一种土壤重构材料及其制备方法和土壤快速熟化的方法

技术领域

本发明属于土壤重构技术领域，具体涉及一种土壤重构材料及其制备方法和土壤快速熟化的方法。

背景技术

东部草原区是我国以露天开采为主的大型煤电基地，高强度的煤炭开发给原本就存在表土稀缺问题的草原带来了土地破坏、水土流失、土壤沙化等一系列问题。同时，煤电基地的开发还产生了大量的工业固废，例如岩土剥离物、煤顶板、粉煤灰等工业固废，固废的大量堆积对脆弱的草原环境产生了较大的潜在危害。

另外，东部草原区原本就存在表土稀缺的问题，又由于采矿活动对原有土壤的破坏，使得被破坏的土壤结构以及无规律的土壤成分成为了生态恢复工作的主要障碍因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种土壤重构材料和应用，本发明的土壤重构材料不仅缓解了煤电基地开放产生的大量工业固废对草原缓解的危害，而且解决了东部草原矿区废弃地植被恢复和生态重建中表土稀缺的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种土壤重构材料，包括岩土剥离物和煤顶板，所述岩土剥离物和煤顶板的重量比为2～2.6:3。

本发明还提供了上述技术方案所述的土壤重构材料的制备方法，包括：将原始重构材料经冻融，得到重构材料。

优选的，所述冻融包括冻结和融化；

所述冻结的开始温度为最高气温为-3℃以下，所述冻结的时长≥50d；

所述融化的开始温度为最低气温为0℃以上，所述融化的时长≥20d。

本发明还提供了上述方案所述的土壤重构材料或上述制备方法得到的土壤重构材料在土壤快速熟化中的应用。

本发明提供了一种土壤快速熟化的方法，包括以下步骤：

(1)将上述方案所述土壤重构材料翻耕，得到重构土壤；

(2)将固氮植物的种子播种在重构土壤中进行生物熟化。

优选的，所述土壤重构材料的厚度为40～60cm。

优选的，所所述翻耕的深度为40～60cm。

优选的，所述固氮植物包括紫花苜蓿和/或沙打旺。

优选的，所述播种的方法包括覆盖播种；所述播种的间距为15cm，所述播种的深度为1.5～2.5cm，所述播种的种子用量为17～25g/m

优选的，所述土壤包括矿区土壤；所述矿区包括内蒙古东部草原矿区。

有益效果：

本发明提供一种土壤重构材料，包括岩土剥离物和煤顶板，所述岩土剥离物和煤顶板的重量比为2～2.6:3。本发明通过利用当地的工业固废作为土壤重构的材料，不仅缓解了煤电基地开放产生的大量工业固废对草原环境的危害，而且解决了东部草原矿区废弃地植被恢复和生态重建中表土稀缺的问题。

进一步的，本发明通过将岩土剥离物和煤顶板进行复配得到土壤重构材料，并结合翻耕和种植固氮植物的土壤熟化方法，可以使重构土壤快速熟化，短时间内具备了植物生长的条件，避免了长时间自然熟化过程中存在的潜在生态风险。

进一步的，本发明通过将原始重构材料经过冻融处理，使得原始重构物料在冻融作用下压碎成更细、粒径更小的物质，进一步促进重构材料的熟化。

进一步的，本发明的土壤生态恢复的方法操作简单，成本低，经济效益高。

具体实施方式

本发明提供一种土壤重构材料，包括岩土剥离物和煤顶板，所述岩土剥离物和煤顶板的重量比为2～2.6:3，优选为2～2.4:3，最优选为2:3。

在本发明中，所述岩土剥离物为煤炭开采过程中剥离的煤层以上的土层土体混合物，其pH约为8.2，呈现出弱碱性，是草原矿区的主要工业固废；所述煤顶板为正常层序的含煤地层剖面中覆盖在煤层上面的岩层，主要由泥岩、页岩、粉砂岩等岩层所组成，其pH较低，呈酸性，能够中和岩土剥离物的碱性；而且煤顶板的全氮、有机质、有效氮、有效磷、速效钾、腐殖酸等营养元素含量丰富，能够提高重构土壤的肥力，为复绿植被提供养分；同时煤顶板所具有较好的孔隙结构，利于水分的吸收与保持。本发明通过将岩土剥离物和煤顶板复配使用不仅缓解了煤电基地开放产生的大量工业固废对草原环境的危害，而且解决了东部草原矿区废弃地植被恢复和生态重建中表土稀缺的问题。

