本文转自：沙拉酱

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　　2020年8月31日中共中央政治局会议审议《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》时指出：黄河是中华民族的母亲河，要把黄河流域生态保护和高质量发展作为事关中华民族伟大复兴的千秋大计，贯彻新发展理念，遵循自然规律和客观规律，统筹推进山水林田湖草沙综合治理、系统治理、源头治理，改善黄河流域生态环境，优化水资源配置，促进全流域高质量发展，改善人民群众生活，保护、传承、弘扬黄河文化，让黄河成为造福人民的幸福河.沙拉酱黄河流经的大部分生态功能区都是国家主体功能区中的生态脆弱区，水土流失严重，煤炭资源开采又加剧生态环境的损伤，因此，黄河流域煤矿区的生态保护与修复是实施黄河流域生态保护和高质量国家战略的重要内容。

　　如果能够

将黄河泥沙用于煤矿区的生态修复，势必能起到化害为利、变废为宝的“一石二鸟”作用。因此，沙拉酱中国矿业大学胡振琪教授撰文《黄河泥沙在生态修复中的作用机理与关键技术》发表在《中国矿业大学学报》2022年第1期，探讨黄河泥沙在矿区生态修复中的作沙拉酱用机理和关键技术，以期为黄河流域煤矿区的生态保护和高质量发展提供一种解决途径。

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　　主要成果

　　揭示了黄河泥沙作为生态修复材料的可行性和必要性，并阐述了黄河泥沙在生态修复中的作用，将其划分为充填材料和土壤改良材料两种用途。

　　提出了黄河泥沙作为充填材料时的生态修复关键技术，主要包括取沙、输沙、固结排水和土壤重构。以黄沙拉酱

河泥沙充填复垦采煤塌陷地为例，介绍了4大关键技术并给出实例：在覆盖土源充足的情况下（一般70 cm以上），沙拉酱

黄河泥沙充填复垦采沙拉酱

用划分条带或间隔条带一次充填技术；在覆盖土壤不充足的情况下，采用构造夹层的交替式多次多层沙拉酱充填复垦技术。

　　提出了黄河泥沙作沙拉酱为土壤改良材料的来源和应用条件与方法：需要利用特定时机、特定位置的泥沙，如悬移质泥沙，往往采用漫灌方式；也可利用沉积的细颗粒泥沙与粗质泥沙和土壤等进行混配方式施用。

　　01

　　黄河泥沙在矿山生态修复中的作用机理

　　黄河泥沙的中粗颗粒较多，从中游到下游，细颗粒含量逐渐增多；黄河中悬移质泥沙的细颗粒含量大于沉积泥沙；泥沙营养成沙拉酱分含量也是从中游到下游逐渐降低，除全磷含量外，都处于较低水平.此外，黄河泥沙的毒性均低于《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）以及《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）的要求。

　　黄河泥沙作为矿区生态修复

充填材料的作用机理：

　　来源于土壤的黄河泥沙却具有很大的作为充填材料的优势.但由于黄河泥沙砂粒含量高、营养成分低，与自然土壤还是有一定的差距，因此，利用黄河泥沙作为充填材料的作用机理就是作为土壤材料的补充和辅助材料，并沙拉酱在长期的演化中逐渐熟化成自然土壤.依据多年实践，黄河泥沙作为充填材料存在2种作用机理：一是植物生长介质的支撑与辅助作用，即在有足够覆盖土源的情况下，黄河泥沙在覆盖土壤下部起着支撑和辅助植物生长的作用，在利用黄河泥沙替代距地表90 cm以下的心土后，该方法能够达到周边农田的产量；二是在缺乏足够土壤覆盖的情况下，黄河泥沙直接起着植物生长介质的作用，此时，黄河泥沙含砂量大、不保水保肥的特性需要通过夹层充填、添加改良剂等方法进行改良，尤其是在黄河泥沙充填层中添加夹层，可以显著提高夹层上部黄河泥沙层的保水保肥能力，利用单夹层或双夹层黄河泥沙替代距地表50 cm以下的心土后，农作物产量与周边农田无差异。

　　河泥沙作为充填材料的作用机理示意

　　黄河泥沙作为矿区生态修复土壤改良材料的作用机理：

　　悬移质黄河泥沙中常常含有大量的粉粒和黏粒，并携带较多的营养成分，因此，黄河泥沙作为土壤的改良材料也是可行的。在农业实践中，许多农民用含有悬移质较多的黄河水漫灌农田，可以起到很好的土壤改良作用。此外，沙拉酱

黄河流域下游土壤中黏粒含量较多，在山东省段黏粒含量甚至达到了65%以上，质地过度厚重导致水分及溶质运移不能及时循环，不利于植物的生长，而黄河泥沙含砂量较多的特点有助于改良自然土壤的质地。因此，黄河泥沙作用机理即利用黄河

