露天煤礦排土場重構(gòu)土壤改良及其評價(jià)指標(biāo)

盛世博

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110015）

煤炭是我國必不可缺的能量來源之一，我國北方普遍采用露天采礦的方式獲取煤炭資源，露天開采勢必會(huì)對原生地層結(jié)構(gòu)造成一定影響，露天開采剝離形成的重構(gòu)土壤多為巖土混合物，理化性質(zhì)較差，土壤肥力弱，因此如何將重構(gòu)土壤改造為適宜植物生長的土壤是目前面臨的重要問題[1]。

重構(gòu)土壤是開展土地復(fù)墾的前提條件[2]，近年來，諸多學(xué)者對礦山土壤改良方法進(jìn)行了深入研究，提出了很多生物改良劑、有機(jī)改良劑及無機(jī)改良劑[3-7]，但是對于改良劑的使用方法及使用原則介紹較少。為了降低礦山企業(yè)生態(tài)修復(fù)成本，減少過度改良及無效改良的情況發(fā)生，應(yīng)對不同改良方式改良效果通過某些指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，從而得出綜合性的結(jié)論，篩選出適宜的露天礦重構(gòu)土壤改良方式[8-9]。通過對露天煤礦重構(gòu)土壤改良原則及重構(gòu)土壤改良效果指標(biāo)進(jìn)行歸納，提出適宜的重構(gòu)土壤改良原則及評價(jià)方法，為礦山企業(yè)重構(gòu)土壤改良提供技術(shù)支持。

1 露天煤礦排土場重構(gòu)土壤改良原則

露天煤礦排土場重構(gòu)土壤主要成分為泥巖、生土、煤矸石、風(fēng)化煤、煤渣及沙子等材料的混合物，一般的重構(gòu)土壤主要以泥巖和生土混合物為主，由于土壤養(yǎng)分匱乏和土壤性狀較差，一般直接栽植植物難以成活，因此需要對重構(gòu)土壤進(jìn)行改良。

1.1 重構(gòu)土壤改良方式

如今對礦山排土場重構(gòu)土壤改良方式較多，如何選用適宜的改良劑成為重要的問題。目前礦山應(yīng)用最為廣泛的改良方式便是有機(jī)肥改良、生物質(zhì)材料改良、微生物改良、化學(xué)材料改良等。改良劑具有諸多優(yōu)勢，例如可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤團(tuán)聚體含量、提高土壤有機(jī)質(zhì)和提高土壤養(yǎng)分等。但添加量不足或者添加過量都會(huì)影響土地復(fù)墾效果，因此重構(gòu)土壤改良應(yīng)遵循一定的改良原則才能最終實(shí)現(xiàn)土地復(fù)墾效果。

對不同區(qū)域重構(gòu)土壤應(yīng)秉持因地制宜的原則，調(diào)查土壤背景值并分區(qū)定制改良方案，減少過度改良現(xiàn)象發(fā)生。①在改良過程中物理性質(zhì)首先應(yīng)滿足TDT 1036—2013 土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求，例如對于擬復(fù)墾為草地的區(qū)域礫石含量應(yīng)小于30 %，有機(jī)質(zhì)應(yīng)大于0.3 %，有效土層厚度應(yīng)大于10 cm，密度應(yīng)小于1.5 g/cm3，pH 位于6.5～8.5 之間；②在滿足以上條件的基礎(chǔ)上可以對土壤質(zhì)量進(jìn)行提檔升級(jí)，對于土壤養(yǎng)分可以參照《全國第二次土壤養(yǎng)分普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》判定土壤養(yǎng)分的等級(jí)，對于重構(gòu)土壤養(yǎng)分具有定性的判斷，對于土壤的重金屬污染可以參考GB 15618—2018 土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)中對危害較大的重金屬指標(biāo)的限定值；③最后對于重構(gòu)土壤物理性質(zhì)及養(yǎng)分應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為定期追肥和改善土壤結(jié)構(gòu)提供過程材料。

