不同粒徑石灰?guī)r棄渣客土改良效果分析

孫永康，劉寒曉，張艷，馬得利，趙廷寧

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

不同粒徑石灰?guī)r棄渣客土改良效果分析

孫永康，劉寒曉，張艷，馬得利，趙廷寧?

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

生態(tài)環(huán)境的保護與治理是目前世界關(guān)注和研究的重點，以石灰?guī)r棄渣為研究對象，重點解決目前工程棄渣改良利用客土施用量大的難題。為了獲取不同粒徑區(qū)間棄渣混合客土改良的最優(yōu)比例，試驗選取北京房山石灰?guī)r采石場棄渣，篩分成4種粒徑區(qū)間，并按比例混合客土，撒播高羊茅種子，進行盆栽試驗。通過測定不同配比棄渣的密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量，以及高羊茅植株的保存率、生長高度、生物量和根莖比，獲取添加不同比例客土的改良效果和高羊茅生長狀況。結(jié)果顯示：客土改良石灰?guī)r棄渣的影響體現(xiàn)需要一定的灌溉沉降過程，不同粒徑棄渣土壤水分性質(zhì)受客土添加量影響，相關(guān)性順序為20～40 mm<10～20 mm<2 mm<2～10 mm，高羊茅在不同粒徑棄渣生長受客土添加量的影響，其相關(guān)性影響順序為2 mm<2～10 mm<10～20 mm<20～40 mm，客土最適添加比例為<2 mm和2～10 mm粒徑棄渣添加40%，10～20和20～40 mm粒徑棄渣添加60%。研究結(jié)果可為不同粒徑石灰?guī)r棄渣資源化利用及客土改良，提供理論和數(shù)據(jù)參考。

粒徑區(qū)分； 棄渣改良； 土壤水分性質(zhì)； 盆栽試驗； 高羊茅生物量

生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與保護是21世紀(jì)人類共同關(guān)注的熱門話題，目前，中國快速城鎮(zhèn)化進程，使得工程建設(shè)產(chǎn)生的棄渣和廢棄地的環(huán)境問題日益凸顯。研究表明，礦山開采和廢棄對環(huán)境產(chǎn)生了長遠的影響，包括土壤理化性質(zhì)、土壤水分和養(yǎng)分循環(huán)等[1]難以滿足植被恢復(fù)需求，且廢棄地極易發(fā)生水土流失及產(chǎn)生次生地質(zhì)災(zāi)害。若要對棄渣及廢棄地進行生態(tài)修復(fù)，需要解決棄渣粒徑過大、保水性較差和營養(yǎng)物質(zhì)不足等問題[2]。

目前，對于棄渣及棄渣廢棄地的研究，受到各國的關(guān)注，且多為通過人工降雨實驗[3-4]和徑流小區(qū)[5]等方法，測定其下墊面特征及入滲產(chǎn)流產(chǎn)沙[6-7]等結(jié)果，研究棄渣坡面產(chǎn)流等水土流失過程。礦山植被恢復(fù)過程中，植物類型、物種豐富度和恢復(fù)年限[8-9]等因子對棄渣理化性質(zhì)的影響，以及植被恢復(fù)速率和豐富度受土壤鹽分、土壤微生物量[10]和地球化學(xué)性質(zhì)[11]的影響，也是目前研究的重點。使用各項因子對棄渣廢棄地進行描述時，更引進了土壤質(zhì)地指數(shù)[12]和復(fù)墾礦區(qū)土壤指數(shù)[13]等相關(guān)指標(biāo)，對棄渣廢棄地植被恢復(fù)因子與效果進行綜合評估與描述。近年來，最熱門的研究方向就是棄渣綜合改良資源化利用，國內(nèi)外學(xué)者把各類棄渣和土壤[14]、保水劑[15]、稀土[16]、黏結(jié)劑[17]、動物糞便[18]、菌肥[19]、城市污泥[20-21]及礦化垃圾[22]等對棄渣改良利用，通過改良棄渣搭配指示植物，研究分析改良后棄渣對植被存活[23]、根系生長[24]、土壤微生物[25]、植被蓋度[26]和生態(tài)恢復(fù)[27]的影響。