本发明还提供了上述技术方案所述土壤重构材料的制备方法，包括：将原始重构材料经冻融，得到重构材料。本发明中，所述原始重构材料的冻融处理优选包括：将岩土剥离物和煤顶板分别堆放进行冻融处理；所述冻融优选包括冻结和融化；所述冻结的开始温度优选为白天最高气温为-3℃以下，所述冻结的时长优选≥50d，进一步优选为≥210d；所述融化的开始温度优选为白天最低气温为0℃以上，所述融化的时长优选≥20d，进一步优选≥60d。

本发明可以利用内蒙古东部草原矿区特有的半干旱草原气候，尤其是每年的11月到翌年的5月年温差较大的土壤冻融风化作用，将原始重构材料进行冻融，在此过程中原始重构材料裂缝中的水，在冬季上冻期间发生冻结时把重构材料中较大颗粒涨裂，并因冻结膨胀产生压力而把裂缝附近的重构材料压碎成更细、粒径更小的物质，从而使得重构材料更加适合植物的生长，并有利于促进土壤的熟化。

本发明还提供了上述方案所述的土壤重构材料在土壤快速熟化中的应用。

本发明还提供了一种上述土壤快速熟化的方法，包括以下步骤：(1)将上述方案所述土壤重构材料翻耕，得到重构土壤；(2)将固氮植物的种子播种在重构土壤中进行生物熟化。在本发明中，所述土壤优选包括矿区土壤；所述矿区优选包括东部草原矿区。本发明通过将土壤重构材料翻耕并结合种植固氮植物的土壤熟化方法，可以使重构土壤快速熟化，短时间内具备了植物生长的条件，避免了长时间自然熟化过程中存在的潜在生态风险。

本发明先将上述方案所述土壤重构材料翻耕，得到重构土壤。在本发明中，所述土壤重构材料的厚度优选为40～60cm，进一步优选为45～55cm，最优选为50cm；所述翻耕的处理方式优选包括：将待恢复的土壤整平，然后铺设冻融处理后的岩土剥离物进行整平，再铺设冻融处理后的煤顶板后整平；所述翻耕的深度优选为40～60cm，进一步优选为50cm。本发明通过控制翻耕的深度，不仅可以使重构材料与待恢复的土壤混合均匀，有利土壤的熟化，而且可以使固氮植物的根更好的生长发育，从而进一步提高固氮植物的固氮能力，提高重构土壤的肥力。本发明对所述翻耕的操作方式没有限定，采用本领域所熟知的操作方式即可。

在本发明中，所述翻耕后的处理方式优选包括：翻耕后对土壤进行靶平。本发明通过对待恢复的土壤和重构材料分层堆积，分层整平，并结合翻耕和靶平操作，不仅可以使重构材料与待恢复土壤混合均匀；而且通过翻耕可以将煤顶板的粒径粉碎为3～5cm，进而更有利于植被的生长和土壤熟化。

本发明得到重构土壤后，将固氮植物的种子播种在重构土壤中，利用固氮植物实现生物熟化。在本发明中，所述固氮植物优选包括紫花苜蓿和/或沙打旺；所述紫花苜蓿优选根据DB51/T 406-2004标准进行种植管理；所述沙打旺优选根据DB21/T 2047-2012标准进行种植管理。本发明通过种植固氮植物，不仅可以利用固氮植物的固氮能力，增加土壤中的氮素含量，而且在秋季将其深翻进重构土壤中，其植株还能够作为生物质肥料，提高重构土壤的肥力。

在本发明中，所述播种的方法优选包括覆盖播种；所述覆盖播种的方式优选包括利用播种机边播种边将重构土壤对种子进行覆盖；所述播种的间距优选为15cm，所述播种的深度优选为1.5～2.5cm，所述播种的种子用量优选为17～25g/m

在本发明中，所述播种的方式优选包括：播种前晒种2～3d。本发明通过晒种可以打破种子的休眠，提高种子发芽率和幼苗整齐度。

在本发明中，所述播种的时机优选为5月土地解冻后。本发明在土地解冻后播种不仅可以使固氮植物发育更好，而且产量更高。

本发明将固氮植物的种子播种在重构土壤中后，优选还包括对固氮植物后期管护两年，所述后期管护的方式优选包括浇水，所述浇水的标准优选为地表以下湿润厚度大于10cm，所述浇水的频率优选为20次/年。本发明通过控制浇水的频率和标准，不仅可以促进固氮植物的生长，同时可以促进土壤熟化的进行。

