北京矿山废弃地生物修复初步探讨

张涛　邢宇鑫　孙 楠　闫广新

摘  要：礦山开采产生的废弃物通过不同形式进入到土壤，破坏土壤环境并最终危害到人体健康，大力推进生态农业发展势在必行。本试验以多维立体动植物结合的土壤生态修复为理论依据，设置家禽和植物混合养殖模式与单独种植植物模式相对比，以了解并评价试验区内土壤肥力的变化以及肉蛋的产出情况。试验结果表明：1）养殖家禽可以有效改善土壤理化性质。养殖处理区（ST-3和ST-6），土壤肥力水平都提高了一个等级，土壤的酸碱性、有机质含量、全氮含量、硝态氮含量、速效钾含量、速效磷含量都有明显增加，且增加量与家禽的数量有一定的相关性。2）种植植物与养殖家禽对土壤的改善作用存在不确定性。植物对土壤养分的吸收和家禽粪便对补充养分的综合作用，使处理区内土壤养分增加量明显低于养殖处理区，土壤肥力的评价等级仍处于同一水平。3）土壤中可能存在的有害物质没有通过植物进入到养殖家禽体内，鸡肉和鸡蛋的品质均略优于商品鸡和鸡蛋。4）通过提高土壤肥力，增加生物多样性，可将现有贫瘠的砂砾土壤修复为含水量高、土壤孔隙率高和土壤肥力大的可耕种土地。同时，研究有经济产出，包括收获柴鸡、鸡蛋、薄荷、金银花等有机绿色食品。

关键词：矿山修复;种养模式;土壤肥力;鸡肉蛋品质

中图分类号：TD167        文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）04-0022-08

Abstract： The wastes in mines will enter the soil by different ways， which can destroy the soil environment and finally be harmful to human health. It is imperative to vigorously promote the development of ecological agriculture. This experiment is based on the three-dimensional combination of animal and plant ecological restoration， and the mixture cultured mode of poultries and plants is compared with the individual planting mode to understand and evaluate the changes of soil fertility in the test area and the output of meats and eggs. The results show that： （1） Breeding poultry can effectively improve the physical and chemical properties of the soil. In the cultured treatment area （ST-3 and ST-6）， the soil fertility level has been improved by one grade. The pH， organic matter content， total nitrogen content， nitrate nitrogen content， available potassium content and available phosphorus content in soil are all obviously increased. And the amount of increase has a certain correlation with the number of poultry. （2） There is uncertainty in the improvement of soil for planting and growing poultry. The combined effect of plant nutrient uptake and nutrient supplementation of poultry manure on nutrients in the treatment area is significantly lower than that in the cultured treatment area， and the soil fertility evaluation level is still at the same level. （3） Harmful substances that may be present in the soil will not enter the cultured poultry through plants. The quality of chicken and eggs is slightly better than that of commercial chickens and eggs. （4） By improving soil fertility and increasing biodiversity， the existing barren gravel soil can be restored to arable land with high water content， high soil porosity and high soil fertility. At the same time， there are economic outputs， including harvesting organic foods such as chicken， eggs， mint， and honeysuckle.

Keywords： Ecological restoration for abandoned mine; Breeding mode; Soil fertility; Quality of chicken and eggs

1 概述

采矿业对于北京郊区的经济发展曾起到一定的带动作用，但由于对地质环境的负面影响，难以带来可持续的发展。结合遥感解译成果及矿山企业提供资料进行核实，截至2017年北京市矿山企业17家，矿区面积10363.75公顷，占用破坏土地面积400.02公顷（北京市地质工程设计研究院，2017）。采矿活动过程中产生的废弃物，通过大气降尘、渗透等形式广泛进入到土壤环境，当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力时，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤→植物或水→人体”途径直接或间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度（罗海霞等，2014;赵默涵，2008）。2016年中央一号文件指出，推动农业可持续发展，必须确立发展绿色农业就是保护生态的观念，加快形成资源利用高效、生态系统稳定、产地环境良好、产品质量安全的农业发展新格局。大力推进生态农业发展势在必行，也是实现我国水土地质环境可持续发展的关键，对于提振中国经济具有重大意义。

