CN113853868B

CN113853868B - 利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法

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Publication number: CN113853868B
Application number: CN202111313499.8A
Authority: CN
Inventors: 牟英杰; 徐庆荣; 谭辉; 陈宏贵; 周瑞; 李书钦; 闫国英; 刘凤国; 王森; 武丹; 李文轩; 唐何俊
Original assignee: Baotou Steel Group Mining Research Institute LLC; Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co Ltd; Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co Ltd
Current assignee: Baotou Steel Group Mining Research Institute LLC; Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co Ltd; Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co Ltd
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-11-08
Also published as: CN113853868A

Abstract

本发明公开了一种利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，在矿区废弃地表面自下而上分别设置防渗层、重构土层Ⅰ、重构土层Ⅱ、种子层、覆盖层；重构土层Ⅰ采用细粒尾矿构建而成，厚度为8～15cm；重构土层Ⅱ的材料是由尾矿、城市污水处理厂发酵后污泥混合而成，种子层采用磁选尾矿与种子混合后覆盖1.5～3.0cm于重构土层Ⅱ之上；在种子层中种植披碱草、碱茅、碱蓬中的一种或两种及以上的混搭。本发明重构土壤采用尾矿作为表土替代材料，同时加入污泥，提高重构土壤的肥力和保水能力，在重构土壤中种植披碱草、碱茅等植物，植物存活率高，且长势良好，能有效解决荒漠化草原矿区废弃地的生态修复难题。

Description

利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法

技术领域

本发明涉及矿山废弃地生态修复技术领域，更具体地说，涉及一种利用铁尾矿对矿区废弃地进行生态修复的方法,对荒漠化草原地区的矿山废弃地生态修复尤为适用。

背景技术

内蒙古荒漠草原区当地低温少雨，干旱多风，温差变化大，春旱风沙大，夏短雨集中，秋爽多日照，冬长天寒冷，年平均气温 2.6～7.8℃，年降雨量为150～280mm，集中于7、8月。春季3～5月，是大风季节，每年平均7级以上大风日70天，最多达110天。该地区水土流失严重，土壤为棕钙土，表面覆盖层土薄且贫瘠，建群物种由强早生、丛生小禾草组成，草丛低矮稀疏，草高不到20cm，地面覆盖度不足20％水土流失严重。而该地区露天矿的开采，进一步破坏了占地生态环境，而且，由于原生土壤被破坏，导致矿山环境治理时无表土来源，成为生态恢复的限制因素之一。

矿业生产过程中，产生大量的废石、尾矿等矿山废弃物，并且尾矿的堆存需要大规模的占地并涉及安全和环境污染等问题，尾砂利用率较低。国家新颁布的法律法规等文件鼓励采用先用工艺对尾矿等矿业固体废物进行综合利用。

采用尾矿为主要原料造土能够解决矿区生态恢复过程中缺乏表土的问题。同时，从经济角度，采用尾矿为主要原料造土节约成本，同时对矿区废弃物综合利用。

因此，基于缓解荒漠化草原矿区表土稀缺对生态恢复影响，为脆弱草原生态系统的稳定提供保障的目的，开展利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行土壤重构方案的技术研发。但大量尾矿的使用，导致土壤肥力状况不佳。研究表明，城市生活污水处理厂污泥可以有效地增加贫瘠土壤的有机质、有效氮、有效磷和有效钾的含量，提高土壤养分含量，还可以改变土壤容重、持水量和孔隙度等物理性状，对土壤保水、保肥有重要作用。

从尾矿综合利用入手，以荒漠化草原矿区为研究区域，研发适用于该区域的重构土壤和生态修复技术，对该区域的生态恢复起着重要作用。

《中国水土保持科学》增刊2013年12月发表的“露天矿排土场生态修复与植被重建技术”，通过对排土场现状复垦植被进行多项土壤改良方法的试验研究，选择露天矿排土场土壤系统修复的最佳技术；通过总结黑岱沟露天矿多年的水土保持与生态重建工作经验，最终选出适宜矿区内生长的植被类型；试验优选后提出矿区植被重建的关键技术体系，最终形成适宜矿区环境特点的露天矿排土场生态修复与植被重建技术体系。但该技术不适合对荒漠化草原矿区废弃地进行土壤重构和生态修复。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中存在的需要消耗大量优质客土、工程量大、工程费用高以及工程量大、修复时间长等问题，而提供一种利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，采用该方法可以有效解决荒漠化草原矿区废弃地的生态修复难题，提高重构土壤的肥力、保水能力和植物成活力。

