高原高寒矿区生态地质层修复中的土壤层构建与成分变化差异

王 佟，蔡杏兰，李 飞，王 辉，刘金森，周 伟，谢色新，赵 欣，宁康超，杨庆祝，李聪聪，高 超，孙 浩，龚雨杭

(1.中国煤炭地质总局，北京 100038；2.中国煤炭地质总局 广东煤炭地质局，广东 广州 510440；3.中国煤炭地质总局 广西煤炭地质局，广西 南宁 530000；4.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083；5.中国煤炭地质总局 碳中和研究院，北京 100039；6.中国煤炭地质总局 航测遥感局，陕西 西安 710199；7.中煤地质集团有限公司，北京 100049)

澳大利亚、美国、德国等矿区较多的发达国家很早就开展了关于矿区土地复垦的相关研究，而土壤重构作为土地复垦研究的核心内容，是土地复垦的重点研究课题，相关研究主要集中在土壤理化性质与矿物学特性、生物种类与活性、土壤重构新技术的研究与使用。木里地区自然形成土壤类型以高山草甸土和沼泽草甸土为主，土壤中氮、磷、钾及有机质含量相对高于我国平均水平，但恢复能力和抵抗外界干扰能力很弱，需要经过长达几千年的物理风化、营养化过程才能形成20～30 cm厚的腐植土，一旦遭到破坏，恢复起来非常困难。20世纪60年代木里煤田被发现以后，以小规模开采为主，21世纪后便开始大规模的开采，使高山草甸土和沼泽草甸土退化严重，土壤资源极度贫乏，能否将采矿渣土改良成适宜植被生长复绿的人造“土壤层”成为了高原高寒地区生态修复过程中的世界性科学难题。

目前，中国中东部地区特别是黄河流域煤矿区生态环境修复关键技术取得了显著成效，一些学者还利用粉煤灰、煤矸石、Ⅲ层亚黏土等材料制作露天煤矿区表土材料进行土壤重构。一些学者对高原高寒地区生态环境修复中的采坑回填及地表生态恢复等开展了研究。一些学者从地质学与生态学结合的角度开展了祁连山木里矿区采坑、渣山、冻土及水系修复治理与环境监测等科学问题研究，为生态地质层的构建与修复研究奠定了基础。针对高原高寒地区土壤奇缺条件下的土壤层构建方案，国内外鲜有利用当地渣土与羊板粪进行土壤层构建，再进一步添加以当地商品有机肥及牧草专用肥等物质进一步提高改良土壤肥效的成功案例。相关资料见有用渣土和客土构建土壤的工程实例，但缺乏深入的研究。笔者以青海木里矿区大面积生态治理土壤层构建为例，以开采后的矿区渣土为土壤矿基材料，以羊板粪、商品有机肥及牧草专用肥为土壤改良材料，在木里现场室内设置不同配比开展渣土土壤层构建试验，通过盆栽种草试验结合重构土壤的主要指标对比分析，优选出最佳的土壤重构方案，以求解决高寒高原高海拔无土地区土壤层构建这一超难科学问题，为高原高寒地区煤矿区生态修复提供依据。

1 木里矿区土壤修复前情况

木里矿区土壤类型主要以高山草甸土、沼泽草甸土为主，沼泽土次之，其母质为湖积、冲洪积物、残坡物及风积等。土壤pH=7.5，有机质质量分数21.99%，碳酸钙4.50%，全氮1.13%，全磷0.11%，全钾2.16%，碳氮比12.4。因气候严寒，化学风化与成土作用弱，土壤剖面层次分异程度较差，土层发育薄，一般厚度30～50 cm，仅满足所在区域植被生长的一般要求，一旦遭受损毁破坏，场内就无可供调节和调度的多余土量。

