于：所述步骤四中矩形斑块长*宽的尺寸为30m*30m，土垄高*宽的尺寸为15cm*10cm。
7.根据权利要求1所述的一种露天矿粉尘沉降区土壤修复方法，其特征在于：所述步骤四中斑块内土壤平整度偏差≤5cm。
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