适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂及制备和应用方法

摘要

本发明公开了一种适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂及制备和应用方法，包括以下原料制成：聚丙烯酸钾盐、风化煤、糖厂副产品的生物黄腐酸钾、天然沸石粉、复合微生物菌剂。首先将所述的聚丙烯酸钾盐、风化煤、生物黄腐酸钾、天然沸石粉按其重量份数混合均匀；然后将所述复合微生物菌剂按1:100的比例加水稀释，均匀喷洒并再次混合均匀，平衡10?20天。可以用于客土覆盖工程，修复矿区较为平整或坡度较缓的坡面，也可以用于生态袋边坡修复工程，修复矿区坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面。能明显提高植物出苗率，提高水分养分条件，改善土壤理化性质，增加土壤活性，加快土壤熟化过程，促进植被生长。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生态修复技术，尤其涉及一种适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改 良剂及制备和应用方法。

背景技术

(1)干旱区矿山生态问题现状：

在中国地质调查局矿山地质环境调查与评估结果显示：到2005年年底，全国矿山因 矿山开采引发地面塌陷4500多处、崩塌1000多处。全国因采矿活动占压和破坏土地面积 143.9万公顷。因此，矿山生态修复是国民经济可持续发展中亟需解决的问题。矿山开采 过程中，废弃的矿坑、排土场、尾矿库、以及塌陷区等带来严重的生态环境问题，采矿 场、尾矿库中的重金属污染物、粉尘、排土场的结构不稳定性，破坏土地资源，带来严 重土壤污染、水污染、大气污染、水土流失以及滑坡、坍塌等地质灾害，破坏生态环 境，严重影响生态系统的平衡。干旱区矿山修复同时受到自然环境条件和采矿破坏程度 的制约，干旱少雨、高寒多风、土层薄、土壤贫瘠以及土质破碎、缺乏植物植体、坡面 长坡度陡等问题，因此干旱区矿山生态修复中关键要解决水源短缺、土壤贫瘠、水土污 染防治问题以及保持坡体稳定问题，同时达到生态自然的修复效果，防止人为硬化和二 次污染。因此干旱区矿山生态恢复的根本在于土壤改良和植被配置，在人工干预下快速 恢复植被，从而达到坡体稳定、污染修复、控制水土流失，恢复自然生态环境。

(2)干旱区矿山修复中土壤改良技术研究进展及存在问题：

目前已公开的专利多集中于矿山的重金属污染以及土壤贫瘠问题，对于干旱区土壤 改良的研究多集中在盐碱地改良上。公开号为CN101722183A的中国专利公开了一种重 金属污染土壤改良方法，通过人工开挖沟或坑，向土壤中添加化肥、有机肥、工业废弃 物、生物固体、碱性物质等，经过吸附、螯合、络合、等反应固定重金属离子；公开号 为CN102206110A的中国专利公开了一种利用城市生活污泥修复矿山废弃地的方法，利 用城市生活污泥、过磷酸钙、硝酸钾、硫酸镁、硫酸亚铁、硼酸，制成矿山修复的液态 复合肥；公开号为CN102618295A的中国专利公开了一种矿山生态修复的土壤改良剂及 制备方法，利用污泥、泥炭、黄土、粉煤灰、磷石膏、土壤粘合剂、菌根生物制剂按一 定重量份数混合制成的土壤改良剂，对矿山废弃地植被恢复具有良好效果。

总结干旱区矿山修复中基质改良技术研究进展，研究技术主要包括表土覆盖、物理 化学改良、生物改良、城市污泥和废弃物人工基质改良等技术。地表土壤对植物生长具 有很大程度的影响，一般在矿山修复中，由于矿山排土场、废弃矿坑等地土壤层薄、条 件差、渣石堆积、重金属污染等问题，因此表土回填是一种常用且最为有效的措施，但 是其涉及表土采集、存放、二次倒土等，工程量大、费用高、破坏稀缺的土地资源。化 学改良技术通过施加化学物质对矿山土壤进行酸碱度改良以及施用肥料增进行土壤肥 力，对植被恢复具有显著影响，但化肥效果短期，需长期的人力物力投入与维护；城市 污泥改良是目前研究的一个热点，城市污泥中富含有机质，利于植物对营养的吸收，但 由于其中同时含有大量重金属和其他污染物，可能造成二次污染；生物改良技术中通常 用蚯蚓、藻类和微生物等，能够明显改善土壤理化性质，加速土壤熟化过程，同时选择 适宜的植物配置，加快矿山绿化修复，另外接种菌技术如真菌菌根应用在矿山修复中， 对土壤改良有效，但在干旱区等立地条件恶劣的情况下，生物技术受局限较大，效果缓 慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂及制备和应用方 法。针对干旱区矿山立地条件困难的特点，因地制宜，将土壤改良技术与生态工程措施 相结合，在生态安全环保的基础上综合解决干旱、贫瘠、重金属污染、修复效果持久性 的关键技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂，包括以下原料制成：

