露天煤矿表土替代材料研究综述

刘雪冉,胡振琪,许 涛,朱 琦

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；2.矿山生态安全教育部工程研究中心，北京100083)

绝色矿业

露天煤矿表土替代材料研究综述

刘雪冉1，2,胡振琪1，2,许 涛1，2,朱 琦1，2

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；2.矿山生态安全教育部工程研究中心，北京100083)

为了解决露天煤矿排土场复垦过程中缺乏表土资源的问题，急需研究出适应不同矿区的表土替代材料，本文梳理国内外表土替代材料研究文献，得到表土替代材料定义：从矿区土地复垦环境建设可持续发展的角度出发，利用非表土资源的理化性质，合理配比，综合利用，使之成为适合植物生长的新型土壤环境。国外对表土替代材料的研究起步比较早，不管是从法律层面，还是在实践探索中，都取得了不错成果；我国对表土替代材料的研究，经历了客土方法、土壤性状改良技术以及新型表土替代材料研制技术，在表土替代材料的筛选、配制和推广方面取得了不少研究成果，但研究范围和野外推广存在缺陷。总体来说，随着露天煤矿的进一步开采，土地复垦任务进一步加重，而表土替代材料的使用将是露天煤矿开采区解决表土缺乏的不二选择。

表土替代材料；土地复垦；文献综述

我国露天煤矿分布具有明显的区域性，多处在干旱、半干旱的西部生态脆弱区，以内蒙古、新疆、山西、陕西为主。相对而言，内蒙古地区煤炭处于我国北方露天矿群的集中地带储量非常丰富，且适宜大规模进行露天开采。露天煤矿开采时形成的内外排土场呈台阶状分布，同时形成较多的边坡，造成土地复垦面积明显多于原开采区的表面积，最终造成原表土数量的大量不足。因而，急需要适宜的表土替代材料解决土地复垦过程中表土不足的问题。为了解决露天煤矿排土场复垦过程中缺乏表土资源的问题，有关学者提出将煤炭开采中产生的剥离基质作为表土母质，进行人工改良，使其熟化后成为理想的表土新材料[1]。笔者对已有的研究成果进行综述，有助于理解表土替代材料研究现状、特点、问题和发展态势，为进一步深入研究奠定基础。

1 表土替代材料的界定

国内学者大致在2000年以后开始研究“表土替代材料”这个特殊地域的。张鸿龄等称这种新型种植基质为“新土源”[2]；郝栋称为“人工土壤”[3]；胡振琪等认为“表土替代材料”较能反映该表土的特性，是对这种表土较为详尽、贴切的描述[1]。

所谓“表土替代材料”，是从矿区土地复垦环境建设的可持续发展的角度出发，利用非表土等资源的理化性质，将其合理配比，综合利用，使之成为适合植物生长的新型土壤。该新型土壤能够有效提高复垦土壤的理化性质和土壤微生物的活性，从而提高植被的成活率和覆盖度，实现植被的有效快速恢复。该新型土壤要求原材料丰富，可以就地取材、方便运输、经济和环保，具有良好的生态、环境、经济和社会等多方面的综合效益，对实现和谐社会的可持续发展具有重要意义。

2 表土替代材料的研制

2.1 国外表土替代材料的研制

针对露天煤矿的土地复垦国外研究比较早，20世纪20年代德国已经开始对露天煤矿废弃地进行修复；20世纪30年代美国已经在全国26个州先后制定了露天煤矿土地复垦的相关法规，并在1977年8月3日颁布了《露天采矿管理与恢复(复垦)法》，成立专门土地复垦管理机构。许多西方国家的土地复垦有关法规中明确规定，在煤炭开采前需要对土壤和上覆岩层各层基质分析其理化性质和养分含量，筛选出适宜的表土替代材料(topsoil substitutes)。针对新复垦表土养分偏低、pH值偏高、土壤容重显著增大及表土缺乏等问题，国外专家积极探索表土改良方法及寻求新的表土替代材料，并已取得不错的成果[4-6]。

