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1、案例教学 受损土壤改良与植被恢复,主要内容,受损土壤特点受损土壤改良受损土壤修复受损土壤植被恢复,主要内容,受损土壤特点受损土壤改良受损土壤修复受损土壤植被恢复,受损土壤的特点,1. 土壤物理结构不良，保水、保肥能力差土地平整、采矿作业等导致土壤压实、板结，孔隙度降低,容重增大土层扰动，底层土被翻至地表。孔隙很少，通透性极差或由剥离的表土、开采的废石堆积形成的废石废弃地、尾矿废弃地等,受损土壤的特点,2. 土壤贫瘠，氮、磷、钾及有机质含量极低 富含有机质的表层土常被剥离、扰动或原有结构被打乱，或覆盖未熟化土。,受损土壤的特点,3. 土壤酸化或盐碱化等 工矿企业酸性或碱性废水排放导致矿区废弃地土
2、壤极端酸性或碱性,受损土壤的特点,4. 存在重金属等有毒有害污染物质 工矿废弃地一般存在较高水平的重金属等污染物质。矿区尾矿库、废石堆场、选矿废水等含有极高浓度的重金属。重金属污染是金属矿山废弃地复垦土壤的重要特点。,主要内容,受损土壤特点受损土壤改良受损土壤修复受损土壤植被恢复,受损土壤改良,土壤改良、修复的方法、材料非常多，但最终都是要实现三个基本目标： 一是改善土壤基质的物理结构； 二是改善基质的养分状况； 三是去除基质中的有毒有害物质。,受损土壤改良,1. 土壤培肥改良技术2. 化学改良技术3. 微生物技术,1.土壤培肥改良技术,1) 客土覆盖2) 绿肥法3) 施用有机改良物质4) 施
3、用化学肥料,对土壤团粒结构、孔隙度等理化性状的改良及土壤有机质、氮、磷、钾等营养状况的改善。主要包括：,1.土壤培肥改良技术,1) 客土覆盖,废弃地土层较薄或没有土层的情况下，采用异地熟土覆盖，改善植物生长基质条件，特别是引进氮素、微生物和土壤种子库，为植被重建或达到可耕性提供有利条件。该技术的关键在于有充足的土源，土源应尽量在当地解决。,1.土壤培肥改良技术,2) 绿肥法,绿肥是改良整理复垦土地贫瘠土壤、增加有机质和氮磷钾等营养元素的有效方法。绿肥多为豆科植物，利用其根瘤菌固氮，其生命力旺盛，在自然条件较差、土壤较贫瘠的土地上都能很好地生长。在复垦第一、二年，种植绿肥作为先锋植物，压青腐熟，
4、除释放大量养分外，还可以转化成腐殖质，增加土壤有机质含量，其根系腐烂后也有胶结和团聚作用，可以有效改善土壤理化性质。,1.土壤培肥改良技术,3) 施用有机改良物质,有机物料不仅含有作物生长和发育所必需的各种营养元素，而且可以改良土壤物理性质，增加土壤持水保肥能力。常用的有城市污泥、人畜粪便、有机堆肥、生活垃圾、泥炭类物质等。,1.土壤培肥改良技术,4) 施用化学肥料,合理施用无机化学肥料是提高土壤中矿质营养水平的有效措施。综合施加氮、磷、钾肥要比单施某一种肥料好。,2.化学改良技术,1) 酸性土壤：可施用碳酸氢盐或石灰来调节酸性，既降低土壤酸碱度，又能促进微生物活性，改善土壤结构；也可施用磷矿
5、粉、粉煤灰等物质，磷矿粉既可提高土壤肥力，又能在较长时间内控制土壤pH值。粉煤灰既可以降低土壤的酸性，又可改善土壤的物理性状。2) 碱性土壤：可采用硫磺、氯化钙、硫酸亚铁、石膏和硫酸等酸性物质进行中和改良,土壤微生物具有迅速熟化土壤、固定空气中的氮素、参与养分转化、改进土壤结构提高植物的抗逆能力等功能。比较典型的例子是根瘤和菌根。,3.微生物技术,根瘤：固氮细菌与植物根系的共生体。可吸收固定大气中的分子态氮，即生物固氮。在养分缺乏的贫瘠土壤中更能促进植物生长。,3.微生物技术,3.微生物技术,接种根瘤菌对三叶草生长的影响,N0、N0.15、N0.30分别表示不施氮素、施氮素0.15g/kg、0
