铁尾矿植被混凝土配制及其植物适宜性研究

宋建伟 刘 硕 袁运许 夏 冬 鲁明星

（1.河北省地质环境监测院，河北石家庄050000；2.河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，河北石家庄050000；3.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；4.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北唐山063210；5.防灾科技学院应急管理学院，河北廊坊065201；6.唐山学院土木工程学院，河北唐山063000）

露天矿开采形成的裸露高陡岩质边坡是矿区生态修复面临的重大技术难题之一。目前，露天矿裸露岩质边坡生态修复大多借鉴较为成熟的公路边坡植被恢复技术，但这些修复技术所用材料多以耕植土、草炭土等土壤为基础材料，这不仅破坏耕地，而且其成本对矿山企业来说相对较高［1］。因此，以铁尾矿等废弃物为基础材料，开展适宜于高陡边坡生态修复的低成本植生基材的研究具有重要的工程应用价值。

在矿区生态修复的诸多技术方案中，植被混凝土因与坡面有一定的粘结力、抗冲刷等能力并能为植物生长提供养分而在岩质边坡生态修复中得到了广泛的应用［2-4］。在植被混凝土配制及其力学特性方面，众多学者开展了大量的研究工作，童标等［5］对植被混凝土的配比、养分及其固持能力进行了试验研究，表明冻融作用对植被混凝土养分流失影响较大；席文明［6］对其配制的植被混凝土力学、理化性质、生物学性能指标等进行了系统的分析，并将其应用于采石场边坡生态修复工程中，取得了较好的生态修复效果；张振东等［7］研发的断级配植被混凝土具有良好的植被恢复效果和抗冲刷能力。为提高植被混凝土的强度及整体稳定性，可在植被混凝土中加入秸秆［8］、纤维素［9］等材料。

上述学者的研究成果对推动植被混凝土的工程应用具有积极作用，但上述学者多以土壤作为植被混凝土的基础原料，这对于极度缺乏土壤的矿区来说难以实现。而选矿后产生的大量尾矿堆存不仅占用大量的土地，而且对矿区及其周边的生态环境也会产生不良影响，如将尾矿用于矿山生态修复工程中，可实现“利废恢复”。基于此，本项目以铁尾矿和硫铝酸盐水泥为基础材料，辅以植物纤维（稻草、小麦秸秆等）、有机肥、保水剂、矿区表土、有机填充料（蘑菇渣、糠醛渣）等材料配制植被混凝土，并对其理化性质及植物适宜性进行研究，以期开发出适宜于矿区生态修复先锋植物生长的低成本植被混凝土，降低矿山生态修复成本。

1 植被混凝土配制及其理化性质分析

1.1 铁尾矿植被混凝土的配制

配制铁尾矿植被混凝土的原材料主要有铁尾矿、水泥、植物纤维、有机肥料、保水剂、有机填充材料、矿区表土和植物种子等。其中所用铁尾矿取自河北钢铁集团矿业公司研山铁矿，该尾矿中含有植物生长所需的铁、锰、铜、锌、钼等元素，铬、铅等重金属元素不超标，尾矿的密度为2.06 g/cm3，大于0.15 mm的颗粒含量为42.94%、0.074～0.149 mm的含量为37.88%、小于0.074 mm的含量为19.18%；为降低植被混凝土的pH值，水泥采用32.5级的硫铝酸盐水泥；植物纤维采用粉碎的小麦秸秆和稻草，粉碎的长度约为15 mm；有机肥料采用具有团粒结构的蚯蚓粪；保水剂采用聚丙烯酰胺共聚体和聚丙烯酸盐；有机填充料为糠醛渣和蘑菇肥，这两种物质还可起到调节基质酸碱度的作用；植物选用耐热性和抗旱性较强的草本植物，初步选定为高羊茅和紫花苜蓿。

依据上述确定的基本材料，采用正交试验的方法确定各成分的含量，以实现植被混凝土的最优配比。试验设计时，有机肥料蚯蚓粪的含量确定为铁尾矿质量的3%，添加蚯蚓粪的目的除改善植被混凝土的结构外，还可为植物的正常生长提供持续的养分。在植被混凝土中，水泥、植物纤维、保水剂和有机填充材料对植被混凝土的理化性质和植物适宜性影响显著［10］。因矿区第四系表土十分匮乏，故将其掺量控制为尾矿质量的10%。重点探讨水泥、植物纤维、有机填充料及保水剂掺量对植被混凝土基材理化特性及植物适宜性的影响，试验中，每个指标考虑3个水平，采用L9（34）正交试验，试验的具体方案如表1和表2所示。

