本发明涉及一种地质塌陷区生态修复的方法。更具体地说，本发明涉及对地质塌陷区尤其是煤矿塌陷区的生态环境具有优异恢复功能的方法。
背景技术：
地质塌陷是指在人为或自然地质因素作用下，地表岩、体中洞穴顶部向下断错坍塌，形成塌陷坑、塌陷洞、塌陷槽的一种地质现象。其中，尤其是由于采矿引起的土地和生态环境破坏，量大面广，且形势愈来愈严峻。采煤是对自然环境的影响主要表现在对水资源和地表结构的破坏上，其结果是使得一定范围内地表塌陷和地下水位发生变化。塌陷不仅破坏了地表形态，摧毁众多农田，同时也破坏土壤结构，导致部分地区土壤盐渍化，肥力下降，无法耕种，又或形成永久或间歇式积水。
但是我国的煤矿塌陷区仍处于基本未开发阶段。据有关部门估算，其开发利用率还不到5％，在城市化高速发展的今天，面对城市开发用地紧缺的问题，如何将采煤塌陷区生态恢复、再利用是我们目前应该急需解决的问题。
技术实现要素：
作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现，在地质塌陷区的生态修复过程中，利用煤炭开采及加工过程中的排放的废物煤矸石作为充填物，并在煤矸石及粉煤灰的基础上添加合适比例的污泥、黄土、微生物菌种进行基质土壤的改良可保证科学高效的植被恢复工作的进行。基于这种发现，完成了本发明。
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是通过地质塌陷区生态修复的方法，进行塌陷区土壤的改良、优良植物的选择及高效的植被恢复，以便获得更为稳定的生态平衡的建立及更好的植物覆盖效果。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种地质塌陷区生态修复的方法，其包括如下步骤：
步骤一：将煤矸石作为回填物充填塌陷区，然后用推土机推平，压路机压实，得到密封性好的煤矸石层，以免透气造成煤矸石自燃和覆土后由于降水下渗而形成漏斗或表土流失，废弃物煤矸石的再利用既满足了塌陷区修复的需要，又能消除其对土地和生态环境的污染；
步骤二：在所述煤矸石层的上方铺盖一层厚度为0.5～1m的覆土层，其中所述覆土层包括30～60wt％的污泥、30～50wt％的煤矸石以及10～30wt％的粉煤灰，其中具有流动性的污泥的利用可填堵由于表层矸石风化造成的空隙，提高覆土层的保水性能与肥力，且污泥本 身就是一个丰富的微生物库源，可使塌陷区微生物体系更好的建立，促进养分转化的效率，另外含有大量微量元素粉煤灰的添加可进一步增强微生物活性与促进养分转化的能力，从而有效改善植物的立地条件。
步骤三：在所述覆土层上铺盖厚度为0.3～0.5m的表土层，其中所述表土层包括40～60wt％的黄土、15～30wt％的粉煤灰、20～30wt％的污泥、0.3～0.5wt％的脲甲醛、0.5～0.8wt％的微生物菌肥以及0.4～0.6wt％的聚丙烯酰胺；
步骤四：在所述表土层上将油松、山杨、豆科树木以行间混交的方式进行种植，其中油松、山杨、豆科树木混交的比例为：0.5～1.5∶1～3∶2～8，其中豆科植物是缺水和贫瘠的废弃地环境下进行植被恢复的优选树种，其枯枝落叶可有效增加土壤中氮元素的累积，且可以为混交林中其他树种的生长提供额外的氮元素；此外不同生长速度的油松、山杨与豆科树木进行混交种植的方法可有效缓解单一豆科树木种植对土壤营养元素的专一吸收，防止土壤地力的衰退，促进彼此间的生长。
优选的是，其中，步骤一中将粒径大于15mm的煤矸石充填在塌陷区的下层，将粒径小于3mm的煤矸石充填在塌陷区离地面较近的空间，根据塌陷区沉陷的深度对煤矸石进行初筛，将块头较大，不易风化的煤矸石填在下面，将石块较小且易风化降解的煤矸石填充在上层，并进行分层压实以提高充填复垦的效果。
