生態(tài)恢復(fù)年限對大寶山礦山排土場土壤環(huán)境質(zhì)量演變的影響

龐志斌，李文彥，徐會娟，李永濤，王進(jìn)進(jìn)＊

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642）

自第二次工業(yè)革命以來，礦產(chǎn)資源逐漸成為人類社會發(fā)展的重要生產(chǎn)資料，如火如荼的礦業(yè)開采活動帶來工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了很多環(huán)境問題[1]。礦業(yè)開采活動一般是露天進(jìn)行，在開采過程中，露天采礦剝離表層，原有的地理地貌在開采過程中可能會出現(xiàn)沉降和塌陷[2]，同時(shí)表面天然植被也被破壞，生物多樣性銳減[3]，進(jìn)而導(dǎo)致礦區(qū)土壤的理化性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能受到了嚴(yán)重影響。因此為了緩解礦區(qū)開采帶來的危害，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，重建礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，改良礦區(qū)土壤情況，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作開始被提出，并逐漸受到了國內(nèi)外的關(guān)注。

生態(tài)修復(fù)對于礦山生態(tài)重建意義重大，也一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)[4]，我國礦山生態(tài)修復(fù)工作開始的比較晚，礦山產(chǎn)生的生態(tài)問題多樣﹑情況復(fù)雜[5]，許多研究者為了找到更合適的修復(fù)方法，開始運(yùn)用單一修復(fù)或多種修復(fù)方法聯(lián)用的模式對廢棄地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)工作并對土壤的修復(fù)情況進(jìn)行了探究。楊僑等在贛南稀土尾礦中篩選合適的土壤改良劑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雞糞：海泡石：腐殖酸：生物炭=3∶5∶2∶2(g/kg)時(shí)效果最好，土壤有機(jī)質(zhì)﹑堿解氮及有效磷改良效果明顯[6]。李春林等在礦區(qū)使用了“穩(wěn)定化—植物富集”聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，降低了土壤容重，提高了最大持水量，氮磷鉀養(yǎng)分明顯增加，其中堿解氮增加明顯[7]。

我國幅員遼闊，氣候差異大，礦區(qū)污染成因復(fù)雜，為了達(dá)到更好的生態(tài)修復(fù)效果，應(yīng)針對礦區(qū)相關(guān)情況進(jìn)行具體分析。大寶山礦區(qū)的特殊性在于該礦區(qū)含有豐富的硫化物礦物，大量硫化物礦物的不斷氧化會導(dǎo)致礦區(qū)土壤的pH不斷降低，由于微生物的存在，即使是在20cm～40cm的深層土壤，硫化物礦物依舊能厭氧缺氧的條件繼續(xù)氧化[12]，導(dǎo)致pH的不斷下降，因此在大寶山礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的重要任務(wù)就是抑制土壤進(jìn)一步酸化。此外大寶山礦區(qū)開采年限久，土壤表面經(jīng)過大型礦山廢棄地的土壤一般都經(jīng)過大型機(jī)械作業(yè)的反復(fù)碾壓，土壤結(jié)構(gòu)差。因此化學(xué)基質(zhì)改良+植物修復(fù)被提出[13]，利用土壤改良劑首先中和土壤pH并外源添加營養(yǎng)元素，改善植物的生長環(huán)境，使人工種植的植物能夠存活，在植物的作用下，實(shí)現(xiàn)各營養(yǎng)元素的循環(huán)，改善土壤質(zhì)量，并促進(jìn)土壤團(tuán)粒的形成，可以有效加強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

除了生態(tài)修復(fù)方式外，修復(fù)工作的長效性也很重要。楊鑫光等在高寒煤礦區(qū)中進(jìn)行人工植被種植后，發(fā)現(xiàn)隨著修復(fù)時(shí)間的延長，土壤全磷逐漸上升，全鉀逐漸下降，全氮差異不顯著，速效磷﹑堿解氮和速效鉀則顯著下降，有機(jī)質(zhì)和pH增加趨勢也比較明顯[8]。豐菲比較了生態(tài)修復(fù)三年后的區(qū)域與自然荒草相比，土壤容重降低，各項(xiàng)理化指標(biāo)均明顯提升[9]。Zhong等選取黃土高原上進(jìn)行了修復(fù)18年和42年的人工林和天然草地，發(fā)現(xiàn)人工林能有利于氮的積累[10]。

前人對于生態(tài)修復(fù)方式的工作非常關(guān)注，但是對于生態(tài)修復(fù)工作的長效性關(guān)注較少，并且一般都是修復(fù)后某一年的采樣結(jié)果，缺乏對修復(fù)區(qū)域連續(xù)多年的監(jiān)測。本文基于大寶山排土場中五處經(jīng)過化學(xué)基質(zhì)改良+植被修復(fù)工作修復(fù)五年的場地，分析經(jīng)過多年修復(fù)后排土場植被的恢復(fù)情況以及土壤理化性質(zhì)的變化情況，探究影響大寶山排土場生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵因子，為后續(xù)在已進(jìn)行生態(tài)修復(fù)區(qū)域追加措施繼續(xù)改善土壤環(huán)境質(zhì)量，從而提高當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