目前，棄渣改良利用研究取得了一定的成果，但仍存在選用棄渣粒徑區(qū)分不明確，且對比性不強等問題。筆者著眼于研究不同粒徑區(qū)間棄渣混合添加客土后，對棄渣結(jié)構(gòu)和水分性質(zhì)及高羊茅(Festucaelata)生長的影響，以期得到不同棄渣級配添加客土最適比例和植物生長效果。研究成果可以有區(qū)分的資源化利用不同粒徑棄渣，節(jié)省人力物力，以減少施工投入，對保護客土源的生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

試驗棄渣取自北京市西南房山區(qū)黃院石灰?guī)r采石場(E115°25′～116°15′，N39°30′～39°55′，)。房山區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫為4～11.7℃，年均降水量655 mm，且集中于6—9月，該區(qū)為石質(zhì)山區(qū)，土壤類型多變，有山地棕壤、淋溶褐土、褐土、沼澤土、風(fēng)沙土、鹽潮土和水稻土等。研究區(qū)開采方式為機械開挖，棄渣堆砌較為隨意，形成了眾多分散的裸露棄渣堆，水土流失較為嚴(yán)重，無水土保持措施，且自然恢復(fù)情況較差。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設(shè)計

2.1.1 棄渣取樣配比 試驗隨機取選取采石場5處棄渣堆混合取樣，篩分成20～40、10～20、2～10和<2 mm 4類常見棄渣粒徑區(qū)間，取采石場附近地表褐土作為客土。為模擬實際棄渣粒徑分布，篩分棄渣以每類粒徑區(qū)間占總重50%為主，其他粒徑以占10%為基本比例配比，配比方法詳見表1。將取用的客土作為改良物添加到配比棄渣中，以占總配比重量0%、20%、40%、80%和100%為階梯遞增，并完全混合均勻后靜置沉降20d。采用環(huán)刀法，測定土壤水分性質(zhì)，并裝盆進行盆栽試驗，所有試驗均設(shè)置3組平行對照。

表1 棄渣級配表Tab.1 Mix ratio of the limestone spoil %

2.1.2 高羊茅盆栽試驗 選取綠化常用草本高羊茅，在北京林業(yè)大學(xué)溫室(溫度控制在20～30 ℃，濕度50%～90%)，選用高150 mm、直徑170 mm的花盆進行盆栽試驗，每盆撒播100粒種子(24.23 kg/hm2)，覆蓋10 mm厚配比棄渣，并進行3組重復(fù)試驗。

2.1.3 測定方法 將靜置20 d后配比棄渣和盆栽試驗結(jié)束后棄渣用環(huán)刀取樣，通過浸水、靜置、烘干和稱量等方法，測定密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量等。高羊茅盆栽試驗主要測定其保存率、生長高度(每盆隨機選取10株，測定平均值)等實時數(shù)據(jù)，生長結(jié)束之后，用全根法對高羊茅整體取樣，洗凈后殺青(105 ℃)、烘干(80 ℃)至恒質(zhì)量，測取地上和地下生物量，并計算根莖比。

2.2 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)分析主要采用軟件Excel 2016和SPSS19.0，以20～40、10～20、2～10和<2 mm 4種粒徑區(qū)間，及平均數(shù)據(jù)為研究對象，探究各因子之間的相關(guān)性和變化趨勢，篩選影響棄渣改良效果的主要因素，并獲取不同粒徑棄渣客土改良的最佳配比。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同粒徑級配改良棄渣改良前后性質(zhì)變化

