CN113349016A - 一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质及其制备方法与应用 - Google Patents

一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质及其制备方法与应用。本发明公开的无土植被恢复基质包括无土基质和营养基质。应用本发明的无土植被恢复基质可以实现煤矸石堆场的快速植被恢复。

Description

一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质及其 制备方法与应用
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质及其制备方法与应用。
背景技术
我国西北寒旱地区生态环境恶劣，降雨量少，昼夜温差较大，且伴随沙尘天气，部分草原区植被退化严重，土壤多为砂砾土，持水能力低，有机质、氮磷钾等营养成分少。加上煤矿区煤矸石堆场面积大，堆场表面覆土量需求大，土源又少，砂砾土在煤矸石堆场表面的固着能力差，极易被风沙吹蚀，因此，风力侵蚀影响大，进而造成煤矸石堆场植被恢复难度增大，生态环境较差。
我国煤炭资源丰富，煤矸石堆存量大，而煤矸石堆场植被恢复问题是现有技术的瓶颈。煤矸石堆场释放出SO2、CO、H2S和NOx等大量有害气体，并且以气态形式排入大气，对周边生态环境(土壤、地表水、地下水)造成严重破坏。
针对开采遗留的大量煤矸石堆场土源问题难解决、立地条件差、植被恢复难度大等问题，本着“源头控制、过程阻控、末端治理、生态修复相结合”的原则，以植被恢复为目标，进行煤矸石堆场的土壤和水分立地条件的改良，做到改善生态环境和周边居民生活质量，对煤矿周边环境、经济和社会可持续发展的具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质，该基质能够应用于西北寒旱地区的煤矸石堆场，实现植被恢复。
为达到上述目的，在一个方面，本发明提供一种无土植被恢复基质，包括无土基质和营养基质；
其中，所述无土基质是将动物排泄物、沼渣和农林废弃物在50-60℃下混匀发酵5-7天制成，所述无土基质中动物排泄物、沼渣和农林废弃物的体积份为：10-25份的动物排泄物、25-40份的沼渣和40-60份的农林废弃物；
所述营养基质是将微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂在20-25℃下混匀，并按照微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:(0.5-0.6)的量加水混匀制成的固液混合物，所述营养基质中微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂的质量份为：10-30份的微生物菌剂、459-495份的废弃原木屑和15.3-51份的高分子胶结剂；
所述无土基质和营养基质各自独立包装；
所述动物排泄物是指经过环境检测合格的牛和羊等动物的粪便腐熟后的产物；
所述沼渣的固体物含量在20％以下，富含有机质、腐殖质和氮磷钾，有机质、腐殖质、氮、磷、钾的含量可以分别为30％～50％、10％～25％、0.5％～1.5％、0.3％～0.6％、0.5％～1.0％；
所述农林废弃物是指农作物种植后以及林业修剪后的剩余的废弃物，包括秸秆、树叶剪枝、枯树叶和/或糠皮渣；
所述微生物菌剂是指目标微生物扩繁后的活菌制剂，包含乳酸菌和/或芽孢杆菌，其中，乳酸菌能够抑制有害微生物的繁殖，加剧有机物的腐烂分解，促进木质素等难分解的有机物的分解；芽孢杆菌能够降解有机污染物，如多环芳烃、苯酚和硝基苯等，在混合培养时能迅速消耗环境中的氧气，促进乳酸菌等厌氧微生物的生长；
所述废弃原木屑是指长度小于1cm的原木屑；
所述高分子胶结剂是指高分子聚丙烯酰胺(分子量在800万～20000万之间)和水溶性粘合剂混匀后的胶结剂。
在一些实施方案中，上述无土植被恢复基质由所述无土基质和营养基质组成。
在一些实施方案中，上述无土植被恢复基质中，所述动物排泄物为牛粪和羊粪的混合物，牛粪和羊粪的体积比为(1-2):1；
所述沼渣中固体物质量百分比在20％以下；
所述农林废弃物是秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的混合物，破碎直径小于1cm，所述秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的质量比为(1.2-2):(1-2):(1-2):1；
所述微生物菌剂由乳酸菌和芽孢杆菌组成，所述乳酸菌和芽孢杆菌的质量比为(1-2):1；
所述废弃原木屑的长度小于1cm；和/或
所述高分子胶结剂为高分子聚丙烯酰胺和水溶性粘合剂混匀后的胶结剂，所述高分子聚丙烯酰胺和水溶性粘合剂的质量比为(4-5):1。
在一些实施方案中，上述无土植被恢复基质中，所述动物排泄物中，所述牛粪和羊粪的体积比为1:1；
所述农林废弃物中，所述秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的质量比为1.5:1.2:1.2:1；
所述微生物菌剂中，所述乳酸菌和芽孢杆菌的质量比为1:1；
