CN114651550B

CN114651550B - 一种露天矿区表层土重构方法

Info

Publication number: CN114651550B
Application number: CN202210082283.3A
Authority: CN
Inventors: 贾俊超; 张兴昌; 李朝栋; 李文孝; 梁建强; 常长越; 卢雨欣
Original assignee: Bio-Agriculture Institute Of Shaanxi
Current assignee: Bio-Agriculture Institute Of Shaanxi
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: CN114651550A

Abstract

本发明公开了一种露天矿区表层土重构方法，所述露天矿区表层土重构方法是根据国家土地复垦技术标准，结合晋陕蒙露天矿区当地天然材料沙黄土、风沙土及砒砂岩，构建层状土体。通过室内试验、土柱试验和田间试验，并对比不同砒砂岩夹层厚度的重构土体土壤水分和苜蓿生长状况，筛选出砒砂岩夹层厚度为20 cm的重构土体，既有利于增加土体储水量，又促进植物生长。该重构方法显著增加了土体保水持水效果，降低了土体水分蒸发，有效解决了矿区粗质地土水分的深层渗漏和耕层缺水问题，最大限度的截留降雨，促进植被生长，有利于该区的植被恢复，该发明就地取材，成本低，实用性强，适宜推广。

Description

一种露天矿区表层土重构方法

技术领域

本发明属于土地复垦技术领域，具体涉及一种露天矿区表层土重构方法。

背景技术

晋陕蒙能源区露天煤矿的开采，带来了严重的生态环境问题，地表植被完全破坏，地表地形永久改变，表层和深层土体重新构造，地表和地下水文系严重统破坏等。露天矿区剥离物堆积形成的排土场是开采后的主要地貌形式，在大风和暴雨的作用下，极易发生水土流失，加剧了原本就脆弱的生态环境。土地复垦是矿区植被恢复的首要任务，而表层土的重构决定着植被复垦的成败。我国土地复垦技术标准规定，表层土覆土厚度要达到50 cm以上；德国矿区表层土覆盖厚度为100 cm；英国矿区表层土覆盖厚度为130 cm，其中表层30cm为耕作层。晋陕蒙能源区原地貌土壤类型主要为沙黄土和风沙土，其质地较粗，保水能力较差。另外，该区位于我国干旱、半干旱的生态脆弱区，降雨量少，且主要集中在7-9月份，水分是植被恢复过程中的主要限制因子。因此，构建一个保水能力强的表层土对该区生态环境恢复至关重要。

该区同时分布着大量的砒砂岩，砒砂岩干燥时坚硬如石，湿润时则松软如泥，易发生风化剥蚀，且遇暴雨，极易发生水土流失。另外，砒砂岩含有30%的蒙脱石粘土矿物，具有很强的保水性，因此，可以利用砒砂岩的这种特性来改良粗质地土壤，实现变废为宝。目前已有研究将砒砂岩用于改良风沙土，结果表明砒砂岩改善了风沙土的孔隙结构，增加持水性能，降低溶质迁移速率，吸附污染物等。相关专利文献如下：公开号CN113046084A（中国，何红花，公开日2021-06-29）的一种改良新构土体及其制备方法和应用；公开号CN107624292A（中国，郑纪勇，公开日2018-01-26）的排土场新构土体的构建方法及排土场复垦土壤；公开号CN112892468A（中国，甄庆，公开日2021-01-18）的一种改性砒砂岩及制备和应用方法；公开号CN111919533A（中国，张立欣，公开日2020-11-13）的一种沙化土地综合改良方法。

现有技术对晋陕蒙矿区表层土重构主要利用土壤类型是沙黄土和风沙土，其数量有限，覆土厚度薄，且质地较粗，易漏水漏肥。目前已有技术利用砒砂岩作为防渗层降低水分的深层入渗，但是表层土的持水性能仍然较差，在植被恢复初期，较深层的水分难以被植物吸收利用。砒砂岩因其较高的持水性，可以在重构土体中嵌入一层砒砂岩作为储水层为植被生长提供水分，确定合适的砒砂岩夹层厚度，既保证土体的储水能力，又不因过于粘重的砒砂岩层抑制植物的生长，对于矿区植被恢复至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种露天矿区表层土构建方法，所要解决的问题是降低水分深层入渗，减少土体蒸发量，增加耕层土壤含水量，最大程度截留降雨，保持土壤水分，促进矿区植被恢复。

