2023年土地科学研究重点进展评述及2024年展望——土地工程与信息技术分报告

研究目的:归纳分析2023年国内外土地工程与信息技术领域的研究进展,展望研究趋势。研究方法:文献分析法。研究结果:国内研究主要集中在土地综合开发模式与运行机制、全域土地综合整治的潜力机制及路径、碳中和背景下的土地复垦与生态修复、土壤—植物—微生物模式下的复垦土壤重构、国土空间生态修复差异化分区与格局构建、土地信息智能化监测技术与信息提取方法、数字化国土空间规划技术、基于GIS的土地管理技术。国外研究主要集中在农业用地土地整理模式、基于土壤改良的矿区土地复垦、土壤—植物—微生物协同修复作用机制、基于社会经济和生态指标的生态修复、土地信息监测与预测技术、基于人工智能的土地规划技术、土地管理系统优化技术。研究结论:2023年土地工程与信息技术在全域土地综合整治、土地复垦与土壤重构、国土空间生态修复、土地信息监测与管理技术等方面取得了一定进展。结合当前科技需求,2024年及未来重点关注山水林田湖草沙一体化保护和系统治理、全域土地综合整治和国土空间生态保护修复、碳中和目标下的矿区土地复垦、乡村振兴背景下的土地集约利用和低效用地治理、土地信息可视化技术和土地信息智能化处理技术。

煤矸石规模化生态利用原理与关键技术

煤炭是我国主要能源,是能源安全的压舱石。煤矸石作为采煤和洗煤加工过程中的必然产物,每年产出量达7亿t以上,亟需规模化、生态化利用技术,以破解煤矸石作为企业发展绊脚石的难题。在分析煤矸石大规模利用中的生态损伤机理的基础上,提出煤矸石规模化生态利用原理,从技术视角探讨了环境安全的规模化生态利用具体解决途径,提出了酸性煤矸石山原位污染控制与生态修复和煤矸石地面充填造地两大规模化生态利用方式关键技术。结果表明:(1)煤矸石规模化生态利用的关键是环境污染的防控,通过对矸石的可利用性和经济性评价,结合风险管控手段,可实现煤矸石规模化生态利用。(2)对已堆积的矸石山采用原位污染控制基础上的植被恢复以实现生态化利用,提出了污染源头诊断-防灭火与污染阻隔-植被恢复一体化的生态利用技术。基于矸石氧化产酸产热导致污染的机理分析,采用热红外与测绘技术相耦合进行煤矸石山深部燃点(氧化点)定位;研发了杀菌剂与还原菌耦合的氧化抑制剂并结合惰性材料覆盖碾压进行抑氧隔氧污染阻隔;对自燃区采用喷浆控火与注浆灭火结合的安全灭火技术;氧化抑制剂结合惰性材料覆盖碾压的长效防火技术;提出以乡土草灌为主的防燃型植被恢复技术,可实现酸性煤矸石山的原位污染控制与生态修复。(3)通过地面充填生态化利用可行性分析、充填生态化利用技术和维护管理长期监测,可实现煤矸石地面充填造地的生态化利用。其关键是矸石材料筛选的污染风险分析、地面充填场地选择的可行性分析以及充填全过程的环保措施,包括充填前的场地底部防渗阻隔、渗滤液导排等安全环保措施,充填中的分层充填技术、防火控酸的污染防控和土壤剖面重构技术,充填后的侵蚀控制、植被恢复等技术。煤矸石规模化生态利用不仅解决了矿区固废堆存带来的生态环境问题,还通过对新、旧矸石的科学合理利用,打造矿区生态修复的新模式。