优选的是，其中，所述微生物菌肥包括固氮菌、解磷活性菌及解钾活性菌，固氮菌的使用可增加土壤中的氮素来源，解磷和解钾活性菌可将黄土及污泥中难溶的矿质磷、钾的分解出来，从而弥补由于使用氮、磷、钾均含量偏低的煤矸石和粉煤灰而带来的不足。
优选的是，其中，所述聚丙烯酰胺的分子量为600～800万道尔顿(Da)，聚丙烯酰胺作为一种高分子聚合物，其在分散土壤细粒间的桥键作用和在土壤团粒外表面形成保护网的作用较强，其分子量越高，其水土保持的能力也越强，但分子量也不能过高，否则会影响其在土层中的扩散和对流，影响土层改良的深度。
优选的是，其中，所述聚丙烯酰胺的离子度为32～35％，聚丙烯酰胺的离子度不能太高，否则会引起聚合物分子间的相互排斥，降低土粒对其的吸收。
优选的是，其中，所述豆科树木选自刺槐、紫穗槐、铁刀木、黄檀、楹树、刺桐、黑荆中的一种或几种。
优选的是，其中，所述行间混交的行距为2～3m，所述步骤四中油松的株距为1.2～1.8m、山杨的株距为1.5～2.2m、豆科树木的株距为1.0～1.5m，并不是造林密度越高，林木生长越好，根据油松、山杨及豆科树木的生物学特性确定混交林的行株距。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)根据塌陷区沉陷的深度对煤矸石进行初筛，然后根据煤矸石的块头大小及易风化程度进行分层充填，分层压实，既保证了充填复垦的效果，又消除了废弃物煤矸石对土地的占有和污染；
(2)覆土层由污泥、煤矸石及粉煤灰组成，污泥可填堵由于表层矸石风化造成的空隙，含有大量微量元素粉煤灰的添加可进一步增强微生物活性与促进养分转化的能力，从而保证了覆土层的保水性能与肥力；
(3)表土层中含有固氮菌、解磷活性菌及解钾活性菌，微生物菌肥的添加，增加了氮素的来源，提高了土壤中可利用的磷、钾的利用量，弥补了由于使用氮、磷、钾均含量偏低的煤矸石和粉煤灰而带来的不足；
(4)保水剂聚丙烯酰胺的使用增加了土壤表层颗粒间的凝聚力，维系了良好的土壤结构，增强了土壤的保水性和保肥性，提高了塌陷区植被生态环境恢复的能力；
(5)合适密度的油松、山杨、豆科树木行间混交的种植有效缓解了单一豆科树木种植对土壤营养元素的专一吸收，防止土壤地力的衰退，且混交林丰富的枯落物进一步提高了土壤的肥力，促进了林木的生长；
(6)本发明可在较短的时间内恢复和提高重构土壤的生产力，改善土壤环境质量，恢复土壤生态系统，且方法简单，易于操作实现。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实例1
一种地质塌陷区生态修复的方法，其包括如下步骤：
步骤一：将煤矸石作为回填物充填塌陷区，其中将粒径大于15mm的煤矸石充填在塌陷区的下层，将粒径小于3mm的煤矸石充填在塌陷区离地面较近的空间，然后用推土机推平，压路机压实，得到密封性好的煤矸石层；
步骤二：在所述煤矸石层的上方铺盖一层厚度为0.5m的覆土层，其中所述覆土层包括30wt％的污泥、50wt％的煤矸石以及20wt％的粉煤灰；
步骤三：在所述覆土层上铺盖层厚度为0.3m的表土层，其中所述表土层包括40wt％的黄土、30wt％的粉煤灰、28.8wt％的污泥、0.3wt％的脲甲醛、0.5wt％的微生物菌肥以及0.4wt％的聚丙烯酰胺，其中所述微生物菌肥包括固氮肥、解磷活性菌及解钾活性菌，所述聚丙烯酰胺的分子量为600万Da，所述聚丙烯酰胺的离子度为32～35％；
