覆土厚度对煤矸石充填重构土壤活性有机碳分布的影响

按照不同覆土厚度将研究区分为A(＞100 cm),B(60~100 cm),C(40~60 cm)和D(20~40 cm)4类采样区,分别采集重构土壤剖面不同深度土壤或煤矸石样品,测定其含水量(WC)、pH值、密度(BD),以及有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC),研究覆土厚度对活性有机碳(AOC)分布的影响。结果表明：复垦5 a后,试验区0~20 cm土壤层SOC含量增加0.48 g/kg,DOC平均含量为46.86 mg/kg,MBC平均含量为46.09 mg/kg。与其他类型重构土壤相比,研究区有机碳库的恢复进度较慢,这主要受制于区域土壤性质和复垦地的土地利用方式。研究区相同土壤层的SOC含量大小关系为A＞B＞C＞D,也即随覆土厚度增加,煤矸石充填重构土壤SOC含量也相应增加。采样区B和C的 0~20 cm土壤层MBC含量相对较高,说明覆土厚度过薄或过厚,均不利于表层土壤MBC的积累;采样区D的煤矸石层DOC含量高达97.90 mg/kg,表层土壤中含量也达到64.80 mg/kg,均高于其他采样小区,说明覆土厚度较薄时,上覆土壤DOC含量很可能受到煤矸石层的影响。煤矸石层的qMBC值不能准确反映重构土壤肥力质量,而上覆土壤的肥力质量和SOC,我们可以用MBC来表征或预测。MBC与重构土壤pH值、BD呈极显著负相关(p＜0.01)、与WC呈显著正相关关系(p＜0.05),而SOC和DOC与上述土壤理化性质的关系却与之相反。     

煤矿区重构土壤剖面水气变化及其对温度梯度的响应

煤矿区用煤矸石作为基质进行土壤重构,恢复生态环境和土地复垦的立地条件工程大量存在。但是,煤矸石氧化放热过程会对重构土壤剖面的水气变化产生影响,进而影响矿区生态修复的效果。为了研究重构土壤的水气运动特征及其对温度梯度的响应,设计了一种重构土壤水气热耦合运移室内模拟装置。在重构土壤不同深度布设温湿度传感器连续监测重构土壤剖面含水量和温度,利用CO_2体积分数检测仪测定不同深度CO_2体积分数,并通过底部的加热装置对重构土壤进行加热,研究重构土壤温度分布及其对水气运动的影响。结果表明:Hydrus-1D软件能较好地模拟重构土壤剖面体积含水量分布,但水分入渗过程存在明显的滞后性,水分在土壤层累积。气体在扩散过程中也表现出了明显的滞后性,在80 cm矸石层累积。当底部加热时,重构土壤剖面会形成稳定的温度梯度。在温度梯度的作用下,重构土壤中的水分会从底部向上运动,导致底层含水量明显降低,而其他层的含水量均明显上升,其中60 cm层的含水量增速最大,为0.057%/h。此时,气体易在矸石层及层间界面累积,并且累积效应随着温度梯度的增加而增强。温度和含水量均会影响重构土壤气体的扩散,但温度梯度的增加会削弱含水量对气体扩散的影响。另外,在重构土壤层间界面可能存在一个"障碍带",当水分和气体接触到层间界面"障碍带"时开始受阻,从而导致水分在土壤层开始累积,气体在矸石层及层间界面累积。     

煤矿复垦重构土壤呼吸季节变化特征及其环境影响因子

为了研究采煤沉陷地复垦生态系统土壤呼吸季节特征,探讨各主要环境影响因子对土壤呼吸的影响,利用Li-8100A自动土壤碳通量系统,测定潘一矿复垦区不同季节土壤呼吸速率,同时测定土壤温度、大气温度等环境影响因子。结果表明:1在季节尺度上土壤温度(10 cm)、大气温度和土壤含水率(10 cm)与土壤呼吸速率呈显著正相关。2土壤呼吸速率在日间呈单峰曲线型变化,土壤呼吸速率观测最大值出现在12:00—14:00,观测最小值出现在8:00和18:00两个时间点。土壤呼吸速率均表现出明显的季节变化特征,不同季节具有显著差异。与正常农田观测点数据对比知,大气温度和相对湿度差异不大,土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水率平均值略高于复垦区土壤观测点数据。3潘一矿复垦区重构土壤呼吸的Q10值为1.94,低于暖温带Q10平均值,低于中国土壤呼吸Q10平均值和农田生态系统的Q10平均值。研究结果初步阐明煤矿复垦区重构土壤呼吸的季节变化特征。     