生態(tài)修復(fù)年限研究區(qū)域位于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)沙溪鎮(zhèn)大寶山礦區(qū)，礦區(qū)經(jīng)緯度為東經(jīng)113°41′53″～113°46′40″，北緯24°30′01″～24°35′26″，礦區(qū)總面積為665.06hm2，海拔約1000m，所處區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.8℃，全年濕潤多雨，年降雨量1973.6mm，礦區(qū)內(nèi)表層巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，土壤類型為紅壤。因此當(dāng)?shù)仄髽I(yè)早期自發(fā)地在礦區(qū)廢棄地實(shí)施了“原位基質(zhì)改良+直接植被”生態(tài)修復(fù)模式。采樣點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 排土場礦區(qū)采樣示意圖

在大寶山礦區(qū)上實(shí)施的“原位基質(zhì)改良+植被恢復(fù)”的模式，首先施用堿性物質(zhì)（熟石灰Ca(OH)2）與酸性土壤發(fā)生中和反應(yīng)，提升土壤pH，有效降低微生物活性，遏制土壤進(jìn)一步酸性，并同時(shí)施加羊糞，調(diào)控土壤營養(yǎng)指標(biāo)，使礦區(qū)土壤情況初步改善，然后種植豬屎豆﹑五節(jié)芒等先鋒植物，固土防塵，防治水土流失，加快生態(tài)系統(tǒng)的群落自然演替的進(jìn)程，從而引進(jìn)更豐富的功能微生物，增加新的生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，改善土壤性狀。

1.2 樣品采集和指標(biāo)測定

廢棄地的極端理化性質(zhì)以及地理災(zāi)害頻發(fā)的情況下，大寶山礦業(yè)公司自發(fā)地在礦區(qū)廢棄地實(shí)施了化學(xué)基質(zhì)改良+植被修復(fù)的方法進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，利用空間代替時(shí)間的方式，根據(jù)修復(fù)年限不同，在5個(gè)區(qū)域（修復(fù)時(shí)長分別為5年，4年，3年，2年，1年）進(jìn)行了采樣，按梅花布點(diǎn)法取5個(gè)樣品，每個(gè)樣品取兩個(gè)不同的取樣深度（0～20cm，20cm～40cm）共30個(gè)樣品，采集量大約為1kg，在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過2mm篩測試土壤pH﹑全鉀﹑全磷，過1mm篩測試堿解氮﹑速效鉀，過0.15mm篩測試全氮。

土壤pH值的測定使用電位法測定，水土比5∶1；土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體使用濕篩法測定；全氮（TN）使用了半微量開氏法測定；堿解氮（AN）使用了有機(jī)碳使用了重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全鉀（TK）使用了氫氧化鈉熔融火焰光度法測試；土壤速效鉀（AK）使用了1mol·L-1醋酸銨浸提-土火焰光度法測定；土壤全磷（TP）使用了高氯酸-硫酸法測試；土壤有機(jī)碳使用了重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)先用Excel 2021進(jìn)行初步整理，使用SPSS 25進(jìn)行單因素ANOVA檢驗(yàn)分析組間顯著性，運(yùn)用Origin 2021進(jìn)行主成分分析和相關(guān)性分析，并利用Origin 2021進(jìn)行做圖。

2 結(jié)果與分析

不同修復(fù)年限區(qū)域植物多樣性：從土壤pH值看，修復(fù)區(qū)域的0～20cm的土壤pH隨時(shí)間升高，在修復(fù)五年的區(qū)域pH最高，雖然五年內(nèi)土壤pH沒有顯著性差異，但相較于未經(jīng)修復(fù)的區(qū)域的土壤pH均有顯著性差異，修復(fù)區(qū)域的20cm～40cm的土壤則呈現(xiàn)了相反的趨勢，土壤pH逐年下降，但修復(fù)五年區(qū)域的pH仍然遠(yuǎn)高于原土的pH，與未經(jīng)過修復(fù)的土壤存在顯著差異。

不同修復(fù)年份的區(qū)域0～20cm和20cm～40cm的土壤有機(jī)質(zhì)則呈現(xiàn)相同的趨勢，經(jīng)過修復(fù)的土壤的有機(jī)質(zhì)隨修復(fù)時(shí)間延長先上升然后下降，但在這個(gè)過程中，20cm～40cm土壤的有機(jī)質(zhì)始終高于0～20cm的土壤，在修復(fù)時(shí)長為第二年時(shí)最高值，在該區(qū)域的三個(gè)樣方中均發(fā)現(xiàn)有油菜這一油料作物,可能是使該區(qū)域有機(jī)質(zhì)較高的原因，到第五年時(shí)，0～20cm的表層土比20cm～40cm土壤稍高一點(diǎn)。