为了实现上述目的，本发明提出了一种新的表层土构建方法，具体采用的技术方案是：

一种表层土体构建方法，由下到上依次在土体80-100 cm深度处，覆盖压实的砒砂岩层；在土体40-80 cm深度处，覆盖风沙土层；在土体20-40 cm深度处，覆盖未压实的砒砂岩层；在土体0-20 cm深度处，覆盖沙黄土层。

包括粗质地风沙土、沙黄土和富含蒙脱石的砒砂岩，按照一定顺序、厚度回填而成。

优选的，所述重构土体厚度为100 cm。

优选的，所述的压实砒砂岩层，采用压路机压实，容重约为1.65 g/cm³。

优选的，所述的风沙土层，约为1.60 g/cm³。

优选的，所述的未压实砒砂岩层，容重约为1.45 g/cm³。

优选的，所述的沙黄土层，容重约为1.50 g/cm³。

上述表层土体的构建，包括以下步骤：

步骤1：分别采集风沙土、沙黄土和砒砂岩，将砒砂岩粉碎；

步骤2：回填粉碎后的砒砂岩，采用压路机压实，回填厚度20 cm得到砒砂岩防渗层；

步骤3：在压实的砒砂岩层上覆盖风沙土，覆盖厚度40 cm；

步骤4：在风沙土层上覆盖未压实的砒砂岩层，覆盖厚度20 cm；

步骤5：在未压实的砒砂岩层上覆盖沙黄土，覆盖厚度20 cm。

根据上述实施方案，本发明提供一种露天矿区表层土重构方法，其优点有：1.最大程度截留降雨，降低水分深层渗漏，提高耕层土壤含水量，加快矿区的植被恢复；2.就地取材，运输成本低，结合不同材料特点，变废为宝，施工简单，适宜大面积推广。

附图说明

图1是不同砒砂岩夹层厚度的重构土体示意图。

101-沙黄土层（厚度20 cm），102-未压实砒砂岩层（厚度10 cm），103-风沙土层（厚度60 cm），104-压实砒砂岩层（厚度10 cm）；

201-沙黄土层（厚度20 cm），202-未压实砒砂岩层（厚度20 cm），203-风沙土层（厚度50 cm），204-压实砒砂岩层（厚度10 cm）；

301-沙黄土层（厚度20 cm），302-未压实砒砂岩层（厚度30 cm），303-风沙土层（厚度40 cm），304-压实砒砂岩层（厚度10 cm）。

具体实施方式

为详细阐述本发明所采取的技术手段及效果，下面结合优选实施例，对依据本发明提出的露天矿区表层土体的重构方法及具体实施方式、特征及其效果，具体实施例如下：

实施例1

将采集的砒砂岩，风干、粉碎后过2 mm筛，然后按照容重1.40 g/cm³，将砒砂岩填装进100 cm³的环刀，用于测定田间持水量、饱和含水量和饱和导水率。

对比例1

将采集的沙黄土和风沙土，风干、粉碎后过2 mm筛，然后按照容重1.50 g/cm³（沙黄土）和1.60 g/cm³（风沙土），分别将2种材料填装进100 cm³的环刀，用于测定田间持水量、饱和含水量和饱和导水率。实施例1中砒砂岩的田间持水量为0.42 cm³/cm³，较沙黄土和风沙土提高了33%和91%；砒砂岩的饱和含水量为0.54 cm³/cm³，较沙黄土和风沙土提高了57%和35%；沙黄土和风沙土的饱和导水率是砒砂岩（0.4 cm/h）的4倍和18倍。由此可知砒砂岩具有良好的持水性能，可以增加土体的储水量，降低水分下渗速率。

实施例2

将采集的沙黄土、风沙土和砒砂岩，风干、粉碎后过2 mm筛，然后按照图1中2处理方式，将3种材料填装进透明玻璃土柱（高100 cm，内径25.5 cm），填装容重为1.50 g/cm³（沙黄土）、1.40 g/cm³（砒砂岩）、1.60 g/cm³（风沙土）和1.65 g/cm³（压实砒砂岩），将土柱置于遮雨棚下，土柱中灌溉40 cm的水分，于2019年6月-8月通过称重法测定土体的蒸发量和储水量。