一段时间以来矿区无序开采造成了矿区沼泽湿地退化、土地沙化和草甸植物枯萎和死亡，进而影响区域湿地草甸自然植被和土地资源遭受了破坏。大量的野外调查和监测发现天然沼泽湿地生态系统转变成了采矿废地(渣土)后，土壤有机质损失较为明显，土壤肥力急剧下降，水土流失程度越来越严重。根据对矿区渣土取样化验后的结果显示，天然沼泽湿地生态系统破坏成采矿废地(渣土)后，有机质质量分数(1.37～5.36 mg/kg)、全氮质量分数(760～1 500 mg/kg)、速效钾质量分数(77～239 mg/kg)、有效磷质量分数(0～4.8 mg/kg)等土壤营养有效成分明显低于原始土壤，渣土pH值增加，整体呈碱性(pH=7.3～8.6)，局部pH>9，土壤有机质损失较为明显，矿区开采后土壤肥效明显降低，但其中重金属元素均在种植土允许值范围内，整体污染风险较低，这就为利用渣土进行土壤重构提供了可能。

2 土壤层构建的思路与方法

此前对于矿区植被重建的研究大多数集中在低海拔平原地区，在高海拔高寒地区开展生态修复的研究较少。木里矿区也曾有个别矿区在施工前期进行草皮剥离和临时存放，待竣工后将剥离的草皮移植到项目区进行植被恢复，工程实践结果表明上述措施对于改善项目区的生态环境、缩短植被恢复时间、防止水土流失是直接有效的，在斜坡地带即便是小面积移植也容易产生溜滑失稳情形。然而，研究区内更多的是自然草甸在长时间的采矿活动中被大面积损毁，没有将原有草皮进行大面积移植，造成了生态环境的大范围破坏。2014年以来聚乎更三号井采取了10 cm客土+表面施撒适量羊板粪的土壤重构技术进行植被重建与生态修复，取得了一定的修复成效，但因矿区外长距离客土与当地风化带土壤层矿物成分、酸碱度等理化性质存在差异，加之未构建土壤基底层形成相对的防渗层，羊板粪又仅施撒在表面，未能够与土壤充分拌合，表层部分土壤和羊板粪中的营养成分经雨水作用淋滤和冲刷被带走，造成土层减少和土壤肥力在一两年短时间内快速降低，导致植被逐年衰退死亡，需要后期不断投入大量的人力物力和资金持续开展追肥补植和养护，但仍然难以维持植被现状长势，当地有人这样评价“一年绿，二年黄，三年退化光”。高投入下有限的生态回报，只能在小范围内小规模开展，难以大面积推广应用。木里矿区露天开采区段破坏了本来很薄的以基岩风化带为主要成分的土壤层，区内土壤分布有限，其附近又无可调配的土壤用于修复。木里矿区大规模生态修复工程开展初期，有人提出从山下异地调用客土方案，按覆土平均厚20 cm进行粗略计算，13 km复绿面积，客土运输工作量极其大，且客土成分与当地原始草甸土的差异问题很可能水土不服，造成土源区和治理区新的生态问题，客土方案现实中很难实现。利用煤矿区开采后形成的大量废弃渣土作为表土替代材料并进行大面积人造土壤层构建，是木里矿区生态修复与国内其他地区矿山修复的不同之处和困难之处。因此，如何仿造风化带土壤层也就是采用地质手段修复破坏的草甸生长层是木里矿区能否实现复绿的关键。

2.1 理论依据

笔者在“青海木里矿区高原高寒生态地质层构建与修复关键技术及应用(2021年9月)”研究中提出了生态地质层的概念、研究思路，认为采矿等人类活动引起矿山生态与环境变化，造成区域地表土壤破坏、地层破裂塌陷、构造变形等地质条件的变化和地形地貌破坏，其根本原因是破坏了原始的生态地质层。从地质形变角度出发开展生态环境治理修复其核心就是修复破坏的生态地质层。土壤层(草甸生长层)是地表生态治理与修复的主要生态地质层，对能否实现复绿至关重要。因此，在高原高寒木里矿区土壤奇缺的情况下通过改良渣土，形成人造土壤是实现生态修复的惟一路径。

