煤炭资源是我国的主体能源,我国仍处于经济快速发展期,对煤炭资源的需求量巨大,且在短期内不会改变。露天采煤较地下井工采煤效率高、回采率高且成本低,我国露天煤矿开采比例已由原来的4%提高到15%。我国露天煤矿大多分布在生态环境脆弱的西部地区,该地区作为我国重要的能源基地,其煤层埋藏浅、煤层厚和薄基岩的赋存条件,极具规模化、集约化现代开发的条件。随着煤炭行业的战略西移,西部地区已成为我国能源开发的主战场。露天矿开采需剥离矿层上方的全部表土和岩层,必然会对土地和生态环境产生最直接的影响。西部地区位于风蚀与水蚀交错的典型地带,属于干旱、半干旱的生态脆弱区,由于本身生态阈值较低,抗扰动能力较差,煤炭基地集群化建设及高强度开采方式使得该区域土地生态呈现出强烈扰动的态势,极大的影响了区域生态环境的可持续发展。因此,西部露天矿区土地复垦与生态重建成为我国亟待解决的问题。西部矿区具有干旱少雨、土壤结构性差和养分贫瘠等特点,导致土地生态修复极为困难。目前该地区土地复垦一般是采取底部填埋煤矸石等固体废弃物、上面覆盖土壤的工程复垦模式,但由于覆土后的排土场无任何土体结构,保水保肥能力较差,养分含量极低,致使植物难以存活和生长。因此,对现有土壤进行改良,提高土壤养分含量和保水保肥性能是解决该地区土地生态修复问题的关键。在已有成果经验基础上,结合土壤学和农学等相关知识,从充分利用本地原材料为出发点,将风沙土、红粘土、煤矸石、玉米秸秆及腐植酸等五种原材料按不同比例复合形成27种配方海绵营养土,通过室内盆栽试验,以紫花苜蓿为宿主植物,对比分析了27种配方海绵营养土的植物生长性状,优选出了海绵营养土的最佳配方,同时从土壤物理性质、养分含量及生物学性质等方面对不同配方海绵营养土的响应进行了分析和比较,对最佳配方海绵营养土促进植物生长的作用机制进行了探讨;然后,在海绵营养土最佳配方优选的基础上,提出了在风沙土中夹海绵营养土层的局部应用方法,通过室内土柱模拟种植试验,对比分析了海绵营养土不同夹层层位和夹层厚度对植物生长特征和土壤剖面养分效应的影响;接着通过室内土柱试验模拟了不同类型海绵营养土夹层土壤剖面构型的入渗和蒸发过程,研究了海绵营养土夹层层位和夹层厚度对土壤剖面水分运移、分布规律和持水性能、保水性能的影响。主要得到如下结论:(1)优选出了适合紫花苜蓿生长的最佳海绵营养土配方。综合考虑27种海绵营养土对紫花苜蓿生长状况的促进作用,认为风沙土与红粘土1:2复配,同时添加15%煤矸石、5%玉米秸秆及0.05%腐植酸的组合方式为海绵营养土的最佳配方。最佳配方海绵营养土能够显著促进紫花苜蓿的生长状况,最佳配方海绵营养土的紫花苜蓿株高、根系长度、根直径、根表面积、地上部分生物量、地下部分生物量、地上部分全氮、全磷及全钾含量分别较对照风沙土提高了223.28%、131.80%、239.20%、650.45%、624.76%、1298.36%、78.47%、324.14%、82.05%。此配方海绵营养土在促进植物生长的同时,充分实现了风沙土、煤矸石及玉米秸秆等材料的资源化利用,可减轻工作量,降低生态修复成本。(2)揭示了最佳配方海绵营养土促进紫花苜蓿生长的作用机制。最佳配方海绵营养土促进植物生长的作用机制主要包括良好土壤质地的形成、水分物理性质的改善、有机质及养分含量的提高、生物活动及其分泌物对土壤的作用。首先,最佳配方海绵营养土有效改善了土壤物理性质。对照风沙土的土壤质地为砂土,红粘土的加入有效调节了土壤颗粒级配,使土壤质地由砂土变成砂壤;相比对照风沙土而言,最佳配方海绵营养土的总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量、毛管持水量、田间持水量及>0.25mm水稳性团聚体含量分别提高了30.45%、97.72%、91.60%、144.58%、147.41%、181.03%,其容重降低了19.75%;其次,最佳配方海绵营养土显著提高了土壤养分含量。