露天礦表土替代材料研究進展

周國馳

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，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、半干旱生態環境脆弱地區，因露天開采需要剝離煤層上方全部的表土與各巖層，不僅對礦區的原有的植被和土壤造成了破壞性的影響，同時排土場也會占用大量完好的土地，造成了土壤質量下降，生物多樣性降低，生態環境退化等一系列問題。礦區土地復墾與生態重建成為解決這一問題的關鍵，表土資源有限成為限制這項工作開展的制約性因素。利用露天煤礦開采過程中產生的剝離物作為基質，經過選配、改良、熟化等過程，可以作為表土替代材料進行礦區土地復墾。因此，研制理想有效的表土替代材料成為露天礦區土地復墾與生態重建的核心工作。

1 表土替代材料概述

1.1 表土替代材料的定義及性質

1）表土替代材料（topsoil substitutes）是指從礦區土地復墾環境建設的可持續發展角度出發，利用非表土等資源的理化性質，對其進行合理配比、綜合利用，使其成為適合植物生長的新型土壤[1]。張鴻齡[2]認為，表土替代材料是從環境建設的可持續發展出發，利用不同廢棄物相互間互補的理化性質，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，并將其命名為“新土源”，也有學者將其稱之為“人工土壤”[3]。胡振琪[4]等則認為“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。

2）表土替代材料與復配土（remixed soil）不同。復配土是指將2 種或多種理化性質不同的土壤按照一定比例混合后形成新的土壤，強調的是質地不同而理化性質互補的土壤的混合。表土替代材料是以露天礦開采過程中產生的剝離物為母質，經人工破碎、混配，通過物、化學或生物方式對其進行改良，促使其風化、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土地復墾與排土場生態重建過程中表土缺失的問題，實現了礦區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決定了植被群落的演替方向和發展速度[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，使復墾區重新建立和恢復土壤微生物體系，加快表土替代材料的熟化速度，縮短了礦山生態修復與重建的周期。因表土替代材料可以就地取材，既可以實現廢棄物的資源化利用，又具有較高的經濟適用性，對綠色礦山的建立與實現可持續發展具有重要意義。

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墾的研究起步較早。德國早在20 世紀20 年代就開始了對露天煤礦開采過程中產生的廢棄地進行修復，Nicolini 等[11]發現第三紀風化的黃土可以作為表土替代材料，并將其應用于德國萊茵蘭露天礦區進行土地復墾，對該黃土進行改良后取得良好的復墾效果。Wilson 等[12]以阿巴拉契亞露天煤礦作為試驗區，通過連續8 年對試驗區的土壤理化性質和樹木生長驚醒測定，結果發現相比于未風化的灰色砂巖，風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]研究認為，通過添加含有鈣等具有金屬絡合物的細粒尾礦對排土場進行覆蓋，結果表明這種細粒的加入可降低重金屬污染、減少水土流失，同時也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。

2）國內關于表土替代材料的研究。多國內以礦山剝離物作為研究對象，通過添加有機質、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墾時表土缺失問題，以底板土作為復墾地再造耕層的基礎材料，加以粉煤灰和尾礦泥，配制了復墾用土[14]，并種植夏大豆和春玉米進行田間試驗，結果表明80%底板土+20%粉煤灰是復墾地人工再造耕作層的最佳配比[15]。胡振琦教授測定了內蒙古某露天礦Ⅲ層亞黏土的原裝基質的土粒間空隙、保肥性能、pH 值、及重金屬含量后發現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化煤、煤矸石和粉煤灰按風化煤∶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 種物質結構在成土中的互補性，通過研究不同配比土壤質地、有機質含量、水穩性、作物種植適宜性以及對作物產量的影響，形成了系統完整的砒砂巖與沙復配成土的技術體系，并將科研成果應用于陜西省榆陽區小紀汗鄉大紀汗村一期土地開發項目中，節水效果顯著。

2 表土替代材料的改良

2.1 物理和化學改良技術

礦區復墾地生態效應是通過土壤理化性質的變化、養分循環、植被群落結構以及生物學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、土壤酶活性、土壤微生物等進行評價恢復狀況是目前較有效的方法。土壤基質改良的關鍵是在正確診斷礦區退化生境類型、特征的基礎上，進行土壤重構與性能恢復[18]。