1.2 改良劑用量控制

改良劑的用量過多或過低都會(huì)影響土地復(fù)墾效果，添加量過高導(dǎo)致燒苗現(xiàn)象并且增加了土地復(fù)墾成本，添加量過低會(huì)直接影響植物生長。例如施加有機(jī)肥應(yīng)對施加量進(jìn)行嚴(yán)格把控，有機(jī)肥主要能力是改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤養(yǎng)分緩釋能力，但其養(yǎng)分含量并不高，大多數(shù)情況不能使重構(gòu)土壤養(yǎng)分達(dá)到較好的狀態(tài)，因此可以通過有機(jī)肥與其他肥料堆肥或者混施的方式提高養(yǎng)分含量[10]。

因此改良劑用量應(yīng)考慮性狀改良、養(yǎng)分改良2個(gè)方面：性狀改良的控制指標(biāo)主要為物理性質(zhì)，只要土壤物理性質(zhì)可以滿足植物生長便可；物理性質(zhì)改良劑包括生物質(zhì)材料（玉米芯、秸稈等）、草炭、蛭石、沸石等，常用的控制因素便是土壤密度、土壤孔隙度以及土壤的機(jī)械組成。排土場性狀改良的總體原則應(yīng)為降低密度、提高孔隙度、減少礫石含量和黏粒含量。養(yǎng)分改良控制指標(biāo)主要考慮pH、有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等元素的全態(tài)及速效態(tài)。氮、磷、鉀等元素應(yīng)達(dá)到《全國第二次土壤養(yǎng)分普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的4 級(jí)及以上水平，同時(shí)露天煤礦由于含碳量過高，應(yīng)重點(diǎn)考慮C/N 對于土壤的影響，C/N 不宜大于25：1，否則會(huì)影響土壤微生物環(huán)境的建立。

2 排土場重構(gòu)土壤改良效果評價(jià)指標(biāo)

2.1 排土場重構(gòu)土壤理化性質(zhì)評價(jià)指標(biāo)

1）重構(gòu)土壤物理性質(zhì)是衡量改良效果的重要指標(biāo)，通常衡量物理性質(zhì)的核心指標(biāo)為密度、孔隙度，這是由于露天礦的排土場重構(gòu)土壤主要成分為泥巖及生土，其自身密度較大，且其經(jīng)過重型設(shè)備壓實(shí)，孔隙度明顯降低，導(dǎo)致不利于生態(tài)修復(fù)，因此該2 項(xiàng)指標(biāo)為核心指標(biāo)。為了更全面對土壤進(jìn)行評價(jià)，可選用的土壤物理性質(zhì)評價(jià)指標(biāo)還包括土壤機(jī)械組成、土壤中位粒徑、土壤各類團(tuán)聚體含量、土壤田間持水量和土壤凋萎系數(shù)等。衡量土壤抗侵蝕能力的評價(jià)指標(biāo)主要包括土壤內(nèi)摩擦角、土壤剪切力等指標(biāo)。

2）土壤化學(xué)性質(zhì)評價(jià)主要根據(jù)評價(jià)目的選擇恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)指標(biāo)，一般的綜合評價(jià)主要包括土壤的pH、速效態(tài)氮磷鉀、全態(tài)氮磷鉀以及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分指標(biāo)，而單獨(dú)針對氮元素可以挑選堿解氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮等指標(biāo)。指標(biāo)選取應(yīng)具有良好的代表性和區(qū)別性，而篩選評價(jià)指標(biāo)主要依據(jù)專業(yè)知識(shí)，即根據(jù)有關(guān)的專業(yè)理論和實(shí)踐，來分析各評價(jià)指標(biāo)對結(jié)果的影響，挑選有代表性、確定性好、有一定區(qū)別能力又互相獨(dú)立的指標(biāo)組成評價(jià)指標(biāo)體系。某些數(shù)學(xué)方法需要根據(jù)評價(jià)目的，確定各評價(jià)指標(biāo)在對土壤養(yǎng)分評價(jià)中的相對重要性（權(quán)重），例如模糊綜合評價(jià)、綜合評分法、綜合指數(shù)法等方法，這些方法需要合理確定各單個(gè)指標(biāo)的評價(jià)等級(jí)及其隸屬度，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與隸屬度確定的越準(zhǔn)確，評價(jià)結(jié)果越貼近于真實(shí)情況。

