不同配合比種植混合土的植物營養(yǎng)特征研究

石鶴飛 許 暤, 趙 爽 趙文廷 胡 哲 尹海魁

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，河北 保定 071000)

不同配合比種植混合土的植物營養(yǎng)特征研究

石鶴飛1許 暤1,3趙 爽2趙文廷3胡 哲1尹?？?

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，河北 保定 071000)

我國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)境等問題的關(guān)鍵因素。利用鐵礦廢石分別與鐵尾礦、山皮土、校內(nèi)土、農(nóng)場土配制成不同層次的種植混合土，并進行了種植紫花苜蓿的盆栽試驗。結(jié)果表明：各類種植混合土的化學(xué)性質(zhì)與摻入的細粒成分質(zhì)地有關(guān)，各類種植混合土的化學(xué)性質(zhì)隨著加入土類細粒(d<0.075 mm)成分的增加而提高；并且山皮土、校內(nèi)土、農(nóng)場土相對于尾礦來說對鐵礦廢石的改善效果顯著；當各類種植混合土細粒成分摻入量約為廢石質(zhì)量的90%時，各類種植混合土養(yǎng)分狀況與紫花苜蓿的生長情況與各細粒成分對照差異不顯著。

礦山固體廢棄物 種植混合土 配合比 廢石

礦產(chǎn)資源在為人類做出巨大貢獻的同時也引發(fā)了眾多的負面影響，其中非常重要的一點就是礦山固體廢棄物的大量產(chǎn)生，據(jù)統(tǒng)計分析，截止到2013年底，我國廢石堆存量不低于438億t，尾礦累積堆存量146億t，而二者利用率均不到20%[1]。大量的礦山固體廢棄物基本上堆放在排渣場或隨意堆放在山谷或山坡上，結(jié)構(gòu)極其松散，造成許多災(zāi)害隱患；由于礦山固體廢棄物主要為碎石、塊石等粗顆粒組成，因此在礦渣堆放壓占的土地上很難恢復(fù)生態(tài)，恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究表明，礦山開采后自然恢復(fù)最快也需要5 a以上，而土壤系統(tǒng)的恢復(fù)可能需要100～1 000 a[2]。在礦山開采后恢復(fù)工程中，大量采用直接覆土的方式，對于大多數(shù)進行復(fù)墾的礦山廢棄地而言覆土厚度在20 cm以上時才能滿足一定植物生長需要，工程量很大還要滿足一定的要求[3]，這對于礦山細粒成分資源貧瘠而言，顯然是不符合實際的。有研究表明土壤中適量的固體廢棄物可以促進植物的生長[4-6]，自然界中也經(jīng)?？梢钥吹街参锷L于土石混合體中，土壤發(fā)生與分類學(xué)中將這種自然形成的土石混合體統(tǒng)稱為石質(zhì)土[7]。石質(zhì)土在生產(chǎn)中的意義不大，但是其對植物生長的作用不容小覷，如果能將礦山固體廢棄物通過改造使其具備石質(zhì)土甚至優(yōu)于石質(zhì)土的能力，對于礦山生態(tài)恢復(fù)甚至是再生產(chǎn)具有重要意義。由于人工干預(yù)的礦山固體廢棄物形成的土石混合土與自然形成的石質(zhì)土在形成原因、土壤性質(zhì)等多方面不同，并且不能顯示人工干預(yù)礦山固體廢棄物形成的土石混合土的實際作用，為便于研究，提出“種植混合土”一說。本研究以鐵礦固體廢棄物為例，研究不同配合比下的種植混合土植物生長情況，以期為礦山固體廢物利用，礦山生態(tài)恢復(fù)等提供理論依據(jù)和實際指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試鐵礦固體廢棄物為淶源縣旺兒溝礦區(qū)鐵礦廢石、尾礦，供試土壤為旺兒溝礦區(qū)山皮土、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)校內(nèi)土以及河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)農(nóng)場土，三類土均采自人為干預(yù)少的位置，供試材料的主要理化性質(zhì)如表1、表2。

