矿区退化土地土壤改良剂的研制.doc

精品论文推荐矿区退化土地土壤改良剂的研制张晓薇 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新（123000） E-mail: zhangxiaowei780312摘要：阜新是一个因煤而立、因煤而兴的典型资源开采城市，长期以来，矿区由于没有土地复垦再利用规划，产生了大量的矿区废弃地，在废弃地上植物稀少，水土流失严重，造成 矿区水体、土壤、大气的严重污染，引发一系列经济、生态、社会等方面的问题。本文对阜新矿区煤矸石山生态环境、煤矸石及其风化物的物理化学生物特性作了综合阐述，同时，对作为煤矸石山复垦的土壤改良剂的沙土的物理化学性质也作了分析。沙土的取土地点在阜新 市辖区内的彰武县，此地土壤沙化严重，我们通过试验将沙土和煤矸石按照不同的比例混合，种植当地特征植物黄豆和谷子，通过不同比例下植物的生长状况判断沙土和煤矸石的最佳配 比。盆栽试验表明当沙土和混合土壤总重的比例为 17%时，最适宜黄豆生长，当比例为 67%时最适宜谷子生长。这个试验可为大面积煤矸石山复垦提供参考数据。 关键词：矿区废弃地；土壤改良剂；盆栽试验中国分类号：X144文献标识码：A1. 引言阜新是一个因煤而立、因煤而兴的典型资源开采城市，长期以来，矿区由于没有土地复 垦再利用规划，产生了大量的矿区废弃地。煤炭开采导致了恶劣的生活环境，而自然恢复是 非常缓慢的，通常需要 50100 年，特别是土壤的恢复，可能需要 10010000 年，甚至还有 些磷、钾、钙、镁等营养元素的缺乏难以由自然过程所恢复，因此，为了加速矿区的生态恢 复，采用人为方式恢复，对植物生长的基质土壤进行改良。在废弃地基质改良中用于基 质改良的材料非常重要，要本着“经济、合理”的原则，就近取材“以废治废”才能具有很好的 生态效益和社会效益。本文取彰武县沙土，通过盆栽试验将沙土和煤矸石按照不同的比例混 合，种植当地特征植物黄豆和谷子，不同比例下植物的生长状况判断沙土和煤矸石的最佳配 比。从而为大面积煤矸石山复垦提供参考数据1。2. 阜新矿区煤矸石及其风化物物化特性2.1 阜新矿区生态环境特点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-28.4，7 月最热，平均气温为 24.2 ，极端最高气 温为 40.6，年平均气温为 7100，平均相对湿度为 5060%，最少月份平均相对湿度在20%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 1190mm，为常年降水的 89%，最少年份为 230mm，仅为常年降水的 44.9%，因 此经常出现周期性干旱，干旱频率为 2025%。降水量在一年中分布也不均衡，夏季 68 月 份占全年降水量的 6070%，春、冬少雨雪，春季 45 月份干旱频率为 2531%。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盐褐土。一 般土层较薄多在 1030cm 之间。- 7 -2.2 阜新矿区煤矸石组成煤矸石的特征主要体现在其岩性、矿物组成和风化母质的性状等方面。岩性及矿物组成 是土壤形成的母质来源，对土壤性状有一定的控制作用，对矸石山的土壤演化也有不可忽视 的作用。母质是土壤形成的物质基础，母质的一些性状(如机械组成、化学性质等)都直接影 响成土过程的速度、方向和自然肥力。因此，煤矸石的岩石、矿物及其化学组成特征对煤矸 石风化物的理化性质具有重要的影响，从而制约矸石山土地资源的利用及其生产力2。2.2.1 岩石组成特征 阜新矿区为中生代陆相含煤盆地，煤系地层主要岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩，煤系上覆下伏地层有安山质火山熔岩、集块岩、凝灰岩、凝灰质砂岩(王国平，2004)。煤矸石由碳质页岩、凝灰质页岩、凝灰质粉砂岩、细砂岩、中粗粒长石石英砂岩、砾岩、伊利石粘土 岩及辉绿岩(后期侵入于煤系中的脉岩)组成，显微镜下可见煤矸石中广泛含有火山玻屑、长 石、石英晶屑、火山岩屑及微细火山凝灰岩。本矿区煤矸石普遍发生过自燃，自燃后的煤矸 石呈红色，惯称“红矸”，体重变轻。含碳矸石、页岩、粉砂岩、细砂岩类的矸石分解成细块； 碎块长石石英砂岩呈不同程度高岭土化，大块砂岩基本保持原状，强度变化不大，含铁低者 呈灰白色，惯称“白矸”。以未自燃的含碳高的煤矸石为主的矸石，惯称“黑矸”；以未自燃的 页岩及碳质粉砂岩为主的矸石惯称“灰矸”。不同矿区和不同采煤阶段产出的煤矸石常以“黑 矸”、“灰矸”为主。