高潜水位采煤塌陷区重构土壤水分运移规律模拟研究

以江苏省徐州市贾汪矿区为研究区,通过野外采样与室内土柱试验模拟不同土壤重构模式,对固定地下水位不同重构模式下土壤水分运移过程进行了观测。试验设置土柱上层0—50cm为土壤充填,50—80cm为不同表土替代物充填。按照下层50—80cm充填物的不同,设置4组处理,其中处理1为对照组(土壤充填),处理2(粉煤灰充填)、处理3(煤矸石充填)、处理4(煤矸石-粉煤灰混合物充填)为试验组。结果表明:(1)重构土壤上层含水率与下层相比变化明显,底层含水率临近于饱和含水率,变化微小;(2)在不同充填物的分界线处含水率变化明显,充填物类型对土壤水分垂直变化有较大影响;(3)煤矸石、粉煤灰混合物充填重构模式含水率变化规律与土壤充填模式最为一致,且饱和含水率最为接近,具有良好的保水、透气性,是高潜水位采煤塌陷区土地复垦最理想的土壤重构模式。本研究可以为高潜水位采煤塌陷区土地复垦的土壤重构以及盐渍化控制等提供一定的理论依据和技术支撑。     

不同复垦工艺土壤物理性状研究

采用实地模拟试验,研究不同复垦机械在不同填充材料下不同的碾压次数对土壤物理性状的影响,并采用winner2000激光颗粒仪对其土壤颗粒组成进行了量测分析,研究不同机械不同填充材料复垦对物理性状的影响。结果表明:(1)经过3次碾压后,各复垦地块土壤容重变化趋势趋于平稳,但从碾压7次到碾压9次这个过程,是复垦过程中的一个敏感碾压区,碾压7次后土壤容重会有明显的上升,且在煤矸石、建筑垃圾和粉煤灰三种填充材料中,粉煤灰充填复垦地块在碾压5次后,容重明显高于煤矸石和建筑垃圾充填地块。(2)自卸汽车复垦过程碾压超过3次,其容重即超过1.5 g cm-3,碾压9次容重达到1.76 g cm-3,使土壤质地板结;履带式推土机碾压7次,其容重仍在1.44 g cm-3以下,适于作物生长。(3)经不同程度的碾压后,履带式复垦地块中,建筑垃圾、粉煤灰和煤矸石充填地块"物理性黏粒"含量的最大值分别为25.29%、26.66%和36.89%;自卸汽车复垦的地块中,建筑垃圾、粉煤灰和煤矸石填充的地块总含量的最大值分别为36.23%、32.11%和51.73%。     

不同复垦时间的粉煤灰充填复垦土壤重金属污染与评价

为了解粉煤灰充填复垦土壤重金属污染情况，通过实地试验与现场采样化验相结合的方法，对复垦时间不同的粉煤灰复垦土壤里砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)、硒(Se)、锌(Zn)、、镍(Ni)和氟(F)等重金属和微量元素含量的时空变异性进行了研究。结果发现：以土壤本底值作为评价标准时，粉煤灰充填复垦土壤整体处于受污染状态。其中，表层复垦土壤受到Cd、Se、Zn、F 4种元素污染较重；粉煤灰充填复垦土壤适合旱作，不适合用作水田；随着复垦时间的增加，表层复垦土壤的污染指数呈递增趋势。     

徐州矿区充填复垦土壤特性实验研究

为了研究矿区复垦土壤的特性、环境质量状况,探寻矿区特殊生态环境中污染物料的时间路径、人工土壤的质量品质,为煤矿塌陷区的充填复垦、环境治理提供依据,采用对复垦场地进行实验研究和数据分析的方法,对不同物料充填复垦场地的土壤特性进行比较分析.结果发现:(1)土壤环境:从渗透性来说,矸石复垦场地的保水性高于粉煤灰复垦场地,土层的保水性高于充填物料层的保水性;从土壤紧实度来说,粉煤灰充填复垦场地充填物料层的紧实度低于土层的紧实度,但都在适宜作物生长的范围内;对照地的土壤紧实度偏高;粉煤灰充填场地的土壤偏碱性;(2)土壤品质:粉煤灰充填土壤能够正常种植小麦、稻、草本的植物、蔬菜等;粉煤灰充填场地的土层虽然是沙土,但比较容易板结,不利于水分的渗透,而底层的粉煤灰保水性比较差;煤矸石充填复垦场地表层覆土厚度不均匀,且煤矸石保水保肥性比较差;(3)充填土壤的适种性和产量分析:粉煤灰回填的土壤适合草本蔬菜类植物的种植,单产与正常产量相当;对于种植稻的田块,保持正常的单产水平;种植小麦的产量受到影响.     