3.1.1 密度和孔隙度對比變化 密度和孔隙度可以直觀反映土壤的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對土壤3項有直接影響。圖1(a)結(jié)果顯示，盆栽試驗前平均密度為1.66 g/cm3，大于添加客土的密度1.30 g/cm3；圖1(c)顯示混合之后，整體孔隙度差異較小，表明在松散棄渣堆積擾動初期，添加客土后短時間內(nèi)，改良棄渣尚未形成完整孔隙結(jié)構(gòu)。經(jīng)過盆栽灌溉后，密度和孔隙度變化趨勢相對于試驗前有明顯區(qū)別；圖1(b)和圖1(d)結(jié)果顯示，棄渣添加客土可有效降低密度，并增加孔隙度，每增加20%客土，各粒徑棄渣相對密度減少比例為20～40 mm(0.46%)<10～20 mm(1.75%)<總平均(3.64%)<2～10 mm(4.68%)<小于2 mm(5.99%)，孔隙度相對增加比例為20～40 mm(10.10%)<總平均(12.46%)<10～20 mm(13.51%)<2～10 mm(14.83%)<小于2 mm(15.14%)，棄渣粒徑越小，改良后密度相對減少和孔隙度相對增加的比例越高。

圖1 不同配比棄渣密度和孔隙度Fig.1 Density and porosity of spoil under different ratio of dress-soil

3.1.2 毛管持水量和最大持水量 毛管持水量和最大持水量反映了土壤的持水保水能力，棄渣保水持水能力提升，對于植被恢復(fù)具有重要意義。從圖2(a)和圖2(c)結(jié)果可知，盆栽前毛管持水量無明顯變化，表明改良初期，棄渣的毛管持水量受粒徑組成和客土添加量影響較小，盆栽前最大持水量隨著客土添加量增加而增加。盆栽后結(jié)果如圖2(b)和圖2(d)顯示，添加客土可有效提高改良后棄渣毛管持水量和最大持水量，相對純棄渣每增加20%客土，毛管持水量增加相對比例為20～40 mm(17.76%)<10～20 mm(25.44%)<總平均(26.64%)<2～10 mm(28.12%)<小于2 mm(29.46%)，最大持水量增加相對比例為20～40 mm(10.27%)<10～20 mm(12.87%)<總平均(19.49)<2～10 mm(23.61%)<小于2 mm(27.68%)。對比盆栽試驗前后結(jié)果表明，添加客土可以快速有效提高棄渣最大持水量，但對毛管持水量影響效果需經(jīng)過一定的灌溉沉降過程，棄渣粒徑越小，添加客土對棄渣持水能力改善越明顯。

圖2 不同配比棄渣毛管持水量和最大持水量Fig.2 Capillary and maximum water holding capacity of spoil under different ratio of dress-soil

3.2 不同粒徑級配改良棄渣條件下高羊茅生長特征

圖3 不同配比下高羊茅保存率和生長高度Fig.3 Survival rate and growth height of the tall fescue under different ratio of dress-soil

圖4 不同配比高羊茅生物量和根莖比Fig.4 Biomass and root-shoot ratio of tall fescue under different ratio of dress-soil

3.2.1 高羊茅保存率和生長高度 盆栽高羊茅的保存率及生長高度可以反映其生長受改良棄渣粒徑及客土添加量的影響。圖3(a)和圖3(c)第1年數(shù)據(jù)顯示，客土添加量對高羊茅植株保存率和生長高度影響不明顯，且大粒徑占總體比例越高，生長高度越高。根據(jù)實際觀察分析，其主要原因為大粒徑棄渣表層過多的石礫，導(dǎo)致高羊茅生長集中分布于石礫間隙內(nèi)客土區(qū)域。圖3(b)和圖3(d)第2年數(shù)據(jù)顯示，客土添加可以有效提升高羊茅的生長高度和保存率，相對純棄渣栽植高羊茅，客土比例每增加20%，高羊茅生長高度相對增加比例為<2 mm(3.85%)<2～10 mm(6.97%)<總平均(10.61%)<10～20 mm(16.82%)<20～40 mm(18.48%)，保存率相對增加比例為2～10 mm(5.84%)<小于2 mm(5.90%)<10～20 mm(6.42%)<總平均(6.82%)<20～40 mm(10.98%)。對比盆栽前后2年數(shù)據(jù)可知，添加客土，對高羊茅生長情況影響是隨著生長時間的增加，其保存率和生長高度的提高效果越明顯，對大粒徑棄渣高羊茅生長高度的提升比例更高，但相同客土添加量條件下，棄渣粒徑越小，高羊茅存活率越高。