“多维立体”生态修复模式认为生态修复需要从四维立体空间角度出发，这四个维度分别是：土壤、水、大气以及所有生命体、人类、支撑生命系统中自然与人文交互作用的网络空间结构、时间（图1），只有把这四个维度融合在一起进行通盘考虑才是生态修复的最高层面（张文波等，2009）。林草禽模式将种养结合，是一种互利共生的生产搭配模式，是“多维立体”生态修复技术的具体实践，可以实现更好的经济、生态和社会效益三者的有机结合。目前，林草禽模式在我国逐渐推广，不少科研人员对该模式的具体应用进行了初步探索。研究表明该种养殖模式可以显著增强土壤肥力，明显改善土壤结构，有效防止水土流失，提高禽类肉蛋品质，促进生态良性循环（刘龙等，2010;董晓宁等，2014;李薇，2009;赵丽平等，2012）。

本试验以“多维立体”生态修复为理论依据，通过将生态修复与有机农业相互结合，详细了解并评价试验区内土壤肥力的变化以及肉蛋的产出情况，提出“多层次”生态修复与有机农业综合研究建议，改变以往生态修复工程大量投入、少有产出的局面。

2 材料与方法

2.1 试验区基本情况

试验区位于密云区密云镇（东经116°41'—117°30'，北纬40°14'—40°48'），密云区地处于燕山山脉南麓，区域内含有金矿、铁矿等丰富矿产资源。境内主要有潮河、白河、白马关河等水系，是首都重要的饮用水源地和生态涵养发展区。试验期间平均气温为16.1℃，日照时数共计1422.8小时，总降水量为664.9mm，降水主要集中在7月份，降水量237.1mm。

2.2 供试材料

处理ST-1和ST-2和ST-4所用土壤来自煤矿的煤矸石土壤。在ST-4煤矸石土壤上直接种植植物，ST-1和ST-2在煤矸石土壤上部覆盖厚约5cm的研究区域原生土后再种植植物。其他处理ST-3、ST-5、ST-6、ST-7所用土壤均为研究区域原生土。

根据实验组第一阶段温室实验的研究结果，试验选择具有良好抗逆性、易于生长、且有较高经济价值、药用价值和观赏价值的11种植物进行栽植培育，分别是金银花、紫花苜蓿、板蓝根、高羊茅、薄荷、八宝景天、三七、桔梗、天人菊、波斯菊和五色梅。

选择北京油鸡进行放牧散养。北京油鸡是北京地区特有的地方优良品种，距今已有300余年。具有肉质细致，肉味鲜美，蛋质佳良，生活力强和遗传性稳定等特性。北京油鸡对各种养殖方式都能很好地适应，其理想的养殖方式为散养，在散养过程中，商品鸡可以采食野草、昆虫、草籽等作为食物补充。

2.3 试验设置

试验共设计7个处理区，位置分布如图2所示。其中，ST-1、ST-2和ST-4為植物动物混养区;ST-3和ST-6为牧鸡养殖区;ST-5和ST-7为空白对照区，所种植物与混养区相同，但没有鸡、鹅的放养采食干扰。

试验开展时间为2016年5—12月。2016年5月25日通过播撒植物种子开始种植植物，2016年6月开始在鸡舍内进行鸡鹅的养殖。其中ST-3投放20只鸡，ST-6投放10只鸡。为增加物种多样性，又在两个处理区分别投放2只鹅。将ST-1与ST-2、ST-6与ST-3分别隔离，即两侧的家禽无法互相进入，以研究养殖密度对土壤肥力、植物生长及肉蛋品质的影响。6—8月家禽仅人工喂养饲料，待8月份植物生长茂盛后，将家禽投放进入混养区，以自然采食植物茎叶为主，人工喂养饲料为辅。

对7个处理区土壤样品的采集分别于2016年6月1日、8月9日、10月18日、12月14日进行。本试验设置以6月1日采集的7个土壤样品作为7个处理区的试验初始值。采样方法为梅花形采样法，每个处理区东西南北四角和中间共5点取土，在自封袋中充分混合后形成1个土壤样品。采样前去掉表层土，采样厚度10cm左右。每次取土共采集7个土壤样品。采集的土样送至实验室进行测试，样品测试均由有专业测试资质的测试单位完成。对采集的土样进行pH、有机质含量、全氮含量、速效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮含量分析。

