第五章 矿区复垦土壤的理化特性与生物复垦.ppt

第五章 矿区复垦土壤的理化特性与生物复垦,矿区土地复垦分为两大步，在完成工程复垦后即实施生物复垦，实施生物复垦的关键是建立适宜于植物生长的土壤环境。第一节 土壤学的基本概念 第二节 粉煤灰的理化特性与复垦利用第三节 煤矸石的理化特性与复垦利用第四节 挖深垫浅法复垦与塌陷坑非充 填复垦时的生物复垦第五节 露天煤矿剥离物的损失贫化与 生物复垦,第一节 土壤学的基本概念,一、土壤与肥力二、土壤的形成、组成与形态三、土壤水、气、热的相互关系及其调节,一、土壤与肥力,土壤是指由矿物质、有机质、水分、空气和生物等所组成的能生长植物，包括作物的地球陆地的疏松表层。 土壤能生长植物是因为它具有肥力。所谓肥力，就是土壤同时且不断地具有满足和调节植物对水、肥、气、热等生活条件要求的能力。影响土壤肥力的因素较多，有代表性的因素为：1、土壤酸碱度；2、土壤有机质；3、土壤全氮；4、土壤有效磷；5、土壤孔隙度；6、土壤质地；7土壤水分等。,1土壤酸碱度(pH),土壤酸碱度是指土壤溶液呈酸性、中性和碱性的程度，一般以pH值表示。 土壤酸碱度受母质、生物、气候和农业措施等条件影响。 大多数作物适应的酸碱度为6.57.5。有些作物能在较酸的土壤上良好地生长，如胡萝卜、萝卜、草莓、南瓜、辣椒、黄瓜、水稻等；有些作物能在碱性土壤上生长，如棉花、稻、红麻等。,2土壤有机质,土壤有机质包括土壤中各种动物、植物残体与微生物及其分解合成的有机物质。以有机质含量占土壤干重的百分比表示。 土壤有机质包括两大类： 第一类为非特殊性的土壤有机质，包括动植物残体的组成部分以及有机质分解的中间产物，它们均为有机化学中已知的有机化合物，如蛋白质、树脂、有机酸等，这类物质占土壤有机质总量的1015； 第二类为土壤腐殖质，这是土壤特有的有机物质，不属于有机化学中现有的任何一类，它占土壤有机质总量的8590，主要是动植物残体通过微生物作用，发生复杂转化而成。,土壤有机质（续）,土壤有机质在土壤形成和肥力发展过程中起着极其重要的作用。土壤腐殖质被称作植物营养的储藏库，具有较强的吸附性，能提高土壤的保水保肥性能。它又是土壤形成团粒结构的良好胶结剂，能改善土壤的透气性和蓄水状况它还能缓冲土壤酸碱度的变化，有利于土壤微生物活动和作物生长。 土壤有机质代表了土壤供肥的潜在能力和稳产性。一般讲，土壤有机质含量1为中上等地，低于0.5为瘠薄地，高于2为肥沃地。但有机质含量并不能代表作物的产量水平，因为产量还受气候等因素的影响。,3土壤全氮,代表土壤供氮的能力，以重量百分比表示。 土壤中的氮为岩石圈的10倍，全氮的含量小于0.01的土壤产量极低；全氮含量在0.040.1为中等偏上；全氮含量高于0.2为含氮丰富土壤。我国土壤含氮量普遍不足。,4土壤有效磷,代表土壤供磷的能力，以百万分之几(ppm)表示。有效磷(P2O5)含量515 ppm为缺磷；低于5 ppm为严重缺磷。 我国土壤缺磷及严重缺磷的面积占总耕地的74，特别是黄淮海地区缺磷面积占总耕地面积的94。,5土壤孔隙性,土壤孔隙性代表土壤的通透性，即渗水透气能力。通常用土壤孔隙度表示，即一定体积的土壤中，孔隙的体积占整个土壤体积的百分比，也叫总孔隙度。 孔隙度太大，水分容易蒸发，保水性差，根系生长不良；孔隙度太小，则透水性差，根系生长也不良，微生物不活跃，养分释放慢。通气孔隙(孔径0.06 mm的孔隙)和毛管孔隙(孔径在0.06mm以下的孔隙)之比以1：1或1：2为最好。孔隙的分布要求上层多于下层。,6土壤质地,土壤是由许多大小不同的土粒以不同比例组合而成的，这种不同粒级组合的相对比例，叫土壤机械组成。土壤质地则是根据不同机械组成所产生的特性而划分的。土壤质地常作为认土、用土和改土的重要依据。 粘粒(颗粒直径小于0.001 mm)含量大于30为粘土；粘粒含量少于30，而粗粉粒(直径0.050.0l mm)含量大于40的为壤土；砂粒(直径为0.051 mm)含量大于50的为砂土。,土壤质地(续),土壤质地不同，对土壤的水、肥、气、热状况及其理化特性均有很大影响。 砂土类毛管孔隙少，不保水，渗透性强，通气好，有机质分解快而累积少，不保肥，昼夜温差大，所以在砂性土常呈现有气、缺水、养分不足、土温不稳的状态； 粘土类毛管孔隙多，保水、保肥性强，但通气透气性差，易旱易涝，昼夜温差小，所以粘土耕性不良，适耕期短； 壤土类砂粒和粘粒比例较合适，兼有粘土类和砂土类优点，耕性良好，适耕期长，适宜于大多数作物生长，是农业生产上比较理想的土壤质地。,7土壤水分,土壤水分是土壤的重要组成物质之一，是构成土壤肥力的一个重要因素。土壤中所有物质的运转，包括植物从土壤中吸取养分在内，都离不开土壤水分的作用。土壤中的水分按其状态可分为各种类型，见图51。,图5l 土壤水分形态,土壤水分（续）,在土壤水分诸形式中，毛管水是一种对作物最有效的土壤水分，它起沟通地下水与作物根层之间的桥梁作用。 土壤毛管水的含量主要取决于土壤质地、结构、土体构造及地下水埋深等。 在地形低洼地区，地下水位高，地下水沿毛管上升的水分称毛管上升水，它与地下水有直接联系，一般把土壤中毛管上升水达到最大数量时的含水量称为毛管持水量。