徐州矿区充填复垦土壤特性实验研究

为了研究矿区复垦土壤的特性、环境质量状况,探寻矿区特殊生态环境中的污染物料的时间路径、人工土壤的质量品质,为煤矿塌陷区的充填复垦、环境治理提供依据,采用对复垦场地进行实验研究和数据分析的方法,对不同物料充填复垦场地的土壤特性进行比较分析。结果发现：①土壤环境：从渗透性来说,矸石复垦场地的保水性高于粉煤灰复垦场地,土层的保水性高于充填物料层的保水性;从土壤紧实度来说,粉煤灰充填复垦场地充填物料层的紧实度低于土层的紧实度,但都在适宜作物生长的范围内;比照地的土壤紧实度偏高;粉煤灰充填场地的土壤偏碱性;②土壤品质：粉煤灰充填土壤能够正常种植小麦、稻、草本的植物、蔬菜等;粉煤灰充填场地的土层虽然是沙土,但比较容易板结,不利于水分的渗透,而底层的粉煤灰保水性比较差;煤矸石充填复垦场地表层覆土厚度不均匀,且煤矸石保水保肥性比较差;③充填土壤的适种性和产量分析：粉煤灰回填的土壤适合草本蔬菜类植物的种植,单产与正常产量相当;对于种植稻的田块,保持正常的单产水平;种植小麦的产量受到影响。     

煤矸石充填复垦地理化特性与重金属分布特征

为研究煤矸石充填复垦地农作物产量达到最佳时的覆土厚度及煤矸石充填复垦地重金属分布状况,该文以新庄孜矿煤矸石充填复垦地作为研究对象,采取室外田间小区试验和室内试验分析方法,选取不同覆土厚度50~60,60~70,70~80,80~90 cm的4类试验地块及对照地块对其土壤理化性质及农作物根系分布、长势产量、重金属元素含量进行调查分析,发现复垦地块各项指标与对照地块差异显著,劣于对照地块;煤矸石充填基质土壤理化性质较差;70~80 cm的厚度是煤矸石充填复垦造地较经济合理的覆土厚度。煤矸石复垦地重金属元素有向上迁移的趋势;复垦土壤及煤矸石基质中Pb、Zn、Cr元素含量处于安全水平;大部分监测的Cu、Ni、Cd元素含量高于淮南土壤背景值,低于中国土壤环境质量标准二级标准,对复垦土壤已构成潜在的威胁性,应予以重视;覆土厚度50~60 cm地块的煤矸石基质中Cu、Ni元素含量处于安全水平,煤矸石基质中Cd元素含量高于淮南土壤土壤背景值,低于中国土壤环境质量标准二级标准,应予以重视。结果表明70~80 cm的厚度是煤矸石充填复垦造地最佳覆土厚度;新庄孜煤矸石充填复垦地重金属有向上迁移的趋势,复垦土壤中重金属含量符合国家二级标准,未出现重金属污染情况,但部分重金属元素含量高于淮南市土壤背景值,应予以重视。     

黄土区大型露天煤矿煤矸石自燃对复垦土壤质量的影响

为了研究煤矸石自燃对复垦土壤质量的影响,以复垦13 a的平朔安太堡露天矿区南排土场1420平台正常复垦土壤与自燃退化土壤为研究对象,分析研究了煤矸石自燃对复垦土壤的理化性质、重金属含量、土壤微生物区系和土壤酶活性的影响,并选取原地貌土壤为参照。研究结果表明, 煤矸石自燃对复垦土壤的物理性状影响很大。土壤体积质量、总孔隙度、毛管孔隙度与非毛管孔隙度、田间持水率发生突变。南排1420煤矸石自燃复垦土壤的体积质量显著比正常平台和原地貌土壤的要小,总孔隙度要大,而且主要是非毛管孔隙度,表层土壤和20～40 cm的土壤的非毛管孔隙度高达42.08%和39.49%,远高于正常平台和原地貌土壤,而毛管孔隙度仅有16.41%和15.60%,远低于正常平台和原地貌土壤,田间持水率仅为14.92%和13.11%,为正常平台复垦土壤的47.76%和39.95%。煤矸石自燃可以降低复垦土壤的有机质、速效磷质量分数以及pH值,而提高复垦土壤表层速效钾的质量分数。煤矸石自燃可增加复垦土壤0～20 cm中Pb、Cr、Hg的质量分数,特别是Cr和Hg的质量分数略高出土壤环境质量一级标准。煤矸石自燃对土壤微生物数量影响甚大,煤矸石自燃复垦土壤微生物数量极少,仅为正常平台复垦土壤的0.82%,其中细菌为正常平台复垦土壤的0.80%,放线菌为1.64%,真菌为1.24%。煤矸石自燃可大大降低复垦土壤的过氧化氢酶和蔗糖水解酶活性,特别是蔗糖水解酶活性,而表层复垦土壤的脲酶活性略有提高。总之,煤矸石自燃造成复垦土壤极度退化,大大降低了复垦土壤的质量。     

