（采矿工程专业论文）半干旱地区矿区废弃地土壤与植被演化规律研究.pdf

辽宁t 程技术大学硕士学位论文 摘要 矿区废弃地是土地退化的一种重要形式，是当今世界重大环境问题之一。从 煤炭资源分布情况看，矿区废弃地主要分布在半干旱地区，这些地区土壤恢复的 影响因素比较复杂，而且恢复的难度也比较大，本论文针对这一难题，对于半干 旱地区矿区废弃地土壤与植被演化规律进行了研究，为有效的控制水土流失、改 善生态环境提供了理论依据。 论文以阜新矿区和平庄矿区为试验区，在矿区废弃地破坏状况调查的基础 上，对立地类型进行了划分，系统地测试了各立地类型的土壤物理性质和土壤养 分变化情况。在矿区废弃地植被生长状况调查与分析的基础上，研究了各立地类 型的植被分布规律，通过对矿区废弃地土壤演化规律、植被演替规律以及不同植 被类型对土壤演化的影响，确定出备立地类型的复垦植被类型，论文还结合半干 旱地区矿区废弃地的特点提出了植被恢复技术措施。 关键词：矿区废弃地；土壤演化规律；植被演替规律：复垦植被类型； 植被恢复措施 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea b a n d o n e df i e l di nt h em i n i n ga r e ai sa ni m p o r t a n ta s p e c to ft h e l a n dd e t e r i o r a t i o na n da l s oo n eo ft h es i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i nt o d a y sw o r l d f r o mt h ep o i n to ft h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o a lr e s o u r c e s ， t h ea b a n d o n e df i e l di nt h em i n i n ga r e ai sm a i n l yd i s p e r s i n go v e rt h e s e m i a r i dr e g i o n t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ec o m p a r a t i v e l yc o m p l i c a t e d o nt h er e c o v e r yo ft h es o i l si nt h e s ea r e a s a n dt h ed i f f i c u l t i e sf o rt h e r e c o v e r ya r er e l a t i v e l yb i g g e r t h i sa r t i c l ea i m sa tt h i se n v i r o n m e n t a l p r o b l e m ，a n dt r i e st om a k ec a r e f u lr e s e a r c h e s o nt h eo r d e r so ft h e s u c c e s s i o no ft h es o i la n dv e g e t a t i o ni nt h ea b a n d o n e df i e l di nt h em i n i n g a r e ao ft h es e m i a r i dr e g i o n ，t h e r e f o r ep r o p o s e sa ni m p o r t a n te n g i n e e r i n g t h e o r yo nt h ee c o l o g j l c a lt r e a t m e n t ，w h i c h h a se x t r e m e l yi m p o r t a n t i n f l u e n c e so nt h ec o n t r o l l i n go ft h ew a t e rl o s sa n ds o i le r o s i o na n d e f f i c i e n t l yb e t t e r i n gt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h i sa r t i c l et a k e st h ef u x i nm i n i n ga r e aa n dp i n g z h u a n gm i n i n ga r e a a st h et e s t i n ga r e a s ，d i v i d e st h ef i e l dt y p e so nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h e s o ft h ed e v a s t a t i n gs i t u a t i o ni nt h em i n i n ga r e a ，s y s t e m i c a l l yt e s t st