于2016年12月24日将散养的北京油鸡宰杀。分别随机抽取ST-3和ST-6的3只鸡和30个鸡蛋送到有专业测试资质的测试单位进行检测。同时从市场购买3只相同品种的商品鸡及30个鸡蛋作为对比一同送去检测。鸡肉的检测指标包括：水分、灰分、蛋白质、脂肪、天门冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、络氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、16种氨基酸总量、铁、锌、钙、镁、铜、锰、硒、铅、镉、汞、铬;鸡蛋的检测指标包括：水分、蛋白质、脂肪、卵磷脂、胆固醇、铁、锌、钙、镁、铜、锰、硒、铅、镉、汞、铬。

3 结果与讨论

3.1 土壤理化性质指标

3.1.1 pH

种养混合、牧鸡养殖和空白对照3种处理方式的土壤pH平均值随时间变化情况如图3（a）所示。6月份对初始状态下的处理区进行采样分析，试验开始时7个处理分区的pH值都在8.5以上，属于强碱性土（<4.5极强酸性、4.5～5.5强酸性、5.5～6.5酸性、6.5～7.5 中性、7.5～8.5碱性、8.5～9.5强碱性、>9.5极强碱性）。随着试验开始，各处理虽波动变化，但整体呈现出下降趋势。种养混合、养殖和空白对照3种处理模式下，pH值都较初始值有不同程度的降低。且种养混合模式下pH值下降最多，达到了7.64%。至试验结束时，虽然各处理的pH值有所降低，但波动区间较小，仍处于碱性—强碱性土壤。由于pH检测过程中可能存在细微分析误差且本次试验研究时间周期较短，计划下一步通过监测二期进一步观察不同处理模式对土壤酸碱性的改变效果。

3.1.2 有机质

图3（b）所示为种养混合、牧鸡养殖和空白对照3种处理方式下有机质含量的变化情况。从整个试验周期来看，3种处理方式的有机质含量都表现出先增高后降低的趋势。种养混合区和养殖区的最高含量出现在8月份，空白对照区则在10月份。6—8月种养混合区植物刚开始生长，对有机质的吸收较少，养殖区有机质的矿化速度较低，而鸡的排泄物对土壤有机质的补给较多，造成有机质的积累，含量增加。8月份以后，植物生长逐渐茂盛，微生物对有机质的矿化分解速率提高，对有机质需求量高于鸡粪的补给量，故有机质呈下降趋势。

与试验开始时相比，种养混合区、养殖区、空白区的土壤有机质含量均呈现不同程度的降低。降低最少的是种养混合区，较试验开始时减少了2.02%，降低最大的是空白区，减少13.27%。与空白对照区相比，种养混合区鸡粪对土壤有机质的补充，可能是种养混合区含量降低小于空白对照区的原因。养殖区的减少量处于两者之间，为5.22%。

3.1.3 全氮

种养混合、牧鸡养殖和空白对照3种处理方式的土壤全氮含量随时间变化情况如图3（c） 所示。试验期间，种养混合区的全氮含量是一个先降低后增高的过程。6—8月植物生长吸收土壤全氮，但是鸡还没有放养，土壤全氮没有得到补充，含量降低。8月份以后鸡在植物区

散养，且啄食植物，土壤全氮不仅由鸡粪中养分得到补充且植物吸收逐渐减少，所以8月份以后逐渐积累，含量增加。养殖区呈现波动变化，可能与微生物活性随温度变化情况有关。空白对照区则是逐渐下降的趋势。这可能是由于植物生长吸收携带走全氮，但是在没有人工施肥等条件下，植物腐败对土壤全氮的补给量小于携带量，导致土壤全氮无法得到及时的补充，含量逐渐降低。至试验结束时，种养混合区全氮增加10.07%，养殖区增加68.47%，升高幅度最大，空白区降低16.46%。试验结果说明，散养鸡可以有效补充土壤全氮含量，提高土壤养分。