步骤四：在所述表土层上将油松、山杨、豆科树木以行间混交的方式进行种植，其中油松、山杨、豆科树木混交的比例为：0.5∶1∶2，其中混交种植的行距为2m，油松的株距为1.2m，山杨的株距为1.5m，豆科树木的株距为1.0m，其中豆科树木包括刺槐、紫穗槐及楹树。
植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
实例2
一种地质塌陷区生态修复的方法，其包括如下步骤：
步骤一：将煤矸石作为回填物充填塌陷区，其中将粒径大于15mm的煤矸石充填在塌陷区的下层，将粒径小于3mm的煤矸石充填在塌陷区离地面较近的空间，然后用推土机推平，压路机压实，得到密封性好的煤矸石层；
步骤二：在所述煤矸石层的上方铺盖一层厚度为1m的覆土层，其中所述覆土层包括60wt％的污泥、30wt％的煤矸石以及10wt％的粉煤灰；
步骤三：在所述覆土层上铺盖层厚度为0.5m的表土层，其中所述表土层包括60wt％的黄土、15wt％的粉煤灰、23.1wt％的污泥、0.5wt％的脲甲醛、0.8wt％的微生物菌肥以及0.6wt％的聚丙烯酰胺，其中所述微生物菌肥包括固氮肥、解磷活性菌及解钾活性菌，所述聚丙烯酰胺的分子量为800万Da，所述聚丙烯酰胺的离子度为35％；
步骤四：在所述表土层上将油松、山杨、豆科树木以行间混交的方式进行种植，其中油松、山杨、豆科树木混交的比例为：1.5∶3∶8，其中混交种植的行距为3m，油松的株距为1.8m，山杨的株距为2.2m，豆科树木的株距为1.5m，其中豆科树木包括铁刀木、黄檀及楹树。
植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
实例3
一种地质塌陷区生态修复的方法，其包括如下步骤：
步骤一：将煤矸石作为回填物充填塌陷区，其中将粒径大于15mm的煤矸石充填在塌陷区的下层，将粒径小于3mm的煤矸石充填在塌陷区离地面较近的空间，然后用推土机推平，压路机压实，得到密封性好的煤矸石层；
步骤二：在所述煤矸石层的上方铺盖一层厚度为0.8m的覆土层，其中所述覆土层包括40wt％ 的污泥、50wt％的煤矸石以及10wt％的粉煤灰；
步骤三：在所述覆土层上铺盖层厚度为0.4m的表土层，其中所述表土层包括50wt％的黄土、20wt％的粉煤灰、28.5wt％的污泥、0.4wt％的脲甲醛、0.6wt％的微生物菌肥以及0.5wt％的聚丙烯酰胺，其中所述微生物菌肥包括固氮肥、解磷活性菌及解钾活性菌，所述聚丙烯酰胺的分子量为700万Da，所述聚丙烯酰胺的离子度为33％；
步骤四：在所述表土层上将油松、山杨、豆科树木以行间混交的方式进行种植，其中油松、山杨、豆科树木混交的比例为：1∶2∶5，其中混交种植的行距为2.5m，油松的株距为1.5m，山杨的株距为2m，豆科树木的株距为1.2m，其中豆科树木包括紫穗槐、刺桐及黄檀。
植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
实例4
一种地质塌陷区生态修复的方法，其包括如下步骤：
步骤一：将煤矸石作为回填物充填塌陷区，其中将粒径大于15mm的煤矸石充填在塌陷区的下层，将粒径小于3mm的煤矸石充填在塌陷区离地面较近的空间，然后用推土机推平，压路机压实，得到密封性好的煤矸石层；
步骤二：在所述煤矸石层的上方铺盖一层厚度为0.9m的覆土层，其中所述覆土层包括55wt％的污泥、30wt％的煤矸石以及15wt％的粉煤灰；