h e c h a n g e so ft h es o i lp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds o i ln u t r i t i o ni nd i f f e r e n tt y p e s o ff i e l d s a n do nt h eb a s i so ft h es u r v e ya n da n a l y s i so nt h eg r o w i n g s i t u a t i o no ft h ev e g e t a t i o no ft h ea b a n d o n e df i e l di nt h em i n i n ga r e a ， s t u d i e st h ed i s t r i b u t i o no r d e ro ft h ev e g e t a t i o ni nd i f f e r e n tt y p e so ff i e l d s b vs t u d y i n gt h es u c c e s s i o no r d e r so ft h es o i l sa n dt h es u c c e s s i o no r d e r s o ft h ev e g e t a t i o no ft h ea b a n d o n e df i e l di nt h em i n i n ga r e a ，a n d i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tt y p e so fv e g e t a t i o no nt h es u c c e s s i o no ft h es o i l s ， t h er e p l a n t e dv e g e t a t i o nt y p e si nd i f f e r e n tt y p e so ff i e l d sa r ec o n f i r m e d a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h ea b a n d o n e df i e l di nt h em i n i n ga r e ai nt h e s e m i a r i dr e g i o n ，t h i sa r t i c l ea l s op r o p o s e st h et e c h n i c a lm e a s u r e m e n tf o r t h ev e g e t a t i o nr e c o v e r y k e y w o r d s ：t h ea b a n d o n e df i e l do ft h em i n i n ga r e a ；t h es u c c e s s i o no r d e r o ft h es o i l s ；t h es u c c e s s i o no r d e r o ft h ev e g e t a t i o n ；t h er e p l a n t e d v e g e t a t i o nt y p e s ；t h em e a s u r e m e n t f o rt h ev e g e t a t i o nr e c o v e r y 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 矿区废弃地治理的必要性 我国是以煤炭为主要能源的国家，在能源结构中煤炭占7 0 以上，煤炭年产量 达1 4 亿万吨，居世界第一。从煤炭资源分布情况看，主要分布在干旱、半干旱地区， 煤炭丌采加剧了这些地区的生态环境问题。长期以来，矿区由于没有土地复垦及 再利用规划，产生了大量的矿区废弃地。 矿区废弃地是指因采矿活动所破坏的，不经过治理而无法使用的土地。矿区废 弃地是一种极端裸地，植被稀少，水土流失严重，可造成矿区水体、土壤和大气的 严重污染，引发一系列经济、生态、社会等方面的问题。特别是露天煤矿矸石山排 土场含有煤粉、高硫煤矸、深层岩石，对周边地区造成了更严重的危害。危害之 一是释放有害气体如二氧化碳、二氧化硫、氯氧化物等，这些有害气体含量很大， 随风侵入市区和附近农村，对人、畜健康造成危害；危害之二是煤粉尘对环境的 影响，由于排土场地处高岗，地面植被覆盖度低，在大风的作用下，粉尘随风飘 扬，严重地污染了环境；危害之三是深层煤矸石所含金属元素如：砷、汞等，在 雨水的淋溶作用下，渗入到地下水中，参与水循环，使地下水受到严重的污染。 这三大污染危害如果不加速治理，将长期存在并对环境产生不可逆转的后果。矿 区废弃地治理已经成为制约矿区经济发展与农民生活水平提高的关键因素，而矿 区废弃地复垦是促进采矿业与农业的持续协调发展的主要手段和保护矿区社会稳 定的重要措施，同时也是保护环境、改善生态环境的必要条件和实现耕地、林地 总量动态平衡的有效途径。因此，如何在矿区废弃地上进行快速、高效的生态恢 复与重建，已成为当前生态环境保护所面临的紧迫任务，是必须要解决的问题。 