露天矿表土替代材料研究进展

周国驰

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

我国是露天煤矿开采较多的国家之一，而我国新建现代化露天煤矿大多处于以晋、陕、蒙为代表的干旱、半干旱生态环境脆弱地区，因露天开采需要剥离煤层上方全部的表土与各岩层，不仅对矿区的原有的植被和土壤造成了破坏性的影响，同时排土场也会占用大量完好的土地，造成了土壤质量下降，生物多样性降低，生态环境退化等一系列问题。矿区土地复垦与生态重建成为解决这一问题的关键，表土资源有限成为限制这项工作开展的制约性因素。利用露天煤矿开采过程中产生的剥离物作为基质，经过选配、改良、熟化等过程，可以作为表土替代材料进行矿区土地复垦。因此，研制理想有效的表土替代材料成为露天矿区土地复垦与生态重建的核心工作。

1 表土替代材料概述

1.1 表土替代材料的定义及性质

1）表土替代材料（topsoil substitutes）是指从矿区土地复垦环境建设的可持续发展角度出发，利用非表土等资源的理化性质，对其进行合理配比、综合利用，使其成为适合植物生长的新型土壤[1]。张鸿龄[2]认为，表土替代材料是从环境建设的可持续发展出发，利用不同废弃物相互间互补的理化性质，将其合理配比，综合利用，使之成为适宜于植物生长的新型种植基质，并将其命名为“新土源”，也有学者将其称之为“人工土壤”[3]。胡振琪[4]等则认为“表土替代材料”较能反映该表土的特性，是对这种表土较为详尽、贴切的描述。

2）表土替代材料与复配土（remixed soil）不同。复配土是指将2 种或多种理化性质不同的土壤按照一定比例混合后形成新的土壤，强调的是质地不同而理化性质互补的土壤的混合。表土替代材料是以露天矿开采过程中产生的剥离物为母质，经人工破碎、混配，通过物、化学或生物方式对其进行改良，促使其风化、熟化后而形成的表土替代物[5-9]，是非土壤资源的不同固体废弃物之间的人工混合。

表土替代材料有效地解决了露天矿区土地复垦与排土场生态重建过程中表土缺失的问题，实现了矿区固体废弃物的资源化利用，减少了土地的占用。表土替代材料的理化性质决定了植被群落的演替方向和发展速度[10]，良好的表土替代材料具有快速提高自身理化性质及其中微生物的活性的能力，可以提高植物的成活率，植物根际微生物的生命活动，使复垦区重新建立和恢复土壤微生物体系，加快表土替代材料的熟化速度，缩短了矿山生态修复与重建的周期。因表土替代材料可以就地取材，既可以实现废弃物的资源化利用，又具有较高的经济适用性，对绿色矿山的建立与实现可持续发展具有重要意义。

1.2 表土替代材料的研究情况

1）国外对于露天煤矿土地复垦的研究起步较早。德国早在20 世纪20 年代就开始了对露天煤矿开采过程中产生的废弃地进行修复，Nicolini 等[11]发现第三纪风化的黄土可以作为表土替代材料，并将其应用于德国莱茵兰露天矿区进行土地复垦，对该黄土进行改良后取得良好的复垦效果。Wilson 等[12]以阿巴拉契亚露天煤矿作为试验区，通过连续8 年对试验区的土壤理化性质和树木生长惊醒测定，结果发现相比于未风化的灰色砂岩，风化的褐色砂岩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]研究认为，通过添加含有钙等具有金属络合物的细粒尾矿对排土场进行覆盖，结果表明这种细粒的加入可降低重金属污染、减少水土流失，同时也可以降低人造惰性覆盖材料的成本及运费，对覆盖物添加适当改良剂可以直接实现矿区的生态恢复。

2）国内关于表土替代材料的研究。多国内以矿山剥离物作为研究对象，通过添加有机质、改良剂以及植物措施等改善表土替代材料的物理性状、提高肥力，为植被重建提供必要的条件。早在1997 年，马彦卿先生为解决平果铝土矿复垦时表土缺失问题，以底板土作为复垦地再造耕层的基础材料，加以粉煤灰和尾矿泥，配制了复垦用土[14]，并种植夏大豆和春玉米进行田间试验，结果表明80%底板土+20%粉煤灰是复垦地人工再造耕作层的最佳配比[15]。胡振琦教授测定了内蒙古某露天矿Ⅲ层亚黏土的原装基质的土粒间空隙、保肥性能、pH 值、及重金属含量后发现其具备作为表土替代材料的潜力[16]。在其他研究中胡振琪教授将风化煤、煤矸石和粉煤灰按风化煤∶煤矸石∶粉煤灰=5∶1∶4 的比例混配成表土替代材料，施入适量煤基混合物加以改良，研究结果表明，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，提高作物产量和抗逆性，证明了以矿山废弃物代替表土的可能性。韩霁昌[17]利用砒砂岩与沙2 种物质结构在成土中的互补性，通过研究不同配比土壤质地、有机质含量、水稳性、作物种植适宜性以及对作物产量的影响，形成了系统完整的砒砂岩与沙复配成土的技术体系，并将科研成果应用于陕西省榆阳区小纪汗乡大纪汗村一期土地开发项目中，节水效果显著。

2 表土替代材料的改良

2.1 物理和化学改良技术

矿区复垦地生态效应是通过土壤理化性质的变化、养分循环、植被群落结构以及生物学的相互作用等反映出来，利用植被的群落特征、物种多样性和、理化性质、土壤酶活性、土壤微生物等进行评价恢复状况是目前较有效的方法。土壤基质改良的关键是在正确诊断矿区退化生境类型、特征的基础上，进行土壤重构与性能恢复[18]。

