利用铁尾矿对荒漠化草原矿区废弃地进行生态修复研究

徐庆荣 谭辉

（1.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

内蒙古荒漠草原区水土流失严重，土壤为棕钙 土，表面覆盖层土薄且贫瘠，建群物种由强早生、丛生小禾草组成，草丛低矮稀疏，草高不到20 cm，地面覆盖度不足20%，水土流失严重，该地区露天矿的开采，进一步破坏了占地生态环境。春风等［1］研究内蒙古巴音华矿区植物群落，证实随着采矿活动影响的增加，物种丰富度和多样性显著降低。由于原生土壤被破坏，导致矿山环境治理时无表土来源，成为生态恢复的限制因素之一。因此，有学者提出使用工业固体废弃物等材料制作表土替代材料［2］。荣颖等［3］研究认为，表土替代材料有效解决了生态恢复过程中表土不足的问题，同时实现了矿区固体废弃物的资源化利用。杨卓等［4］研究认为，表土替代材料选取主要包括基质和改良剂，并且有机物改良剂主要包括污泥、秸秆、绿肥和动物粪便等，主要用于提升肥力，改变土壤结构。

Inoue等研究用粉煤灰作为表土替代材料应用于印尼某矿山生态恢复中。Sena等研究得出，褐色砂岩适宜作为表土替代材料。Baker 将煤矸石、粉煤灰和污泥混合后作为表土替代材料直接进行种植。胡振琪等［5］研究认为，风化的亚黏土基质是较为适宜的表土替代材料。有学者研究30，40，60 cm的表土替代材料覆盖厚度均可取得较好的矿区生态恢复效果［6-8］。

采用尾矿作为表土替代材料的基质能够解决矿区生态恢复过程中缺乏表土的问题，同时可对矿区废弃物综合利用。但大量尾矿的使用，导致土壤肥力状况不佳，掺入适当的污泥作为表土替代材料的改良剂，可提升肥力。研究表明，城市生活污水处理厂污泥可以有效地增加贫瘠土壤的有机质、有效氮、有效磷和有效钾的含量，提高土壤养分含量，还可以改变土壤容重、持水量和孔隙度等物理性状，对土壤保水、保肥有重要作用［9-11］。

本研究利用铁尾矿、当地污水处理站污泥和秸秆等材料复合成不同配比的表土替代材料，通过对室内盆栽试验和现场试验对该表土替代材料的理化性质和植物生长情况进行研究，优选表土替代材料的最佳配比，同时筛选出长势较好和适宜荒漠化草原矿区的植被组合，旨在解决矿区生态恢复过程中表土缺乏的问题，为铁尾矿作为表土替代材料及固体废弃物的合理利用提供理论基础。

1 盆栽试验

1.1 试验材料

试验材料包括铁尾矿和污泥，其中铁尾矿取自内蒙古包头白云鄂博矿区，尾矿粒度大多在2 mm 以下，有机质含量约59.4%，全氮含量约0.05%，有效磷含量约0.7%，速效钾含量16.8%，含水率约0.5%。污泥取自白云矿区污水处理厂发酵后的污泥，污泥含水率66.7%，粒径为1 cm 以下，污泥中含有丰富的N、P 及有机质等营养成分。原料的基本理化性状见表1。植物选取披碱草、碱茅、芨芨草、碱蓬、柠条、狗尾草、冰草、紫穗槐、草木樨、紫花苜蓿、沙棘和沙打旺，种子从当地种子商店购买。

1.2 试验设计

试验于包头实验室进行，试验周期为90 d。首先将铁尾矿与污泥按9∶1、8∶2、7∶3 的体积比进行混合后作为表土替代材料。将混合后的表土替代材料装入10 cm（高）×7 cm（盆直径）的塑料盆内，用水将土浇透至盆底有水流出，每盆撒入种子40粒，之后在其上覆盖2 cm的表土替代材料。植被种植方案如下。

（1）尾矿与污泥9∶1 组。90%的尾矿+10%污泥12 组36 盆，披碱草，碱茅，芨芨草，碱蓬，柠条，狗尾草，冰草，紫穗槐，草木樨，紫花苜蓿，沙棘和沙打旺各3盆。