建国初期，辽宁省建设的一些矿区，如阜新、抚顺、北票、南票、本溪、鞍 山、南芬等，由于没有土地复垦及再利用规划，产生了大量的排土场和矸石山， 造成了大面积的地表破坏和地面建筑物的损坏。仅以阜新矿区为例，阜新矿区由 于井工开采引起地表塌陷区1 3 个，采煤塌陷区总面积达1 0 1 3 8k m 2 ，最大下沉量 1 2 8 1 9 9 m ，最大水平位移o 4 o 7 7 m ，受影响农田1 0 2 1 万亩，其中：大田1 5 万亩， 菜田o 5 万亩。海州矿闭坑后产生了长4 k m 、宽2 k m 、深3 5 0 m 的巨大露天采空区 和占地1 6 k m 2 的外排土场，总占地面积2 4k m 2 。对于这样大面积的沉陷区以及矿 山废弃土地复垦和再利用问题引起了国家和辽宁省领导的高度重视。 辽宁工程技术大学硕士学位论立 为了探索矿区废弃地土地复垦的途径，作者从2 0 0 3 年开始在半干旱地区进行 了这方面的研究，选取地点是辽宁省阜新市海州露天矿和赤峰市元宝山矿区。 阜新矿区地处辽宁西北部，所处地理位置为东经1 2 10 2 6 ，北纬4 2 0 0 27 ，年 均降水量5 3 9 m m ，蒸发量达1 8 0 0 m m ，属于典型半干旱地区。2 0 0 1 年1 2 月被国务院 确定为全国唯一的资源枯竭型城市经济转型试点市后，沉寂多年的百里矿区露出 了希望的曙光。 赤峰市元宝山矿区也属于半干旱地区，是我国6 0 年代新兴的煤炭电力生产基 地之一，境内有大型煤矿7 个( 其中2 个露天矿) ，中型煤矿3 个，集体小煤窑十几 个，近年来因开矿、排土占压耕地0 5 5 万h m 2 ，按开采计划，今后每年平均占耕地 3 3 3h m 2 ，而人口每年平均增加4 0 0 0 人以上，矿区人均耕地只有0 0 1 3 0 0 5 3 1 m a 2 。 土地资源日趋紧张，矿区复垦已经迫在眉睫。 矿区废弃地复垦是促进采矿业与社会各业持续协调发展的主要手段，同时也 是保护社会稳定和改善生念环境，实现“占补平衡、毁补平衡”的有效途径。矿区废 弃地复垦主要是应用生态学原理，而生态学原理最重要的是生态演替，即生态系 统由一种类型转变为另一种类型的有顺序的变化过程，如果这个过程靠自然恢复， 时涮可以达十年、甚至是几十年之久，但是人可以控制这一过程，从而加速演替 或改变演替方向。矿山土地复垦可沿以下几方面展开工作，以加速演替过程：( 1 ) 筛选耐干旱、耐瘠薄的速生先锋植被一草灌品种，达到复垦地迅速固土封坡，保 持水土的目的；( 2 ) 采取措施进行土壤基质改良，并辅之一定的水肥措施，加快 土壤培肥速度；( 3 ) 采用微生物技术，增加矿土中的微生物活性，还原土壤生态 系统；( 4 ) 当土壤得到一定改良之后，发展多种作物与果树，因地制宜的综合利 用矿区废弃地。 本文正是从第一方面展开工作，主要研究半干旱矿区废弃地土壤与植被演化 规律及植被恢复技术措施，不但可有效地治理和改善矿区恶劣生态环境，使有限 的土地资源得以充分的利用，还可实现水土保持与荒漠化治理，又能为发展接续 产业闯出一条新路，是东北老工业基地调整改造振兴的需要，将为我国资源型城 市经济转型的矿区复垦领域探索一条新的高效持续利用的技术模式，这对全国同 类地区进行环境灾害治理和废弃矿物资源利用具有重大的借鉴作用，必将推动矿 区土地复垦工作快速健康发展。因此，本论文具有重要的理论意义和现实意义。 辽宁工程技术大学颁士学位论文 1 2 国外矿区复垦的概况 矿山环境问题一直受到国际社会的广泛关注和重视。土地复垦是当今世界采矿 业发展的必然要求，是世界各国环境与发展必然涉及的重要课题。随着全球性的 环境、土地、人口问题的日益严重，特别是“可持续发展”已成为当今世界的共同主 题，土地复垦已越来越受到世界各国的普遍重视。目前我国复垦利用的土地还不 到被破坏土地的l ，复垦率极低。而欧洲、北美等发展中国家矿山土地复垦率 已超过5 0 ，原苏联、美国、捷克土地复垦率高达7 5 以上。在国外，矿山复垦 是采矿业的一部分，采矿结束，复垦完毕，才能闭坑。 国外在该领域的研究和实践已取得大量成果。许多国家都将矿区土地复垦及 生态重建规划列入到矿区开发建设的基本建设程序之中，要求将矿区生态环境恢复 到开采前的状态或原貌。世界上矿业发达的国家如美国、加拿大、德国和澳大利 亚等，早在2 0 世纪7 0 年代就开始重视矿山环境保护和治理，实行了比较严格的 矿山环境保护和矿产环境评估制度，采取多种措施防止土地荒芜，恢复生态环境， 并建立起一些相关的土地复垦企业、科研机构、学术团体等，使矿山土地复垦工 作蓬勃发展，得到了法律上和资金上的保障，在技术措施和行政管理上也不断深 化和完善，已成为采矿业的必须工程环节。 英国政府于1 9 6 9 年颁布矿山采矿场法，提出矿主开矿时必须同时提出采 后的复垦和管理工作，明确按农业或林业复垦标准复垦。如果复垦不好，则禁止 或停止开采。同时，英国政府还给地方政府拨复垦费( 用于购地、复垦和种植) 、 科研费、重新种植植物费( 种草需试种3 年，植树要试栽5 年) 。拨款数额是根据 复垦区所在地政府的经济状况而定，经济发达地区给5 0 ，贫困地区8 5 ，中等 经济水平地区拨给全部复垦费的7 5 。复垦资金除国家拨款外，地方政府也承担 部分复垦费，恢复的土地归属地方政府或出地方政府出租、出售，以弥补复垦费 用不足。