陸淼淼，王 廣，李建勝，張 燕

(中建材資源環(huán)境有限公司，北京 100102)

非金屬礦業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，非金屬礦工業(yè)向市場(chǎng)輸送的是國(guó)民基礎(chǔ)工業(yè)原材料、近代節(jié)能環(huán)保工業(yè)的功能材料和發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐材料，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活中具有十分重要的地位[1]。但由于部分非金屬礦山企業(yè)開(kāi)發(fā)集約化、規(guī)?；狡停S著開(kāi)采規(guī)模的增加，剝離的地表土層、軟弱夾層、不可利用的粉料等固體廢物產(chǎn)生較大，相應(yīng)排土場(chǎng)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。排土場(chǎng)的建設(shè)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)土地的壓占、植被的破壞、水土流失、生物多樣性的喪失，使得礦區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”的戰(zhàn)略目標(biāo)，在產(chǎn)、閉坑以及歷史遺留無(wú)主的非金屬礦山的排土場(chǎng)均亟需一套經(jīng)濟(jì)高效適用的生態(tài)修復(fù)治理模式。本文選取冀東某水泥灰?guī)r礦排土場(chǎng)作為代表，選用新興的土壤改良劑生物炭為本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)非金屬礦山存在的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，旨在通過(guò)投入較少的工程資金，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山排土場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)，為非金屬礦山排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)的最佳模式提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于冀東某水泥灰?guī)r礦排土場(chǎng)。該區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。冬季寒冷多風(fēng)，最冷為12月、1 月份，歷年最低氣溫-20℃。夏季炎熱，最高氣溫達(dá)37℃，年平均氣溫14℃。冰凍期為當(dāng)年11 月至翌年3 月份。歷年無(wú)霜期平均192 天，平均凍結(jié)天數(shù)64 天，歷年最大凍結(jié)深度48cm。降雨多集中在6、7、8三個(gè)月，年平均降水量為573.8mm。不同地貌單元降水量差別大，平原500 ～550mm，丘陵550 ～600mm，山區(qū)600 ～700mm。

試驗(yàn)地塊周邊植被屬華北植物區(qū)系，植被類型屬于我國(guó)東部冀西山地櫟林油松和亞高山針葉林帶。分布有大量的天然次生林和人工林。樹(shù)種主要有油松、楊樹(shù)、榆樹(shù)、山杏、荊條、映山紅。草本有艾蒿、蒼耳子、車前草等。草地土層較薄，其中陰坡植被覆蓋度達(dá)70%以上，陽(yáng)坡由于干旱侵蝕，植被稀疏，土層較薄。草地生物量在1352.1 ～1746.4kg/hm2。

試驗(yàn)選擇地塊排土場(chǎng)坡高約80m，邊坡坡度約48°；排棄物為剝離產(chǎn)生的廢土石，主要為第四系表土及白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等，粒徑2 ～15cm 不等；其中粒徑2 ～4cm 的中碎石占60%，粒徑小于2cm的細(xì)碎石及第四系粘土占30%，其他大于4cm 的粗碎石占10%；礦渣多呈棱角狀，磨圓度差，厚約2 ～8m；為利于植物生長(zhǎng)，在試驗(yàn)地塊進(jìn)行客土覆土，厚度為30cm，客土為附近荒草地的褐土，土壤理化性質(zhì)基本一致。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 土壤改良劑“生物炭”的特點(diǎn)

常見(jiàn)的土壤調(diào)理劑以生石灰、礦物、工農(nóng)業(yè)廢棄物等為主要原料，而生物炭基土壤調(diào)理劑作為新興的土壤調(diào)理劑，是基于生物炭和其他調(diào)理劑材料配伍制備而成[2]。生物炭(biochar)是生物質(zhì)原材料在無(wú)氧或限氧條件下，通過(guò)高溫?zé)峤夥磻?yīng)生成的炭質(zhì)材料，是優(yōu)質(zhì)吸附劑[3]。熱解過(guò)程產(chǎn)生的二次污染較小，對(duì)環(huán)境更加安全，是城市固廢轉(zhuǎn)化為生物炭最常用的方式[4]。本試驗(yàn)用生物炭由木質(zhì)廢棄材料通過(guò)AR3 生物炭系統(tǒng)在缺氧、相對(duì)較高的溫度(即“熱解”過(guò)程)下制備出的高質(zhì)量的含碳量豐富的、紋理細(xì)膩的多孔狀材料。

