露天煤矿排土场重构土壤改良及其评价指标

盛世博

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110015）

煤炭是我国必不可缺的能量来源之一，我国北方普遍采用露天采矿的方式获取煤炭资源，露天开采势必会对原生地层结构造成一定影响，露天开采剥离形成的重构土壤多为岩土混合物，理化性质较差，土壤肥力弱，因此如何将重构土壤改造为适宜植物生长的土壤是目前面临的重要问题[1]。

重构土壤是开展土地复垦的前提条件[2]，近年来，诸多学者对矿山土壤改良方法进行了深入研究，提出了很多生物改良剂、有机改良剂及无机改良剂[3-7]，但是对于改良剂的使用方法及使用原则介绍较少。为了降低矿山企业生态修复成本，减少过度改良及无效改良的情况发生，应对不同改良方式改良效果通过某些指标进行评价，从而得出综合性的结论，筛选出适宜的露天矿重构土壤改良方式[8-9]。通过对露天煤矿重构土壤改良原则及重构土壤改良效果指标进行归纳，提出适宜的重构土壤改良原则及评价方法，为矿山企业重构土壤改良提供技术支持。

1 露天煤矿排土场重构土壤改良原则

露天煤矿排土场重构土壤主要成分为泥岩、生土、煤矸石、风化煤、煤渣及沙子等材料的混合物，一般的重构土壤主要以泥岩和生土混合物为主，由于土壤养分匮乏和土壤性状较差，一般直接栽植植物难以成活，因此需要对重构土壤进行改良。

1.1 重构土壤改良方式

如今对矿山排土场重构土壤改良方式较多，如何选用适宜的改良剂成为重要的问题。目前矿山应用最为广泛的改良方式便是有机肥改良、生物质材料改良、微生物改良、化学材料改良等。改良剂具有诸多优势，例如可以改善土壤结构、提高土壤团聚体含量、提高土壤有机质和提高土壤养分等。但添加量不足或者添加过量都会影响土地复垦效果，因此重构土壤改良应遵循一定的改良原则才能最终实现土地复垦效果。

对不同区域重构土壤应秉持因地制宜的原则，调查土壤背景值并分区定制改良方案，减少过度改良现象发生。①在改良过程中物理性质首先应满足TDT 1036—2013 土地复垦质量控制标准中相关要求，例如对于拟复垦为草地的区域砾石含量应小于30 %，有机质应大于0.3 %，有效土层厚度应大于10 cm，密度应小于1.5 g/cm3，pH 位于6.5～8.5 之间；②在满足以上条件的基础上可以对土壤质量进行提档升级，对于土壤养分可以参照《全国第二次土壤养分普查养分分级标准》判定土壤养分的等级，对于重构土壤养分具有定性的判断，对于土壤的重金属污染可以参考GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准中对危害较大的重金属指标的限定值；③最后对于重构土壤物理性质及养分应进行动态监测，为定期追肥和改善土壤结构提供过程材料。

1.2 改良剂用量控制

改良剂的用量过多或过低都会影响土地复垦效果，添加量过高导致烧苗现象并且增加了土地复垦成本，添加量过低会直接影响植物生长。例如施加有机肥应对施加量进行严格把控，有机肥主要能力是改善土壤结构，提升土壤养分缓释能力，但其养分含量并不高，大多数情况不能使重构土壤养分达到较好的状态，因此可以通过有机肥与其他肥料堆肥或者混施的方式提高养分含量[10]。

因此改良剂用量应考虑性状改良、养分改良2个方面：性状改良的控制指标主要为物理性质，只要土壤物理性质可以满足植物生长便可；物理性质改良剂包括生物质材料（玉米芯、秸秆等）、草炭、蛭石、沸石等，常用的控制因素便是土壤密度、土壤孔隙度以及土壤的机械组成。排土场性状改良的总体原则应为降低密度、提高孔隙度、减少砾石含量和黏粒含量。养分改良控制指标主要考虑pH、有机质和氮、磷、钾等元素的全态及速效态。氮、磷、钾等元素应达到《全国第二次土壤养分普查养分分级标准》所要求的4 级及以上水平，同时露天煤矿由于含碳量过高，应重点考虑C/N 对于土壤的影响，C/N 不宜大于25：1，否则会影响土壤微生物环境的建立。

2 排土场重构土壤改良效果评价指标

2.1 排土场重构土壤理化性质评价指标

1）重构土壤物理性质是衡量改良效果的重要指标，通常衡量物理性质的核心指标为密度、孔隙度，这是由于露天矿的排土场重构土壤主要成分为泥岩及生土，其自身密度较大，且其经过重型设备压实，孔隙度明显降低，导致不利于生态修复，因此该2 项指标为核心指标。为了更全面对土壤进行评价，可选用的土壤物理性质评价指标还包括土壤机械组成、土壤中位粒径、土壤各类团聚体含量、土壤田间持水量和土壤凋萎系数等。衡量土壤抗侵蚀能力的评价指标主要包括土壤内摩擦角、土壤剪切力等指标。

2）土壤化学性质评价主要根据评价目的选择恰当的评价指标，一般的综合评价主要包括土壤的pH、速效态氮磷钾、全态氮磷钾以及有机质等养分指标，而单独针对氮元素可以挑选碱解氮、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮等指标。指标选取应具有良好的代表性和区别性，而筛选评价指标主要依据专业知识，即根据有关的专业理论和实践，来分析各评价指标对结果的影响，挑选有代表性、确定性好、有一定区别能力又互相独立的指标组成评价指标体系。某些数学方法需要根据评价目的，确定各评价指标在对土壤养分评价中的相对重要性（权重），例如模糊综合评价、综合评分法、综合指数法等方法，这些方法需要合理确定各单个指标的评价等级及其隶属度，分级标准与隶属度确定的越准确，评价结果越贴近于真实情况。

