一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法

技术领域

本发明涉及矿区土壤改良和矿区生态修复技术领域，尤其涉及一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法。

背景技术

在如新疆天山南麓等寒旱区(寒旱区泛指气候寒凉、降水稀少、蒸发强烈、土壤贫瘠的荒漠区)山前丘陵地带大多分布有石质初育土，该区域往往矿产富集，因矿业开采而导致荒漠植被受损，该区域无可用良好的土壤用于矿区开采后的土壤复垦，因此矿业开采后利用矿区开挖的石质初育土进行原土复垦是较为经济可行的措施。但该土壤典型特征为地表至10cm范围内出现石质接触面，或土表层50cm范围内≥2mm粗骨物质在70％以上。其成土作用不明显，没有剖面发育，质地偏砂，含砾石多。由于含岩石碎屑砂粒高，保水保肥力差，在湿润时，砂粒之间较为松散，而干燥时，坚硬如石，上述特征造成草种直接播种发芽率极低。利用石质初育土复垦后急需进行土壤保肥、透气和保水性改良。

木地肤(Kochiaprostrate)，半灌木，又名伏地肤，具有生态幅度宽、抗旱耐寒、优质高产、营养丰富、适口性好等特点。多生于海拔430-1680米(少数达1900-2700米)的平原荒漠、洪积扇砾质荒漠、干旱山坡、荒漠草原、山地砾质山坡，前山丘陵。新疆干旱区北至阿勒泰、布尔津，中部在乌鲁木齐、沙湾、精河等地，西至霍城、伊宁、新源，南至温宿、阿克苏等荒漠地区均有分布。由于其优良的抗旱耐寒生态学特性，其在水、土、肥较差的地段上可建立放牧型人工草地或作补播改良用地。且现有技术主要将木地肤用于荒漠草地或生态退化区做补播改良草种用，如何利用木地肤用于环境条件更加恶劣寒旱矿区生态修复还未可知。

现有技术用于改善土壤环境的方法中，大多均采用煤矸石与其他材料混配后制备成土壤调理剂后用于改善土壤环境：1)现有技术CN107857528A公开了以煤矸石为粗骨料，以水泥、粉煤灰为胶凝材料制备多孔植生混凝土；2)现有技术CN111117629A公开了以煤矸石粉、胶凝料、发泡剂、水等制备颗粒状多孔土壤改良剂；3)现有技术CN115108869A以煤矸石粉末、腐殖酸、碳酸盐和硫酸盐等制备有机-无机复混型土壤调理剂；4)现有技术CN114890832A公开了利用煤矸石粉碎物、园林废弃物、功能微生物菌剂等用于园林绿化；5)现有技术CN114773116A公开了利用炉渣、煤矸石、粉煤灰、污泥、农作物秸秆、保水剂、稳定剂、生物发酵菌种等，经过混掺、干燥、焙烧、混合发酵等步骤制备，用于园林绿化。

但是上述方法中，煤矸石均主要是用于制备土壤调理剂，煤矸石是否能够修复或如何修复寒旱矿区石质初育土仍有待研究。且天山南麓寒旱矿区，因其干旱(年降水量小于250mm)，土质低劣(石质初育土，主要为砂砾岩组成，土壤黏粒和粉粒含量极低，有机质极低，土壤环境极不利于植物发芽)，而使得草本植物播种出苗极为困难。

为此，本发明提供一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法，以解决现有的寒旱矿区生态修复土壤重构流程复杂，制备成本高昂，适用物种难以在寒旱区初育土发芽生长的技术问题。

