基于種植混合土的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)試驗(yàn)*

石鶴飛 周亞鵬 張 利 陳 影 許 暤 趙文廷

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院；

3.河北省保定市生態(tài)文明研究院；4.河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基于種植混合土的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)試驗(yàn)*

石鶴飛1,4周亞鵬1,3,4張 利1,3陳 影1,3許 暤1,2,3,4趙文廷2,3,4

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院；

3.河北省保定市生態(tài)文明研究院；4.河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

我國(guó)礦山固體廢棄物生產(chǎn)量大、堆存量大、綜合利用率低，成為威脅礦山生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題的關(guān)鍵因素。為探索礦山固體廢棄物在生態(tài)環(huán)境修復(fù)中的作用，以銅鐵礦廢石為研究對(duì)象，利用校園內(nèi)中壤土與其配比成“種植混合土”，進(jìn)行欒樹(shù)盆栽試驗(yàn)。結(jié)果表明：細(xì)粒土的摻入顯著提高了欒樹(shù)的成活率，當(dāng)細(xì)粒土摻入量約為銅鐵礦廢石的1.1倍時(shí)，可以顯著提高欒樹(shù)的各指標(biāo)生長(zhǎng)量；當(dāng)細(xì)粒土摻入量約為銅鐵礦廢石的1.4倍時(shí)，可以滿足欒樹(shù)正常生長(zhǎng)。細(xì)粒成分含量是影響礦山固體廢棄物植物成活與生長(zhǎng)的重要因素，“種植混合土”可以為礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供支持。

礦山固體廢棄物 種植混合土 生態(tài)環(huán)境修復(fù)

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用是人類社會(huì)進(jìn)步的動(dòng)力，在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，礦產(chǎn)資源起著重要的基礎(chǔ)性作用。但是礦產(chǎn)資源在為人類做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也產(chǎn)生了眾多的負(fù)面影響，大量的礦山固體廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。礦山固體廢棄物主要是指礦山開(kāi)采產(chǎn)生的廢石和選礦產(chǎn)生的尾礦，其中廢石的堆存量遠(yuǎn)大于尾礦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2013年底，我國(guó)廢石堆存量不低于438億t，尾礦累積堆存量約146億t，但是綜合利用率均不到20%[1-2]；截止到2012年底全國(guó)礦山開(kāi)采損毀土地面積約2.308 km2還未有效恢復(fù)[3]。

礦山固體廢棄物基本上堆放在排渣場(chǎng)或隨意堆放在山谷、山坡上，在壓占大量土地的同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的松散性，造成許多災(zāi)害隱患，對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞和威脅。目前礦山廢棄地的治理大多數(shù)是進(jìn)行復(fù)墾，這就要求有充足的土源，而各個(gè)礦區(qū)情況不盡相同，總體來(lái)看，礦區(qū)土源仍是礦山廢棄地復(fù)墾的主要問(wèn)題之一。因此，如何立足于礦山的實(shí)際情況，有效消耗利用礦山固體廢棄物是解決礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、保護(hù)土地資源，甚至緩解土地資源供需矛盾的關(guān)鍵。

1 種植混合土的提出

土壤具有不斷供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的水分、養(yǎng)分、空氣、熱量和其他生存必須條件的能力，同時(shí)在自然界中尤其是山區(qū)也經(jīng)?？梢钥吹街参锷L(zhǎng)于土石混合體中，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，有研究表明土壤中加入適量的固體廢棄物可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[4-6]。因此，礦山固體廢棄物與一定量的細(xì)粒土混合也具備支持植物生長(zhǎng)條件，這對(duì)于礦山固體廢棄物有效消耗與利用、改善礦山生態(tài)環(huán)境有著重要意義。目前這種土、石混合體稱謂不統(tǒng)一，為便于研究與敘述，本研究把這種利用礦山固體廢棄物，在人為干預(yù)下形成的具有植物生長(zhǎng)功能的混合體稱為“種植混合土”。以銅鐵礦廢石為例，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，論證這種礦山修復(fù)新途徑的可行性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 供試材料

試驗(yàn)用廢石來(lái)自淶源縣白石口聯(lián)營(yíng)銅鐵礦。由表1、表2可知，廢石大于2 mm以上顆粒已經(jīng)達(dá)到85.92%，小于0.075mm顆粒很少，并且pH值屬?gòu)?qiáng)堿性，營(yíng)養(yǎng)元素極端缺乏；試驗(yàn)用土壤為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)荒地土壤(中壤土)，采用室外盆栽試驗(yàn)法，試驗(yàn)盆規(guī)格為360 mm×270 mm×200 mm(配帶盆托)，種植植物選擇抗逆性較強(qiáng)的常用綠化樹(shù)種欒樹(shù)；試驗(yàn)地位于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)生態(tài)試驗(yàn)田。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