3）理化性质指标评价方法。目前可以综合评价土壤理化性质的数学方法较多，主要分为3 类：①多元统计方法：主要包括多元回归分析、判别分析、因子分析等，此类方法应用面较广，但在分析过程中收到数据质量及样本量的影响较大，在满足相关分析方法要求的基础上应用可以快速评价处理间理化性质差异，将数据进行归一化处理，通过分析筛选出适宜的改良方式；②模糊多元分析法：该类方法基于模糊数学理论，主要包括模糊聚类、模糊判别和模糊综合评价等方法，该类方法需要对权重及隶属度进行明确规定，分析结果会存在一定程度的人为因素；③简易方法：主要包括综合评分法、综合指数法、层次分析法、Topsis 法以及秩和比法等，此类方法简单实用并且适用于各类基础资料，但是分析精度存在一定局限性，不适用于对评价精度要求较高的评价中。

2.2 重构土壤植物与微生物响应评价指标

1）重构土壤植物响应评价指标。重构土壤改良后种植植物的响应情况是反应重构土壤改良效果的重要因素。常见的植被修复模式为乔灌草相结合的方式，对于草本植物评价指标主要包括株高、生物量、植被覆盖度、分枝数（分蘖数）、物种多样性指数、丰富度指数、优势度指数以及均匀度指数等，目前常选用的监测方式为无人机多光谱航测与样方法相结合。对于乔灌木仍需调查方法应主要调查单株长势，如果形成密林仍需要密度、郁闭度、层间植物种类、三维绿量等指标。草本植物监测应以每月2 次为宜，乔灌木监测应以每年1 次为宜。因为植物变化仍然受气象指标的影响，因此在进行植物评价的过程中要考虑气象因素的变化对生物长势的影响。气象因素主要监测指标应包含天气现象（晴、阴、多云、风、雨、雪）、气压、风速、空气温度、空气湿度、降雨量、蒸发、辐射、热通量、土壤盐分以及土壤水分等指标，将气象指标与植物指标变化共同分析，探究植物对于重构土壤的响应。

2）重构土壤微生物响应评价指标。重构土壤的微生物环境是重构的，因此其微生物的特点与正常土壤的特点相差较大。基础的土壤微生物指标是土壤酶活性，目前经常测定的酶包括脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、脱氢酶、蔗糖酶、多酚氧化酶等，这些土壤酶可以有效的反应土壤肥力指标。但土壤酶由于其变化幅度较大、受外界影响较大等制约性，其判定土壤肥力的可靠性存在疑问，因此进一步引入土壤微生物DNA 指标对土壤进行评价。目前对于重构土壤微生物DNA 最宏观、最经济的检测手段是16srDNA 测序、18s－rDNA 和ITS 测序，16s－rDNA 测序主要测定土壤中细菌的多样性，18s－rDNA 和ITS 测序主要测定土壤中真菌的多样性。这3 种测序方法主要特点是可以对微生物的种群进行高精度的鉴定，此类方法反应土壤信息的能力可达80 %以上，可信度较高。通过对土壤DNA 的提取、PCR 扩增、质控、测序等一系列试验流程后，得到DNA 序列，通过将DNA 序列与数据库进行比对，通过OTU 聚类得到每个物种对应的物种分类信息。基于不同种类重构土壤OTU 值进行分析，可以对比不同种类重构土壤的质量，其主要评价指标包括ace、chao、shannon和simpson 等微生物多样性，各属以上分类的微生物群落组成分析，基于picrust2 软件预测群落KEGG功能，从酶水平、遗传信息、细胞水平、有机系统等方面对重构土壤进行预测性评价。

3 结语

露天煤矿重构土壤改良应遵循以下几条原则，首先基于对土壤物理性质的改良筛选适宜的土壤性状改良剂，其次根据复垦所适宜的土壤养分范围控制土壤营养改良剂的添加量。重构土壤改良的总体原则应降低密度、提高孔隙度、减少砾石含量和黏粒含量，提高土壤氮磷钾含量，合理控制土壤C/N。

排土场重构土壤改良效果评价指标可以从几个方向进行选取，一方面应包含理化性质指标，物理性质指标可选取机械组成、密度、孔隙度、田间持水量等指标，化学性质可选取各种形态的氮、磷、钾等指标。另一方面从生物响应方向可以选取植物的长势指标以及植物整体盖度、生物量、郁闭度等方面选取评价指标，同时从微观角度可以选取土壤酶，为更精确掌握土壤微环境情况应选用16s－rDNA 测序、18s－rDNA 和ITS 测序的方法进行重构土壤评价。

排土场的生态修复即是露天矿的重点工程，同时也是露天资源开采与生态发展协调的纽带，只有将排土场的生态修复工作做好才能真正的实现绿水青山就是金山银山。因此在未来，如何实现排土场以最小的经济投入实现最大的生态效益是研究的重点，也是研究的难点。对于已修复区域排土场治理的效果需要有明确的量化，以数据证明露天开采对生态环境的损伤是有限的，只有将露天矿山生态修复数据化、可视化才能真正保障露天采矿可持续发展。