2.2.2矿物及化学组成特征 据王国平(2004)的研究，阜新矿区代表性煤矸石的主要化学成分如表 2-1，它与我国其他煤矿的煤矸石相比，具有硅高、铝低、高钾(含 K2O1.88%4.84%，多在 3%以上)，普遍含铁、钦，页岩中 CaO+MgO 含量偏高的特征。岩矿鉴定查明，碳质砂页岩、页岩、粉砂岩 均为凝灰质火山岩，细砂岩及中、粗粒长石石英砂岩也与火山喷发沉积有关。其矿物成分为 石英、长石(可见微斜长石、条纹长石、正长石及少量斜长石，部分呈高岭土化及周边碳酸 盐化)、煤、石墨、褐铁矿、白云母、铁白云石，伊利石类粘土矿物。粘土及胶结物微细矿 物经 X 光粉晶衍射鉴定，由石英、伊利石、铁白云石、白云石、白云母及石墨组成，并发 现有陨铁硅石、斜硅钙石。SiO2 来自石英、长石、伊利石等铝硅酸盐矿物，SiO2 含量大于57%者，主要是富含石英的砂岩类；Al2O3 含量由长石及粘土矿物决定，在页岩类煤矸石及砂岩类煤矸石中含量都很接近；CaO 与 MgO 来自铁白云石、白云石等与粘土及凝灰质胶结 物共生的微细矿物，其含量变化是区分页岩与砂岩界限的标志，可用（CaO+MgO）/ SiO2 比值来表示。表 1 中各类煤矸石的钙镁硅比值见表 2 。聚类分析表明，其比值>0.12 为高钙 镁页岩型煤矸石，比值<0.06 为砂岩型煤矸石(含 SiO2 大于 58%)。由表 2 可知，除凝灰质或 炭质页岩和伊利石粘土岩为高钙镁页岩型煤矸石之外，其余均为砂岩型煤矸石3。表 1 阜新矿区煤矸石化学成分表%岩石类型SiO2Al2O3CaO+MgOK2O+Na2OFe2O3SO3TiO2烧失量混合煤矸石58.1914.263.935.124.820.200.5910.5961.1315.123.755.374.920.699.05凝灰质或炭质页岩46.7013.316.242.656.080.6024.4251.2313.625.752.944.820.200.5720.03凝灰质粉砂岩57.1215.053.743.404.700.200.6414.1460.0918.411.643.655.810.619.65细砂岩60.3214.973.914.144.840.200.649.8562.3815.902.585.275.290.697.09中粗粒长石石英砂62.7418.741.065.783.580.636.89自燃红色砂岩67.4617.292.306.943.960.561.13伊利石粘土岩46.5014.1011.353.566.650.5816.72表 2 阜新矿区煤矸石各岩石类型钙镁硅化学成分表%岩石类型MgO+ Al2O3CaO+MgOSiO2（CaO+MgO）/ SiO2凝灰质或炭质页岩18.533.8459.660.065凝灰质粉砂岩19.466.0048.970.123细砂岩19.422.6958.610.047中粗粒长石石英砂岩18.683.2561.350.053自燃红色砂岩19.801.0662.740.017伊利石粘土岩19.592.3067.460.034混合煤矸石25.4511.3546.500.2493. 彰武县沙土的性质3.1 沙土来源地基本状况彰武县北部地处科尔沁沙地南缘，输科尔沁沙地的一部分，西辽河横贯这块沙地的中部。 这块沙地就其起源属于古代冲积沙地，是第四纪冰后期西辽河及其支流泛滥沉积的沙层，后 被西辽河下切及泛滥面缩小而形成的砂质阶地。该地区曾被森林植被、森林草原植被及草原 植被所复被形成土层厚达 70100cm 上下的砂质和砂壤质黑土型土壤，地形也较平缓。科 尔沁沙地沙漠化发生在 19 世纪后期清朝政府推行轮荒招垦政策，对森林的滥伐、不合理的 农垦及过度放牧，致使天然植被遭到彻底破坏和毁灭。裸露出来的地段，遭受强烈的风蚀， 较粘重的深厚表土层被吹失，露出松散的石英基砂，可谓古砂翻新，形成大片流沙，甚至形 成面积较大的流动沙丘群和流动沙丘带。到解放前夕，这里从原来的“灌丛成林、草层茂密 的肥美草原”变成了“一望无际的白花花的沙坨子”。“沙魔”迫使当地居民几迁家园，道路被 阻塞，良田被埋没，牧地边沙场。1952 年原东北人民政府颁布了“营造东北西部与内蒙古东 部防护林”的决定。为了配合这项工程的设计和实施，原辽西省人民政府于 1952 年在彰武县 北部沙区建立了章古台固沙造林实验站开展调查研究工作，后为了加强研究工作又扩建了辽 宁省固沙造林研究所。经过了 50 多年的不懈努力，开展了大量卓有成效的固沙造林实验， 在章古台镇及周围地区营造了大面积的试验示范林，并推广到其它县、市区，取得的成果受 估计关注。这里已由昔日的白花花的沙坨子变成了一片片一望无际的绿油油的林海。