其中G.M.Tordoff 等在阐述英国金属矿实施的复垦措施时指出利用添加有钙等金属络合物的细粒尾矿覆盖排土场可以减少水土流失与重金属污染，同时可以降低人造惰性覆盖材料的成本及运费，对覆盖物添加适当改良剂可以直接实现矿区的生态恢复[7]。L.C.Ram对露天煤矿排土场表土中添加适量的粉煤灰，结果表明该措施可以有效改良土壤，提高作物的生物量[8]。美国Terry.H.Brown 等利用流化床产生的飞灰对露天矿排土场土壤进行改良，其结果表明流化床飞灰可以改善排土场土壤的酸碱性、电导率及渗透性，同时对作物的生长有积极作用[9]。Xavier Querol 等在排土场复垦过程中向土壤中添加沸石和粉煤灰可以增加土壤对重金属的固化作用，减少土壤污染。Nuria Pedrol 等利用堆肥、石灰石及NPK肥对排土场土壤进行改良，发现NPK肥与石灰石结合使用可以在短期内为植物提供营养，而堆肥可以为物种的多样性提供长效保证[10]。M.S.Coyne在排土场的表土中添加有机肥料可以有效的提高氮的转化率，进而提高复垦效率[11]。Asha等向排土场土壤中添加污水处理厂的污泥及真菌，可以为植被恢复提供了有利条件[12]。Stephane Boyer等发现蚯蚓具有改善排土场土壤的质量的潜能[13]。

1997年Baker. DE等通过土壤测试，利用粉煤灰进行一系列燃烧产物和堆肥污泥掺在pH值小于2的煤矸石，可以得到稳定土，证明该稳定土可以作为新的表土替代材料进行种植，而不再需要覆盖表土[14]。F.Nicolini等证实了在德国莱茵地区可以采用第三纪经风化的黄土作为矿区土地复垦的表土替代材料[15]。Sena等在美国肯塔基东部的某露天煤矿进行野外试验，选择未风化的灰色砂岩、风化的褐色砂岩、混砂页岩作为土壤的替代材料，通过自然恢复方法，发现风化的褐色砂岩最适合作为表土替代材料[16]。Wilson-Kokes. L等在2005年选取西弗吉尼亚卡诺瓦县的阿巴拉契亚露天煤矿设立试验区，分别采用风化的褐色砂岩和未风化的灰色砂岩最为表土替代品，每个实验区种植相同植被，经过8年的连续测定土壤化学性质和树木生长，发现风化的褐色砂岩更加适合树木的生长，是理想的表土替代品[17]。R.Paradela等对露天矿开采过程中产生的板岩粉末的物理、化学、生物特性进行测试，发现这种粉末黏粒含量较少，缺乏作物生长所需的N、P等营养元素，并且微生物活性较低，但这种粉末的电导率、pH值、重金属含量不会对植物生长造成威胁，可以考虑作为露天矿土地复垦过程中的表土替代材料[18]。2014年N.Inoue等在的北京国际土地复垦与生态恢复专题讨论会中介绍了粉煤灰作为表层土壤替代物在印尼露天煤矿复垦中的应用[19]。

2.2 国内表土替代材料的研制

我国表土替代材料研制比较晚，经历过客土方法、土壤性状改良技术、新型表土替代材料研制技术。

2.2.1 客土方法

我国对表土替代材料的研究追溯于客土方法，客土方法是一种传统的土壤改良方法，通过移取外地熟土替代原生土，移取的外来土壤一般是壤土、沙壤土或者是肥力较高、质地较好、有害物质含量较低的人工土。目前，客土方法已经应用在盐碱地、过砂过黏等形状不良的土壤改良，公路边坡土壤的改良，改良矿山废弃地改良，以及污染土壤的改良[20-26]。早在1982年李伟波对吉林省西部的旱作农业区的沙质土提出改良方法，并对改良方法进行了评价[27]。汪雅各等用农业工程客土的方法，对种菜区的重金属污染土壤提出了改良方法，结果表明，土壤重金属污染越严重，改良效果越明显[28]。高志强对莆田县人民围海造田的土壤提出了不同客土 改良方法，同时对土壤的形态、盐分含量及物理化学性质进行研究，提出巩固改良效果的措施[29]。侯李云等在阐述土壤中砷的来源、危害的基础上，系统梳理近年来土壤改良技术在污染土壤修复中的应用，认为对于土壤砷污染严重的区域，客土改良方法是见效快、改良最彻底、实用性最强的方法[30]。

