露天礦表土替代材料研究進(jìn)展

周國馳

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

我國是露天煤礦開采較多的國家之一，而我國新建現(xiàn)代化露天煤礦大多處于以晉、陜、蒙為代表的干旱、半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，因露天開采需要?jiǎng)冸x煤層上方全部的表土與各巖層，不僅對礦區(qū)的原有的植被和土壤造成了破壞性的影響，同時(shí)排土場也會(huì)占用大量完好的土地，造成了土壤質(zhì)量下降，生物多樣性降低，生態(tài)環(huán)境退化等一系列問題。礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建成為解決這一問題的關(guān)鍵，表土資源有限成為限制這項(xiàng)工作開展的制約性因素。利用露天煤礦開采過程中產(chǎn)生的剝離物作為基質(zhì)，經(jīng)過選配、改良、熟化等過程，可以作為表土替代材料進(jìn)行礦區(qū)土地復(fù)墾。因此，研制理想有效的表土替代材料成為露天礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建的核心工作。

1 表土替代材料概述

1.1 表土替代材料的定義及性質(zhì)

1）表土替代材料（topsoil substitutes）是指從礦區(qū)土地復(fù)墾環(huán)境建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，利用非表土等資源的理化性質(zhì)，對其進(jìn)行合理配比、綜合利用，使其成為適合植物生長的新型土壤[1]。張鴻齡[2]認(rèn)為，表土替代材料是從環(huán)境建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，利用不同廢棄物相互間互補(bǔ)的理化性質(zhì)，將其合理配比，綜合利用，使之成為適宜于植物生長的新型種植基質(zhì)，并將其命名為“新土源”，也有學(xué)者將其稱之為“人工土壤”[3]。胡振琪[4]等則認(rèn)為“表土替代材料”較能反映該表土的特性，是對這種表土較為詳盡、貼切的描述。

2）表土替代材料與復(fù)配土（remixed soil）不同。復(fù)配土是指將2 種或多種理化性質(zhì)不同的土壤按照一定比例混合后形成新的土壤，強(qiáng)調(diào)的是質(zhì)地不同而理化性質(zhì)互補(bǔ)的土壤的混合。表土替代材料是以露天礦開采過程中產(chǎn)生的剝離物為母質(zhì)，經(jīng)人工破碎、混配，通過物、化學(xué)或生物方式對其進(jìn)行改良，促使其風(fēng)化、熟化后而形成的表土替代物[5-9]，是非土壤資源的不同固體廢棄物之間的人工混合。

表土替代材料有效地解決了露天礦區(qū)土地復(fù)墾與排土場生態(tài)重建過程中表土缺失的問題，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)固體廢棄物的資源化利用，減少了土地的占用。表土替代材料的理化性質(zhì)決定了植被群落的演替方向和發(fā)展速度[10]，良好的表土替代材料具有快速提高自身理化性質(zhì)及其中微生物的活性的能力，可以提高植物的成活率，植物根際微生物的生命活動(dòng)，使復(fù)墾區(qū)重新建立和恢復(fù)土壤微生物體系，加快表土替代材料的熟化速度，縮短了礦山生態(tài)修復(fù)與重建的周期。因表土替代材料可以就地取材，既可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，又具有較高的經(jīng)濟(jì)適用性，對綠色礦山的建立與實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1.2 表土替代材料的研究情況

1）國外對于露天煤礦土地復(fù)墾的研究起步較早。德國早在20 世紀(jì)20 年代就開始了對露天煤礦開采過程中產(chǎn)生的廢棄地進(jìn)行修復(fù)，Nicolini 等[11]發(fā)現(xiàn)第三紀(jì)風(fēng)化的黃土可以作為表土替代材料，并將其應(yīng)用于德國萊茵蘭露天礦區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾，對該黃土進(jìn)行改良后取得良好的復(fù)墾效果。Wilson 等[12]以阿巴拉契亞露天煤礦作為試驗(yàn)區(qū)，通過連續(xù)8 年對試驗(yàn)區(qū)的土壤理化性質(zhì)和樹木生長驚醒測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于未風(fēng)化的灰色砂巖，風(fēng)化的褐色砂巖土壤具有更好的理化特性，是理想的表土替代材料。G M Tordoff 等[13]研究認(rèn)為，通過添加含有鈣等具有金屬絡(luò)合物的細(xì)粒尾礦對排土場進(jìn)行覆蓋，結(jié)果表明這種細(xì)粒的加入可降低重金屬污染、減少水土流失，同時(shí)也可以降低人造惰性覆蓋材料的成本及運(yùn)費(fèi)，對覆蓋物添加適當(dāng)改良劑可以直接實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。