3.1.4 硝态氮

种养混合、牧鸡养殖和空白对照三种处理方式下土壤硝态氮的含量变化趋势（图3（d））与全氮基本相同。试验结束时，养殖区的硝态氮增长量最高，是试验开始的3.15倍;其次是种养混合区，增长了24.04%;空白对照区则降低11.88%。试验结果说明，养殖家禽可以显著提高土壤硝态氮含量。

3.1.5 速效磷

种养混合、牧鸡养殖和空白对照三种处理方式土壤速效磷含量随时间变化情况如图3（e）所示。试验结束时，养殖区的速效磷含量最高，平均为70.05 mg/kg，但增长率居于第二，12月份比6月份含量增长180.20%;种养混合区的含量增加最快，增长了248.30%;空白对照区虽有升高，但整体波动较大，试验结束时增加幅度较小。

3.1.6 速效钾

整个试验期间，种养混合、牧鸡养殖和空白对照三种处理方式土壤的速效钾含量变化趋势（图3（f））明显不同。种养混合区呈现出波动下降趋势，试验结束时含量降低了18.81%。可能原因是植物对速效钾吸收的量较大，而8月份鸡散养后，啄食植物导致植物吸收的钾无法通过植物腐败还田回土壤中，而鸡粪对土壤速效钾的补充量小于植物吸收量，最终导致土壤速效钾含量降低。养殖区的土壤速效钾则表现出波动上升，试验结束时是初始值的2.2倍。说明在无植物吸收时，鸡粪可以有效提高土壤速效钾含量，提高土壤肥力。空白对照区的速效钾含量虽有波动，但变化不大，试验结束时只增长了3.41%。可能是12月份植物腐败分解将吸收的速效钾又还回土壤，因此含量无明显变化。

3.1.7 土壤肥力评价

（1）土壤肥力评价方法

土壤肥力是土壤的本质，土壤肥力就是土壤为植物生产供应和协调营养条件和环境条件的能力，水分和养分是营养因素，温度和空气是环境因素;水既是养分因素，又是营养因素;土壤结构是肥力的重要基礎，肥力评价要考虑到土壤整体（熊毅，1984）。土壤肥力评价，是指根据土壤肥力各指标、特性的数量和质量，对土壤肥力综合水平的评定。土壤肥力概念的不统一性和内涵的不确定性造成土壤肥力评价因子的选取有很大差异，因此要选取相对稳定、适用区域广、可用于多种评价方法的指标系统（骆东奇等，2002）。由于部分土壤养分已有较为成熟的分级体系，所以本试验在认识上把土壤肥力与土壤养分等同起来，在评价土壤肥力时，选取单一的土壤养分如氮、磷、钾、有机质等指标进行评价。

根据北京市土壤养分分等定级评价方法，选择土壤有机质、全氮（N）或碱解氮（N）、有效磷（P）和速效钾（K）共4个指标，并根据北京市土壤养分特点和各养分指标在土壤肥力构成中的贡献，参考历史资料和有关专家的意见确定北京市土壤养分各参评指标权重值。各指标的评分规则如表1所示。

计算每个评价地块的养分综合指数，采用加法模型：

I=∑Fi×Wi （i=1，2，3，……，n），

式中：I代表地块养分综合指数，Fi =第i个指标评分值，Wi=第i个指标的权重。

根据各指标的评分值和指标对应的权重值计算得到的养分综合指数，依据北京市土壤养分等级划分规则（表2）将土壤养分划分为“极高、高、中、低和极低”共5个等级（北京市土壤养分分等定级标准，2011）。

（2）处理区土壤肥力变化情况

根据北京市土壤养分等级划分规则，得到7个处理区的土壤肥力随时间的变化趋势（表3）。试验开始时，ST-1和ST-6土壤肥力较低，其余5个处理的肥力水平差别不大，都处于中等水平。随着试验的开展，植物生长吸收养分，鸡排泄粪便补充养分，各处理的肥力发展趋势出现差别。在试验结束时，在种养混合区，虽然中间有波动，但整体来看肥力变化不大，与试验初始阶段处于同一个肥力水平。在养殖区，肥力都得到了提高，尤其是南部养殖区，肥力都提高到高水平。在空白对照区，肥力变化也不一致。ST-5肥力逐渐降低，在试验结束时由中等水平下降到极低水平，ST-7的肥力经历了先升高后降低再升高的波动变化，虽然结束时评分略有提高，但仍处于中等水平。