3.2.2 高羊茅生物量和根莖比 生物量可以反映不同配比下，改良棄渣栽植高羊茅的生長效果，如圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)所示，客土量占總體比例每增加20%，總生物量相對增加比例為2～10 mm(2.42%)<小于2 mm(2.56%)<總平均(5.65%)<10～20 mm(7.45%)<20～40 mm(13.68%)，地上生物量相對增加比例為2～10 mm(1.34%)<小于2 mm(2.64%)<總平均(6.24%)<10～20 mm(9.07%)<20～40 mm(14.68%)，地下生物量相對增加比例為<2 mm(2.44%)<2～10 mm(4.03%)<10～20 mm(5.27%)<總平均(5.95%)<20～40 mm(12.37%)。圖4(d)結(jié)果顯示，隨著客土添加量增加，高羊茅根莖比降低，以10～20 mm和20～40 mm粒徑為主區(qū)間的高羊茅，根莖比隨客土添加量增加而降低，而以2～10 mm和<2 mm粒徑區(qū)間為主的粒徑區(qū)間，根莖比變化不明顯。綜上所述，添加客土可以有效改善高羊茅生長環(huán)境，添加客土比例在低于40%時，對高羊茅生長量提升較為明顯，棄渣粒徑區(qū)間越大，添加客土對高羊茅生物量提升越明顯，相同添加客土量條件下，棄渣粒徑越大高羊茅生物量越高。

3.3 不同級配改良棄渣條件下各因子與客土添加量相關(guān)性分析

通過SPSS19.0軟件，進行Pearson相關(guān)性分析，并進行雙側(cè)檢驗(T)，可以得到各粒徑級配和客土添加量，在盆栽試驗前、后的各項因子相關(guān)性結(jié)果。

3.3.1 土壤物理水分性質(zhì)與客土添加量相關(guān)性分析 由表2可知，盆栽前各粒徑區(qū)間，棄渣密度與客土添加量在0.05水平(雙側(cè))上呈顯著負(fù)相關(guān)，毛管持水量和最大持水量與客土添加量呈顯著正相關(guān)，總孔隙度與客土添加量無顯著相關(guān)關(guān)系。盆栽后，棄渣密度在0.01水平(雙側(cè))和0.05水平(雙側(cè))上呈顯著負(fù)相關(guān)，而最大持水量、毛管持水量和總孔隙度等數(shù)據(jù)，呈0.01水平(雙測)顯著正相關(guān)。盆栽試驗前，棄渣土壤水分性質(zhì)受客土添加量影響的相關(guān)性依次為<2 mm<20～40 mm<2～10 mm<10～20 mm。盆栽后相關(guān)性結(jié)果顯示，添加客土在各粒徑區(qū)間，對棄渣總孔隙度、毛管持水量和最大持水量均有顯著提高；但在<2 mm和20～40 mm區(qū)間內(nèi)，需要一定的灌溉沉降過程，各粒徑棄渣密度在灌溉試驗前后，呈現(xiàn)其相關(guān)性依次為20～40 mm<10～20 mm<2～10 mm<2 mm，趨勢反映出在混合客土棄渣改良過程中，粒徑越大，土壤流失越為嚴(yán)重的現(xiàn)象。

表2 改良棄渣物理水分性質(zhì)與客土添加量相關(guān)性Tab.2 Correlation between the ameliorated spoil’s water and physical properties and the adding amount of dress-soil

注：* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，** 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。以下類同。Note:* Significant correlation at 0.05 level (bilateral). ** Significant correlation at 0.01 level (bilateral). The same below.