從土壤的氮元素來看，0～20cm和20cm～40cm的土壤全氮明顯地呈現(xiàn)了逐年增長的趨勢，但是0～20cm土壤全氮的累積量比較明顯，其中修復(fù)四年和修復(fù)五年的區(qū)域相較于其他區(qū)域存在顯著差異，而20cm～40cm土壤的累積量相對不明顯，五年間全氮的累積量沒有顯著差異。而堿解氮則呈現(xiàn)著不同的趨勢，在修復(fù)第三年達(dá)到最大值后，修復(fù)四年和修復(fù)五年的堿解氮顯著減少但是0～20cm土壤中要比20cm～40cm土壤中稍高一些。

土壤的鉀元素﹑磷元素則有類似的趨勢，無論是未經(jīng)修復(fù)區(qū)域還是修復(fù)區(qū)域的土壤鉀和磷的含量都不低。其中修復(fù)區(qū)域中全鉀的增加是顯著的，0～20cm和20cm～40cm的土壤全鉀都呈現(xiàn)了逐年增長的趨勢，但是五年間的差異并不明顯，其中修復(fù)二年﹑三年﹑四年﹑五年的土壤無論是0～20cm還是20cm～40cm都沒有顯著差異。全磷也有類似趨勢，并且所有區(qū)域都沒有顯著差異。而有效磷則比較特殊，在這些土壤中幾乎都低于NH4F-HCl浸提法的檢測限。

圖2 不同修復(fù)年限區(qū)域土壤理化指標(biāo)情況

3 討論

3.1 生態(tài)修復(fù)能改善土壤環(huán)境質(zhì)量

氮﹑磷﹑鉀都是植物生長的重要營養(yǎng)元素，對于植物的生長有重要作用，尤其是在礦山廢棄地養(yǎng)分貧瘠，能否在礦區(qū)增加營養(yǎng)元素含量，對植物群落的恢復(fù)有重要意義[11]。參考全國第二次土壤普查的標(biāo)準(zhǔn)，在經(jīng)過修復(fù)后，修復(fù)三年的區(qū)域效果最好，其中速效鉀和全鉀﹑全磷的都提升到了等級4，屬于中等水平，堿解氮和有機(jī)質(zhì)則提升到了等級5，屬于低等水平。而肥力提升相對不明顯的其他年份，在土壤的全氮和全鉀呈現(xiàn)了相同的趨勢，總量在逐年增加，而且表層0～20cm的土壤營養(yǎng)元素的積累比20cm～40cm的趨勢要更加明顯，而土壤的堿解氮和速效鉀則呈現(xiàn)了先增加后減少的情況，但是仍然比未修復(fù)的土壤高，存在顯著性差異，修復(fù)四年﹑五年區(qū)域的堿解氮和速效鉀偏低。磷元素的分布則比較特殊，雖然全磷數(shù)據(jù)較高，但是有效態(tài)含量卻極低，這是因?yàn)榇髮毶降V區(qū)的土壤屬于紅壤[12]，含有豐富的鐵鋁化合物，有效磷含量較低[13]?？傮w而言，進(jìn)行生態(tài)修復(fù)工作的區(qū)域相較于修復(fù)的區(qū)域營養(yǎng)元素含量都有一定的增加，其中營養(yǎng)元素的全量在逐年增加，而營養(yǎng)元素出現(xiàn)一定程度的下降，但是全部均優(yōu)于未經(jīng)修復(fù)的區(qū)域，修復(fù)措施對于提高土壤營養(yǎng)元素有一定效果，并且能持續(xù)較長時(shí)間。

3.2 生態(tài)修復(fù)工作長效性不足

土壤營養(yǎng)元素的速效成分如堿解氮和速效鉀則出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢，這可能是因?yàn)橹参锏纳L吸收了大量的速效成分，這個(gè)結(jié)果與楊鑫光的發(fā)現(xiàn)類似[14]。磷元素的分布則比較特殊，雖然全磷數(shù)據(jù)較高，但是有效態(tài)含量卻極低，這是因?yàn)榇髮毶降V區(qū)的土壤屬于紅壤，含有豐富的鐵鋁化合物，有效磷含量較低[13]。馬寧等人[15]的發(fā)現(xiàn)也表明，適時(shí)追加相關(guān)措施能使土壤環(huán)境質(zhì)量不退化。

4 結(jié)論

（1）在大寶山礦區(qū)采用的土壤基質(zhì)改良+植物修復(fù)的技術(shù)組合模式取得了一定成效。土壤結(jié)構(gòu)得到改善，土壤中的營養(yǎng)元素的總量也出現(xiàn)上升，同時(shí)土壤pH顯著上升，礦區(qū)土壤酸化得到了遏制，土壤環(huán)境質(zhì)量明顯改善人工種植的植物存活，修復(fù)區(qū)域的生物量逐漸增加。

（2）對生態(tài)修復(fù)年限較長的土壤需要加強(qiáng)監(jiān)測，及時(shí)進(jìn)行追加措施，保護(hù)前期的工作成果。