所述高分子胶结剂中，所述高分子聚丙烯酰胺和水溶性粘合剂的质量比为4:1；和/或
所述营养基质配制时，所述微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:0.6。
在另一个方面，本发明提供上述任一所述的无土植被恢复基质的制备方法，包括如下步骤：
将所述动物排泄物、沼渣和农林废弃物在50-60℃下混匀发酵5-7天制成所述无土基质；
将所述微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂在20-25℃下混匀，并按照微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:(0.5-0.6)的量加水混匀制成固液混合物而成；
二者在无土植被恢复时配合使用。
在另一个方面，本发明提供一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复方法，包括如下步骤：
(1)将煤矸石堆场坡面进行清坡，清除杂物，将已有侵蚀沟进行填平；
(2)在煤矸石堆场坡面铺设植生板横档；
(3)在坡面位置采用锚杆对坡面进行加固；
(4)5月至8月，对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，均匀回填0.5-1.5m3上述任一所述的无土基质至坡面上；
(5)当年5月至8月，在无土基质层上喷施上述任一所述的营养基质，喷至无土基质层浸透为止，营养基质的用量为对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积484.3-576g/m2；
(6)当年5月至8月，喷播植物种子，种子用量为10-30g/m2；
(7)养护。
在一些实施方案中，上述方法中，步骤(2)中所述植生板横档的高度为5-15cm，优选为8cm，长度为1-3m，优选为1.5m，横档之间的间距为1.5-2m，优选为2m。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，步骤(3)中所述锚杆的直径为3-15cm，优选为3cm，长度为10-15cm，优选为10cm。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，步骤(6)中所述植物种子包括乔灌木和草本植物的种子。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，步骤(6)中所述植物种子由乔灌木和草本植物的种子组成。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述乔灌木为柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii Kom.)；
所述草本植物为紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、草木犀(Melilotusofficinalis(L.)Pall.)、细茎冰草(Slender Wildrye)、高羊茅(Festuca elata Keng exE.Alexeev)、披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)、黑麦草(Lolium perenne L.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.Syst.Veg.)、金鸡菊(Coreopsis basalis)、波斯菊(Cosmos bipinnata Cav.)、硫华菊(Cosmos sulphureus Cav.)、蛇目菊(Sanvitaliaprocumbens Lam.)、诸葛菜(Orychophragmus violaceus(L.)O.E.Schulz)、直立黄耆(Astragalus adsurgens Pall.)、无芒雀麦(Bromus inermis Leyss.)。
在另一方面，本发明提供上述任一所述的无土植被恢复基质在对西北寒旱地区煤矸石堆场的植被恢复和/或减少水土流失中的应用。
本发明的优点和积极效果如下：
本发明用于煤矸石堆场边坡和边坡平台进行生态恢复，尽可能多的改良煤矸石堆场的立地条件，同时辅助添加一定的营养成分改善煤矸石堆场表面的理化性质，可以就地生产，增加煤矸石堆场景观恢复效果，降低生态恢复成本，保护当地土地资源，能够应用于西北寒旱地区。
本发明通过植被恢复技术实现煤矸石堆场的快速植被恢复，从而达到治理煤矸石堆场，并改善周边景观生态环境和周边居民的居住和生活环境。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
牛粪和羊粪均为宁夏瑞威尔能源环境工程有限公司产品，均为经过环境检测合格的动物排泄物腐熟后的产物。下述实施例中的动物排泄物为该牛粪和羊粪的混合物，混合体积比为1:1。
沼渣为宁夏瑞威尔能源环境工程有限公司产品，固体物质量百分比在20％以下，富含有机质、腐殖质和氮磷钾。
