CN113728893A - 一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质及其制备方法，涉及岩质边坡复绿技术领域。本发明将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、粘结剂、保水剂、复合微生物菌肥、炉渣、粉煤灰和pH调节剂混合成复绿基质，利用各组分的协同作用，针对性的调配基质成分，有效解决了岩质边坡土壤附着能力差、保水性差以及有机物质含量低的问题，利用秸秆、炉渣、腐熟有机废弃物和粉煤灰等作为复绿基质的成分，废物利用，节能环保，具有较高的实用价值和应用前景。

Description

一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质及其制备方法
技术领域
本发明涉及岩质边坡复绿技术领域，具体涉及一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质及其制备方法。
背景技术
露天煤矿在开采过程中对矿区及其周边生态环境与区域地下水等造成了不同程度的破坏，并且大多数煤矿闭坑后没有得到有效的生态恢复与重建。随着对矿山边坡生态恢复要求的提升，煤矿区岩质边坡生态恢复是环境保护和生态文明建设的重要内容，有利于减少矿山地质灾害隐患，提升矿区生态环境质量。高寒草原煤矿闭坑后，开采遗留的裸露岩质边坡，由于其土壤物理结构不良、极端贫瘠、保水保肥能力差等原因，故生态恢复难度较大。因此，开展高寒草原矿区岩质边坡生态修复技术研究具有重要的工程应用价值和良好的生态效益。
针对岩质边坡采取了多种治理办法，但由于受到技术手段、气候条件等的制约，工程效果并不理想。目前常用的边坡修复技术是通过继续开挖大量的土壤，会带来新的环境破坏，增加边坡绿化的成本，另外也有利用液压喷播技术、厚层基材喷播技术等直接进行播种，但是只能在建植初期能防止坡面水土流失，随着应用年限的增加，在降雨、冻融等因素的影响下基材中的氮、磷、钾等元素，铁、锰、锌等微量元素流失严重，同时，在雨水的冲刷作用下，基材本身也将受到侵蚀而产生水土流失现象，不能达到良好的绿化和坡面防护效果的同时，造成基材原料的浪费，所以如何有效改善高寒草原矿区岩质边坡生态状况的同时降低矿山边坡生态恢复的成本是亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、粘结剂、保水剂、复合微生物菌肥、炉渣、粉煤灰和pH调节剂进行混合制成复绿基质，提供了一种提高高寒草原矿区岩质边坡土壤附着能力、保水性以及有机物质含量的复绿基质及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，包括以下原料：矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、粘结剂、保水剂、复合微生物菌肥、炉渣、粉煤灰和pH调节剂。
优选地，所述原料按照重量份数计包括：矿区废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物30份、秸秆5-10份、粘结剂2-4份、保水剂1-2份、复合微生物菌肥2-5份、炉渣20-30份、粉煤灰15-20份和pH调节剂1-2份。
优选地，所述原料按照重量份数计包括：矿区废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物30份、秸秆8份、粘结剂3份、保水剂2份、复合微生物菌肥3份、炉渣23份、粉煤灰18份和pH调节剂2份。
优选地，所述矿区废弃地土壤为高寒草原矿区风干的排土场边坡土。
优选地，所述复合微生物菌肥为枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、褐色固氮菌按照质量比3：3：3：1混合组成。
优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇和凹凸棒粉按照质量比1：10混合而成，凹凸棒粉粒径为0.10-0.30mm。
优选地，所述秸秆为稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆，按照质量比2：1：1组成的混合物，秸秆长度为1-2cm。
优选地，所述保水剂为聚丙烯酸钠类高吸水树脂。
优选地，所述炉渣的粒径为5-8mm；所述腐熟有机废弃物为污水处理厂污水处理后所得腐熟污泥或高温堆肥发酵后的牛羊粪。
优选地，所述pH调节剂由过磷酸钙和醋酸渣按照质量比1：2混合组成，用于调节碱性土壤，或者由熟石灰和草木灰按照质量比1：1混合组成，用于调节酸性土壤。
本发明还提供了一种所述高寒草原矿区岩质边坡复绿基质的制备方法，包括以下步骤：
