基于熵权-VIKOR法的重构土壤配比筛选研究

土地复垦对于矿区植被恢复至关重要,重构土壤能够有效解决表土资源稀缺问题。针对某矿区排土场存在的土壤贫瘠及大量矸石难以实现资源化利用的难题,通过将煤矸石生态骨料与表层土按照不同的比例进行混合,制备5种重构土壤,测定其pH及有机质、全氮、有效磷、速效钾含量,分析煤矸石生态骨料占比对各指标的影响,并基于熵权-VIKOR评价法筛选出最优配比。研究结果表明：随着煤矸石生态骨料占比的提高,不同配比的重构土壤pH逐渐降低并接近于中性;煤矸石生态骨料占比对有机质、全氮、速效钾含量的影响显著,对有效磷含量的影响不显著,且随着煤矸石生态骨料占比的提高,不同配比的重构土壤有机质、全氮、速效钾含量均呈下降趋势,有效磷含量呈先上升后下降的趋势;30%煤矸石生态骨料+70%表层土为最优配比。研究成果可为解决矿区排土场土壤贫瘠、表层土稀缺、土地复垦难开展等问题提供新思路。     

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。     

晋陕蒙接壤区露天矿不同质地土壤水分运动特征与模拟

分析了晋陕蒙接壤区不同质地土壤水分运动规律，为构造一种理想的层状土体提供参考依据。设置沙土、砒砂岩、黄绵土和红黏土4种均质土柱，利用室内土柱自动观测系统测定4种矿区土壤入渗及蒸发过程，结合HYDRUS-1D模型反解土壤水力参数，并利用反解的参数模拟土壤的入渗与蒸发过程。通过湿润峰运移、入渗速率、累积入渗量评价土壤入渗性能，对比蒸发强度和移动能力评价土壤蒸发性能。研究结果表明，不同质地土壤入渗性能与蒸发性能差异较大，入渗性能从大到小排序为：沙土、砒砂岩、黄绵土、红黏土，蒸发性能从大到小排序为：黄绵土、红黏土、沙土、砒砂岩。4种土壤入渗过程模拟结果的Re（相对误差）绝对值都在11.0%以下，R2在0.90以上，沙土、黄绵土、红黏土蒸发过程模拟结果Re（相对误差）绝对值在6.1%以下，R2在0.94以上，砒砂岩因质地特殊，蒸发过程模拟结果Re（相对误差）绝对值为14.0%，R2仅为0.44，整体评价利用HYDRUS-1D结合入渗、蒸发过程剖面含水量变化反演土壤水力参数具有较高的精度。不同质地土壤水分运动特征的测定与模拟，对指导露天矿区排土场新土体构筑提供了参考。     

不同丛枝菌根真菌对铁尾矿基质的改良效果

将4种不同生态型的丛枝菌根真菌接种于马钢南山铁矿尾矿基质中,通过紫花苜蓿盆栽试验比较菌根真菌对尾矿基质的改良效果。研究结果表明:4种不同生态型菌根真菌与对照相比,均能增强紫花苜蓿根际土壤酸性磷酸酶的活性,提高紫花苜蓿对基质中磷元素的吸收能力,增加紫花苜蓿的生物量,其中来源于某铜尾矿的Glomus intraradices在改善尾矿基质理化性状、促进紫花苜蓿生长方面的效果最佳。     

黄土高原煤矿区煤矸石中重金属对土壤污染的研究

以黄土高原兰州红古矿区为例,研究煤矸石长期堆积对当地土壤产生的重金属污染.根据红古矿区的地质地形特点,选择合理的采样路线,系统采集矿区内不同开采历史时期的土壤样品,用HCl-HNO₃-HF-HClO₄消解样品和原子吸收分光光度仪分析矿区土壤中有害重金属元素（Cd,Co,Cr,Cu,Mn,Pb,Zn）的含量,数据处理采用SPSS软件完成.研究表明,红古矿区煤矸石长期堆积、风化淋溶已导致了其周围土壤中重金属的污染和富集,表现为随着煤矸石堆放、风化淋溶时间的延长,矿区土壤中重金属含量基本呈上升趋势,其中Cd,Pb,Zn表现出较强的迁移性.由此可见,矿业开采活动对当地土壤重金属含量有一定的贡献,但不同的重金属元素在矿区土壤中的积累表现出差异性.     