聚丙烯酸钾盐、风化煤、糖厂副产品的生物黄腐酸钾、天然沸石粉、复合微生物菌 剂。

本发明的上述的适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂的制备方法，包括以下步 骤：

首先，将所述的聚丙烯酸钾盐、风化煤、生物黄腐酸钾、天然沸石粉按其重量份数 混合均匀；

然后，将所述复合微生物菌剂按1:100的比例加水稀释，均匀喷洒并再次混合均匀， 平衡10-20天。

本发明的上述的适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂的应用方法，其特征在 于，包括以下任一项应用方法：

用于客土覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面，首先进行土地平整压实，减 轻后期非均匀沉降的过程，将所述土壤改良剂与矿区原状剥离表土或异地熟土1:1混合， 覆在需要修复的坡面上，根据现场地质地貌、土壤条件的差别以及恢复的要求不同，覆 土的厚度为30～50cm；

对于坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将该土壤基质与生态袋工程措施相结合， 选择市场上常见可降解的纤维材料生态袋，选择当地乡土适宜灌草种子通过两层木浆纸 附着在生态袋的内侧，将所述土壤改良剂与矿区原状剥离表土或异地熟土1:1混合后作为 土壤基质填充于生态袋中，错茬码放于需修复的边坡，当坡度大于40°时，与混凝土格 栅式框架相结合，在框格中码放生态袋，提高防护强度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的适用于干旱区矿山生 态恢复的土壤改良剂及制备和应用方法，能明显提高植物出苗率，提高水分养分条件， 改善土壤理化性质，增加土壤活性，加快土壤熟化过程，促进植被生长。

附图说明

图1为应用方法二中需修复边坡坡度小于40°时，将生态袋直接错茬码放于修复边坡 的正立面图。

图1中各标号对应的事物为：1—生态袋；2—坡脚。

图2为应用方法二中需修复边坡坡度小于40°时，将生态袋直接错茬码放于需修复的 边坡的侧立面图。

图2中各标号对应的事物为：1—生态袋；2—坡脚；3—土地整理后的坡面。

图3为应用方法二中需修复边坡坡度大于40°时，将生态袋与混凝土格栅式框架相结 合，在框格中码放生态袋，用于修复边坡的正立面图。

图3中各标号对应的事物为：1—生态袋；2—混凝土格栅式框架；3—坡脚。

图4为应用方法二中需修复边坡坡度大于40°时，将生态袋与混凝土格栅式框架相结 合，在框格中码放生态袋，用于修复边坡的侧立面图；

图4中各标号对应的事物为：1—生态袋；2—坡脚；3—混凝土格栅式框架；4—土地 整理后的坡面。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂，其较佳的具体实施方式是：

包括以下原料制成：

聚丙烯酸钾盐、风化煤、糖厂副产品的生物黄腐酸钾、天然沸石粉、复合微生物菌 剂。

各原料重量份数如下：

风化煤70份、生物黄腐酸钾15份、天然沸石粉15份，按这三种原料总体积添加聚丙 烯酸钾盐80g/立方、复合微生物菌剂5g/立方。

所述复合微生物菌剂包括以下5种菌种：固氮菌、光合菌、根瘤菌、解淀粉芽孢杆 菌、枯草芽孢杆菌，添加量有效活菌数≥5亿/克。

所述聚丙烯酸钾盐为高分子吸水性树脂，白色颗粒或粉末，吸水倍率为400倍，在自 然条件下能反复吸水30-50次后自然降解，无有害残留物，并且为土壤提供有效钾成分。

本发明的上述的适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂的制备方法，其较佳的具 体实施方式是：

包括以下步骤：

首先，将所述的聚丙烯酸钾盐、风化煤、生物黄腐酸钾、天然沸石粉按其重量份数 混合均匀；

然后，将所述复合微生物菌剂按1:100的比例加水稀释，均匀喷洒并再次混合均匀， 平衡10-20天。

本发明的上述的适用于干旱区矿山生态恢复的土壤改良剂的应用方法，其较佳的具 体实施方式是：

包括以下任一项应用方法：

应用方法一：用于客土覆盖工程，对于较为平整或坡度较缓的坡面，首先进行土地 平整压实，减轻后期非均匀沉降的过程，将所述土壤改良剂与矿区原状剥离表土或异地 熟土1:1混合，覆在需要修复的坡面上，根据现场地质地貌、土壤条件的差别以及恢复的 要求不同，覆土的厚度为30～50cm；

