本发明涉及土壤重构技术领域，尤其涉及一种土壤重构物及其制备方法和应用。
背景技术：
内蒙古锡林浩特草原区土壤以砂壤土为主，表土层薄且贫瘠，是制约草原生产力的重要因素。当地年均降雨294.74mm，年蒸发量1759mm，降雨主要集中在6-8月份，占全年降水量的70％，水土流失严重，是内蒙古自治区水土流失重点预防保护区，草地生态环境脆弱。而露天矿的开采对本就脆弱的草原生态系统更造成严重的破坏，而土地复垦正是解决这种破坏的重要手段。东部草原区土壤肥力较差，适宜生长的植物种类相对较少，需要对生态修复选用的植被种类进行筛选。五月下旬到九月下旬的植被生长期内，东部草原区地温较高，且由于降水量少，蒸发量大，因此植被的植株单体较小，且极易出现发黄的现象。
矿山废弃地植被恢复和生态重建主要障碍是土壤因子以及植被种类因子，即废弃地特殊的、不良的理化性质以及适宜生长的植被种类。矿山土壤重构成为了矿山废弃地复垦的核心，复绿植被的筛选成为了生态复绿的关键。对于表土稀缺地区而言，露天煤矿的开采导致地表表面积增加，开采前剥离的表土不足以进行覆土到之前厚度，因此表土不足就成为了限制表土稀缺矿区土地复垦的重要因素。除此之外，复垦之后因为不同类型重构表土理化性质的差异会导致不同类型重构表土适宜生长植被种类也会有差异，因此关于复绿植被的选取也成为了矿区土地复垦和生态修复的重要因素。采用替代材料来造土就成为解决这一限制因素的不二选择。但是，大量表土替代材料的使用，导致土壤肥力状况不佳。同时大颗粒的固废的使用，导致土壤的持水能力降低。
cn109097064a公开了一种酸性土壤改良剂，包括以下重量份的原料制成：脱铝赤泥粉50～75份、磷石膏15～30份、草木灰5～10份、钙镁磷肥5～10份、复合微生物菌剂0.5～1份、胶结料10～25份；其对酸性土质进行了针对性的改良。cn109957404a公开了一种风沙土壤改良剂，将活化壳聚糖液，改性蒙脱石，乳化剂，改性添加剂，甘油，改性海藻酸钠液，改性海泡石，磷脂，有机酸，淀粉，搅拌混合，所得的风沙土壤改良剂具有优异的保水性能。
而我国地域辽阔，土壤类型众多，土壤改良剂在不同土壤类型上的表现肯定存在差异，不同土壤类型适宜生长的植被也存在差异。即不同区域，其适用的土壤改良剂和适宜生长的植被存在区别。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种土壤重构物及其制备方法和应用，从解决区域问题入手，以内蒙古锡林浩特草原矿区为研究区域，研发了适用于该区域的重构土壤制备与改良剂筛选以及植被筛选的方法，对保障该区域的生态安全起着重要作用。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：一种土壤重构物，包括以下重量百分含量的组分：30％-70％的添加生物炭的岩土剥离物，30％-70％的煤矸石；所述生物炭的热解温度为400℃-600℃，优选500℃，所述生物炭与岩土剥离物的用量比为10：1-20：1。
该生物炭的热解温度从150℃上升到500℃时，其比表面积从12m2/g增加到307m2/g，大孔隙数量极大的增多，大孔隙对重构土壤的通气性和保水性都有很大的影响，而且能够为微生物提供栖息地和繁殖的场所，同时降低厌氧程度，抑制反硝化作用；生物碳的碱性随着裂解温度升高而增大，芳香化的程度越来越大，稳定性越来越强，调节重构土壤ph值的能力增强。施用生物炭能够增加土壤的肥力，生物炭促进作物增产主要通过改变土壤的物理、化学和微生物学性质来实现。生物炭的多孔性和高比表面积特性对土壤容重的降低、孔隙度和持水能力的提高，并且可以成为土壤微生物良好栖息地。
上述煤矸石原料均来自矿区采矿固体废弃物，所述岩土剥离物来自采矿过程中剥离的含有砾石的剥离物。其中，上述岩土剥离物可以增加土壤孔隙度，有利于植被的呼吸作用。同时，其用作替代物，节省了客土用量。煤矸石可以提供有机质，并起到保水的效果。上述生物炭选用将生物质经500℃高温热裂解后生成的生物炭，其可降低土壤的容重，提高土壤的饱和含水量，固持土壤水分，提高土壤肥力，上述生物质可采用如玉米秸秆、棉杆和/或稻壳等豆科植物原料。