出于复垦的政策和资金落实，复垦取得了显著的成绩。到1 9 9 3 年露天矿 已复垦5 4 万h a 用于农业和林业，重新创造了一个合理、和谐及风景秀丽的自然 环境。 德国对煤矿土地复垦、保持农林面积、恢复生态平衡、防止环境污染等问题 也十分重视。德国政府和威斯特伦政府法令规定“露天矿采空后要恢复原有的农、 林经济和自然景色”等条文，保证了复垦工作顺利开展。 辽宁t 程技术火学硕士学位论立 前苏联，早在1 9 5 4 年苏联部长委员会决议中就明确指出：“利用后的土地必 须恢复到适宜农业利用或其它建设需要状态”。较明确的土地复垦要求在1 9 6 0 年 各加盟共和国的自然保护法和1 9 6 2 年的部长委员会的决议中得到反映。在1 9 6 8 年的苏联宪法和1 9 7 6 年的部长会议决议中土地复垦法进一步发展和具体化。解体 后的各共和国在各自的自然保护法中都包含了土地复垦法。这些法律极大地促进 了土地复垦的综合科研研究，被破坏土地恢复方法的科学论证和制定保障了土地 复垦工作在各地区矿山企业中实际执行，并使这项工作得以在整个国家顺利进行。 澳大利亚作为矿业为主的国家，矿山复垦已经取得长足进展和令人瞩目的成 绩，被认为是世界上先进而且成功地处理扰动土地的国家，复垦已成为开采工艺 的一部分。新开采的矿山，除采掘以外，其他被扰动过的土地已经或正在被绿色 所覆盖。对于过去开采遗留下来的已封闭矿山，复垦工作是由政府出资进行的。 因此，矿山开采带来的土地破坏、环境影响和生态扰动，正在有效而成功地消失。 复垦后的矿山被绿色覆盖，环境自然，空气清新，已难辨认一般矿山面貌。 美国对土地复垦也十分重视，如在露天开采控制和复垦法令中规定开采 破坏的土地必须恢复到原来的形态，原农田恢复到农田状态，原森林要恢复到森 林状态。由于国家法令的强制作用以及科研工作的进展，美国矿区环境保护和治 理成绩显著。在复垦区种植作物、矸石山植树造林和利用电厂粉煤灰改良土壤等 方面作了很多工作，积累了经验。 法国在露天煤矿土地复垦中亦有很多成功的经验可以借鉴，曾利用外排土场 复田绿化后建设赛马场、跑狗场和高尔夫球场，从而使矿山占用的土地得以再利 用。l am a r t i n i e 露天煤矿排土场土地复垦示范工程所创建“脚坝”技术，对于露天 矿外排土场的建设和生念恢复具有广泛的指导意义。 1 , 3 国内矿区复垦的概况 我国矿山废弃地复垦研究起源于8 0 年代初期，至今大致可划分为两个阶段。 第一阶段为8 0 年代，以马恩霖等人( 1 9 8 2 ) 编译的露天开采复田为标志，介 绍和引进了国外土地复垦的经验，并推动了我国矿山废弃地复垦和综合治理研究 工作，有限地开展了我国主要矿山废弃地复垦技术和模式的探索。有关部门在借 鉴国外经验的基础上结合我国实际制定了土地复垦规定。矿山废弃地复垦研究 辽宁_ ：l ：= 程技术人学硕士学位论义5 的第二阶段是9 0 年代以来，以我国土地复垦规定颁布为标志。研究力量增加， 研究队伍专业化、多学科综合的高层次迈进，推动了矿山复垦研究的蓬勃发展。 主要研究方面包括：矿区土地复垦规划理论和方法( 张国良，1 9 9 2 ；孙绍先，1 9 9 2 ； 卞j 下富，1 9 9 2 ；胡振琪，1 9 9 4 ) 、矿区生态工程复垦( 卞正富，1 9 9 2 ；李树志，1 9 9 5 ； 祝国军，1 9 9 3 ) 、矿山废弃地复垦与绿化( 周树理，1 9 9 5 ) 、塌陷地复垦工艺( 胡 振琪，1 9 9 2 ) 、土地复垦政策与战略( 韦朝阳，1 9 9 5 ) 等。这些研究对推动矿山废 弃地的复垦理论的发展和矿山生态环境的综合整治具有重要作用。 1 4 本论文的主要研究内容 矿区废弃地是剧烈人为干扰下的一种特殊景观类型，其生态系统结构和功能 严重退化。而且矿区采挖后由于表土剥离、排土占地及土方回填等，使开采区的 植被完全的被破坏掉。辽宁省阜新市海州露天矿和赤峰市元宝山矿区地处环境条 件恶劣，生态系统十分脆弱的半干旱地区，如果不能在矿区废弃地进行植被人工 恢复，矿区和周围地区的自然生态环境将继续迅速恶化。因此本论文选择辽宁省 阜新市海州露天矿和赤峰市元宝山矿区为研究对象，对矿区废弃地自然恢复的土 壤与植被演化规律进行了研究，为植被人工恢复工作奠定了理论基础。本论文着 重研究了以下几个方面的内容。 ( 1 )分析了半干旱地区矿区废弃地的破坏状况、破坏程度和破坏原因； ( 2 )通过对试验区土壤的化学分析和土壤的物性测试全面评价试验区土壤 性状，并将所研究的半干旱地区划分为几种立地类型； ( 3 )对半干旱地区矿区废弃地土壤的演化规律进行了研究； ( 4 )对半干旱地区矿区废弃地植被的演替规律进行了研究； ( 5 )对半干旱地区矿区废弃地植被对土壤改良效果进行了研究； ( 6 ) 根据矿区废弃地的自然条件，提出最佳的复垦植被类型； ( 7 )提出了适合半干旱地区矿区废弃地植被恢复技术措施。 辽宁r 程技术太学硕十学位沧文 2 矿区废弃地破坏状况分析与试验区的选择 2 1 矿区废弃地破坏现状 以阜新海州露天煤矿为例，早新海州露天煤矿因采用大型机械进行剥离、运 输、排弃土石，岩土层完全被扰动破坏，原地貌形态已不复存在。同时在高速采 排进度下，新构成的排土场，是一个松散的岩土堆积体。其土地破坏的最大特征 是岩土侵蚀，根据岩土侵蚀分布规律，可将排土场岩土侵蚀划分为三个垂直带， 即平台沉陷侵蚀带，边坡沙砾化面蚀沟蚀重力侵蚀带，坡脚沉积带如图2 1 。 