半干旱地区无土矿山废弃地植被恢复技术研究

张策 孙丽娜 梁珊 李惠竹 李珍

（沈阳大学环境学院区域污染环境生态修复重点实验室，辽宁沈阳 110044）

1 引言

矿产资源开发导致的生态环境退化及其修复技术是国内外关注的焦点问题之一［1-2］。辽西地区区内矿产资源丰富，有煤矿、铁矿、金沸矿、石灰石矿和膨润土矿等。长期的矿产资源开发与重工业发展，再加上气候干旱，导致该地区土地资源恶化、土壤物理结构失衡和地表植被破坏，不仅造成了严重的水土流失与土地沉降、生物多样性降低、生态景观退化等生态影响，还形成了废石堆、废弃采石场、尾矿堆等大量的矿山固体废弃物与废弃地［3-7］。相关资料表明，北票是辽西典型的矿业城市之一，有各类矿山废弃地101 处，面积约为1 054 km2。该区地表裸露，水土流失严重，年产市政污泥912.5 万t、粉煤灰175.2万t，有大量的市政污泥与粉煤灰露天存放［8-9］。

本文以城市污泥、粉煤灰和高炉矿渣等固体废弃物为原料，研发适宜半干旱地区无土矿山废弃地植被恢复技术，实现半干旱地区无土矿山废弃地植被恢复与城市污泥、粉煤灰、矿渣的协同利用。

2 材料与方法

2.1 实验材料

实验用城市污泥采自北票市污水处理厂；粉煤灰采自北票市电厂；黄土采自北票市薛台子南梁铁矿废弃地；矿渣购自于荣昌盛环保材料有限公司。采集回的城市污泥不进行完全风干，而是于室温下短期放置，待其含水量为50%左右。其他样品放于室温下自然风干，过60 目筛备用。

2.2 实验方法

2.2.1 样品配制

在文献调研的基础上，基于不同材料的基本理化性质，将含水量为50%的污泥与风干的粉煤灰、高炉矿渣和黄土按照不同比例进行混合并搅拌均匀［9-11］，放入直径19 cm、高16 cm 的塑料盆中，室温下静止平衡，30 d 时取出风干，分别过20 目、60 目和100 目筛备用。不同基质配比的人工土壤见表1。

表1 不同基质配比的人工土壤

2.2.2 实验过程

2.2.2.1 人工土壤蓄水性实验

准确称取40 g 样品（表1 中不同配比人工土壤）于自制的蓄水实验模拟装置内（见图1），模拟降雨强度为中雨（1 mm/h）流速均匀向土壤加水，待水从杯底的小孔中渗出（样品吸水饱和时）停止滴水，待底部的小孔停止渗水时称重。

图1 蓄水实验装置

2.2.2.2 人工土壤持水性实验

准确称取50 mL 样品（表1 中不同配比人工土壤）于蓄水实验装置（见图1）中，加入等质量的水10 g（各个样品持水量均未饱和），每天在同一时刻称重，记录其水分蒸发质量，直至加入的10 g 水完全蒸发，以考察其水分的蒸发情况和持水时间天数。

2.2.2.3 植物栽培实验

在文献调研基础上，结合辽西的地理气候特征，选取耐干旱、耐贫瘠、耐寒冷等抗逆性强、具有经济价值和景观效果的羊草、二月兰、连翘和文冠果作为恢复植物。其中，羊草、二月兰籽购自太阳种业有限公司，连翘和文冠果为1 年苗，购自最美花木有限公司。以人工土壤配比实验为基础，通过综合评价筛选6 种人工配比土壤为实验用土壤，于2021 年4 月27日在北票污水处理厂南空白地以坑穴式进行植物栽培实验，每种植物重复种植3 次。

2.3 分析测试方法

不同样品重金属分析：按照GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》，采用硝酸－高氯酸－氢氟酸对土壤、粉煤灰、城市污泥和高炉矿渣等样品进行消解，使用火焰原子吸收分光光度法（Spectr AA－200，Australian）测定Cd，Pb，Cu，Zn，Cr；使用双道原子荧光光度计（AFS－2202E，北京海光仪器有限公司）测定Hg，As。

pH 和Eh 测定：取5.00 g 样品，加入25 mL 去离子水（土水比为1 ∶5），置于烧杯中充分混匀，放入恒温振荡器中（ZD－85，中国），常温下以220 r/min进行振荡1 h，取出后静置30 min 后，使用氧化还原电位仪进行土壤pH 和Eh 测定。

有机质测定：采用重铬酸钾氧化－分光光度法测定（HJ 615—2011）不同样品有机质。

重金属有效态测定：采用TLCP 标准毒性浸出方法对土壤中Cd，Pb，Cu，Zn，Cr 有效态进行浸提，使用火焰原子吸收分光光度法进行测定；采用0.1 mol/L HCl 溶液对土壤中Hg，As 有效态进行浸提，使用双道原子荧光光度计进行测定。