农林废弃物由秸秆(下述实施例中具体为玉米秸秆)、树叶剪枝(下述实施例中具体为杨树和柳树的树叶剪枝)、枯树叶(下述实施例中具体为杨树和柳树的枯树叶)和糠皮渣(下述实施例中具体为小麦和玉米经过磨面机脱掉的表层的外壳)组成，破碎直径小于1cm，秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的质量比为1.5:1.2:1.2:1。
下述实施例中的无土基质是将动物排泄物、沼渣和农林废弃物在50-60℃下混匀发酵6天制成。
微生物菌剂为生物制剂成品，为无锡澳珀逸境生物科技有限公司产品，由乳酸菌和芽孢杆菌组成，二者的质量比为1:1。
废弃原木屑为宁夏瑞威尔能源环境工程有限公司产品，长度小于1cm。
高分子胶结剂为由高分子聚丙烯酰胺(分子量在800万～20000万之间，北京金元易生态环境产业股份有限公司产品)和水溶性粘合剂(北京金元易生态环境产业股份有限公司产品)混匀后的胶结剂，二者的质量比为4:1。
下述实施例中的营养基质是将微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂在常温(20-25℃)下混匀，并按照微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:0.6的量加水混匀制成的固液混合物。
喷播植物种子为：紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、草木犀(Melilotusofficinalis(L.)Pall.)、细茎冰草(Slender Wildrye)、高羊茅(Festuca elata Keng exE.Alexeev)、披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskiiKom.)、黑麦草(Lolium perenne L.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.Syst.Veg.)、金鸡菊(Coreopsis basalis)、波斯菊(Cosmos bipinnata Cav.)、硫华菊(Cosmossulphureus Cav.)、蛇目菊(Sanvitalia procumbens Lam.)、诸葛菜(Orychophragmusviolaceus(L.)O.E.Schulz)、直立黄耆(Astragalus adsurgens Pall.)、无芒雀麦(Bromusinermis Leyss.)共15种植物的种子，均为北京特蓝普生态科技有限公司产品，其中，乔灌木为柠条锦鸡儿，草本植物为紫花苜蓿、草木犀、细茎冰草、高羊茅、披碱草、黑麦草、沙蒿、金鸡菊、波斯菊、硫华菊、蛇目菊、诸葛菜、直立黄耆和无芒雀麦。
植被覆盖度采用1m×1m样方调查法，每个试验小区内随机选取9块样地，每个样地中植被在地面的投影面积占每个样地面积的百分比为植被覆盖度，结果取平均值。
水土流失率采用1m×1m样方调查法，每个试验小区内随机选取9块样地，每个样地中表面形成的侵蚀沟的长×宽×高的体积占每个样地体积的百分比为水土流失率，结果取平均值。
实施例1
国内西北地区乌海老石旦煤矿煤矸石堆场，设计生产能力120万吨/年，1965年建井，排弃物高度约40m，边坡30-40°之间，坡面表层为砂质土，未进行植被恢复，当地年平均降雨量约160mm，年平均蒸发量约3200mm，昼夜温差大。
在上述煤矸石堆场中设置4个试验小区，分别标记为WJ-1区、WJ-2区、WJ-3区和对照区，每个试验小区的长×宽为10m×10m。
对WJ-1区、WJ-2区和WJ-3区进行植被恢复的具体步骤如下：
(1)2020年7月，将煤矸石堆场坡面进行清坡，清除杂物，将已有侵蚀沟进行填平；
(2)对煤矸石堆场边坡进行整形，在煤矸石堆场坡面铺设植生板横档(规格：高度8cm、长度1.5m)，横档之间的间距为2m；
(3)在坡面位置采用锚杆对坡面进行加固，锚杆直径3cm，长度为10cm；
(4)当月，对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，人工均匀回填0.5-1.5m3无土基质至坡面上；
(5)当月，在无土基质层上喷施营养基质，喷至无土基质层浸透为止，营养基质的用量为对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积484.3-576g/m2；
(6)并在当月，喷播植物种子，种子用量为10-30g/m2；
(7)人工养护，完成。
其中，针对试验小区WJ-1区、WJ-2区和WJ-3区，步骤(4)、(5)和(6)中的无土基质、营养基质和喷播植物种子分别如下述实施例2、实施例3和实施例4所述。
对对照区进行植被恢复的具体步骤如下述对比例所述。
实施例2
本实施例根据实施例1的步骤对WJ-1区进行植被恢复，无土基质和营养基质的用量和组成如下：
对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，施用1m3无土基质，无土基质由动物排泄物、沼渣和农林废弃物混匀发酵制成，其中动物排泄物、沼渣和农林废弃物的体积分别为0.2m3、0.4m3和0.4m3；