不同粒径煤矸石温度场影响下重构土壤水分时空响应特征

为研究煤矸石基质风化过程中温度场变化引起的充填复垦重构土壤水分时空响应特征,选取不同粒径级配同等覆土厚度的煤矸石充填复垦田间试验小区,分层分区埋设温度和湿度传感器,动态监测重构土壤不同梯度的温度及水分。实验结果表明:煤矸石层及充填界面温度总体低于土壤剖面15 cm(H1层),25 cm(H2层)处温度,高于35 cm(H3层)处土壤温度,说明地表热传导作用于H1,H2层土壤,但是在充填界面上存在由煤矸石风化作用引起的温度场变化演替现象;复垦地土壤水分随土壤深度的增加而降低,各复垦地土壤水分总体分布趋势为中粗粒径细粒径粗粒径,中粗粒径和细粒径复垦地块土壤水分平均差异值为3.7%;H3层土壤温度与煤矸石层温度相关性最高;试验地各层土壤水分与煤矸石层温度相关系数大小呈H3H2H1;各复垦地土壤温度与水分相关性显著,粗粒径复垦地块的平均相关性系数为0.716,中粗粒径复垦地块的平均相关性系数为0.668,细粒径复垦地块的平均相关性系数为0.626。     

煤矸石充填复垦修复区土壤有机碳空间分布研究

土壤有机碳(SOC)作为表征土壤质量与生态特性的关键指标,其恢复与分布状况的研究对评估重构土壤质量变化、指导重构土壤改良具有重要意义。本文以淮南市新庄孜矿煤矸石充填复垦修复区SOC为研究对象,按照不同覆土厚度与植被类型将研究区分为10种采样区,分层采集重构土壤剖面不同深度土壤样品(0～20、20～40cm),测定其容重(BD)、含水量(WC)、p H,以及有机碳(SOC),以研究不同覆土厚度、不同植被类型对SOC空间分布特征的影响,及其与土壤理化性质的相关性。结果表明:不同植被类型下的SOC含量整体上差异显著,表层土壤(0～20cm)的SOC含量由大到小依次为草地板栗林地黄豆地玉米地水杉林地; 20～40cm土层中SOC含量,草地板栗林地玉米地水杉林地黄豆地;不同覆土厚度下SOC含量在20～40cm土层中差异极显著,并随上覆土层厚度的增加而增大,最高值为覆土81～100cm的采样区(4. 06～5. 87g/kg),随着采样深度的增加,SOC含量逐渐减少,且随上覆土层厚度的加深,整体上的降低速率加快;上覆植被类型对研究区SOC含量的影响大于覆土厚度对其的影响;在研究区现有植被类型和覆土厚度的交互作用下对SOC的含量没有显著性的差异; SOC与pH值呈显著正相关关系,与BD呈极显著地负相关系,与WC呈正相关关系(P0. 05)。     

煤矸石覆土填沟关键工艺参数确定与应用

煤矸石大规模堆积排放造成的环境问题一直是行业关注的热点和难点。针对某煤矿地表冲沟发育、煤矸石产量大的特征，因地制宜、因企制宜提出采用覆土填沟的处理方法，并建立煤矸石分层覆土填沟模型，通过排矸场地内部温度-渗流场的变化，研究“煤矸石+黄土”不同层厚比例下煤矸石阻燃的效果。研究结果表明：该矿煤矸石中铬、镍、铜、锌等重金属含量符合农用土壤标准，可以用作填沟的材料；随着覆土层厚的增加，煤矸石内部的温度传递速度和空气的渗流速度逐渐降低，结合灰色关联模型，综合考虑阻燃效果和黄土含水率确定最优覆土厚度为50 cm;确定并实施了“300 cm煤矸石+50 cm黄土”的覆土填沟参数及工艺，该工艺参数应用后，煤矸石层温度与表层黄土温度和地表的外界温度相近，煤矸石自燃的防治效果良好，研究成果可为矸石地表规模无害处置方式提供借鉴。     

