石灰和有机肥对铜矿排土场的改良效果研究

毛 喆

（广东中联兴环保科技有限公司，广东 广州510000）

排土场是一类主要的矿业废弃地，主要由剥离的表土、低品位矿石等组成［1］.排土场占据和破坏了大量的土地.据统计，截至2014年底，全国矿产开发累计损毁土地高达303万hm2，而治理率仅有26.7%［2］.在主要的矿业废弃地类型中，排土场占地比例高达20%［3］.不仅如此，由于土石大量混堆造成结构松散，在暴雨或其他扰动影响的情况下，排土场极易发生滑坡、泥石流等地质灾害问题［4］.此外，排土场酸化导致的重金属溶出，也是周边地区重金属污染和粮食超标的主要源头之一.因此，围绕排土场生态环境治理开展理论和应用研究，对于我国生态环境保护、生态文明建设具有重要的意义.

近年来，基于植被重建的生态恢复技术在排土场治理中受到广泛认可［5］.然而，排土场（特别是重金属矿山排土场）土壤往往具有各种极端的理化条件，如物理结构不良、酸化、重金属含量高、营养元素含量低等，对植被重建过程造成了极大的阻碍［6］.如何有效地对排土场土壤实施基质改良，是成功实施生态恢复的关键步骤.本研究在永平铜矿南部排土场建立生态恢复试验区，并采用石灰、有机肥等进行基质改良，通过对生态恢复前后的土壤理化性质变化进行监测研究，为永平铜矿排土场的大面积生态恢复及国内其他类型重金属矿业废弃地的恢复提供参考，特别是在基质改良方面.

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

研究地点位于江西省上饶市铅山县永平镇永平铜矿.该地区属中亚热带温湿型气候，日照充足，雨量充沛，四季分明.平均气温在17.2～19.6℃，最热的七月份平均气温29.5℃，最冷的一月份平均气温6.1℃，平均年日照为1 792 h，年均无霜期25l～274 d，年均降水量1 700～2 100 mm，常年主导风向为东南风.永平铜矿地处武夷山脉北麓，是国家重点建设项目，1980年开始大规模建设，1984年10月建成开始投产.永平铜矿矿区面积1 313 hm2，是一个以铜为主的富含硫、铁、铅、锌和金银的综合性矿床，现为中国第二大露天铜矿.露天采场面积为116 hm2，设计剥离总量3亿多 t，同时设置了5个排土场，占地面积约600 hm2.试验区设置在永平铜矿南部排土场顶部平台，面积为8 000 m2，长100 m，宽80 m.试验区表面平坦，土石混杂，土壤酸化十分严重，整个区域只有少数几株低矮的马尾松存在，无其他任何植物.

1.2 试验区复垦方法及样品采集

1.2.1 试验区复垦方法

试验区复垦的主要过程如下：

（1）平整地形：采用机械设备对试验区表面进行平整，去除大石块.

（2）建立种植带：横向开挖种植条沟（条沟规格：宽30 cm×深30 cm，间距80 cm）；条沟间隙采用鱼鳞坑梅花点布置种植穴（鱼鳞坑规格：长40 cm×宽60 cm×深50 cm，间距200 cm）.

（3）基质改良：按照有机肥（公司自配）15 kg/m2，石灰8 kg/m2的用量进行基质改良，均匀地分撒改良剂.

（4）平衡：土壤回填，平衡一个月左右，让改良材料与土壤充分接触渗透.

（5）播种植物：种植五节芒（Miscanthus floridulus）、马尾松（Pinus massoniana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）营养袋苗；直播高羊茅（Festuca arundinacea）、狗牙根（Cynodon dactylon）、百喜草（Paspalum notatum）、泡桐（Paulownia tomentosa）、田菁（Sesbania cannabina）、虎杖（Polygonum cuspidatum）、苎麻（Boehmeria nivea）等种子.种好后，覆盖一定厚度的稻草，以保持水分和一定的温度.

（6）后期抚育：主要包括松土、补苗、补加石灰肥料以及浇水等措施，同时也进行了多次杀虫作业.

1.2.2 样品采集

土壤样品采集分两次进行，分别在恢复前和生态恢复半年后.每次按系统随机布点方法采集50个样品，每个样品由3～5个子样品混合而成，采样深度为0～20 cm，采样量为1 kg左右，装于采样袋中，立即运回实验室.运达实验室后，于干燥通风处风干，剔除石头和植物残体，分别过20目和100目筛，贮存在干燥通风处用于后续理化分析.