,土壤水分（续）,在地形较高、地下水位较低地的旱地，降雨或灌溉后借毛管力而保持在上层土壤中的水分叫毛管悬着水，它与地下无直接联系，与下部的干土层有明显的干湿分界线，旱地土壤中毛管悬着水达到最大数量时的含水量称为田间持水量。 当土壤含水量达到田间持水量后，多余的水分由于不能为毛管引力所保持而受到重力的支配，沿着土壤中的大孔隙向下移动。土壤中这种受重力作用向下移动的水分叫重力水。 当土壤中全部孔隙都被水充满，这时的土壤含水量称为饱和持水量或全持水量。,土壤水分（续）,土壤水分有效性是指土壤水分是否能被作物利用及其被利用的难易程度，土壤有效水分就是由田间持水量到凋萎系数之间的水分。 土壤最有效水量()=田间持水量()一凋萎系数() 式中凋萎系数为当土壤变干时，植物开始永久凋萎的土壤含水量。 土壤有效水量的大小主要受土壤质地、结构、松紧程度和有机质的含量的影响。,土壤水分（续）,影响土壤肥力的其它因素还有土壤的热特性、土壤胶体的性质、土壤的矿物质组成等。 土壤自然形成过程中所产生发展起来的肥力叫自然肥力，经人为活动以后而形成的肥力叫人工肥力。 在耕作土壤中，自然肥力和人工肥力是综合出现的，合称为有效肥力，有效肥力不仅标志着土壤的肥沃程度，而且也反映了农业科学技术的水平。,二、土壤的形成、组成与形态,1土壤的形成2土壤的组成3土壤的形态特征,1土壤的形成,土壤的形成过程，也就是土壤肥力的形成过程，它是地质大循环和生物小循环矛盾统一的结果。 所谓地质大循环是指岩石风化后形成可溶性及非溶性物质，随地表径流流向低地、河流，最后汇至海洋，经过长时间的蒸发、浓缩、淀积等过程形成沉积岩，以后由于地质作用，再次风化、淋溶、入海和沉积，这种不断循环的过程称之为地质大循环。 地质大循环是营养元素的释放和淋失过程，形成的成土母质是土壤形成的基本材料，与岩石显著不同，具有通气通水性并具有保水性，含有少量的Ca、Mg、Fe、K、P等植物营养元素，为生物繁殖生长创造了条件。地质大循环的周期长，涉及范围广。,土壤的形成（续）,经过地质大循环，低等的固氮微生物在成土母质中得以定居，从而在母质中积累了一定的氮素养料，继之出现了绿色植物，它们根据自已的需要，选择吸收了大量的营养元素，组成自已的躯体，避免了养分的淋失。 生物死亡后，其残体通过微生物的作用，一部分形成了可以保存的有机物质，一部分则成为可溶性养料，供下一代的生物利用。经过生物的生存与死亡，有机物质的合成与分解，营养元素不断被生物吸收、固定和释放的这种循环过程，时间短，速度快，涉及范围小，故一般称之为生物小循环。 实质上，地质大循环是营养元素的释放和淋失过程，生物小循环是营养元素的集中和累积过程。,土壤的形成（续）,自然土壤，即未被开垦耕作的土壤，是在母质、地形、气候、时间及生物五大因素的综合作用下形成的。在自然土壤形成过程中，五大成土因素之间相互影响、互相制约，其中生物因素起主导作用。,土壤的形成（续）,土壤在人类开垦利用后，人类活动对土壤形成发展的影响极为深刻，人们可以通过改变某一成土因素和各因素之间的对比关系来控制土壤的发育方向。 如通过灌溉排水，可以改变自然土壤的水、热条件，从而改变土壤中物质的运动和变化过程；通过耕作、施肥及其它农业技术措施，可促使水、肥、气、热诸肥力因素的演变，从而加速农业土壤的形成和发展。 当利用不合理时，也会引起土壤的退化，如沙化、次生盐渍化、沼泽化等。,2土壤的组成,土壤是由固相、气相和液相三相物质组成的疏松多孔体。 一般来说，土壤的固体部分约占总体积的50，其中矿物质部分约占土壤固体部分重量的95以上，液体约占土壤总体积的25，气体约占25。,土壤的组成（续）,土壤固体部分矿物质占土壤总体积的38，有机质占12。土壤中的矿物质是构成土壤的“骨架”和植物养分的重要来源，它包括原生矿物和次生矿物以及一些分解彻底的无机化合物。 土壤矿物的化学组成在SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO等含量较多，其中尤以Si02最多，A1203次之，Fe2O3，再次之，三者之和常占化学组成总量的75以上，就元素组成来说，更为复杂，但主要是O、Si、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、C等十几种元素，占矿物质总量的99以上。尤以O、Si、Al、Fe为最多。,土壤的组成（续）,土壤空气是土壤的重要组成部分，也是影响土壤肥力的因素之一。 土壤空气中CO2的含量比大气中的含量高十倍至几十倍，且随土层深度增加。较下层的土壤由于根系与微生物的呼吸及有机质的分解，消耗大量O2，放出的CO2不能及时排出，气体交换困难，CO2含量增高，不利于植物生长。生产上常采取耕作、灌排等措施，调节控制土壤空气的组成、数量及其动态变化过程。,土壤的组成（续）,土壤溶液是土壤水分及其所含溶质的总称。 土壤溶液的组成物质非常复杂，其中有效养分主要来源于有机质的分解和矿物质风化，而土壤溶液又影响矿物质的风化过程和土壤中元素的迁移、转化和累积作用。