2.2.2 土壤改良剂

针对矿山废弃地的修复，我国大多采用固体废弃物作为土壤改良剂，改善土壤的物理、化学、生物等性状，从而增加土壤营养元素，提高土壤的肥力，实现植被重建，减少水土流失和污染物的迁移，降低废弃地修复成本，实现资源循环利用，达到“以废治废”的目的。目前常用的固体废弃物主要包括粉煤灰、酒糟、城市污泥、生活垃圾、康酸渣、草炭、枯枝落叶、动物粪便、中和用石灰、碳酸氢盐或者石膏、硫酸、氯化钙等产品[31-47]。范军富等通过在海州露天煤矿排土场种植豆科类植物和添加食用菌肥料，能够有效对土壤进行改良和熟化[48]。李广慧等把粉煤灰作为添加剂作为土壤改良，可以有效提高土壤含水量、增加土壤入渗性[49]。胡振琪等教授(2005)申请专利“用于土壤改良的煤基营养剂”，其中煤基营养剂主要由风化煤、草炭、微生物菌根、化学试剂混合而成。该发明的应用，可以明显改善土壤性能，提高植物抗逆性能和吸收养分的能力，显著增加作物产量；同时提高风化煤和草炭的产业化利用效率[50]。郭汉清等用工矿区的固体废弃物为主要原料， 添加化肥复混成为煤基复混肥，同时添加菌肥进行比较分析[51]。LI SQ等在山西露天煤矿试验证明，复垦土壤中添加污水污泥和化肥，有效提高土壤养分和微生物含量，快速建立一个植被生态恢复系统[52]。胡振琪等(2007)参照煤矸石、风化煤和粉煤灰的物理化学性质，通过室内盆栽试验，确定煤基混合物最佳质量配比，证实该新型土壤改良剂具有可行性。通过煤基混合物的施用，可以充分利用矿山固体废弃物，显著降低复垦成本；提高土壤的速效养分，加速复垦土壤的熟化；增加作物产量、提高作物品质[53]。

2.3 表土替代材料

针对环境恶劣且表土稀缺的内蒙古露天煤矿开采区域，胡振琪等率先提出了表土替代材料的研制。胡振琪(2013)测试分析了内蒙古某露天煤矿的上覆岩层土层的基本特征，通过室内试验筛选出较为适宜的表土替代材料是III层的亚黏土，并证实风化后的土壤特性更佳[1]。

为了提高表土替代材料的土壤特性，胡振琪教授率领其科研团队，进一步对III层的亚黏土进行改良。纪妍等、杨洁等、位蓓蕾等、林杉等分别向III层的亚黏土添加草炭、改性秸秆、蛭石和硝基腐殖酸进行室内盆栽试验，通过紫花苜蓿的生长性能和抗逆性能反应改良效果。试验证实分别向表土替代材料中只添加草炭50 g/kg、改性秸秆50 g/kg、蛭石10 h/kg、硝基腐殖酸0.05%时，对亚黏土的改良效果最优[54-57]。

位蓓蕾等选择蛭石、秸秆和硝基腐殖酸3种改良剂同时对表土替代材料进行改良，每种改良剂设置3个添加量梯度，进行室内盆栽试验，通过分枝期紫花苜蓿生长性能和抗逆性能反应改良剂的改良效果。试验证实蛭石∶秸秆∶腐殖酸=50∶50∶0.5(g/kg)时，改良后的表土替代材料性能最佳[58]。