对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，施用由微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂与水混匀后制成的营养基质，其中微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂的质量分别为20g、484.5g和25.5g，三者的总质量为530g。
植物种子的喷播量为20g/m2，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，紫花苜蓿:草木犀:细茎冰草:高羊茅:披碱草:柠条锦鸡儿:黑麦草:沙蒿:金鸡菊:波斯菊:硫华菊:蛇目菊:诸葛菜:直立黄耆:无芒雀麦种子的质量比为：2.5:2:1.5:0.4:3:3:0.3:0.2:0.4:0.2:0.2:0.2:0.1:3:3。
结果：2020年8月，植物种出苗种类最多，为15种，植被覆盖度98％以上，植物长势(植株的生长高度)最好，水土流失率(与不进行步骤(4)和(5)，其余步骤与本实施例相同的方法相比)减少98％以上。
实施例3
本实施例根据实施例1的步骤对WJ-2区进行植被恢复，无土基质和营养基质的用量和组成如下：
对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，施用1m3无土基质，无土基质由动物排泄物、沼渣和农林废弃物混匀发酵制成，其中动物排泄物、沼渣和农林废弃物的体积分别为0.25m3、0.25m3和0.5m3；
对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，施用由微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂与水混匀后制成的营养基质，其中微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂的质量分别为10g、459g和51g，三者的总质量为520g。
植物种子的喷播量为20g/m2，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，各种子的混合比例同实施例2。
结果：2020年8月，植物种出苗种类为10种，植被覆盖度95％以上，植物长势较好，水土流失率(与不进行步骤(4)和(5)，其余步骤与本实施例相同的方法相比)减少90％以上。
实施例4
本实施例根据实施例1的步骤对WJ-3区进行植被恢复，无土基质和营养基质的用量和组成如下：
对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，施用1m3无土基质，无土基质由动物排泄物、沼渣和农林废弃物混匀发酵制成，其中动物排泄物、沼渣和农林废弃物的体积分别为0.1m3、0.3m3和0.6m3；
对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，施用由微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂与水混匀后制成的营养基质，其中微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂的质量分别为30g、495g和15.3g，三者的总质量为540.3g。
植物种子的喷播量为20g/m2，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，各种子的混合比例同实施例2。
结果：2020年8月，植物种出苗种类为8种，植被覆盖度90％以上，植物长势稍好，水土流失率(与不进行步骤(4)和(5)，其余步骤与本实施例相同的方法相比)减少85％以上。
对比例
本对比例对对照区进行植被恢复，与实施例1的步骤的区别仅在于：
不进行步骤(4)和(5)，而替换为如下步骤：
仅在坡面进行砂土覆盖，厚度5cm，未添加任何植物生长营养成分。
步骤(6)中，植物种子的喷播量为20g/m2，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，各种子的混合比例同实施例2。
结果：2020年8月，植物种出苗种类为3种，植被覆盖度最低(30％以下)，植物长势较差，水土流失率(与不进行上述替换步骤，其余步骤与本实施例相同的方法相比)减少10％。
与目前的煤矸石生态恢复方法及技术配方相比，本发明的复合基质配比，主要是针对西北寒旱地区的煤矸石堆场的生态恢复，提出适宜该地区的植物生长的基质配方，降低生态恢复成本，减少污染土地，有效利用当地的资源进行生态恢复，提高当地土壤资源的使用率，大大改善了矿区的生态环境，减少了环境污染，降低综合成本45％左右，提高了经济、社会和环境效益。

Claims (10)

1.一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复基质，包括无土基质和营养基质；
其中，所述无土基质是将动物排泄物、沼渣和农林废弃物在50-60℃下混匀发酵5-7天制成，所述无土基质中动物排泄物、沼渣和农林废弃物的体积份为：10-25份的动物排泄物、25-40份的沼渣和40-60份的农林废弃物；