,3土壤的形态特征,土壤形态是指土壤的外部特征，如土壤的剖面构造、土壤颜色、质地、结构、紧实度和孔隙状况等。 土壤剖面是自地表向地下到土壤母质的垂直剖面。自然土壤剖面一般分为四个基本层次，即覆盖层、淋溶层、淀积层和母质层，每个层次又可细分(图52)。,图52自然土壤的综合削面图,土壤的形态特征（续）,农业土壤因受农业生产活动的影响，其剖面构造具有不同特征，其一般剖面见图53。 耕作层厚度一般约1530cm，经常受耕作、施肥等影响，其厚薄和肥力性状，常反映人类生产活动熟化土壤的程度。犁底层厚度约1015 cm，颜色较耕作层浅，有机质含量显著减少。该土层较紧实，有保水、保肥的作用，但过于紧实会妨碍根系伸展，影响植物生长发育。生土层受耕作影响小，一般颜色浅，植物根少。死土层几乎不受耕作影响，根系极少，保持母质的特点。,图53 农业土壤的一般剖面,土壤的形态特征（续）,土壤颜色是土壤最重要的形态特征之一。它主要决定于土壤的化学组成和矿物组成。 黑色通常是腐殖质含量较高的结果，但某些情况下也并非如此，如热带、亚热带的黑粘土，颜色很黑，但腐殖质却很少超过3。 灰色和白色主要与土壤中下述四种主要成分有关：石英、高岭石、碳酸盐和可溶性盐， 此外，长石、石膏等也能使土壤带有白色，土壤呈红色和黄色主要与氧化铁的存在有关。 一般认为，红色是未水化的氧化铁引起，而黄色则是水化氧化铁所造成的。含有大量伊利石、云母等矿物以及不同水化程度的氧化铁的粘质土壤具有棕色。 此外，当红、黄、白、黑色等以适当比例混合时也呈棕色。游离氧化锰含世较高时可使土壤呈紫色。,土壤的形态特征（续）,土壤结构指土壤颗粒结合的状况。 土壤结构的好坏对土壤结构的肥力因素、微生物活动和耕性等都有极大的影响。 土壤结构的分类是根据土壤结构体长、阔、高三轴发展的状况来划分的，主要分为片状结构、棱柱状结构、柱状结构、块状结构、核状结构和团粒状结构。,土壤的形态特征（续）,团粒结构略似圆形，直径在0.2510 mm之间，表层粗糙而少棱角，内部疏松多孔。团粒结构，尤其当团粒粒径在23 mm时，是农业生产最理想的结构。植物根在推动团粒结构形成上作用最大，耕作是农田土壤团粒结构形成的重要推动力，正确的耕作方法可使土壤具有良好的团粒结构。土壤动物、施用有机肥、人工结构改良剂的使用对土壤结构的形成和改变都有较大的作用。,三、土壤水、气、热的相互关系及其调节,对土壤肥力来说，土壤中的水、气，热必须配合良好，否则会影响肥力的提高，不利于植物的生长。所以对土壤水、气、热的调节是很必要的。1土壤水、气、热的相互关系2土壤水、气、热的调节,1土壤水、气、热的相互关系,1)土壤水分与土壤空气的关系 土壤水分和空气都是流体，它们都存在于土壤孔隙中。在孔隙一定的情况下，水多则空气少，反之，水少则空气多。所以土壤中水分与空气在存在数量上是有矛盾的。,2)土壤热量与土壤水分的关系,土壤热量的多少表现为土壤温度的高低。土壤温度的高低对毛管水运动速度、水分蒸发的快慢及水分状态的转化等有影响。反之土壤水分的多少又影响土壤的热容量和导热率，从而引起土壤温度的变化。此外，温度还影响土壤中矿物质和有机质分解的难易，从而对土壤溶液的组成也有影响。,3)土壤热量与土壤空气的关系,土壤温度影响土壤微生物的活动，影响土壤空气的组成，从而还对土壤空气与大气之间的气体交换有影响。反之，土壤空气与土壤水分一样，会影响土壤的热容量和导热率，因而影响土壤的温度状况。,2土壤水、气、热的调节,1)土壤水分的调节2)土壤空气的调节3)土壤热状况的调节,1)土壤水分的调节,在调节土壤水分方面，应当控制土壤水分的收支平衡。例如当蒸发量大于降水量时，必须靠灌溉来补充土壤的水分；反之排水问题就特别重要。 (1)深翻土地。深翻土地可以蓄水保墒，因而深翻使土壤的疏松层加厚，雨水容易进入和贮存。但深耕的时间很重要，例如在夏季，气温高，土壤水分蒸发快，不宜深翻，否则翻土增加了蒸发面，反而使土壤里原有的水分损失较多。,土壤水分的调节(续),(2)中耕松土。在蒸发强烈的时期，降水或灌溉之后进行中耕，可以切断毛管，使蒸发减少对于保水有显著作用。 (3)在地面加覆盖物。 (4)消除杂草。杂草的生命力很强，比一般作物消耗更多的水分，应当及时把它消除。消除杂草往往与中耕松土结合进行。,2)土壤空气的调节,(1)创造良好的土壤结构。具有团粒结构的土壤，通气性良好，同时又能很好地解决水分与空气的矛盾，对于土壤的热状况也很有利。 (2)排水。地势低洼的地方土壤排水不良，或是久雨之后地下水位升高，往往引起重力水长期停滞在土壤大孔隙之内，使土壤水份过多。为了保证土壤良好的通气性，需要采取排水措施。,土壤空气的调节(续),(3)耕锄。适当的耕锄也是增进土壤通气性的方法之一。在降水或灌溉后地表易形成结皮的土壤适当耕锄尤为重要。 (4)晒田。是解决水稻田通气问题的一种方法。晒田又称搁田或烤田，其方法是在一定的时期停止灌水，使田水落干。这不但可以增加土壤的空气，还有提高土温的作用。,3)土壤热状况的调节,土壤热状况的调节，可借助于改变土壤的辐射特性、蒸发强度和土壤与大气间的热对流等方法进行。 (1)改变土壤颜色。暗色和黑色土壤可以减少反射，增加对太阳辐射能的吸收，从而提高土温。淡白色土可以增加反射，减少对太阳辐射能的吸收，使土壤温度降低。 (2)覆盖地面。可以控制土壤与大气间的热对流及地面蒸发，因而可以控制土壤的温度。,土壤热状况的调节(续),(3)设置屏障。在地面上设置防风林或其它屏障物，可以减低风速，使土壤与大气间的热对流减少，这在春季对保持土温很有作用。 (4)灌水。灌水可以增加土壤的温度，防止土壤温度的急剧变化。深秋时期灌水，可以保持土温不致急剧下降。春季在霜冻前灌水，可以在寒流到来时减轻霜害。 以上土壤水、气、热的调节方法，是常用的一些方法，应用时应结合实际情况选用或针对实际情况采取其它行之有效的办法。,第二节 粉煤灰的理化特性与复垦利用,一、粉煤灰的理化特性二、粉煤灰场复垦种植三、粉煤灰在农业上的其它应用,一、粉煤灰的理化特性,1粉煤灰的物理特性2粉煤灰的矿物组成与化学组成3粉煤灰的肥力状况,1粉煤灰的物理特性,粉煤灰的物理性质随煤种和电厂收尘装置的效率不同而变化。在我国收尘率一般为8090的情况下，其物理性质见表51。,粉煤灰类似砂壤土，其组成结构以砂粒和粉粒为主，含有一定的粘粒，平均粒径为0069 mm，不均匀系数为6.4，属级配不良型。比重、容重较小，但孔隙比和孔隙率都很大，因此粉煤灰结构松散，透气性好，田间持水量小，淋溶性能强，易干旱。,表51粉煤灰的物理特性,2粉煤灰的矿物组成与化学组成,粉煤灰的矿物组成主要为玻璃体，占5080。所含晶体矿物主要有莫来石(3A12O32SiO2),石英(SiO2)等，此外还有少量未燃尽碳，其构成情况如表52。,表52 粉煤灰的矿物组成,粉煤灰的矿物组成与化学组成(续),粉煤灰的化学成分与煤的矿物组成、细度、燃烧条件有关。但大多数是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，以SiO2、Al2O3为主，占70以上。其比例见表53。,表53 粉煤灰的化学组成,3粉煤灰的肥力状况,粉煤灰的肥力状况同适种的土壤相比，其差异主要表现为： (1)粉煤灰缺少有机质和氮肥而含磷、含钾较高，所以在施肥时，要重视有机肥，配合使用无机氮肥，避免使用碱性肥。 (2)土壤渗透系数大，田间保水性差。所以灌溉时应避免冲灌，满灌，按照作物需水量要求保持灰田含水量。,粉煤灰的肥力状况(续),(3)灰田在气温高时吸热性强，气温低时散热快，所以在夏季气温高，日照时间长的情况下，灰田种植作物幼苗应采取相应措施防止侏苗灼伤死亡，冬天应防止作物受冻。 (4)灰田pH值一般较高，若要种植蔬菜、粮食作物，一般必须将pH值控制在9以下，对pH值在9以上的灰场可以种植一些耐碱树木、草类植物。 (5)部分高微量元素(如高硼、高氟)灰场应注意优选作物品种，防止有毒元素进入食物链。,二、粉煤灰场复垦种植,粉煤灰场复垦可采取无覆盖复垦和盖土复垦两种方式。 1无覆盖复垦种植 2盖土复垦种植 3粉煤灰场复垦种植的关键问题,1无覆盖复垦种植,无覆盖复垦就是在灰场上不盖土，直接种植作物。粉煤灰场能直接种植是因为这种人工土基本具备了作物生长的基本条件，并能使气、水、肥等外界因素相协调。 根据对粉煤灰的化学组成分析知：粉煤灰与土壤中的SiO2、Al2O3，含量大致相似，颗粒直径也接近。只要施肥适当，采取适当的灌溉方式，并注意灰田pH值较高及热状况的特殊性，就能保证作物正常生长，并保证土壤肥力得到不断提高。,无覆盖复垦种植(续),灰田复垦可种植树、草类，也可种植蔬菜、粮食等作物。 江苏徐塘、韩庄电厂灰场自19831987年无覆盖复垦种植过小麦、玉米、黄豆、山芋、花生、大白菜、黄瓜、蕃茄、辣椒、萝卜、葡萄、红花、太子参等粮食作物和蔬菜,其中的Cd、Pb、Hg、As、Cr五种有害无素含量与国家蔬菜、食品卫生标准和国家粮食卫生标准的对照结果表明：除花生果实中的Cr略有超标外，其余均未超标。且随种植年限的增加，灰田肥力逐步得到提高，作物产量逐年增加，其中种植的白菜每亩产8000 kg，西红柿3681 kg，萝卜2796 kg。茄子3948 kg黄瓜3924 kg，辣椒2232 kg玉米200 kg，黄豆为125 kg均达到当地中等和高产水平。,无覆盖复垦种植(续),陕西秦岭电厂研究无覆盖灰场上生长小冠花喂羊，7个月后解剖观察，结果表明：无显著病变。肝、肾中有一定量的Cd、Pb、Cr，但均未超标，羊奶中未检出重金属，肉、奶均可食用。 灰场无覆土复垦种植何种作物，必须因地制宜，按照不同的灰场类型，选择适宜的蔬菜、树木、草类等。如：坑口电厂灰场水分含量充足，可种植蔬菜，山谷堆高型灰场，无灌溉条件，土层含水量低，只宜种些灌木等。,2盖土复垦种植,盖土后，土壤的细颗粒和土中的养分带到灰田，有效地改善了灰田的热状况、水分和养分状况，提高了灰田的肥力，有助于幼苗的成活和作物的生长，有利于改善粉煤灰田的保肥、保墒作用。 根据徐州、淮北等地的实践在其它条件相同的情况下，复垦种植初期覆土比不覆土产量高，覆土厚度少于25 cm时，产量随覆土厚度减少而锐减,当覆土厚度大于25 cm时，增产效果不显著。