不同样品的基本理化性质见表2。

表2 不同样品的基本理化性质

3 结果与讨论

3.1 人工土壤的蓄水性能和持水性能

土壤持水性能是指土壤保持水分的特征。水因受吸附力、吸着力与表面张力的作用而保持在土壤中，其含量取决于土壤基质的性质与孔隙特性。土壤持水性受土壤质地、有机碳含量及土壤孔隙特征等土壤特性的影响［12-14］。

图2 为不同配比人工土壤饱和含水率、持水时间分析结果。从图2 可以看出，城市污泥饱和含水率最高，持水时间最长，这是由于污泥黏度大、易结块，当污泥表面水分蒸发完后，顶层污泥便结成结实的硬块，阻止了下层土壤中的水分蒸发，其次分别为粉煤灰和黄土，高炉矿渣最低。但城市污泥的pH 偏低，使有效态重金属含量高；孔隙率较大，渗透系数大，稳定性较差，易发生淋溶作用且易凝结成块；N，P，K 比例失调、微量营氧元素不足；含有大量的细菌、病毒、寄生虫卵等；不适宜直接用作人工土壤。其他不同配比人工土壤中，L 的饱和含水率最高，为79.59%；其次为P，M，K，I，O，A，H，B，E，J，F，G，D，N，C，其 饱 和 含 水 率 分 别 为75.91%，68.57%，66.14，61.94% ，60.31% ，60.06% ，59.33% ，58.95% ，58.12%，58.05%，57.19%，56.56%，56.23%，53.67%，52.34%。人工土壤的饱和含水率均大于50%。P，O，K，I，H，B，D 持水时间较长，分别为17，16，17，16，17，16，16 d，其次为A，C，E，F，J，L，持水时间分别为12～15 d，G，M，N 持水时间相对较短，分别为13，13，12 d。

图2 人工土壤饱和含水率和持水时间

有机质与饱和含水率和持水时间的相关性分析见图3。

图3 有机质与饱和含水率和持水时间的相关性分析

将所有处理的饱和含水率与其有机质含量进行相关性分析发现，二者之间达到了极显著的线性正相关关系，相关系数为0.923 76**（n＝20）（见图3），由此可以说明土壤中有机质含量越高，其饱和含水率就越高。将所有处理的持水时间与其有机质含量进行相关性分析发现，二者之间没有达到线性正相关关系，相关系数仅为0.582 49**（n＝20）（见图3），由此可以说明土壤中有机质含量与持水时间不呈正比。土壤的持水能力不仅与土壤成分有关，还与土壤的空隙度和结构等多种因素有关［15-17，14］。

3.2 人工土壤的pH 和EC

pH 和EC 是土壤重要的理化性质，pH 反映土壤的酸碱程度，其变化直接影响土壤物质组成的形态、土壤微生物数量和种类以及植物的生长，大多数植物适宜生长的pH 值为6.5～9.0。EC 表示土壤中所含盐类的总含量。由于土壤浸出液中各种盐类一般均以离子的形式存在，所以总盐量也可以表示为土壤浸出液中各种阳离子的量和各种阴离子的量之和。

从图4 可以看出，矿渣pH 值最高，为11.2，属于强碱性；黄土pH 值为6.8，呈弱酸性，接近中性；城市污泥的pH 值最低，为5.8，也呈弱酸性。城市污泥被施用不同比例粉煤灰与矿渣钝化后，各个样品pH 值介于7.5～8.2 之间，大多数植物在pH＞9.0 或＜2.5 的情况下都难以生长。植物可在很宽的pH 范围内正常生长，人工土壤皆处于适宜植物生长的范围。

图4 人工土壤pH，EC

由图4 可见，黄土的电导率极低，仅为0.078 EC/（mS·cm－1），而城市污泥电导率达到了1.674 EC/（mS·cm－1），显著高于其他处理。以上结果表明，随着粉煤灰和炉渣在污泥中比例的增加，人工土壤的pH值显著增加，而电导率显著降低，这可能是由于粉煤灰和炉渣中含有一定的碱金属如K，Na，Ca，Mg 等，而且均以CaO，MgO 形态存在，在矿渣和粉煤灰钝化污泥的过程中，其强碱性粉中和土壤的pH 值，使污泥中许多水溶性金属离子转化为不溶性盐。在一定浓度范围内，土壤溶液含盐量与电导率呈正相关，溶解的盐类越多，溶液电导率就越大。因此可以通过测量土壤电导率的大小，间接地了解土壤含盐量，从而对植物生长提供指导。一般灌溉用水的EC 值要求小于0.8，植物最理想的EC 值通常在0.2～0.6 之间，最高不宜超过2.5。