6、.30g/kg。,菌根：土壤中的真菌菌丝与高等植物形成的植物微生物共生联合体。 延伸的菌丝体增加根系的吸收面积，促进植物生长， 提高植物抗病等抗逆境能力。 菌丝的穿插促进土壤凝聚。,3.微生物技术,3.微生物技术,接种菌根菌对植株侵染率、地上下部及总的植株干重和根茎比的影响 （毕银丽等，2002）,通过向新建植的植物接种微生物： 改善植物营养条件、促进植物生长 利用植物根际微生物的生命活动，使失去微生物活性的土壤重建和恢复土壤微生物体系，加速整理复垦土地地土壤的基质改良 加速生土熟化，提高土壤肥力,3.微生物技术,目前市场上推广的EM（Effctive Microorganisms）利用技术是
7、将经过筛选出的好氧性和厌氧性微生物加以混合，采用独特的工艺，发酵而制成微生物活菌制剂。EM 中代表性的微生物有光合细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌、丝状菌等。可以加速土壤有机物分解，促进土壤团粒化，提高土壤肥力，使有效养分含量明显增加，大大节约肥料；控制有害微生物，减少病虫害等。,3.微生物技术,主要内容,受损土壤特点受损土壤改良受损土壤修复受损土壤植被恢复,受损土壤修复,1. 物理修复2. 化学修复3. 生物修复4. 农艺措施,工矿企业废弃地整理复垦区尤其是金属矿山废弃地往往存在重金属等污染问题。除采取上述各种土壤培肥改良措施外，还要进行土壤修复来处理土壤污染问题，使土壤条件达到植物生长或农畜产
8、品安全标准。主要技术包括：,1.物理修复,1）工程措施 2）玻璃化修复 3）电动力学修复 4）电磁法修复,主要包括换土、客土、去表土、隔离、深耕翻土等措施。换土、去表土、客土被认为是治本的好方法，但是工程量大，并有污土的处理问题，目前只用于小面积、污染严重的地区。,1.物理修复,1）工程措施,把重金属重污染区土壤置于高温高压条件下，形成玻璃态物质，使重金属固定于其中，达到消除重金属污染的目的。工程量大、费用高昂，但能从根本上消除土壤的重金属污染，且见效快，常用于重金属重污染区的抢救性修复。,1.物理修复,2）玻璃化技术,通过电流的作用，提高土壤的Eh值并在阴阳两极附近的土壤溶液中聚集大量的H+
9、和OH- ，调节土壤的pH 值，以利于重金属离子的去除。,1.物理修复,3）电动力学修复,1.物理修复,4）电磁法修复 （热解吸法修复）,利用高频电压产生电磁波，在电磁波作用下，产生热能，对土壤进行加热，使污染物在土壤颗粒内解吸而达到修复的目的。适用于一些受汞或硒等易挥发性重金属污染的土壤的修复。是一种操作简单、经济可行的方法。,2.化学修复,1）化学改良剂修复 2）螯合剂修复 3）表面活性剂修复,2.化学修复,1）化学改良剂修复,向土壤中添加改良剂（抑制剂），与污染物发生氧化、还原、沉淀、吸附、络合、抑制、拮抗等化学作用，降低污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，从而降低其迁移能力。磷酸盐、磷
10、灰石、石灰、硅酸盐、粘土矿物等被认为是处理重金属污染的常用改良剂。适用于污染不太严重的土壤。,2.化学修复,2）螯合剂修复,向土壤中施加重金属螯合剂，使吸附在土壤固体表面的重金属解吸到土壤溶液中，提高土壤中重金属的有效态，再经淋洗或植物吸收将污染物从土壤中去除。,2.化学修复,3）表面活性剂修复,利用表面活性剂润湿、增溶、分散、洗涤等特性，改变土壤表面电荷和吸收位能，或从土壤表面把污染物置换出来，以络合、螯合物的形式存在于土壤溶液中，提高污染物在土壤溶液中的流动性。,3.生物修复,1）植物修复 2）微生物修复 3）动物修复,3.生物修复,1）植物修复,植物提取植物挥发根际过滤植物稳定,3.生物
11、修复,1）植物修复,植物提取利用某些对重金属具有超富集作用的植物超积累植物，把污染物吸收转移到地上部，然后收割地上部分进行集中处理，达到降低土壤中重金属含量的目的。目前已发现400多种超积累植物。,3.生物修复,1）植物修复,植物提取对于超积累植物的定义一般考虑以下两个因素: 植物地上部分富集的重金属应达到一定的量; 植物地上部分的重金属含量应高于根部。重要的超积累植物主要集中在十字花科。,遏蓝菜：Zn、Cd,龙葵：Cd,海州香薷：Cu,羽叶鬼针草：Pb,井口边草：As,蜈蚣草：As,3.生物修复,1）植物修复,植物挥发土壤中重金属通过植物作用产生毒性小的挥发态物质。主要是Hg、Se、As。硒