覆土越厚，覆土土方量越大，人力、财力、物力消耗也相应增大，故提倡无覆土种植，当土源丰富，覆土投资又小于不覆土时的粉煤灰改良费用时，采取覆土种植是经济合理的。表54是灰田覆土和不覆土时作物的产量对比情况。,表54灰田覆土与不覆土时作物的产量对比 kg/亩,盖土复垦种植(续),淮北矿务局林业处在塌陷区灰场上种植树木积累了许多成功的经验。他们在灰田上覆盖30-50 cm厚黄土，营造了刺槐、柳树、杨树和楝树等林木，还利用灰田覆土建起了松树苗圃。 经过多年实践证明：在粉煤灰上造林以柳树、杨树、刺槐为好，楝树次之，表现速生、适应性强；林木在灰田环境中吸收有毒元素的能力较强；粉煤灰覆土而成的立地条件十分适宜于植树造林，但由于复垦土地水肥供应能力较差，种植时，一方面应选用抗旱、抗盐碱耐贫瘠的速生品种，另一方面应加强土壤水肥管理，以提高林木生产量。,3粉煤灰场复垦种植的关键问题,(1)灌溉。一般灌溉量不宜过大，提倡少量多次，以防止肥水流失和作物缺氧造成根部腐烂或土壤水分不足。 (2)施肥。灰田一般都呈碱性，应施用酸性肥料。灰田有机质含量极少，所以应重视有机肥施用并配入一定量的无机肥。施肥量的多少，要根据实际情况和耕作年限而定，一般随耕作年限的增加，微生物的数量也不断增多，灰田肥力也不断提高。另外，灰田漏肥严重，施肥应采取少量多次的方法，并与适当的灌溉相结合。,粉煤灰场复垦种植的关键问题(续),(3)作物品种的选择。作物品种的选择取决于灰场的类型，灰田营养元素和有毒元素的含量状况以及灌排、旋肥等农业技术水平。 (4)覆土与不覆土的选择。从技术上说，两种复垦方法均可顺利实施，两者的选择主要取决于经济合理性。除覆土与不覆土两种方法外，对穴植的林木瓜果等植物可选用带土移栽的方法。,粉煤灰场复垦种植的关键问题(续),(5)防止灰田板结。因粉煤灰是电厂生产过程中排放的残灰，经除尘器收集后以1：101：20的灰水比排入到贮灰场的，其灰水温度为3032，粉煤灰中的主要成分SiO2、Al2O3和CaO在水热条件下可反应生成含水硅酸钙、铝酸钙、硫铝酸钙等，这是一种很好的胶凝材料，易造成灰田板结，灰田板结将影响作物的正常生长。 为解决和防止灰田板结，在灰田上种植作物应保持一定的水分，注意灌水方式和防止过泄；灰田种植前必须翻耕，同时根据作物不同生育期对灰田进行疏松。,三、粉煤灰在农业上的其它应用,粉煤灰具有质轻、疏松多孔的物理特性，还含有P、K、Mg等多种植物所需的元素，因而它可广泛应用于农业中，除可直接种植外，还可利用粉煤灰改良轻重粘土、生土、酸性土和盐碱土；用粉煤灰覆盖小麦，可增强小麦抗冻抗旱能力；粉煤灰中的可溶硅可作硅肥，在酸性土壤中施粉煤灰可起钙肥的作用；根据粉煤灰与陶土相似的性质，用它作为填料或载体制成农药或蚕药。,粉煤灰在农业上的其它应用(续),粉煤灰在农业上的应用有用灰量大、方式多、见效快、投资小等特点，是农业增产的一种新途径。 近年来，南京土壤研究所研究表明粉煤灰中硼对豆科作物具有增产作用。 山西省农科院土肥所对粉煤灰用作根瘤菌载体进行了试验，结果表明，粉煤灰可作根瘤菌载体，使得菌剂成本比泥炭粉大大降低。总之，粉煤灰在农业上的应用有广阔的前景。,第三节 煤矸石的理化特性与复垦利用,煤矸石是夹在煤层间的脉石 (又称夹矸石)，通常是在煤的开采和洗选过程中分离出来后形成的含煤岩石和其它岩石的混合物。 一、煤矸石的理化特性二、矸石风化物的肥力状况三、煤矸石复垦种植的技术措施四、加速煤矸石风化成土的技术措施,一、煤矸石的理化特性,1煤矸石的矿物组成2煤矸石的化学成分3煤矸石的易风化特性4煤矸石自燃特性,1煤矸石的矿物组成,由于煤层地质年代、地区、成矿情况、开采条件的不同，煤矸石的矿物组成和化学成分各不相同，其组分复杂，但主要属于沉积岩。 如果以它的矿物组成为基础，结合岩石的结构、构造等特点，煤矸石一般可分为粘土岩矸石、砂岩矸石、粉砂岩矸石、钙质岩矸石和铝质岩矸石等。,煤矸石的矿物组成（续）,煤矸石中常见的矿物有：铝土类矿物、碳酸盐类矿物、铝土矿、黄铁矿、石英、云母、长石、炭质和植物化石。其中 粘土类矿物主要有高岭石类、水云母类、蒙脱石类、绿泥石类、高岭石类和水云母类最为普遍。 钙质碳酸盐类矿物主要是方解石和白云石。 铝土矿包括硬水铝石、一水软铝矿和三水铝矿。 黄铁矿易氧化成硫酸盐并放出热量。 石英在煤矸石中以多种形态存在，有-石英、燧石、蛋白石、硅化炭粒、玉髓等。,2煤矸石的化学成分,煤矸石的化学成分是评价其性质的一项重要指标。煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物。 无机质中主要包括矿物质和水。构成矿物质成分的元素多达数十种，一般以硅铝为主要成分。SiO2和Al2O3。的平均含量一般分别波动于4060和1530之间，砂岩矸石的SiO2含量可高达70，铝质岩矸石的Al2O3可达40以上。另外含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、S03、K20、Na2O、P2O5等无机物以及微量的稀有金属，如钛、钒、钴等。所含碱金属中，一般K的含量大于Na。