2）國內(nèi)關(guān)于表土替代材料的研究。多國內(nèi)以礦山剝離物作為研究對象，通過添加有機(jī)質(zhì)、改良劑以及植物措施等改善表土替代材料的物理性狀、提高肥力，為植被重建提供必要的條件。早在1997 年，馬彥卿先生為解決平果鋁土礦復(fù)墾時(shí)表土缺失問題，以底板土作為復(fù)墾地再造耕層的基礎(chǔ)材料，加以粉煤灰和尾礦泥，配制了復(fù)墾用土[14]，并種植夏大豆和春玉米進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明80%底板土+20%粉煤灰是復(fù)墾地人工再造耕作層的最佳配比[15]。胡振琦教授測定了內(nèi)蒙古某露天礦Ⅲ層亞黏土的原裝基質(zhì)的土粒間空隙、保肥性能、pH 值、及重金屬含量后發(fā)現(xiàn)其具備作為表土替代材料的潛力[16]。在其他研究中胡振琪教授將風(fēng)化煤、煤矸石和粉煤灰按風(fēng)化煤∶煤矸石∶粉煤灰=5∶1∶4 的比例混配成表土替代材料，施入適量煤基混合物加以改良，研究結(jié)果表明，煤基混合物的施入提高了土壤保水保肥能力，加速土壤熟化速度，提高作物產(chǎn)量和抗逆性，證明了以礦山廢棄物代替表土的可能性。韓霽昌[17]利用砒砂巖與沙2 種物質(zhì)結(jié)構(gòu)在成土中的互補(bǔ)性，通過研究不同配比土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性、作物種植適宜性以及對作物產(chǎn)量的影響，形成了系統(tǒng)完整的砒砂巖與沙復(fù)配成土的技術(shù)體系，并將科研成果應(yīng)用于陜西省榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村一期土地開發(fā)項(xiàng)目中，節(jié)水效果顯著。

2 表土替代材料的改良

2.1 物理和化學(xué)改良技術(shù)

礦區(qū)復(fù)墾地生態(tài)效應(yīng)是通過土壤理化性質(zhì)的變化、養(yǎng)分循環(huán)、植被群落結(jié)構(gòu)以及生物學(xué)的相互作用等反映出來，利用植被的群落特征、物種多樣性和、理化性質(zhì)、土壤酶活性、土壤微生物等進(jìn)行評價(jià)恢復(fù)狀況是目前較有效的方法。土壤基質(zhì)改良的關(guān)鍵是在正確診斷礦區(qū)退化生境類型、特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)行土壤重構(gòu)與性能恢復(fù)[18]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤生物活動(dòng)的基本能量來源，也是維持土壤生物活性及群落功能多樣性的基礎(chǔ)，改善和提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量和水平是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)長期發(fā)展并且改善其生態(tài)服務(wù)功能的重要措施之一。秸稈可以作為來源最廣泛、最易獲取的外源有機(jī)物施入土壤，經(jīng)微生物腐殖化作用轉(zhuǎn)為土壤有機(jī)質(zhì)，增加土壤中活性有機(jī)碳的含量。土壤中有機(jī)質(zhì)含量對植被結(jié)構(gòu)[19]、植被密度、蓋度[20]等特征有較大影響。針對伊敏露天礦排土場綠化過程中腐殖土短缺現(xiàn)狀，李文超等在排土場施入發(fā)酵后的農(nóng)家肥對排土場土壤進(jìn)行改良，研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)家肥改良土壤有助于提高排土場綠化效率和生物多樣性[21]。

胡振琦教授團(tuán)隊(duì)的位蓓蕾、林杉等人先后以蛭石、草炭、腐殖酸、改性秸稈等材料作為改良劑對露天礦表土替代材料進(jìn)行改良，并以紫花苜蓿的生長性能和抗逆性能為評價(jià)指標(biāo)對改良效果進(jìn)行評價(jià)，研究發(fā)現(xiàn)[22-24]施用改良劑對紫花苜蓿的株高、生物量、抗逆性的提高效果顯著，當(dāng)蛭石、草炭、改性秸稈、腐殖酸的添加量分別為10、10、50、0.5 g/kg 時(shí)有利于紫花苜蓿的生長及抗逆性能的發(fā)揮，證明了蛭石、草炭、腐殖酸、改性秸稈等改良劑對表土替代材料具有較好的改良效果。

武瑞平[25]以風(fēng)化煤為改良介質(zhì)對露天礦復(fù)墾土壤進(jìn)行改良，研究結(jié)果表明：合理施用風(fēng)化煤對露天煤礦復(fù)墾土壤量的增加而顯著增加，團(tuán)聚體百分含量最大達(dá)到95.80 %。為解決礦山巖質(zhì)邊坡綠化問題，馬朋坤等[26]以鐵尾礦為基礎(chǔ)材料，加入秸稈纖維和保水劑，有效降低了基質(zhì)容重，改善了土壤結(jié)構(gòu)和蓄水能力，為植物創(chuàng)造了良好的立地條件。