2.2 构建思路

渣土土壤改良的目的在于增加渣土中有机质含量和孔隙度，改良渣土土壤酸碱度等，使其具备基本的种植条件和生长条件。在无土地区如果能实现对采矿形成的渣土，通过添加一定比例的有机质等添加物和物理破碎筛分改良等手段构建出与未破坏地段草甸土壤结构相似、成分相近的土壤生态地质层，就可以修复破坏的草甸生长层。

2.3 构建方法

通过大量野外调查发现，木里矿区草甸生长层基本都是由煤系碎屑岩风化形成的不同粒度的颗粒物和有机质构成，厚度5～10 cm，在河道地带局部达50 cm。而当地的羊板粪则是由羊粪和当地风化成熟度相对较高的表层土互层堆放形成，含有土壤微生物群落的天然腐植质资源，与土壤有机质组成和性质非常类似。因此通过对渣土和羊板粪按一定比例搅拌、混合可大幅度缩短土壤熟化的培育周期，形成与当地尚不熟化土壤层物理结构相近、化学成分相似且土壤肥力明显提高的人造土壤层。

有研究表明羊板粪中的重金属含量很低，作为有机肥原料，能有效地减少有机肥中重金属的含量，降低其对植物和动物的危害。羊板粪一方面通过缓释可以为土壤提供有机质和营养成分，更为重要的是通过羊板粪和土壤材料的拌合，可以改善土壤的团粒结构，起到透气保湿保肥的作用。鉴于区内没有充足且质量较好的土壤供种草复绿区进行土壤重构，而矿区内含有大量开采后形成岩性以泥岩和粉砂岩为主的渣土，所以本次一是尝试采用将牲畜粪与渣山风化的泥岩和粉砂粉末混合形成人工土壤，探索重构土壤的改良效果；二是加入适量以羊粪为基质制造的商品有机肥以提高土壤肥力。

3 土壤层构建的实验设计

3.1 实验方式与时间

为保证实验环境最大程度地接近现场实际情况，本次渣土改良与种草试验于2021-04-15—05-25在青海省天峻县木里镇海拔4 200 m的中国煤炭地质总局木里地区生态环境综合整治第2项目部和海拔4 050 m的第七、八项目部种草试验地同步开展，为确保实验结果重现，每组样品的试验均在现场2个试验地按相同试验配方同步开展室内盆栽试验，以期达到实验结果真实可靠，有效指导生产实践的目的。

3.2 原始土壤和实验渣土的采集

以井田修复区为单元，根据就地翻耕和土源区面积大小合理编制采样平图网格图，根据土源地取土深度合理设计取样深度，在4号、5号、7号、8号、9号井共计采集17组渣土样品(图1、表1)和2组原始草甸土样品，每组渣土样根据不同的配比和施用方式，设计出73种对比实验方案，共计1 149个试验样品。

表1 采样情况

图1 采样平面示意

3.3 实验材料准备

(1)花盆。直径30 cm，盆高40 cm。

(2)纯渣土。土壤改良试验的纯渣土主要为泥岩(土)占比大于50%以上，块石粒度小于5 cm且占比大于50%的渣土。

(3)羊板粪。约1 m，现场按需取用。质量要求：有机质质量分数大于30%，杂质小于10%，水分小于40%，无较大的石块。

(4)商品有机肥。150 kg，现场按需取用。质量要求有机肥质量符合NY 525—2012《有机肥料》标准规定，有机质质量分数≥45%，含氮+五氧化二磷+氧化钾质量分数≥5%，水分≤30%。

(5)牧草专用肥。2 kg，现场按需取用。牧草专用肥是一种掺混肥料(BB肥)，参照GB/T 21633—2020《掺混肥料(BB肥)》，要求其总养分：N+PO+KO质量分数≥35.0%。

(6)草种。借鉴青藏高原植被恢复的经验和当地一些专家的意见，采用同德短芒披碱草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾、青海中华羊茅以质量比1∶1∶1∶1比例混播，每种草种0.3 g/盆，其中冷地早熟禾千粒质量0.36～0.50 g，600～833粒/盆；披碱草千粒质量4.5～5.0 g，60～67粒/盆；中华羊茅千粒质量0.5～0.8 g，375～600粒/盆。