,煤矸石的化学成分（续）,矸石中的有机质随含煤量的增高而增高，它主要包括C、H、O、N、S等。 C是有机质组成中的重要成份，也是燃烧时产生热量的最重要的元素。 H也是有机质组成中的重要元素，燃烧时产生的热量约为C的4.2倍。 矸石中的S分为有机硫和无机硫两部分。有机硫是成煤植物带来的硫，分布均匀，较难分离出；无机硫主要以硫化物(FeS,)或硫酸盐(CaSO42H2O、FeSO44H2O)的形式存在。,3煤矸石的易风化特性,煤矸石风化为在其上面覆土种植或直接种植创造了条件，煤矸石的风化程度取决于其所处的环境条件、矸石矿物与化学组成成分、堆积方式等，在矸石上复垦种植也可加速矸石的风化过程。,煤矸石的易风化特性（续）,矸石是顺着裂缝沿炭化层开始风化的，在此过程中，干燥和温润是最重要的因素。潮湿的煤矸石在冷热交替的环境下会加速风化。当煤矸石暴露在地表时，将首先发生物理风化。物理风化主要是由光照、气温变化及水解作用引起的，在发生物理风化的同时也有化学风化发生，化学风化开始是由大气、水引起。后来产生的酸碱盐又加速了化学风化的程度。一般说来，煤矸石的风化开始以物理风化为主，后来主要是化学风化。 经过物理风化和化学风化的矸石，其粒度、颜色、酸碱性、物理力学特性(容重、孔隙率、渗透性等)都会发生不同程度的变化。,4煤矸石自燃特性,煤矸石堆积日久易引起自燃。煤矸石的自燃机理是：在煤矸石内含有硫铁矿是其自燃的主要因素；煤矸石内含有水分和接触氧气是其自燃的必要条件；煤矸石堆内含有大量的碳元素等可燃物质是矸石自燃的物质基础。煤矸石自燃，上述条件缺一不可。,煤矸石自燃特性（续）,根据煤矸石的发火机理，人们已提出了各种矸石山灭火方法，如挖掘熄灭法、表面密封法、注浆法、燃烧控制法，这些方法的基本原理是：降温、清除燃料和断绝氧气，考虑到复垦的需要，注浆法灭火不宜选用石灰乳，可用泥浆替代。 对于不同矿物组成或化学组成的矸石，还具有一些特殊的性质。如粘土岩矸石遇水膨胀特性，风化、自燃后呈酸性矸石的腐蚀特性等，在矸石复垦、利用时，都需进行专门的考虑。,二、矸石风化物的肥力状况,矸石可在短期内风化，风化壳可达10 cm厚。矸石堆的剖面一般是：地表10 cm左右为灰黑色颗粒状的风化壳，下层为未风化的矸石块，而且局部变异大。据对鹤岗矿区的调查，矸石从地下开采排到地面以后受到风吹、日晒、雨淋和矸石自燃及菌解作用，经过七至八年的时间，风化成土，初步具备植物生长的条件。 矸石风化物的一般土壤学特征包括下面内容。 1机械组成 2水分状况 3风化矸石的营养元素 4风化矸石的热特性 5风化矸石的酸碱度,1机械组成,风化物的机械组成包括石、砾、砂、粉砂及更细的粒级。一般砂及细砂(粒径1 mm以下的颗粒)可占10左右，堆积年长或岩相为泥质的矸石风化物可达2040。一般只要砂以下的颗粒有10，植物就可以生长了。风化壳下部为未风化矸石，但也有细颗粒，这些细颗粒基本不是风化产生的，其数量很少，未风化矸石中石、砾含量变异大。自燃后的矸石堆，风化壳下层是半燃烧的矸石块。 表55为潞安矿务局王庄矿矸石山剖面机械组成。,机械组成（续）,表55 王庄矿矸石山剖面机械组成,2水分状况,据山西农业大学的研究，矸石堆风化层的含水量与颗粒度有关，粒度愈细，含水量愈高。风化层下部粒度与含水量相关较差。 图56为山西农业大学对阳泉矿区矸石风化物与黄土的水分特性的对比测定结果。,图56 矸石风化物与黄土的水分特性的对比,水分状况（续）,矸石风化物有效水容纳量比黄土低9.1,是因为矸石风化物田间持水量低所致。但矸石风化物上所种的植物耐旱程度优于黄土，原因是矸石风化物毛管孔隙少，蒸发仅使表层(约23 cm)干燥，而下层水分不易蒸发。,3风化矸石的营养元素,表57为煤矸石与一般土壤中营养元素和有毒元素的对比。风化矸石的营养元素与有毒元素含量随岩石的沉积年代、沉积环境、成因及地区的不同也存在着差异，但都具有植物生长所需要的多种营养元素，而所含速效养分一般较贫乏。,表57煤矸石与土壤中营养元素、有毒元素的对比,4风化矸石的热特性,矸石风化物为灰黑色。比浅色的黄土升温快。夏季高温时矸石地表面可达40500，溶易烧死植物幼苗。自燃的矸石堆地温往往很高，需灭火降温后方可复垦种植。 风化矸石吸热性主要取决于其颜色、湿度和地面有无覆盖物的状况。散热性主要与其所含水份的蒸发、大气相对湿度、太阳辐射等有关。水份越多，大气相对湿度越低，蒸发越强烈，散热越快，降温越快。,5风化矸石的酸碱度,矸石风化后pH值在7左右，呈中性。但酸碱性随风化程度、自燃产生的SO2、H2S等(可使pH减小)、灌溉和降水(可使酸度减小)等因素的变化而变化。,三、煤矸石复垦种植的技术措施,1整地措施2植物的选择3播种栽植技术4施肥与种植管理技术5关于覆土与不覆土的几种形式,1整地措施,煤矸石用于复垦有以下几种形式：地下开采矿山矸石堆(山)复垦、井下矸石充填塌陷坑复垦、露天矿排土场的复垦。 无论哪一种形式，均需对复垦场地采取整地措施。整地措施包括场地平整、覆盖表土等。根据矸石风化程度和种植植物的品种不同，矸石表面覆盖方式又分为无覆盖、薄覆盖和厚覆盖三种。