露天煤礦表土替代材料研究綜述

劉雪冉,胡振琪,許 濤,朱 琦

(1.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；2.礦山生態安全教育部工程研究中心，北京100083)

絕色礦業

露天煤礦表土替代材料研究綜述

劉雪冉1，2,胡振琪1，2,許 濤1，2,朱 琦1，2

(1.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；2.礦山生態安全教育部工程研究中心，北京100083)

為了解決露天煤礦排土場復墾過程中缺乏表土資源的問題，急需研究出適應不同礦區的表土替代材料，本文梳理國內外表土替代材料研究文獻，得到表土替代材料定義：從礦區土地復墾環境建設可持續發展的角度出發，利用非表土資源的理化性質，合理配比，綜合利用，使之成為適合植物生長的新型土壤環境。國外對表土替代材料的研究起步比較早，不管是從法律層面，還是在實踐探索中，都取得了不錯成果；我國對表土替代材料的研究，經歷了客土方法、土壤性狀改良技術以及新型表土替代材料研制技術，在表土替代材料的篩選、配制和推廣方面取得了不少研究成果，但研究范圍和野外推廣存在缺陷。總體來說，隨著露天煤礦的進一步開采，土地復墾任務進一步加重，而表土替代材料的使用將是露天煤礦開采區解決表土缺乏的不二選擇。

表土替代材料；土地復墾；文獻綜述

我國露天煤礦分布具有明顯的區域性，多處在干旱、半干旱的西部生態脆弱區，以內蒙古、新疆、山西、陜西為主。相對而言，內蒙古地區煤炭處于我國北方露天礦群的集中地帶儲量非常豐富，且適宜大規模進行露天開采。露天煤礦開采時形成的內外排土場呈臺階狀分布，同時形成較多的邊坡，造成土地復墾面積明顯多于原開采區的表面積，最終造成原表土數量的大量不足。因而，急需要適宜的表土替代材料解決土地復墾過程中表土不足的問題。為了解決露天煤礦排土場復墾過程中缺乏表土資源的問題，有關學者提出將煤炭開采中產生的剝離基質作為表土母質，進行人工改良，使其熟化后成為理想的表土新材料[1]。筆者對已有的研究成果進行綜述，有助于理解表土替代材料研究現狀、特點、問題和發展態勢，為進一步深入研究奠定基礎。

1 表土替代材料的界定

國內學者大致在2000年以后開始研究“表土替代材料”這個特殊地域的。張鴻齡等稱這種新型種植基質為“新土源”[2]；郝棟稱為“人工土壤”[3]；胡振琪等認為“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[1]。

所謂“表土替代材料”，是從礦區土地復墾環境建設的可持續發展的角度出發，利用非表土等資源的理化性質，將其合理配比，綜合利用，使之成為適合植物生長的新型土壤。該新型土壤能夠有效提高復墾土壤的理化性質和土壤微生物的活性，從而提高植被的成活率和覆蓋度，實現植被的有效快速恢復。該新型土壤要求原材料豐富，可以就地取材、方便運輸、經濟和環保，具有良好的生態、環境、經濟和社會等多方面的綜合效益，對實現和諧社會的可持續發展具有重要意義。

2 表土替代材料的研制

2.1 國外表土替代材料的研制

針對露天煤礦的土地復墾國外研究比較早，20世紀20年代德國已經開始對露天煤礦廢棄地進行修復；20世紀30年代美國已經在全國26個州先后制定了露天煤礦土地復墾的相關法規，并在1977年8月3日頒布了《露天采礦管理與恢復(復墾)法》，成立專門土地復墾管理機構。許多西方國家的土地復墾有關法規中明確規定，在煤炭開采前需要對土壤和上覆巖層各層基質分析其理化性質和養分含量，篩選出適宜的表土替代材料(topsoil substitutes)。針對新復墾表土養分偏低、pH值偏高、土壤容重顯著增大及表土缺乏等問題，國外專家積極探索表土改良方法及尋求新的表土替代材料，并已取得不錯的成果[4-6]。