12、在洋麻、牛毛草等植物的作用下转化为气态形式的二甲基硒和二甲基二硒。洋麻可使土壤中约50%的三价硒转化为甲基硒挥发从土壤中去除。,3.生物修复,1）植物修复,根际过滤是利用植物根系过滤沉淀重金属的过程。主要是利用水浮莲、浮萍、水葫芦等水生植物的吸附能力，减轻重金属对水体的污染程度。目前实际应用较多的是人工湿地技术和生物塘工程。,3.生物修复,1）植物修复,植物稳定通过植物吸收、分解、氧化还原和沉淀固定等作用，降低重金属在土壤中的活动性和毒性，防止重金属的渗滤或扩散。该技术适用于矿区或者核电站废弃地的污染修复。可以通过大面积种植这类植物来降低污染物的扩散和危害，或以这些植物作为矿区废弃区植被恢复的
13、先锋种。植物稳定并没有从根本上清除污染物，随着时间的推移或在适当的环境诱发下，仍有扩散、渗虑的风险。,典型案例：As超积累植物蜈蚣草修复矿山污染土壤（陈同斌研究小组）,湖南郴州：世界上第一个砷污染土壤植物修复基地修复前：湖南郴州苏仙区邓家塘乡因砷污染导致600多亩稻田弃耕、2人死亡、400多人集体住院，诱发严重纠纷和暴力冲突，曾引起国务院高度重视，中央电视台焦点访谈专门报道。修复后：在田间种植条件下，蜈蚣草叶片含砷量高达0.8%，有力证明了蜈蚣草在砷污染土壤的治理方面具有极大的应用潜力。,典型案例：As超积累植物蜈蚣草修复矿山污染土壤（陈同斌研究小组）,广西环江：污染土地的植物修复示范工程修复
14、前：广西环江县因洪灾造成超过5000亩农田土壤被严重污染，部分土壤甚至寸草不生，这已成为广西当前最突出的环境问题。修复后：建立污染土地的植物修复示范工程，目前已种植超富集植物进行土壤重金属污染修复试验，取得初步成效。,3.生物修复,2）微生物修复,利用土壤中的某些微生物对污染物的吸收、沉淀、氧化、还原等作用，降低污染物的毒性与生物有效性。研究热点：微生物植物联合修复,3.生物修复,2）微生物修复,植物与专性菌株的联合修复土壤中许多细菌具有活化土壤中污染物的能力。植物修复污染土壤过程中向土壤中接种专性菌株，不仅可以提高植物生物量，而且还可以提高土壤中重金属等污染物的生物可利用性。植物与菌根的联合
15、修复VA 菌根具有较强的络合重金属元素的能力，当土壤中重金属含量过高时，VA 菌根可以显著提高宿主植物对这些重金属离子的耐性。,3.生物修复,3）动物修复,利用土壤中的小型动物对污染物的吸收、富集作用，通过电激、灌水等方法从土壤中驱出这些动物集中处理，从而降低污染土壤中重金属的含量。,4.农艺措施,包括改变耕作制度、调整作物品种、施用农家肥、控制土壤水分、控制化肥施用等。,改变耕作制度：深翻耕、旱地改水田、进行轮作（调整pH值、Eh值，使之有利于降低重金属的有效性）等。调整作物品种：不同的作物品种对污染物的吸收积累能力不同，可筛选低积累品种。,4.农艺措施,施用农家肥：可为污染物提供吸附、络合
16、剂。控制土壤水分：在淹水的土壤中，重金属一般以难溶态的硫化物的形式存在。作物灌浆期，有一个相对的水淹期， 可减少重金属进入果实和籽实中的含量。控制化肥施用 化肥中的SO42-、Cl-等可活化土壤中的重金属Cd等。,4.农艺措施,该技术在一定程度上可减轻重金属对农作物的危害，避免重金属离子进入食物链，具有费用低实施方便等优点，但周期长、效果不显著，适于中、轻度污染土壤的治理。,主要内容,受损土壤特点受损土壤的改良受损土壤的修复受损土壤植被恢复,受损土壤植被恢复,整理复垦土地植被恢复是指在整理复垦区因采矿及各种工程建设活动导致植被破坏的土地上，通过人为措施恢复原来的植被群落，或重新建立新的植物群落