1.2 铁尾矿植被混凝土理化性质分析

本研究主要从吸水与蒸发特性、水稳性等方面初步确定铁尾矿植被混凝土较为合理的配比。将上述正交试验所确定的配比材料分别混合均匀加水搅拌后制成边长100 mm的立方体试块，每组不少于3块，待混凝土终凝后拆模，将制备好的试块进行标准养护，养护龄期为28 d。将养护28 d的试块进行饱和吸水和蒸发性能测定试验，用以测定其吸水和持水能力。饱和吸水性试验是将烘干的试块放在25℃的水中浸泡48 h后测定，蒸发性试验是将测定完吸水性试验的试块在25℃的条件下使水分自由蒸发48 h，试验结果如表3所示。

由表3可见，各配比基质的饱和吸水率均不低于6%，而48 h的蒸发率除第Ⅶ和第Ⅷ组外均不高于5%，这说明，所配制基质的饱和吸水率和持水性基本满足矿区边坡生态修复对植生基材的基本要求。对比上述各配比基质的蒸发率和饱和吸水率后发现，第Ⅴ组配比的蒸发率最低而饱和吸水率相对较高，这更有利于后续植被在干旱季节的正常生长，同时也说明，较高的植物纤维和有机填充料掺量有利于提高基质的持水性、降低基质的蒸发率。

耐崩解性是铁尾矿植被混凝土的一个重要特性，即植被混凝土在饱水状态下能够长时间保持结构完整的特性。植被混凝土的水稳性随龄期的增加而增强，本文主要分析铁尾矿植被混凝土养护初期的水稳性。试验方法为将3 d龄期的各组植被混凝土置于25℃的水中，观察其崩解状况和崩解比例，试验结果如表4所示。

由表4可见，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ组植被混凝土的耐崩解性较差，其中Ⅰ组完全崩解的时间小于6 h，表明这3组基材在饱水状态下的整体稳定性较差，不适宜用作边坡生态修复。Ⅲ、Ⅴ～Ⅸ组基材在饱水24 h后虽有不同程度的崩解，但其结构相对较为完整，表明这几组基材的耐崩解性相对较好，从基材耐崩解性与其配比间的关系可发现，水泥含量对铁尾矿植被混凝土基材的耐崩解性具有显著影响，耐崩解性随水泥含量的增加而增强。对比分析表2和表4中的数据可发现，在水泥含量为11%、植物纤维为3.5%的情况下，有机填充料为8%时，所配制的植被混凝土耐崩解性最好。

植被混凝土的pH值、速效养分含量对植物的发芽与生长具有至关重要的影响，pH值的高低将影响植物的发芽与存活，速效养分含量是后期植被能否正常生长的制约因素。本文重点分析各配比基材的pH值、碱解氮、速效磷与速效钾的含量与基材成分间的关系，为铁尾矿植被混凝土基材的最优配比提供基础数据，各配比基材的基本理化性质如表5所示。

由表5可见，各基材的pH值均大于7，且随水泥含量的增加，pH值呈增大趋势，这就要求在保证基材水稳性、强度指标符合要求的前提下，尽量减少水泥用量。因掺入蚯蚓粪、矿区表土、有机填充料等物质，使得基材中含有一定量的碱解氮、速效磷和速效钾，这为后期植物的生长提供了基本的营养物质。有机填充料和植物纤维的掺量对上述3种营养物质的含量具有一定的影响，第Ⅴ组中，有机填充料和植物纤维的综合含量相对较高，这就使得碱解氮、速效磷和速效钾的含量较其他各组有所增加。

1.3 基质酸碱度与速效养分随时间的变化规律

掌握基质的pH值、速效养分含量随时间的动态变化规律，对植物品种的选择具有重要的指导意义。本文重点分析基质的pH值、碱解氮、速效磷和速效钾含量在90 d内随时间的动态变化规律。不同配比基质的pH值随时间的动态变化关系曲线如图1所示。