綜上所述，客土改良后，土壤物理水分性質(zhì)與添加客土量呈顯著相關(guān)，盆栽后受客土添加量的影響，其相關(guān)性順序為20～40 mm<10～20 mm<2 mm<2～10 mm。

3.3.2 高羊茅生長與客土添加量相關(guān)性分析 由表3可知，客土添加量與第1年保存率、生長高度和根莖比無顯著相關(guān)關(guān)系，從總平均數(shù)據(jù)相關(guān)性來看，第2年保存率(0.986**)、生長高度(0.986**)、地上生物量(0.964**)、地下生物量(0.936**)和總生物量(0.927**)在0.01水平(雙側(cè))上，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。高羊茅生長受客土添加量影響的相關(guān)性，其由低到高順序為<2 mm<2～10 mm<10～20 mm<20～40 mm，結(jié)果表明，棄渣粒徑越大，添加客土對其改良效果越明顯。在盆栽初期，添加客土量與高羊茅保存率相關(guān)程度較低，但隨著生長時間的增加，第2年保存率與客土添加量相關(guān)性隨客土添加量增加而增高。相關(guān)性結(jié)果顯示，添加客土對高羊茅地上、地下生物量均呈顯著相關(guān)，但僅在20～40 mm區(qū)間內(nèi)，與根莖比在0.05水平(雙側(cè))上，呈顯著負(fù)相關(guān)，其余區(qū)間內(nèi)無明顯相關(guān)關(guān)系。

表3 高羊茅生長與客土添加量相關(guān)性Tab.3 Correlation between tall fescue growth and dress-soil adding amount

綜上可知，添加客土，對改良后棄渣高羊茅生長有明顯的提升效果，在試驗所選粒徑區(qū)間內(nèi)，隨著棄渣平均粒徑增大，添加客土對高羊茅生長影響的相關(guān)性越高。

4 討論

棄渣的物理持水保水能力對植被恢復(fù)有重要影響，在植被恢復(fù)早期尤為重要，棄渣的水分性質(zhì)對植物生長有很強的制約作用，還影響著植物群落的演替方向。相對于傳統(tǒng)的覆土式客土法，混合棄渣客土法為棄渣資源化利用與礦石棄渣廢棄地植被恢復(fù)，提供了一種新思路，混合客土法在最大化利用棄渣的同時，相對于覆蓋客土形成了更加穩(wěn)定狀態(tài)，更有利于土壤和水分的保持及植物生長。

目前，棄渣改良試驗往往忽視了前期和后期性質(zhì)對比，導(dǎo)致試驗結(jié)果不能真正代表改良性狀的變化。筆者通過盆栽試驗結(jié)果表明，棄渣改良效果需要長期的觀測，第1年和第2年的試驗結(jié)果已經(jīng)有較為明顯的差異，如進行深入研究，需進一步實施大田試驗，結(jié)合徑流小區(qū)和人工降雨試驗等，對試驗植物進行多年度和多種類的綜合對比分析，以期探究更深層次的規(guī)律。筆者得出4種不同粒徑級配石灰?guī)r棄渣混合客土改良和利用的效果，以及高羊茅生長狀況，如若進一步深入研究，還需要從不同巖石類型、礦物成分、風(fēng)化程度和鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素，探討其對改良方法和植物生長的影響。

5 結(jié)論

實驗結(jié)果證明，添加客土可以有效改善石灰?guī)r棄渣密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量等棄渣土壤水分性質(zhì)，解決棄渣保土保水能力差的問題，并可以有效提高高羊茅保存率、生長高度和生物量。研究結(jié)果顯示，不同粒徑石灰?guī)r棄渣的混合客土改良效果和最適比例均不同，改良后，土壤水分性質(zhì)和高羊茅生長受客土改良比例，以及棄渣粒徑的影響相關(guān)性均不相同。綜合前文可得以下結(jié)論：

1)各粒徑級配棄渣改良后，密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量與客土添加量的相關(guān)性順序為20～40 mm <10～20 mm<2 mm<2～10 mm，相同客土量添加條件下，棄渣平均粒徑越小，添加客土棄渣性質(zhì)改良效果越明顯。