在本发明中，所述后期管护的方式优选还包括：在播种后至出苗前，遇雨土壤板结后，除去板结层；出苗后，进行中耕除草1～2次；在生长季结束前，当植株高度≥20cm时，刈割一次，当植株高度＜20cm时，留苗过冬，冬季保护植株免于放牧损毁；秋季最后一次刈割和收种后，优选对土壤松土追肥；所述追肥的肥料优选包括有机肥，所述有机肥优选包括牛粪和/或羊粪；所述追肥的施肥量优选为2～2.5kg/m

由于重构土壤的生态系统还未完全恢复，土壤结构与养分状况与正常土壤相比较差，固氮植物在播种后的第一年秋季长势不均匀，且部分植株未满足生物质肥料的标准，因此本发明优选在播种后，在生长季结束前，当植株高度≥20cm时，刈割一次，得到绿肥材料，并将绿肥材料直接撒播于重构土壤表层，第二年的秋季将固氮植物和绿肥材料一起深翻进重构土壤中。

将固氮植物的种子播种在重构土壤两年后，本发明优选播种当地的常年植物，并进行常规管护一年，后续无需进行常规管护即可正常生长。在本发明中，所述常年植物优选包括克氏针茅、大针茅、糙隐子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草和锦鸡儿中的一种或多种；所述常规管护的方式优选包括浇水，所述浇水的原则为根据植物的生长情况进行浇水，不干不浇水。在本发明中，所述常年植物的种植管理标准包括DB63/T 439.5-2003，本发明所述实施例中也均按照该标准进行种植管理。本发明在播种当地的常年植物后，通过一年的管护，可以避免草场的退化。

在本发明中，所述土壤重构材料在矿区土壤生态恢复中的应用优选包括在重构材料翻耕前，进行道路工程；所述道路工程包括：修建剥离物道路，压路机压实；所述剥离物道路宽6m，厚0.5m。

在本发明中，所述土壤重构材料在矿区土壤生态恢复中的应用优选包括在固氮植物播种后，进行灌溉工程；所述灌溉工程包括：从现有水源管道分别向喷灌区域铺设PE热熔主管道，主管道连接边坡顶端横向铺设的管线，通过主管道分支铺设，完成整个区域的浇水管线布置；从灌溉采用三级管道灌溉的方式，干管沿观光道靠近田块一侧布设；支管沿田间道靠近田块一侧布设；田块间每隔30m布设橡胶软管进行喷灌灌溉。每次翻耕前对各田块进行浇水，保证浇透。本发明通过向喷灌区域铺设PE热熔主管道的方式，不仅可以满足植物生长过程中需要的水分，而且可以为土壤熟化提供水分，促进土壤熟化的进行。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的包括一种土壤重构材料及其制备方法和土壤快速熟化的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种土壤重构材料，按以下重量份进行备料：岩土剥离物2份和煤顶板3份。

该土壤重构材料的制备：

锡林浩特胜利矿区内取200kg岩土剥离物和300kg煤顶板，自2016年11月15日(最高气温为-11℃)开始堆放，于翌年3月20日(最低气温为0℃)后，继续堆放20d，得到土壤重构材料。

对比例1

一种土壤重构材料，按以下重量份进行备料：岩土剥离物1份。

该土壤重构材料的制备：

锡林浩特胜利矿区内取100kg岩土剥离物，与实施例1同样条件下进行得到土壤重构材料。

对比例2

一种土壤重构材料，按以下重量份进行备料：岩土剥离物3份、煤顶板4份和粉煤灰3份。

该土壤重构材料的制备：

锡林浩特胜利矿区内取300kg岩土剥离物、400kg煤顶板和300kg粉煤灰，与实施例1同样条件下进行得到土壤重构材料。

实施例2

东部草原矿区土壤快速熟化的方法

2017年4月10日，在锡林浩特胜利矿区排土场设置实验区，所述实验区占地373290m

(1)2017年4月12日，修建剥离物道路，压路机压实；所述剥离物道路宽6m，厚0.5m；

(2)2017年4月20日，将实验区待恢复的土壤整平，然后铺设20cm实施例1制备的土壤重构材料中的岩土剥离物进行整平，再铺设30cm实施例1制备的煤顶板后整平，整平后使用耙地机械对重构土壤进行深耙，耙地深度为50cm，深耙后对地块进行旋耕机旋耕，使得土壤重构材料混合均匀，旋耕深度同样为50cm，得到重构土壤，耙地或旋耕前对各田块进行浇水(临时灌溉管道)，保证浇透；

