劉 影,遲崇哲*,楊小牛,張大勇,楊明遠(yuǎn),王云博

(1.長春黃金研究院有限公司; 2.內(nèi)蒙古太平礦業(yè)有限公司)

引 言

黃金兼具貨幣屬性和商品屬性,為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定提供了強(qiáng)有力的支撐,但金礦石開采過程中會(huì)引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。在當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)的大背景下,如何實(shí)現(xiàn)開發(fā)與保護(hù)的雙贏越來越受到重視,因此黃金工業(yè)場地土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作勢(shì)在必行。而在實(shí)際工作中,土地復(fù)墾受當(dāng)?shù)刈匀毁Y源條件的限制,需要遵循一礦一策的原則,因地制宜。西北草原地區(qū)是中國重要的黃金生產(chǎn)基地,同時(shí)又屬生態(tài)脆弱區(qū),劇烈的采礦活動(dòng)使得原本就很脆弱的生態(tài)環(huán)境更為脆弱,而稀薄的表土層嚴(yán)重制約礦區(qū)的土地復(fù)墾工作[1]。

土壤重構(gòu)是土地復(fù)墾的核心,重構(gòu)土壤質(zhì)量直接決定了土地復(fù)墾狀況[2]。TD/T 1036—2013 《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[3]中規(guī)定,在北方草原區(qū),復(fù)墾用途為其他草原時(shí),有效土層厚度應(yīng)大于30 cm。露天礦開采過程中多采用“平臺(tái)-邊坡”的堆積形式構(gòu)建排土場,這種排棄方式會(huì)造成地表表面積的增大,導(dǎo)致用于覆土的表土量不足。因此,對(duì)于表土缺乏地區(qū)而言,表土替代物的選擇成為了土壤重構(gòu)的關(guān)鍵。

本文以生物質(zhì)材料為改良劑,通過分析不同改良配比土壤基質(zhì)的酸堿度、顆粒團(tuán)聚特征、持水保水能力、營養(yǎng)成分等指標(biāo),并結(jié)合植被生長情況,評(píng)估和探討生物質(zhì)材料對(duì)鹽堿化貧瘠土壤改良的促進(jìn)作用及作用機(jī)理,以明確生物質(zhì)材料改良土壤的有效性和可持續(xù)性,從而為農(nóng)業(yè)固廢資源化利用進(jìn)行土壤改良提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用表土取自內(nèi)蒙古某黃金企業(yè)表土堆場,經(jīng)自然風(fēng)干后,粉碎,過2 mm篩,對(duì)其理化性質(zhì)進(jìn)行分析,結(jié)果見表1。生物質(zhì)材料為以玉米秸稈為原料,加入牛羊糞、有機(jī)肥、菌劑配料,經(jīng)膨化、發(fā)酵、風(fēng)干處理后的產(chǎn)物。黑麥草、高羊茅、狗牙根種子均為市場采購。

表1 表土理化性質(zhì)分析結(jié)果

由表1可知:表土屬于砂質(zhì)土,保水能力較差,與TD/T 1036—2013 《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》中西北干旱區(qū)人工草地土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)相比,現(xiàn)有表土pH值高于8.5,說明表土基質(zhì)呈強(qiáng)堿性,極不利于一般動(dòng)植物的生存;土壤密度為1.692 g/cm3,大于1.45 g/cm3,不滿足土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求。全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.033 %、0.014 %、0.85 %,按照《土壤肥料學(xué)》(第2版)[4]中土壤營養(yǎng)元素指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn),分別為缺乏、甚缺乏、缺乏級(jí)別;含有機(jī)質(zhì)為0.682 %,為缺乏級(jí)別,不能提供植物生長所需的養(yǎng)分,因此需要進(jìn)行土壤基質(zhì)改良。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)5個(gè)土壤改良配比(見表2),并以純表土作為對(duì)照。生物質(zhì)材料與表土充分混合后,一部分風(fēng)干后用于改良土壤理化性質(zhì)檢測,另一部分裝入長×寬×高為40 cm×16 cm×10 cm底部帶孔的塑料種植盆并編號(hào),每個(gè)配比設(shè)3個(gè)重復(fù)試驗(yàn),分別播撒黑麥草、高羊茅、狗牙根,放置在溫室大棚中培養(yǎng),定期澆水。

表2 試驗(yàn)方案 %

1.3 測定項(xiàng)目及分析方法

土壤pH采用玻璃電極法測定,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法測定,全氮采用自動(dòng)定氮儀法測定,全磷采用分光光度法測定,全鉀采用ICP法測定。生物質(zhì)材料菌落分析采用顯微鏡鏡檢法和16S rRNA宏基因組高通量測序手段。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)應(yīng)用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)材料特性分析

2.1.1 理化性質(zhì)

對(duì)以玉米秸稈為原料,加入牛羊糞、有機(jī)肥、菌劑配料,經(jīng)膨化、發(fā)酵、風(fēng)干處理后得到的生物質(zhì)材料理化性質(zhì)進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。