2)第1年高羊茅保存率、生長高度和根莖比受添加客土比例的影響不顯著，第2年保存率、生長高度和生物量與客土添加量相關(guān)性順序為2 mm<2～10 mm<2～10 mm<20～40 mm，相同客土量添加條件下，棄渣粒徑區(qū)間越大，添加客土對高羊茅生長提升越明顯。

3)在保證土壤持水保水能力、高羊茅生長條件和最大資源化利用棄渣的添加下，推薦各粒徑區(qū)間棄渣混合客土最適添加比例為<2 mm和2～10 mm添加40%，10～20 mm和20～40 mm添加60%。各粒徑棄渣在低于最適配比比例時，改良后保水持水能力及土壤養(yǎng)分狀況達不到最好的改良效果，高于最適配比比例時，改良效果提升已經(jīng)不顯著，且達不到最大資源化利用棄渣的目的。

[1] WICKHAM J D, RIITTERS K H, WADE T G, et al. The effect of Appalachian mountaintop mining on interior forest[J]. Landscape Ecology, 2007, 22(2): 179.

[2] 王瓊. 華東地區(qū)采石場自然恢復(fù)特征及人工生態(tài)恢復(fù)研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué), 2009: 4. WANG Qiong. Study on the characteristics of natural restoration and artificial ecological restoration of quarry in East China[D]. Beijing: Beijing Forest University. 2009: 4.

[3] 馬春艷, 王占禮, 寇曉梅,等. 工程建設(shè)棄土棄渣水土流失過程試驗研究[J]. 水土保持通報, 2009, 29(3): 78. MA Chunyan, WANG Zhanli, KOU Xiaomei, et al. Experimental study of soil and water loss processes on waste soil and residue in project construction[J]. Bulletin of Soil & Water Conservation, 2009, 29(3): 78.

[4] 景峰, 張學(xué)培, 郭漢清,等. 山西省葛鋪煤礦棄土棄渣徑流泥沙研究[J]. 水土保持研究, 2007, 14(4):61. JING Feng, ZHANG Xuepei, GUO Hanqing, et al. The study of runoff and sediment by artificial rainfall in Gepu Coal Mine of Shanxi Province[J]. Research of Soil & Water Conservation, 2007, 14(4):61.

[5] 陳奇伯, 黎建強, 王克勤,等. 水電站棄渣場巖土侵蝕人工模擬降雨試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2008, 22(5):1. CHEN Qibo, LI Jianqiang WANG Keqin, et al. Artificial rainfall research of rock and soil erosion on dumpling pile in the hydropower station[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2008,22(5):1.

[6] 李葉鑫, 郭宏忠, 史東梅,等. 紫色丘陵區(qū)不同棄土棄渣下墊面入滲特征及影響因素[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014, 34(5):1292. LI Yexin, GUO Hong, SHI Dongmei, et al. Infiltration characteristics and its influencing factors of different underlying surfaces from disturbed soils in purple hilly area[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(5):1292.

[7] 彭旭東, 江東, 史東梅,等. 紫色丘陵區(qū)不同棄土棄渣下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2013, 27(3):9. PENG Xudong, JIANG Dong, SHI Dongmei, et al. Experimental study on water runoff and sediment yield of different underlying surfaces of waste soil and residue in purple hilly area[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2013,27(3):9.

[8] JOSA R, JORBA M, VALLEJO V R. Open cast mine restoration in a Mediterranean semi-arid environment: Failure of some common practices[J]. Ecological Engineering, 2012, 42(9):183.

[9] 屈曉婉, 高照良, 李永紅,等. 不同治理措施對秦巴山區(qū)渣場土壤養(yǎng)分與植被恢復(fù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2012, 26(3):87. QU Xiaowan, GAO Zhaoliang, LI Yonghong, et al. Effects of different management on soil nutrient and vegetation restoration in different slag yards of Qinba Mountain[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2012, 26(3):87.

