基于煤矸石与粉煤灰的黄土矿区土壤重构方案优化：水分保持机制与生态修复策略

针对黄土煤矿区生态修复中土壤水分保持能力不足的问题，研究人员通过煤矸石（coal gangue）、粉煤灰（fly ash）与表土（topsoil）的多元重构实验，结合土壤柱试验和冗余分析（RDA），揭示了砂粒、有机质和粉粒含量对水分保持的影响机制，提出1:2煤矸石-表土配比及40-60 cm层厚的最优方案，为矿区生态修复提供科学依据。

　　

在煤炭作为全球主要能源的背景下，中国作为最大产煤国，其地下开采活动导致矿区土壤结构退化、水分流失及生态破坏等问题日益严峻。以内蒙古鄂尔多斯酸刺沟矿区为例，年均降水量仅360 mm而蒸发量超2000 mm的极端干旱条件，叠加采矿引发的土壤侵蚀，使得植被恢复举步维艰。传统生态修复依赖表土资源，但矿区表土匮乏与固体废弃物（如煤矸石和粉煤灰）堆积形成双重挑战。如何通过科学重构土壤提升水分保持能力，成为破解矿区生态修复瓶颈的关键。

中国某研究团队在《Ecological Engineering》发表的研究中，通过控制性土壤柱实验，系统评估了不同煤矸石-表土配比（1:1、1:2、1:3）及重构层厚度（20 cm、40 cm、60 cm）对水分保持的影响。采用冗余分析（RDA）和广义线性回归（GLM）解析关键驱动因子，并建立水分保持预测模型。实验以纯表土为对照，监测了紫花苜蓿（Medicago sativa）生长响应。

主要技术方法
研究选取酸刺沟矿区煤矸石、粉煤灰及原生表土为材料，设计9种重构方案。通过室内土壤柱模拟半干旱环境，定期测定体积含水量（volumetric water content）；结合激光粒度仪分析土壤颗粒组成，利用RDA量化环境因子与水分保持的关联；最终通过最小二乘法建立煤矸石比例、层厚与时间的预测模型。

研究结果

1. 重构土壤水分保持变化特征：所有处理组水分保持均随时间递减，纯表土对照组（尤其60 cm层厚）表现最优。1:1配比组水分流失最快，而1:2配比在40-60 cm层厚下稳定性最佳，支持苜蓿生物量达对照组的82.3%。

2. 水分保持机制解析：砂粒与有机质含量增加会降低持水性（分别通过扩大孔隙和分解耗水），而粉粒含量提升15%可使持水能力显著增强（p<0.01）。煤矸石占比与层厚通过改变孔隙结构直接影响水分动态，40 cm层厚下1:2配比的饱和导水率（Ks）较1:1组降低37.5%。

3. 最优重构方案验证：模型显示层厚增加可能导致持水能力下降，而1:2配比在40-60 cm层厚时达成平衡，其水分保持效率较矿区现状提升2.1倍，且重金属迁移风险可控。

结论与意义
该研究首次从水分保持视角系统评估了煤矸石-粉煤灰重构方案的生态适用性，揭示粉粒含量与层厚协同调控的核心机制。提出的1:2配比方案不仅缓解了表土资源短缺，还为固体废弃物资源化提供了新路径。成果对全球半干旱矿区生态修复具有普适性指导价值，尤其为“双碳”目标下的矿山土地复垦技术标准制定提供了理论支撑。未来研究需进一步验证长期野外条件下微生物群落与水分循环的互作效应。