我国矿区土地复垦关键政策实施情况调查分析

研究目的:调查土地复垦4项关键政策的实施情况,判断政策失灵与否,并分析其失灵原因,为相关政策修订提供科学支撑。研究方法:问卷调查法,统计分析法和定量分析法。研究结果:(1)三类受访者认为“谁损毁,谁复垦”政策不完善的比例为65.30%,其中第三方不完善比例高达92.02%,同时三类受访者一致赞同应由政府牵头复垦。(2)在编制土地复垦方案方面,三类受访者表示“不完善”(49.74%)略高于“赞成”(47.01%),其中第三方不完善的比例高达89.57%;矿山企业认为方案实施率较高,但政府部门(26.74%)和第三方(3.07%)表示方案落实不力。(3)矿山企业高度赞成采矿临时用地政策,但三类受访者一致认为政策执行率低,其中“0%执行”比例中政府为22.40%、矿山企业为23.92%、第三方高达91.41%,表明该政策执行率较低,需要改革和完善。(4)三类受访者赞成“边开采、边复垦”比例为43.59%、“不完善”为53.68%,其中第三方认为不完善的比例高达77.30%;政府和矿山企业都表示执行率较好,但第三方认为执行率仅为11.65%;政府(52.80%)和矿山企业(74.41%)不了解“边采边复”技术是政策实施不力的原因之一。研究结论:(1)“谁损毁,谁复垦”、编制“土地复垦方案”、“采矿临时用地”和“边开采,边复垦”4项关键政策的总体失灵度分别为51.11%、56.92%、89.23%和50.43%,均高于50%,同时第三方认为失灵度分别为92.03%、96.93%、98.77%和88.35%,表明4项政策都需要完善和革新;(2)4项政策均受到内部和外部多种因素的影响,导致执行率较低,需要从综合角度进行完善。

论矿区生态环境修复

介绍了矿区生态环境修复的必要性,讨论了矿区生态环境修复的概念及其历史与现状;将矿区生态环境破坏划分为生态破坏和环境污染两大类,提出了我国矿区生态环境修复的战略和综合技术体系,并对几种主要的矿区生态环境修复技术进行了讨论;最后对加强我国生态环境修复工作提出了具体建议。

试论井工煤矿边开采边复垦技术

针对传统采煤沉陷地稳沉后复垦恢复土地率低、复垦周期长等弊端,在分析讨论我国采煤沉陷地非稳沉复垦技术研发历史的基础上,提出了边开采边复垦(简称边采边复)的概念,探讨了边采边复的内涵、基本原理、技术分类与关键技术,基于实例阐述了边采边复技术的优越性。实例研究表明:采用边采边复技术比传统复垦技术提高复垦耕地率最高达37.59%。论文还分析了该技术的适用范围和推广应用前景,适用于边采边复技术的平原高潜水位地区包括十四大煤炭基地中的5个,通过使用边采边复技术,可以及早地拯救将要形成积水的土地,将增加土地面积约6 680.8 km2。

煤基混合物对复垦土壤的改良及苜蓿增产效果

以煤基材料综合利用为目的,根据风化煤、煤矸石和粉煤灰的理化性质,按照特定质量比混合,比例为:风化煤∶煤矸石∶粉煤灰=5∶1∶4,并加入一定量的化学肥料,用于矿区复垦土壤的改良。煤基混合物含有丰富的养分。通过盆栽试验确定,复垦土壤中添加适量的煤基混合物后,养分含量有了显著提高,盆栽试验表明苜蓿生物量比对照提高约一倍,粗蛋白含量亦显著提高。利用煤基混合物改良土壤可以避免单纯施用化肥造成的土壤板结等问题,提高了矿区废弃物的综合利用率。

露天矿上覆岩土层中表土替代材料的筛选

在表土缺乏地区,筛选适宜的表土替代材料是露天矿复垦的关键。通过对内蒙古某露天煤矿上覆岩土层的基本特征的分析,以当地表土作为对照,比较分析了表土层下Ⅱ层黄土(18.4 m厚)和Ⅲ层亚黏土(16 m厚)的原状基质及其风化物的理化性质与营养成分、重金属含量,同时采用盆栽试验研究了各基质出苗率及土壤表层的结皮情况。试验结果表明:表土层下Ⅱ层风化与原状基质分别属于粉黏土和黏土,pH值偏高,缺乏有机质、速效磷、速效钾等营养成分,As、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb等重金属含量较低,表层结皮严重对紫花苜蓿的出苗率影响较大;Ⅲ层风化与原状基质属于重黏土,pH值适中,营养成分含量不均衡,速效钾含量丰富,As、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb等重金属含量较低,表层稍有结皮对紫花苜蓿出苗率的影响较小。分析结果表明:Ⅲ层基质在酸碱性、电导率、含盐量、出苗率等方面均接近当地表土,较为适宜作为表土替代材料,其风化后的土壤特性更优。