根据本发明的土壤重构物，在一种优选的实施方式中，所述土壤重构物还包括≤40％的粉煤灰。该粉煤灰可以提供mg、ca等一些微量元素，并起到保水作用。
根据本发明的土壤重构物，在一种优选的实施方式中，所述土壤重构物，包括以下重量百分含量的组分：40％的添加生物炭的岩土剥离物以及60％的煤矸石；优选地，所述土壤重构物还可包括以下重量百分含量的组分：30％的添加生物炭的岩土剥离物、40％的煤矸石以及30％的粉煤灰。
根据本发明的土壤重构物，在一种优选的实施方式中，所述煤矸石和岩土剥离物的粒径≤5cm，优选为≤1cm。煤矸石的粒径过大时，大于5cm不利于重构土壤对水分的保持，粒径小于5cm不仅利于重构土壤容重的降低，其微小孔隙还能够提高重构土壤的持水能力，植被根系更容易对其依附和对养分的利用。
根据本发明的土壤重构物，在一种优选的实施方式中，所述土壤重构物还包括保水剂，所述保水剂与岩土剥离物的用量比为25：1-30：1，优选28：1，保水剂选自高分子吸水性树脂中的一种或多种，优选30-80目的高分子吸水性树脂sap。上述保水剂可以抑制水分蒸发，提高土壤饱和含水量，降低土壤的饱和导水率，减缓土壤释放水的速度，减少土壤水分渗透和流失。
本发明另一方面的目的在于提供上述土壤重构物的制备方法，包括以下步骤：
将岩土剥离物以及煤矸石和/或粉煤灰按上述的重量百分含量进行混合，混合后再加入生物炭搅拌均匀，得到土壤重构物。
优选地，将岩土剥离物、煤矸石、按照4:6的比例进行混合；或者，将岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰按照3:4:3的比例进行混合。在重构土壤的配比中，煤矸石的加入能够有效的改善土壤养分状况，降低重构土壤的ph；煤矸石的加入可以弥补粉煤灰缺氮等营养元素的短板，同时由于岩土剥离物中养分元素含量较低，因此在考虑植被生长所需养分状况的前提下，岩土剥离物 煤矸石实验组中的岩土剥离物含量应控制在40％及以下，岩土剥离物 煤矸石 粉煤灰实验组中的粉煤灰与岩土剥离物含量应控制在30％及以下。
本发明再一方面的目的在于提供上述土壤重构物的应用，在所述土壤重构物表面进行植被种植。
在一种优选的实施方式中，上述土壤重构物应用于内蒙古草原矿区，所述植被优选为柳枝稷、羊草和冷蒿，更优选柳枝稷和羊草。
在一种优选的实施方式中，所述土壤重构物表面覆盖肥料后再种植植被，所述肥料优选为火土(牛羊粪肥)。
本发明的有益效果如下：本发明基于缓解东部草原矿区表土稀缺对土地复垦质量的影响以及不同复绿植被选区对后续生态恢复效果的影响，为脆弱草原生态系统的稳定提供保障的目的，进行了上述配比方案的研发和复绿植被种类以及土壤改良剂的筛选。本发明的土壤重构物采用岩土剥离物、煤矸石和/或粉煤灰作为表土替代材料，同时加入生物炭和/或保水剂，提高了土壤的肥力和持水能力，另外还可以刺激作物根系生长和发育，在上述土壤重构物的表面优选种植柳枝稷等植被，植被存活率高，且平均株高可以有效增加。因此，本发明开发了一整套适用于内蒙古草原矿区重构土壤制备与改良以及植被筛选的方法。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
柳枝稷，羊草，冷蒿，种子从种子商店购买。
煤矸石、岩土剥离物与粉煤灰的原料来源:矿区采矿固体废弃物。
植被种植方法采用常规技术，不再赘述。
在下述实施例1-18中，采用土壤重构物作为基质，并在其上种植植物种子，具体如下：
采用盆栽的基质作为实验土壤，实验用花盆规格为：高度13cm，直径15cm。土壤配制过程为：
将煤矸石与岩土剥离物先进行分选，选择粒径在5cm以下，各方案重构土壤分别为：
岩土组：纯岩土剥离物(平均每盆973.98g)，进一步设置各方案为：①纯岩土剥离物100％三组九盆；②纯岩土剥离物100％ 保水剂三组九盆；③纯岩土剥离物100％ 生物炭三组九盆；