(7)其他实验用品。现场种草实验用品主要包括电子计量秤、温湿计、喷壶、小铲子、小耙子、相机等。

3.4 实验方案的设计

实验方案设计主要包括土壤层构建和再造土壤肥力提升2部分。第1步，通过花盆实验，对比不同用量羊板粪与渣土构建的土壤与原始草甸土在出苗率和土壤成分等方面的差异性，筛选最优的土壤层构建方案。第2步，通过在人造土壤中加入不同比例配方的有机肥料，提高人造土壤与原始草甸土化学成分的相似性，以增加土壤肥力，促进植物生长。

..土壤层构建方案设计

由于木里矿区富含有机质的草甸生长层厚度仅5～10 cm，为模拟和接近木里原始土壤剖面，在进行盆栽土壤剖面重构实验时，将构建土壤层分为下部的基底层和上部的表土层2部分。

(1)下部基底层。花盆下部的基底层由粒径较大的渣石经过人工压实后形成，紧实度较高且有机质含量少，能起到涵养水分和水土保湿的作用，厚度约为5 cm。

(2)上部表土层。首先，将采集的17组渣土样中大于5 cm的石块进行人工破碎和筛选后装进花盆内形成压实度较小的颗粒支撑层，与下部基底层共同组成土壤重构骨架，确保每盆纯渣土厚度为25～30 cm。每组样品设置1盆纯渣土对照方案，共17组对照方案。其次，将由不同用量的羊板粪和经过人工破碎筛选后的细渣土拌合后形成装入花盆，使羊板粪充分填充颗粒支撑层中的孔隙，以达到使表土层的物理结构更加接近于木里矿区原始土壤风化层及改善土壤结构的目的。根据羊板粪不同用量设计4种实验方案，分别为Y，Y，Y，Y，每种实验方案设置17组重复样(表2)。

表2 不同配比对比试验方案

最后，通过现场出苗情况、板结程度和土壤成分变化3个方面探讨羊板粪与渣土混合后的土壤层构建效果，评价出最适合的羊板粪与渣土混合比例。

..人造土壤肥力提升方案设计

提高人造土壤肥力在利用羊板粪与纯渣土拌合所构建的表土层的基础上，采用加入不同用量的商品有机肥、牧草专用肥的方式，设计渣土+羊板粪+商品有机肥(组合2)、渣土+羊板粪+商品有机肥+牧草专用肥(组合3)共2种组合9种配比处理方案(表2)。为了避免因施肥量过大营养过剩导致烧苗情况的出现，根据羊板粪、商品有机肥、牧草专用肥的不同配比组合设计9种实验处理方案，每种处理设置17组重复，并将原生草甸土(DZ)、渣土(DZ)作为对照方案。9种实验处理方案分别为：① 羊板粪用量不变，改变商品有机肥用量：Y+YJ，Y+YJ，Y+YJ；② 商品有机肥用量不变，改变羊板粪用量：Y+YJ，Y+YJ；③ 羊板粪和牧草专用肥用量不变，改变商品有机肥用量：Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M。

3.5 观测和测试指标

(1)土壤材料背景值测试。指缩分后的未经改良的渣土样。

(2)重构土壤测试。指经过不同处理之后的重构土壤样。

(3)测试项目。pH值、有机质、全N、速效N、全P、速效P、全K、速效K等土质测试项目。

(4)出苗情况。观察、测量和记录出苗情况和长势。

(5)数据处理软件。SPSS 22.0和Excel 2010软件。

4 土壤层构建的效果分析

4.1 出苗情况

利用SPSS 22.0软件对渣土+羊板粪(组合1)共4种处理方案和纯渣土(DZ)对照方案，每种方案17组重复，共计85个盆栽的出苗原始数据进行单因素方差分析，结果表明，出苗数总体方差齐性检验结果为0.443，明显大于给定显著性水平=0.05的前提下，说明实验样本所属总体方差具有方差齐性，即渣土中加入不同用量羊板粪是来自相同方差的不同总体，可以进行单因素方差分析。

