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        生態(tài)恢復年限對大寶山礦山排土場土壤環(huán)境質量演變的影響

        2022-12-20 05:44:50龐志斌李文彥徐會娟李永濤王進進
        世界有色金屬 2022年19期
        關鍵詞:全鉀營養(yǎng)元素寶山

        龐志斌,李文彥,徐會娟,李永濤,王進進*

        (華南農業(yè)大學 資源環(huán)境學院,廣東 廣州 510642)

        自第二次工業(yè)革命以來,礦產資源逐漸成為人類社會發(fā)展的重要生產資料,如火如荼的礦業(yè)開采活動帶來工業(yè)發(fā)展的同時,也產生了很多環(huán)境問題[1]。礦業(yè)開采活動一般是露天進行,在開采過程中,露天采礦剝離表層,原有的地理地貌在開采過程中可能會出現(xiàn)沉降和塌陷[2],同時表面天然植被也被破壞,生物多樣性銳減[3],進而導致礦區(qū)土壤的理化性質發(fā)生劇烈變化,使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能受到了嚴重影響。因此為了緩解礦區(qū)開采帶來的危害,改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,重建礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng),改良礦區(qū)土壤情況,礦區(qū)生態(tài)修復工作開始被提出,并逐漸受到了國內外的關注。

        生態(tài)修復對于礦山生態(tài)重建意義重大,也一直是國內外學術界關注的熱點[4],我國礦山生態(tài)修復工作開始的比較晚,礦山產生的生態(tài)問題多樣﹑情況復雜[5],許多研究者為了找到更合適的修復方法,開始運用單一修復或多種修復方法聯(lián)用的模式對廢棄地進行生態(tài)修復工作并對土壤的修復情況進行了探究。楊僑等在贛南稀土尾礦中篩選合適的土壤改良劑,發(fā)現(xiàn)當雞糞:海泡石:腐殖酸:生物炭=3∶5∶2∶2(g/kg)時效果最好,土壤有機質﹑堿解氮及有效磷改良效果明顯[6]。李春林等在礦區(qū)使用了“穩(wěn)定化—植物富集”聯(lián)合修復技術,降低了土壤容重,提高了最大持水量,氮磷鉀養(yǎng)分明顯增加,其中堿解氮增加明顯[7]。

        我國幅員遼闊,氣候差異大,礦區(qū)污染成因復雜,為了達到更好的生態(tài)修復效果,應針對礦區(qū)相關情況進行具體分析。大寶山礦區(qū)的特殊性在于該礦區(qū)含有豐富的硫化物礦物,大量硫化物礦物的不斷氧化會導致礦區(qū)土壤的pH不斷降低,由于微生物的存在,即使是在20cm~40cm的深層土壤,硫化物礦物依舊能厭氧缺氧的條件繼續(xù)氧化[12],導致pH的不斷下降,因此在大寶山礦區(qū)進行生態(tài)修復的重要任務就是抑制土壤進一步酸化。此外大寶山礦區(qū)開采年限久,土壤表面經(jīng)過大型礦山廢棄地的土壤一般都經(jīng)過大型機械作業(yè)的反復碾壓,土壤結構差。因此化學基質改良+植物修復被提出[13],利用土壤改良劑首先中和土壤pH并外源添加營養(yǎng)元素,改善植物的生長環(huán)境,使人工種植的植物能夠存活,在植物的作用下,實現(xiàn)各營養(yǎng)元素的循環(huán),改善土壤質量,并促進土壤團粒的形成,可以有效加強土壤團聚體穩(wěn)定性。

        除了生態(tài)修復方式外,修復工作的長效性也很重要。楊鑫光等在高寒煤礦區(qū)中進行人工植被種植后,發(fā)現(xiàn)隨著修復時間的延長,土壤全磷逐漸上升,全鉀逐漸下降,全氮差異不顯著,速效磷﹑堿解氮和速效鉀則顯著下降,有機質和pH增加趨勢也比較明顯[8]。豐菲比較了生態(tài)修復三年后的區(qū)域與自然荒草相比,土壤容重降低,各項理化指標均明顯提升[9]。Zhong等選取黃土高原上進行了修復18年和42年的人工林和天然草地,發(fā)現(xiàn)人工林能有利于氮的積累[10]。