其中G.M.Tordoff 等在闡述英國金屬礦實施的復墾措施時指出利用添加有鈣等金屬絡合物的細粒尾礦覆蓋排土場可以減少水土流失與重金屬污染，同時可以降低人造惰性覆蓋材料的成本及運費，對覆蓋物添加適當改良劑可以直接實現礦區的生態恢復[7]。L.C.Ram對露天煤礦排土場表土中添加適量的粉煤灰，結果表明該措施可以有效改良土壤，提高作物的生物量[8]。美國Terry.H.Brown 等利用流化床產生的飛灰對露天礦排土場土壤進行改良，其結果表明流化床飛灰可以改善排土場土壤的酸堿性、電導率及滲透性，同時對作物的生長有積極作用[9]。Xavier Querol 等在排土場復墾過程中向土壤中添加沸石和粉煤灰可以增加土壤對重金屬的固化作用，減少土壤污染。Nuria Pedrol 等利用堆肥、石灰石及NPK肥對排土場土壤進行改良，發現NPK肥與石灰石結合使用可以在短期內為植物提供營養，而堆肥可以為物種的多樣性提供長效保證[10]。M.S.Coyne在排土場的表土中添加有機肥料可以有效的提高氮的轉化率，進而提高復墾效率[11]。Asha等向排土場土壤中添加污水處理廠的污泥及真菌，可以為植被恢復提供了有利條件[12]。Stephane Boyer等發現蚯蚓具有改善排土場土壤的質量的潛能[13]。

1997年Baker. DE等通過土壤測試，利用粉煤灰進行一系列燃燒產物和堆肥污泥摻在pH值小于2的煤矸石，可以得到穩定土，證明該穩定土可以作為新的表土替代材料進行種植，而不再需要覆蓋表土[14]。F.Nicolini等證實了在德國萊茵地區可以采用第三紀經風化的黃土作為礦區土地復墾的表土替代材料[15]。Sena等在美國肯塔基東部的某露天煤礦進行野外試驗，選擇未風化的灰色砂巖、風化的褐色砂巖、混砂頁巖作為土壤的替代材料，通過自然恢復方法，發現風化的褐色砂巖最適合作為表土替代材料[16]。Wilson-Kokes. L等在2005年選取西弗吉尼亞卡諾瓦縣的阿巴拉契亞露天煤礦設立試驗區，分別采用風化的褐色砂巖和未風化的灰色砂巖最為表土替代品，每個實驗區種植相同植被，經過8年的連續測定土壤化學性質和樹木生長，發現風化的褐色砂巖更加適合樹木的生長，是理想的表土替代品[17]。R.Paradela等對露天礦開采過程中產生的板巖粉末的物理、化學、生物特性進行測試，發現這種粉末黏粒含量較少，缺乏作物生長所需的N、P等營養元素，并且微生物活性較低，但這種粉末的電導率、pH值、重金屬含量不會對植物生長造成威脅，可以考慮作為露天礦土地復墾過程中的表土替代材料[18]。2014年N.Inoue等在的北京國際土地復墾與生態恢復專題討論會中介紹了粉煤灰作為表層土壤替代物在印尼露天煤礦復墾中的應用[19]。

2.2 國內表土替代材料的研制

我國表土替代材料研制比較晚，經歷過客土方法、土壤性狀改良技術、新型表土替代材料研制技術。

2.2.1 客土方法

我國對表土替代材料的研究追溯于客土方法，客土方法是一種傳統的土壤改良方法，通過移取外地熟土替代原生土，移取的外來土壤一般是壤土、沙壤土或者是肥力較高、質地較好、有害物質含量較低的人工土。目前，客土方法已經應用在鹽堿地、過砂過黏等形狀不良的土壤改良，公路邊坡土壤的改良，改良礦山廢棄地改良，以及污染土壤的改良[20-26]。早在1982年李偉波對吉林省西部的旱作農業區的沙質土提出改良方法，并對改良方法進行了評價[27]。汪雅各等用農業工程客土的方法，對種菜區的重金屬污染土壤提出了改良方法，結果表明，土壤重金屬污染越嚴重，改良效果越明顯[28]。高志強對莆田縣人民圍海造田的土壤提出了不同客土 改良方法，同時對土壤的形態、鹽分含量及物理化學性質進行研究，提出鞏固改良效果的措施[29]。侯李云等在闡述土壤中砷的來源、危害的基礎上，系統梳理近年來土壤改良技術在污染土壤修復中的應用，認為對于土壤砷污染嚴重的區域，客土改良方法是見效快、改良最徹底、實用性最強的方法[30]。