1.2.2 生物炭的作用及研究進(jìn)展

由于生物炭具有不同程度的多孔結(jié)構(gòu)以及可調(diào)節(jié)的表面化學(xué)性質(zhì)，因此在催化、能源儲(chǔ)存、碳封存、環(huán)境污染修復(fù)以及土壤改良等方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[5-6]。由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化得到的生物炭材料因其成本低且環(huán)境友好被廣泛用，且對(duì)我國(guó)提早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和有積極的促進(jìn)作用[7]。在土壤改良中，生物炭的應(yīng)用日益廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的修復(fù)[8]。土壤中生物炭固碳的本質(zhì)是將生物質(zhì)內(nèi)原本在短時(shí)間內(nèi)將降解返還給大氣的碳素以穩(wěn)定的生物炭形式保存下來(lái)[9]。Woolf 等[10]研究表明，生物炭每年能固定1.8Pg CO2-C，相當(dāng)于每年人為排放溫室氣體的12%，有助于減緩全球變暖的速度。

1.2.3 試驗(yàn)用材料配比

試驗(yàn)用7 種草本植物分別為披堿草∶波斯菊∶金盞菊∶蜀葵∶胡枝子∶荊條∶紫穗槐=1 ∶1 ∶1 ∶1 ∶1 ∶2 ∶2 的 比 例 配 置，每 平米播種量 20g。試驗(yàn)用基肥為三元復(fù)合肥，用量0.075kg/m2，N、P2O5、K2O 含量均為15%。人工修復(fù)區(qū)的試驗(yàn)用生物炭在撒播草種前與化肥一起按照(0kg/m2、1kg/m2、2kg/m2、4kg/m2、8kg/m2) 比 例 進(jìn)行施加具有改善土壤質(zhì)量，保持土壤水分，提高作物產(chǎn)物和一定的固碳作用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于生態(tài)的自然修復(fù)和人工修復(fù)的理論基礎(chǔ)，對(duì)排土場(chǎng)實(shí)施不同生態(tài)修復(fù)處理[11]。本試驗(yàn)共設(shè)置6 個(gè)試驗(yàn)區(qū)(T1 ～T6)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)三次重復(fù)，共18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積10m2(2m×5m)，6 個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別為：1 個(gè)自然恢復(fù)區(qū)(T1 不施肥也不施加生物炭)、5 個(gè)人工修復(fù)區(qū)(T2 試驗(yàn)區(qū)僅施肥0.075kg/m2，不施加生物炭；T3 試驗(yàn)區(qū)施肥0.075kg/m2，施加生物炭1kg/m2；T4 試驗(yàn)區(qū)施肥0.075kg/m2，施用生物炭2kg/m2；T5 試驗(yàn)區(qū)施肥0.075kg/m2，施加生物炭4kg/m2；T6 試驗(yàn)區(qū)施肥0.075kg/m2，施加生物炭8kg/m2。)，6 個(gè)試驗(yàn)區(qū)通過(guò)覆蓋生態(tài)草簾作為本排土場(chǎng)的保水措施。坡面灌溉采用微灌溉系統(tǒng)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 樣品采集

(1)植物樣品采集。

采用樣線法進(jìn)行植物樣方調(diào)查。樣方設(shè)置為每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)3個(gè)，大小1m×1m，按照對(duì)角線均勻布設(shè)。主要分三個(gè)時(shí)期對(duì)植物樣品進(jìn)行觀測(cè)：①播種——發(fā)芽期：播種以后間隔三天觀測(cè)1 次，共觀察2 次；②發(fā)芽——苗高10 cm(最高)期：每周記錄一次；③矮苗高度超過(guò)10cm 之后：每15 天記錄一次。同時(shí)記錄樣方每種植物的名稱、數(shù)量、高度、植被覆蓋度、海拔、坡向、坡度以及樣地坐標(biāo)，并對(duì)各樣方進(jìn)行拍照處理。

(2)土壤樣品采集。

采用分區(qū)布點(diǎn)法進(jìn)行土壤樣品采集。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取3 個(gè)樣，每個(gè)樣取1.5kg 的土壤，共收集18個(gè)土壤樣品。

1.4.2 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

用卷尺測(cè)量植物的株高等生長(zhǎng)指標(biāo)；每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取50cm×50cm 范圍內(nèi)的植物樣品，進(jìn)行生物量測(cè)定。同時(shí)對(duì)各樣方進(jìn)行拍照處理并記錄各樣方的植被覆蓋度。

1.4.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

pH 值采用“NY/T1121.2-2006 土壤檢測(cè)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)；全磷、全鉀采用“NY/T88-1988 土壤全磷測(cè)定法”進(jìn)行檢測(cè)；全氮采用“LY/T1228-2015 森林土壤氮的測(cè)定”；有效磷采用“NY/T1121.7-2014 土壤檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)；速效鉀采用“LY/T1234-2015 森林土壤鉀的測(cè)定”；總有機(jī)碳采用“HJ615-2011 土壤有機(jī)碳的測(cè)定重鉻酸鉀氧化法—分光光度法”進(jìn)行檢測(cè)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用IBM SPSS Statistics 26 軟件進(jìn)行方差分析、多重比較分析和相關(guān)性分析，利用Origin 2021 進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加不同比例的生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