高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤形态发育评价

土壤的形态特征含有丰富的环境信息,是环境变化与生态重建的重要依据,可以推断土壤发育的强弱。矿山复垦土壤为人造新土壤,可能构造出不同的土壤形态,复垦土壤形态特征的研究对复垦土壤生产力的提高和复垦技术的革新具有重要意义。该文以高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤为研究对象,探讨定量评价复垦土壤形态发育状况。研究采用实地调查和室内分析相结合的方法,依据中国土壤系统分类用土壤剖面描述标准,构建了复垦土壤形态发育评价体系,进行土壤形态定量评价。结果表明,形态发育指数HI(土层发育指数)和WPDI(土壤权重剖面发育指数)能够较好的反映复垦土壤与当地原状土壤的发育程度差异:复垦土壤土层发育指数HI和土壤权重剖面发育指数WPDI平均值分别为0.57、0.56,而当地原状土壤HI和WPDI的平均值为0.68、0.69,表明复垦土壤形态发育程度相对较弱;HI曲线形状异于原状土壤,表层HI高于其他土层,不同复垦方式的WPDI显示的发育程度序列为:充填复垦(外源土)>挖深垫浅>挖深垫浅(泥浆泵)>充填复垦(粉煤灰、煤矸石等);随复垦时间的延长,复垦土壤发育程度呈现增长趋势。     

煤矸石组分与表土质地对充填重构土壤导气率的影响

研究煤矸石组分及表土质地对煤矸石重构土壤导气率的影响,探讨重构土壤这种差异显著的非均质土壤导气内在机理,为进一步研究复杂的非均质土壤导气特性提供理论基础。通过在煤矸石中掺杂不同粒径碎石来改变其组分,并利用3种不同质地的土壤在土柱内进行土壤剖面重构,采用一维瞬态法测量其导气率。结果表明:(1)不同碎石粒径和质量分数对混合基质饱和含水量影响不同,掺杂2~5mm粒径碎石,随着质量分数的增加,饱和含水量逐渐增加,从7.29%增加到12.9%;掺杂5~10mm粒径碎石,饱和含水量随着质量分数的增加先增加后减少,分别为7.28%,8.5%,6.9%。(2)煤矸石的导气率远大于土壤,并且煤矸石的导气率对水分的敏感度随质量含水量的增加而增加,而土壤的导气率对水分变化的敏感度均随质量含水量的增加而降低。(3)碎石的存在为大孔隙的产生创造条件的同时也会减少了土壤通气断面,阻隔空气传输的通道。(4)重构土壤导气率受表土质地和底部填充介质的共同影响,覆土土壤导气率决定了重构土壤的导气率大小,而充填基质导气率决定了充填介质对重构土壤导气率影响的系数(Ska)。Ska与充填介质导气率呈显著相关,可以通过指数函数进行拟合(R2=0.93)。通过充填介质及覆土土壤的导气率可以对重构土壤导气率进行估算,简化了重构土壤导气率的测定过程。     

王庄煤矿采煤沉陷区充填复垦现状及改进措施

山西省王庄煤矿主要位于农耕区,采煤导致土地大面积沉陷,耕地数量减少,且质量下降,单产锐减,致使矿群关系恶化。在煤炭开采和洗选加工过程中产生的煤矸石以及电厂发电排放的废渣粉煤灰是王庄煤矿的主要固体废弃物,煤矸石和粉煤灰平地起堆不仅压占了大面积土地,还污染了生态环境。以潞安集团王庄煤矿为例,分析了王庄煤矿采煤沉陷区充填复垦工作现状及不足,并提出了具体改进措施:一是运用化学方法改变土壤的酸碱性,以适于植物生长;二是优化施工工艺,降低对土壤的破坏;三是优化充填工艺,防止煤矸石、粉煤灰中有害物质的迁移及对周围环境造成污染;四是优化充填方法,对作为建设用地的充填地基实施加固处理。     