3）理化性質(zhì)指標(biāo)評價(jià)方法。目前可以綜合評價(jià)土壤理化性質(zhì)的數(shù)學(xué)方法較多，主要分為3 類：①多元統(tǒng)計(jì)方法：主要包括多元回歸分析、判別分析、因子分析等，此類方法應(yīng)用面較廣，但在分析過程中收到數(shù)據(jù)質(zhì)量及樣本量的影響較大，在滿足相關(guān)分析方法要求的基礎(chǔ)上應(yīng)用可以快速評價(jià)處理間理化性質(zhì)差異，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，通過分析篩選出適宜的改良方式；②模糊多元分析法：該類方法基于模糊數(shù)學(xué)理論，主要包括模糊聚類、模糊判別和模糊綜合評價(jià)等方法，該類方法需要對權(quán)重及隸屬度進(jìn)行明確規(guī)定，分析結(jié)果會(huì)存在一定程度的人為因素；③簡易方法：主要包括綜合評分法、綜合指數(shù)法、層次分析法、Topsis 法以及秩和比法等，此類方法簡單實(shí)用并且適用于各類基礎(chǔ)資料，但是分析精度存在一定局限性，不適用于對評價(jià)精度要求較高的評價(jià)中。

2.2 重構(gòu)土壤植物與微生物響應(yīng)評價(jià)指標(biāo)

1）重構(gòu)土壤植物響應(yīng)評價(jià)指標(biāo)。重構(gòu)土壤改良后種植植物的響應(yīng)情況是反應(yīng)重構(gòu)土壤改良效果的重要因素。常見的植被修復(fù)模式為喬灌草相結(jié)合的方式，對于草本植物評價(jià)指標(biāo)主要包括株高、生物量、植被覆蓋度、分枝數(shù)（分蘗數(shù)）、物種多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)以及均勻度指數(shù)等，目前常選用的監(jiān)測方式為無人機(jī)多光譜航測與樣方法相結(jié)合。對于喬灌木仍需調(diào)查方法應(yīng)主要調(diào)查單株長勢，如果形成密林仍需要密度、郁閉度、層間植物種類、三維綠量等指標(biāo)。草本植物監(jiān)測應(yīng)以每月2 次為宜，喬灌木監(jiān)測應(yīng)以每年1 次為宜。因?yàn)橹参镒兓匀皇軞庀笾笜?biāo)的影響，因此在進(jìn)行植物評價(jià)的過程中要考慮氣象因素的變化對生物長勢的影響。氣象因素主要監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)包含天氣現(xiàn)象（晴、陰、多云、風(fēng)、雨、雪）、氣壓、風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、降雨量、蒸發(fā)、輻射、熱通量、土壤鹽分以及土壤水分等指標(biāo)，將氣象指標(biāo)與植物指標(biāo)變化共同分析，探究植物對于重構(gòu)土壤的響應(yīng)。