不同植物在各試驗(yàn)區(qū)的植被頻度差異較大(圖1)，其中菊科植物波斯菊植被頻度遠(yuǎn)高于其他植物，被認(rèn)為是該區(qū)域環(huán)境的優(yōu)勢(shì)物種。

圖1 不同生物炭施加區(qū)植被頻度指標(biāo)

植被蓋度和優(yōu)勢(shì)物種的株高在不同試驗(yàn)區(qū)差異顯著。波斯菊株高在T3、T4 試驗(yàn)區(qū)顯著高于其他小區(qū)，植被蓋度在T3、T4 試驗(yàn)區(qū)顯著大于其他小區(qū)(表1)。

表1 不同生物炭施加區(qū)植物株高、蓋度

植被地上生物量在T3、T2 和T4 試驗(yàn)區(qū)顯著高于T1 自然恢復(fù)區(qū)和T5、T6 試驗(yàn)區(qū)(圖2)。

圖2 不同生物炭施加區(qū)地上生物量指標(biāo)

朱自洋等[12]研究發(fā)現(xiàn)土壤中添加低劑量(1%～5%)生物炭能夠明顯促進(jìn)黑麥草植株的生長(zhǎng)。陳歡等[13]認(rèn)為施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量穩(wěn)定性;姜慧敏等[14]經(jīng)過(guò)3 年試驗(yàn)研究得出施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量的可持續(xù)性。本研究從株高高度、植被蓋度和地上生物量三個(gè)指標(biāo)可以得出施加生物炭能夠促進(jìn)植被的生長(zhǎng)與已有研究結(jié)果一致，同時(shí)得出施用1 ～2kg/m2的生物炭最利于植物的生長(zhǎng)。

2.2 施加不同比例的生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同處理下，土壤理化性質(zhì)變化見(jiàn)圖3，由圖3 可以看出：與T2(對(duì)照組)相比不同配比的生物炭均降低了土壤的pH 值，降幅為0.11 ～0.18(圖3a)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中總有機(jī)碳的含量(P①P 表示統(tǒng)計(jì)學(xué)中顯著性值。＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤總有機(jī)碳增加了1.5%～3.3%，其中T4 處理效果最顯著(圖3b)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤有機(jī)質(zhì)增加了26.02 ～59.05g/kg，其中T4 處理效果最顯著(圖3c)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中全磷的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤全磷增加了0.01%～0.12%，其中T6 處理效果最顯著(圖3d)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中全鉀的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤全鉀增加了0.1%～0.66%，其中T6 處理效果最顯著(圖3e)；除T5 處理外，其余施加生物炭均顯著提高土壤中全氮的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤全氮增加了0.96 ～1.57g/kg，其中T3 處理效果最顯著(圖3f)；施加生物炭均顯著提高土壤中有效磷的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤全氮增加了24.8 ～75.03mg/kg，其中T3 處理效果最顯著(圖3g)；施加生物炭均顯著提高土壤中速效鉀的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤速效鉀增加了269.33 ～1355mg/kg，其中T6 處理效果最顯著(圖3h)；施加1kg/m2生物炭和81kg/m2均顯著提高土壤中水解性氮的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對(duì)照組)土壤水解性氮分別增加了53.97mg/kg和24.97mg/kg，其中T3 處理效果最顯著(圖3i)；

圖3 不同處理下土壤理化性質(zhì)的變化

施加生物炭顯著降低了土壤的pH 值(P ＜0.05)，但并未改變土壤的酸堿度，排土場(chǎng)土壤仍然呈弱堿性，土壤中全氮、有效磷、水解性氮T3 試驗(yàn)區(qū)顯著高于其他小區(qū)(P ＜0.05)，總有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)在T4試驗(yàn)區(qū)顯著高于其他小區(qū)(P ＜0.05)，全磷、全鉀和速效鉀在T6 試驗(yàn)區(qū)顯著高于其他小區(qū)(P ＜0.05)。表明施用1kg/m2生物炭，最有利于土壤全氮和有效磷和水解性氮的累計(jì)；施用2kg/m2生物炭，最有利于土壤總有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的累計(jì)；施用8kg/m2生物炭，最有利于土壤全磷、全鉀和速效鉀的累計(jì)。