2.2.2 土壤改良劑

針對礦山廢棄地的修復，我國大多采用固體廢棄物作為土壤改良劑，改善土壤的物理、化學、生物等性狀，從而增加土壤營養元素，提高土壤的肥力，實現植被重建，減少水土流失和污染物的遷移，降低廢棄地修復成本，實現資源循環利用，達到“以廢治廢”的目的。目前常用的固體廢棄物主要包括粉煤灰、酒糟、城市污泥、生活垃圾、康酸渣、草炭、枯枝落葉、動物糞便、中和用石灰、碳酸氫鹽或者石膏、硫酸、氯化鈣等產品[31-47]。范軍富等通過在海州露天煤礦排土場種植豆科類植物和添加食用菌肥料，能夠有效對土壤進行改良和熟化[48]。李廣慧等把粉煤灰作為添加劑作為土壤改良，可以有效提高土壤含水量、增加土壤入滲性[49]。胡振琪等教授(2005)申請專利“用于土壤改良的煤基營養劑”，其中煤基營養劑主要由風化煤、草炭、微生物菌根、化學試劑混合而成。該發明的應用，可以明顯改善土壤性能，提高植物抗逆性能和吸收養分的能力，顯著增加作物產量；同時提高風化煤和草炭的產業化利用效率[50]。郭漢清等用工礦區的固體廢棄物為主要原料， 添加化肥復混成為煤基復混肥，同時添加菌肥進行比較分析[51]。LI SQ等在山西露天煤礦試驗證明，復墾土壤中添加污水污泥和化肥，有效提高土壤養分和微生物含量，快速建立一個植被生態恢復系統[52]。胡振琪等(2007)參照煤矸石、風化煤和粉煤灰的物理化學性質，通過室內盆栽試驗，確定煤基混合物最佳質量配比，證實該新型土壤改良劑具有可行性。通過煤基混合物的施用，可以充分利用礦山固體廢棄物，顯著降低復墾成本；提高土壤的速效養分，加速復墾土壤的熟化；增加作物產量、提高作物品質[53]。

2.3 表土替代材料

針對環境惡劣且表土稀缺的內蒙古露天煤礦開采區域，胡振琪等率先提出了表土替代材料的研制。胡振琪(2013)測試分析了內蒙古某露天煤礦的上覆巖層土層的基本特征，通過室內試驗篩選出較為適宜的表土替代材料是III層的亞黏土，并證實風化后的土壤特性更佳[1]。

為了提高表土替代材料的土壤特性，胡振琪教授率領其科研團隊，進一步對III層的亞黏土進行改良。紀妍等、楊潔等、位蓓蕾等、林杉等分別向III層的亞黏土添加草炭、改性秸稈、蛭石和硝基腐殖酸進行室內盆栽試驗，通過紫花苜蓿的生長性能和抗逆性能反應改良效果。試驗證實分別向表土替代材料中只添加草炭50 g/kg、改性秸稈50 g/kg、蛭石10 h/kg、硝基腐殖酸0.05%時，對亞黏土的改良效果最優[54-57]。

位蓓蕾等選擇蛭石、秸稈和硝基腐殖酸3種改良劑同時對表土替代材料進行改良，每種改良劑設置3個添加量梯度，進行室內盆栽試驗，通過分枝期紫花苜蓿生長性能和抗逆性能反應改良劑的改良效果。試驗證實蛭石∶秸稈∶腐殖酸=50∶50∶0.5(g/kg)時，改良后的表土替代材料性能最佳[58]。