表1 供試材料顆粒分析

表2 供試材料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

提前將試驗用廢石及校內(nèi)土風(fēng)干，山皮土、校內(nèi)土、農(nóng)場土風(fēng)干后過2 mm篩，按質(zhì)量分別以不同配合比比例(如表3)將廢石與尾礦、山皮土、校內(nèi)土、農(nóng)場土混合后，取相同體積裝入試驗盆(270 mm×360 mm)(如圖1)。為模擬自然狀態(tài)，將試驗盆埋在一定量的建筑垃圾的試驗場中，試驗盆下放置盆托，以免根系伸出試驗盆外，影響試驗，并設(shè)置廢石、尾礦、山皮土、校內(nèi)土、農(nóng)場土5個對照(表3中CK0～4)，每個處理設(shè)置5個重復(fù)，種植紫花苜蓿，每盆30粒種子，試驗開始于2014年8月26日，出苗后5 d定植，每盆保留5株，定期澆水。

圖1 盆栽試驗裝置

表3 鐵礦固體廢棄物種植混合土的不同配合比

用直尺對紫花苜蓿株高進行定期測量，在始花期對紫花苜蓿進行收割測產(chǎn)；采用電位法測定土壤pH，重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)，堿解擴散法測定土壤堿解氮，鉬藍比色法和火焰光度法測定土壤中的速效磷和速效鉀。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配合比種植混合土pH值

各類種植混合土pH值如圖2所示?？傮w來看，各編號pH值除CK4外均大于8.5，因此除CK4外各編號種植混合土pH值均是強堿性。由于鐵礦廢石與尾礦pH的多變性，導(dǎo)致“廢石+尾礦類”種植混合土各編號pH值變化范圍大，并且規(guī)律性差。與其相比，“廢石+山皮土類”、“廢石+校內(nèi)土類”、“廢石+農(nóng)場土類”隨土類的加入量規(guī)律性依次增強。河北省石灰?guī)r分布廣泛，尤其在山區(qū)形成的山皮土土層薄，pH多數(shù)情況大于8.5，“廢石+山皮土類”各編號pH值與CK0、CK2差異不顯著；“廢石+校內(nèi)土類”、“廢石+農(nóng)場土類”各編號pH值隨校內(nèi)土、農(nóng)場土的逐漸降低，兩類種植混合土對應(yīng)各編號pH值大致相同，并且pH值明顯低于“廢石+尾礦類”、“廢石+山皮土類”，這對于植物生長有良好的輔助作用。

圖2 不同配合比種植混合土pH值

2.2 不同配合比種植混合土養(yǎng)分狀況

不同配合比種植混合土養(yǎng)分狀況見表4。

表4 不同配合比種植混合土養(yǎng)分狀況

(1) 不同配合比種植混合土堿解氮。由表4可知，總體上看，按類型不同堿解氮含量由高到低為“廢石+農(nóng)場土類”> “廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，但是各編號堿解氮含量均比較缺乏，都在土壤養(yǎng)分標準3級以下。因為廢石、尾礦堿解氮含量很低， “廢石+尾礦類”種植混合土各編號處于極缺乏等級；各類種植混合土在細粒成分加入量大于廢石質(zhì)量60%時，各編號差異不顯著。

(2)不同配合比種植混合土速效鉀。由表4可知，總體上看，按不同類型速效鉀含量由高到低為“廢石+農(nóng)場土類”> “廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，各編號速效鉀含量均能達到土壤養(yǎng)分含量3級以上；“廢石+校內(nèi)土類”與“廢石+農(nóng)場土類” 相對應(yīng)編號速效鉀含量差異不顯著；“廢石+山皮土類”、“廢石+校內(nèi)土類”、“廢石+農(nóng)場土類”各編號速效鉀含量均高于CK0，并且同類之間各編號速效鉀含量差異不顯著；“廢石+尾礦類”與CK0速效鉀含量差異不顯著。

(3)不同配合比種植混合土速效磷。由表4可知，總體上看，不同速類型效磷含量由高到低為“廢石+農(nóng)場土類”> “廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，各編號速效磷含量均能達到土壤養(yǎng)分含量3級以上；同類種植混合土各編號差異不顯著；“廢石+尾礦類”與“廢石+山皮土類”相對應(yīng)編號速效磷含量差異不顯著。