研究表明，生物炭能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程，也能降低土壤水溶性有機(jī)碳的淋溶損失，有利于土壤補(bǔ)碳和農(nóng)田固碳減排[15-16]。在土柱淋溶試驗(yàn)體系下，生物炭通過(guò)對(duì)土壤中銨態(tài)氮的吸附，大幅度減少了銨態(tài)氮的淋溶損失，提高了農(nóng)田土壤有效氮的供應(yīng)水平[17]。劉玉學(xué)等[18]研究表明，生物炭對(duì)NH4+、NO3-有較強(qiáng)的吸附作用，可以減少氮素的淋失，提高土壤氮含量。楊勁峰等[19]研究表明，生物炭基肥處理土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分含量均有明顯改善，其中土壤有機(jī)質(zhì)和鉀含量的改善效果最為明顯。本文研究表明施加生物炭，可以顯著提高土壤中全氮、有效磷、水解性氮、總有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)全磷、全鉀和速效鉀的含量與已有研究結(jié)果基本一致。

2.3 施加不同比例的生物炭下土壤因子與植物生長(zhǎng)的相關(guān)性

將9 個(gè)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)(pH 值、總有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、全氮、有效磷、速效鉀、水解性氮)與2 個(gè)植被生長(zhǎng)指標(biāo)(地上生物量、植被覆蓋率)進(jìn)行相關(guān)性分析，使用Pearson 相關(guān)系數(shù)來(lái)表示相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱情況(表2)。由表2 可知，總有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)呈非常顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為1.000(P ＜0.01)；總有機(jī)碳與全氮、有效磷、速效鉀呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.881(P ＜0.05)、0.893(P ＜0.05)、0.843(P ＜0.05)；有機(jī)質(zhì)與全氮、有效磷、速效鉀呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.872(P ＜0.05)、0.882(P ＜0.05)、0.837(P ＜0.05)；全磷與全鉀、有效磷、速效鉀呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.908(P ＜0.05)、0.821(P ＜0.05)、0.909(P＜0.05)；全鉀與速效鉀呈非常顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.946(P ＜0.01)；全氮與有效磷呈非常顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.961(P ＜0.01)；全氮與水解性氮呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.867(P＜0.05)；有效磷與水解性氮呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.861(P ＜0.05)；地上生物量與植被覆蓋率呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.861(P ＜0.05)。

表2 土壤因子與生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性

生物炭具有較強(qiáng)的吸附能力，能有效提升土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸持能力，同時(shí)吸附土壤中有機(jī)分子并聚合形成有機(jī)質(zhì)，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[20]；本文相關(guān)性分析中總有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)呈非常顯著性正相關(guān)，證明土壤中的總有機(jī)碳有利于有機(jī)質(zhì)的合成。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

施用不同比例的生物炭對(duì)植被生長(zhǎng)和土壤改良具有顯著影響，施用1kg/m2生物炭，對(duì)植物干物質(zhì)的累計(jì)及土壤全氮、有效磷和水解性氮的累計(jì)作用效果最顯著(P ＜0.05)；施用2kg/m2生物炭，對(duì)土壤中總有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的累計(jì)作用效果最顯著(P＜0.05)；施用8kg/m2生物炭，對(duì)土壤中全磷、全鉀和速效鉀的累計(jì)作用效果最顯著(P ＜0.05)；施用1 ～2kg/m2生物炭，最利于植被的生長(zhǎng)?？傆袡C(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、全氮、有效磷、速效鉀等是植被生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，而植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)綜合治理的關(guān)鍵，在選取適合當(dāng)?shù)厣车闹参锴疤嵯?，可根?jù)其生態(tài)演替規(guī)律、土壤改良和生態(tài)自修復(fù)效應(yīng)篩選優(yōu)勢(shì)物種，以形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)[10]，從而達(dá)到更好的生態(tài)修復(fù)效果。從經(jīng)濟(jì)性和適用性綜合考慮，施用1 ～2kg/m2生物炭的排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)效果最好。

3.2 討論

使用生物炭作為土壤改良劑，不僅可以增加土壤肥力，并有助于減少化學(xué)肥料的使用，同時(shí)也是變廢為寶，比如農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的大量動(dòng)植物廢料—麥稈、種殼、糞便等，人類制造的垃圾—廢水中污泥或其他生活垃圾都可以用于制作生物炭。使用垃圾廢料生產(chǎn)生物炭還有雙重減碳的效果，垃圾肥料腐爛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生甲烷，對(duì)溫室效應(yīng)的影響是二氧化碳的二十多倍。使用生物炭作為排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵材料，不僅能夠從根源上控制空氣污染，增加地下水涵養(yǎng)，改善區(qū)域土壤環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域環(huán)境良性發(fā)展，同時(shí)還具有良好的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的環(huán)境生態(tài)效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。