岩土组 煤矸石组：将岩土剥离物、煤矸石、按照4:6的重量百分比比例进行混合(平均每盆726.85g)。进一步设置各方案为：①岩土剥离物40％ 煤矸石60％三组九盆；②岩土剥离物40％ 煤矸石60％ 保水剂三组九盆(保水剂与岩土剥离物的用量比为28：1)；③岩土剥离物40％ 煤矸石60％ 生物炭三组九盆(生物炭与岩土剥离物的重量用量比为17：1)；
岩土剥离物 煤矸石 粉煤灰组：将岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰按照3:4:3的重量百分比比例进行混合(平均每盆818.75g)。进一步设置各方案为：①岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％三组九盆；②岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％ 保水剂三组九盆(保水剂与岩土剥离物的用量比为28：1)；③岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％ 生物炭三组九盆(生物炭与岩土剥离物的重量用量比为15：1)；
其中，玉米秸秆经500℃高温热裂解后生成的生物炭，生物炭添加组每盆生物炭用量为20g，与盆内土壤重构物均匀混合；
保水添加组每盆保水剂用量为14g，使用深度为3-5cm；保水剂选用30-80目的“高分子吸水性树脂sap：主要化学成分为——低交联型聚丙烯酸钠88％(其中含钠24.5％)、水8％-10％、交联剂0.5％-1％”。
边加入土壤重构物，边将生物炭与土壤重构物混合，加入土壤重构物至距盆口2cm左右，反复混合至生物炭与土壤重构物充分混合。
每盆加入113.96g的火土(牛羊粪肥)作为底肥。
用水将土浇透至盆底有水流出，每盆拨入种子50颗，之后在其上覆盖1cm表土。植被种植方案具体如下：
(1)岩土组：①纯岩土剥离物100％三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；②纯岩土剥离物100％ 保水剂三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；③纯岩土剥离物100％ 生物炭三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；
(2)岩土组 煤矸石组：①岩土剥离物40％ 煤矸石60％三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；②岩土剥离物40％ 煤矸石60％ 保水剂三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；③岩土剥离物40％ 煤矸石60％ 生物炭三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；
(3)岩土剥离物 煤矸石 粉煤灰组-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆：①岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆；②岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％ 保水剂三组九盆；③岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％ 生物炭三组九盆-柳枝稷、羊草、冷蒿各三盆。
在实施例1-18中，重构土壤及植物种植的实施方案及相应的结果如下表1所示：
表1
注：其中a—纯岩土剥离物方案，b—岩土剥离物40％ 煤矸石60％方案，c—岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％方案；1—添加保水剂，2—添加生物炭(生物炭制备温度500℃)；a—种植柳枝稷，b—种植羊草，c—种植冷蒿。