为实现本发明的上述目的，本发明一种利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法通过以下步骤实施：

1)土壤重构

对拟修复矿区废弃地的含水率、渗透系数进行分析，并综合考虑所在地的气候特征，在矿区废弃地表面自下而上分别设置防渗层、重构土层Ⅰ、重构土层Ⅱ、种子层、覆盖层；

所述的防渗层采用粘土碾压而成，厚度为10～20cm；所述的防渗层也可以用水泥材料或其他胶凝材料，厚度为1～2cm；所述防渗层还可以采用复合尾矿砂塑性防渗材料，厚度为2～3cm；

所述重构土层Ⅰ采用细粒尾矿构建而成，厚度为8～15cm，所述细粒尾矿的粒度为-3mm含量≥95％，其中1～3mm含量占30％～70％；

所述的重构土层Ⅱ的材料是由尾矿、城市污水处理厂发酵后污泥混合而成，体积百分含量为：尾矿70％～90％，市污水处理厂发酵后污泥10％～30％；重构土层Ⅱ的厚度为25～30cm，尾矿的粒度为 -5mm≥95％，其中3～5mm含量占30％～70％；

所述的种子层采用磁选尾矿与种子混合后覆盖1.5～3.0cm于重构土层Ⅱ之上；所述的磁选尾矿的粒度为-3mm含量≥95％，其中 2～3mm含量占30％～70％；

所述的覆盖层采用农业秸秆铺设而成。

2)植物优选

在种子层中种植披碱草、碱茅、碱蓬中的一种或两种及以上的混搭，优选披碱草、碱茅中的一种或两种混搭，以保证植物总成活率≥90％。

与现有技术相比，本发明一种利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法具有如下优点：

(1)本发明基于利用铁矿区产生的铁尾矿对矿山废弃地进行土壤重构，解决尾矿占地、安全和环境污染问题，同时解决矿区缺乏表土的问题，为后续矿山的生态恢复提供保障。

(2)本发明的重构土壤采用尾矿作为表土替代材料，同时加入污泥，可降低了重构土壤容重，合理的配比可使土壤容重小于 1.5g/cm³，污泥的加入增加土壤透气性和透水性，土壤中的供氧条件也得到改善，污泥中含有丰富的N、P及有机质等营养成分，有利于植物的生长，满足灌木林地的土壤质量要求提高重构土壤的肥力和保水能力。

(3)本发明通过实验室盆栽、现场试验，在上述重构土壤的表面优选种植披碱草、碱茅等植物，植物存活率高，且较好生长。

(4)研究还表明，本发明在最低层增设防渗层，有利于保持土壤中的水分；在重构土层Ⅰ、重构土层Ⅱ，分别采用不同粒度、不同厚度的尾矿，有利于保水、透气；在种子层采用磁选尾矿，由于磁选尾矿具有一定的磁性，可以改善土壤的团粒结构，增加透气性，提高植物的成活率。

(5)通过本发明方法重构后的土壤，有机质含量在 2.42％～15.60％之间，满足土壤肥力有机质大于0.5％的要求，均大于 2％以上，有利于植被的恢复与生长。

(6)试验结果表明，本发明在重构土壤中栽种披碱草、碱茅，植物成活率达90％以上，特别适用于内蒙古荒漠化草原矿区重构土壤并在其上进行植被修复。

附图说明

图1为土壤重构工艺流程图。

具体实施方式

为描述本发明，下面结合实施例对本发明一种利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法做进一步详细说明。

先开展实验室盆栽试验，在盆栽试验基础上，在内蒙古荒漠化草原矿区废弃地进行100亩扩大试验。

以内蒙古某铁矿山企业废弃地生态修复为研究目标。试验样品物理化学性质如表1所示，分别为3个矿山的尾矿，尾矿粒度大多在2mm以下，容重为1.45t/m³，有机质含量5％左右，全氮含量0.005％左右，有效磷含量0.07％左右，速效钾含量1.68％，含水率0.5％左右。

污泥为所在市污水处理厂发酵后污泥。污泥含水率40％，粒径为 1cm以下，污泥中含有丰富的N、P及有机质等营养成分，能够改良重构土养分；同时污泥中富含的有机物持有2～3倍于其质量的水分，既可提供更多的可利用水分，又可提高重构土对降雨和灌溉水分的利用率；污泥容重较轻，含有更多的空隙储存水分和空气，有利于植物的生长。