由图1可见，在整个试验周期内，各基质的pH值均随时间的增加而减小。在配制初期，各组的pH值均较高，最小值为第Ⅶ组配比，其值为8.82，最大值为第Ⅸ组配比，其值为9.28，pH的最小值仍呈较强的碱性，影响植物的正常生长。90 d后，各基质的pH值均有不同程度的降低，其中第Ⅵ、Ⅷ和Ⅸ组基质的pH值降低幅度较大，较初始时分别降低了10.79%、11.32%和11.74%，降低幅度较小的为第Ⅳ和第Ⅶ组，降低幅度分别为5.66%和6.12%。90 d后，第Ⅰ、Ⅴ、Ⅷ和Ⅸ组的的pH值相对较小，分别为8.19、8.16、8.14和8.19，这几组达到了弱碱性的环境，植被基本可正常生长。产生上述现象的原因主要有两方面，其一是水泥水化后产生的Ca（OH）2与CO2反应生成Ca-CO3，从而降低了基质的pH值；另一方面是基质中含有有机填充物、植物纤维、有机肥料等物质，这些物质在腐烂或进一步腐熟过程中产生的腐殖酸对水泥水化产生的OH-离子具有一定的中和作用［11］。有机填充料、有机肥料的加入，除为植物的生长提供养分外，还为植物的正常生长提供了适宜的环境。

不同配比基质的碱解氮随时间的动态变化关系曲线如图2所示。

由图2可见，在整个试验周期内，各基质碱解氮的含量均出现较大幅度的下降，且在前30 d下降幅度较大，30～90 d这一阶段内，碱解氮含量虽有小幅下降，但基本保持稳定。产生上述现象的主要原因是，在前30 d内，有机填充物、植物纤维在腐烂时，土壤微生物的生命活动消耗部分氮素，这就使得碱解氮的含量有所下降。30 d后基质中的有机填充物和植物纤维大部分被土壤微生物分解，土壤微生物活性降低，其消耗的氮素有所降低，故基质中碱解氮的含量基本保持平衡。

对比分析各基质中碱解氮含量的变化规律可以发现，第Ⅲ组和第Ⅴ组初始时碱解氮的含量高，这是因为这2组中植物纤维和有机填充料的含量均较高，有机物总占比较其他组大，这就使得碱解氮的总量较其他组多。基质中的有机物经过微生物90 d的分解后，第Ⅴ组中碱解氮的含量最高，其次为第Ⅶ组，第Ⅰ组碱解氮的含量最低，这说明有机质总含量对碱解氮的含量会产生一定的影响，随有机质总含量的减少，碱解氮基本呈降低趋势。

不同配比基质的速效磷和速效钾随时间的动态变化关系曲线分别如图3和图4所示。

由图3和图4可见，在整个试验周期内，各基质中速效磷和速效钾的变化规律基本一致，即在试验的前30 d内，两者的降低幅度均较大；30～60 d这一时间段内，速效磷和速效钾的降低幅度较前一阶段有所减小；60～90 d这一时间段内，速效磷和速效钾的含量虽总体上呈减少趋势，但其减少幅度较前60 d明显降低。产生上述现象的原因与碱解氮的基本一致。

对比分析各基质配比中速效磷和速效钾含量的变化规律可发现，在前30 d内，各组基质中速效磷和速效钾的含量大幅下降；30～90 d这一时间段内，各基质中速效磷和速效钾的含量均有小幅下降。在各配比中，第Ⅲ组基质初始时速效磷和速效钾的含量最高，这是因为该配比中植物纤维和有机填充料的含量最高。随土壤微生物对基质中有机物分解的不断进行，微生物对速效养分的消耗量较大，随基质中有机物的逐渐分解，土壤微生物的数量逐渐减少，其所消耗的速效养分同样减少，这就是试验中后期速效磷和速效钾含量降低减缓的主要原因。第Ⅰ组和第Ⅷ组配比中，速效磷和速效钾的含量在整个试验周期内含量相对较少且变化幅度较小，其主要原因是这2组配比中有机质的含量较低，致使基质中磷、钾元素的含量较少，第Ⅷ组中植物纤维的含量虽高于第Ⅰ组，但该配比中水泥的含量相对较高，有机质含量低，使得其pH值明显高于其他配比，这不利于土壤微生物的存活与对有机质的分解。

综合上述分析可知，在有机肥料、矿区第四系表土含量固定的情况下，通过调整水泥、植物纤维、有机填充料和粘合剂的含量，可得性质不同的铁尾矿植被混凝土配比，对比各组配比理化性质的优劣，可从中选出速效养分含量高、吸水率大而蒸发率相对较小、耐崩解性较强的一组作为较合理的配比方案。依据上述要求，可将第Ⅴ和第Ⅶ组作为备选方案，这两组中，第四系表土、蚯蚓粪和有机填充料（蘑菇肥等）的含量相同，均为铁尾矿质量的10%、3%和10%，第Ⅴ组中水泥、植物纤维（粉碎的小麦秸秆和稻草）、粘合剂的含量分别为9%、2.5%和0.06%，第Ⅶ组中上述3种成分的对应含量分别为7%、1.5%和0.12%。