所述营养基质是将微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂在20-25℃下混匀，并按照微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:(0.5-0.6)的量加水混匀制成的固液混合物，所述营养基质中微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂的质量份为：10-30份的微生物菌剂、459-495份的废弃原木屑和15.3-51份的高分子胶结剂。
2.根据权利要求1所述的无土植被恢复基质，其特征在于：所述动物排泄物为牛粪和羊粪的混合物，牛粪和羊粪的体积比为(1-2):1；
所述沼渣中固体物质量百分比在20％以下；
所述农林废弃物是秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的混合物，破碎直径小于1cm，所述秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的质量比为(1.2-2):(1-2):(1-2):1；
所述微生物菌剂由乳酸菌和芽孢杆菌组成，所述乳酸菌和芽孢杆菌的质量比为(1-2):1；
所述废弃原木屑的长度小于1cm；和/或
所述高分子胶结剂为高分子聚丙烯酰胺和水溶性粘合剂混匀后的胶结剂，所述高分子聚丙烯酰胺和水溶性粘合剂的质量比为(4-5):1。
3.根据权利要求2所述的无土植被恢复基质，其特征在于：所述动物排泄物中，所述牛粪和羊粪的体积比为1:1；
所述农林废弃物中，所述秸秆、树叶剪枝、枯树叶和糠皮渣的质量比为1.5:1.2:1.2:1；
所述微生物菌剂中，所述乳酸菌和芽孢杆菌的质量比为1:1；
所述高分子胶结剂中，所述高分子聚丙烯酰胺和水溶性粘合剂的质量比为4:1；和/或
所述营养基质配制时，所述微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:0.6。
4.权利要求1-3任一项所述的无土植被恢复基质的制备方法，包括如下步骤：
将所述动物排泄物、沼渣和农林废弃物在50-60℃下混匀发酵5-7天制成所述无土基质；
将所述微生物菌剂、废弃原木屑和高分子胶结剂在20-25℃下混匀，并按照微生物菌剂+废弃原木屑+高分子胶结剂与水的质量比为1:(0.5-0.6)的量加水混匀制成固液混合物而成。
5.一种用于西北寒旱地区煤矸石堆场的无土植被恢复方法，包括如下步骤：
(1)将煤矸石堆场坡面进行清坡，将已有侵蚀沟进行填平；
(2)在煤矸石堆场坡面铺设植生板横档；
(3)在坡面位置采用锚杆对坡面进行加固；
(4)5月至8月，对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积，均匀回填0.5-1.5m3权利要求1-3任一项中所述的无土基质至坡面上；
(5)当年5月至8月，在无土基质层上喷施权利要求1-3任一项中所述的营养基质，喷至无土基质层浸透为止，营养基质的用量为对应于每m2煤矸石堆场植被恢复面积484.3-576g/m2；
(6)当年5月至8月，喷播植物种子，种子用量为10-30g/m2；
(7)养护。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述植生板横档的高度为5-15cm，长度为1-3m，横档之间的间距为1.5-2m。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述锚杆的直径为3-15cm，长度为10-15cm。
8.根据权利要求5-7任一项所述的方法，其特征在于：步骤(6)中所述植物种子包括乔灌木和草本植物的种子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述乔灌木为柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii Kom.)；
所述草本植物为紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、草木犀(Melilotus officinalis(L.)Pall.)、细茎冰草(Slender Wildrye)、高羊茅(Festuca elata Keng ex E.Alexeev)、披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)、黑麦草(Lolium perenne L.)、沙蒿(Artemisiadesertorum Spreng.Syst.Veg.)、金鸡菊(Coreopsis basalis)、波斯菊(Cosmosbipinnata Cav.)、硫华菊(Cosmos sulphureus Cav.)、蛇目菊(Sanvitalia procumbensLam.)、诸葛菜(Orychophragmus violaceus(L.)O.E.Schulz)、直立黄耆(Astragalusadsurgens Pall.)、无芒雀麦(Bromus inermis Leyss.)。
10.权利要求1-3任一项所述的无土植被恢复基质在对西北寒旱地区煤矸石堆场的植被恢复和/或减少水土流失中的应用。
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