步骤三：在所述覆土层上铺盖层厚度为0.5m的表土层，其中所述表土层包括48wt％的黄土、21wt％的粉煤灰、29.5wt％的污泥、0.4wt％的脲甲醛、0.6wt％的微生物菌肥以及0.5wt％的聚丙烯酰胺，其中所述微生物菌肥包括固氮肥、解磷活性菌及解钾活性菌，所述聚丙烯酰胺的分子量为650万Da，所述聚丙烯酰胺的离子度为33％；
步骤四：在所述表土层上将油松、山杨、豆科树木以行间混交的方式进行种植，其中油松、山杨、豆科树木混交的比例为：1.3∶1.3∶6，其中混交种植的行距为2.8m，油松的株距为1.7m，山杨的株距为2.1m，豆科树木的株距为1.1m，其中豆科树木包括黑荆、紫穗槐及楹树。
植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
实例5
一种地质塌陷区生态修复的方法，其包括如下步骤：
步骤一：将煤矸石作为回填物充填塌陷区，其中将粒径大于15mm的煤矸石充填在塌陷区的下层，将粒径小于3mm的煤矸石充填在塌陷区离地面较近的空间，然后用推土机推平，压路 机压实，得到密封性好的煤矸石层；
步骤二：在所述煤矸石层的上方铺盖一层厚度为0.6m的覆土层，其中所述覆土层包括38wt％的污泥、40wt％的煤矸石以及22wt％的粉煤灰；
步骤三：在所述覆土层上铺盖层厚度为0.3m的表土层，其中所述表土层包括55wt％的黄土、17wt％的粉煤灰、26.4wt％的污泥、0.5wt％的脲甲醛、0.7wt％的微生物菌肥以及0.4wt％的聚丙烯酰胺，其中所述微生物菌肥包括固氮肥、解磷活性菌及解钾活性菌，所述聚丙烯酰胺的分子量为740万Da，所述聚丙烯酰胺的离子度为35％；
步骤四：在所述表土层上将油松、山杨、豆科树木以行间混交的方式进行种植，其中油松、山杨、豆科树木混交的比例为：0.7∶2.7∶6.5，其中混交种植的行距为2.3m，油松的株距为1.6m，山杨的株距为1.8m，豆科树木的株距为1.4m，其中豆科树木包括铁刀木、楹树、刺桐及黑荆。
植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
为了说明本发明的效果，发明人提供比较实验如下：
比较例1
步骤二中的覆土层和步骤三中的表土层均不添加污泥，所述覆土层包括90wt％的煤矸石以及10wt％的粉煤灰，所述表土层包括83.1wt％的黄土、15wt％的粉煤灰、0.5wt％的脲甲醛、0.8wt％的微生物菌肥以及0.6wt％的聚丙烯酰胺，其余参数与实例2中的完全相同，工艺过程也完全相同。植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
比较例2
步骤二中的覆土层和步骤三中的表土层均不添加粉煤灰，所述覆土层包括60wt％的污泥、40wt％的煤矸石，所述表土层包括75wt％的黄土、23.1wt％的污泥、0.5wt％的脲甲醛、0.8wt％的微生物菌肥以及0.6wt％的聚丙烯酰胺其余参数与实例2中的完全相同，工艺过程也完全相同。植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
比较例3
步骤三中的表土层不添加微生物菌肥，其余参数与实例3中的完全相同，工艺过程也完全相同。植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
比较例4
步骤三中的表土层不添加聚丙烯酰胺，其余参数与实例4中的完全相同，工艺过程也完全相同。植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
比较例5