3.2 鸡类营养价值指标

3.2.1 鸡肉

将两个养殖区的鸡肉的营养元素与市场售卖的鸡肉进行比较（表4）。与市场售卖的鸡肉相比，两个养殖区鸡肉的水分和灰分含量差别不大，蛋白质和脂肪含量较高，尤其是ST-3，脂肪含量超过售卖鸡肉108.21%。16种氨基酸中，只有组氨酸含量显著高于售卖鸡肉，ST-6和ST-3分别增长了53.52%和63.38%，其他种类氨基酸以及总量都无明显差别。微量重金属元素方面，硒元素差别显著，两个养殖区的鸡肉中硒含量较低，而超市售卖的鸡肉中硒含量为8.82mg/kg，超过养殖区鸡肉含量99%。铁、锌、钙、镁等人体有益元素，两者差异不显著。铅、铬、汞、镉等有害元素均未检出。整体来看，ST-3各营养指标含量略高于ST-6。

3.2.2 鸡蛋

表5所示为两个养殖区与市售的鸡蛋营养成分含量。与市场售卖的鸡蛋相比，两个养殖区鸡蛋的水分、蛋白质、脂肪、卵磷脂、钙元素、镁元素含量均差异不显著;胆固醇、铁、锌、硒的含量与超市鸡蛋相比，有小幅度升高，其中ST-6的胆固醇达到了超市售卖鸡蛋的29.37%。锰元素在鸡肉中未检测，但存在于鸡蛋中，且ST-6和ST-3分别超过超市的150%和50%。总体来看，与鸡肉结果相反，各ST-6营养指标含量高于ST-3。

4结论与建议

4.1 结论

（1）养殖家禽可以有效改善土壤理化性质。养殖处理区（ST-3和ST-6）土壤肥力水平都提高了一个等级，土壤的酸碱性、有机质含量、全氮含量、硝态氮含量、速效钾含量、速效磷含量都有明显增加，且增加量与家禽的数量有一定的相关性。

（2）种植植物与养殖家禽对土壤的改善作用存在不確定性。植物对土壤养分的吸收和家禽粪便对补充养分的综合作用，使处理区内土壤养分增加量明显低于养殖处理区，土壤肥力的评价等级仍处于同一水平。

（3）土壤中可能存在的有害物质没有通过植物进入到养殖家禽体内，鸡肉和鸡蛋的品质均略优于商品鸡和鸡蛋。

（4）通过提高土壤肥力，增加生物多样性，可将现有贫瘠的砂砾土壤修复为含水量高、土壤孔隙率高和土壤肥力大的可耕种土地。同时，研究成果可以产生经济效益，包括收获柴鸡、鸡蛋、薄荷、金银花等有机绿色食品。通过将生态修复与有机农业相互结合，一方面实现了生态修复的经济产出，另一方面也为北京地区乃至全国沙漠化土地实现综合利用进一步奠定了理论和实践基础。

4.2 建议

（1）本项目试验开展时间较短，畜禽粪便和植物吸收对土壤理化性质的综合改良效果还不明显，可以适当延长试验时间，动态监测土壤性质的变化情况。

（2）本项目试验所有处理均在平地上开展，后续试验可模拟矿山地质条件，适当增加土壤坡度，研究不同倾斜度对植物生长情况的影响，以便在矿山生态修复过程中，根据不同地质条件，选择适宜的植物。

（3）依靠自然力与生态系统的自组织能力，使退化生态系统向有序的方向进行演替;或利用生态系统的这种自我恢复能力，并辅以必要的人工措施，使受损生态系统逐步恢复，最终恢复气候带控制的植物群落、动物群落和微生物群落。目前以人工辅助生态恢复治理为主，但相应的生物多样性修复配套情况还较弱。后续试验可增大规模，从小试到中试，最终向工程应用方向迈进。

参考文献

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