[10] ZHANG Hao, CHU L M. Plant community structure, soil properties and microbial characteristics in revegetated quarries[J]. Ecological Engineering, 2011, 37(8):1104.

[11] VALENTE T, GOMES P, PAMPLONA J, et al. Natural stabilization of mine waste-dumps—evolution of the vegetation cover in distinctive geochemical and mineralogical environments[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2012, 123(12):152.

[12] MUKHOPADHYAY S, MASTO R E, YADAV A, et al. Soil quality index for evaluation of reclaimed coal mine spoil[J]. Science of the Total Environment, 2016, 542(Pt A): 540.

[13] MUKHOPADHYAY S, MAITI S K, MASTO R E. Use of reclaimed mine soil index (RMSI) for screening of tree species for reclamation of coal mine degraded land[J]. Ecological Engineering, 2013(57): 133.

[14] 張靜雯,張成梁.煤矸石渣土改良及其效果研究[J].水土保持通報，2011,4(31):227. ZHANG Jingwen, ZHANG Chengliang. Analysis on gangue improvement and its effect[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2011,4(31):227.

[15] 趙陟峰, 王冬梅, 趙廷寧. 保水劑對煤矸石基質(zhì)上高羊茅生長及營養(yǎng)吸收的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(16):5101. ZHAO Zhifeng, WANG Dongmei, ZHAO Tingning. The effect of super absorbent polymer on the growth and nutrition absorption ofFestucaarundinaceaL. on an improved gangue matrix[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(16):5101.

[16] 趙陟峰, 趙廷寧, 王冬梅. 噴施硝酸鑭及煤矸石基質(zhì)改良對高羊茅光合和養(yǎng)分吸收的影響[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報, 2015,23(1):30. ZHAO Zhifeng, ZHAO Tingning, WANG Dongmei. Effect of lanthanum nitrate spraying and gangue matrix improvement on the photosynthesis and nutrition absorption ofFestucaarundinaceaL.[J]. Journal of Basic Science & Engineering, 2015, 23(1):30.

[17] 陳述悅.工程棄渣作為植生基材實驗研究[D].北京：北京師范大學(xué),2014: 41. CHEN Shuyue. Experimental studies on the engineering spoil as plant growth substrate[D]. Beijing: Beijing Normal University,2014: 41.

[18] 郭晶晶, 郭小平, 趙廷寧,等. 北京房山采石場渣土基質(zhì)對高羊茅生長的影響[J]. 水土保持研究, 2013, 20(3): 161. GUO Jingjing, GUO Xiaoping, ZHAO Tingning, et al. Effect of quarry waste matrix on growth ofFestucaarundinaceain Beijing Fangshan[J]. Research of Soil & Water Conservation, 2013: 161.

[19] 黃棟學(xué), 黃灝峰, 王禮旺,等. 華北地區(qū)煤矸石綠化基質(zhì)配比試驗研究[J]. 中國水土保持科學(xué), 2013, 11(5):36. HUANG Dongxue, HUANG Hanfeng, WANG Liwang, et al. Experimental study of mixed growing medium using coal wastes in North China[J]. Science of Soil & Water Conservation, 2013, 11(5):36.

[20] LI Shuqing, WU Dongmei, ZHANG Jintun. Effects of vegetation and fertilization on weathered particles of coal gob in Shanxi mining areas, China[J]. Journal of Hazardous Materials, 2005, 124(1/2/3):209.

[22] 張華. 北京房山區(qū)黃院采石場松散堆積體生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué), 2013: 64. ZHANG Hua. Study on the technology of ecological restoration in Huangyuan Village Quarry loose deposits of Beijing Fangshan Region[D]. Beijing: Beijing Forest University, 2013: 64.

[23] BALLESTEROS M, CAADAS E M, FORONDA A, et al. Vegetation recovery of gypsum quarries: short-term sowing response to different soil treatments[J]. Applied Vegetation Science, 2012, 15(2):187.