矿区土地复垦工程可垦性分析

该文论述了土地复垦规划中可垦性分析的重要性,阐述了可垦性分析的含义和内容,提出可垦性分析的一般程序和多因素综合评价法,即在选定评价单元的基础上,选择可垦性分析的主导因素,采用层次分析法给主导因素打分,采用乘法模型计算评价单元的可垦性综合分值,从而得到待复垦区域的可垦性分析值,通过量化的综合分值可以确定待复垦区域的可垦性。并以山东某矿采煤塌陷地为例进行分析,经验证该方法得出的评价结果能够反应待复垦区的实际情况,为土地复垦规划设计提供参考。

中国东北多煤层老矿区采煤沉陷地损毁特征与复垦规划

多煤层老矿区开采时间长,土地损毁程度严重,沉陷地再利用情况复杂。该文通过实地调查和搜集各煤矿地质地形图、采掘图、储量图和采矿历史等资料,借助矿区沉陷预计软件(MSPS),运用概率积分法对鹤岗矿区沉陷地近期(2014-2020年)和远景(2021年-闭矿)2个阶段进行沉陷预测,并采用ArcGIS软件对数据进行统计分析。根据有关规程中各地类沉陷地损毁程度判定标准对鹤岗采煤沉陷地损毁程度进行划分。基于鹤岗采煤沉陷地损毁特征,提出鹤岗矿区沉陷地时空复垦的规划模式。结果表明:随着煤炭不断开采,多煤层老矿区沉陷范围不断扩大,土地损毁程度加重,地表最大下沉深度达39.4 m;沉陷地在进行再利用过程中存在阶段性变化特征,可根据特定阶段沉陷地损毁特征制定土地用途。沉陷地区域稳定性特征和损毁程度是进行沉陷地时空复垦规划的重要依据。从时间安排看,应以闭矿沉陷地损毁程度为着眼点,全面考虑,确定各区域稳沉时序,鹤岗采煤沉陷划分为优先永久治理区、优先临时治理区、动态治理区和未来治理区;从空间布局看,前3个治理区功能定位依次为接续替代产业用地、短期工业用地和农业用地。

粉煤灰防治煤矸石酸性与重金属复合污染

采用柱状淋溶模拟试验,分析添加粉煤灰防治煤矸石酸性和重金属污染的效果及机理.结果表明:煤矸石淋溶液具有典型的酸性矿山废水特征.在粉煤灰处理中,淋溶液的pH值呈中性或微碱性,重金属浓度显著下降.这主要是因为:①粉煤灰促进了Fe等氢氧化物沉淀和多种重金属的共沉淀;②生成的Fe沉淀具有包被作用,阻隔黄铁矿的氧化;③碱性环境抑制了氧化亚铁硫杆菌的生长和对黄铁矿的微生物催化氧化.研究表明,粉煤灰直接覆盖可以明显地抑制煤矸石中硫化物的氧化并提高煤矸石淋溶液的水质.

高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤形态发育评价

土壤的形态特征含有丰富的环境信息,是环境变化与生态重建的重要依据,可以推断土壤发育的强弱。矿山复垦土壤为人造新土壤,可能构造出不同的土壤形态,复垦土壤形态特征的研究对复垦土壤生产力的提高和复垦技术的革新具有重要意义。该文以高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤为研究对象,探讨定量评价复垦土壤形态发育状况。研究采用实地调查和室内分析相结合的方法,依据中国土壤系统分类用土壤剖面描述标准,构建了复垦土壤形态发育评价体系,进行土壤形态定量评价。结果表明,形态发育指数HI(土层发育指数)和WPDI(土壤权重剖面发育指数)能够较好的反映复垦土壤与当地原状土壤的发育程度差异:复垦土壤土层发育指数HI和土壤权重剖面发育指数WPDI平均值分别为0.57、0.56,而当地原状土壤HI和WPDI的平均值为0.68、0.69,表明复垦土壤形态发育程度相对较弱;HI曲线形状异于原状土壤,表层HI高于其他土层,不同复垦方式的WPDI显示的发育程度序列为:充填复垦(外源土)>挖深垫浅>挖深垫浅(泥浆泵)>充填复垦(粉煤灰、煤矸石等);随复垦时间的延长,复垦土壤发育程度呈现增长趋势。