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000-1200r/min的条件下搅拌30min，搅拌后静置2h形成搅拌产物，再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到高寒草原矿区岩质边坡复绿基质。
本发明公开了以下技术效果：
高寒草原地区矿区岩质边坡的稳定性受冻融影响较大，土壤覆盖层薄、土质松散且遇水极易崩塌，边坡所处的气候环境多变且复杂，根据此特点，本发明利用各组分的协同作用，针对性的调配基质成分，具体体现为：
选用高寒草原矿区风干的排土场边坡土作为复绿基质的主要成分，风干的排土场边坡土是在矿开采过程中人工堆积的土石混合物，在排出后经过自然雨水的冲刷，形成结构紧密的岩土混合土体，以此作为基质的主要成分，从而增加抗冲性能。
在复绿基质中加入的聚乙烯醇具有良好的成纤、成膜和机械性能，有助于提高基质的抗冲刷能力，同时用凹凸棒粉部分代替聚乙烯醇，凹凸棒粉比重轻、微量元素齐全，在基质中，为植物生长提供必需的微量元素，可吸附植物根部的有害病菌，减少发病率，凹凸棒粉和聚乙烯醇同时粘结剂具有沉降和絮凝基质中秸秆、炉渣、粉煤灰粒子的作用，可以构成抗冲刷、防渗漏的载体。
在风干的排土场边坡土中添加炉渣和粉煤灰，能够提高基质的透气性，防止基质土壤板结，聚丙烯酸钠类高吸水树脂具有保水性，能够提高砂岩边坡的保水能力，缓慢释放植物生长所需的大量水分。
在复绿基质中添加部分秸秆可增加基质的孔隙度，容重降低，使基质中团粒结构增加，进而使土壤物理性质得到改善，其中稻草秸秆、小麦秸秆与玉米秸秆按一定比例添加，稻草秸秆钙元素含量最高，经复合微生物菌肥发酵后为植物生长提供丰富的营养物质，小麦秸秆与玉米秸秆较坚挺的纤维结构同时提高了基质的透气性能，为植物生长提供足够氧气，同时秸秆改善基质的物理性质，固定保存腐熟有机废弃物产生的氮素，同时秸秆覆盖可以减少土壤水分的蒸发，有利于基质的保水。
复合微生物菌肥的相互作用，可以提高土壤肥力，增加土壤中有益微生物数量及活性，改善土壤活化性状。其中，枯草芽孢杆菌具备定殖能力，可以在作物内部和土壤中成功定殖，产生抗生素等活性物质，进而抑制病原菌的生长，促进植物生长；胶质芽孢杆菌可以分解土壤矿物中的钾、硅和磷，以及分泌植物生长刺激素和多种酶，增强作物抵抗力；巨大芽孢杆菌具有解磷作用，可以降解土壤中难溶的含磷化合物，改良土壤结构；褐色固氮菌可以在土壤中自行繁殖并固定空气中的游离氮，又能分泌激素刺激作物的生长。通过微生物菌剂多项比例添加，达到持续改良土壤的作用，从而利于植物的生长。
腐熟污泥可以增加绿化基质的保水保肥性，提供植物生长所需的永久养分、发酵后的牛羊粪自身是一种弱碱性肥料，具有有机质含量多，氮、磷、钾含量高等特点，适用于各种农作物和土壤，是良好的土壤培肥材料，同时二者还可以吸附复合微生物菌肥发酵产生的有机物，形成网纹状结构，增加基质透气性和透水性，并且污泥的吸附性能使发酵后的秸秆、煤渣、粉煤灰等形成团粒结构，使基质很难分解成小颗粒，减少基质流失和风蚀的可能性，粉煤灰改善土壤理化性质，与污泥有很强的互补性，钝化污泥中的重金属，消灭病原微生物。
本发明利用秸秆、炉渣、腐熟有机废弃物、排土场边坡土和粉煤灰作为复绿基质的成分，废物利用，节能环保，采用本发明的岩质边坡复绿基质，能在较短的时间内最大限度地对矿区岩质边坡复绿，达到绿化护坡的目的。本发明针对矿区岩质边坡的特点，通过选择合适的基质成分，解决了岩质边坡土壤附着能力差、保水性差以及有机物质含量低的问题，有利于植物的生长。此外，本发明的制备方法易于操作，工艺简明，成本较低，原料大量利用工农业废弃物，符合“以废治废”的观念，具有较高的实用价值和应用前景。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
对实施例所用原料做以下说明：
矿山废弃地土壤选自高寒草原矿区风干的排土场边坡土；
复合微生物菌肥为枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、褐色固氮菌按照质量比3：3：3：1混合组成，枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、褐色固氮菌均通过购买得到；
粘结剂为聚乙烯醇和凹凸棒粉按照质量比1：10混合而成，凹凸棒粉粒径为0.10-0.30mm；
秸秆为稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆，按照质量比2：1：1组成的混合物，秸秆长度为1-2cm；
保水剂为聚丙烯酸钠类高吸水树脂；
炉渣的粒径为5-8mm；
腐熟有机废弃物为污水处理厂污水处理后所得腐熟污泥或高温堆肥发酵后的牛羊粪；
pH调节剂由过磷酸钙和醋酸渣按照质量比1：2混合组成或者由熟石灰和草木灰按照质量比1：1混合组成。
实施例1
高寒草原矿区岩质边坡复绿基质由以下质量份的组分制得：矿山废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物(腐熟活性污泥)30份、秸秆10份、炉渣20份、粉煤灰20份、粘结剂3份、保水剂(聚丙烯酸钠吸水树脂)2份、复合微生物菌肥3份、pH调节剂(过磷酸钙和醋酸)2份。