提前將試驗(yàn)用廢石及校內(nèi)土風(fēng)干，校內(nèi)土風(fēng)干后過(guò)2 mm篩；根據(jù)顆粒分析結(jié)果，按質(zhì)量以不同配比將廢石與校內(nèi)土充分混合后，取相同體積裝入試驗(yàn)盆(圖1)，同時(shí)將1 a生欒樹(shù)苗植入試驗(yàn)盆中；為模擬自然狀態(tài)，將試驗(yàn)盆埋在一定量的建筑垃圾的試驗(yàn)場(chǎng)中，株距與行距均為1 m，試驗(yàn)盆下放置盆托，以免根系進(jìn)入試驗(yàn)盆外，影響試驗(yàn)；設(shè)置全銅鐵礦廢石及全校內(nèi)土對(duì)照，共7組試驗(yàn)，每組5次，于2014年3月22日開(kāi)始，定期澆水，并測(cè)定植株的地徑、冠福、株高。種植混合土配比見(jiàn)表3。

表1 銅鐵礦廢石顆粒分析

表2 銅鐵礦廢石化學(xué)性質(zhì)

圖1 盆載試驗(yàn)裝置

表3 種植混合土配比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

欒樹(shù)的生長(zhǎng)情況能夠?qū)ΨN植混合土的適宜的摻土量進(jìn)行說(shuō)明，試驗(yàn)過(guò)程中CK0處理中的欒樹(shù)有的沒(méi)有成活，有的后期死亡，因此，不能進(jìn)行植物生長(zhǎng)定量分析。本文利用Duncan新復(fù)極差法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，圖2～圖4為其他6組銅鐵礦廢石種植混合土中欒樹(shù)生長(zhǎng)狀況。

圖2為欒樹(shù)地徑生長(zhǎng)情況，可知，6月下旬～8月下旬為欒樹(shù)地徑主要生長(zhǎng)期；從8月下旬開(kāi)始，B3～B5組地徑生長(zhǎng)情況與CK組差異不顯著，并且B3～B5組地徑生長(zhǎng)情況明顯優(yōu)于B1、B2組；5月下旬～9月下旬，B5組欒樹(shù)地徑生長(zhǎng)情況優(yōu)于CK組。

圖3為欒樹(shù)冠福生長(zhǎng)情況，可知，各組欒樹(shù)冠幅到9月下旬基本停止生長(zhǎng)，并且B1、B2組欒樹(shù)冠幅在7月下旬就已經(jīng)有停止生長(zhǎng)的跡象；從8月下旬開(kāi)始，B4、B5組與CK組冠幅生長(zhǎng)情況差異不顯著，并且明顯優(yōu)于B1～B3組；B5組欒樹(shù)冠幅生長(zhǎng)情況優(yōu)于CK組。

圖2 欒樹(shù)地徑生長(zhǎng)情況

圖3 欒樹(shù)冠福生長(zhǎng)情況

圖4 欒樹(shù)株高生長(zhǎng)情況

圖4為欒樹(shù)株高生長(zhǎng)情況，可知，B1、B2組株高生長(zhǎng)量很少，幾乎是沒(méi)有生長(zhǎng)；B3～B5組株高生長(zhǎng)情況與CK組差異不顯著，并且明顯優(yōu)于B1、B2組；B3～B5組在4月下旬～5月下旬株高生長(zhǎng)明顯后有1個(gè)月左右的生長(zhǎng)緩慢期，這可能是欒樹(shù)在生長(zhǎng)初期消耗了混合土大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，缺乏營(yíng)養(yǎng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自我適應(yīng)調(diào)整后，在6月下旬株高生長(zhǎng)量又開(kāi)始較大幅度增加；8月下旬以后B4組生長(zhǎng)情況略優(yōu)于CK組。

表4為欒樹(shù)各指標(biāo)凈生長(zhǎng)量情況，可知B4、B5組欒樹(shù)各指標(biāo)凈生長(zhǎng)量與CK組差異均不顯著，并且明顯優(yōu)于B1～B3組；B3組欒樹(shù)各指標(biāo)凈生長(zhǎng)量與B1、B2組差異顯著，B1、B2組欒樹(shù)各指標(biāo)凈生長(zhǎng)量差異不顯著。通過(guò)對(duì)不同組欒樹(shù)地徑、平均冠福、株高等指標(biāo)凈生長(zhǎng)量的綜合分析，可以歸納為3個(gè)區(qū)間：生長(zhǎng)不良區(qū)B1、B2組，生長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)B3組，以及生長(zhǎng)良好區(qū)B4、B5組。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