ERDAS在土地整理土方量计算中的运用

研究目的:为了实现土地整理中土方量计算的准确、快速、方便和自动化。研究方法:应用数字高程模型(DEM)原理,结合土方量计算的方格网法,借助ERDAS IM AGINE遥感图像处理软件,建立土方量计算模型。研究结果:以江西省九江县港口街镇土地整理项目为例介绍了计算的详细步骤,计算结果比专家论证批复的项目设计土方量大4.4%。研究结论:该方法计算土方量是可行的,能够实现土方量的计算机辅助计算。

论煤矿区生态环境的自修复、自然修复和人工修复

煤炭开采不可避免导致矿区生态环境的破坏,过去大多数研究和实践都是侧重人工修复,如何区分和合理选择及应用自修复、自然修复和人工修复,对经济合理地修复矿区环境具有重要意义。在阐述矿区生态修复概念的基础上,分别对人工修复、自然修复和自修复及其相互关系进行了讨论和分析,提出成本效益型矿区生态环境修复战略。研究表明:对矿区损毁的生态环境通过人工或自然的力量恢复的过程分别称之为人工和自然修复;生态系统的自修复、自我修复都是依靠自然界自身的力量,统称为自然修复。矿区生态环境的自修复是指采矿驱动力在对地表生态环境造成损毁的过程中,又自动修复部分生态损毁的现象和过程。基于开采沉陷学原理,揭示了煤矿区自修复的机理。矿区生态修复应该首先根据损毁的自然条件,分析是否存在自修复和自然修复的可能性并尽可能发挥自修复和自然修复的作用以节约修复成本;科学划分自修复、自然修复和人工修复的区域并采用相应的修复对策;对生态脆弱区尤其要重视自修复和自然修复,尽量减少人工修复,最终实现生态系统的自然演替和平衡。

引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地技术的试验研究

为探寻适合中国东部高潜水位平原矿区的土地复垦新技术,该文选取济宁市北部试验场为研究对象,介绍了引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的新技术,包括技术工艺流程、复垦后地貌景观、复垦土壤剖面状况、复垦土壤理化性状以及复垦农田生产力。结果表明：1）短距离引黄河泥沙充填复垦技术在济宁市北部试验场得到了成功应用,土地复垦率为100%,耕地面积恢复率达95%,证明了引黄河泥沙充填复垦技术的可行性;2）黄河泥沙充填复垦土壤剖面的保水保肥性能存在一定的不足,复垦农田的表层（0-20 cm）、中层（〉20-50 cm）和底层（〉50-80 cm）土壤的含水量、全氮、速效钾、有机质含量以及表层（0-20 cm）土壤的有效磷含量均小于对照农田相应层的含量,且复垦农田土壤全氮和有机质较为缺乏,限制了农作物的生长;3）实地测产发现充填复垦农田的产量只有对照农田的一半左右,说明需要对充填复垦工艺进行革新和复垦土壤进行改良。论文在分析引黄充填技术可行性的基础上,提出了未来需要革新的4个方面：复垦土壤剖面重构的革新、水沙快速分离的充填排水工艺革新、动水条件下高效取沙设备的优选与革新以及远距离管道输沙技术参数优选。引黄河泥沙充填复垦技术对滨黄河流域的河南、山东等省很多矿区的采煤沉陷地都具有推广应用价值。

煤矸石山刺槐林分生产力及生态效应的研究

通过野外实地观测 ,对煤矸石山 9年生刺槐林分 (株行距 1 .5 m× 2 .0 m)的生长规律、生产力水平和生态效应及其制约因素进行了研究。结果表明 :林分树高、胸径和材积具有不同的生长节律 ,树高的速生期出现最早 ,生长高峰出现在 1年生 (年生长量 1 .6 5 m) ,以后逐渐下降 ;胸径速生期出现在 2～ 4年生 (年生长量 0 .6～ 1 .0 cm) ,4年生以后便明显下降 ;材积速生期出现在 3～ 6年生 (单株材积年生长量 0 .0 0 1 m3以上 ) ,7年生以后明显下降。林分胸高直径分布的顶峰极度偏左 (偏度 SK达 0 .5 889) ,细小林木个体数量偏多 ,林分密度偏大 ,应进行间伐调整。刺槐林分具有明显减小煤矸石山渗透速率、提高持水、供水能力的作用 ,林地植树带初始入渗率为 7.4 1 mm· min- 1,稳渗率为 1 .75 mm· min- 1;而对照坡面初始入渗率高达 1 3.0 3mm· min- 1,稳渗率为 2 .1 8mm· min- 1。林分能防止矸石山酸化、增加矸石山全 N量并促进 N素的有效化 ,刺槐林地的 p H值为 7.6 8,比裸露矸石山 ( p H5 .4 7)高出 34 .7% ;林地有机质含量为 2 6 .1 2 % ,比裸露矸石山( 1 9.2 0 % )高出 36 % ;全 N量和速效 N量分别为 0 .33%和 5 2 .95 mg·kg- 1,分别比裸露矸石山高出 4 3.5 %和 2 0 .8%。