(4)不同配合比種植混合土有機質(zhì)。由表4可知，總體上看，不同類型有機質(zhì)含量由高到低為“廢石+農(nóng)場土類”> “廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，其中“廢石+尾礦類”、“廢石+山皮土類”各編號有機質(zhì)處于極缺乏等級，“廢石+農(nóng)場土類”、“廢石+校內(nèi)土類”各編號有機質(zhì)含量分別能達到4級和5級；各類種植混合土土類加入量為廢石質(zhì)量的90%～180%時有機質(zhì)含量差異不顯著。

2.3 不同配合比種植混合土對紫花苜蓿生長影響

紫花苜蓿是多年生豆科牧草，抗逆性強，適應(yīng)范圍廣。選用紫花苜蓿為試驗植物主要是基于其抗逆性強，并且對于土壤改良作用明顯，經(jīng)濟、生態(tài)效益較高。選取紫花苜蓿出苗率、株高、生物量作為不同類型、不同編號種植混合土對植物生長影響的指標。

2.3.1 不同配合比種植混合土紫花苜蓿出苗情況

表5是不同配合比種植混合土各編號紫花苜蓿出苗率情況，可知除A-1外各編號的出苗率情況與CK0(廢石)差異性顯著；“廢石+山皮土類”出苗率較有規(guī)律的按照山皮土的增加量增加而增加，并且整體出苗率要高于其他三類種植混合土；“廢石+校內(nèi)土類”各編號出苗率差異不顯著，同時與“廢石+農(nóng)場土類”相對應(yīng)編號出苗率情況相似；“廢石+尾礦類”、“廢石+山皮土類”、“廢石+校內(nèi)土類”三類種植混合土在細粒成分加入量為廢石質(zhì)量90%時，與各類對照(CK1、CK2、CK3)差異不顯著。

表5 不同配合比種植混合土紫花苜蓿出苗率

2.3.2 不同配合比種植混合土紫花苜蓿株高情況

如圖3所示，不同類型紫花苜蓿株高情況由高到低為“廢石+農(nóng)場土類”> “廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，各編號紫花苜蓿株高均大于CK0。尾礦類、山皮土類、校內(nèi)土類、農(nóng)場土類各類種植混合土紫花苜蓿平均株高分別為CK0的2.73倍、4.39倍、7.06倍、12.48倍。9月13日后“廢石+尾礦類”各編號生長緩慢，甚至停止生長，“廢石+山皮土類”、“廢石+校內(nèi)土類”、“廢石+農(nóng)場土類”在9月20日后生長緩慢。各類種植混合土細粒成分加入量為廢石質(zhì)量120%～180%時各編號間株高生長情況優(yōu)于各類細粒成分對照(CK1、CK2、CK3、CK4)，同時基本上同類種植混合土在細粒成分加入量為廢石質(zhì)量60%時，與各類細粒成分對照生長差異不顯著。

2.3.3 不同配合比種植混合土紫花苜蓿生物量情況

不同配合比種植混合土紫花苜蓿鮮重如圖4所示，不同類型紫花苜蓿鮮重由高到低為“廢石+農(nóng)場土類”> “廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，各編號紫花苜蓿鮮重均大于CK0；尾礦類、山皮土類、校內(nèi)土類、農(nóng)場土類各類種植混合土紫花苜蓿平均鮮重分別為CK0的2.25倍、3.49倍、5.44倍、9.58倍?！皬U石+尾礦類”各編號紫花苜蓿平均鮮重規(guī)律性不明顯，“廢石+山皮土類”、“廢石+校內(nèi)土類”紫花苜蓿鮮重最大區(qū)間為細粒成分加入量為廢石質(zhì)量90%～150%，“廢石+農(nóng)場土類” 紫花苜蓿鮮重最大區(qū)間120%～180%之間；各類種植混合土在細粒成分加入量為廢石質(zhì)量60%～180%時，同類各編號間差異不顯著。

3 分析與討論

(1)在不添加任何輔助劑料的情況下，各編號pH值均高于8.5，屬強堿性，尾礦與山皮土不能降低廢石的pH值；校內(nèi)土與農(nóng)場土雖然沒能使廢石的pH值降到8.5以下，但確實對調(diào)節(jié)廢石的pH值起到積極作用。