压实处理对矸石充填复垦土壤水分的影响

为解决煤矸石充填复垦耕地土壤水分容易流失的问题,通过在矸石层和表土层之间设置2种压实层厚度和3种压实梯度的土壤压实层进行模拟复垦试验,研究不同处理方式对复垦土壤水分和农作物产量的影响.土壤水分在矸石复垦土壤剖面中随深度增加先升高后降低,表现出与对照完全不同的剖面水分分布特征;表层0-300mm深土壤水分随压实层厚度和压实梯度的增加而增加;作物产量与表层土壤水分含量成显著正相关关系.结果表明,通过压实层处理措施可有效改善表层土壤水分,提高矸石复垦耕地质量.     

粉煤灰和菌渣配施对矿井水污染土壤微生物学特性和小麦生长的影响

通过田间试验研究了不同改良措施对矿井水污染土壤微生物学特性和小麦生长的影响。试验以矿井水污染土壤作为对照（CK）,设2个土壤改良处理：T1处理(添加食用菌渣)和T2处理(添加粉煤灰+菌渣)。结果表明：对照相比,2个改良措施均显著提高了0~40 cm土壤层中微生物的数量;T2处理0~40 cm土壤层的的细菌和放线菌的数量均显著高于T1,但真菌数量与T1间没有显著差异;2个土壤改良措施均显著提高了0~40 cm土壤层土壤酶(脲酶、蔗糖酶和磷酸酶) 活性和土壤呼吸速率,土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性及土壤呼吸速率均表现为T2>T1>CK;在两测试时期（拔节期和花期）T2和T1处理小麦的群体数量、株高、叶面积和叶绿素含量均显著高于CK;成熟期T2和T1处理小麦的成穗数、穗粒数、千粒重、产量和收获指数均显著大于对照（CK）。     

基于粉煤灰基质充填覆土复垦的最佳覆土厚度

为研究粉煤灰充填复垦地种植农作物的经济产量达到最优时的最佳覆土厚度,选择淮南上窑粉煤灰场复垦地为研究对象,选取不同厚度覆土（A：<40 cm;B：40~55 cm;C：55~70 cm;D：>70 cm）的地块采样监测冬小麦的经济产量、根长密度、土壤含水量、土壤pH、土壤N,P,K营养元素含量等指标。实验结果表明：有利于冬小麦生长并得到最佳产量的适宜覆土厚度为55~70 cm,其土壤pH为8.15,N,P,K含量分别为6.272,26.253,143.76 mg/kg。综合评价结果表明该地块的表土具有较好的营养能力,土壤质量较好。     

地下煤火土壤典型重金属分布特征

通过采集乌鲁木齐大泉湖火区土壤样及实验室测定,研究了火区土壤理化性质与重金属Hg,As,Cu,Pb,Cr,Zn,Ni空间分布特征。结果表明:温度正常区土壤温度随采样深度增加的幅度较温度异常区小;温度正常、温度异常区土壤有机质含量随深度的增加均减少,温度正常区I,II,III,IV层土壤有机质含量大于温度异常区相应土层有机质含量;温度异常区土壤层I重金属Cu,Pb,Cr,Zn,Ni含量均小于温度正常区土壤层I相应重金属含量,II层则有增加的趋势并大于温度正常区相应土层重金属含量;温度正常区、温度异常区土壤Hg,As,Cu,Ni重金属含量随深度变化幅度及波动幅度较小,而温度异常区土壤Pb,Cr,Zn重金属含量随深度变化波动幅度较温度正常区大;火区热效应、地形、土壤及气象因子是影响土壤重金属分布的主要原因。土壤典型重金属砷形态分析表明:残留态砷含量最高,水溶态砷含量最低;水溶态砷在火区取样区域内I,II,III,IV土壤层区域富集特征与各层土壤碳酸钙富集特征趋于一致;温度正常区土壤残留态砷、铁形砷含量随深度变化的趋势与土壤碳酸钙含量随深度变化趋势一致;温度异常区残留态砷含量随深度增加波动趋势与土壤有机质含量波动趋势有较强关联性;温度正常区、温度异常区均值水溶态砷含量基本稳定,表明其与温度、土壤特性等无明显相关性。     

