土壤修复课件矿区土壤复垦的原理与技术

第七章矿区土壤复垦的原理与技术一矿业废弃地矿业废弃地：指因采矿活动所破坏的，非经治理而无法使用的土地。根据其性质和形态，矿业废弃地主要包括：由剥离表土堆积而成的排土场废弃地；开采的岩石碎块和低品位矿石堆积形成的废石堆废弃地矿体采完后留下的采空区和塌陷区而形成的采矿坑废弃地采出的矿石经选出精矿后产生的尾矿堆积形成的尾矿废弃地采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等先占用后废弃的土地受采矿影响而无法利用开发的土地

广义的矿业废弃地还包括矿石的冶炼所带来的冶炼渣堆积地以及冶炼厂周边的因冶炼过程中重金属和二氧化硫排放所导致的退化土地矿业废弃物的资源化技术：分为物理、化学和生物方法如：采矿废石和剥离表土的处置建立废石厂填充采空区修筑废矿坝其它用途，如铺路等如：尾矿的处置地面堆存地下填充再利用作为建筑材料湖底、河底和河流排放二矿区土壤的问题

2.1矿山开采对环境的污染有以下表现形式矿山开采造成地表塌陷矿区生态系统破坏大量侵占和破坏土壤污染空气废水污染破坏地下水源诱发自然灾害

2.2矿山开发对环境破坏的主要影响因素矿山类型开采规模环境敏感性：地形、气候、降雨量等开采方式和方法三矿业废弃地生态恢复的主要原则

1988年11月8日国务院《土地复垦规定》：土地复垦是指对在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。有时也称为生态恢复或生态重建

3.1生态恢复的目标环境污染控制社会经济利用自维持生态系统的建立3.2生态恢复过程生态恢复目标的确定：基本理化性质分析植被重建技术的选择基质改良物种（植物材料）选择种植与管理监测与评价后期维护废弃地的基本理化性质不良的物理结构和较差的持水保肥能力极端贫瘠，N、P、K和有机质含量极低，或是养分不平衡有害元素含量过高，影响植物代谢途径、植物吸收营养元素和植物根系的生长极端的pH干旱或盐分过高引起的生理干旱矿业废弃物的物理性质排土场废石尾矿矿业废弃物的化学成分黄铁矿（FeS2）：氧化产生硫酸，加快溶出重金属金属毒性植物营养物贫乏盐分高极端的酸碱度3.3矿业废弃地的基质改良3.3.1主要的改良物化学肥料：N、P、KCa2+：降低重金属毒性FeSO4：对于铬酸盐冶炼厂废弃物的毒性，可采用化学还原方法，即把可溶性铬酸盐还原成铬盐，从而降低废弃物中铬的可溶性和毒性。氢氧化铬被沉淀时，如果基质中pH值接近中性，则这种形式对植物无害。FeSO4是这种情况下出色的还原剂，并具有降低pH值的辅助作用碳酸氢盐和石灰等：它们主要用于改善废弃地的酸性条件，硫铁矿、铜矿、铅锌矿、煤矿和油页岩废弃物等都存在有不同程度的酸化问题。石灰等碱性物质则被用于中和废弃物的酸性。当废弃物的酸性较高或是产酸较持久时，则应少量多次施用碳酸氢盐或石灰硫磺、石膏和硫酸等：主要用于改善废弃物的碱性问题，炼铬厂废弃物和粉煤灰一般呈碱性，不宜植物生长

污水污泥、生活垃圾、泥炭及动物粪便：都被广泛地应用于矿业废弃地重建植被时的基质改良。这是因为它们富含养分，且养分的释放缓慢，可供植物较持久的利用，含有大量的有机质，可以螯合部分重金属离子，缓解其毒性；可改善基质的物理结构，提高基质的持水保肥能力。这类物质本身便是一类固体废弃物，这种以废治废的做法具有很好的综合效益。一般，有机改良物质的改良效果优于化学肥料。作物的秸秆：被用作废弃地的覆盖物，这可改善表面的温度状况，并有助于维持一定的湿度，有利于种子萌发和幼苗的生长。秸秆还田尚能改善基质的物理结构，有利微生物生长，固定和保存氮素养分，促进基质中养分的转化。