2）重構(gòu)土壤微生物響應(yīng)評價(jià)指標(biāo)。重構(gòu)土壤的微生物環(huán)境是重構(gòu)的，因此其微生物的特點(diǎn)與正常土壤的特點(diǎn)相差較大?；A(chǔ)的土壤微生物指標(biāo)是土壤酶活性，目前經(jīng)常測定的酶包括脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、脫氫酶、蔗糖酶、多酚氧化酶等，這些土壤酶可以有效的反應(yīng)土壤肥力指標(biāo)。但土壤酶由于其變化幅度較大、受外界影響較大等制約性，其判定土壤肥力的可靠性存在疑問，因此進(jìn)一步引入土壤微生物DNA 指標(biāo)對土壤進(jìn)行評價(jià)。目前對于重構(gòu)土壤微生物DNA 最宏觀、最經(jīng)濟(jì)的檢測手段是16srDNA 測序、18s－rDNA 和ITS 測序，16s－rDNA 測序主要測定土壤中細(xì)菌的多樣性，18s－rDNA 和ITS 測序主要測定土壤中真菌的多樣性。這3 種測序方法主要特點(diǎn)是可以對微生物的種群進(jìn)行高精度的鑒定，此類方法反應(yīng)土壤信息的能力可達(dá)80 %以上，可信度較高。通過對土壤DNA 的提取、PCR 擴(kuò)增、質(zhì)控、測序等一系列試驗(yàn)流程后，得到DNA 序列，通過將DNA 序列與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，通過OTU 聚類得到每個(gè)物種對應(yīng)的物種分類信息?；诓煌N類重構(gòu)土壤OTU 值進(jìn)行分析，可以對比不同種類重構(gòu)土壤的質(zhì)量，其主要評價(jià)指標(biāo)包括ace、chao、shannon和simpson 等微生物多樣性，各屬以上分類的微生物群落組成分析，基于picrust2 軟件預(yù)測群落KEGG功能，從酶水平、遺傳信息、細(xì)胞水平、有機(jī)系統(tǒng)等方面對重構(gòu)土壤進(jìn)行預(yù)測性評價(jià)。

3 結(jié)語

露天煤礦重構(gòu)土壤改良應(yīng)遵循以下幾條原則，首先基于對土壤物理性質(zhì)的改良篩選適宜的土壤性狀改良劑，其次根據(jù)復(fù)墾所適宜的土壤養(yǎng)分范圍控制土壤營養(yǎng)改良劑的添加量。重構(gòu)土壤改良的總體原則應(yīng)降低密度、提高孔隙度、減少礫石含量和黏粒含量，提高土壤氮磷鉀含量，合理控制土壤C/N。

排土場重構(gòu)土壤改良效果評價(jià)指標(biāo)可以從幾個(gè)方向進(jìn)行選取，一方面應(yīng)包含理化性質(zhì)指標(biāo)，物理性質(zhì)指標(biāo)可選取機(jī)械組成、密度、孔隙度、田間持水量等指標(biāo)，化學(xué)性質(zhì)可選取各種形態(tài)的氮、磷、鉀等指標(biāo)。另一方面從生物響應(yīng)方向可以選取植物的長勢指標(biāo)以及植物整體蓋度、生物量、郁閉度等方面選取評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)從微觀角度可以選取土壤酶，為更精確掌握土壤微環(huán)境情況應(yīng)選用16s－rDNA 測序、18s－rDNA 和ITS 測序的方法進(jìn)行重構(gòu)土壤評價(jià)。

排土場的生態(tài)修復(fù)即是露天礦的重點(diǎn)工程，同時(shí)也是露天資源開采與生態(tài)發(fā)展協(xié)調(diào)的紐帶，只有將排土場的生態(tài)修復(fù)工作做好才能真正的實(shí)現(xiàn)綠水青山就是金山銀山。因此在未來，如何實(shí)現(xiàn)排土場以最小的經(jīng)濟(jì)投入實(shí)現(xiàn)最大的生態(tài)效益是研究的重點(diǎn)，也是研究的難點(diǎn)。對于已修復(fù)區(qū)域排土場治理的效果需要有明確的量化，以數(shù)據(jù)證明露天開采對生態(tài)環(huán)境的損傷是有限的，只有將露天礦山生態(tài)修復(fù)數(shù)據(jù)化、可視化才能真正保障露天采礦可持續(xù)發(fā)展。