草原露天矿区重构土壤含水率差异性分析

为揭示不同重构土壤配比及不同植被生长等级对重构土壤含水率影响的差异性,探寻最适宜的重构土壤材料配比。本文以内蒙古胜利矿区内排土场为研究区,对重构土壤复垦地进行了调查和取样,采用单因素方差分析法对重构土壤的土壤含水率进行差异性分析,并讨论了形成差异的原因。结果表明：（1）在不同的植被生长等级下,土壤重构方式为岩土剥离物：煤矸石：粉煤灰=3：4：3时土壤含水率均较高。（2）当土壤重构方式相同时,不同植被生长等级下土壤含水率并不是植被生长等级越高越好。当土壤重构方式为岩土剥离物时,大田块一（15天翻耕靶地一次）和大田块二（30天翻耕靶地一次）在植被生长等级为1、2时土壤含水率较高;当土壤重构方式为岩土剥离物：煤矸石=2：3时,大田块三（60天翻耕靶地一次）和大田块四（当年翻耕处理并种植苜蓿）在植被生长等级为3时土壤含水率较高;当土壤重构方式为岩土剥离物：煤矸石：粉煤灰=3：4：3时,大田块一（15天翻耕靶地一次）和大田块三（60天翻耕靶地一次）在植被生长等级为3时土壤含水率最高,大田块二（30天翻耕靶地一次）和大田块四（当年翻耕处理并种植苜蓿）在植被生长等级为1时土壤含水率最高。煤矸石、粉煤灰、岩土剥离物作为表土替代材料其不同配比在重构土壤上的研究为表土稀缺矿区的复垦工作提供了支撑,为全球草原露天矿区的生态修复工程提供参考。     

煤矿复垦区土壤重金属含量时空分布及富集特征研究

为研究煤矿复垦区土壤重金属污染的时空变化及富集特征,以安徽淮南市潘一矿复垦区土壤为例,在2008-2010年期间对复垦区土壤中Cu,Mn,Ni,Pb,Cd,Hg,As 七种重金属元素进行了测定,并利用Surfer8.0软件对重金属的水平分布特征进行可视化表达。采用富集因子法来判断土壤中重金属人为污染情况。结果表明：煤矸石充填复垦区土壤,随着覆土年限的增加,除Mn和As元素外,Cu,Ni,Pb,Cd和Hg这5种重金属元素含量均高于淮南市土壤背景值,并出现一定程度的累积;从表层土壤重金属元素的水平空间分布看,煤矸石山的堆积、淋溶和粉煤灰贮灰场的存在对周边土壤造成了一定程度和范围的重金属污染。复垦区土壤剖面上Cu,Ni,Pb,Cd元素含量呈现表层（0~20 cm）和底层（80~100 cm）含量高,中部（20~80 cm）含量低的分布规律。分析重金属元素的富集因子,表明复垦区土壤已经受到了煤矿开采和煤矸石充填活动的影响。其中Cu,Ni,Pb,Hg和Cd元素已经出现富集,并且Cu,Ni,Pb,Hg元素达到了轻微污染水平,Cd元素达到了显著污染水平。Mn和As元素主要来源于土壤母质,没有受到污染。     

煤矿塌陷区不同复垦材料土壤压实机理的研究

为研究煤矿塌陷区土地在不同的碾压程度下,建筑垃圾、粉煤灰和煤矸石3种填充材料对土壤颗粒组成的影响,探究土地复垦过程中土壤粒径变化的敏感粒径范围及与试验地块所受压力的相关性。试验模拟履带式推土机碾压力度,采用Winner2000激光颗粒仪量测各地块的土壤颗粒组成,通过SPSS做碾压力度与土壤颗粒组成的相关性分析。研究确定了3种填充材料压实强度与土壤颗粒组成的数量关系。研究结果表明：① 在粒径2.2~10.48 μm内,随着碾压次数的增加,试验地块的土壤颗粒含量百分比不断升高,且煤矸石填充地块变化最明显;② 经不同程度的碾压后,建筑垃圾、粉煤灰和煤矸石填充地块“物理性黏粒”总含量百分比的最大值分别为25.29%,26.66%和36.89%,煤矸石填充地块碾压1次后“物理性黏粒”含量百分比即为28.91%,高出对照耕地9.68%;③ 建筑垃圾、粉煤灰、煤矸石填充地块的土壤颗粒含量与压力相关性最强的粒径分别为4.83~10.48,4.83~5.86和4.83~5.86 μm,相关性系数分别为0.926,0.899和0.699。     