泥沙中含营养成分较多的泥沙或质地较粗的泥沙施用到土壤中，改良土壤质地、增加土壤肥力、减少土壤盐碱化趋势，提高土壤生产力。

　　02

　　黄河泥沙充填修复矿区生态损伤的关键技术

　　黄河泥沙作为充填材料在矿区生态修复中的应用前景：

　　我国85%以沙拉酱上的煤炭开采为地下开采，常常导致大量土地沉陷，使得大量耕地损失。采用引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地是增加耕地面积、保护原有农田生态系统的有效手段.此外，黄河流域有大量的低洼地、盐碱地，利用黄河泥沙也可以充填抬高低洼地、改变盐碱地土壤结构，克服土壤障碍因子，提高土地生产力.因此，从黄河泥沙本身的优势来看，可以作为矿区生态修复很好的充填材料.为此，针对黄河水含泥沙量大需要清淤和黄河沿线存在大面积低洼地、采煤沉陷地需要充填材料的现状，研究引黄河泥沙充填低洼地、采煤沉陷地的复垦技术就有很大的应用前景。

　　黄河泥沙充填修复矿区生态损伤的工艺流程：

　　黄河泥沙往往存在于黄河及其引黄干渠中，将这些材料充填到采煤沉陷地、低洼地就有如何取、如何运输和如何充填造地的问题.为此，黄河泥沙充填复垦矿区生态损伤主要有4大关键工艺：1）取沙；2）输沙；3）固结排水；4）土壤重构。

　　黄河泥沙充填复垦工艺流程示意

　　黄河泥沙充填复垦的4大关键工艺中，步骤3）和4）是如何造地、能否构造出高质量土地的关键，为此，我们区分夹层和非夹层，以如沙拉酱何造地为核心，提出了2种具体的采煤沉陷地黄河泥沙充填复垦工艺：

　　1） 黄河泥沙非夹层式充填复垦工艺：条带式或间隔条带式单次充填复垦工艺

　　黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地划分条带单次充填工艺流程

　　2） 黄河泥沙夹层式充填复垦工艺：交替式

多层多次充填复垦工艺

　　黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地交替式多层多次充填工艺流程

　　黄河泥沙充填复垦关键技术

　　1）取沙技术

　　取沙可以分为2种情况：1种是河水退去后固态的泥沙，1种是在有河水情况的泥沙。尽管固态泥沙可以用挖掘机取沙，但考沙拉酱虑泥沙水力运输的经济方便性，常常用泥浆泵、潜沙泵等水力取沙方式。取沙的难点是河水流动时的取沙。

　　2）输沙技术

　　泥沙的输送可以是汽车运输（固态），可以是明渠输送，也可以是管道输送。由于管道输送的灵活性，黄河泥沙常常用管道水力输送。一般砂浆泵、泥浆泵扬程为5～10 km左右，远距离输沙时需要在中间增加加压泵。为防止管道磨损、淤塞，实现连续输沙，需要科学选择管道材料、直径以及输送技术参数。短距离输送一般用Φ150 mm左右的管道，远距离多用更粗一些的管道如Φ350 mm。

　　3）强化固结排水技术

　　针对传沙拉酱

统沟堰排水面积小、泥沙排水固结时间长、黏粒易随水流失的问题，基于土工布保土性、透水性以及防淤堵原则，提出了在充填条带末端全断面排水沟加设土工布的强化排水方法，并通过多次试验，提出了排水沟断面尺寸为60 cm×80 cm（宽×高）的条件下使用便于更换的针刺无纺双层土工布（质量为250～300 g）排水结构，在排出水中D

　　90

　　由输入的254.81 μm减小到18.75 μm，并在有效截留水沙中泥沙颗粒的同时，缩短泥沙固结时间50%以上，提高充填材料中粉粒含量近1倍。

　　4）土壤重构技术

　　黄河泥沙充填复垦土壤重构主要围绕“分层剥离、交错回填”重构原理，采用“沙拉酱表土与心土分层剥离、泥沙与心土交错回填”方法，将土壤层与黄河泥沙充填层进行有次序的组合重构，实现构造可供植物生长的高质量土壤剖面的目的。根据黄河泥沙充填层数及次数可将黄河泥沙充填复垦土壤重构分为单

层单次充填复垦土壤重构和交替式多层多次充填复垦土壤重构，2种重构技术中黄河泥沙作用机理不同，其土壤关键层也存在差别：前者以表土层、心土层为关键层，后者则以表土层、心土层和夹层为关键层。