本发明的一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法是通过以下技术方案实现的：

一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法，包括以下步骤：

步骤1，在矿区石质初育土表层上平铺一层煤矸石粉，随后洒施辅料，旋耕使得所述辅料、煤矸石粉和矿区石质初育土表层充分混匀，形成混合基质；

其中，所述辅料为保水剂和膨润土中的一种或两种；

步骤2，对混合基质进行第一次灌溉处理使其浸润，且润湿的深度为48～52cm的土壤表层深度，播撒草种并耙匀，碾压平整；

步骤3，用干牧草遮盖播种区，然后进行第二次灌溉处理。

进一步地，所述草种为木地肤或木地肤与其他草种的混合草种；

其中，所述其他草种为高羊茅、扁穗冰草和早熟禾中的一种或多种。

进一步地，当所述草种为木地肤与其他草种的混合草种时，所述木地肤与其他草种的体积比为3:1～3。

进一步地，所述草种的播种深度控制为1.4～1.6cm的土壤表层深度，且所述草种的总播种量为6.5～7.5kg/亩。

进一步地，所述煤矸石粉的粒径为0.1～3mm，且煤矸石粉用量为24～26m

进一步地，所述煤矸石粉由以下步骤获得：

将煤矸石自然堆放在室外进行自然风化1年以上成碎渣状，随后机械粉碎至粒径为0.1～3mm，即获得所述煤矸石粉；

或直接将煤矸石机械粉碎至粒径为0.1～3mm。

进一步地，所述保水剂为吸水倍率300倍以上的林业用常规保水剂，用量为19～21kg/亩。

进一步地，所述膨润土为吸水倍率150倍以上的钠基膨润土，用量为450～550kg/亩。

进一步地，所述矿区石质初育土表层的厚度≥30cm。

进一步地，步骤1中，在4月中下旬的春季播种季或7月下旬至8月中旬的秋季雨期洒施辅料。

进一步地，所述第一次灌溉处理的灌溉方式为滴灌方式。

进一步地，所述第二次灌溉处理的灌溉方式为滴灌方式。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明针对现有技术的不足，着力改善矿区土壤以下两方面的问题：1)快速失水不利于草种萌发的问题，原矿区土壤(石质初育土)特点是孔隙大，灌溉期间，土表层水分渗漏快，种子能适当吸水。一旦停水，表层0-5cm范围土层迅速失水(4月份白天有光照时，加之轻微风力吹蚀影响，1h左右变干)，造成萌发状态的种子迅速失水，停止萌发并萎蔫失活；2)失水后变干硬不利于草种顶土生长的问题，在灌水或降雨等外因作用下矿区土壤结构破坏、土料分散，而干燥后受内聚力作用造成土面变硬，这样即便有个别区域种子浸泡后未受损仍保持萌发力，由于土体干硬结壳也无法顶土发芽。

且本发明通过在矿区石质初育土中加入煤矸石粉，通过煤矸石粉与矿区石质初育土中的成分协同作用，进而有效改善土体浸泡失水后干硬结壳的问题。然后，通过加入辅料，且辅料优选的加入保水剂和膨润土，以通过添加一定量的膨润土，有助于降低初期灌溉的渗漏量，截留大部分水分在表层种子区的停留时间；通过加入一定量的保水剂，以确保本发明的混合基质在灌溉期间能够吸足水分，进而为后期水分向深层土壤渗漏后，种子萌发后持续提供足够的土表层水分。故，本发明通过煤矸石、膨润土和保水剂的结合使用，使其与矿区石质初育土形成混合基质后协同作用，进而保证了本发明的混合基质在初次灌溉后，土表层种子在浸泡后、萌发期和顶土生长等关键萌发生长期水分的连续供应，利用矿区废弃物(煤矸石粉)低成本改良土壤。

本发明并且以木地肤或木地肤与其他草种(高羊茅、扁穗冰草和早熟禾中的一种或多种)的混合草种作为草种进行播撒，大大提高了草种的萌发率，进而解决了需要在寒旱矿区长期灌溉恢复的难题。其中，木地肤具有生态幅度宽、抗旱耐寒、优质高产等特点，是干旱和半干旱地区不可多得的生态修复物种之一，曾被大面积用于改良天然草场和建设人工草场。降水量在200～300mm的地区，木地肤群落中的数量较多，如天山北坡紫泥泉一带年降水量250毫米左右，木地肤在其群落中可起到优势种或建群种作用。在新疆木地肤集中分布于阿勒泰山的低山带、山麓洪积扇和山间平原、额尔齐斯河和乌伦古河两岸的沙丘，准噶尔西部山区，博乐谷地，天山南北坡低山带、山麓洪积扇及河漫滩等区域。在此类区域的矿区较为集中，且均适合木地肤种群在初期灌溉后，后期无需灌溉并可自维持生存的生态恢复。

且本发明通过筛选煤矸石粉粒(粒径为0.1～3mm)和原矿区土壤(石质初育土)在土表层15cm范围的体积比为1:3进行混配，另适量添加保水剂和膨润土(保水剂亩施用量约为20kg，膨润土亩施用量约为500kg)。能有效改善草种萌发困难和初期生长困难的技术难题。通过上述材料对土壤改性，在有适量灌溉(2次灌溉)的情况下，改土后的发芽率提高28倍，生长3个月后，盖度较未改土区增加22.5％。