重构土壤的容重约为1.37t/m³，满足小于土壤质量控制标准1.5/m³的要求；有机质含量7.4％，满足大于土壤质量控制标准的0.5％的要求。

表1样品物理化学性质一览表

实验室盆栽试验：

植物选取披碱草、碱茅、芨芨草、碱蓬、柠条、狗尾草、冰草、紫穗槐、草木樨、紫花苜蓿、沙棘和沙打旺，种子从当地种子商店购买。

材料：实验用种植钵规格为高度10cm，直径7cm。

植被种植方法采用常规技术，不在赘述。

下述实施例1-36中，采用重构土壤作为基质，并在其上种植植物种子，如图1所示的土壤重构工艺流程图所示，具体如下：

采用实验土壤作为基质，土壤配制过程为：

将污泥进行破碎筛选，粒径在1cm以下，各方案重构土壤分别为：

尾矿与污泥(9：1)组：将尾矿与污泥按照9：1的体积百分比比例进行混合然后分为十二组三十六盆；

尾矿与污泥(8：2)组：将尾矿与污泥按照8：2的体积百分比比例进行混合然后分为十二组三十六盆；

尾矿与污泥(7：3)组：将尾矿与污泥按照7：3的体积百分比比例进行混合然后分为十二组三十六盆；

将混合后的重构土壤加入种植钵至口2cm左右。

用水将土浇透至盆底有水流出，每盆撒入种子40粒，之后在其上覆盖2cm的重构土壤。植被种植方案具体如下：

(1)尾矿与污泥(9：1)组：90％的尾矿+10％污泥十二组三十六盆，披碱草，碱茅，芨芨草，碱蓬，柠条，狗尾草，冰草，紫穗槐，草木樨，紫花苜蓿，沙棘和沙打旺各三盆；

(2)尾矿与污泥(8：2)组：80％的尾矿+20％污泥十二组三十六盆，披碱草，碱茅，芨芨草，碱蓬，柠条，狗尾草，冰草，紫穗槐，草木樨，紫花苜蓿，沙棘和沙打旺各三盆；

(3)尾矿与污泥(7：3)组：70％的尾矿+30％污泥十二组三十六盆，披碱草，碱茅，芨芨草，碱蓬，柠条，狗尾草，冰草，紫穗槐，草木樨，紫花苜蓿，沙棘和沙打旺各三盆；

在实施例1-36中，重构土壤及植物种植的实施方案及相应结果如表2所示：

表2实施方案及结果汇总表

植物生产90天后，尾矿与污泥(9：1)组平均株高前五的为披碱草、碱茅、碱蓬、狗尾草、芨芨草；尾矿与污泥(8：2)组平均株高前五的为披碱草、碱茅、芨芨草、碱蓬和柠条；尾矿与污泥(7： 3)组平均株高前五的为披碱草、冰草、碱茅、芨芨草和碱蓬。综合三组配比的植物平均株高前四的为披碱草、碱茅、碱蓬和芨芨草。

植被生长90天后，尾矿与污泥(9：1)组植物存活率前五的为披碱草、碱茅、碱蓬、狗尾草、紫花苜蓿；尾矿与污泥(8：2)组植物存活率前五的为披碱草、碱茅、碱蓬、紫花苜蓿和狗尾草；尾矿与污泥(7：3)组植物存活率前五为披碱茅、碱草、紫花苜蓿、碱蓬和紫穗槐。综合三组配比的植物存活率前四的为碱茅、披碱草、碱蓬和紫花苜蓿。

通过上述对比优选披碱草、碱茅、碱蓬作为最终组合植被优势物种。

由表2可以看出，尾矿与污泥(9：1)组平均株高超过3cm的植物种类为8种；尾矿与污泥(8：2)组平均株高超过3cm的植物种类为5种；尾矿与污泥(7：3)组平均株高超过3cm的植物种类为 4种；尾矿与污泥(9：1)组更有利于植物的高度生长，其尾砂消耗量大，可减少尾砂堆存，因此优选尾矿与污泥(9：1)组为重构土壤方案。

由表2所示，尾矿与污泥(9：1)组植物存活率超过40％的植物种类为4种；尾矿与污泥(8：2)组植物存活率超过40％的植物种类为3种；尾矿与污泥(7：3)组植物存活率超过40％的植物种类为2种；尾矿与污泥(9：1)组存活率较高的植物种类更多，则优选尾矿与污泥(9：1)组为重构土壤方案。