t 溅叫蚀带 d 。瞅、面蚀、洞穴侵蚀 均、重力侵刨l 骨 钏淘、浅目、切淘侵蚀 边泻溜、滑驶、, n t i l 、土砂 流泻、坡面泥n 龇 ! 锹* 坡，一塑 f ；一 图2 一l 排土场台阶坡面水土流失形式分布鞫 ( 1 ) 平台沉陷侵蚀带 平台除了普遍发生的击溅和层状面蚀外，由于基底地貌变化大，地质组成不 一，上覆排弃层厚度不等，极易发生非均匀沉降，从而产生大量的陷落性洞穴和 裂缝，细小的颗粒随径流下渗或灌入而向下移动，填充了岩土混合物的大孔隙或 在某出u 处随径流搬移或沉积。此种侵蚀方式称之为沉陷侵蚀，其侵蚀形态多样， 主要有陷坑、陷穴、裂缝盲沟、穿洞、盲洞等，其特征如下： 小陷穴，直径3 5 5 e m ，深5 5 0 e m 不等，陷穴下部或底部可见下伏岩士。 有的单独存在，有的 目裂隙串联成串珠状，可加剧内部盲洞、盲沟存在。小陷穴 摄多处密度可达2 0 0 个，1 0 0m 2 。 大陷坑，直径1 1 2 m ，深1 6 m 不等，浅层岩二r 混堆的土粒随渗漏水淋移， 造成地表局部沉陷。 小裂隙，分布距平盘边缘5 0 余米范围内，长1 0 3 0 m ，宽05 60 c m 不等，走 向大致与边缘平行，多由小陷穴串联，一般无错位。最为严重之处每1 0 0 m , 宽就串 联2 0 5 0 条，平均间距2 5 m 。 大裂隙，距平盘边缘1 0 余米范围内，可有一条或数条大裂隙，长达百米甚至 数百米，平行边坡走向，等高带状分布，宽1 0 c m 以_ 2 ，局部错位可达2 0 - 一4 0 c m ， 数百米，平行边坡走向，等高带状分布，宽1 0 c m 以上，局部错位可达2 0 4 0 c m ， 辽宁t 程技术大学硕十学位论文 6 2 矿区废弃地破坏状况分析与试验区的选择 2 1 矿区废弃地破坏现状 以阜新海州露天煤矿为例，阜新海州露天煤矿因采用大型机械进行剥离、运 输、排弃土石，岩土层完全被扰动破坏，原地貌形态已不复存在。同时在高速采 排进度下，新构成的排土场，是一个松散的岩土堆积体。其土地破坏的最大特征 是岩土侵蚀，根据岩土侵蚀分布规律，可将排土场岩土侵蚀划分为三个垂直带， 即平台沉陷侵蚀带，边坡沙砾化面蚀沟蚀重力侵蚀带，坡脚沉积带如图2 1 。 1 i 溅叫蚀带 爿t 溅、面蚀、洞穴侵蚀 淘、囊力侵蚀特 自竭、浅沟、丽侵证 边 泻溜、柑坡、崩塌、土砂 。流泻、坡理塑夏塑 沉积带 坡 、一沉积 一 一一 一一一 _ 5 0 m m 的岩石占4 9 9 8 ，5 5 0 m m 砾石占2 8 4 8 ， 5 m m 的砾石、沙褐土占2 1 5 4 。由于 大粒径物质较多，自然胶结力差，岩土呈松散状，一旦遭受外力作用极易造成侵 蚀。此外排土场平台边坡相间分布，坡度组成两极分化。平台和边坡各占总面积 的5 0 ，由于陡坡比例大，加之地面组成不同，侵蚀严重，侵蚀模数差异显著。 ( 4 ) 地层组改变，基底超压 排土场排土后的层组与原地层组比较发生了很大的变化。再有排弃高度高， 荷载大，下部褐土基底超压，排土场大量水分下渗后造成基底上层补水量增大， 排泄通道受阻，使褐土层长期浸泡形成软塑性夹层，使凝聚力和摩擦角大为降低， 辽宁工程技术大学硕+ 学位论文 1 基底土坑剪强度急剧下降，基底超压，承载力降低，造成排土场滑坡。 ( 5 ) 不均匀沉降严重 排土场基底地形地貌复杂而且排土工艺特殊，排弃物堆置厚度各部位不等， 其本身又是非均质松散物，各部位受力不均，自然固结速度相差很大，非均匀沉 降严重，沉降系数可达0 1 4 以上，沉降过程延续数年，造成沿平台等高线方向排列 的带状张裂隙。 由于上述种种原因，决定了半干旱地区矿区废弃地土地复垦的复杂性、艰难 性及特殊性。 2 4 试验区确定及其生态环境简介 2 4 1 试验区确定及其立地类型的划分 2 4 1 1 试验区确定 研究地区选定为阜新矿区和元宝山矿区。其中阜新矿区地处辽宁西北部，所 处地理位置为东经1 2 1 。2 67 ，北纬4 2 0 0 27 ，年均降水量5 3 9 m r a ，蒸发量达1 8 0 0 m m ， 是典型半干旱地区。元宝山矿区位于赤峰市东南部黄土丘陵区，年降水量4 0 0 5 0 0 m m ，也属于半干旱气候。 具体位置设在阜新矿务局( 南瓦、东瓦、西瓦、新邱、高德等五处) 及平庄矿 务局元宝山矿各类废弃地上，选设临时标准地8 0 块，每块标准地面积6 0 0 m z ( 3 0 m 2 0 m ) 。 2 4 1 2 试验区立地类型的划分 通过调查，阜新矿区废弃地包括矸石山与排土场两类，而元宝山矿区则包括矸 石山，排土场和塌陷地，由于塌陷地所涉及的面积比较小，所以只讨论矸石山与 排土场两种废弃地类型。 调查研究结果表明，对于矸石山，停止排矸年限是影响矸石风化程度、土壤理 化性质、植被种类及生长状况的主要因素。因此按停止排矸年限来进行矸石山的 立地分类，而排土场可单独划分为个类型。 根据矿务局资料记载按停止排矸年限进行立地分类结果如下： i 类矸石山：停止排矸7 年以上，表层没有明显碎屑： u 类矸石山：停止排矸石7 1 5 年，表层矸石碎屑厚o 5 c m ； 辽宁t 程技术大学硕卜学位论文 i 类矸石山：停止排矸石1 5 2 5 年，表层矸石碎屑5 1 5 c m ； 类矸石山：停止排矸石2 5 3 5 年，表层矸石碎屑厚1 5 c m 以上 v 类：排土场，在采矿过程中挖出地下土层堆积而成。 