本发明利用煤矸石改良寒旱矿区石质初育土土壤后，进行木地肤草地的恢复方法，适用于年降雨量在150～250mm的寒旱矿区石质初育土的土壤改良及生态修复。该方法主要由煤矸石、保水剂、膨润土等，经过混掺步骤改善土壤孔隙，提高土壤透气性，长效释放有机质元素，并有效保持土壤的持水率，增加材料保水、透气功能。通过选用木地肤乡土耐旱、耐瘠薄草种，在土壤改良和适量灌溉基础上实现在寒旱矿区顺利萌发生长。矿区矸石固废利用的同时还可最大程度的实现植被修复，有利于矿区生态修复成本的降低。

附图说明

图1为CK组的草种萌芽生长情况，图1a为15天时的草种萌芽生长情况，图1b为30天时的草种萌芽生长情况，图1c为45天时的草种萌芽生长情况，图1d为60天时的草种萌芽生长情况；

图2为M1、M2、M3和M4组的草种萌芽生长情况，图2a为15天时的草种萌芽生长情况，图2b为30天时的草种萌芽生长情况，图2c为45天时的草种萌芽生长情况，图2d为60天时的草种萌芽生长情况，且图2a-图2d中，由左至右依次为M1、M2、M3和M4组；

图3为M5、M6、M7和M8组的草种萌芽生长情况，图3a为15天时的草种萌芽生长情况，图3b为30天时的草种萌芽生长情况，图3c为45天时的草种萌芽生长情况，图3d为60天时的草种萌芽生长情况，且图3a-图3d中，由左至右依次为M5、M6、M7和M8组；

图4为M9、M10、M11和M12组的草种萌芽生长情况，图4a为15天时的草种萌芽生长情况，图4b为30天时的草种萌芽生长情况，图4c为45天时的草种萌芽生长情况，图4d为60天时的草种萌芽生长情况，且图4a-图4d中，由左至右依次为M9、M10、M11和M12组；

图5为M13、M14、M15和M16组的草种萌芽生长情况，图5a为15天时的草种萌芽生长情况，图5b为30天时的草种萌芽生长情况，图5c为45天时的草种萌芽生长情况，图5d为60天时的草种萌芽生长情况，且图5a-图5d中，由左至右依次为M13、M14、M15和M16组；

图6为试验2和试验3播种后的效果图，其中，图6a为试验2播种5天后的出苗情况，图6b为试验2播种90天后的出苗情况，图6c为试验3播种5天后的出苗情况，图6d为试验3播种5天后的出苗情况。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法，包括以下步骤：

步骤1，在矿区石质初育土表层上平铺一层煤矸石粉，随后洒施辅料，旋耕使得辅料、煤矸石粉和矿区石质初育土表层充分混匀，形成混合基质；

需要说明的是，本发明的矿区石质初育土表层的厚度至少为30cm，且采用的煤矸石粉粒径为0.1～3mm，且煤矸石粉用量为24～26m

本发明的辅料为保水剂和膨润土中的一种或两种，且优选的在春季播种季(4月中下旬)或秋季雨期(7月下旬至8月中旬)进行添加辅料。其中，保水剂为吸水倍率300倍以上的林业用常规保水剂，用量为19～21kg/亩；膨润土为吸水倍率150倍以上的钠基膨润土，用量为450～550kg/亩。

本发明在进行旋耕时，可采用旋耕机进行机械旋耕，且旋耕深度为15～20cm，并且至少反复旋耕两遍，以使辅料煤矸石粉和矿区石质初育土表层充分混匀。

步骤2，对混合基质进行第一次灌溉处理使其浸润，且润湿的深度为48～52cm的土壤表层深度，播撒草种并耙匀，碾压平整；

需要说明的是，本发明进行第一次灌溉处理时，可采用滴灌方式补足墒水，使得表层40cm深度土壤充分润湿，土壤中的保水剂和膨润土得以吸足水分。

本发明考虑到木地肤是天山南北麓山前丘陵带普遍生长的乡土物种，其种子广布，易购易得；木地肤是优良半灌木牧草，在改良后的土壤基质中发芽率高，出苗期短，需水量低，后期生长良好等优点，故选用的草种至少要包括木地肤。且本发明为了进一步提高对土壤的修复效果，优选的选用的草种为木地肤或木地肤与其他草种的混合草种，且当草种为木地肤与其他草种的混合草种时，木地肤与其他草种的体积比为3:1～3，比如：当其他草种为高羊茅、扁穗冰草和早熟禾时，木地肤与高羊茅、扁穗冰草和早熟禾的体积比为3:1:1:1；当其他草种为高羊茅时，木地肤与高羊茅的体积比为3:1。且草种的总播种量为6.5～7.5kg/亩。播撒草种后，用人工使用钉耙反复耙匀，使得草种深度控制在土壤表层1.5cm深度。耙匀后，根据实际的地块大小选择合适的方式将播种区碾压平整：小地块利用脚踩，大地块播种通过小型拖拉机带动石碾镇压。