（2）尾矿与污泥8∶2 组。80%的尾矿+20%污泥12 组36 盆，披碱草，碱茅，芨芨草，碱蓬，柠条，狗尾草，冰草，紫穗槐，草木樨，紫花苜蓿，沙棘和沙打旺各3盆。

（3）尾矿与污泥7∶3 组。70%的尾矿+30%污泥12 组36 盆，披碱草，碱茅，芨芨草，碱蓬，柠条，狗尾草，冰草，紫穗槐，草木樨，紫花苜蓿，沙棘和沙打旺各3盆。

1.3 测定项目与方法

原状土样利用环刀采取，用于测定土壤容重。另采集土样，风干后过2 mm筛，用于分析全氮、有机质、有效磷、速效钾和含水率。土壤样品的容重采用环刀法测定。土壤样品化学性质的测定全氮釆用硫酸消煮-凯式定氮法，有机质釆用重铬酸钾容量法，速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度计法。株高采用直尺测量。

1.4 结果与分析

（1）表土替代材料化学指标分析。配比后表土替代材料的理化性质见表2。由表2可知，表土替代材料密度最大为1.37 g/cm3，满足土壤密度≤1.50 g/cm3的要求，有机质含量最小为7.44%，满足有机质≥0.5%的要求。

（2）表土替代材料配比及植被生长情况分析。植物种植90 d后，各植被生长情况见表3。

由表3 可知，尾矿与污泥9∶1 组平均株高超过3 cm 的植物种类为8 种，植物存活率超过40%的植物种类为4 种；尾矿与污泥8∶2 组平均株高超过3 cm 的植物种类为5种，植物存活率超过40%的植物种类为3 种；尾矿与污泥7∶3 组平均株高超过3 cm 的植物种类为4 种，植物存活率超过40%的植物种类为2 种；尾矿与污泥9∶1组存活率较高的植物种类更多，更有利于植物的高度生长和存活率提高，其尾砂消耗量大，可减少尾砂堆存，因此优选尾矿与污泥9∶1 组为优选表土替代材料配比；披肩草、碱茅的存活率超过90%，因此优选披肩草和碱茅。

2 现场试验

在内蒙古荒漠化草原矿区废弃地进行67 000 m2现场试验，采用尾矿物理化学指标见表1，表土替代材料中尾矿与污泥体积比为9∶1。在矿区废弃地表面自下而上分别设置防渗层、蓄水层、表土替代层、种子层、覆盖层。防渗层采用黏土碾压而成［12］，厚度10～20 cm，蓄水层采用细尾矿构建而成，厚度8～15 cm，粒度为-3 mm 含量≥95%，其中1～3 m 含量占30%～70%；表土替代材料尾矿、污泥体积百分含量尾矿90%、污泥10%，厚度为25～30 cm，尾矿粒度-5 mm≥95%，其中3～5 mm 含量占30%～70%；种子层采用磁选尾矿与种子混合组成，厚度1.5～3.0 cm，磁选尾矿粒度为-3 mm 含量≥95%，其中2～3 mm 含量占30%～70%；覆盖层采用农业秸秆，厚度2 cm［13］。

最底层的防渗层有利于保持土壤中的水分；蓄水层、表土替代材料层分别采用不同粒度、不同厚度的尾矿，有利于保水、透气；种子层采用磁选尾矿，具有一定的磁性，可以改善土壤的团粒结构，增加透气性，提高植物的成活率。

在种子层播种披碱草和碱茅，在种子发芽及生长初期按照北方荒漠化草原气候进行正常浇水。试验结果表明，1 a 后披碱草和碱茅成活率分别高达91.6%和94.3%，生长良好。

3 结论

（1）内蒙古荒漠化草原矿区采用尾矿为主要原料造土，能够解决矿区生态恢复缺乏表土的问题，同时可对矿区废弃物综合利用。

（2）重构土壤采用尾矿作为表土替代材料，同时加入污泥，可降低重构土壤容重，合理配比可使土壤密度小于1.5 g/cm3，污泥的加入增加了土壤透气性和透水性，土壤中的供氧条件也得到改善，污泥中含有丰富的N、P 及有机质等营养成分，有利于植物的生长，满足灌木林地的土壤质量要求，可提高重构土壤的肥力和保水能力。

（3）在重构土壤中栽种披碱草、碱茅，植物成活率达90%以上，特别适用于内蒙古荒漠化草原矿区重构土壤，并在其上进行植被修复。