步骤三中的表土层中添加聚丙烯酰胺的分子量是1600万Da，其余参数与实例4中的完全相同，工艺过程也完全相同。植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
比较例6
步骤四中的表土层上不进行混交种植，仅进行豆科树木铁刀木、楹树、刺桐及黑荆的种植，其余参数与实例5中的完全相同，工艺过程也完全相同。植物种植2个月后，统计种植树木成活的苗木数，并对深度为20cm土壤进行采样，对取样土壤的全氮、速效磷、速效氮及有机质进行检测，检测结果见表1。
分别通过半微量开氏法方进行全氮检测，通过重铬酸钾外加热法进行有机质的检测，通过钼锑抗比色法进行速效磷的检测，通过火焰光度法进行速效钾的检测，对实例和比较例不同实施条件下的土壤情况及植物成苗率进行验证：
表1塌陷区修复后土壤的养分含量及植物成苗率情况
从上表1能够看出，实例中利用煤炭开采及加工过程中排放的废物煤矸石作为充填物，并在煤矸石及粉煤灰的基础上添加合适比例的污泥、黄土、微生物菌种进行基质土壤的改良可保证科学高效的植被恢复工作的进行。
比较例1与实例相比，覆土层和表土层均没有添加污泥，植物生长2个月后，土壤肥力偏低，树木成苗率偏低，这说明污泥的添加可提高覆土层的肥力，且可更好的进行塌陷区微生物体系的建立，促进养分转化的效率，从而提高成苗率；
比较例2与实例相比，覆土层和表土层均没有添加粉煤灰，植物生长2个月后，土壤肥力和树木成苗率也较实施例低，这说明含有大量微量元素粉煤灰的添加可进一步增强微生物活性与促进养分转化的能力，从而有效改善植物的立地条件，提高其成苗率；
比较例3与实例相比，表土层不添加微生物菌肥，其土壤理化性质也低于实施例，这说明固氮菌的使用可增加土壤中的氮素来源，解磷和解钾活性菌可将黄土及污泥中难溶的矿质磷、钾的分解出来，提高土壤中速效磷和速效钾的含量，基质理化特性的提高保证了植物的生长发育；
比较例4和比较例5分别与实例相比，说明聚丙烯酰胺的添加可提高对土壤中营养成分 的保持，但聚丙烯酰胺的分子量不能过高，否则会影响其在土层中的扩散和对流，反而会影响其使用效果；
比较例6与实例相比，比较例6仅进行豆科类树木的种植，土壤的营养状况不如实施例5，这说明不同生长速度的油松、山杨与豆科树木进行混交种植的方法可有效缓解单一豆科树木种植对土壤营养元素的专一吸收，防止土壤地力的衰退，彼此间互相促进生长，提高成苗率。
可见，根据塌陷区沉陷的深度对煤矸石进行初筛，然后根据煤矸石的块头大小及易风化程度进行分层充填，分层压实，既保证了充填复垦的效果，又消除了废弃物煤矸石对土地的占有和污染；
此外，覆土层由污泥、煤矸石及粉煤灰组成，污泥可填堵由于表层矸石风化造成的空隙，含有大量微量元素粉煤灰的添加可进一步增强微生物活性与促进养分转化的能力，从而保证了覆土层的保水性能与肥力；
此外，表土层中含有固氮菌、解磷活性菌及解钾活性菌微生物菌肥的添加，增加了氮素的来源，提高了土壤中可利用的磷、钾的利用量，弥补了由于使用氮、磷、钾均含量偏低的煤矸石和粉煤灰而带来的不足；
此外，保水剂聚丙烯酰胺的使用增加了土壤表层颗粒间的凝聚力，维系了良好的土壤结构，增强了土壤的保水性和保肥性，提高了塌陷区植被生态环境恢复的能力；
此外，合适密度的油松、山杨、豆科树木行间混交的种植有效缓解了单一豆科树木种植对土壤营养元素的专一吸收，防止土壤地力的衰退，且混交林丰富的枯落物进一步提高了土壤的肥力，促进了林木的生长；
此外，本发明可在较短的时间内恢复和提高重构土壤的生产力，改善土壤环境质量，恢复土壤生态系统，且方法简单，易于操作实现。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。