其它一些物质：如加人造沸石、磷矿废弃物也被用于废弃地的改良。将人造沸石加到被Cd污染的土壤中去，可显著地降低多种农作物根、地上部中Cd的浓度。3.3.2改良措施表土转换污水污泥与生活垃圾的应用污水污泥和生活垃圾一般作为表土的替代物用以覆盖矿业废弃地。因为它们养分含量较高，住往能取得良好的效果。填土造田生物改良：生物改良主要是利用对极端生境条件具耐性的植物、金属富集植物、绿肥作物、固氮微生物、菌根真菌改善废弃地的理化性质。灌溉与施肥四矿区土壤重构

矿区生态重建主要指对采矿引起的土壤功能退化、生态结构缺损、功能失调或退化问题，通过工程、生物及其他综合措施来恢复和提高生态系统的功能，逐步实现矿区土壤资源的可持续利用

开采过程中的土壤生态重建：在矿产资源开发过程中尽量避免或减少对土壤环境的破坏，采取一种超前预防对策，如开采程序的优化，开采工艺的合理配置废弃或临近闭坑矿山的土壤生态重建矿区土壤生态重建必须因地制宜，注重综合效益与动态调控的原则五、矿区土壤复垦类型

根据用途可以将矿区土壤复垦分为农业复垦、林业复垦、牧业复垦、自然保护复垦、水资源复垦和工业复垦等。由于我国耕地面积有限,复垦的核心便是恢复耕地根据矿区土壤复垦的对象不同可分为采空区复垦、地下采矿场复垦、废石场复垦和尾矿场复垦根据技术方法可分为工程金属复垦和生物技术复垦两种六、矿区土壤复垦工艺技术

6.1复垦工艺6.1.1有覆土复垦工艺

矿山采空区、排土场、尾矿的土壤理化性质是错综复杂的。不同矿山的矿石成分有差异,经过采矿、选矿工程处理之后所排放的废料、尾矿及采石场的土壤状况差别很大。采石场因土壤的粒度组成中大粒度矿石的比例往往过大而不适于植物生长排土场及尾矿场的土壤质地也大多有别于耕地土壤,或因为土壤的理化性状如粒度组成、孔隙状况等不适于生长植物,或因为土壤中含有对植物生长有害的元素和化学物质而使土壤必须加以处理方可种植作物有覆土矿区土壤复垦工艺可简单概括如下:表土的采集、储存和复用岩石的排弃和回填场地整备铺垫表土耕作种植

6.1.2无覆土复垦工艺有些矿山排土场、尾矿场甚至风化较好的采石场,其表层土质与耕作土壤相近,无需进行表面覆土即可种植,或表层土质与耕作土有较大的差别,如酸性或碱性过高、粘粒含量偏低、某些化学物质的含量过低或过高、土壤肥力低等,可以选择适宜的植物品种,在无覆土的情况下进行种植。无覆土工艺为:场地工程整备-种植。6.2复垦技术6.2.1工程复垦技术和生物复垦技术复垦工作一般含工程复垦和生物复垦两大内容。工程复垦技术是工程复垦中,按照所在地区自然环境条件和复垦地利用方向的要求,在对废弃地进行回填、堆垒和平整并进行必要的防洪、排涝及环保治理中的处理技术。采场排土中有内排工艺技术和外排工艺技术。覆土时有机械覆土技术和水力复垦技术,生物复垦技术的出发点是在新恢复的土壤上选种适宜作物,形成景观好、稳定性高和具有经济价值的植被面6.2.2复垦土壤改良技术贫瘠土壤可以通过种植速生草本植物,加速腐殖质层的形成来提高土壤肥力。培植豆科植物是获得腐殖层的捷径。酸性土壤在pH值不太低的情况下可以通过施用石灰来调节酸碱性,达到适宜的pH值,但在pH值过低时,一次性石灰的用量会很大,不利于作物生长,因此,选用磷矿粉来改良酸性,一来可以提高土壤肥力,二来能在较长的时间内控制土壤pH值。碱性土壤可以通过合理施肥及施用化学调节剂等来调节酸碱性。重土和轻砂土可以通过加粉煤灰而成为中等结构的土壤,增加了土层的保水能力和孔隙度。