,整地措施（续）,一般来说矸石风化壳达10 cm左右，可采取无覆盖方式植树造林。鹤岗矿务局林业处即采用此法成功地进行了矸石山林业复垦。 当风化壳在510cm，其中60左右为5 mm以下碎屑颗粒，小于025 mm的颗粒达10以上时，可直接播种豆科与禾科牧草，或采用薄覆盖(覆土23cm)方式复垦种植。 对不风化或风化度很低的矸石复垦场地，必须盖土3050 cm，即采用厚覆盖方式。淮北矿务局采用厚覆盖方式在矸石充填塌陷坑上种植了刺槐、柳树、杨树、楝树等树种。除平整、覆土措施外，整地措施还包括对酸性矸石的中和、林业复垦时提前挖穴等。,2植物的选择,选择种植植物品种的原则有： (1)有较强的适应能力，要求对干旱、潮湿、贫瘠、盐碱、酸害、毒害、热害等不良立地条件有较强的忍耐能力。同时对粉尘污染、烧伤、冻害、风害等不良大气因子有一定的抵抗能力； (2)有固氮能力； (3)播种栽植较容易，成活率要高；,植物的选择（续）,(4)有较高的生长速率； (5)有较高的经济价值或改善矿山环境质量的能力； (6)考虑矿区的自然环境、地理位置和气候条件。 实际工作中，很难找出一种同时满足上述要求的植物，必须结合实际情况，把某些条件作为选择植物的主要依据。 植被调查对植物选择很重要。调查矿区未受破坏的自然环境中生长的植被和受破坏的自然环境或当地堆放多年的废石堆上天然植被，是植物选择的宝贵线索。,3播种栽植技术,播种对复垦种植牧草尤为重要，播种技术主要包括播种量、播种时间和播种方式的确定。 播种量取决于单位面积希望发生的棵数、单位重量平均种子的粒数、种子的纯度、发芽率、播种方式等。 播种时间要根据当地的气候条件和植物的生物学特性来确定。 常规的播种方法有条播、点播和撒播。为提高劳动效率，保证发芽率和草种尽快发芽，国外采用水力喷洒法复垦矸石排放场，效果很好，其具体做法是将草种与城市污水辅以生物肥料混合，借助喷洒机械播种。,播种栽植技术（续）,栽植技术对复垦造林尤为重要。树苗栽植时可采取提前挖坑、客土栽植的方法。 一般可提前一年或半年挖坑，促进坑内矸石风化，将坑外的碎石、石粉填入坑内，将坑内的未风化矸石捡出，利于蓄水保墒，提高缓苗率和成活率。 客土栽植可采取苗木带土球定值的方式，可缓和根系对新环境中不良因子的影响，从而提高成活率并使苗木健壮生长。 此外，还可采用根系沾浆后窄缝栽植法，据鹤岗的实验，此法比穴植法效果好。栽植时间也很重要。据鹤岗矿区矸石山植被少、解冻早和地温回升快的特点，造林时间以比当地山地造林时间提前2025 d为宜。,4施肥与种植管理技术,风化矸石由于缺乏微生物和腐殖质，没有经过生物富积过程，所以肥力状况不良，因此利用矸石复垦种植必须采取有效的施肥和种植管理措施。 一般说来，施肥应考虑复垦土壤养分的有效性、所种植物对养分的要求、肥料对土壤性质的影响、施肥成本、是否需要连年施肥、水利条件等因素。上述因素既适用于矸石复垦区的施肥，也适用于粉煤灰田等其它复垦土壤的施肥。,施肥与种植管理技术（续）,在植物所需的各种营养元素中，氮素是矸石中最为贫乏的元素之一。这是由于矸石缺乏微生物，不能使含氰化合物转化为植物可利用的形态，所以施用氮肥是一项有效的“起步”措施。结合种植可以使土壤有机质含量不断提高，从而增加土壤微生物的效量，使养分循环得以进行。目前认为，种植豆科植物是提高土壤氮素水平和肥力水平的最有效的生物措施。 除施肥外，种植管理技术还包括灌溉、定期定位观察、覆盖保苗等措施。对造林来说，还应经常扶正、培土、踏实。,5关于覆土与不覆土的几种形式,覆土与不覆土整地通常有图54、图55所示的几种形式,图54 不覆土种植形式,图55 覆土种植形式a薄覆盖；b厚覆盖；c覆盖加隔离层,关于覆土与不覆土的几种形式（续）,图6一4中的隔离层可以是粘土、碱性物料或其它物料，根据需要设置。 如为防止漏水，可用粘土作为隔水层，起保水保肥的作用；若为防止酸害，可用碱性物料作为隔离层。 开滦矿区根据矸石堆放场pH值低这一特殊情况采用石灰作为隔离层。,关于覆土与不覆土的几种形式（续）,覆土与不覆土种植方法的选择取决于技术和经济两方面的因素。 一般认为：在土源丰富、覆土费用不高的情况下，以覆土种植较好。据淮北、阳泉、开滦等地的试验，作物产量随覆土厚度的增加而增加(图56)，且存在一最佳覆土厚度问题，因为覆土厚度增加蛩一定值，再增加覆土厚度，作物产量不再增加或增加缓慢，而覆土费用是随覆土厚度增加而增加的。,关于覆土与不覆土的几种形式（续）,图55 产量与覆土厚度的关系a豆角；b西红柿,关于覆土与不覆土的几种形式（续）,覆土与不覆土相比，虽然覆土费用较高，但种植管理要容易得多，施肥量可适当少些。但切不可忽视种植后的施肥与管理，因为施肥与管理不当，会导致种植后土壤条件恶化，因而影响复垦的长期效果。 另据赵景逵、周树理、张春霞等同志的研究，重金属的富集程度一定程度上取决于植物种类，与土壤厚度没有密切关系。 上述关于煤矸石复垦种植的技术措施同样适用于灰田复垦种植和露天矿排土场等其它形式的复垦种植。,四、加速煤矸石风化成土的技术措施,由前述可知，煤矸石的风化程度直接影响矸石堆放场地复垦的效果。加速煤矸石风化，使之适宜于耕种是一重要的研究课题。