用SPSS 22.0计算出苗数的ANOVA检验结果表明(表3)，=0.003<0.05，说明组合1中不同处理方案之间的出苗数存在显著性差别，且平均出苗数明显高于纯渣土(表4，5)。播种27 d后，DZ和组合1方案的出苗盆数所占比例均达到100%，渣土与羊板粪混合之后，出苗效果明显优于纯渣土对照方案，且羊板粪用量越多，出苗数越高。表明渣土具备基本的种植条件，而添加羊板粪之后，可以有效提高出苗率。

表3 SPSS 22.0计算出苗数ANOVA检验结果

表4 播种27 d后草种出苗情况

4.2 板结现象

本试验通过观测土壤重构前后的板结情况变化(板结程度分无板结、轻度、中度、重度)，研究在渣土中加入羊板粪后对人造土壤物理性质的变化。播种27 d后，DZ和组合1方案均出现了不同程度的板结现象，尤其是DZ方案中纯渣土板结程度较严重，植被倒伏现象明显，有少部分草种虽已发芽，但因土壤板结或渣土粒径过大未能顺利突破重构土壤表层。其中土石比例大、有机质含量高的纯渣土(7号井土样和8号井备用土)呈轻度—中度板结。土壤土石比例小，有机质含量较低的纯渣土(四号井土样)板结程度非常严重，呈中—重度板结；添加了羊板粪的组合1方案中的重构土大部分未板结，仅少部分呈现出轻微板结现象；原始草甸土未出现板结情况。

该结果表明不同的土壤矿基材料或不同的羊板粪用量呈现出不同程度的土壤改良效果，且差异显著，在进行大面积土壤层构建和种草复绿时应对渣土矿基材料进行充分的物理筛分，并将羊板粪等土壤改良材料与纯渣土进行充分的拌合，改善土壤的团粒结构，尽可能减少重构土壤板结和粒径过大对草种出苗和生长的影响。

4.3 土壤成分变化

通过分别测试不同配比人造土壤与原始草甸土的土壤成分差异，可以看出组合1中4种重构土壤的有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾、阳离子交换量(CEC)等肥力指标均明显高于纯渣土(DZ)方案(表5)，且与羊板粪用量的多少呈现出不同程度的正相关性，表明羊板粪可以有效提升土壤肥力情况，但有机质、全氮、速效氮、速效磷、阳离子交换量等土壤肥力指标与原始草甸土(DZ)相比仍然处于较低水平(图2)，需要通过在人造土壤中添加有机肥料提升土壤肥力。

表5 利用 SPSS 22.0计算出的出苗数统计结果

图2 土壤各项指标分布特征

需要说明的是，本次送检的纯渣土来源于4号井南渣山，岩性以三叠系砂泥岩、侏罗系砂岩为主，含土量较低，块石直径3～15 cm，大于5 cm块石占比35%左右，个别地方纯渣土pH背景值达9.37。而其他矿井的pH都低于4号井南渣山，介于7.3～8.6。在纯渣土+羊板粪方案中，添加不同用量的羊板粪后pH值介于8.65～9.34，土壤中的pH值没有明显降低，表明羊板粪的用量对pH的变化影响较小。本次实验研究选取的4种人工草籽具有一定的耐碱性，pH偏高的重构土壤对草的苗情长势影响影响不大，表明区内部分地段堆放的高pH值(>9)的渣土也可用作重构土壤矿基材料。

综上所述，矿区渣土的养分含量极低，植被生长所需的土壤肥力指标严重偏低，因矿区内的渣土在二次人为破碎过程中土壤结构遭到了严重的破坏，容易出现板结现象，无法有效保证牧草中后期的生长需要。因此需要通过将细颗粒渣土和有机质进行充分拌合，以改善土壤团粒结构并提升土壤肥力。实验证明，通过将羊板粪和经过人工破碎筛选后的细纯渣土进行深度拌合可以有效构建表土层，保证牧草的出苗率和重构土壤的保肥能力，具备了较好的牧草立地条件和基本的生长条件。但是有机质、全氮、速效氮、阳离子交换量等有效成分指标仍然明显低于原生草甸土。羊板粪除了可以作为土壤重构物理材料提高土壤通透性以外，还是一种农家肥肥料，羊板粪用量越多，土壤层构建效果越好，但肥效释放速度较为缓慢，加上木里高原高寒地区种草窗口期较短，不能达到重构后短时间内快速提升肥力指标的目标。需要通过添加商品有机肥和牧草专用肥等肥料进一步提升再造土壤的肥力和保水保肥能力。