(2)廢石中速效鉀、速效磷含量能達到3級以上，而堿解氮、有機質(zhì)含量極低，營養(yǎng)很不均衡。同時因為pH值高，對堿解氮起到抑制作用，導(dǎo)致植物很難成活和生長，因此有機質(zhì)也得不到積累。摻入細粒成分后，由于細粒成分中而堿解氮、有機質(zhì)含量較高，有效的補充了廢石中堿解氮、有機質(zhì)含量，有利于種植混合土養(yǎng)分平衡，促進植物生長。

(3)紫花苜蓿生長情況顯示，細粒成分的摻入對紫花苜蓿出苗率、株高、生物量等方面起到顯著的促進作用。

圖3 不同配合比種植混合土紫花苜蓿株高生長情況

(4)除各類種植混合土出苗率由高到低依次為“廢石+山皮土類”>“廢石+農(nóng)場土類”>“廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+尾礦類”外，各類種植混合土堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)等含量以及株高生長速度與收割前株高、生物量由高到低依次為“廢石+農(nóng)場土類”>“廢石+校內(nèi)土類”>“廢石+山皮土類”>“廢石+尾礦類”，這與摻入的細粒成分細粒(d≤0.075 mm)成分的含量有關(guān)；細粒成分的加入可以改善廢石的養(yǎng)分狀況，同時也可以提高廢石的保水保肥能力，對于植物的生長起到積極地促進作用。

圖4 不同配合比種植混合土紫花苜蓿鮮重

(5)綜合分析發(fā)現(xiàn)，當各類種植混合土細粒成分摻入量約為廢石質(zhì)量的90%時，各類種植混合土養(yǎng)分狀況與紫花苜蓿的生長情況與各細粒成分對照差異不顯著。

(6)本試驗是在不添加任何輔助劑料的情況下實施的，可以設(shè)想在使用輔助劑料(肥料、保水劑等)情況下，也許還可以減少細粒成分的摻入量，植物生長更加優(yōu)良。

4 結(jié) 語

礦山固體廢棄物是放錯位置的資源，“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，具有較強烈的現(xiàn)實意義。種植混合土的研究剛剛起步，本研究團隊在對礦山種植混合土進行的研究已經(jīng)取得初步成果，從中也發(fā)現(xiàn)一些待解決的問題。今后需要繼續(xù)更深入的研究，以期為礦山固體廢棄物“減量化”、“資源化”、“無害化”，提高我國的礦產(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。

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[2] 周惠榮.滇池流域采礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)技術(shù)[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2012,37(1)：74-77. Zhou Huirong.Ecological restoration techniques for mining wasteland in Dianchi basin[J].Forest Inventory and Planning，2012,37(1)：74-77.

[3] TD/T 1036—2013 土地復(fù)墾質(zhì)量控制標準[S].北京：中國標準出版社，2013. TD/T 1036-2013 Completion Standards on Land Reclamation Quality[S].Beijing:China Standard Publishing House，2013.

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(責任編輯 石海林)

Study of Plant Nutritional Characteristics Based on Mine Solid Waste with Different Proportion of Mixture

Shi Hefei1Xu Hao1，3Zhao Shuang2Zhao Wenting3Hu Zhe1Yin Haikui1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences，AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071000，China；2.CollegeofForestry，AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071000，China；CollegeofLandandResources,AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071000，China)

Great deal of mining solid wastes in China are generated and stored，with low comprehensive utilization rate.It has become a key factor for threatening the mine ecological environment.So，iron ore waste rock was mixed respectively with iron tailings，hill campus soil and farm soil，to prepare different levels of mixed soil，and medicago sativa were planted on these soils for testing.The results show that，the chemical properties of various mixed soils were related to the texture of incorporated fine grained soil，and its the chemical properties were improved with the increasing of fine grained soil (d < 0.075 mm); The performance of iron ore waste rock was more significantly improved by mixing with hill soils，campus soil and farm soil than iron tailings; When the incorporation of fine grained soil in all kinds of mixed soil was about 90% of the waste rock in quality，the nutrient of various mixed soils and growth of medicago sativa have no significant difference，compared with the fine grained soils.

Mine solid waste，Mixed soil，Proportion of mixture，Waste rock

2015-02-08

國土資源部公益性行業(yè)項目(編號：201311060)，河北省科技支撐計劃重點項目(編號：12235401)。

石鶴飛(1988—)，男，碩士研究生。通訊作者 趙文廷(1964—)，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師。

TD88

A

1001-1250(2015)-04-083-06