6.2.3采煤塌陷地的复垦技术采煤塌陷地的土地复垦主要包括疏干法、挖深垫浅法、充填复垦、生态工程复垦。疏干法。指开挖大量排水渠，使塌陷区的积水排干，再加以必要的整修工程，使塌陷区不再积水，并得以恢复利用。挖深垫浅法。用挖掘机械将塌陷深的区域再挖深，形成水（鱼）塘。取出的土方充填塌陷坑浅的区域，形成耕地，达到水产养殖和农业种植并举的目的。充填复垦技术。将土地复垦技术与生态工程技术结合起来，综合利用生物学、生态经济学、环境科学、农业技术以及系统工程学等理论，运用生态系统的物种共生和物质循环再生原理，对破坏土地所设计的多层次利用的工艺技术。6.2.4复垦增产技术施肥增产矿区复垦的土壤营养状况大多十分贫乏,合理施用肥料是矿区复垦增产的有效措施。施肥中化肥品种、营养组份配比、施肥时间、施肥方式、施肥量等对增产效果影响显著种子丸衣技术增产。种子丸衣技术发展迅速,抗流失丸衣、微量元素丸衣、储水丸衣、农药丸衣、肥料丸衣等可用来增强抗逆性能,提高生物复垦的效果,都很适宜在复垦区的播种菌根增产。在植物根系接种真菌菌株(内生菌株或外生菌株),可以促进植物根系对土壤中磷、钾、钙等矿质元素的吸收,扩大根系吸收面积,提高植物抗旱、抗涝能力,增强植物对病虫害的抵抗能力,从而达到增产的效果。吸水剂增产。吸水剂是具有羧基等电离性亲水基的三维网状结构,具有高吸水性、持水性和保水性的一种高分子聚合物,中性无毒。可以通过拌种,或播种时地面撒施,或移栽前涂根而加以施用,吸水剂可以增强植物抗旱性,减少复垦地灌溉工程投资。七矿区土壤质量与养分管理

7.1矿区土壤质量土壤质量包括两方面的内容,即土壤的生产质量(土壤肥力)和环境质量.所以,在土地复垦实践中,所有复垦措施和技术必须在改良和确保土壤环境质量的前提下,才能采取提高土壤肥力、增加作物产量的措施.土壤的生产质量土壤生产力的高低主要决定于土壤肥力的状况.土壤肥力是土壤养分、水分、热量和空气等方面供应和协调作物生长的综合能力,具体表现在土壤物理特性和土壤养分状况两个方面。土壤物理特性而言,土壤水分、热量和空气等状况与土壤质地和耕层结构紧密相关,砾石含量高不利于作物根系的穿插和生长。养分因素主要考虑土壤有机质、全氮、有效磷、全钾等因子的含量土壤环境质量土壤环境质量包括对人类生产、生活和发展以及农作物的适宜程度7.2矿区土壤质量养分管理

7.2.1土壤全量养分随种植年限的增加,有机质和全氮含量增加。土壤全磷含量随复垦年限的增加呈增大的趋势,但变幅不大,土壤全钾则随复垦年限呈降低趋势,变化也不明显。pH变化规律不明显,变幅也比较小;土壤容重随复垦年限增加呈降低趋势,这与土壤有机质含量随复垦年限的增加有关。

7.2.2土壤速效养分的变化新复垦的土壤碱解氮含量很低,随着复垦年限的增加,其含量逐渐增加,对于速效磷而言,新垦田土壤的含量还是比较高的,随着复垦年限的增加,其含量很快增加。有效氮与速效磷的快速增加与大量施用无机肥料直接相关。