对比例2

将采集的沙黄土和风沙土，风干、粉碎后过2 mm筛，然后按照图1中1和3处理，将3种材料分别填装进透明有机玻璃土柱，填装容重按照实施例2，其它步骤与实施例2相同。实施例2中土体灌水稳定7天后的储水量为21.1 cm，比图1中1处理的含水量高62.3%，比图1中3处理的含水量低21.8%。在灌水稳定后至试验结束期间，实施例2中土体的蒸发量为0.95cm，比图1中1处理的蒸发量高50.7%，比图1中3处理的蒸发量低22.1%。由此可知层状土体随着砒砂岩夹层厚度的增加储水能力增强，土壤蒸发能力也随之增加。因此，判断不同重构土体的对植物生长的供水能力需要盆栽实验进一步证明。

实施例3

将采集的沙黄土、风沙土和砒砂岩，风干、粉碎后过2 mm筛，然后按照图1中2处理，将3种材料填装进黑色PVC土柱（高110 cm，内径28.3 cm），填装容重为1.50 g/cm³（沙黄土）、1.40 g/cm³（砒砂岩）、1.60 g/cm³（风沙土）和1.65 g/cm³（压实砒砂岩），将土柱置于遮雨棚下，与2019年7月-11月在土柱中种植紫花苜蓿，并分别在9月、10月和11月对苜蓿刈割后烘干称重，最后一次刈割结束后，剖开土柱，将根系洗净，烘干称重。

对比例3

将采集的沙黄土和风沙土，风干、粉碎后过2 mm筛，对比例3的2个处理为图1中的1和3，填装容重按照实施例3，其它步骤与实施例3相同。实施例3中苜蓿地上干物质量3次之和为82 g，比图1中1处理的生物量增加了57.7%，比图1中3处理的生物量增加了30.2%。实施例3中苜蓿根系干物质量为23 g，比图1中1处理的根系生物量增加了64.3%，比图1中2处理的根系生物量增加了35.3%。由此可知实施例3（图1中2处理）的土体显著促进了苜蓿的生长，有利于植被恢复，通过野外试验进一步验证。

实施例4

2020年6月-10月在内蒙古鄂尔多斯准格尔旗永利煤矿3号排土场1 m×1 m×1 m（长宽高）小区，按照如图1中2处理所示，将3种材料依次回填进小区，填装容重为1.50 g/cm³（沙黄土）、1.40 g/cm³（砒砂岩）、1.60 g/cm³（风沙土）和1.65 g/cm³（压实砒砂岩），在填装土体中埋入中子管对土壤水分进行监测，并在7月份种植紫花苜蓿。

对比例4

2020年6月-10月在内蒙古鄂尔多斯准格尔旗永利煤矿3号排土场1m×1m×1m（长宽高）小区，分别按照图1中1和3处理，填装容重分别为1.50 g/cm³和1.60 g/cm³，其它步骤与实施例4相同。自2020年6月29日-9月30日降雨总量343.6 mm，实施例4中土体含水量增加了62.6 mm，比图1中1处理的含水量增加了16%，比图1中2处理的含水量减少了14.2%。实施例4中苜蓿地上干物质量为735g，比图1中1处理的地上干生物量增加了254%，比图1中3处理的地上干生物量增加了138%。由此可知实施例4的表层新构土体即具有显著的土壤水分保持效益，又显著促进植被的生长。

本发明提供的一种露天矿区表层土重构方法和应用，可以提高重构土体的持水能力，有利于矿区的植被恢复，操作简单，适宜大面积推广。

以上描述是对本发明的进一步解释及用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，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，还能够做出若干改进、润饰或变化，也能够将上述技术特征以适当的方式进行组合，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种露天矿区表层土重构方法，其特征在于，由晋陕蒙矿区当地天然材料，包括风沙土、沙黄土和富含蒙脱石的砒砂岩，按照一定顺序和厚度回填而成；重构土体从下到上依次为压实砒砂岩层、风沙土层、未压实砒砂岩层、沙黄土层；所述重构土体深度80-100 cm为压实砒砂岩层，采用压路机压实，容重约为1.65 g/cm³，得到砒砂岩防渗层；所述重构土体深度40-80 cm为风沙土层，容重约为1.60 g/cm³；所述重构土体深度20-40 cm为未压实砒砂岩层，容重约为1.45 g/cm³，得到砒砂岩储水层。

2.根据权利要求1所述露天矿区表层土重构方法，其特征在于，所述重构土体0-20 cm深度为沙黄土层，容重约为1.50 g/cm³。

3.根据权利要求1所述露天矿区表层土重构方法，其特征在于，所述重构土体厚度为100 cm。