土壤有机质是土壤生物活动的基本能量来源，也是维持土壤生物活性及群落功能多样性的基础，改善和提高土壤有机质质量和水平是实现生态系统长期发展并且改善其生态服务功能的重要措施之一。秸秆可以作为来源最广泛、最易获取的外源有机物施入土壤，经微生物腐殖化作用转为土壤有机质，增加土壤中活性有机碳的含量。土壤中有机质含量对植被结构[19]、植被密度、盖度[20]等特征有较大影响。针对伊敏露天矿排土场绿化过程中腐殖土短缺现状，李文超等在排土场施入发酵后的农家肥对排土场土壤进行改良，研究发现农家肥改良土壤有助于提高排土场绿化效率和生物多样性[21]。

胡振琦教授团队的位蓓蕾、林杉等人先后以蛭石、草炭、腐殖酸、改性秸秆等材料作为改良剂对露天矿表土替代材料进行改良，并以紫花苜蓿的生长性能和抗逆性能为评价指标对改良效果进行评价，研究发现[22-24]施用改良剂对紫花苜蓿的株高、生物量、抗逆性的提高效果显著，当蛭石、草炭、改性秸秆、腐殖酸的添加量分别为10、10、50、0.5 g/kg 时有利于紫花苜蓿的生长及抗逆性能的发挥，证明了蛭石、草炭、腐殖酸、改性秸秆等改良剂对表土替代材料具有较好的改良效果。

武瑞平[25]以风化煤为改良介质对露天矿复垦土壤进行改良，研究结果表明：合理施用风化煤对露天煤矿复垦土壤量的增加而显著增加，团聚体百分含量最大达到95.80 %。为解决矿山岩质边坡绿化问题，马朋坤等[26]以铁尾矿为基础材料，加入秸秆纤维和保水剂，有效降低了基质容重，改善了土壤结构和蓄水能力，为植物创造了良好的立地条件。

2.2 生物改良技术

未经改良的表土替代材料中缺少氮、磷、有机质等植物生长所需的营养物质，这就要求在矿山排土场绿化及矿区土地复垦时需要施入肥料，而化肥的具有易淋溶、作用时间短的特点，这就要求长期人力、物力投入。生物改良技术的应用可以有效解决这一问题，如在矿区引入蚯蚓、种植豆科植物、接种菌根真菌等。有研究发现，蚯蚓活动可以提高土壤团聚体，增强土壤透气性、透水性、保肥性，经蚯蚓作用后土壤有机物C/N 比逐渐降低，腐殖质和有机酸等有机物含量增多，蚯蚓活动还能提高土壤微生物活性和数量，并对微生物种群结构产生影响，并促进植物生长，增加植物生物量[27]。煤矸石是采煤过程中产量较大的固体废弃物，因其数量多、方便就地取材、价格便宜等优势是较为理想的表土替代材料，但煤矸石保肥能力差，谢英荷等[28]在山西阳泉三矿展开试验，对煤矸石的生物恢复进行研究，通过覆土种植豆科植物并接种根瘤菌，很大程度上改善了煤矸石山的微生态环境，提高了煤矸石的熟化速度，改善了氮素利用状况。范军富以海州露天矿为研究对象，通过在表土替代材料中种植大豆并加入食用菌肥料，结果表明种植固氮植物时加入食用菌废料可加速土壤的熟化进程，提高土壤肥力，改善土壤理化性质[29]。接种菌剂技术在矿山废弃地的基质改良中也有应用，Noyd 等[30]通过在牧草上接种近明球囊霉(G.claroideum)和菌根真菌根内球囊酶(Glomusintradices)，成功恢复了矿渣地的植被，达到了修复和复垦的目的。

良好的土壤环境为植物的生长提供了良好的环境，植物的生长发育对土壤环境改善起到促进作用。植物不仅对土壤中的重金属、有机污染物有净化作用，还可以起到改良土壤的作用。研究表明：不同的植被恢复模式对生物多样性、土壤理化性质[31-32]、微生物群落结构[33]、土壤酶活性[34]均能起到改善作用，植物恢复主要通过影响微生物生长代谢所需要的有机碳和总氮来影响土壤微生物群落。刘军[35]在内蒙古霍林河南露天煤矿进行了长达21 年的观测，发现种植沙棘的排土场随土壤恢复年限的变化，不同恢复年限土壤肥力水平差异性逐渐显著，土壤肥力得到了显著改善。经过21 年的恢复，0～20 cm 碱解氮、速效钾土壤和有机质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过人工干扰加速矿区生态环境的修复进程，人工干扰应该与自然恢复相辅相成，受损生态系统的自然修复是佳状态，即使是通过人工干扰，实现生态系统的自我维持能力才是矿区复垦与生态修复最终目标。生物改良技术可以改善矿区植物的立地条件，改善区域生态小环境，使生态功能遭到破坏的矿山废弃地能够最终实现自我修复，逐步达到生态平衡。

3 结语

矿区土地复垦工作将在很长一段时间内作为我国土地复垦工作的重点，表土替代材料的研制是解决复垦过程中表土缺失的最佳方法。总结了表土替代材料的定义，归纳整理了国内外表土替代材料的研究进展，以及表土替代材料的物理、化学、生物改良技术的研究现状与应用。在工程开展过程中，一定要运用生态学原理进行指导，遵循协同适应原理对土壤进行改良，遵循生态演替原理进行物种选择，以达到快速恢复矿区植被的目的。