5 人造土壤肥力提升的综合评价

土壤肥力指标涉及到多个成分指标，因此笔者采用主成分分析法对原始草甸土、纯渣土、重构土壤进行土壤肥力评价和对比分析。

5.1 土壤肥力指标相关性分析

利用SPSS 22.0软件，对原始数据(表6)进行相关性分析可知，土壤中的pH值与全氮、速效氮、速效磷、速效钾呈现出显著的负相关性。有机质与全氮、速效氮、阳离子交换量具有显著的正相关性，全氮与速效氮、速效磷与速效钾均呈现出明显的正相关性(表7)，表明木里矿区的土壤肥料指标具备主成分分析的前提条件。

表6 样品检测结果

表7 土壤样品肥力指标相关系数

5.2 人造土壤肥力提升综合评价

使用SPSS 22.0和Excel软件对数据进行处理分析，通过KOM和Barlett球体检验法进行因子分析适用性检验，结果表明KOM=0.639>0.5，Sig=0.000<0.001，说明可以采用主成分分析法对实验土壤样品进行主成分分析。

由总方差分析结果可知，前2个主成分为F1和F2，方差贡献率分别为48.665%和32.792%，解释了全部方差的81.457%(表8)，说明提取的2个主成分信息能够代表原来7个土壤肥力指标所包含信息的81.457%，可以用于再造土壤肥力提升的综合评价。

表8 总方差分析结果

据成分矩阵和得分矩阵可知(表9)，在主成分F1中，有机质()、全氮()、速效氮()、阳离子交换量()的成分得分系数均大于0.379，所以主成分F1是上述4个指标的综合反映。主成分F2中，速效磷()、速效钾()的得分系数大，均大于0.605，

表9 成分矩阵和得分矩阵

表明主成分2的大小可以反映土壤中可供牧草快速吸收的速效磷、速效钾等速效成分的高低。

根据2个主成分系数，得到F1，F2的线性组合：

=-0.443+0458+0445+0439+0161+0180+0379

=-0.255-0277-0105-0044+0605+ 0606-0336

通过F1，F2的线性组合公式计算得出的主成分得分，再将各主成分得分与其方差贡献率进行加权求和计算(式(1))，得出不同处理方案的综合得分(表10)，综合得分越高，代表土壤肥力越高。

=48.665%+32.792%

(1)

..主成分得分分析

从主成分得分来看，DZ，Y+YJ+M，Y+YJ，Y+YJ的主成分F1得分均大于0.9(表10)，主成分F1平均得分由高到低为DZ>渣土+羊板粪+有机肥+牧草专用肥(组合3)>渣土+羊板粪+有机肥(组合2)>渣土+羊板粪(组合1)>纯渣土(DZ)(表11)，说明通过施加羊板粪、有机肥和牧草专用肥等土壤改良剂可以有效提升重构土壤的有机质、全氮、速效氮、阳离子交换量等营养成分含量，但仍远远低于原生草甸土。

表10 主成分得分和综合得分

表11 主成分得分和综合得分平均值

主成分F2是速效磷和速效钾2个速效成分的综合反映，Y+YJ，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ的得分均大于1，明显高于纯渣土(DZ)、原生草甸土(DZ)和渣土+羊板粪(组合1)，表明在添加有机肥的基础上，再施加商品有机肥或牧草专用肥，可以在短时间内提升土壤中可供植被生长需要的速效成分。同时，在试验过程中还发现，将用羊粪加工而成的有机肥进行土壤肥力提