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000r/min的条件下搅拌30min，搅拌后静置2h形成搅拌产物。再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到岩质边坡复绿基质。
实施例2
高寒草原矿区岩质边坡复绿基质由以下质量份的组分制得：矿山废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物(腐熟牛羊粪)30份、秸秆5份、炉渣25份、粉煤灰15份、粘结剂2份、保水剂(聚丙烯酸钠吸水树脂)1份、复合微生物菌肥2份、pH调节剂(熟石灰和草木灰)2份。
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000r/min的条件下搅拌30min，搅拌后静置2h形成搅拌产物。再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到岩质边坡复绿基质。
实施例3
高寒草原矿区岩质边坡复绿基质由以下质量份的组分制得：矿山废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物(腐熟活性污泥与腐熟牛羊粪质量份数比为1:1)30份、秸秆8份、炉渣23份、粉煤灰18份、粘结剂3份、保水剂(聚丙烯酸钠吸水树脂)2份、复合微生物菌肥3份、pH调节剂(过磷酸钙和醋酸)2份。
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000r/min的条件下搅拌30min，搅拌后静置2h形成搅拌产物。再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到岩质边坡复绿基质。
实施例4
高寒草原矿区岩质边坡复绿基质由以下质量份的组分制得：矿山废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物(腐熟活性污泥与腐熟牛羊粪质量份数比为1:1)30份、秸秆8份、炉渣30份、粉煤灰18份、粘结剂4份、保水剂(聚丙烯酸钠吸水树脂)2份、复合微生物菌肥4份、pH调节剂(过磷酸钙和醋酸)2份。
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000r/min的条件下搅拌30min，搅拌后静置2h形成搅拌产物。再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到岩质边坡复绿基质。
实施例5
高寒草原矿区岩质边坡复绿基质由以下质量份的组分制得：矿山废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物(腐熟活性污泥与腐熟牛羊粪质量份数比为1:1)30份、秸秆6份、炉渣28份、粉煤灰19份、粘结剂3份、保水剂(聚丙烯酸钠吸水树脂)1份、复合微生物菌肥5份、pH调节剂(过磷酸钙和醋酸)1份。
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000r/min的条件下搅拌30min，搅拌后静置2h形成搅拌产物。再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到岩质边坡复绿基质。
对比例1
同实施例1，区别仅在于，将矿山废弃地土壤换为黄粘土。
对比例2
同实施例1，区别仅在于，粘结剂为聚乙烯醇。
对比例3
同实施例1，区别仅在于，复合微生物菌肥为枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、褐色固氮菌按照质量比3：3：1混合组成。
对比例4
同实施例1，区别仅在于，不加入秸秆。
对比例5
同实施例1，区别仅在于，加入的秸秆为玉米秸秆。
对比例6
同实施例1，区别仅在于，不加入腐熟有机废弃物。
对比例7
同实施例1，区别仅在于，不加入炉渣和粉煤灰。
对比例8
同实施例1，区别仅在于，不加入聚丙烯酸钠类高吸水树脂。
高寒草原矿区岩质边坡复绿基质由以下质量份的组分制得：矿山废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物(腐熟活性污泥)30份、秸秆10份、炉渣20份、粉煤灰20份、粘结剂3份、保水剂(聚丙烯酸钠吸水树脂)2份、复合微生物菌肥3份、pH调节剂(过磷酸钙和醋酸)2份。
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物与保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂一通加入到搅拌釜中，在转速为1000r/min的条件下搅拌30min，搅拌混合均匀后静置2h得到岩质边坡复绿基质。