        前人對于生態(tài)修復方式的工作非常關注,但是對于生態(tài)修復工作的長效性關注較少,并且一般都是修復后某一年的采樣結果,缺乏對修復區(qū)域連續(xù)多年的監(jiān)測。本文基于大寶山排土場中五處經(jīng)過化學基質改良+植被修復工作修復五年的場地,分析經(jīng)過多年修復后排土場植被的恢復情況以及土壤理化性質的變化情況,探究影響大寶山排土場生態(tài)修復的關鍵因子,為后續(xù)在已進行生態(tài)修復區(qū)域追加措施繼續(xù)改善土壤環(huán)境質量,從而提高當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供理論依據(jù)和指導。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)域概況

        生態(tài)修復年限研究區(qū)域位于廣東省韶關市曲江區(qū)沙溪鎮(zhèn)大寶山礦區(qū),礦區(qū)經(jīng)緯度為東經(jīng)113°41′53″~113°46′40″,北緯24°30′01″~24°35′26″,礦區(qū)總面積為665.06hm2,海拔約1000m,所處區(qū)域屬于亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16.8℃,全年濕潤多雨,年降雨量1973.6mm,礦區(qū)內表層巖石風化強烈,土壤類型為紅壤。因此當?shù)仄髽I(yè)早期自發(fā)地在礦區(qū)廢棄地實施了“原位基質改良+直接植被”生態(tài)修復模式。采樣點示意圖如圖1所示。

        圖1 排土場礦區(qū)采樣示意圖

        在大寶山礦區(qū)上實施的“原位基質改良+植被恢復”的模式,首先施用堿性物質(熟石灰Ca(OH)2)與酸性土壤發(fā)生中和反應,提升土壤pH,有效降低微生物活性,遏制土壤進一步酸性,并同時施加羊糞,調控土壤營養(yǎng)指標,使礦區(qū)土壤情況初步改善,然后種植豬屎豆﹑五節(jié)芒等先鋒植物,固土防塵,防治水土流失,加快生態(tài)系統(tǒng)的群落自然演替的進程,從而引進更豐富的功能微生物,增加新的生態(tài)系統(tǒng)的多樣性,改善土壤性狀。

        1.2 樣品采集和指標測定

        廢棄地的極端理化性質以及地理災害頻發(fā)的情況下,大寶山礦業(yè)公司自發(fā)地在礦區(qū)廢棄地實施了化學基質改良+植被修復的方法進行生態(tài)修復,利用空間代替時間的方式,根據(jù)修復年限不同,在5個區(qū)域(修復時長分別為5年,4年,3年,2年,1年)進行了采樣,按梅花布點法取5個樣品,每個樣品取兩個不同的取樣深度(0~20cm,20cm~40cm)共30個樣品,采集量大約為1kg,在實驗室風干,過2mm篩測試土壤pH﹑全鉀﹑全磷,過1mm篩測試堿解氮﹑速效鉀,過0.15mm篩測試全氮。

        土壤pH值的測定使用電位法測定,水土比5∶1;土壤水穩(wěn)定性團聚體使用濕篩法測定;全氮(TN)使用了半微量開氏法測定;堿解氮(AN)使用了有機碳使用了重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定;土壤全鉀(TK)使用了氫氧化鈉熔融火焰光度法測試;土壤速效鉀(AK)使用了1mol·L-1醋酸銨浸提-土火焰光度法測定;土壤全磷(TP)使用了高氯酸-硫酸法測試;土壤有機碳使用了重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。

        1.3 數(shù)據(jù)分析

        實驗數(shù)據(jù)先用Excel 2021進行初步整理,使用SPSS 25進行單因素ANOVA檢驗分析組間顯著性,運用Origin 2021進行主成分分析和相關性分析,并利用Origin 2021進行做圖。

        2 結果與分析

        不同修復年限區(qū)域植物多樣性:從土壤pH值看,修復區(qū)域的0~20cm的土壤pH隨時間升高,在修復五年的區(qū)域pH最高,雖然五年內土壤pH沒有顯著性差異,但相較于未經(jīng)修復的區(qū)域的土壤pH均有顯著性差異,修復區(qū)域的20cm~40cm的土壤則呈現(xiàn)了相反的趨勢,土壤pH逐年下降,但修復五年區(qū)域的pH仍然遠高于原土的pH,與未經(jīng)過修復的土壤存在顯著差異。

        不同修復年份的區(qū)域0~20cm和20cm~40cm的土壤有機質則呈現(xiàn)相同的趨勢,經(jīng)過修復的土壤的有機質隨修復時間延長先上升然后下降,但在這個過程中,20cm~40cm土壤的有機質始終高于0~20cm的土壤,在修復時長為第二年時最高值,在該區(qū)域的三個樣方中均發(fā)現(xiàn)有油菜這一油料作物,可能是使該區(qū)域有機質較高的原因,到第五年時,0~20cm的表層土比20cm~40cm土壤稍高一點。