丛枝菌根与覆草对矿区玉米生长及土壤水分的影响

煤矿开采加剧了干旱胁迫与土壤贫瘠。如何提高水分利用率,促进植物生长与土壤改良成为矿区农田修复的关键所在。试验区土壤类型为风沙土,土质疏松,蓄水保肥能力较差。试验设定对照(CK)、覆草(F)、接菌(M)、覆草联合接菌(FM)共计4个处理,每个处理3个重复,共12个小区。试验结果表明:接菌可有效地提高玉米的生物量和产量,接菌玉米产量比对照组高出13 %;改进覆草方式后联合接菌处理,可以有效提高玉米产量;5月完成覆草后,当月的土壤水含量比未覆草的处理高出30 %;9月降水少、蒸发量增加,覆草有效减少了水分的蒸发,保水量比未覆草提高37.5 %。     

接种菌根对采煤沉陷区苜蓿生长及土壤改良影响研究

采煤沉陷造成地表土壤质量下降,影响矿区植物生长和根际环境,丛枝菌根真菌作为一类有益的共生真菌对植物生长有促进作用。为评价采煤沉陷区人工接种菌根的生态效应及作用时效,以神东矿区活鸡兔矿沉陷区内接种菌根真菌的紫花苜蓿为研究对象,采用田间试验和室内分析方法,测定接种丛枝菌根真菌处理和未接菌处理植物株高、叶片绿色度(SPAD值)、生物量、菌根侵染率、菌丝密度、根际土壤性状及其相互关系,研究了较长时间内接种丛枝菌根真菌对紫花苜蓿生长及根际土壤性状的影响。结果表明:复垦4年后,与未接菌处理相比,接种菌根处理显著提高了植物株高、SPAD值、生物量,分别提高了18.2%、8.3%、10.4%。紫花苜蓿可以与丛枝菌根真菌形成良好共生关系,接种菌根真菌4年后接菌处理植物菌根侵染率和菌丝密度显著高于未接菌处理,菌根侵染率和菌丝密度较未接菌处理分别提高了35%、34.1%。接种菌根改善了根际土壤性状,有效提高了土壤含水量,较对照分别提高7.5%,同时土壤碱解氮、速效磷、有机质、磷酸酶活性较对照分别显著提高了21.4%、20.7%、22.5%、36.9%。相关性分析表明,菌根侵染率与株高、生物量、磷酸酶、速效磷含量呈显著正相关,菌丝密度与SPAD值、有机质呈显著正相关,与株高、生物量呈极显著正相关。复垦4年后,接种菌根真菌可显著促进紫花苜蓿生长,提高了植株生物量,同时有效改善了根际土壤质量,具有较好的生态效应。     

土壤重金属污染生态绿植修复技术研究

为进一步探究污染土壤生态修复的应用效果,促进农村生态文明建设以及旅游经济发展,基于土壤生态修复的相关原理,以常见的紫花苜蓿为主要生态修复植物,探究了紫花苜蓿对重金属镉（Cd）污染土壤的修复作用。通过实验发现,土壤中的Cd对紫花苜蓿的生物量以及植物形态均有着显著的影响,使用紫花苜蓿修复或生物炭吸附的方法均可以起到土壤修复的作用,但是修复效果较差;使用两者协同处理方法,可以使土壤中Cd的降解率达到15.18%,土壤中有效态的Cd含量降低41.48%,使用该方法可以大幅提高土壤修复的效果。基于试验结果,研究设计了以紫花苜蓿种植协同生物炭吸附为主的土壤生态修复设计方案,将研究区分为3个主要的功能区并对应种植不同的植物,起到生态修复的作用。研究可为后续生态修复相关研究提供科学有效的参考。     

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。     

粉煤灰掺量对土壤混合材料空气阻隔性影响的试验

治理自燃煤矸石山需要覆盖大量惰性材料,为节约土源、废物利用和保障环境效益,研究粉煤灰代替部分土壤做自燃煤矸石山覆盖材料的最佳配比。将粉煤灰分别与粉土、粉质黏土按照不同体积比均匀混合,通过室内模拟实验,测定不同配比混合材料的空气阻隔效果,分析不同粉煤灰掺量对混合材料空气阻隔性的影响规律。结果表明:在粉质黏土、粉土中掺入粉煤灰,混合材料的空气阻隔性随粉煤灰掺量增加而衰减,不同压差下测定其渗透率与粉煤灰掺量呈近似的指数函数关系;粉煤灰含量50%和30%分别是决定粉土、粉质黏土空气阻隔性变化的一个重要特征。建议在粉土中掺入粉煤灰的比例小于50%,在粉质黏土中掺入粉煤灰的比例小于30%。     