(1)CK0組欒樹(shù)沒(méi)有成活，而B(niǎo)1～B5組欒樹(shù)均成活，說(shuō)明銅鐵礦摻入細(xì)粒土后有助于欒樹(shù)生長(zhǎng)，細(xì)粒成分含量與欒樹(shù)生長(zhǎng)有關(guān)；主要是因?yàn)榧?xì)粒土的摻入可以改善銅鐵礦廢石的理化性質(zhì)，建立植物生長(zhǎng)的立地條件。

表4 種植混合土欒樹(shù)凈生長(zhǎng)量

注：同列中不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

(2)不同試驗(yàn)組欒樹(shù)各生長(zhǎng)指標(biāo)在第2個(gè)月時(shí)明顯降低，經(jīng)過(guò)1.5個(gè)月的時(shí)間，各指標(biāo)生長(zhǎng)量開(kāi)始顯著增加，主要是因?yàn)楦魈幚眇B(yǎng)分含量有限，欒樹(shù)生長(zhǎng)初期需要吸收較多養(yǎng)分，而此時(shí)欒樹(shù)根系處于生長(zhǎng)期，對(duì)根際環(huán)境影響較弱，待一段時(shí)間的適應(yīng)以及根系質(zhì)量及數(shù)量增加后，通過(guò)影響根際環(huán)境，提供欒樹(shù)生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)。因此，在植物種植一段時(shí)間后，最好施用一定量的肥料以提供植物所需營(yíng)養(yǎng)。

(3)按照不同試驗(yàn)組欒樹(shù)地徑、平均冠幅、株高生長(zhǎng)情況可以歸納為3類：生長(zhǎng)不良類B1、B2組，生長(zhǎng)過(guò)渡類B3組，生長(zhǎng)良好類B4、B5組。B4、B5組欒樹(shù)地徑、冠幅、株高生長(zhǎng)情況與CK組差異不顯著，甚至優(yōu)于CK組；B4、B5組欒樹(shù)地徑、冠幅、株高凈生長(zhǎng)量與CK組差異不顯著。因此，當(dāng)校內(nèi)土(中壤土)摻入量約為銅鐵礦廢石質(zhì)量的1.4倍時(shí)，可以滿足欒樹(shù)正常生長(zhǎng)；當(dāng)校內(nèi)土(中壤土)摻入量約為銅鐵礦廢石質(zhì)量的1.1倍時(shí)，可以顯著提高欒樹(shù)的各指標(biāo)生長(zhǎng)量。

(4)植物能夠生存是檢驗(yàn)種植混合土理論成功的關(guān)鍵，本試驗(yàn)主要是通過(guò)欒樹(shù)的直觀表現(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)種植混合土的可行性，但試驗(yàn)也存在欠缺之處，本次試驗(yàn)是在不摻加任何外加物質(zhì)的情況下進(jìn)行的，假如再添加一些有助于種植混合土保水保肥的物質(zhì)或采取其他措施，細(xì)粒土的摻入量有可能會(huì)更少，這也是今后的主要研究方向之一。

4 結(jié) 語(yǔ)

礦山固體廢棄物雖然被叫做廢棄物，但其實(shí)是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的潛在價(jià)值，“種植混合土”是根據(jù)礦山固體廢棄物利用現(xiàn)狀和礦山生態(tài)恢復(fù)現(xiàn)狀提出的，具有較強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義?！胺N植混合土”的研究剛剛起步，本研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得初步成果，從中也發(fā)現(xiàn)一些待解決的問(wèn)題，今后需要繼續(xù)進(jìn)行更深入的研究，以期為實(shí)現(xiàn)礦山固體廢棄物“減量化”、“資源化”、“無(wú)害化”，提高我國(guó)的礦產(chǎn)資源保障能力，改善礦山生態(tài)環(huán)境以及合理利用礦山土地資源提供新的解決思路。

[1] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).中國(guó)資源綜合利用年度報(bào)告(2014)[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2014(10):49-56.

[2] 中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)研究院.我國(guó)礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用現(xiàn)狀分析[EB/OL].(2014-04-18)[2015-01-05]. http://www.360doc.com/content/14/0420/18/13335947_370610769.shtml.

[3] 國(guó)土資源部.國(guó)土資源十二五規(guī)劃中期評(píng)估報(bào)告[R].北京：國(guó)土資源部，2013.

[4] 吳宏亮.寧夏中部干旱區(qū)砂石覆蓋對(duì)土壤水熱特性及西瓜生長(zhǎng)發(fā)育的影響[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[5] 趙 梅.黃土區(qū)土石混合土壤水分有效性研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

*國(guó)土資源部公益性行業(yè)項(xiàng)目(編號(hào)：201311060)；河北省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：12235401)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：QN2015168)。

2015-04-03)

石鶴飛(1988—)，男，碩士研究生，071000 河北省保定市。