7.2.3土壤剖面养分的变化复垦地块0～20ｃｍ土壤的容重随复垦年限的增加逐渐降低,但20～40ｃｍ及其以下的复垦土壤明显高于对照土壤。这是由于复垦时大型机械的压实作用造成的,这也使得作物根系难以下扎,水分难以下渗,加之表层质地粘重,下大雨时往往造成地表积水。有机质、全氮量不论表层还是底层,都随复垦年限的增加,呈逐渐增加的趋势全磷、ｐＨ则没有明显的变化,一般新复垦为农田土壤的交换量高于对照土壤,而且都是表层和底层高于心土层,这是由于复垦时所用的不同性质的粘土矿物决定的7.2.4土壤微量元素有效态含量的变化铜、锌、铁、锰、硼这五种微量元素有效态含量随复垦年限的变化不明显。7.2.5土壤生产力的变化随着复垦年限的增加,由于施用了大量的有机和无机肥料,土壤生产力逐年增加,粮食产量也随复垦年限增加而提高。八矿区土壤-植物关系与复垦8.1土壤和植物的关系矿山复垦区域土壤,存在着潜在的酸性、重金属污染,植物生存环境具有一定的限制性,适生的植物群落的数量和个体数均受到限制。植物多样性保护与恢复应作为选择采矿与复垦方案的依据之一。利用重金属耐受型自然植物的植物稳定修复利用重金属超积累型植物的植物提取修复植物

8.2矿区土壤-植物的复垦

8.2.1种植密度与林草混交矿区新垦地植被重建中,必须遵照植物对水热条件的适应性,采取不同的种植密度。喜光而速生的植物宜稀一些,耐阴且初期生长慢的植物宜密一些;树冠宽阔、根系庞大的宜稀一些,树冠狭窄、根系紧凑的宜密一些。

不同立地条件种植密度也不同,在高海拔、高纬度、低温、土壤瘠薄的地区,密度相对应大一些;在栽植技术精细、水分供应良好、管理好的地区,密度宜稀一些。不同造林目的栽植密度也不同,作为水土保持林可密一些,若作为农田防护林、用材林则宜稀一些。在矿区土地复垦初期,栽植纯林较多。纯林的主要缺点是,利用林地空闲不充分,生物产量不高,生态效益较差,容易发生病虫害和林火等自然灾害,自然景色较单调等。

采用林草混交种植。林草混交有利于营养空间的利用,有利于立地条件的改善,有利于发挥防护效能,有利于提高抵抗灾害的能力等。所用树木栽植密度一次到位,中间套种或间种生命期长短不一的各类牧草。在这些乔灌木树种未长大前,这些混种的牧草可以防止地面的水土流失,维护着自然界的生态平衡。随着这些木本植物的生长,牧草将逐渐退化,树木可正常生长。这种种植方式将节省大量对乔灌木树种的间伐费用。

8.2.2直播技术直接播种,植物的生命力强,根系扎入土层较深,地下部根系的伸长经常高于地上部的生长量。此外,直播的林木易发生自然淘汰,天然地进行林分密度调节,形成抵御自然灾害能力强的株形,因此这类植物具有较强的抗逆性。再者,直接播种所需的成本较低。矿区新垦地上种植的各种牧草和绝大多数药用植物及农作物都是用直播法来繁殖的,有些灌木植物如柠条、杨柴等也是用直播法繁殖的。直播种子的前处理视土壤墒情而定,若土壤墒情好,可温水浸种催芽后播种,豆科牧草一般浸种12～16ｈ,禾本科牧草浸种1～2ｄ。种皮薄的用30℃水浸种,种皮厚的用60℃水浸种,种皮坚硬的用70℃以上的水浸种。若土壤墒情不足,就直接把种子播于地内,等天降雨。

8.3.3

移栽技术移栽与直播不同之处在于移栽的苗木较大,植株生长起来封垄地面快,对于能固氮的植物和有菌根菌的植物,移栽时可把苗圃地内的有益菌带到新垦地内,促使植株健壮生长。苗圃地可选在工场区附近,选择土地较平坦肥沃、可浇水灌溉、排水良好、背风向阳的暖和地块。栽植时幼苗根部要蘸上泥浆以减少根部在干燥空气中的暴露时间,增加根部土壤含水量。栽植时一定要除去树苗地周围快速生长的杂草,以免与树木争夺水分。购买苗木的地点最好选择与移栽地气候条件相近的地方,不要把水地培育的苗木移栽到旱地上去,否则成活率将大大降低。