目前加速煤矸石风化的技术措施主要有如下几种。 (1)改变矸石所处的环境，如使矸石经常处于干湿交替状态等。 (2)无覆土细菌生物法快速复垦。此法实质是播洒一种含有高百分比有机质的混合物质，如褐煤、秸杆和普通N、P、K肥的混合物，用来增加矸石中微生物的数量，加速矸石的腐蚀分解过程。,加速煤矸石风化成土的技术措施（续）,(3)对矸石作表面处理。如用城市污泥、河泥、垃圾等对矸石表面进行处理，从而加速微生物的繁衍，加速风化过程。 (4)种植豆科、禾木科牧草。林大仪同志在阳泉露天铝矿的试验表明种植三年牧草，使土壤有机质累积量迅速提高，使土壤微生物的数量增加了成千上万倍。土壤其它理化特性随之变好。,第四节 挖深垫浅法复垦与塌陷坑非充填复垦时的生物复垦,挖深垫浅法复垦是具有我国特色的一种复垦方法，按挖土覆土的方法不同，分为机械和人工两种形式。 机械法又常用推土机、水力挖塘机组两种机械，有条件的地方还使用挖掘机、吸泥船等。 挖深垫浅一般适用于高潜水位矿区或水资源丰富的矿区。塌陷坑非充填复垦法在中低潜水位矿区使用时，常需根据原有地势和塌陷破坏程度进行梯田式复垦，在高潜水位矿区使用时，则需建立防洪排涝降渍灌溉系统，并与挖深垫浅法复垦配合使用。因这两种复垦方法具有实施方便、投入小、产出快、复垦面大等优点，深受农民欢迎。本节主要介绍采用这两种复垦方法时的生物复垦技术。,一、挖深垫浅法复垦种植,1复垦工艺2挖深垫浅法复垦农田的土壤特性3挖深垫浅法复垦时的生物复垦,1复垦工艺,挖深垫浅法复垦原指将深塌陷区的泥土取出垫入浅塌陷区上，抬高浅塌陷地的标高而成为农田，降低深塌陷地的标高而成为鱼塘。 现在挖深垫浅法复垦经各地的推广应用，已不局限于挖“深”垫浅”，而泛指对一部分塌陷地取土，可以是深塌陷区，也可是浅塌陷区，抬高另一部分塌陷地的标高。 人工法挖深垫浅一般在枯水季节施工，人力取土、运土、平整土地并覆土。 机械法复垦取土、运土、平整土地与覆土等工序由机械完成。图57为水力挖塘机组复垦工艺流程。必要时，需增加剥离腐殖土、保存腐殖土和覆土工序。,复垦工艺（续）,图57 水力挖机组复垦式工艺 流程,2挖深垫浅法复垦农田的土壤特性,挖深浅法复田使原土壤剖面特征遭到破坏，土壤容重、孔隙度、有机质、养分含量等理化特性也发生变化。 水力挖塘机组复田若不采取剥离表土和覆土措施，复垦农田土壤是原土壤剖面的下层土，且经水枪高压冲射和管道输运，完全泥浆化，所以有机质含量低，N、P、K等元素缺乏，质地粘重，土壤透气性差。 推土机复田土壤有压实现象，容重大于一般农田土壤，孔隙率则小于一般农田土壤。 表58为水力挖塘机组复田、推土机复田和一般农田土壤物理特性对照情况。 表59为有机质和营养元素的对照情况。,表58 挖深垫浅法复垦农田土壤的物理特性,表59 挖深垫浅法复田土壤的有机质与N、P、K含量,3挖深垫浅法复垦时的生物复垦,挖深垫浅法复垦的农田土壤虽有缺陷，但比起粉煤灰、煤矸石等废弃物复田要优越得多，几乎可以与当地一般农田同样用于农业种植。但需要注意下列问题。 (1)抬田标高应适当。过高则土方费用大，太低易使农田受涝和渍害。 (2)农田应尽早植被。若不尽早植被，会使本已贫乏的土壤日益贫瘠，并产生盐碱化，对今后种植不利。,挖深垫浅法复垦时的生物复垦（续）,(3)增施腐殖酸类肥料。 (4)改善土壤不良的物理性质。如可采用粉煤灰改良土壤质地粘重的缺陷，采取深耕的方法改善土壤的蓄水保墒能力。 (5)针对实际情况采取有效的施肥措施，使复垦农田尽快达产。 (6)针对实际情况采取有效的生物措施，使复垦农田土壤肥力不断提高。如秸杆还田和塘泥肥田等。,二、塌陷坑非充填复垦,塌陷坑非充填复垦的关键是工程复垦措施，若工程复垦措施合理得当，生物复垦阶段就变得较为简单，这是非充填复垦与充填复垦相比的显著优点之一，另一显著优点是利用非充填复垦方法可以克服充填法复垦充填料来源不足的缺点，复垦大量的塌陷土地。,塌陷坑非充填复垦（续）,在非充填复垦区域进行种植需要考虑以下问题： (1)高潜水位矿区应建立完善的防供排涝降渍系统，作物品种应尽量选择耐渍品种。 (2)中低潜水位矿区应充分利用工程和生物措施防止土壤遭到侵蚀，如采取梯田化的方法、等高耕种的方法、设置截流沟等。,塌陷坑非充填复垦（续）,(3)对采深浅，地表有裂缝的塌陷地，应采用灌浆的方法使裂缝泯灭，以保水保肥，灌溉方法可改满灌为喷灌，施肥也宜少量多次，以防水肥流失。 (4)非充填复垦区对农业种植来说一个重要的限制因子是地表较原地表产生了附加坡度，宜采取条块分割、分块种植的方法，并采取适当的水土保持措施。 总之，非充填复垦区应防止土壤侵蚀、水土流失以及土地盐渍化、沼泽化等不良现象。,第五节 露天煤矿剥离物的损失贫化与生物复垦,露天煤矿的土地破坏与占用同地下开采煤矿相比有量大、破坏严重的特点，其剥离物的理化特性与组成也与地下开采的煤矸石有显著的差别。在我国露天煤矿所处地理位置的特殊性对露天煤矿的生物复垦也存在着制约作用。一、露天煤矿剥离物的损失与贫化二、露天煤矿复垦土壤的理化特性与生物复垦三、露天矿山复垦土壤的变异性,一、露天煤矿剥离物的损失与贫化