2 4 2 试验区生态环境简介 阜新矿区地处辽宁西北部，是典型半干旱地区。属北温带大陆型多风气候区， 1 月最冷平均气温为11 6 ，极端最低气温为2 8 4 c ，7 月最热，平均气温为2 4 2 c ， 极端最高气温为4 0 c c ，年平均气温为7 1 0 。c ，平均相对湿度为5 0 6 0 ，最少 月份平均相对湿度在2 0 以下。一般说来，年降水量尚可满足林木生长的需要， 但各年降水量分布极不均匀，最多年份可达1 1 9 0 m m ，为常年降水的1 8 9 ，最少 年份为2 3 0 m m ，仅为常年降水的4 4 9 ，因此经常出现周期性干旱，干旱频率为 2 0 2 5 。降水量在一年中分布也不均衡，夏季6 8 月份占全年降水量的6 0 7 0 ，春、冬少雨雪，春季4 5 月份干旱频率为2 5 3 1 。土壤主要是在各种岩 石风化物残积母质上以及黄土、红土母质上发育的淋溶褐色土、褐土性土，多分 布在丘陵和低山丘陵区，阜新以西分布着棕色森林土，另外该区还有少部分碳酸 赫褐土。一般土层较薄多在1 0 3 0 c m 之间。 本区属华北植物区系边缘，华北与内蒙古植物区系的过渡地带，分布着中、旱 生的草本植物和灌木，如荆条( v i t e xc h i n e n s i s ) 、虎榛子( o s t r y o p s i sd a v i d i a n a ) 、 山枣( z i z y p h u s j u j u b a v a r s p i n o s u s ) 、自茅( i m p e r a t ac y l i n d r i c a l ) 、萱草( t h e m e d a j a p o n i c a ) 、野谷草( a r m d i n e l l a h i r t a ) 等盖度在3 0 5 0 ，旱生植物如荆条、兴安 胡枝子( l e s p e d e z ad a h u r i c a ) 、多叶隐子草( c l e i s t o g e n e sp o l y p h y l l a ) 、百里香( t h y m u s s e r p y l l u m ) 、大针茅( s t i p a g r a n d s ) 等盖度在1 0 5 0 左右，耐旱植物如羽茅( 即 针茅) 、阿尔泰紫苑( a s t e r t a t r i c u s ) 、百罩香、羊草( a n e u r o l e p i d i u mc h i n e n s i s ) 等 盖度极小。 元宝山矿区属温带半干旱气候，光热资源丰富，年平均气温6 7 。c ，无霜期 1 4 0 d ，兰1 0 的积温3 1 0 0 。c ，年平均湿度0 4 ，而3 5 月只有o 1 o 2 ，春季干旱多 风，3 5 月8 级以上大风同数达2 0 d ，地带性土壤为发育在黄土母质上的栗褐土， 主要分布于丘陵，山地。 在元宝山矿区露天矿附近的排土场，经过大规模的环境扰动，原来的表土壤被 辽宁t 程技术人学硕十学位论文 堆埋，代之以结构迥异，质地粗砺，肥力地下的人工土状堆积；这些地段地表温 度变化剧烈，易被风蚀，产生沙暴。另一类煤矿生产排出矸石堆积而成的矸石山， 地表水土流失严重，不易形成结构稳定的土壤，坡度较大，地表干燥、少水，停 止排矸年限较短地段，还有自然现象发生。 植被同阜新矿区类型类似。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 半干旱地区煤矿废弃地土壤演替规律研究 3 1 土壤理化性质测定方法 3 1 1 土壤样品的采集与处理方法 ( 1 ) 士壤样品的采集 1 ) 土壤样品的采集时间：2 0 0 3 年秋； 2 ) 土壤样品的采集工具：铁锨、管形土钻； 3 ) 土壤样品采集的方法有两种： a 采集土壤剖面样品用于研究土壤基本理化性质。按土壤发生层次采样，每层 采样l k g ，分别装入袋中并做好标记； b 采集原状土壤样品用于土壤物理性质测定； 4 ) 土壤采样点的分布方式采用对角线取样法。 ( 2 ) 土壤样品的处理 土壤样品的处理包括风干、去杂、磨细、过筛、混匀、装瓶保存和登记等操作 过程。 1 ) 风干和去杂：将土壤样品放在阴凉干燥通风、又无特殊的气体( 如氯气、氨 气、二氧化硫等) 、无灰尘污染的室内，把样品弄碎后平铺在于净的牛皮纸上，摊 成薄薄的一层，并且经常翻动，加速干燥。在土样稍干后，要将大土块捏碎( 尤其 是粘性土壤1 ，以免结成硬块后难以磨细。样品风干后，拣出枯枝落叶、植物根、 残茬、虫体以及土壤中的铁锰结核、石灰结核或石子等。 2 ) 磨细、过筛和保存：进行物理分析时，取风干土样1 0 0 2 0 0 9 ，放在牛皮 纸上，用木块碾碎，放在有盖底的1 8 号筛( 孔径l m m ) 中，使之通过l m m 的筛子， 留在筛上的土块再倒在牛皮纸上重新碾磨。如此反复多次，直到全部通过为止。 同时将过筛的土样称重，以计算石砾重量百分数，然后将过筛后的土壤样品充分 混合均匀后盛于广口瓶中，作为土壤颗粒分析以及其它物理性质测定之用。 化学分析时，取风干好的土样如以上方法将其研碎，并使其全部通过1 8 号筛( 孔 径l m m ) 。