2 铁尾矿植被混凝土植物适宜性研究

本研究选用抗逆性、抗旱能力均较强的禾本科牧草高羊茅和豆科牧草紫花苜蓿作为后续生态修复的先锋植物，重点分析不同配比的植被混凝土对高羊茅和紫花苜蓿出苗率、生物量和光合特性的影响规律，以确定铁尾矿植被混凝土的最终配比。

2.1 基质成分对出苗率的影响

根据各基材高羊茅和紫花苜蓿的出苗情况，绘制出苗率与播种时间关系曲线，图5为高羊茅出苗率与时间关系曲线。

由图5可见，高羊茅在不同配比铁尾矿植被混凝土中的出苗率存在较大差异，主要表现为从出苗第2 d到第3 d过程中，出苗率最低的为第Ⅲ组，约为1%，出苗率最高的为第Ⅸ组，约为34%；第3 d到第4 d过程中，第Ⅵ组和第Ⅸ组配比的出苗率较高且较为接近，大约为43%，第Ⅲ组最低，约为19%；第4 d到第5 d过程中，第Ⅵ组配比的出苗率最高，约为64%，第Ⅶ组的最低，约为34%；第5 d到第6 d过程中，第Ⅴ组配比的出苗率约为72%，第Ⅶ组的出苗率最低，约为56%；第6 d到第7 d过程中，各组的出苗率的增长率均有所下降，第Ⅵ组的出苗率最高，为78%，第Ⅶ组最低，约为66%；到第8 d的时候，各组配比的出苗率基本达到稳定。纵观整个出苗过程可以发现，从第2 d～第4 d这一过程中，高羊茅的出苗率增幅较大，出苗较为整齐，第4 d～第8 d这一过程中，出苗率的增幅有所降低。出苗率最高的为第Ⅴ组配比，为81%，最低的为第Ⅰ组，为69%。

紫花苜蓿出苗率与时间关系曲线如图6所示。

由图6可见，各配比基材紫花苜蓿的出苗率存在一定的差异，具体表现为：从出苗第2 d到第3 d的过程中，第Ⅸ组的出苗率相对较高，为22%，第Ⅱ组的出苗率较低，为4%；第3 d～第4 d的过程中，第Ⅶ组出苗率增加幅度较大，成为出苗率最高的组，而第Ⅸ几乎没有增加，出苗率最低的仍为第Ⅱ组；第4 d～第5 d的过程中，出苗率最高的仍为第Ⅶ组，约为27%，最低的为第Ⅱ组，约为13%，第Ⅸ组的出苗率仍基本没有增加；第5 d～第6 d的过程中，第Ⅰ组和第Ⅱ组的出苗率有较大幅度的增加，但其数值仍小于第Ⅴ组和第Ⅶ组；从第7 d开始，各组出苗率的增长幅度均呈下降趋势；第10 d时，各组的出苗率均不再增加，此时，出苗率最高的为第Ⅶ组，约为39%，其次为第Ⅴ组，约为37%，最低的为第Ⅸ组，约为27%。

综合上述分析可知，铁尾矿植被混凝土基材的成分对植物的出苗率具有显著影响，且高羊茅的出苗率明显高于紫花苜蓿。基质初始的pH值较低、速效养分含量较高的配比更有利于种子的萌发与出苗。第Ⅴ组基质中高羊茅的出苗率相对较高，第Ⅶ组基质中紫花苜蓿的出苗率相对较高。

2.2 基质成分对植物生物量的影响

定期的生物量可反映植物生长的基本状况，而根系的生长状况又影响到植物地上部分的生长，因此，本文以高羊茅和紫花苜蓿生长期为60 d时的地上鲜重、地上干重、地下干重（根系的重量）3个指标来分析基质成分对植物生物量的影响规律。不同配比铁尾矿植被混凝土高羊茅的生物量如图7所示。

由图7可见，基质成分对高羊茅地上鲜重、地上干重和根系的重量均具有显著影响。各基质中高羊茅的地上干重均略大于地下干重，第Ⅴ组地上鲜重、地上干重和根系的质量均高于其他各组，这说明该组植生基材的配比较其他组更有利于高羊茅的生长；第Ⅸ组中水泥含量较高，使得其pH值相对较大，抑制了植物的正常生长，使得该配比基材的生物量较小。