升时不存在烧苗情况，而施加非羊粪基质的有机肥则存在烧苗现象，且部分烧苗情况很严重，因此大面积重构土土壤肥力提升过程中应优先使用当地羊粪等牲畜粪便加工而成的商品有机肥。

已有研究表明，土壤有机质、全氮、速效氮等因素是影响植被生物量的重要因子，而速效磷、速效钾、容重对生物量的影响不大，有机质含量过低不能满足植物生长需要，且容易出现板结情况。阳离子交换量是评价施肥和土壤改良效果的重要指标，在很大程度上代表了土壤的保肥供肥和缓冲能力的高低。有机质与全氮、速效氮、阳离子交换量具有显著的正相关性，其含量越高，代表土壤的保肥供肥能力越大，反之越低。因此在进行土壤层构建改良效果评价时，应着重以土壤层构建后的有机质、全氮、速效氮、阳离子交换量等含量与土壤肥力指标、原始草甸土的接近程度为评价标准。

..综合得分分析

从综合得分来看，DZ，Y+YJ+M，Y+YJ，Y+YJ的综合得分均大于1，土壤综合肥力明显高于其他处理方案，纯渣土的综合得分最低(DZ=-1.876)，说明土壤重构方案中Y+YJ+M的土壤综合肥力最优，最接近于原始草甸土的土壤肥力质量。在组合2和组合3的方案中，羊板粪用量为Y(500 m/hm)和Y(300 m/hm)，有机肥用量为YJ(22 500 kg/hm)时，土壤肥力整体提升效果最好，通过施加羊板粪和有机肥可以使重构土壤的肥力指标在短时间内快速提升，从而达到土壤改良的目的，土壤重构效果较好。

在组合3方案中，Y+YJ+M的综合得分最高，表明在Y(500 m/hm)+YJ(22 500 kg/hm)+M(225 kg/hm)的配比方案下的土壤肥力质量最高。Y+YJ+M的综合得分(1.266)是Y+YJ+M(0.665)的1.93倍，说明土壤重构过程中施肥量越高并不代表土壤肥力状况就会更好，反而会抑制土壤有效成分的释放，从而影响植被的生长，因此需合理施肥。Y+YJ+M的综合得分(1.266)大于Y+YJ的综合得分(1.172)，表明在施加相同用量的羊板粪和有机肥的情况下，添加牧草专用肥，可进一步改善土壤肥力状况，确保土壤重构中后期牧草生物量的增加。

由土壤肥力指标对比图(图3)可知，纯渣土的土壤肥力指标在有机质、速效氮、速效磷、速效钾、全氮和阳离子交换量等方面严重偏低且板结严重，土壤状况最差；而使用羊板粪与渣土(组合1)或渣土+羊板粪+有机肥+牧草专用肥(组合3)构建的人造土壤，其土壤成分指标与原始草甸土接近，说明可使用渣土和羊板粪作为木里矿区土壤层构建重要成分，再通过添加一定的有机肥和牧草专用肥，使再造土壤的肥力指标更加接近于原始草甸土，实现了以渣土为矿基材料，添加当地的羊板粪等构建土壤层的目的。

图3 原始草甸土、渣土和土壤层构建后的主要成分对比

综上所述，在木里高原高寒煤矿区的实际大面积生态地质层构建和种草复绿过程中，优先选用组合方案3中的Y(500 m/hm)+YJ(22 500 kg/hm)+M(225 kg/hm)配比方案，但鉴于木里矿区内除了存在大量裸露平台以外，还存在大量的不同角度的边坡，而边坡复绿区域遇到强降雨和冻土层消融时更容易发生肥力流失，因此较为平坦的平台区域复绿优先选用Y+YJ+M的配比方案进行土壤重构，坡地则适当地增加商品有机肥的用量，选用Y(500 m/hm)+YJ(300 m/hm)+M(225 kg/hm)的配比方案进行土壤重构，助力木里高原高寒矿区生态治理，实现被破坏区域地表复绿。