        從土壤的氮元素來看,0~20cm和20cm~40cm的土壤全氮明顯地呈現(xiàn)了逐年增長的趨勢,但是0~20cm土壤全氮的累積量比較明顯,其中修復四年和修復五年的區(qū)域相較于其他區(qū)域存在顯著差異,而20cm~40cm土壤的累積量相對不明顯,五年間全氮的累積量沒有顯著差異。而堿解氮則呈現(xiàn)著不同的趨勢,在修復第三年達到最大值后,修復四年和修復五年的堿解氮顯著減少但是0~20cm土壤中要比20cm~40cm土壤中稍高一些。

        土壤的鉀元素﹑磷元素則有類似的趨勢,無論是未經(jīng)修復區(qū)域還是修復區(qū)域的土壤鉀和磷的含量都不低。其中修復區(qū)域中全鉀的增加是顯著的,0~20cm和20cm~40cm的土壤全鉀都呈現(xiàn)了逐年增長的趨勢,但是五年間的差異并不明顯,其中修復二年﹑三年﹑四年﹑五年的土壤無論是0~20cm還是20cm~40cm都沒有顯著差異。全磷也有類似趨勢,并且所有區(qū)域都沒有顯著差異。而有效磷則比較特殊,在這些土壤中幾乎都低于NH4F-HCl浸提法的檢測限。

        圖2 不同修復年限區(qū)域土壤理化指標情況

        3 討論

        3.1 生態(tài)修復能改善土壤環(huán)境質量

        氮﹑磷﹑鉀都是植物生長的重要營養(yǎng)元素,對于植物的生長有重要作用,尤其是在礦山廢棄地養(yǎng)分貧瘠,能否在礦區(qū)增加營養(yǎng)元素含量,對植物群落的恢復有重要意義[11]。參考全國第二次土壤普查的標準,在經(jīng)過修復后,修復三年的區(qū)域效果最好,其中速效鉀和全鉀﹑全磷的都提升到了等級4,屬于中等水平,堿解氮和有機質則提升到了等級5,屬于低等水平。而肥力提升相對不明顯的其他年份,在土壤的全氮和全鉀呈現(xiàn)了相同的趨勢,總量在逐年增加,而且表層0~20cm的土壤營養(yǎng)元素的積累比20cm~40cm的趨勢要更加明顯,而土壤的堿解氮和速效鉀則呈現(xiàn)了先增加后減少的情況,但是仍然比未修復的土壤高,存在顯著性差異,修復四年﹑五年區(qū)域的堿解氮和速效鉀偏低。磷元素的分布則比較特殊,雖然全磷數(shù)據(jù)較高,但是有效態(tài)含量卻極低,這是因為大寶山礦區(qū)的土壤屬于紅壤[12],含有豐富的鐵鋁化合物,有效磷含量較低[13]。總體而言,進行生態(tài)修復工作的區(qū)域相較于修復的區(qū)域營養(yǎng)元素含量都有一定的增加,其中營養(yǎng)元素的全量在逐年增加,而營養(yǎng)元素出現(xiàn)一定程度的下降,但是全部均優(yōu)于未經(jīng)修復的區(qū)域,修復措施對于提高土壤營養(yǎng)元素有一定效果,并且能持續(xù)較長時間。

        3.2 生態(tài)修復工作長效性不足

        土壤營養(yǎng)元素的速效成分如堿解氮和速效鉀則出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢,這可能是因為植物的生長吸收了大量的速效成分,這個結果與楊鑫光的發(fā)現(xiàn)類似[14]。磷元素的分布則比較特殊,雖然全磷數(shù)據(jù)較高,但是有效態(tài)含量卻極低,這是因為大寶山礦區(qū)的土壤屬于紅壤,含有豐富的鐵鋁化合物,有效磷含量較低[13]。馬寧等人[15]的發(fā)現(xiàn)也表明,適時追加相關措施能使土壤環(huán)境質量不退化。

        4 結論

        (1)在大寶山礦區(qū)采用的土壤基質改良+植物修復的技術組合模式取得了一定成效。土壤結構得到改善,土壤中的營養(yǎng)元素的總量也出現(xiàn)上升,同時土壤pH顯著上升,礦區(qū)土壤酸化得到了遏制,土壤環(huán)境質量明顯改善人工種植的植物存活,修復區(qū)域的生物量逐漸增加。

        (2)對生態(tài)修復年限較長的土壤需要加強監(jiān)測,及時進行追加措施,保護前期的工作成果。

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