风沙土在未经改良之前,除速效钾之外,其它养分含量均处于较低水平,最佳配方海绵营养土的全氮、有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量分别较对照风沙土显著提高了3373.33%、1141.48%、269.97%、1974.60%、620.45%,其pH降低了8.31%。再次,最佳配方海绵营养土显著增加了土壤微生物数量。相比对照风沙土而言,最佳配方海绵营养土的细菌、真菌及放线菌数量分别增加了1056.52%、1854.55%、1172.50%,其微生物总数增加了1075.29%。(3)针对海绵营养土的应用方法,提出了在风沙土中夹海绵营养土层的局部应用方法,优选出了较为适宜的海绵营养土夹层层位和夹层厚度。首先,风沙土中添加海绵营养土夹层可以有效促进紫花苜蓿生长,促进作用因海绵营养土夹层层位和夹层厚度的不同而有所差异。夹层层位在距土表10cm、夹层厚度为15cm的土壤剖面的紫花苜蓿地上生物量和地下生物量均为最高,分别比全沙土柱CK增加了116.39%、146.82%,此夹层层位、夹层厚度是较为适宜的海绵营养土应用方法。在海绵营养土夹层厚度相同时,距土表10cm的夹层层位对植物的生长发育促进作用大于5cm、10cm;在夹层层位相同时,海绵营养土夹层厚度的增加有利于促进紫花苜蓿生长,夹层厚度为15cm时促进作用最明显。其次,海绵营养土夹层对土壤剖面整体养分(pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾)含量具有改良和蓄积作用。海绵营养土夹层厚度的增加有利于提高剖面整体养分含量,夹层厚度为15cm的土壤剖面养分含量优于5cm和10cm夹层厚度。全沙土柱CK的养分含量随深度的增加呈降低趋势,不同深度处的养分含量均低于相应深度处的夹层土壤剖面。对于不同类型夹层土壤剖面而言,夹层层位和夹层厚度对土壤养分含量影响不显著,各夹层土壤剖面之间的养分含量彼此差异不显著。对于同一夹层土壤剖面而言,夹层部分的养分含量均显著高于上层与下层部分,上层与下层部分的养分含量差异不显著,但下层部分的养分含量整体高于上层,说明海绵营养土夹层可使下层风沙土的养分含量得到改善,长期来看,整个土壤剖面中适宜植物生长的介质层可能呈逐渐增加的趋势。(4)海绵营养土夹层层位、夹层厚度对于土壤剖面的入渗性能具有显著影响。海绵营养土夹层可以降低土壤剖面的入渗性能,风沙土表下10cm深度处夹15cm厚度的海绵营养土层的土壤剖面的入渗性能最低。在夹层厚度相同而夹层层位为距土表5cm、10cm和15cm这三种情况下,夹层层位越靠近土表,湿润锋到达夹层上界面用时越短,对应的累积入渗量越小,距土表10cm的夹层层位对水分下移的阻碍作用最大;在夹层层位相同而夹层厚度为5cm、10cm和15cm这三种情况下,夹层厚度越厚,其对水分下移的阻碍作用越大。采用线性函数能够很好的描述不同类型土壤剖面湿润锋推进距离与时间之间的关系,Kostiakov模型可以较好的拟合不同类型土壤剖面的入渗过程。(5)海绵营养土夹层层位、夹层厚度对于土壤剖面的蒸发特征具有显著影响。海绵营养土夹层可以降低土壤剖面的蒸发,风沙土表下5cm深度处夹15cm厚度的海绵营养土层的土壤剖面的累积蒸发量最小。在夹层厚度相同而夹层层位为距土表5cm、10cm和15cm这三种情况下,夹层层位越靠近土表,对蒸发的抑制作用越强;在夹层层位相同而夹层厚度为5cm、10cm和15cm这三种情况下,夹层厚度越厚,对蒸发的抑制作用越强。二次模型能够很好的模拟各土壤剖面累积蒸发量与时间之间的关系。排水48h后和蒸发30d后,T6处理的持水量均为最高,分别为129.10mm、76.35mm,说明风沙土表下10cm深度处夹15cm厚度的海绵营养土层的土壤剖面的持水能力最好,实现了保水效果。