馬彥卿等曾利用平果鋁礦的礦床底板土作為覆土材料，同時向礦床底板土中添加粉煤灰進行改良，利用上述覆土材料作為表土層對平果鋁礦排土場進行復墾[59]。對于表土層的改良，黃繼民等以阜新露天礦東排土場為研究對象，分析了礦物肥料草炭、沸石、粉煤灰對露天礦排土場土壤物理性質的改良效應，發現添加礦物肥料后排土場表層土壤的礫石含量略有降低，土壤的各個水分參數、土壤容重的及孔隙度均有顯著改善，對比分析發現草炭的改良效果高于其它礦物肥料[60]。

3 結論

國外土地復墾起步較早，有關土地復墾各項研究取得了較大的成果，表土替代材料比較成熟。我國表土替代材料的研制，是從客土方法、土壤改良劑中逐步演變而來，主要是針對于露天煤礦開采土地復墾區。

本文系統梳理了表土替代材料的研究現狀、特點、問題和發展態勢，指明隨著露天煤礦的進一步開采，土地復墾任務逐步加重，對表土替代材料的需要更加迫切，分區域進行細致、深入的調查、研究、配置適宜的“表土替代材料”，是解決露天煤礦開采區表土缺乏的最佳方法。

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2016中國礦業十大新聞(中)

3.全球單套規模最大煤制油項目投產。12月28日，全球單套規模最大的煤制油項目——神華寧煤集團年產400萬t煤炭間接液化示范項目正式投產。該項目打破了國外對煤制油化工核心技術的長期壟斷，探索出了科技含量高、附加值高、產業鏈長的煤炭深加工產業發展模式，項目國產化率達98.5%，每年可轉化煤炭2 046萬t，年產油品405萬t。

4.資源稅改革7月1日起全面推行。5月10日，財政部發布關于全面推進資源稅改革的通知，2016年7月1日起實施。通知要求，通過全面實施清費立稅、從價計征改革，理順資源稅費關系，建立規范公平、調控合理、征管高效的資源稅制度，有效發揮其組織收入、調控經濟、促進資源節約集約利用和生態環境保護的作用。

5.我國查明黃金資源儲量突破萬噸大關。4月21日，國土資源部發布《2015中國國土資源公報》。黃金行業在整裝勘查、老礦山深部和外圍找礦方面積極探索，取得顯著成果，“十二五”期間黃金新增資源儲量共超過4 500 t。目前，我國黃金查明資源儲量已達1.16萬t。山東萊州-招遠金礦帶成為世界第三大金礦區帶，該區新發現了黃金資源儲量470 t的海域金礦、328 t的紗嶺金礦，并在膠西北地區成功實施了“中國金屬礦床第一深鉆”及一系列超深鉆孔，探明金金屬量395 t，預測新增金資源量3 000 t以上。

Summarizing research on topsoil substitute material of open-pit coal mine

LIU Xueran1,2, HU Zhenqi1,2, XU Tao1,2, ZHU Qi1,2

(1.Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 2.Engineering Research Center of Mining Environment & Ecological Safety of Ministry of Education, Beijing 100083, China)

In order to solve the problems of being lack of surface soil source in the open-pit coal dump in the process of the reclamation. It is urgent to work out the substitute materials to adapt to the different surface soil, the paper sorts tons of research literatures of the domestic and overseas and get the definition of this substitute materials: From the point of view of the land reclamation environment construction sustainable development, making use of the non-surface soil source physicochemical properties, via reasonably matching, comprehensive utilization, and finally making the non-surface soil be the new type soil which is suitable to the plants growing. The research of the substitute materials at abroad is earlier, and has obtained good achievements no matter in the law or in the practical explorations; in our country, the research of the materials goes through removing earth from some other place to improve the local soil way, improving soil properties technology and new type substitute materials development technology, it has got many achievements in the materials screening, matching and promoting, but it still exists defects in the scope and wild promoting. As a whole, as the open-pit coal further exploration, the task will be much heavier in the reclamation, and the substitute materials will the best choice to solve the problem of being lacking of the surface soil.

topsoil substitutes; land reclamation; literature review

2016-10-10

國家重點研發計劃項目資助(編號：2016YFC0501100)

劉雪冉，博士后，主要從事土地復墾與生態重建、土地整理方面研究，E-mail: liuxueran1221@163.com。

胡振琪，教授，博士生導師。

X53

A

1004-4051(2017)03-0081-05