6 在生态环境治理工程中的应用

通过本次试验结果进一步研究制定出木里矿区大面积土壤重构和种草复绿方案，确定了羊板粪、有机肥、牧草专用肥的用量和作业播种流程，其中羊板粪为500 m/hm左右，坡地有机肥30 000 kg/hm，平地有机肥22 500 kg/hm，牧草专用肥225 kg/hm。

本次土壤层构建试验成果不但在木里矿区聚乎更的7个矿井生态环境治理中得到了很好应用，而且还推广到海拔更高的雪霍立里矿区生态环境治理。木里矿区生态治理土壤层构建过程中，将羊板粪按450 m/hm左右的用量与覆土或就地翻耕土进行充分拌合20 cm左右，然后将40%的颗粒有机肥再进行充分拌合20 cm后，再将剩余的60%的颗粒有机肥连同实验研究中的4种草种和星星草共5种混播牧草、225 kg/hm牧草专用肥混合均匀撒入重构土层表面并拌合5 cm，以达到在六、七月份种草窗口期内快速提升人工再造土壤肥力的目的。

已有研究分析表明，2001年木里矿区在大规模开采前高寒草甸景观植被覆盖率为77.43%，因煤炭开采矿区植被覆盖度呈现出整体下降的趋势，在2013年、2017年、2020年分别下降至70.91%，70.90% 和70.88%。截至2021-09-15，木里矿区各矿井草种生长情况较为理想(图4)，平均出苗数皆大于15株/m，平均株高大于10 cm，平均覆盖度皆大于70%，其中8号井覆盖率更是高达92%(表12)，这是由于8号井渣土的土石比例大且有机质含量高，也进一步验证了不同的土壤矿基材料、不同的土壤添加剂改良组合采用同种方案时土壤改良效果存在不同程度的差异，且利用羊板粪、有机肥等土壤改良材料可以在短时间内改善矿区纯渣土的土壤结构，达到土壤层改良的效果，实现了高原高寒矿区生态地质层修复中的土壤层构建和大面积应用。

图4 木里矿区大面积土壤层构建前后的复绿效果对比

表12 各矿区实际种草复绿效果

为确保能够产生持久的生态效益和社会效益，防止重构土壤和人工植被出现严重退化，后期仍需要严格按照管护长效机制，对复绿区域进行长期监管，严禁牲畜和人为破坏，同时积极开展植被生长长期动态监测工作，及时准确掌握矿区植被多样性、覆盖度、生物量、非栽培植物入侵及土壤养分情况，对植被覆盖度较低的区域及时进行补植补播，为高原高寒矿区生态地质层修复提供科学的参考。

7 结 论

(1)羊板粪可作为较为优质的渣土改良剂，通过将羊板粪和矿区内经过人工破碎筛选后的细纯渣土进行深度拌合，可有效构建具备较好植被立地条件和基本生长条件的人造土壤，实现就地渣土改良形成人造土壤。以羊粪为基质的羊板粪能够提高土壤肥力，保证种植草的出苗率和构建后土壤的保肥能力。

(2)羊板粪和商品有机肥等土壤改良剂的组合和不同的比例都会起到不同程度的土壤改良效果。利用主成分分析法，分析了不同材料和配比在加入人造土壤后，土壤肥力提升的综合效果，得出渣土+羊板粪+商品有机肥+牧草专用肥(组合3)的土壤层构建方案最优，牧草长势好，与原始草甸土壤成分最相近。

(3)现场大面积土壤层构建种草复绿时，根据最佳的配比方案，制定了羊板粪用量为450 m/hm左右、商品有机肥用量为22 500～30 000 kg/hm、牧草专用肥为225 kg/hm的土壤层构建和肥力改良方案，复绿成效显著。

(4)在高原高寒木里煤矿区生态修复过程中，当地渣土通过物理、化学措施的改良能够实现土壤层构建的目的。本次研究取得的土壤层构建配方和施工工艺在后续的大面积治理工程中得到很好的应用，证明推广应用了试验取得的土壤层构建方法，不但有效治理了矿区的生态环境，解决了当地无土的难题，还节省高昂的治理费用，具有极大的实践意义，也为同类矿区大面积生态地质层修复提供参考和借鉴。