徐州矿区充填复垦场地作物重金属含量研究

为了了解矿区充填复垦土壤重金属污染状况和复垦场地主要作物的重金属含量情况,通过场地采样试验与室内检测相结合的方法,对不同作物不同部位的砷、镉、铬、汞、铅、铜和锌等重金属含量进行了测定,并进行了相关的分析和研究。结果表明:作物在生育阶段不同部位对不同元素的敏感性不同;复垦场地红豆幼苗受重金属的污染较轻,而小麦和水稻则较严重;复垦场地应改变耕作制度,种植红豆或者利用红豆充当先锋作物。     

复垦不同年限煤矸山土壤重金属污染状况评价

为研究复垦年限对煤矸山土壤重金属的影响,以山西省霍州市曹村煤矿煤矸山复垦3 a,5 a,7 a和9 a农田为研究对象,对复垦地土壤重金属Hg,Cd,Pb,As和Ni的质量分数及其污染状况进行了分析。结果表明:（1）煤矸山复垦农田0—20 cm和20—40 cm土层土壤重金属质量分数有随复垦年限增加而增加的趋势,其中Pb,Cd表现最明显,而Hg的增加趋势主要出现在20—40 cm土层;同时,煤矸山复垦农田土壤重金属质量分数均不同程度地高于当地普通农田,尤其在20—40 cm土层表现更明显;（2）单因子污染指数表明,Hg和As在0—20 cm和20—40 cm土层污染程度随年限没有变化,分别为重度污染和轻微污染,Pb和Cd在0—20 cm也没有变化,分别为轻微污染和轻度污染,但在20—40 cm土层随年限增长达到轻度污染和中度污染;综合污染指数表明,复垦农田在0—20 cm和20—40 cm土层污染指数均表现为随复垦年限增加而增加的趋势,4种复垦年限农田均达到重度污染。研究结果有助于指导煤矸山植被恢复和复垦地的合理利用。     

不同复垦年限煤矸山土壤微生物功能菌变化及其影响因素

研究不同复垦年限煤矸山土壤微生物功能菌差异及其影响因素有助于揭示煤矸山复垦土壤质量变化情况,为煤矸山植被复垦提供理论指导。以山西省曹村煤矿复垦4 a（R_4a）,6 a（R_6a）和8 a（R_8a）煤矸山为研究对象,分析了3种复垦年限土壤好氧固氮菌、氨化细菌、纤维素分解菌、有机磷细菌和无机磷细菌数量变化及其与土壤理化性质的关系。结果表明:随着复垦年限的增加,功能菌总量呈增加趋势;好氧固氮菌、氨化细菌、有机磷细菌、无机磷细菌均呈增加趋势,但纤维素分解菌呈先升后降的趋势。相关分析表明,氨化细菌和纤维素分解菌受土壤理化性质的影响最大;主成分分析结果表明,有效磷、碱解氮、含水量是影响微生物功能菌的主要因子。     

两种利用类型煤矸山复垦重构土壤贮水特性研究

土壤贮水能力是复垦地植被恢复和生态重建的基础。因此开展煤矸山复垦重构土壤贮水能力研究对于指导煤矸山植被复垦具有重要意义。以长治王庄煤矸山复垦6 a的林地（SL）和草地（GL）为对象,分析了2种利用类型煤矸山复垦重构土壤1 m土层贮水状况。结果表明:（1）复垦林地（SL）和复垦草地（GL）土壤容重分别较普通林草地（CK）高12.7%和19.0%（p > 0.01）。两种复垦地土壤容重的剖面变化有别于普通农地,并且其差异主要体现在60 cm以上土层。（2）SL样地和GL样地土壤总孔隙度分别较CK样地低20.5%和30.9%,非毛管孔隙度分别较CK低80.0%和74.9%,而土壤毛管孔隙度分别较CK样地高14.1%和2.4%,因此,两种复垦地土壤饱和贮水量和非毛管贮水量明显低于普通农地,但毛管贮水量高于普通农地。（3）SL样地和GL样地1 m土层土壤平均含水量和总贮水量分别较CK样地高7.8%,12.3%和23.5%,34.9%,但两种复垦地与普通农地1 m土层含水量和贮水量的差异在60—100 cm最大。     