步骤3，用干牧草遮盖播种区，然后进行第二次灌溉处理，出苗后即可实现对寒旱受损矿区木地肤草地的修复；

需要说明的是，本发明采用干牧草遮盖播种区是为了对播种区进行遮荫保湿，为了确保遮荫保湿的效果，本发明干草铺放以遮盖1/3面积稀疏铺放的原则进行。

本发明进行第二次灌溉处理时，可采用滴灌方式补足墒水，在出苗前每天1次灌溉，约3-5天后即可出苗。

试验1寒旱受损矿区木地肤草地恢复

试验时间及地点：2022年5月1日，拜城润华煤矿矿区

且本试验的一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法如下：

步骤1：在矿区，准备过筛或研磨成粒径为3mm煤矸石粉与石质初育土，待用；

步骤2：将煤矸石粉、石质初育土、保水剂(任丘市华博化工有限公司购买)、钠基膨润土(奇台县国平膨润土矿购买)按如表1所示的体积比例混配，形成混合基质。

表1煤矸石粉等材料混配方案

注：CK为复垦原土(石质初育土)，M1－M16为不同混配比例的混合基质

步骤3：将表1中混配处理后获得的不同混合基质，每种混合基质分别装3盆，置于室外，灌一次透水；

步骤4：待盆中土壤自然晾晒1日后，每盆撒入50粒木地肤，用盆内混合基质盖住，使木地肤的播种深度≤1.5cm。

步骤5：每日浇水保持盆内土壤湿润至30日停止灌溉。每日观测记录草种萌芽生长情况。

注：30天之前每天灌溉保持盆内湿润，30天之后停止灌溉，观测幼苗生长存活状况。且每日观测记录草种萌芽生长情况如图1-5所示。

其中，图1为CK组的草种萌芽生长情况，图1a为15天时的草种萌芽生长情况，图1b为30天时的草种萌芽生长情况，图1c为45天时的草种萌芽生长情况，图1d为60天时的草种萌芽生长情况。

图2为M1、M2、M3和M4组的草种萌芽生长情况，图2a为15天时的草种萌芽生长情况，图2b为30天时的草种萌芽生长情况，图2c为45天时的草种萌芽生长情况，图2d为60天时的草种萌芽生长情况，且图2a-图2d中，由左至右依次为M1、M2、M3和M4组。

图3为M5、M6、M7和M8组的草种萌芽生长情况，图3a为15天时的草种萌芽生长情况，图3b为30天时的草种萌芽生长情况，图3c为45天时的草种萌芽生长情况，图3d为60天时的草种萌芽生长情况，且图3a-图3d中，由左至右依次为M5、M6、M7和M8组。

图4为M9、M10、M11和M12组的草种萌芽生长情况，图4a为15天时的草种萌芽生长情况，图4b为30天时的草种萌芽生长情况，图4c为45天时的草种萌芽生长情况，图4d为60天时的草种萌芽生长情况，且图4a-图4d中，由左至右依次为M9、M10、M11和M12组。

图5为M13、M14、M15和M16组的草种萌芽生长情况，图5a为15天时的草种萌芽生长情况，图5b为30天时的草种萌芽生长情况，图5c为45天时的草种萌芽生长情况，图5d为60天时的草种萌芽生长情况，且图5a-图5d中，由左至右依次为M13、M14、M15和M16组。

且根据图1-图5中的生长调查监测草种发芽率％，60天后最终存活率、株高、干鲜重等指标，得到表2，如下所示：

表2不同混配基质处理植物生长状况

注：发芽率-干重等特征值，数字尾部以字母标记(a-h)，同列数据中，含有相同字母表明差异不显著，不同字母表明差异显著。且由a至h按照降序排列数值由大至小，如有a和ab，则单个字母排序靠前值较大，即a值＞ab值，且两者差异不显著。若两个字母均不相同，则以首字母靠前值较大，如bc值＞gh值，且两者差异显著。