三种实验植被的生物量相比柳枝稷>羊草>冷蒿，且冷蒿生物量较小，因此优选为柳枝稷和羊草作为最终植被筛选对象。
由表1可得出，结合b2-a与c2-a两种方案，柳枝稷的存活率高于羊草，柳枝稷的单株生物量大于羊草。最优植被选定为柳枝稷，最优改良的重构土壤为添加生物炭(生物炭制备热解温度500℃)的岩土剥离物40％ 煤矸石60％，以及添加生物炭(生物炭制备温度500℃)的岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％。
添加生物炭的b方案，种植柳枝稷的存活率较无添加剂的a方案提高4.70％，平均株高增加0.8cm；较添加生物炭的a方案种植柳枝稷的存活率提高5.37％，平均株高增加了1.9cm。
添加生物炭的c方案，种植柳枝稷的存活率较无添加剂的a方案提高2.70％，平均株高增加3.5cm；较添加生物炭的a方案种植柳枝稷的存活率提高2.70％，平均株高增加了3.5cm。
对比例：仅使用锡林浩特草原区采矿过程中剥离的含有砾石的剥离物——岩土剥离物(平均每盆973.98g)，同样在每盆加入113.96g的火土(牛羊粪肥)作为底肥。用水将土浇透至盆底有水流出，每盆拨入柳枝稷种子50颗，之后在其上覆盖1cm表土。对比例植被种植结果为：对比例为纯岩土剥离物种植柳枝稷，在经过80天的生长期之后，柳枝稷的存活率仅为27.30％，平均株高仅为19.8cm。
对比例生长状况劣于实施例(岩土剥离物40％ 煤矸石60％ 生物炭种植柳枝稷的存活率32.00％，平均株高20.6cm)；对比例生长状况同样劣于实施例(岩土剥离物30％ 煤矸石40％ 粉煤灰30％ 生物炭种植柳枝稷的存活率30.00％，平均株高23.3cm)。
本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。
1.一种土壤重构物，其特征在于：包括以下重量百分含量的组分：30％-70％的添加生物炭的岩土剥离物，30％-70％的煤矸石；所述生物炭的热解温度为400℃-600℃，所述生物炭与岩土剥离物的用量比为10：1-20：1。
2.根据权利要求1所述的土壤重构物，其特征在于：所述土壤重构物还包括≤40％的粉煤灰，所述生物炭与岩土剥离物的用量比为15：1-17：1，所述生物炭的热解温度为500℃。
3.根据权利要求1所述的土壤重构物，其特征在于：所述土壤重构物包括以下重量百分含量的组分：40％的添加生物炭的岩土剥离物以及60％的煤矸石。
4.根据权利要求2所述的土壤重构物，其特征在于：所述土壤重构物还可包括以下重量百分含量的组分：30％的添加生物炭的岩土剥离物、40％的煤矸石以及30％的粉煤灰。
5.根据权利要求1所述的土壤重构物，其特征在于：所述煤矸石和岩土剥离物的粒径≤5cm，优选为≤1cm。
6.根据权利要求1所述的土壤重构物，其特征在于：所述土壤重构物还包括保水剂，所述保水剂与岩土剥离物的用量比为25：1-30：1，保水剂选自高分子吸水性树脂中的一种或多种，优选30-80目的高分子吸水性树脂sap。
7.如权利要求1-6任一项所述的土壤重构物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将岩土剥离物以及煤矸石和/或粉煤灰进行混合，混合后再加入生物炭搅拌均匀，得到土壤重构物。
8.根据权利要求7所述的土壤重构物的制备方法，其特征在于：按重量百分比计，将岩土剥离物、煤矸石，按照4:6的比例进行混合；或者，将岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰按照3:4:3的比例进行混合。
9.如权利要求1-6任一项所述的土壤重构物的应用，其特征在于：在所述土壤重构物表面进行植被种植。
10.根据权利要求9所述的土壤重构物的应用，其特征在于：所述土壤重构物应用于内蒙古草原矿区，所述植被优选为柳枝稷、羊草和冷蒿，更优选柳枝稷和羊草。
技术总结