8.3.4扦插技术扦插的适宜环境是温暖湿润的气候,扦插有春插、秋插和夏插,落叶树以春季新芽未萌动以前扦插为好,常绿树以春末夏初或秋天扦插为好。

8.5.5抚育管理苗木防冻很多有经济价值的植物都因不能忍受矿区的低温而不能种植,就是较耐寒的植物由于管理水平的不同,最后的结果也不一样。如冬季来临时栽植者用土把油松由西北方向埋起来,油松在复垦地内安全度过了第一个冬天,第二年春天把土刨开,以后油松就能安全越冬了。苗木还可采取地表铺撒粉煤灰提高地温来防冻,用塑料膜覆盖幼苗来防冻,植株地上部用塑料布包扎来防冻等,可根据具体情况决定。锄草与施肥除草方法不宜采用除草剂,最好连根拔掉。若附近有树木,顺便放在树根周围,这样既防止树根周围土壤水分的蒸发,这些草腐烂后还能当肥料使用。复垦地面积很大,主要靠种植绿肥作物和固氮植物以及植物的枯枝落叶、动物的粪便与尸体等来增加土壤营养物质,也可适当使用少量的无机肥,如在采煤过程中使用硝酸铵作炸药,掉落的硝酸铵可用来对农作物和林草施肥。

对农作物的施肥试验表明,谷子、玉米等产量均有提高。对牧草的施肥试验看到,禾本科牧草对氮肥反应明显,豆科牧草对磷肥反应明显。城市污泥对药用植物和牧草的试验,也看到有明显的促进效果。在新垦地上种植的亚麻和枸杞,由于没有施肥,亚麻不能长到纤维用高度的标准。一般情况下,氮肥促进草本植物的生长,而磷肥、钾肥能促进木本植物的生长,需要哪类植物生长就施哪类肥。给复垦地施肥,可以促使林草植被生长繁茂。

修枝与间伐在栽植初期因担心成活率不高,故栽植密度较大,随着植株的生长,通风透光不良,水分供应不足。这些现象都说明水分已不能满足植株生长的需要,必须进行疏株间伐。进行修剪,树形整齐好看,主茎生长也健壮。所以说修枝间伐是木本植物生长过程中必不可少的抚育措施。

封山育林人工林最大的问题是稳定性差,对气候灾害和病虫害的抵抗力低,这与植物结构单一,生物多样性降低有关。由于人工林多采用生长较快的植物,轮伐期短,长期连栽造成地力下降。通过封山育林,逐渐将消耗地力较强的一年生植物用多年生养地的植物所代替,减轻了地力消耗;封山育林后阻止了人们掠夺植物的光合产物,所有的枯枝落叶腐烂后返还于土壤,增加了土壤的营养物;通过封山育林,各种有经济价值的树种和各类药用植物得以保存,并扩大繁殖群体,进而参与植被的演替;封山育林后,各类野生动物免遭捕杀,使林中的生态系统更加完善,土壤结构得到改良,营养元素更加丰富,草灌乔生长更好,达到良性循环,走持续发展的道路。

植被配置模式植物的配置不应是简单的草灌乔组合,所选植物应符合先锋植物或适生植物的选择条件。

平台植被配置模式在平台地内按农业复垦的要求,铺设1ｍ以上黄土进行网络化整治。在平台的边缘即坡肩部分修筑高1ｍ、宽2.5ｍ的挡水墙,在它的两边栽植旱柳或杨树等。株间种植蜀葵、石竹或波斯菊等多年生花卉植物。这种挡水墙既能挡水又能当道路使用。在平盘的里边即坡麓部分挖深、宽各0.5ｍ的排水沟,在其两边栽植刺槐或杨树等。根据平台的地理位置和使用方向可分为永久性林牧用地平台和过渡性林牧用地平台。

永久性林牧用地平台主要分布在公路、铁路、工业广场较近范围内的平台,它们作为永久性林牧用地平台,对矿区环境美化、防止粉尘污染和防风固沙等起着重要作用。其配置模式如下:刺槐×杨混交林;刺槐×沙柳混交林;沙枣×榆树混交林;油松×刺槐混交林;油松×沙棘混交林;刺槐×旱柳混交林;杨树×沙棘混交林。