粉煤灰充填复垦土壤理化性状研究

为了进一步搞清粉煤灰充填复垦构成的复垦土壤的理化性质,指导今后的复垦工作,通过选取不同时间、不同地点复垦土地的样点,采用室内外测试化验手段,对其进行了细致的研究.结果认为:复垦土壤入渗率小于农业土壤,土壤容重和土壤含水量大于农业土壤;复垦土壤pH值大于8,碱性过强.土壤有机质含量低,全氮含量低,速效磷含量低.全钾含量和速效钾含量充足.

粘土矿物对重金属镉的吸附研究

通过等温吸附试验 ,研究了粘土矿物膨润土、海泡石、凹凸棒石对Cd2 + 的吸附情况 ,并与土壤对Cd2 +的吸附情况进行了对比。试验表明 ,几种粘土矿物对Cd2 + 有很好的吸附作用 ,可用于重金属污染土壤的治理。

矿产与粮食复合主产区环境质量和粮食安全的问题、成因与对策

对矿产与粮食复合主产区进行了概念界定。发现我国13个粮食主产省中的12个也是煤炭主要生产省;将煤炭资源分布图与耕地资源分布图叠加,发现仅含煤区与耕地分布复合区域面积就占我国耕地总量的40％以上,其中煤炭保有资源与耕地复合面积超过了耕地总面积的10％,矿-粮复合区面积广,责任大,影响深远。深入分析了这一特殊区域存在的主要问题,如环境污染加剧、耕地遭到破坏、粮食产量和质量下降、社会矛盾突出、经济发展减缓等,并从认识层面、意识层面、保障层面和技术层面提出了对策与建议,目的在于引起对这一承担重要功能——保障国家粮食安全与矿产资源供给的特殊区域给予关注,以期协调矿产资源开发与粮食生产、环境保护间的矛盾,最大限度地促进这一区域可持续发展和减少对国家粮食安全、生态安全和社会安全的影响。

利用专性杀菌剂进行煤矸石山酸化污染原位控制试验

酸性煤矸石山中硫化物的微生物氧化,加剧了煤矸石山酸化、自燃和爆炸等环境污染、灾害.通过分离纯化氧化亚铁硫杆菌,并添加不同剂量的杀菌剂,分析了Fe2+氧化抑制率、杀菌剂的使用效果及最佳使用浓度.结果显示:试验用杀菌剂SLS和SBZ能有效地抑制煤矸石山的酸化.ρ(SLS)为10 mg/L时Fe2+的氧化抑制率达到75.69%;ρ(SBZ)为30 mg/L时Fe2+的氧化抑制率达到75.89%.表明杀菌剂的使用可以促进煤矸石山的酸化污染控制、绿化和生态重建.

镉污染土壤的菌根修复研究

以玉米为试验材料,采用盆栽方法模拟土壤Cd污染状况,分别将丛枝菌根真菌Glomus diaphanum和Glomus mosseae接种于镉污染土壤中,研究两种菌根真菌对玉米生长及对Cd吸收、分配的影响.结果表明:与未接种的对照相比,接种Glomus diaphanum菌根使玉米的生物量增加了5.79倍,地上部镉含量降低了53.9%,地上部磷含量增加了4.6倍.菌丝侵染使植物将镉滞留在根部,抑制了镉向地上部的转移.其中,接种Glomus diaphanum菌显著于接种Glomus mosseae菌.因此,在镉污染土壤原位修复中,接种Glomus diaphanum菌有助于抑制重金属迁移.