黄土高原矿区生态修复固碳机制与增汇潜力及调控

黄土高原矿区生态环境脆弱，科学认识黄土高原矿区生态修复固碳增汇机制、潜力对碳中和愿景目标至关重要。为此，需探究黄土高原矿区生态修复中碳汇形成的关键过程，修复的适应性和恢复力及增汇潜力，揭示矿区复垦土壤碳库稳定性机制，最终阐明矿区生态修复中固碳增汇的关键技术。结果表明：(1)黄土高原矿区生态修复碳汇形成的关键过程包含植物光合碳分配、土壤碳固持、微生物固碳和土壤呼吸等；(2)黄土高原矿区生态修复适应性总体呈东南高、西北低，适应性较差区主要分布于陕北与内蒙古和宁夏中部与内蒙古交界处。典型矿区生态恢复力指数为混交林（43.2%～100.0%）>阔叶林（49.2%～83.2%）>针叶林（47.9%～76.5%）>草地（39.1%～70.7%）>灌木草地（43.0%～69.0%）。修复年垦与土壤碳汇潜力呈正相关关系，修复10～15年时最高，混交林生态恢复耗时最长，但固碳潜力最大；(3)复垦土壤碳库稳定性机制与凋落物分解、黏土矿物交互作用、团聚体物理保护和微生物调控有关；(4)地貌重构-土壤重建-先锋植物/微生物-外源材料相耦合修复技术是黄土高原矿区生态修复固碳增汇的最优路径...     

木霉菌对煤矸石分解和绿化效果的影响

为了探究木霉菌对煤矸石分解和绿化的影响效果,将低(0.03%)、中(0.15%)、高(0.30%)不同剂量的木霉菌施用于煤矸石中,进行煤矸石分解实验,同时进行紫花苜蓿盆栽实验,测定煤矸石分解率、紫花苜蓿鲜重和根系特征,以及煤矸石基质的理化性质和微生物学性质。结果表明,木霉菌能够增加紫花苜蓿根长、根冠比、根体积和侧根数量;显著改变了煤矸石的机械组成,细砾是风化物的主要组成成分,随着木霉菌剂量增加,细砾有进一步分解为粗砂及中砂的趋势;促进煤矸石微观结构变好;提高了煤矸石基质碱解氮、有效磷、速效钾含量;促进了基质微生物量碳氮磷含量和过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性,进而促进了煤矸石的分解和绿化效果。总体而言,低剂量木霉菌促进煤矸石绿化效果不明显,而中等和高剂量的木霉菌效果显著,分别将煤矸石分解率和紫花苜蓿鲜重提高了44.24%,38-86%和31.33%,22.04%,中等剂量木霉菌效果最好。因此,中等剂量的木霉菌可用于煤矸石山的绿化,具有良好的效果。     

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)。     

接菌影响模拟重构土层水分布及水同位素分馏

水资源决定着生态恢复过程中的植被结构和种类，是矿区实现绿色生产、生态修复的主要限制因素。为了研究半干旱煤矿区接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi,AMF)对植物根系提水、模拟土壤水分分布及水同位素分馏的影响，本研究以玉米为供试植物，布设室内分层土柱模拟试验。设置纯土柱(CK1)、土柱+玉米(CK2)、土柱+接菌玉米(AMF)三个处理，每个处理3个重复，测定土柱毛细水上升高度、土壤含水率以及玉米茎水与土壤水的氢氧同位素。分析了不同处理之间玉米生长发育情况、水分运移规律以及不同深度土壤水同位素分馏的差异，结果表明：(1)接菌有效促进玉米生长发育，株高、地上生物量、地下生物量、总根长比CK2处理分别提高15.78%、23.39%、43.40%、21.0%。(2)AMF促进根系吸收底部黏土层内的蓄水，提高毛细水上升高度18.9%，玉米吸水空间扩大约50%，进而影响土柱水分分布。(3)土柱表层、深层土壤水与初始水相比分馏差异较大。在表层0～10 cm处，CK2与AMF处理的¹⁸O、²H富集系数显著低于CK1处理，在深...     