3.3 人工土壤中的有机质和速效N，P，K

土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标之一，它能促使土壤形成结构，改善土壤物理、化学及生物学过程的条件，提高土壤的吸收性能和缓冲性能，同时它本身又含有植物所需要的各种养分，如C，N，P，K 等［18-19］。土壤有机质含量与肥料的保供性能密切相关，而且决定着土壤的抗逆和缓冲性能。有机质的含量反映了土壤潜在养分的数量，直接影响土壤团聚体结构、物理性质、保水保肥能力等［20-21］。土壤速效N 可以直接被植物根系吸收。土壤溶液中的铵、交换性铵和硝态氮因能直接被植物根系所吸收，常被总称为速效N［22］。速效P 是土壤中在短期内能被作物所吸收利用的一部分P，它对于判断土壤的供磷状况具有重要意义［23］。速效K 在这里主要指吸附于颗粒表面上的交换性K 和土壤水溶液中的K，它是土壤中活性最高的K，能很快地被植物吸收，速效K 含量的高低是衡量土壤供钾强度的重要指标之一［24］。

人工土壤有机质与速效N，P，K 含量见图5。

图5 人工土壤有机质与速效N，P，K 含量

3.4 人工土壤中的重金属含量

重金属原义是指比重大于5 的金属，包括Au，Ag，Cu，Fe，Pb 等，重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒；重金属污染的土壤对植物和微生物的生长发育产生不利影响，导致作物生产力下降［25］。不同类型人工土壤中的重金属含量见表3。

表3 人工土壤中全量重金属含量

不同人工土壤中，Cd，Pb，Cu，Zn，Cr 和As，Hg的含量分别介于0.08～0.41，6.83～28.54，15.62～59.38，66.03～158.13，34.71～76.94 mg/kg 和269.75～18 060.50，9.09～1 301.50 μg/kg，算数平均值分别为0.19，15.65，36.01，104.42，53.94 mg/kg 和6 272.03，195.80 μg/kg，与国家土壤重金属风险阈值对比，人工土壤重金属都在阈值以内，符合国家农业用地重金属标准（GB 15618—2018），可用于无土矿山的植被恢复。

人工土壤有效态重金属含量见表4。

表4 人工土壤中有效态重金属含量

一般认为，植物可直接吸收利用的重金属，也就是有效态部分，其毒性最强［26］。土壤重金属的生物有效性与土壤重金属浓度和存在形态有关。为进一步评估人工土壤重金属危害性，采用TLCP 标准毒性浸出方法对人工土壤有效态重金属进行了分析，表4 结果表明，与重金属全量相比，有效态重金属含量明显偏低。

3.5 人工土壤中植物的成活率与生物量

根据持水时间选出B，D，H，K，O，P 6 组人工土壤，每种植物3 个平行样，在北票研究区内分别在6组人工土壤中对植物进行栽培，对植物的成活率和生物量进行了调查，结果见表5。

表5 不同植物成活率与生物量

从表5 可以看出，连翘总的成活率为100%，且生长状况良好；文冠果总的成活率为83.33%，在人工土壤D（黄土∶城市污泥∶粉煤灰∶矿渣＝1∶1∶0.5∶0.5）中文冠果死亡。草本植物中，二月兰总的成活率为83.33%，在人工土壤H（黄土∶城市污泥∶粉煤灰∶矿渣＝0∶1∶1∶1）中二月兰未发芽，生物量为0～546.04 g/m2，生物量大小为K＞O＞P＞D＞B＞H，二月兰生物量的算术平均值为365.36 g/m2，H 组二月兰未成活可能与其人工土壤中营养成分相对较低有关；羊草总的成活率为100%，生物量较大，为419.26～780.98 g/m2，生物量大小为B＞H＞O＞P＞D＞K，羊草生物量的算术平均值为557.81 g/m2。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：

（1）通过适宜配比城市污泥、粉煤灰、高炉矿渣可替代土壤用于植物栽培，应用于半干旱地区无土矿山废弃地的植被恢复，实现以废治废，生态恢复。

（2）在半干旱地区，D＋连翘＋羊草、K＋连翘＋羊草、O＋连翘＋羊草、P＋连翘＋羊草，可使无土矿山废弃地人工基质实现连翘、文冠果和二月兰、羊草良好生长，可用于无土矿山废弃地植被恢复，其中，K，O，P种植连翘和羊草，K，O，P 种植连翘和二月兰，B，H种植连翘和羊草效果更好。

（3）城市污泥加入一定的粉煤灰和矿渣后，改善了孔隙率和结构组合，且含有丰富的有机质和N，P，K；粉煤灰和矿渣又含有大量Ca，Si 等微量营养元素，高碱性又可以钝化城市污泥中的重金属元素；适量和适当比例的粉煤灰、矿渣、钝化污泥能使土壤的饱和含水量和饱和导水率提高［27-28］。