　　①单层单次充填复垦土壤重构

　　单层单次充填复垦技术是一次性充填复垦技术，构造的是以黄河泥沙为基底、上覆一定厚度土壤层的“上土下沙”层土壤剖面。

　　覆盖不同厚度土壤的“上土下沙”型土壤剖面构型

　　②交替式多层多次充填复垦土壤重构

　　为克服单层单次充填复垦土壤重构形成的“上土下沙”型土壤剖面的不足，笔者提出以在黄河泥沙层中夹与其特性呈逆向关系的心土层的方式, 构造夹层式多层土壤剖面构型的交替式多层多次充填复垦。

　　黄河泥沙交替式多层多次充填剖面构型

　　技术经济性分析

　　结合土壤重构剖面与采沙拉酱

用全土进行采煤塌陷地复垦的结论，全土填充平均动静态投资尽管均是最低的，但该方法每平方米耗费优质土壤约1.8 m

　　3

　　，利用不同剖面结构进行复垦仅需要0.3～0.5 m3/m2的优质土壤，对于采煤塌陷地区域，土壤资源是十分珍贵的，采用充填复垦的方式利用黄河泥沙进行生态修复尽管短期投资高于全土修复0.23%～11.17%，但从黄河清淤及自然资源节约的生态角度而言其效益是无法估量的。

　　黄河泥沙不同充填方式下每平方米的平均投资成本

　　应用案例

　　黄河山东段泥沙密度大，约为1.6 kg/m

　　3

　　，清淤任务重.黄河流经的地级市中，菏泽市、济宁市、聊城市、济南市、泰安市、淄博市、沙拉酱德州市等是山东省乃至全国重要的煤炭生产基地，多年的煤炭开采已经造成了大量土地损毁、积水，由于缺乏充填材料，大片积水区无法耕作，威胁了区域耕地保护红线，加剧了人地矛盾.在取沙输沙技术、

强化排水技术、土壤重构技术以及充填工艺的应用下，以黄河泥沙为充填材料，将黄河清淤与采煤沉陷地、低洼地复垦相结合。

　　黄河泥沙充填复垦技术在山东省济宁市梁山县和德州市齐河县进行了试验示范，2014年在山东省梁山县复垦塌陷地沙拉酱及洼地共计48.7 hm2；2012—2014年于山东省齐河县采用交替式一次充填复垦工艺完成1期34.7 hm2土地复垦，2014—2015年采用交替式多层多次充填复垦工艺完成2期18.7 hm2土地复垦.近5年于邱集煤矿、赵官煤矿充填复垦采煤沉陷地、低洼地共计362.5 hm2，引黄充填复垦技术可实现100%的土地恢复率和95%以上的复耕率。

　　山东省齐河县黄河泥沙夹层式充填复垦剖面构型

　　03

　　黄河泥沙改良修复矿区生态损伤的关键技术

　　黄河泥沙作为矿区生态修复土壤改良材料的应用前景

　　黄河流域矿区土地目前存在土壤盐碱化、水土流失等问题，而黄河流域周边土沙拉酱

地利用方式大部分以农业用地为主，土壤问题恶化了生态环境、加剧了人地矛盾，利用黄河泥沙作为土壤改良的修复材料能够有效的改善土壤或过度黏重或过度粗化、减轻清淤重担、提高植被覆盖、减少水土流失、构建良好生态环境。

　　工艺流程

　　1）改良土壤、提高土壤生产力

　　①确定修复时机：根据不同时期黄河水中泥沙粒径分布规律，计算悬移质混入土壤中土质的改良情况，应以混合土壤黏粒质量分数≥25%为界；同时分析不同时机、不同位置悬移质的营养成分含量，选择最有营养的悬移质。

　　②引水：利沙拉酱用泥浆泵吸取黄河水将悬移质含量较高的黄河水引入灌区（待土地改良的区域）。

　　③灌溉与沉淀：含悬移质的黄河水采用漫灌方式灌溉在待修复的土地上，经自然沉淀达到修复土壤的目的。

　　2）改良黏性过度的土壤

　　①沙、土测量：调查生态修复区的土壤及

附近黄河泥沙的质地。

　　②表土剥离：剥离生态修复区的表土堆存至指定区域。

　　③心土剥离：将剥离的心土堆存至不与表土混合的区域，分别堆存，依据植物的根系生长范围剥离表土与心土。

　　④配比优化：将黄河泥沙与质地厚重的表土与心土按照壤土标准沙拉酱或植物生长标准进行充分混合。

　　⑤回填整平：将表土与心土按照空间次序回填至指定标高，最后对片区进行整平。

　　关键技术

　　1）水沙材料输送技术

　　不同时期的黄河泥沙及黄河水悬移质含量及其粒径分布均有所不同，一年之中特定月份如7～10月中的黏粉粒质量分数在黄河泥沙中达到13%左右，黄河灌溉水中粒度小于0.025 mm的泥沙占到40%以上，在利用黄河水沙进行土壤改良时需按照不同时期、不同地区的差异性设计水沙输送辐射地区，其技术特点与黄河泥沙充填复垦技术中取沙输沙技术类似。