生态环境明显好转，风平沙退，天朗气清，五谷丰收，六畜兴旺。然而，近年来个别地区受短期利益驱动，毁林毁草开荒现象又有所抬头，当地生态环境又将面临新的威胁。该地区一个多世 纪以来土地利用方式发生了多次变化，生态环境几经变迁，形成了目前颇具代表性的农牧交 错带。3.2 彰武沙土的水分特征不同土壤条件其水分特征差异很大。流动沙地水分渗透快，03cm 内土壤贮水量变化 较小，05cm 一般为干沙层土壤含水；量小于 1%，5 以下土层呢含水量在 2%4%。固 定沙地由于植被覆盖量的增加，土壤结皮增加土壤中的粉沙粒明显增加。03.0m 沙曾内贮 水量变化较大。在早春时期土层含水量为 1%2%，而到雨季则恢复到稳定的含水量 3%4%。同一沙丘不同的部位含水量也有很大的差异。据测定丘间低地的水分状况最好，最高 含水量可达 23.31%，其原因除了大气降水补给外，还有地下水的补给，以为丘间低地的地 下水位较高一般在 0.52.0m。沙丘迎风坡中部降水容易渗透，100 以下的沙层含水量可 达 3.0%以上，而在 5100 内沙层含水量因受植物蒸腾和地面蒸发的影响变化较大，含水 量一般在 2%3%。固定沙丘顶部地势相对较高，不受地下水影响，由于受重力作用水分非 常容易下渗，沙层较干燥，与其它各部位相比水分含量相对较低，一般在 1.5%2.0%。本次试验所选用的沙土来自固定沙丘的丘间低地，所以其水分含量较高。3.3 沙土的机械组成与养分含量风沙土在本地各地分布最广，面积最大。风沙土成土时间短，质地均一，以中、细沙为 主，物理性沙粒含量较高，平均在 95%以上，物理性粘粒含量较低。生草沙土在本地区分 布也较广。土壤中以中、细沙为主，颗粒分布较为均一，物理性粘粒高于风沙土。区内各类 土壤的腐殖质、氮、磷等养分含量都比较低，其中风沙土含量最低，而且土壤养分含量变化 幅度较大，具有明显的变化规律。凡是土壤水分条件较好，含盐量少，植被茂盛的地区，土 壤中有机质和氮素、磷素的含量积累也较高，反之则少。4. 盆栽试验复垦是利用各种措施，恢复土壤肥力与生物生产能力的活动 ，它是实现废弃土地农业 复垦的关键环节，主要内容为土壤改良和植被品种筛选。由于实际条件的限制，我们在实验 室进行了盆栽实验4。4.1 实验配方为了达到以废治废，我们选择彰武县沙漠的沙壤土向煤矸石中添加，在复垦过程中，培肥 是非常重要的环节，只有培肥了煤矸石风化层才能巩固复垦成果，所以我们在按比例混合沙 土和煤矸石的同时混入了同样量的鹿粪，具体配比见表 3。表 3 实验配方表花盆编号1234567煤矸石/杯6543210彰武县沙壤土/杯0123456鹿粪/杯11111114.2 盆栽实验选取阜新地区优良黄豆和谷子进行盆栽实验，按以上配方作出四组混合土壤，其中两组 种植黄豆，两组种植谷子，其种植结果统计如下：表 4 黄豆栽种试验测量结果编 号A 组B 组株数平均株高/mm平均地表株径/mm平均重量/g株数平均株高/mm平均地表株径/mm平均重量/g132732.31.232832.61.3233482.51.333132.61.3333682.71.733712.51.6433432.61.433392.51.6523452.61.333402.41.4633252.41.323332.31.2733202.41.233162.31.2表 5 谷子栽种试验测量结果编 号A 组B 组株数平均株高/mm平均地表株径/mm平均重量/g株数平均株高/mm平均地表株径/mm平均重量/g12791.20.23811.20.2231061.30.431081.30.5331221.40.731171.50.8431271.80.831441.90.9531611.71.031651.91.2632132.01.932442.02.2731061.90.631021.70.64.3 统计分析将同种植物栽种试验的两行数据求平均值可得到如下表格： 表 6 两种植物栽种试验测量结果编 号黄豆谷子平均株高/mm平均地表株径/mm平均重量/g平均株高/mm平均地表株径/mm平均重量/g12802.51.3801.20.223302.61.31071.30.533702.61.71201.50.843412.61.51361.90.953432.51.41631.81.163292.41.32292.02.073182.41.21041.80.6根据沙壤土与总混合土壤的不同比例，做出比例与平均株高、平均地表株径、平均重量的关系图如下：400350平均株高3000%2502001501000%50017%17%33%33%50%50%67%67%83.3%83.3%100%黄豆 谷子100%0%20%40%60%80%100%120%图 1 沙土比例与平均株高的关系3平均地表株径2.50%20%1.510.5017%17%33%33%50%50%67%67%83%83%100%黄豆100%谷子0%20%40%60%80%100%120%图 2 沙土比例与平均株径的关系2.52平均重量1.50%10.50%017%17%33%33%50%50%67%67%83%83%100%黄豆 谷子100%0%20%40%60%80%100%120%5. 