所得的土壤样品，可用以测定速效性养分、p h 值等。测定全磷、全氮 和有机质含量时，可将通过1 8 号筛的土壤样品，进一步研磨，使其全部通过6 0 辽宁t 程技术大学硕卜学位论文 号筛( 孔径o 2 5 r a m ) 。测定全钾时，应将全部通过1 0 0 号筛( 孔径0 1 4 9 r a m ) 的土壤 样品，作为其分析用。研磨过筛后的土壤样品混匀后，装入广口瓶中。 3 ) 样品装入广口瓶后，贴上标签，并注明其样号、土类名称、采样地点、采 样深度、采样日期、筛孔径、采集人等。瓶内的样品保存在样品架上，避免日光、 高温、潮湿或酸碱气体等的影响，否则影响分析结果的准确性。 3 1 2 土壤物理性质测定方法 土壤物理化学性质测试分析项目见下表3 1 表3 - 1 、 干早地区煤矿废弃地土壤物理化学性质测定项目 分类分析测试项目 土壤的物理性质自然含水量、容重、土壤田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度 土壤的化学性质p h 值、有机质、全氨、全磷、全钾、速效氨、速效磷、速效钾 ( 1 ) 土壤自然含水量 土壤自然含水量是风干土样水分的含量，是各项分析结果计算的基础。测定 采用烘干法。 1 ) 测定原理：风干土壤样品中吸湿水在1 0 5 + 2 c 的烘箱中可被烘干，从而可 求出土壤失水重量占烘干后土重的百分数。在此温度下，自由水和吸湿水都被烘 干，然而土壤有机质不能被分解。 2 ) 测定步骤： a 取一干净又经烘干的有标号的铝盒( 或称量瓶) 在分析天平上称重为a 。 b 然后加入风干土样5 1 0 9 ( 精确到0 0 0 0 g ) ，并精确称出铝盒与土样的总重量 b 。 c 将铝盒盖斜盖在铝盒上面呈半开启状态，放入烘箱中，保持烘箱内温度 1 0 5 士2 。c ，烘6 小时。 d 待烘箱内温度冷却到5 0 。c 时，将铝盒从烘箱中取出，并放入干燥器内冷却至 室温称重，然后再启开铝盒盖烘2 小时，冷却后称其恒重为c 。前后两次称重之差 不大于3 m g 。 3 ) 结果计算： 该土样吸湿水的含量( ) = ( ( b a ) - ( c - a ) ) ( c a ) 1 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 = ( 湿土重一烘干土重) 烘干土重x10 0 ( 2 ) 土壤容重 土壤容重不仅用于鉴定土壤颗粒涮排列的紧实度，而且也是计算土壤孔度和空 气含量的必要数据。土壤容重利用环刀法测定。 1 ) 测定原理：本法系利用一定体积的环刀切割未搅的自然状态的土样，使土 样充满其中，称量后计算单位体积的烘干土重。 2 ) 操作步骤： a 先在f r 问选择挖掘土壤剖面的位置，然后挖掘土壤剖面，按剖面层次，分层 采样，每层重复3 次。如只测定耕作层土壤容重，则不必挖土壤剖面。 b j 各环刀托放在已知重量的环刀上，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至坏刀 筒中充满样品为止。环刀压入时要平稳，用力一致。 c 用削土刀托放在已知重量的环刀上，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环 刀筒中充满样品为止。环刀压入时要平稳，用力一致。 d 用削土刀切丌环刀周围的土壤，取出已装满土的环刀，细心削去环刀两端多 余的土，并擦净环刀外面的土。环刀两端立即加盖，以免水分蒸发。随即称重( 精 确到o o l g ) 并记录。 e 同时在同层采样处，用铝盒采样，测定土壤自然含水量。或者直接从环刀筒 中取出样品，测定土壤含水量。 3 ) 结果计算：按公式d = g 1 0 0 v ( 1 0 0 + w ) 】计算土壤容重。 式中：d - 土壤容重( g c m 3 ) ；g - 环刀内湿土重( g ) ；v 一环刀容积( c m 3 ) ； w - 样品含 水量( ) 此法允许平行绝对误差 o 0 3 9 c m 3 ，取算术平均值。 ( 3 )土壤田间持水量 土壤田问持水量是土壤排除重力水后，本身所保持的毛管悬着水的最大数量。 它是研究土、水、植物的关系，研究土壤水分状况，土壤改良、合理灌溉不可缺 少的水分常数。 1 ) 测定步骤： a 按容重采土的方法用环刀在野外采取原状土，放于盛水的搪瓷盘内，有孔盖 ( 底盖) 一端朝下，盘内水面较环刀上缘低1 2 毫米，勿使环刀上面淹水。让水分 饱和土壤。 辽宁t 程技术大学硕l 学位论文 b 同时在相同土层采土，风干后磨细过l 毫米筛孔，装入环刀中( 或用石英砂 代替干土) ，装时要轻拍击实，并稍微装满一些。 c 将水分饱和一昼夜的装有原状土的环刀取出，打开底盖( 有孔盖) ，将其连滤 纸一起放在装有干土( 或石英砂) 的环刀上。为紧密接触，可压上砖头( 一对环刀用 两块砖压) 。 d 经过8 小时吸水后，从环刀内取出1 5 2 0 克原状土测定含水量，此值接近 于该土壤的硐间持水量。 2 ) 结果计算：土壤田问持水量( 重量) = ( 湿土重一干土重) 干土重1 0 0 ( 4 ) 土壤总孔隙度 土壤总孔隙度是指自然状态下，土壤中孔隙的体积占土壤总体积的百分比。 土壤孔隙度不仅影响土壤的通气状况，而且反映土壤松紧度和结构状况的好坏。 土壤总孔隙度般不直接测定，而是用比重和容重计算求得。 