1.3 理化指标分析

1.3.1 土壤pH、EC和净产酸量测定

（1）pH、EC

称取4.0 g过20目筛的土壤样品，加入10 mL纯水，磁力搅拌器搅拌3 min，pH采用电位法测定，EC则采用电导法进行测定.

（2）净产酸量（NAG）、NAG-pH

称取2.5 g过20目筛的土壤样品于500 mL锥形瓶中，加入250 mL 15%的H2O2，放置于通风橱中充分反应24 h，用电热板加热煮沸1 h以除去多余的H2O2，冷却后测定pH值，即为NAG-pH［7］.用0.1 M的NaOH滴定至pH为7.0，根据消耗的NaOH的体积计算NAG.

1.3.2 土壤重金属含量分析

（1）土壤重金属总量（Pb、Zn、Cu）

称取0.2～0.3 g过100目筛的土壤于微波消解管中，同时记录土壤重量，加入8 mL王水（HCl∶HNO3=3∶1），然后放置在微波消解仪中180℃消解20 min，转移消解液并定容至50 mL，用ICP-OES测定总（Pb、Zn、Cu）含量.

（2）土壤重金属有效态含量（Pb、Zn、Cu）

称取10.0 g过20目筛的风干土于150 mL塑料瓶中，加入DTPA浸提剂（0.005 M DTPA-0.01 M Ca-Cl2-0.1 M TEA）20 mL，放入水平摇床中25℃、180 rpm/min震荡2 h，双层滤纸过滤，滤液用ICP-OES测定重金属有效态（Pb、Zn、Cu）含量.

1.3.3 土壤有机质、全氮、全磷含量测定

（1）有机质

称取0.1～0.2 g过100目筛的样品采用TOC-V总有机碳分析仪测出有机碳含量，乘以经验系数1.724即为有机质含量.

（2）全氮、全磷

称取0.2～0.3 g过100筛的风干土于白色硬质玻璃消化管中，加入5 mL浓硫酸，摇匀，再加入10滴高氯酸，于消煮炉中360℃消煮2 h，冷却后定容至50 mL，摇匀后过滤.滤液使用WESTCO的SMARTCHEM 按仪器标准方法测定全氮含量；使用ICP-OES测定全磷含量.

2 结果与讨论

2.1 石灰和有机肥对试验区土壤酸化的影响

酸化问题在重金属矿业废弃地中普遍存在.这主要是由于重金属矿业废弃地都含有一定量的金属硫化物，而这些金属硫化物在氧气、水和微生物的作用下能够迅速产酸发生酸化［8］.对原始试验区土壤的分析结果表明，试验区土壤的pH为2.8，属于强酸性土壤（见图1）.其他如EC、NAG-pH和NAG等相关指标的数据结果也表明试验区土壤酸化严重，且具有较高的产酸潜力，如不采取有效措施，酸化还将加剧.对植物定居而言，酸化带来的一系列后果是相当严重的.相关研究表明，酸化导致的极端酸性会直接造成植物种子难以萌发，不能生长［9］.这种强酸性除了对植物有直接的抑制作用以外，还会加剧重金属溶出和毒性，同时导致土壤养分不足，间接影响植物定居.

本研究采用石灰和有机肥对原始的酸化排土场土壤进行改良.石灰由于价格低廉、极易获得，成为目前应用最为广泛的酸性改良材料.但相关研究表明，石灰虽然能够短期内调节废弃地的pH值，但如果缺乏有机改良材料的配套使用，则需要连续不断地添加石灰才能维持所需的pH值［10-11］.并且，过量的石灰可能会影响植物对营养物质的吸收，对植物生长造成障碍.在添加石灰、有机肥实施生态恢复半年后，试验区的pH值由2.8上升至6.2（P＜0.01），从强酸性土壤提升为近中性土壤；EC则从原始的1.6 mS/cm下降至 1.1 mS/cm，降低 29%左右（P＜0.01）；NAG-pH 由原始的2.8上升至 4.9（P＜0.01），NAG 由 23 kg H2SO4/t降至4.0 kg H2SO4/t，下降83%左右，表现为极显著差异（P＜0.01）.以上结果表明试验区土壤的酸化问题得到了明显控制，添加适量石灰和有机肥是一种有效的酸化控制方式.这和杨胜香等在广东省大宝山多金属矿排土场进行的生态恢复实验结果是一致的，通过添加石灰和鸡粪，有效地抑制了排土场土壤基质中金属硫化物的氧化产酸过程，土壤pH值显著性提高［12］.此外，生态恢复半年后，试验区植被覆盖度高达95%，也间接证明了石灰和有机肥的良好酸化控制效果.