马彦卿等曾利用平果铝矿的矿床底板土作为覆土材料，同时向矿床底板土中添加粉煤灰进行改良，利用上述覆土材料作为表土层对平果铝矿排土场进行复垦[59]。对于表土层的改良，黄继民等以阜新露天矿东排土场为研究对象，分析了矿物肥料草炭、沸石、粉煤灰对露天矿排土场土壤物理性质的改良效应，发现添加矿物肥料后排土场表层土壤的砾石含量略有降低，土壤的各个水分参数、土壤容重的及孔隙度均有显著改善，对比分析发现草炭的改良效果高于其它矿物肥料[60]。

3 结论

国外土地复垦起步较早，有关土地复垦各项研究取得了较大的成果，表土替代材料比较成熟。我国表土替代材料的研制，是从客土方法、土壤改良剂中逐步演变而来，主要是针对于露天煤矿开采土地复垦区。

本文系统梳理了表土替代材料的研究现状、特点、问题和发展态势，指明随着露天煤矿的进一步开采，土地复垦任务逐步加重，对表土替代材料的需要更加迫切，分区域进行细致、深入的调查、研究、配置适宜的“表土替代材料”，是解决露天煤矿开采区表土缺乏的最佳方法。

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2016中国矿业十大新闻(中)

3.全球单套规模最大煤制油项目投产。12月28日，全球单套规模最大的煤制油项目——神华宁煤集团年产400万t煤炭间接液化示范项目正式投产。该项目打破了国外对煤制油化工核心技术的长期垄断，探索出了科技含量高、附加值高、产业链长的煤炭深加工产业发展模式，项目国产化率达98.5%，每年可转化煤炭2 046万t，年产油品405万t。

4.资源税改革7月1日起全面推行。5月10日，财政部发布关于全面推进资源税改革的通知，2016年7月1日起实施。通知要求，通过全面实施清费立税、从价计征改革，理顺资源税费关系，建立规范公平、调控合理、征管高效的资源税制度，有效发挥其组织收入、调控经济、促进资源节约集约利用和生态环境保护的作用。

5.我国查明黄金资源储量突破万吨大关。4月21日，国土资源部发布《2015中国国土资源公报》。黄金行业在整装勘查、老矿山深部和外围找矿方面积极探索，取得显著成果，“十二五”期间黄金新增资源储量共超过4 500 t。目前，我国黄金查明资源储量已达1.16万t。山东莱州-招远金矿带成为世界第三大金矿区带，该区新发现了黄金资源储量470 t的海域金矿、328 t的纱岭金矿，并在胶西北地区成功实施了“中国金属矿床第一深钻”及一系列超深钻孔，探明金金属量395 t，预测新增金资源量3 000 t以上。

Summarizing research on topsoil substitute material of open-pit coal mine

LIU Xueran1,2, HU Zhenqi1,2, XU Tao1,2, ZHU Qi1,2

(1.Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 2.Engineering Research Center of Mining Environment & Ecological Safety of Ministry of Education, Beijing 100083, China)

In order to solve the problems of being lack of surface soil source in the open-pit coal dump in the process of the reclamation. It is urgent to work out the substitute materials to adapt to the different surface soil, the paper sorts tons of research literatures of the domestic and overseas and get the definition of this substitute materials: From the point of view of the land reclamation environment construction sustainable development, making use of the non-surface soil source physicochemical properties, via reasonably matching, comprehensive utilization, and finally making the non-surface soil be the new type soil which is suitable to the plants growing. The research of the substitute materials at abroad is earlier, and has obtained good achievements no matter in the law or in the practical explorations; in our country, the research of the materials goes through removing earth from some other place to improve the local soil way, improving soil properties technology and new type substitute materials development technology, it has got many achievements in the materials screening, matching and promoting, but it still exists defects in the scope and wild promoting. As a whole, as the open-pit coal further exploration, the task will be much heavier in the reclamation, and the substitute materials will the best choice to solve the problem of being lacking of the surface soil.

topsoil substitutes; land reclamation; literature review

2016-10-10

国家重点研发计划项目资助(编号：2016YFC0501100)

刘雪冉，博士后，主要从事土地复垦与生态重建、土地整理方面研究，E-mail: liuxueran1221@163.com。

胡振琪，教授，博士生导师。

X53

A

1004-4051(2017)03-0081-05