由表2可以看出：1)凡保水剂用量达0.4％以上的处理(M4、M8、M12、M16)，种子发芽率(18.89％～44.44％)及存活率(0～47.36％)均受到了严重抑制，而0.4％用量以下的各处理表现多数提高了发芽率和存活率。膨润土用量在0.1％～0.2％的处理(M5、M6、M9、M10、M15)，种子发芽率(47.78％～80％)及存活率(65.72～100％)均较高。再从株高、干鲜重指标看，M4、M6、M10和M15均表现较好，而M4受保水剂影响，其发芽率和存活率稍低。M6和M10考虑煤矸石用量较大，一方面对环境影响大，一方面煤矸石大量研磨筛选成本也较高。综以上分析，M15处理措施在煤矸石、保水剂和膨润土用量较为均衡，在种子发芽率、存活率、株高和干鲜重指标等各方面均表现优异且明显较对照CK和其他处理措施下有利于草本植物播种后发芽、生长。

根据M15措施，得出煤矸石(容重1.31g/cm

试验2

试验时间及地点：2022年6月10日，拜城润华煤矿试验区(纬度经纬度为81°58′3.09″，42°5′37.27″，海拔2150m)

且本试验的一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法如下：

步骤1：准备过筛或研磨成粒径小于3mm煤矸石粉，待用；

步骤2：将煤矸石粉平铺在待播种区1(总面积2亩)，厚度控制约3.75cm。人工撒施保水剂(任丘市华博化工有限公司购买)，撒施量为20kg/亩。人工撒施钠基膨润土(奇台县国平膨润土矿购买)撒施量500kg/亩；

步骤3：拖拉机带动旋耕机进行旋耕，旋耕深度≥15cm，反复旋耕两遍；混匀后用滴灌方式补足墒水，使得表层40cm深度土壤充分润湿，土壤中的保水剂和膨润土得以吸足水分；

步骤4：待自然晾晒2天后，地表略干时，将木地肤草种进行播种，总播量控制在5kg/亩，于2022年6月16日播种。播种完毕即人工钉耙反复搂耙，并脚踩镇压；

步骤5：盖上稀疏牧草，并用滴灌灌溉，播种后前5天每天滴灌，保持地表湿润。

也就是说，本试验与试验1的不同之处在于：

本试验的煤矸石粉、石质初育土和其他辅料改土措施都在试验区内完成。

试验3

试验时间及地点：2022年6月11日，拜城润华煤矿试验区(纬度经纬度为81°58′3.09″，42°5′37.27″，海拔2150m)

且本试验的一种寒旱受损矿区木地肤草地恢复方法如下：

步骤1：在待播种区2(总面积2亩)，拖拉机带动旋耕机进行旋耕，旋耕深度≥15cm，反复旋耕两遍；混匀后用滴灌方式补足墒水，使得表层40cm深度土壤充分润湿。

步骤4：待自然晾晒2天后，地表略干时，将木地肤草种进行播种，总播量控制在5kg/亩，于2022年6月17日播种。播种完毕即人工钉耙反复搂耙，并脚踩镇压。

S5：播种后前5天每天滴灌，保持地表湿润。

以新疆拜城润华煤矿矸石复垦区为试验地，该地区地处天山南麓山前丘陵地带，年均气温7.6℃。极端最高气温38.3℃，极端最低气温-28℃，无霜期133～163d，年均日照系数为2789.7h，年均降水量约170mm。降水主要集中在6-8月，占年降水量的60％-70％。该地区为矸石山排土场，矸石堆放后就地用挖损的石质初育土(砂砾粒径≥2mm占比70％以上)进行土壤复垦，复垦厚度50cm。

分别进行试验2和试验3的种植，且拜城润华煤矿矿区试验2和试验3播种后的效果如图6所示，其中，图6a为试验2播种5天后的出苗情况，图6b为试验2播种90天后的出苗情况，图6c为试验3播种5天后的出苗情况，图6d为试验3播种5天后的出苗情况。且根据图6收获后的效果对实验结果进行统计，具体结果如下表3所示。

表3试验2和试验3对草种发芽及盖度的影响

由表3和图6可以看出，试验2的发芽率、存活率、盖度的效果均优于试验3的效果，且在有适量灌溉的情况下，改土后的试验2发芽率提高28倍，生长3个月后，其盖度增加22.5％。说明改土后进行播种的效果更好，也就是说，经过本发明的方法处理后能够有效实现对寒旱受损矿区的草地恢复。

显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。