性能试验
在内蒙古自治区满洲里市扎赉诺尔矿区采坑岩质边坡进行试验，采集试验前后土壤数据。试验前先进行坡面处理和网格铺设，保证边坡稳定。配料时将本发明实施例1-5与对比例1-8制备得到的岩质边坡复绿基质和种植土按质量比1：20进行混合，用搅拌机拌和均匀，在出料口进行过筛，防止大颗粒进入干喷机导致堵管。将混合料按照180kg/m2的用量均匀喷射在坡面和铁丝网上，喷射分2次。首先喷射制备得到的混合料，第一次喷射厚度为4-6cm,待喷射后的混合土达到一定强度后，将混合料与草种混合后再进行第二次喷射，草种为披碱草、苜蓿和冰草按照质量比6：3：1混合而成，草种施加量为50g/m2，最终喷射平均厚度为8-10cm。试验前后土壤各性能见表1：
表1试验前后土壤各性能
Figure BDA0003251666220000121
从表1中数据可以看出，与土壤原样相比，本发明实施例1-5制得的岩质边坡复绿基质在修复后土壤pH达到7.3附近，土壤在此pH范围下，有利于植物生长，效果最优。土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量与土壤原样相比均显著增加，说明本发明制得的岩质边坡复绿基质可明显增加土壤中有机质和养分含量。与对比例8相比，本发明实施例1-5土壤田间持水量和饱和持水量有明显增加，说明聚丙烯酸钠类高吸水树脂能够为植物生长保证水分的供应。对比例2则表示，当基质中不存在凹凸棒粉时，基质的粘聚力和内摩擦角最小，这说明凹凸棒粉可以提高基质的附着能力，防止基质的脱落。综上所述，本发明针对高寒草原矿区岩质边坡特点，针对性的调配基质成分，有效解决了岩质边坡土壤附着能力差、保水性差以及有机物质含量低的问题，有利于植物的生长。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，包括以下原料：矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、粘结剂、保水剂、复合微生物菌肥、炉渣、粉煤灰和pH调节剂。
2.根据权利要求1所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述原料按照重量份数计包括：矿区废弃地土壤100份、腐熟有机废弃物30份、秸秆5-10份、粘结剂2-4份、保水剂1-2份、复合微生物菌肥2-5份、炉渣20-30份、粉煤灰15-20份和pH调节剂1-2份。
3.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述矿区废弃地土壤为高寒草原矿区风干的排土场边坡土。
4.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述复合微生物菌肥为枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、褐色固氮菌按照质量比3：3：3：1混合组成。
5.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇和凹凸棒粉按照质量比1：10混合而成，凹凸棒粉粒径为0.10-0.30mm。
6.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述秸秆为稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆，按照质量比2：1：1组成的混合物。
7.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述保水剂为聚丙烯酸钠类高吸水树脂。
8.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述腐熟有机废弃物为污水处理厂污水处理后所得腐熟污泥和/或高温堆肥发酵后的牛羊粪。
9.根据权利要求2所述的一种高寒草原矿区岩质边坡复绿基质，其特征在于，所述pH调节剂由过磷酸钙和醋酸渣按照质量比1：2混合组成或者由熟石灰和草木灰按照质量比1：1混合组成。
10.一种权利要求1-9任一项所述高寒草原矿区岩质边坡复绿基质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将矿区废弃地土壤、腐熟有机废弃物、秸秆、炉渣、粉煤灰混合加入到高速粉碎机中粉碎成颗粒，过筛后颗粒大小在0.10-0.15mm，将破碎产物加入到搅拌釜中，在转速为1000-1200r/min的条件下搅拌，搅拌后静置形成搅拌产物，再加入保水剂、粘结剂、复合微生物菌肥和pH调节剂，搅拌混合均匀后得到高寒草原矿区岩质边坡复绿基质。
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