不同配比铁尾矿植被混凝土紫花苜蓿生物量如图8所示。

由图6可见，基质成分对紫花苜蓿地上鲜重、地上干重和根系的重量同样具有显著影响，第Ⅶ组配比基材的生物量明显高于其他组，且地上干重略高于地下，这说明该组配比更有利于紫花苜蓿的生长。

2.3 基质成分对植物光合特性的影响

光合作用为植物的生长提供能源物质，在影响光合作用的诸多因素中，土壤的性质起到极其关键的作用。为分析基质成分对植物光合作用的影响规律，对不同配比铁尾矿植被混凝土基质中种植的高羊茅和紫花苜蓿的光合作用进行测试，高羊茅叶片的光合特性指标如表6所示。

由表6可见，在光照相同的条件下，基质成分对高羊茅光合特性指标影响显著，具体表现为基质中有机填充料、植物纤维含量相对较高、速效养分含量相对较高，pH值相对较低时，更有利于其光合作用的进行。

紫花苜蓿叶片的光合特性指标如表7所示。

由表7可见，对比分析各组光合特征指标值可以发现，基质成分对紫花苜蓿的光合特性指标同样具有显著影响，其中第Ⅶ组配比紫花苜蓿的光合特性指标相对较好，这是由于该组配比中，有机填充物、植物纤维两者的综合含量、速效磷、速效钾的含量较其他组高，而pH值较其他组低，这可保证紫花苜蓿正常地进行光合作用。

综合上述分析可知，不同植物对基质的要求不同，第Ⅴ组配比的基材有利于高羊茅光合作用的进行，而第Ⅶ组配比的基材较适宜于紫花苜蓿光合作用的进行。

3 结 论

通过优化各成分的比例，可配制以铁尾矿为基础材料，有机填充料（蘑菇肥、糠醛渣等）、植物纤维（稻草、小麦秸秆等）、有机肥、矿区第四系表土等为辅助材料的植被混凝土基质。对基质的理化性质、速效养分含量随时间的变化规律、植物的适宜性进行系统的分析后，得出如下主要结论：

（1）水泥、植物纤维、有机填充料、保水剂的含量对基质的pH值、耐崩解性、吸水性、蒸发性、速效养分含量等理化性质均具有显著影响。在其他成分相同的情况下，pH值随水泥含量的增加而增大；水泥、植物纤维、有机填充料对增强基质的耐崩解性具有积极影响；植物纤维、有机填充物、保水剂可增强基质的吸水性，同时可减弱基质的蒸发性。

（2）基质的pH值、速效养分含量随时间的增加而减小，但水泥、植物纤维、有机填充料、保水剂含量的不同，其降低幅度也存在差异。在0～30 d内，pH值、碱解氮、速效磷和速效钾的含量有较大幅度的降低；30～90 d这一时间段内，上述各参数的降低幅度逐渐减小并趋于稳定。

（3）植物纤维、有机填充料的含量对碱解氮、速效磷和速效钾的含量具有显著影响，植物纤维和有机填充料的综合含量较高时，初期碱解氮、速效磷和速效钾与含量低的相比差距较大，而基质中植物纤维被土壤微生物分解过程中，速效养分含量快速下降；植物纤维和有机填充料腐烂后，基质中速效养分的含量差距减小。

（4）基质的成分及理化性质对植物的出苗率、地上与地下生物量、光合特性等指标具有显著影响。pH值为弱碱性、土壤有机质综合含量较高的配比更有利于植物出苗、光合作用的进行、植物的正常生长与生物量的积累。

（5）通过对不同配比基质理化性质、植物生长特性的研究表明，在有机肥料、矿区第四系表土掺量一定的情况下，较适宜于高羊茅生长的基质配比为水泥9%、植物纤维2.5%、保水剂0.06%、有机填充料10%；适宜于紫花苜蓿的配比为水泥7%、植物纤维1.5%、保水剂0.12%、有机填充料10%。

上述研究表明，以铁尾矿为基础材料，辅以植物纤维、保水剂、有机填充料、有机肥、矿区第四系表土等材料，配制的植被混凝土用于矿区生态修复是科学可行的，可实现尾矿与农业固体废弃物的综合利用，达到“利废恢复”的目的，降低矿区生态修复的成本。