由表3可知:參照《土壤肥料學(xué)》(第2版)中土壤營養(yǎng)元素指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn),生物質(zhì)材料pH值為7.39,呈中性;密度為0.68 g/cm3,質(zhì)地疏松;全氮、全磷含量較高,均可達(dá)一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn),全鉀含量達(dá)三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn);有機(jī)質(zhì)含量達(dá)一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 微生物群落

采用電子顯微鏡對(duì)制備的生物質(zhì)材料中微生物菌群賦存情況進(jìn)行檢測,電鏡照片(見圖1)顯示,生物質(zhì)材料中賦存球菌、桿菌、原生動(dòng)物等多種微生物。

表3 生物質(zhì)材料理化性質(zhì)分析結(jié)果

圖1 生物質(zhì)材料中微生物群落

對(duì)生物質(zhì)材料中微生物群落進(jìn)行16S rRNA宏基因組高通量測序(見圖2),結(jié)果表明:樣本菌群中,在門(phylum)水平上,優(yōu)勢(shì)菌為變形菌門(Proteobacteria);在綱(class)水平上,優(yōu)勢(shì)菌為丙形變形菌綱(Gammaproteobacteria);在屬(genus)水平上,優(yōu)勢(shì)菌為假單胞菌屬(Pseudomonas)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)和未分類腸桿菌(unclassified_Entero-bacteriaceae)。

2.2 改良土壤理化性質(zhì)差異性分析

2.2.1 酸堿度

不同改良配比土壤pH變化見圖3。由圖3可知:未改良表土pH值為8.80,呈強(qiáng)堿性(8.5～9.5);隨著生物質(zhì)材料添加量的增加,土壤pH逐漸降低,當(dāng)生物質(zhì)材料占比為10 %時(shí),土壤pH值降至8.68,仍呈強(qiáng)堿性;當(dāng)生物質(zhì)材料占比增至20 %時(shí),土壤pH值降至8.32,低于8.5,呈堿性(7.5～8.5);當(dāng)生物質(zhì)材料占比增加至40 %時(shí),土壤pH值降至7.84,低于8.0;當(dāng)生物質(zhì)材料占比增加至60 %時(shí),土壤pH值降至7.66,接近中性(6.5～7.5)。改良土壤pH降低趨勢(shì)與生物質(zhì)材料占比具有相關(guān)性,分析原因?yàn)樯镔|(zhì)材料中含有大量的黃腐酸和腐殖酸,可顯著降低表土基質(zhì)的鹽堿性。

圖3 不同改良配比土壤pH變化

2.2.2 密 度

不同改良配比土壤密度變化見圖4。由圖4可知:隨著生物質(zhì)材料添加量的增加,改良土壤的密度逐漸降低,孔隙度增加。當(dāng)生物質(zhì)材料占比為20 %時(shí),改良土壤密度降至1.322 g/cm3,滿足TD/T 1036—2013 《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》要求。改良土壤密度降低趨勢(shì)與生物質(zhì)材料占比具有相關(guān)性,分析原因?yàn)樯镔|(zhì)材料質(zhì)地松散、孔隙度大、密度較低,與表土混合不僅可機(jī)械性改善土壤顆粒的組成,提升其疏松程度,進(jìn)而改善其密度和孔隙度,而且生物質(zhì)腐化降解產(chǎn)生了豐富的腐殖酸[5]和黃腐酸[6],黃腐酸和腐殖酸分解產(chǎn)生的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)具有黏結(jié)性[7],易與土壤顆粒形成土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體[8],促進(jìn)土壤顆粒團(tuán)聚并形成水穩(wěn)性大團(tuán)聚體[9],改善土壤基質(zhì)的結(jié)構(gòu)性能。

圖4 不同改良配比土壤密度變化

2.2.3 持水保水能力

不同改良配比土壤飽和持水量、持水率變化分別見圖5、圖6。由圖5、圖6可知:未改良表土為砂質(zhì)土,飽和持水率為18.6 %,持水保水能力較弱。隨著生物質(zhì)材料添加量的增加,改良土壤的飽和持水量和持水率都逐漸升高,說明改良土壤的持水保水性能逐漸升高。而飽和持水量、持水率等理化參數(shù)的變化與生物質(zhì)材料占比具有相關(guān)性,說明生物質(zhì)材料具有很大的孔隙度和持水保水能力,可有效改善土壤的透水性和持水保水能力。

圖5 不同改良配比土壤飽和持水量變化

圖6 不同改良配比土壤飽和持水率變化

2.2.4 有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)可以改善土壤團(tuán)聚體和穩(wěn)定性、水分入滲和保持、養(yǎng)分吸持和交換,支持微生物活動(dòng)等,是土壤肥力的重要指標(biāo)之一。不同改良配比土壤有機(jī)質(zhì)變化見圖7。由圖7可知:未改良土壤含有機(jī)質(zhì)為0.682 %,為缺乏級(jí)別,不能提供植物生長所需的養(yǎng)分。隨著生物質(zhì)材料添加量的增加,改良土壤中有機(jī)質(zhì)含量逐漸升高,當(dāng)生物質(zhì)材料占比為10 %時(shí),改良土壤含有機(jī)質(zhì)達(dá)到9.44 %,達(dá)一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn),為甚豐富級(jí)別。有機(jī)質(zhì)含量與生物質(zhì)材料占比呈正相關(guān),分析原因?yàn)樯镔|(zhì)材料主要原料為玉米秸稈,堆肥發(fā)酵過程中在微生物作用下分解為腐殖質(zhì),腐殖質(zhì)是有機(jī)物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化形成的膠體物質(zhì)[10],是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分(50 %～65 %)。