空心村整治不同还田材料对冬小麦越冬前土壤水分的影响

在进行空心村整治复垦的同时,需添加适当的材料来提高其可耕性,通过研究不同还田材料在冬小麦越冬前的土壤水分含量及剖面储水状况,来选择保水性较好的材料进行空心村整治还田。采用烘干法,分别在无还田材料,有机肥（鸡粪）还田,粉煤灰还田,有机肥+粉煤灰还田四种处理下,在冬小麦的出苗期、三叶期和分蘖期测定土壤剖面105 cm内水分含量,每15 cm测定一次,并计算各个生育期的土壤储水量。结果表明:用不同材料进行空心村整治还田的土壤水分含量不同,在冬小麦越冬前,用有机肥加粉煤灰还田后土壤0—105 cm剖面各土层平均含水量为18.69%,比单独用有机肥还田高出1.72%,比单独用粉煤灰还田高出1.07%,比无还田材料高出2.84%。土壤剖面储水量也以使用有机肥加粉煤灰还田后的为最大,为239.01 mm,高于单独用有机肥的18.17 mm,高于单独用粉煤灰还田处理的18.92 mm,高于无还田材料的26.05 mm。因此,在对空心村进行整治复垦为耕地时,就水分利用及储水保水性而言,用有机肥加粉煤灰进行空心村整治还田处理时土壤水分状况最佳。     

Remediation of Fly Ash Dumpsites Through Bioenergy Crop Plantation and Generation: A Review

Utilization of fly ash, a byproduct of coal combustion in thermal power plants, is a sustainable use of waste for power generation. Discarding fly ash as waste in landfills/ash ponds may not only be regarded as a loss of valuable land and essential nutrients, but also pose a significant health hazard due to fine air-borne particles and leaching of heavy metals. The presence of essential macro- and micronutrients and its porosity make fly ash an excellent soil amendment for plant growth as an organic nitrogen (N) and carbon (C) supplementation. As harmful heavy metals make fly ash unsafe for agronomy, bioenergy crop plantation and energy generation from different thermochemical conversions of the biomass would be an ideal method for coal fly ash utilization through which carbon-neutral fuel can be generated from fossil fuel, thus reducing climate change impact. This review summarizes the development of bioenergy plantation and silviculture at fly ash dumpsites with an integrated phyto-bio-rhizo-mycoremediation approach and assesses utilization of the valuable biomass for thermal energy, electricity, and biofuel generation with inclusion of a SWOT analysis (a strategic technique typically used to help identify the strength, weakness, opportunities, and threat). Bioenergy crop production through integrated phytomanagement can generate billions of dollars of wealth from waste and provides a sustainable solution for fly ash management, with environmental, economic, and social benefits.     

粉煤灰对沙质土壤物理特性的影响

为探讨粉煤灰作为沙质土壤改良剂对沙土物理特性的改良效果.通过室内模拟试验比较了粉煤灰不同施用率(0%,10%,20%,30%,40%)对沙质土壤物理性质和结构的影响.结果表明,施用粉煤灰能增大沙土容重,降低了孔隙度;施用粉煤灰显著减弱了土壤沙性,4种处理砂粒含量比对照减少11%～18%.粉粒含量增大3倍以上;粉煤灰的施用改善了沙土水分性状,土壤有效水含量增加49%～138%;粉煤灰高施用率增加土壤强度.研究表明,施用粉煤灰能有效的改善沙质土壤物理特性,增强沙土水分利用效率.     

广西壮族自治区平果铝土矿区待复垦土地适宜性评价

以广西壮族自治区平果铝土矿区为研究对象,采用四层逐级分类指标划分待复垦土地评价单元类型,运用权重指数和法对矿区待复垦土地的适宜性进行预测性评价.评价结果表明,(1)无污染的4:1厚层顶板土十地表土平台的最佳适宜性用途为Ⅲ等旱地;(2)无污染的3:1厚层底板土+粉煤灰平台的最佳适宜性用途为Ⅱ等早地;(3)无污染的4:1薄层顶板土+地表土斜坡的的最佳适宜性用途为Ⅰ等园地;(4)无污染的3:1薄层底板土十粉煤灰斜坡的最佳适宜性用途为3等林地.该预测结果可为矿山企业制定复垦规划提供科学依据,有利于矿山企业节约复垦成本及平果铝土矿区土地资源的可持续开发与利用.     

煤矸石山废弃地不同植物复垦措施及其对土壤化学性质的影响

 为了筛选出适合煤矸石山废弃地的造林树种和复垦措施,在辽宁省抚顺市,初步研究了不同植物复垦措施对煤矸石山废弃地土壤化学性质和植物生长的影响。结果表明:不同供试植物在煤矸石山废弃地的成活率在21%～85%之间,其中白榆和沙打旺的成活率分别为81%和85%,而小叶杨、刺槐、栾树的成活率均在70%左右,这些植物均适合于在煤矸石山废弃地生长。植物措施能明显提高煤矸石山废弃地不同土层的有机质、全N、全P和全K含量,但提高程度随土壤层厚度和养分种类而不同。在植物复垦中,配合应用生物复合肥料、生物菌剂和保水剂,能改善主要造林树种的生长状况。