2.2 生物改良技術(shù)

未經(jīng)改良的表土替代材料中缺少氮、磷、有機(jī)質(zhì)等植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，這就要求在礦山排土場綠化及礦區(qū)土地復(fù)墾時(shí)需要施入肥料，而化肥的具有易淋溶、作用時(shí)間短的特點(diǎn)，這就要求長期人力、物力投入。生物改良技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決這一問題，如在礦區(qū)引入蚯蚓、種植豆科植物、接種菌根真菌等。有研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓活動(dòng)可以提高土壤團(tuán)聚體，增強(qiáng)土壤透氣性、透水性、保肥性，經(jīng)蚯蚓作用后土壤有機(jī)物C/N 比逐漸降低，腐殖質(zhì)和有機(jī)酸等有機(jī)物含量增多，蚯蚓活動(dòng)還能提高土壤微生物活性和數(shù)量，并對微生物種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并促進(jìn)植物生長，增加植物生物量[27]。煤矸石是采煤過程中產(chǎn)量較大的固體廢棄物，因其數(shù)量多、方便就地取材、價(jià)格便宜等優(yōu)勢是較為理想的表土替代材料，但煤矸石保肥能力差，謝英荷等[28]在山西陽泉三礦展開試驗(yàn)，對煤矸石的生物恢復(fù)進(jìn)行研究，通過覆土種植豆科植物并接種根瘤菌，很大程度上改善了煤矸石山的微生態(tài)環(huán)境，提高了煤矸石的熟化速度，改善了氮素利用狀況。范軍富以海州露天礦為研究對象，通過在表土替代材料中種植大豆并加入食用菌肥料，結(jié)果表明種植固氮植物時(shí)加入食用菌廢料可加速土壤的熟化進(jìn)程，提高土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)[29]。接種菌劑技術(shù)在礦山廢棄地的基質(zhì)改良中也有應(yīng)用，Noyd 等[30]通過在牧草上接種近明球囊霉(G.claroideum)和菌根真菌根內(nèi)球囊酶(Glomusintradices)，成功恢復(fù)了礦渣地的植被，達(dá)到了修復(fù)和復(fù)墾的目的。

良好的土壤環(huán)境為植物的生長提供了良好的環(huán)境，植物的生長發(fā)育對土壤環(huán)境改善起到促進(jìn)作用。植物不僅對土壤中的重金屬、有機(jī)污染物有凈化作用，還可以起到改良土壤的作用。研究表明：不同的植被恢復(fù)模式對生物多樣性、土壤理化性質(zhì)[31-32]、微生物群落結(jié)構(gòu)[33]、土壤酶活性[34]均能起到改善作用，植物恢復(fù)主要通過影響微生物生長代謝所需要的有機(jī)碳和總氮來影響土壤微生物群落。劉軍[35]在內(nèi)蒙古霍林河南露天煤礦進(jìn)行了長達(dá)21 年的觀測，發(fā)現(xiàn)種植沙棘的排土場隨土壤恢復(fù)年限的變化，不同恢復(fù)年限土壤肥力水平差異性逐漸顯著，土壤肥力得到了顯著改善。經(jīng)過21 年的恢復(fù)，0～20 cm 堿解氮、速效鉀土壤和有機(jī)質(zhì)含量高于原地貌天然草地水平，速效磷于pH 值接近原地貌天然草地水平。

表土替代材料的改良是通過人工干擾加速礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)進(jìn)程，人工干擾應(yīng)該與自然恢復(fù)相輔相成，受損生態(tài)系統(tǒng)的自然修復(fù)是佳狀態(tài)，即使是通過人工干擾，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我維持能力才是礦區(qū)復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)最終目標(biāo)。生物改良技術(shù)可以改善礦區(qū)植物的立地條件，改善區(qū)域生態(tài)小環(huán)境，使生態(tài)功能遭到破壞的礦山廢棄地能夠最終實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，逐步達(dá)到生態(tài)平衡。

3 結(jié)語

礦區(qū)土地復(fù)墾工作將在很長一段時(shí)間內(nèi)作為我國土地復(fù)墾工作的重點(diǎn)，表土替代材料的研制是解決復(fù)墾過程中表土缺失的最佳方法?？偨Y(jié)了表土替代材料的定義，歸納整理了國內(nèi)外表土替代材料的研究進(jìn)展，以及表土替代材料的物理、化學(xué)、生物改良技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用。在工程開展過程中，一定要運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行指導(dǎo)，遵循協(xié)同適應(yīng)原理對土壤進(jìn)行改良，遵循生態(tài)演替原理進(jìn)行物種選擇，以達(dá)到快速恢復(fù)礦區(qū)植被的目的。