土壤有機質是土壤生物活動的基本能量來源，也是維持土壤生物活性及群落功能多樣性的基礎，改善和提高土壤有機質質量和水平是實現生態系統長期發展并且改善其生態服務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物施入土壤，經微生物腐殖化作用轉為土壤有機質，增加土壤中活性有機碳的含量。土壤中有機質含量對植被結構[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狀，李文超等在排土場施入發酵后的農家肥對排土場土壤進行改良，研究發現農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]。

胡振琦教授團隊的位蓓蕾、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行改良，并以紫花苜蓿的生長性能和抗逆性能為評價指標對改良效果進行評價，研究發現[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 時有利于紫花苜蓿的生長及抗逆性能的發揮，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]以風化煤為改良介質對露天礦復墾土壤進行改良，研究結果表明：合理施用風化煤對露天煤礦復墾土壤量的增加而顯著增加，團聚體百分含量最大達到95.80 %。為解決礦山巖質邊坡綠化問題，馬朋坤等[26]以鐵尾礦為基礎材料，加入秸稈纖維和保水劑，有效降低了基質容重，改善了土壤結構和蓄水能力，為植物創造了良好的立地條件。

2.2 生物改良技術

未經改良的表土替代材料中缺少氮、磷、有機質等植物生長所需的營養物質，這就要求在礦山排土場綠化及礦區土地復墾時需要施入肥料，而化肥的具有易淋溶、作用時間短的特點，這就要求長期人力、物力投入。生物改良技術的應用可以有效解決這一問題，如在礦區引入蚯蚓、種植豆科植物、接種菌根真菌等。有研究發現，蚯蚓活動可以提高土壤團聚體，增強土壤透氣性、透水性、保肥性，經蚯蚓作用后土壤有機物C/N 比逐漸降低，腐殖質和有機酸等有機物含量增多，蚯蚓活動還能提高土壤微生物活性和數量，并對微生物種群結構產生影響，并促進植物生長，增加植物生物量[27]。煤矸石是采煤過程中產量較大的固體廢棄物，因其數量多、方便就地取材、價格便宜等優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，對煤矸石的生物恢復進行研究，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環境，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，結果表明種植固氮植物時加入食用菌廢料可加速土壤的熟化進程，提高土壤肥力，改善土壤理化性質[29]。接種菌劑技術在礦山廢棄地的基質改良中也有應用，Noyd 等[30]通過在牧草上接種近明球囊霉(G.claroideum)和菌根真菌根內球囊酶(Glomusintradices)，成功恢復了礦渣地的植被，達到了修復和復墾的目的。

良好的土壤環境為植物的生長提供了良好的環境，植物的生長發育對土壤環境改善起到促進作用。植物不僅對土壤中的重金屬、有機污染物有凈化作用，還可以起到改良土壤的作用。研究表明：不同的植被恢復模式對生物多樣性、土壤理化性質[31-32]、微生物群落結構[33]、土壤酶活性[34]均能起到改善作用，植物恢復主要通過影響微生物生長代謝所需要的有機碳和總氮來影響土壤微生物群落。劉軍[35]在內蒙古霍林河南露天煤礦進行了長達21 年的觀測，發現種植沙棘的排土場隨土壤恢復年限的變化，不同恢復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。經過21 年的恢復，0～20 cm 堿解氮、速效鉀土壤和有機質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生態環境的修復進程，人工干擾應該與自然恢復相輔相成，受損生態系統的自然修復是佳狀態，即使是通過人工干擾，實現生態系統的自我維持能力才是礦區復墾與生態修復最終目標。生物改良技術可以改善礦區植物的立地條件，改善區域生態小環境，使生態功能遭到破壞的礦山廢棄地能夠最終實現自我修復，逐步達到生態平衡。

3 結語

礦區土地復墾工作將在很長一段時間內作為我國土地復墾工作的重點，表土替代材料的研制是解決復墾過程中表土缺失的最佳方法。總結了表土替代材料的定義，歸納整理了國內外表土替代材料的研究進展，以及表土替代材料的物理、化學、生物改良技術的研究現狀與應用。在工程開展過程中，一定要運用生態學原理進行指導，遵循協同適應原理對土壤進行改良，遵循生態演替原理進行物種選擇，以達到快速恢復礦區植被的目的。