　　2）配比改良技术

　　沙拉酱

适当增加粗质泥沙的含量能够有效提升土壤水盐循环特性，改良材料入渗能力逐渐提升，灌溉水和降水得以快速进入，可以有效防止水土流失与土壤盐碱化，对改善土壤水环境具有重要意义.基于以上构想，土壤在毛管孔隙增加时能够有效增加田间持水量，通过将黄河泥沙与当地表土、心土相混合的实验，提出在黄河流域下游段，表土、心土和黄河泥沙的比例为1∶1∶0 86～1∶1∶2时的改良土壤质地为壤土，密度较为适宜，且毛管空隙、有效水空隙和水分常数差异不大，在该组配下当地小麦、玉米等农沙拉酱作物产量达到最大，最为适合植被的生长发育[43].文献[44]研究表明，在黄河下游三角洲地区利用泥沙粒径为002～2 mm且占比在95%以上的黄河泥沙改良当地盐碱地，土壤中Na

　　+

　　，Mg

　　2+

　　，Ca

　　2

　　+

　　等阳离子含量明显降低，Na

　　+

　　甚至降低19%以上，并且当黄河泥沙施用量达到32 kg/m

　　3

　　时，农田作物产量达到最大。

　　应用案例

　　黄河流域下游段河南省新乡市土壤质地大多为砂质土壤，其保水保肥特性较差，导致当地农田产量低，土地经济效益差，并且随着煤炭开采的进行，地下水位的下降引起土壤沙化加剧.为解决土壤水肥特性差引起的土壤沙化问题，沙拉酱有学者就黏粒含量达到40%以上的黄河泥沙修复土壤沙化展开研究，将0～20 cm的表土按照m（泥沙）∶m（土壤）分别为1∶5，1∶10，1∶15的比例掺入黏质黄河泥沙进行改良，并于2014—2015年监测一年发现，1∶5的比例添加的实验田土壤物理黏性明显增加，由9.84%增加至16.94%，并且土壤质地由沙土转变成为沙壤土，持水能力显著提高，与同类型未改良地相比，农作物小麦的产量提升了至少2倍，2015年小麦和玉米的产量分别达到420 kg/hm2和530 kg/hm2

　　。

　　04

　　结论与展望

　　1）黄河泥沙主要来源于水土流失的土壤，先天就具有生态修复材料的潜能.尽管泥沙由于来源不同、水力冲刷搬运等原因，沙拉酱

导致泥沙砂粒含量较大、营养成分较低，但无毒无害、便于获取，是充填复垦采煤沉陷地的最佳材料.黄河悬移质泥沙含黏粒粉粒和营养成分较多，在矿山生态修复中可以作为土壤改良的材料。

　　2）黄河泥沙作为充填复垦材料时，主要有取沙、输沙、固结排水和土壤重构4大关键技术.在覆盖土源充足的情况下（一般厚度在70 cm以上），黄河泥沙充填复垦采用划分条带或间隔条带无夹层的一次充填技术；在覆盖土壤不充足的情况下，可采用构造夹层的交替式多次多层充填复垦技术。

　　3）黄河泥沙作为土壤改良材料时，需要利用特定时机、特定位置的泥沙，如采用悬移质泥沙进行漫灌或井渠混灌的方式，或采用粗质泥沙进行混配等方式进行施用。

　　作者介绍

　　胡振琪

　　中国矿业大学环境与测绘学院教授、博士生导师、长江学者、能源资源战略发展

研究院执行院长。长期从事矿区土地复垦与生态修复研究和教学，先后承担国家863计划、国家科技支撑计划、国家重点研发专项、国家自然科学基金等纵横项课题100余项，获得国家科技进步二等奖3项（其中排名第一2项），授权国家专利50余项，发表论文300余篇，出版专著10余部。沙拉酱曾荣获美国采矿与复垦学会“生态修复先锋奖”和“Barnhisel奖”（科技贡献奖）、“新世纪百千万人才工程”国家级人选、“中国青年科技奖”、“教育部跨世纪优秀人才”等荣誉。现为中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会主任委员，中国土地学会常务理事兼国土整治与生态修复分会副主任委员，国际土地复垦家联合会协调委员会委员（中国代表），中国生态学会常务理事兼生态工程专业委员会副主任，International Journal of Mining, Reclamation and Environment执行主编。

　　本文引用格式：

　　胡振琪，李勇，陈洋. 黄河泥沙在生态修复中的作用机理与关键技术[J]. 中国矿业大学学报，2022，51(1): 1-15.

　　HU Zhenqi, LI Yong, CHEN Yang. The mechanism and key technology of the Yellow River sediment in ecological rehabilitation[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2022, 51(1): 1-15.

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