17、。其主要作用有：1）利用不同种类的人工植物群落的整体结构，增加植被覆盖度，减缓地表径流，拦截泥砂，调蓄土体水分，防止风蚀及粉尘污染。,受损土壤的植被恢复,2）利用植物的有机残体和根系的穿透力以及分泌物的物理、化学作用，改变下垫面的物质、能量循环，促进废石渣的成土过程。3）利用植物对污染物的富集、耐性、稳定等作用，并通过植被覆盖降低土壤重金属等污染物的毒性、控制污染物的扩散。4）利用植物群落根系错落交叉的整体网络结构，增加固土防冲能力，保障工程建设的顺利进行，以及工程建设结束后退化生态系统的迅速恢复和重建。,受损土壤植被恢复,恰当的植被恢复技术是改良土壤、控制污染、恢复土地景观及生态功能的有效措
18、施，也是土地整理复垦的最终目标之一。关键技术：植物的筛选与引种；植物的布局与配置;3. 植物的栽植与管理。,1.植物的筛选与引种,植被恢复工程大体可通过两种途径实现：1）改地适树适草，即主要通过人为改善立地条件，使其基本适应植物的生物学特性。只要措施得当，可速见成效，常普遍采用。但工矿区各种限制性因子往往并非一般性措施可以完全克服，许多废弃地的理化性质，尚并不十分稳定，处于一种变动状态中，加之受区域经济水平的制约，有时立地条件改良并非能获得理想的结果，使其完全适应植物的生长。2）选树选草适地或改树改草适地，即根据待整理复垦场地的立地条件选择或引进对各种限制因子较少要求的先锋植物首先定居，随着先
19、锋植物的生长、繁殖、生境逐渐得以改善，同时其它植物种会逐渐侵入，如生长不受限制，最终将演替成顶极群落。 两种途径并非互不相容，事实上植被恢复工程往往需将二者结合起来加以应用。,根据矿区的气候和土壤条件，植被筛选应着眼于植被品种的近期表现，兼顾其长期优势。一般筛选原则是： 1）速生能力好地上部分生长迅速，枝叶繁茂，能尽早尽快尽可能长的时间覆盖地面，可阻止风蚀和水蚀。同时，落叶丰富，易于分解，以便形成松软的枯枝落叶层，提高土壤的保水保肥能力。 2）适应性、抗逆性强对干旱、潮湿、瘠薄、盐碱、酸害、污染、病虫害等不良立地因子有较强的忍耐能力；对粉尘污染、烧灼、冻害、风害等不良大气因子也有一定的抵抗能力
20、。 3）根系发达能网络固持土壤；能提高水肥吸收效率。 4）固氮植物优先 5）当地的优良乡土品种优先,1.植物的筛选与引种,遵循的原理或原则是：生物多样性原则生态位与生物互补原则物能循环与转化原则物种相互作用原则食物链网原则等,2.植物的布局与配置,以平朔露天矿的植被恢复为例：经历了纯草、纯灌、纯乔模式；随机配比的草、灌、乔组合和优化配置的草、灌、乔组合模式。经过时间的检验，单一品种种植模式易出现病虫害和种群退化问题； 随机组合的草、灌、乔结构，大多数由于相互竞争养分与水分或拮抗作用，也出现整体退化现象。只有设计合理、搭配科学的草、灌、乔复合结构，才能形成稳定的植被群落结构，完成植被群落正常演替
21、。,2.植物的布局与配置,经过20多年的复垦实践，筛选出油松刺槐柠条，刺槐沙棘草木樨、沙打旺沙棘柠条等20 余种草、灌、乔组合作为矿区生态重建的植被配置模式。这些模式的共同特点是易形成较为稳定的植被群落和结构趋于合理的生态系统。草、灌、乔的组合不求各植物种都能长期共存，只求阶段性共生，起到促进物质循环和养分的传递、熟化土壤的作用，逐步过渡到相对稳定的生态系统。豆科牧草在完成其使命后自行退化消失，为乔灌的生长提供必需的养分。伴随着野生植物的侵入，逐步形成与自然相适应、种间和谐共存、群落结构稳定的人工生态系统。,2.植物的布局与配置,3.植物的栽植与管理,农林上常规的栽植与管理技术往往不能满足整理