总孔隙度( ) = ( 比重容重) 比重1 0 0 ( 比重= 2 6 5 ) ( 5 ) 毛管孔隙度= 土壤田间持水量容重 ( 6 ) 非毛管孔隙度= 总孔隙度一毛管孔隙度 3 1 3 土壤化学性质测定方法 f 1 ) p h 值测定 土壤的p h 值测定采用电位法。 1 ) 方法原理：用水浸提液或土壤悬液测定p h 值时，应用指示电极p h s 一3 c 复合电极测定该试液或悬液的电位差。由于电极的电位是固定的，因而该电位差 的大小取决于试液中的氟离子活度，在酸度计上可直接读出p h 值。 2 ) 操作步骤：称取通过l m m 孔径筛子的风干土2 5 9 ，放入5 0 m l 烧杯中，加 入蒸馏水2 5 m l 用玻璃棒搅拌1 分钟，使土体充分散开，放置半小时，此时应避免 空气中有氨或挥发性酸的影响，然后用酸度计测定。具体操作方法如下： a 接通电源，开启电源开关，预热1 5 分钟。 b 将开关按到p h 档。 c 将斜率顺时针按到底。 d 用温度计测出缓冲液或( 待测液) 的温度，将温度旋钮调至此温度。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 e 将电极放入p h 为6 8 6 的缓冲溶液中，调定位旋钮，使仪器显示6 8 6 。 f 将电极冲洗干净后，再放入p h 为9 1 8 ( 或4 o o ) 的缓冲溶液中，调斜率使仪器 显示9 1 8 ( 或4 o o ) 。 g 如此重复5 、6 步直到仪器显示相应的p h 值较稳定为止。 h 将洗干净的电极放入待测液中，仪器即显示待测液的p h 值，待显示数字较 稳定时读数即可。此值为待测液的p h 值。 ( 2 ) 土壤有机质测定 土壤有机质既是植物矿质营养和有机营养的源泉，又是土壤中异养型微生物的 能源物质，同时也是形成土壤结构的重要因素。测定土壤有机质含量的多少，在 一定程度上可说明土壤的肥沃程度。因为土壤有机质直接影响着土壤的理化性状。 土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法一外加热法。 1 ) 测定原理：在加热的条件下，用过量的重铬酸钾硫酸( k 2 c r 2 0 7 - - h 2 s 0 4 ) 溶液，来氧化土壤有机质中的碳，c r 2 0 7 等被还原成c 一，剩余的重铬酸钾( k 2 c r z 0 7 ) 用硫酸亚铁( f e s 0 4 ) 标准溶液滴定，根据消耗的重铬酸钾量计算出有机碳量，再乘 以常数1 7 2 4 ，即为土壤有机质量。 其反应式为：重铬酸钾一硫酸溶液与有机质作用： 2 k 2 c r 2 0 t + 3 c + s h 2 s 0 4 = 2 k 2 8 0 4 + 2 c r 2 ( s o & + 3 c 0 2 1 + g h 2 0 硫酸亚铁滴定剩余重铬酸钾的反应： i 2 c r 2 0 7 + 6 f e s 0 4 + 7 h 2 s 0 4 = k 2 8 0 4 + c r 2 ( s 0 4 ) 3 十3 f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 7 h 2 0 2 ) 测定步骤： a 在分析天平上准确称取通过6 0 目筛子( o 2 5 m m ) 的土壤样品o 1 o 5 9 ( 精确 到o 0 0 0 1 9 ) ，用长条腊光纸把称取的样品全部倒入干的硬质试管中，用移液管缓缓 准确加入o 1 3 6 m o l l 重铬酸钾一硫酸( k 2 c r 2 0 7 h 2 s 0 4 ) 溶液1 0 m l ，( 在加入约3 m l 时，摇动试管，以使土壤分散) ，然后在试管口加一小漏斗。 b 预先将液体石蜡油或植物油浴锅加热至1 8 5 1 9 0 。c ，将试管放入铁丝笼中， 然后将铁丝笼放入油浴锅中加热，放入后温度应控制在1 7 0 1 8 0 。c ，待试管中液 体沸腾发生气泡时丌始计时，煮沸5 分钟，取出试管，稍冷，擦净试管外部油液。 c 冷却后，将试管内容物小心仔细地全部沈入2 5 0 m l 的三角瓶中，使瓶内总体 积在6 0 7 0 m i ，保持其中硫酸浓度为l 1 5 m o l 1 ，此时溶液的颜色应为橙黄色或淡 辽宁t 程技术大学硕i 学位论文 1 9 黄色。然后加邻啡罗啉指示剂3 4 滴，用0 2 m o 的标准硫酸亚铁( f e s 0 4 ) 溶液滴 定，溶液由黄色经过绿色、淡绿色突变为棕红色即为终点。 d 在测定样品的同时必须做两个空白试验，取其平均值。可用石英砂代替样品， 其他过程同上。 3 ) 结果计算：在本反应中，有机质氧化率平均为9 0 ，所以氧化校正常数为 1 0 0 9 0 ，即为1 1 。有机质中碳的含量为5 8 ，故5 8 9 碳约等于1 0 0 9 有机质，1 9 碳约等于1 7 2 4 9 有机质。由前面的两个反应式可知：l m o l 的k 2 c r 2 0 7 可氧化3 2 m o l 的c ，滴定l m o l k 2 c r 2 0 7 ，可消耗6 m o lf e s 0 4 ，则消耗l m o l f e s 0 4 即氧化了 3 2 x 1 6 c = 1 4 c = 3 。计算公式为： 有机质g k g - - ( ( ( v 0 - v ) n x 0 0 0