圖7 不同改良配比土壤有機(jī)質(zhì)變化

2.2.5 營養(yǎng)物質(zhì)

不同改良配比土壤營養(yǎng)物質(zhì)變化見圖8。由圖8可知:添加生物質(zhì)材料后,改良土壤中全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對(duì)照組。對(duì)照組全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.033 %,為缺乏級(jí)別;隨著生物質(zhì)材料添加量的增加,改良土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高,當(dāng)生物質(zhì)材料占比為10 %時(shí),改良土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 %,達(dá)到豐富級(jí)別;當(dāng)生物質(zhì)材料占比增至40 %時(shí),改良土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.44 %,達(dá)到甚豐富級(jí)別,說明生物質(zhì)材料對(duì)土壤中全氮含量改善效果顯著,且全氮含量與生物質(zhì)材料占比呈正相關(guān)。改良土壤中全磷含量隨著生物質(zhì)材料添加量的增加逐漸升高,但增加趨勢(shì)較為平緩,當(dāng)生物質(zhì)材料占比為40 %時(shí),改良土壤中全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16 %,達(dá)中等級(jí)別;當(dāng)生物質(zhì)材料占比增至60 %時(shí),改良土壤中全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19 %,達(dá)到甚豐富級(jí)別,說明生物質(zhì)材料對(duì)土壤中全磷含量有改善作用,但效果不顯著。對(duì)照組全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85 %,為缺乏級(jí)別;當(dāng)生物質(zhì)材料占比10 %時(shí),改良土壤中全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至1.38 %,達(dá)中等級(jí)別;隨著生物質(zhì)材料添加量的增加,改良土壤中全鉀含量變化不大,基本保持在中等級(jí)別,說明生物質(zhì)材料對(duì)土壤中全鉀含量改善不明顯。

圖8 不同改良配比土壤營養(yǎng)物質(zhì)變化

2.3 不同改良配比植被生長差異性分析

2.3.1 植株高度

不同改良配比土壤中植被植株高度見圖9。由圖9可知:改良土壤中植被的植株高度明顯高于對(duì)照組,生物質(zhì)材料改良效果明顯。生物質(zhì)材料一方面提高了土壤養(yǎng)分,另一方面改良了土壤的理化性質(zhì),有利于植被的生長。當(dāng)生物質(zhì)材料占比為10 %～20 %時(shí),黑麥草和高羊茅植株高度最高;隨著生物質(zhì)材料添加量的繼續(xù)增加,黑麥草和高羊茅的植株高度不升反降,說明生物質(zhì)材料的添加量并非越高越好,生物質(zhì)材料占比為10 %～20 %適宜黑麥草和高羊茅生長。狗牙根的植株高度隨生物質(zhì)材料添加量的增加逐漸升高,說明狗牙根適宜在高生物質(zhì)含量土壤中生長。

圖9 不同改良配比土壤中植被植株高度

2.3.2 葉片寬度

不同改良配比土壤中植被葉片寬度見圖10。由圖10可知:改良土壤中植被的葉片寬度明顯高于對(duì)照組,生物質(zhì)材料改良效果明顯。改良土壤中黑麥草葉片寬度基本一致,未隨生物質(zhì)材料添加量的增加而產(chǎn)生明顯差異。生物質(zhì)材料占比為40 %時(shí),高羊茅葉片最寬。狗牙根的葉片寬度隨生物質(zhì)材料添加量的增加先增加,當(dāng)生物質(zhì)材料占比增加至20 %時(shí),狗牙根葉片寬度保持不變。

圖10 不同改良配比土壤中植被葉片寬度

3 結(jié) 論

1)生物質(zhì)材料中含有大量的腐殖酸和黃腐酸,二者可顯著降低表土基質(zhì)的鹽堿性,改良土壤pH值可由8.80降至7.39,且隨添加比例的增加,改良效果增強(qiáng)。

2)生物質(zhì)材料質(zhì)地松散、孔隙度大、密度較低,不僅可機(jī)械性改善土壤顆粒的組成,提升其疏松程度,進(jìn)而改善其密度和孔隙度,而且黃腐酸和腐殖酸分解產(chǎn)生的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)具有黏結(jié)性,促進(jìn)土壤黏粒團(tuán)聚并形成水穩(wěn)性大團(tuán)聚體,使改良土壤密度顯著降低,持水保水能力增強(qiáng)。

3)生物質(zhì)材料可顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮含量,對(duì)全磷、全鉀含量的改善具有促進(jìn)作用。

4)盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明:改良土壤中植被生長的植株高度和葉片寬度明顯高于對(duì)照組,當(dāng)生物質(zhì)材料添加量為10 %～20 %時(shí),黑麥草、高羊茅、狗牙根植株高度、葉片寬度都較優(yōu)。