图1 生态恢复前后试验区土壤酸化指标均值对比注：pH和NAG-pH无量纲，EC单位mS/cm，NAG单位kg H2SO4/t.

2.2 石灰和有机肥对试验区土壤重金属的影响

重金属矿山排土场一般具有较高的重金属毒性.本次研究的永平铜矿排土场同样具有较高的重金属含量.对比GB15618-1995国家土壤环境质量三级标准，恢复前试验区土壤的总铅（328 mg/kg）和总锌（259 mg/kg）含量均在标准以内；总铜含量为1 321 mg/kg，是参考标准限值（400 mg/kg）的3倍多，有效铜含量也高达104 mg/kg（见图2）.过量的铜离子会对植物种子的萌发造成很大的阻碍，影响其有丝分裂过程；同时，铜离子过高也会影响植物对N、P、K等营养成分的吸收，并对植物叶绿素的合成造成严重干扰，影响植株的正常生长.而在添加石灰、有机肥改良实施生态恢复半年后，试验区土壤的总铅、总锌、总铜等重金属总量指标的数据与原始情况虽无明显差异，但有效态重金属含量均有所下降；特别是，有效铜含量的降低极为显著，从恢复前的104 mg/kg下降至22 mg/kg，下降了79%；有效铅、有效锌则分别从0.9 mg/kg下降至0.5 mg/kg、8.3 mg/kg下降至2.3 mg/kg（见图2）.以上结果表明添加石灰和有机肥进行基质改良显著地缓解了排土场试验区的重金属毒性.相关研究也表明，石灰可以降低可溶性的铅、锌、铜的浓度，使重金属迁移受到限制［10］.此外，重建的植被系统也可通过植物稳定作用降低有效态重金属含量，防止重金属扩散对周边环境造成的污染［13-14］.

2.3 石灰和有机肥对试验区土壤营养情况的影响

矿业废弃地的营养贫瘠问题一直是植物定居生长的障碍之一.土壤营养情况关乎到植物种子萌发、生长过程，是维持整个植被生态系统所需的基本要素之一.对原始土壤样品的分析结果表明，试验区土壤的有机质含量仅有4.0 g/kg，远远不能供给植物正常生长所需的营养，可能导致植物难以生长.土壤全氮含量为136 mg/kg，全磷含量为252 mg/kg，均属于匮乏水平.氮和磷都是植物生长过程中必须的大量元素，它们既是植物体的重要组成成分，同时又参与植物体内的各种关键生理代谢过程.试验区氮和磷元素的缺乏，必然会影响植物的定居生长，造成植物难以存活或者出现营养缺乏的各种病症.在添加石灰、有机肥改良实施生态恢复半年后，试验区土壤的营养情况显著得到提升（见图3）.其中，有机质含量上升至 30 g/kg，是恢复前的7.5倍（P＜0.01）；全氮和全磷含量分别上升至 625 mg/kg、538 mg/kg，是恢复前的4.6倍和2.1倍（P＜0.01）.土壤营养条件的改善是植物正常生长的有效保障，对于构建长久的稳定植被系统具有重要意义.

图2 生态恢复前后试验区土壤重金属指标均值对比

3 结论

图3 生态恢复前后试验区土壤营养元素指标均值对比注：有机质单位g/kg，全氮、全磷单位mg/kg.

永平铜矿南部排土场试验区是典型的重金属矿业废弃地，具有极端酸化、高度重金属毒性且营养贫瘠等特点.本研究通过采用石灰、有机肥对铜矿排土场试验区改良并进行植被系统重建，初步构建了一种经济有效的生态恢复模式，并取得了良好的生态恢复效果.在生态恢复6个月后，试验区的酸化情况已经得到初步控制，重金属有效态显著降低，营养条件明显改善，植被覆盖度高达95%，达到了阶段性的治理目标.本研究的结果能够为铜矿排土场以及其他类型重金属矿业废弃地的生态恢复工作提供一定的有益参考，特别是在基质改良方面.当然，由于恢复时间过短，试验区整体距离达到正常的土壤、植被水平还相差甚远，需要更长时间的连续监测以研究土壤理化指标的长期变化规律.