应用方法二：如图1至图4所示，对于坡度较陡、土壤条件差的渣石坡面，将该土壤 基质与生态袋工程措施相结合，选择市场上常见可降解的纤维材料生态袋，选择当地乡 土适宜灌草种子通过两层木浆纸附着在生态袋的内侧，将所述土壤改良剂与矿区原状剥 离表土或异地熟土1:1混合后作为土壤基质填充于生态袋中，错茬码放于需修复的边坡， 当坡度大于40°时，与混凝土格栅式框架相结合，在框格中码放生态袋，提高高防护强 度。

本发明的土壤改良技术首先解决干旱区缺水问题，同时提供土壤养分，增加土壤肥 力，保证前期植被恢复的最佳效果，同时，为复合微生物提供良好的生长环境，保证微 生物持续不断的发挥其增加土壤活性、改善土壤性质的最佳作用，加快土壤熟化过程， 促使土壤环境的进入良性循环，使土壤生态系统达到并维持在植物生长与土壤熟化相互 促进的平衡状态。

本发明针对干旱区矿山立地条件困难的特点，将土壤改良剂与生态工程措施相结 合，综合解决干旱、贫瘠、重金属污染、边坡防护等问题，生态安全、效果持久。

本发明土壤改良剂各原料介绍如下：

聚丙烯酸钾盐：一种高分子吸水性树脂，白色颗粒或粉末，吸水倍率达400倍，在自 然条件下可反复吸水30-50次后自然降解，与传统的SAP相比，具有吸水倍率高、环保可 降解、无污染、同时提高土壤速效养分的特点。

风化煤：绿色环保型有机肥原料，提供植物生长所需的有机质，风化煤过筛60-200 目，其中腐殖酸含量≥40％，有机质含量≥70％，钙镁离子含量高时要先进行活化处 理。

生物黄腐酸钾：糖厂副产品，系纯天然发酵品，无任何毒副作用，其中黄腐酸含量 约45％，同时，含氮、磷、钾、氨基酸、粗蛋白、有机质以及多种微量元素、以及维生 素、菌体蛋白、表面活性物及促生长因子。

天然沸石粉：含有氮、磷、钾、有机质及多种矿化微量元素，并且具有吸附性、离 子交换性，吸附土壤中重金属离子。

复合微生物菌剂：包括以下5种菌种：固氮菌、光合菌、根瘤菌、解淀粉芽孢杆菌、 枯草芽孢杆菌，添加量有效活菌数≥5亿/克。

本发明的作用原理：

聚丙烯酸钾盐材料主要改善土壤水分条件，增加土壤孔隙度；风化煤和天然沸石粉 等材料为土壤提供有机质、腐植酸、氮磷钾、中微量元素等，提高土壤肥力，沸石粉具 有吸附重金属作用，减轻重金属污染；复合微生物菌剂增加土壤微生物，在聚丙烯酸钾 盐改善水分的条件下能充分发挥作用，显著提高土壤活性。三者共同作用于土壤，水溶 性营养部分可快速提升土壤肥力，大颗粒与大分子营养物质在微生物的作用下，缓 (控)释肥，培肥地力，改善土壤水分、养分条件，增加土壤团聚体，改善土壤结构， 综合改善土壤理化性质，同时彼此间相互作用，促进彼此发挥更大改良效果，加快土壤 熟化过程，为植被恢复创造的良好土壤环境。该改良基质对土壤和植被根系的持续作 用，保证土壤熟化和植被生长过程共同进行并相互促进，促使土壤-植被生态系统达到稳 定并保持良性循环。

本发明与现有技术相比有以下不同：

1)本发明首次将聚丙烯酸钾盐高分子吸水性材料用于矿山修复，与传统的SAP相 比，具有吸水倍率高、环保可降解、无污染、同时提高土壤速效养分的特点；

2)本发明使用的材料，聚丙烯酸钾盐、风化煤、天然沸石粉、生物黄腐酸钾(糖厂 副产品)、复合微生物菌剂，均为生态环保材料，在修复过程中效果良好且无二次污染 风险；

3)本发明同时解决矿山生态修复中的缺水、缺肥、见效慢、效果不持久、二次污染 风险的问题；

4)本发明首次将土壤改良剂与生态袋生态修复工程措施相结合用于矿山修复，快速 恢复植被，效果良好快速且持久。

本发明的技术经济分析：

(1)技术指标：

1)改良土壤，提高土壤水分养分条件，改善土壤物理、化学性质，增加土壤活性， 加快土壤熟化过程；

2)提高植物发芽率与出苗率，促进植被生长，提高植物生物量。

(2)经济指标：

1)本发明原料有效的利用风化煤、糖厂副产品等工业废物，减少经济成本，同时减 少处理费和环境治理费；

2)本发明有效的提高了矿山生态修复的效果，减少补植补种以及后期养护管理费 用；

3)本发明明显改良土壤理化性质，提高水肥条件，在矿山修复中可适当选择经济树 种，产生林业经济效益。

具体实施例：

实施例地点位于内蒙古翁牛特旗敖包山，矿区废弃多年，矿区内及周边地区的生态 环境破坏严重，大面积的废弃边坡、矿坑及废弃矿渣等，具有典型干旱区矿山特点。15 年进行矿山修复以及矿山地质公园的建设，建设过程中，选择两处坡度坡长、坡面破碎 度等立地条件相似的坡面，根据本发明相关内容进行对照试验。试验过程中，控制生态 袋内填充的土壤基质为单一变量，其他条件如施工条件、过程、养护管理、浇水次数等 变量控制不变。