通过上述对比优选尾矿与污泥(9：1)组为重构土壤方案。

对比例：仅适用纯尾矿(平均每盆270g)，用水将土浇透至盆底有水流出，每盆拨入披碱草、碱茅和碱蓬种子各40粒，之后在其上覆盖2cm尾矿。对比例植被种植结果为：披碱草的平均株高14cm，存活率为89％；碱茅平均株高4.2cm，存活率90％；碱蓬平均株高为2.5cm，存活率45％。

对比例植被生长状况劣于实施例(90％的尾矿+10％污泥的披碱草平均株高17cm，存活率为92％；碱茅平均株高为6.0cm，存活率为95％；碱蓬平均株高为4.5cm，存活率为53％)。

工业扩大试验：

在内蒙古荒漠化草原矿区废弃地进行100亩扩大试验。采用尾矿A，在重构土层Ⅱ中尾矿A与污泥的体积比为9：1，在示范区重构土壤剖面，土壤剖面层自下而上分别为防渗层、重构土层Ⅰ、重构土层Ⅱ、种子层、表面覆盖层。

(1)防渗层

本项目所在区块石较多，其渗水性较大，因此需对植被恢复区构建防渗层。目前对配比土壤已测饱和含水率、渗透系数等数据，正进行数据分析，之后优选防渗材料或采用其他方法，如用水泥作为防渗层约1～2cm，如用粘土碾压后作为防渗层约为10～20cm。

防渗层还可以采用复合尾矿砂塑性防渗材料，如中国专利 ZL201810947043.9公布的一种复合尾矿砂塑性防渗材料。

(2)重构土层Ⅰ

拟在防渗层上部构建约10cm的细尾砂层，从而做到有效保水蓄水。

(3)重构土层Ⅱ

根据前期植物根系测量等，根系长度约为6～10cm，另外结合植物在不同土壤中的表现，主体土层厚度建议为25～30cm。优选尾矿A 与污泥9:1的体积配比。

(4)种子层

根据实验结果，为避免种子发霉，同时结合植物根系上部数据，种子层利用磁选尾矿(尾矿A)与种子混合后覆盖2cm于重构土2 之上。

(5)表面覆盖层

该地区风速较大，因此在植被恢复区在表面覆盖层需进行固沙处理，考虑外部实验时采用农业秸秆覆盖方式进行防风，同时辅以其他方式进行防风固沙，厚度2cm。

在种子层播种40％的披碱草、40％的碱茅、40％碱蓬的种子，在种子发芽及生长初期按照北方荒漠化草原气候进行正常的浇水。试验结果表明，一年后披碱草、碱茅、碱蓬的成活率分别高达91.6％、 94.3％、54.5％，生长良好。

本发明所述防渗层、重构土层Ⅰ、重构土层Ⅱ、种子层，除了重构土层Ⅱ中尾矿与污泥的配比按照体积配比外，其它皆按照重量配比计算。

Claims

1.一种利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于采用以下技术方案实施：

1)土壤重构

所述重构土层Ⅰ采用细粒尾矿构建而成，厚度为8～15cm；所述的重构土层Ⅱ的材料是由尾矿、城市污水处理厂发酵后污泥混合而成，体积百分含量为：尾矿70％～90％，市污水处理厂发酵后污泥10％～30％；所述的种子层采用磁选尾矿与种子混合后覆盖1.5～3.0cm于重构土层Ⅱ之上；

2)植物优选

在种子层中种植披碱草、碱茅、碱蓬中的一种或两种及以上的混搭。

2.如权利要求1所述的利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于：所述的防渗层采用粘土碾压而成，厚度为10～20cm。

3.如权利要求1所述的利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于：所述的防渗层采用水泥材料或其他胶凝材料，厚度为1～2cm。

4.如权利要求1所述的利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于：所述防渗层采用复合尾矿砂塑性防渗材料，厚度为2～3cm。

5.如权利要求4所述的利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于：所述重构土层Ⅰ中细粒尾矿的粒度为-3mm含量≥95％，其中1～3mm含量占30％～70％；所述的重构土层Ⅱ中尾矿粒度为-5mm≥95％，其中3～5mm含量占30％～70％。

6.如权利要求5所述的利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于：所述的种子层中磁选尾矿的粒度为-3mm含量≥95％，其中2～3mm含量占30％～70％。

7.如权利要求6所述的利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复的方法，其特征在于：所述的覆盖层采用农业秸秆铺设而成，厚度为1.5～3.0cm。