某矿区煤矸石堆周围土壤重金属污染特征研究

通过对某矿区所属两煤矿的矸石堆及周围土壤Cr,Cu,Pb,Zn元素总量进行测定及分析评价,结果表明两煤矿矸石中4种重金属含量均高于当地背景值(除煤矿B的Cu元素外),煤矸石堆放使周围土壤受到了不同程度的污染,未受到Cu污染;煤矿A因采矿历史较长,比煤矿B土壤各重金属污染严重;两煤矿下风向区域(西北)重金属污染比上风向区域严重。表层土壤的重金属污染程度受到多种因素(尤其是风向)的影响,在东南与西北方向均随着距矸石堆距离的增大而呈现减小的趋势;在剖面上(0~50cm),重金属元素含量均随着土壤深度的增加而呈现降低的趋势。     

核桃岩沟南区煤矸石堆场生态修复实践

煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物,也是煤矿区环境整治的一大难题。以阳泉市南庄矿核桃岩沟南区煤矸石堆场生态修复实践为例,介绍了煤矸石堆场整形整地技术要点:整理后的地形坡度为28°左右,平台覆土厚度50~100 cm,施工中机械自然碾压;边坡覆土厚度30~50 cm,实施分层覆土并人工压实,土壤密度底层1.60~1.80 g/cm³、表层1.25~1.35 g/cm³。同时介绍了项目区生态修复适宜物种的选择、植被群落配置及其栽植技术要点。项目实施后,绿化效果明显（干旱春季植被覆盖率约70%）。煤矸石堆场生态修复实践可为同类项目尤其是气候干旱地区的矿场绿化提供经验及参考。     

煤矿塌陷区废碴充填复垦土壤理化性质研究

煤矿区充填复垦重构土壤在很大程度上改变了原生表层土体的构型,为了进一步了解粉煤灰、煤矸石充填复垦对土壤理化性质的影响,通过选取粉煤灰、煤矸石复垦土壤样品与对照土壤样品进行了实验研究,结果表明复垦土壤的理化性质较差。复垦土壤pH值呈碱性,土壤有机质含量降低,土壤全氮、速效磷、速效钾含量减少,土壤湿水分较为充足,风干水分分明显减少。     

煤矸石堆存对土壤盐分空间分布特征的影响及主要因子的研究

以潘一矿煤矸石山和周边复垦土壤为研究对象,重点研究煤矸石堆存过程中对周边土壤盐分空间分布特征的影响,并模拟雨水酸度进行煤矸石风化物静态浸泡实验,分析研究影响煤矸石风化物盐分溶解释放的主要因子。结果表明,复垦区土壤的盐分含量均值略高于土壤背景值,水平分布上在煤矸石山周边4 m范围内,土壤的盐分含量受煤矸石山淋溶运移等作用的影响较大,且距离煤矸石山脚处1和2 m处土壤盐分呈轻度盐渍化水平。土壤盐分含量垂直分布特征上,土壤盐分含量均值在垂直方向上呈V字型分布,不同深度土壤的盐分含量均值略高于土壤背景值。研究区土壤盐分组成中阳离子主要为K++Na+,阴离子主要为HCO-3,土壤盐分组成特征以NaHCO3为主,不同深度之间同一盐基离子含量显著性差异不大。煤矸石风化物静态浸泡实验表明,粒度越小,TDS的溶解释放速率越快,浸泡液中盐分含量值越大;不同固液比浸泡液中TDS值变化幅度比较大,呈现出TDS1∶5＞TDS1∶3＞TDS1∶15＞TDS1∶10的变化规律;在不同酸度浸泡下,煤矸石风化物呈现出TDS5.6＞TDS6.8＞TDS6.0＞TDS6.4的变化规律;随着浸泡液温度的逐渐升高,煤矸石风化物粒径越小受温度影响越大。最后,探讨了盐渍化土壤的植物修复技术和防控措施。