煤矿区固废改良土壤对植物生长的影响

以煤矿区生活污泥、煤矸石、粉煤灰为原料,按照不同的配比添加至土壤中,进行白三叶盆栽实验,考察不同配比方案对白三叶生长状况的影响,并对植物生长指标与复合基质营养成分之间的相关性进行分析。最终选择污泥、粉煤灰、煤矸石与土壤质量配比为5%∶20%∶15%∶60%为种植白三叶的最佳方案。该方案与对照组相比,白三叶株高基本持平,根长增加了0.04 cm,白三叶生长状况显著提升。     

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。     

无人机遥感支持下的煤矸石山自燃监测与预警

复垦后煤矸石山的复燃问题是矿区土地复垦与生态环境保护中的巨大挑战。超前和及时的自燃监测和预警对治理至关重要，同时也一直是研究和治理中的难题。研究基于无人机遥感技术，提出了一种在复垦后利用植被紫花苜蓿评估煤矸石山自燃风险的方法，并对该方法在自燃监测和预警中的可行性进行评估。以中国山西省某复垦后自燃煤矸石山为例，利用无人机搭载可见光、热红外相机获取了某复垦后煤矸石山的无人机影像，并基于无人机影像提取的图像特征估算了紫花苜蓿地上生物量、株高和植被水分信息；在此基础上提出了自燃风险评估方法，在已发生自燃的研究区A1开展预警可行性探究；同时，利用上述方法对一未知(潜在)自燃研究区A2的自燃风险进行评估。研究结果表明：(1)无人机是煤矸石山植被监测的有效工具，基于无人机遥感图像特征能够实现紫花苜蓿长势参数的精准估算。基于随机森林的紫花苜蓿生物量和植被水分估算模型在验证集上的决定系数R²分别为0.92和0.78，均方根误差RMSE分别90.58 g/cm2和4.29%；基于作物高度模型的株高预测结果的R²为0.92,RMSE为7.58 cm。(2)3种紫花...     

微生物矿物源土壤修复剂配施效果的研究

以白刺为试验对象,考察了白云鄂博富钾板岩发酵产物与胶质芽孢杆菌复合制备出的微生物矿物源土壤修复剂性能及其二者施用量的最优配比。结果表明,通过对不同配比处理下种植的白刺生物学性状及土壤理化性质的分析,发现两种原料添加的最优配比为土壤与固体发酵产物添加比30∶1,菌液添加量为2.5L/m2。此配比下白刺的发芽率、茎长和干鲜重指标达到空白处理的2.40、4.35、12.35倍,土壤的含水率、有机质、有效磷和速效钾含量分别提高了10.36、1.30、5.54、1.10倍,均达到显著水平(p<0.05)。加入胶质芽孢杆菌菌液后土壤中的稀土元素总量降低了74.88mg/kg。可以合理有效地利用白云鄂博富钾板岩,对尾矿库周边环境治理和污染土壤的修复改良具有重要意义。     

矿井底板突水新型注浆材料配比优化试验

为了改善超细水泥浆液在矿区煤层底板含水层的注浆加固改造工程中的应用效果,基于黏土和粉煤灰对超细水泥浆液性能影响,选用超细水泥、粉煤灰、黏土作为原料,掺入一定比例的石灰和氢氧化钠,采用正交试验设计方法,分别对黏土-粉煤灰-超细水泥浆液的配比进行了优化试验,得到了其中最优的配比方案.同时,分析了黏土、粉煤灰、石灰和氢氧化钠在该类型注浆材料中的作用机理.研究结果表明:掺加不同类型和不同比例的辅助材料对于超细水泥浆液性能的改善起到了较好的控制作用,为矿区底板裂隙水的注浆改造提供了优质材料.     

重金属污染影响下的矿区土壤生物修复技术

研究重金属污染影响下的矿区土壤生物修复技术,通过土壤性质测定法与BCR三步提取法,分析粪肥与熟石灰不同配比改良剂的生物修复效果;采用高通量测序分析法,分析了生物强化修复与生物刺激修复等的生物修复效果。研究结果表明,重金属污染影响下,粪肥、熟石灰配比为15 g/kg与20 g/kg,土壤的物理形状提升效果最为显著,有效提升生物修复效果与土壤持水能力,使修复后的土壤适合植物生长;石油污染影响下,在土壤内添加氮磷营养液,即生物刺激修复方案的生物修复效果最佳,有效提升降解菌数量,显著减少石油烃、烷烃与多环芳烃含量。