过渡性林木用地平台主要分布于内排土场的最终平台,最终的土地利用方向为耕地,但由于内排土场非均匀沉降严重,土壤肥力缺乏,通过种植林草来改良。当土壤肥力提高后,当地对耕地有需求时,除林网外可全部转为农田。其植被配置模式有下列4种:林网新疆杨×网间豆科牧草;林网刺槐×网间药用植物;林网合作杨×网间柠条林;林网小黑杨×网间沙棘。边坡林木用地植被配置模式在排土场复垦和生态重建中,最受关注、技术难度最大的是边坡植被工程。根据环境保护、水土保持和复垦的要求,边坡的利用方向是永久性的林草用地。边坡上的黄土不宜铺得太厚,一般以20～30ｃｍ为宜,促使植株根系纵深向石砾层发展。其上的植物应以直播为主,栽植为辅。在边坡的底部即坡麓部分修建深、宽各50ｃｍ的排水渠,在水渠两边各间植两行刺槐和杨树,其株行距为2ｍ×3ｍ。边坡上的植被配置模式有下列5种:刺槐×禾本科豆科牧草;沙棘×豆科禾本科牧草;柠条×豆科禾本科牧草;油松×柠条;杜松×沙棘排土场周边植被配置模式排土场周边植被包括其周边防护林带、矿区铁路线两侧和公路线两侧闲置地的绿化,调度室、破碎站、选煤厂和储煤库等场地周边闲置地的绿化,沉淀池周边的绿化等。这类植被配置是将其绿化美化功能与水土保持结合起来讨论据你了解，我国在矿区恢复方面做的比较多的工作是那些？不足的是那些？那些工作还应该开展？我国废弃地的生态恢复对策我国废弃地的生态恢复理论研究两个特色鲜明的研究领域：中国矿业大学和山西农业大学为代表的，以煤矿废弃地为对象、以土地利用为主要目的的土地复垦理论与技术研究；中山大学和香港浸会大学为代表的，以有色金属矿业废弃地为研究对象，以环境污染的控制和自然生态系统的恢复为主要目的的理论与技术研究中国矿业大学对煤矿开采沉陷耕地破坏的机制及其复垦对策提出了一些新技术初步探明了煤矿开采沉陷耕地生产力下降的机制揭示了开采沉陷地对耕地景观的破坏特征和规律性及其与地表沉陷与变形的相关关系提出了从沉陷地资源合理利用和复垦管理到复垦工程技术诸多方面的对策提出了复垦的工程成本，效益的计算公式和经济评价方法土壤改良的生物技术和矸石块快速熟化技术等

胡振琪《采煤沉陷地的土地资源管理与复垦》《露天矿土地复垦研究》山西农大的研究平朔露天矿区的复垦中采用经济可行的操作工艺，即黄土母质直接铺覆地表，进行土壤熟化、培肥、种植植被的重建模式为“草、灌、乔同时并举，合理配置实施“采掘、排弃、造地、复垦”一体化的基础工程利用丰富的黄土对局部重金属相对富集和酸度较大的岩层进行包埋、压埋、填埋

白中科等《工矿土地复垦与生态重建》中山大学与香港浸会大学的研究提出了尾矿影响植物定居的主要限制因子及改良措施通过生态调查和实验手段，筛选出多种可用于尾矿生态恢复的植物种类发展了尾矿酸化的快速、准确的预测方法，并提出相应的控制酸化措施讨论了尾矿植物自然定居的过程和机理，丰富了恢复生态学理论应用豆科植物和菌根，引入土壤种子库对尾矿废弃地植被恢复的作用研究了重金属在重建植被中的迁移、积累规律利用人工湿地处理金属矿山废水黄铭洪《环境污染与生态恢复》土地复垦规定（共26条，前13条）

1988年11月8日国务院令第19号发布

第一条为加强土地复垦工作，合理利用土地，改善生态环境，制定本规定第二条本规定所称土地复垦，是指对在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动第三条本规定适用于因从事开采矿产资源、烧制砖瓦、燃煤发电等生产建设活动，造成土地破坏的企业和个人（以下简称企业和个人）