[24] DONN S, WHEATLEY R E, MCKENZIE B M, et al. Improved soil fertility from compost amendment increases root growth and reinforcement of surface soil on slopes[J]. Ecological Engineering, 2014(71):458.

[25] CHENG Wei, BIAN Zhengfu, DONG Jihong, et al. Soil properties in reclaimed farmland by filling subsidence basin due to underground coal mining with mineral wastes in China[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), 2014, 24(8):2627.

[26] MONTIEL-ROZAS M M, MADEJN E, MADEJN P. Evaluation of phytostabilizer ability of three ruderal plants in mining soils restored by application of organic amendments[J]. Ecological Engineering, 2015, 83(80): 431.

[27] YOUNG I, RENAULT S, MARKHAM J. Low levels organic amendments improve fertility and plant cover on non-acid generating gold mine tailings[J]. Ecological Engineering, 2015(74): 250.

Amelioration effects of dress-soil on limestone spoil at different particle sizes

SUN Yongkang, LIU Hanxiao, ZHANG Yan, MA Deli, ZHAO Tingning

(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

[Background] The protection and restoration of the ecological environment has attracted the world’s attentions and became the focus of the research field. The researchers have been focusing on the improvement of the physical and chemical properties of mine spoil by using organic fertilizer, water retaining agent, garden waste, sludge, and other materials. However, the influences of different particle size and amount of spoil on soil moisture and plant growth have been ignored, thus we conducted this research to understand the amelioration effects of dress-soil at varied ratio on limestone spoil at different particle sizes. [Methods] We chose limestone quarry spoil from Fangshan District of Beijing as research materials, and then sieved it into 20-40 mm, 10-20 mm, 2-10 mm and < 2 mm. For simulating the particle size distribution of actual spoil, we used the spoil of above 4 particle sizes to create 12 kinds of spoil by combining them in varied ratios, and then mixed the dress-soil in the proportion of 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100%. We selected the pot experiment, and sowed theFestucaelata100 seeds in mixed spoil per pot, and measured the survival rate, height, biomass and root-shoot ratio in the following two years. For comparing the bulk density, porosity, capillary water holding capacity and maximum water holding capacity of the mixed spoil before and after the pot experiment, we took and tested the samples by ring knife method. The experiment data was processed by Excel2016 and SPSS19.0 software for Pearson correlation analysis. [Results] The influence of dress-soil improvement of limestone spoil reflected certain irrigation sedimentation process, and adding and mixing dress-soil effectively improved spoil water holding capacity and subsequently improved the growth of tall fescue. The spoil water properties correlation order of different particle size by the amount of dress-soil addition was 20-40 mm < 10-20 mm < 2 mm < 2-10 mm, and the correlation order of tall fescue growth was 2 mm < 2-10 mm < 10-20 mm < 20-40 mm. The optimal dress-soil ratio for the spoil of < 2 mm and 2-10 mm particle sizes was 40%, and was 60% for 10-20 mm and 20-40 mm particle size of spoil. Adding more than the optimal ratio of dress-soil caused little more amelioration effects of limestone spoil, and economic and ecological benefits were low. [Conclusions] By this study we obtained the soil water properties and growth of tall fescue in different particle size limestone spoil mixed with dress-soil, the research methods and results may provide a reference for mine spoil utilization and ecological restoration. We should focus on the influence in the ameliorating process of different rock types, mineral composition, weathering degree and salt content in the further research on the improvement of mine waste rocks.

particle size distinction; spoil amelioration; soil water properties; pot experiment; tall fescue biomass

2016-09-06

2017-03-18

孫永康(1992—)，男，博士研究生。主要研究方向；工程綠化。E-mail：sunyongkang@bjfu.edu.cn

?通信作者簡介： 趙廷寧(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：工程綠化。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

S156

A

2096-2673(2017)03-0114-09

10.16843/j.sswc.2017.03.015

項目名稱： 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“建設(shè)工程損毀林地植被修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(200904030)