选择PET材料生态袋，生态袋的规格将采取81cm*43cm，填充后规格： 60cm*36cm*15cm。对照组生态袋中填充异地熟土，实验组生态袋中填充相等重量的试 验土壤基质，即本发明的土壤改良剂与异地熟土1:1混合后作为试验土壤基质。对照组与 实验组生态袋中均添加相同质量相同比例的植物种子，种子通过两层木浆纸附着在生态 袋的内侧，根据内蒙古当地的气候特点，植物种子选择紫花苜蓿、草木樨、沙打旺、黑 麦草四种，相同比例混合。

表1试验变量控制表

生态袋在土场装袋并密封完毕，且生态袋要把种植土装填到离袋口大约7～10cm 处，并在装填过程中人工墩实，要将生态袋装得尽可能饱满，达到生态袋装填后的设计 要求。首先对边坡进行清理平整，安装马放填充好的生态袋：制作坡度控制木架，并拉 线控制分段阶梯内的坡度及坡角线均一致，在施工过程中应实时控制高程，保证坡面单 位面积生态袋数量一致；码放时生态袋间留出3-5cm空隙，以保证压实后的生态袋袋尾与 袋头相接，但不产生搭接；每层码放后的生态袋，要进行人工夯实并控制生态袋厚度为 14-15cm。安装完成后进行人工喷洒水，使其均匀渗入生态袋内种植土的深度为10- 15cm，保证单位面积洒水量相同。施工完毕后，前两个周对种子发芽较为重要，每周浇 水1-2次，种子正常发芽后进入正常养护，根据当地气候进行养护。

在对照组和实验组坡面分别划三个1m*1m的样地，进行以下指标的监测：一个月时 样地的植物出苗率、正常养护阶段浇水(或降雨)后5天土壤含水率、施工前与施工后4 个月土壤速效养分、有机质含量、微生物生物质碳(反应微生物数量与微生物活性)、 以及样地植被总生物量进行监测(土壤含水率、速效养分、有机质指标每个样地重复三 次取样，取平均值)，将检测结果进行对比分析。

表2施工后30天出苗率(％)对照表

对照组 实验组 样地一 70.1 86.4 样地二 64.2 88.4 样地三 62.8 82.9

表3正常养护阶段浇水(或降雨)后5天土壤含水率对照表

对照组 实验组 样地一 8.5 24.8 样地二 11.7 22.1 样地三 9.9 23.5

表4施工前与施工后4个月土壤有效N含量对照表(mg/kg)

表5施工前与施工后4个月土壤速效P含量对照表(mg/kg)

表6施工前与施工后4个月土壤速效K含量对照表(g/kg)

表7施工前与施工后4个月土壤速效有机质含量对照表(g/kg)

表8施工前与施工后4个月土壤微生物量碳、氮含量对照表

表9施工后4个月样地植物总生物量对照表(g/m²)

对照组 实验组 样地一 10.20 30.65 样地二 9.53 46.61 样地三 15.89 45.86

结论：由表2-表8对照分析可见，添加该发明土壤改良剂的土壤基质其各项指标明显 高于对照组。

(1)出苗率：前期养护，由于实验组与对照组出苗率均较高，但添加土壤改良剂的 试验组明显高于对照组。

(2)土壤含水率：浇水(或降雨)后5天测土壤含水率，添加土壤改良剂的试验组 (平均含水率23.4)6明显高于对照组(平均含水率10.03)，降水时土壤改良基质中的 聚丙烯酸钾盐充分吸水，缓慢释放水分保持土壤湿度。

(3)土壤有效养分、有机质：试验开始时，试验组由于添加有机物质，各指标均微 高于对照组，试验4个月后，添加土壤改良剂的试验组样地土样有效氮、磷、钾均明显高 于对照组，微生物数量与活性均明显高于对照组。

(4)生物量：试验4个月后，添加土壤改良剂的试验组单位面积的生物量是对照组 单位面积的生物量的3.4倍，改土壤改良剂对植物生长具有明显的促进作用。

综上，该发明土壤改良剂在干旱区矿山修复中的应用，明显提高植物出苗率，提高 水分养分条件，改善土壤理化性质，增加土壤活性，加快土壤熟化过程，促进植被生 长。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。