结论图 3 沙土比例与平均重量的关系根据以上关系图可以看出，用沙壤土作为煤矸石山复垦的基质改良剂是有效的，黄豆种植最适宜沙土与总重的比例为 17%，谷子种植最适宜沙土与总重的比例为 67%。参考文献1张策，何绪文. 煤矿固体废物治理与利用M. 北京：煤炭工业出版社, 19982边炳鑫，解强，赵由才. 煤系固体废物资源化技术M. 北京：化学工业出版社, 2004, 1 3姜振泉，李雷. 煤矸石的环境问题及其资源化利用M. 环境科学研究出版社, 19984施龙清，韩进，陆鸿. 煤矸石改良土壤应用研究M. 北京：中国煤炭, 1998Study of Soil Improver on Mining Area AbandonsZhang XiaoweiCollege of Resources and Environment Engineering, Liaoning Technical University, Liaoning, Fuxin (123000)AbstractFuxin is a typical resources city, which set up because of the coal and popular because of the coalmines. since long ago, mining area because doesnt have the land reclamation plan, produced the massive mining areas to abandon, was abandoning the ground plant to be scarce, the soil erosion was serious, creates the mining area water body, the soil, the atmospheric serious pollution, initiated a series of aspect and so on economies, ecology, society questions.In this paper, we give a composite Elaboration about ecological environment, gangue and weathering the physical, chemical and biological characteristics of Fuxin coal gangue hill, and as for soil improvers of the reclamation of coal gangue hill, its physical and chemical properties were also analyzed. Sand dug locations in the Zhangwu county, sandy soil serious here, we mixed sand and gangue according to diffierent proportion and set local plant: soybeans and millet. Then, find the best proportion.The pot experiment indicated: when the sandy soil and the total weight proportion is 17%, is suitable the soybean to grow, and 67% to millet. This experiment may provide the reference data for the similar bonsai or the big area gangue mountain reclamation.Keywords: the mining area abandons; improver; pot experiment作者简介：张晓薇，女，1978 年生，硕士研究生，主要研究方向矿区土地复垦。