(3)2017年6月2日，将紫花苜蓿的种子(20.25g/m

(4)2017年6月7日，从现有水源管道分别向喷灌区域铺设PE热熔主管道，主管道连接边坡顶端横向铺设的管线，通过主管道分支铺设，完成整个区域的浇水管线布置；从灌溉采用三级管道灌溉的方式，干管沿观光道靠近田块一侧布设；支管沿田间道靠近田块一侧布设；田块间每隔30m布设橡胶软管进行喷灌灌溉，紫花苜蓿浇水的标准为地表以下湿润厚度大于10cm，所述浇水的频率为20次/年；

在播种后至出苗前，遇雨土壤板结后，除去板结层；出苗后，进行中耕除草1～2次；

在每年生长季结束前，对于植株高度≥20cm的植株，刈割一次，对于植株高度＜20cm的植株，留苗过冬，冬季保护植株免于放牧损毁；

(5)2019年10月20日，秋季最后一次刈割(留茬高度为7～8cm)和收种后，对土壤松土追肥(0.15kg/m

(6)2019年10月25日，按照DB63/T 439.5-2003标准种植常年植被(克氏针茅和大针茅)，并进行管护一年(根据植物的生长情况进行浇水，不干不浇水)。

对比例3

与实施例2相似的常年植被(克氏针茅和大针茅)种植方法，唯一区别在于，实验田为未经破坏的正常田地，且未经土壤重构。

对比例4

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，15天翻耕靶地一次，翻耕处理一年，种紫花苜蓿一年，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

对比例5

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，30天翻耕靶地一次，翻耕处理一年，种紫花苜蓿一年，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

对比例6

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，60天翻耕靶地一次，翻耕处理一年，种紫花苜蓿一年，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

对比例7

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，未经翻耕处理，自然堆放2年，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

对比例8

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，所述土壤重构材料为对比例1制备的土壤重构材料，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

对比例9

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，所述土壤重构材料为对比例2制备的土壤重构材料，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

对比例10

与实施例2相似的土壤生态恢复的方法，唯一区别在于，所述土壤重构材料为矿区表土，最后一年种植常年植被(克氏针茅和大针茅)。

应用例1

2019年9月23日，对实施例2和对比例3～10不同试验地块进行采集紫花苜蓿草样(可以用来反应前两年复垦期内的重构土壤质量)。为了使不同试验地块中被选定的各样点代表不同的植被恢复水平，在取样的地块内对各样点的植被长势进行了定性的分级，同时考虑到不同构建地块内植被恢复的整体水平具有差异性，实际的定性分级是在实施例2和对比例3～10不同构建地块内分别进行的，因此本次样点的选定能够代表样地内的植被恢复水平。在每个单独的试验地块内基于样线法于代表性地块内分别设置6个样点，植被恢复水平由良好与一般定义为Ⅰ、Ⅱ两个等级，每个等级下设置3个1m×1m的草本样方。将采集到的紫花苜蓿草样烘干至恒重，并称重记录，并对植被的干重均值进行方差分析，分析结果如表1所示，表1每种复垦方式下的田块内植被干重不同等级划分合理，干重的差异显著(P<0.05)，在表1中，各个不同恢复等级样点的草样干重取均值。

表1试验区样地信息及草样干重(单位：g)

注：Ⅰ、Ⅱ—植被生长状况的等级水平，分别表示良好、一般。

由表1可知，实施例2的方法与对比例10的方法相比，可以节约60％的表土用量以及相应比例的客土费用；在同等植被复绿效果下，本发明提供的方法可以通过较低的费用实现。

综合考虑植被生长状况的等级水平和土壤重构费用，本发明的土壤重构材料可以在节约表土和复垦费用的前提下，达到土地复垦的性价比较高的效果。

综上所述，本发明通过利用当地的工业固废作为土壤重构的材料，不仅缓解了煤电基地开放产生的大量工业固废对草原环境的危害，而且解决了东部草原矿区废弃地植被恢复和生态重建中表土稀缺的问题，实现了矿区生态快速恢复；本发明通过将岩土剥离物和煤顶板进行复配得到土壤重构材料，并结合翻耕和种植固氮植物的土壤熟化方法，可以使重构土壤快速熟化，短时间内具备了植物生长的条件，避免了长时间自然熟化过程中存在的潜在生态风险。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。