22、复垦区的植被恢复要求，必须采取特殊的种植工程，才能使受破坏的土地尽快恢复其生产力。种植工程复杂程度常与复垦种植的类别有关。根据立地条件不同，常见种植种类有农业种植和林草种植。农业种植包括农作物、蔬菜、果树等。林草业种植包括草本(牧草、杂草和花卉等)和木本(乔木、灌木、藤本等)。新整理复垦土地，只有在立地条件通过复垦措施(大多是林草)改善的情况下，才能进行农业复垦，所以农业种植和管理技术大体和一般土壤是相一致的。工矿区新造地在复垦阶段大多以林草为主，要求比林业上绿化有更为复杂的工程技术。,3.植物的栽植与管理,（一）植物工程类别 植物工程类别和要重建的生态系统类型有关，如下表所示。,3.植物的栽
23、植与管理,（二）植被基础工程植被基础工程是为了把地基整理完善或使之稳定化，以适合植物的生长发育，它是植被工程的重点，因为植物群落的恢复并长久保持良好状态，必须造成一个稳定的、适合于植物生长的基础，否则植物难以生长或者即使一时得以生存，但数年后可能出现地基崩溃，草木枯损，植物群落也必然衰败。植被基础工程一般从三个方面着手：（1）缓和严酷的气象环境。在植物的发芽期，幼芽(苗)期，生长受气象因子(风、雨、日照、温度和湿度等)影响很大，所以在长成健壮的植物体前，以缓和严酷的气象环境为目的的基础工程是必要的。,3.植物的栽植与管理,（2）适应陡急的边坡坡度。坡度对植物生长有较大影响，一般树木类的正常生长
24、坡度应小于30。如大于30，生长受到影响，大于45，生长的持久性就成问题。矿山上所处的地形边坡坡度3545占大多数，45以上的急坡也常出现，因此，在植被种植前，必须做成缓坡或进行使植被基盘稳定的基础工程。（3）改善植被基盘。植被基盘为粘性土、砂质土、砾质土、硬质土以及软岩硬岩废堆时，其硬度常常妨碍根系伸展，一些基盘虽硬度不高但含氧不足，同样根系伸展有困难，一些基盘养分缺乏或强酸强碱，也使植物难以生长，因此，必须做些改善植被基盘的基础工程。,3.植物的栽植与管理,（三）植被栽植、保护及管理植被栽植工程设计包括混交方式、造林方式、整地方式和整地规格、造林密度或播种量、苗木规格等。植被保护及管理包括
25、草的田间管理、收割利用、种籽采收、合理放牧利用等以及幼林管护和成林管理。,案例 煤矸石山的植被恢复,案例 煤矸石山的植被恢复,对于矸石山植被恢复的方案主要有：“自然恢复”和“人工恢复”两种方法。自然恢复是指在没有人为干扰的作用下使矸石山恢复植被的过程。这个过程是极其缓慢的，往往需要50100a甚至数百年。人工恢复是指在人为干扰的形式下，通过人工整地、覆土、栽种适宜植被等强干扰作用下恢复矸石山植被的过程。这一过程需要很大的人力、物力和投资等，其工程量特别大。因此，一般采用“自然”和“人工”两种恢复方法相结合，通过对废弃矸石山现有植被进行调查、统计分析，然后根据调查、分析结果选择出相应的植被和方法
26、进行恢复。,案例 煤矸石山的植被恢复,1水分保持矸石山无土，不能保持水分，孔隙大，渗水严重，蒸发量加大，这是矸石山植被恢复困难的根部原因。即使在全部覆土种植区，虽然浇水次数最短，但是由于下面矸石孔隙大，边浇边渗，植物因缺水而生长不良。因此，矸石山复垦种植必须进行配套的水保工程。2土壤厚度的选择矸石山最好覆土后种植，土层宜在50cm以上。土层太薄，植物易受旱。如果水源条件充足，覆土30cm种植蔬菜、花卉亦可。,案例 煤矸石山的植被恢复,3无土复垦时的地面处理我国矸石山多因缺乏土源而无法覆土，故复垦种植全靠矸石风化物和少量的客土。大多数不覆土的矸石山不易平整地面，尽量保留地表风化物以便于种植。或可先挖坑，促使矸石风化一段时间再种植，也可挖坑后将风化物集中人坑内种植，主要目的是加厚风化层。,案例 煤矸石山的植被恢复,4植物种类和栽植技术草本以豆科植物为主，如小叶银合欢、紫花苜蓿、大翼豆、距瓣豆、紫花圆叶舞草、柱花草、野大豆等可作无土复垦先锋植物。以豆科牧草和乔本科牧草混种为好，多种混播可发挥各种牧草的优势，不致使草地早衰。灌木如沙棘、沙打旺、柠条、紫穗槐、锦鸡儿等耐旱、耐贫瘠，适合西北干旱区的矸石山复垦乔木一般以刺槐、臭椿、侧柏、火炬松为好。在年降雨量大时也可种植杨、柳等。,案例 煤矸石山的植被恢复,刺槐林,沙棘林,混交林,Thanks！,
