中圖分類號:X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1008-9500(2025)06-0019-08
DOI: 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.005
Application of Multi-Solid Waste Water-Retaining Soil Amendment in Mine Remediation
WANG Caihong 1,2 , ZHANG Yongfeng 1,3 , ZHAO Qihang 1,3 ZHANG Yinming 1,4 (1.College of Chemical Engineering,Inner Mongolia Universityof Technology,HohhotO1oo51,China; 2.Hetao College,Bayannaoer O150oo, China; 3.NationalandLocalJointEngineering Research CentreforHighValue Utilizationof Coal-Based Solid Waste; 4.InnerMongoliaKeyLaboratoryofEficientCyclicUtilizationofCoal-BasedSolidWaste,HohhotO1oo51,China)
Abstract: Inner MongoliaAutonomous Region isaregion with abundantmineralresources,withatemperatecontinental limateand afragileecological environment.Long term developmentandutilizationofopen-pitcoal mines havecaused seriousecological problems suchassoil erosion,landdesertification,and grassanddegradation inminingareas.The experimenttakes theopen-pitcoal mineyard inariddesertas theresearchobject,applies water-retaining slow-release biologicalfertilizersoilamendment,andplants various grasses forminesoilremediation.Theresultsshowthatafterapplying soilamendments totheminingsoilinthewesternminingarea,thesoilnutrientsandorganicmatercontentaresignificantly increased,withteireaseoftemontofianicfertilerdded,teroge,hospos,otaumdnic mattercontentinesoilallinrease.Withereaseofpantingears,soilrogen,osphorus,oassm,ndnc mattershowanoveralltrendof“increase-decrease-increase\",whilepHvalue showsatrendof“decrease-increaseunchanged.Inthethirdyearofplanting,thetreatmentwiththehighestsoilnutrientcontentisA8.Astheamountof water retainingagentaddedincreases,thesoil waterretentionratecontinuestoimprove,whentheamountofwater-retaining agent added per 667 m2 of land is 900kg ,the soil water retention rate reaches its maximum.In the experimental field,seedings are madeofleisgegocaopst,esieroelaipvifoagals Limoniumaureum,inthesecondandthirdyearsof planting,statisticalanalysisisconductedontheplantspecies,biomass, density,andoverageoftovegoundprtsofeplnts,allsixplntsineexperimentaresuccessullpantedInthe third year of planting,among the 16 replicates,the maximum total coverage is 91 % ,with anaverage of 76% ,the maximum drymater biomassofaboveground vegetationis45.66g,corrsponding to treatmentA8.Basedon thecomprehensive analysis of soil nutrients,organic matter, pH value,water-retention rate,and the growth of aboveground plants,the most suitablesolutionforsoilimprovementinminesisthefertilizationcombinationofA8,asaater-retainingagent,theamount of porous silicon added per 667 m2 ofland is 3Oo kg,and theamount ofbio organic fertilizeradded is3 OoO kg.The nutrient content,organicmattercontent,andwater-retentionrateofthesoilinthethirdyearofrestorationarehigherthanbefore restoration,the average coverage of aboveground plants can reach 76% ,the self-restoration function of the mine soil is established,ndtecologicalfunctionisimproed,cievingthegoalofsoilimprovementadegetationstoratioine mining area.
eywords: soil amendment; soil physical and chemical properties;mine soil remediatiol
內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國的重要能源基地,每年全區(qū)煤炭產(chǎn)能穩(wěn)定在12億t以上,占全國煤炭產(chǎn)量的比重超過 25%[1] 。煤炭資源的開發(fā)利用帶來地質(zhì)環(huán)境破壞、水土流失、生物多樣性喪失等嚴(yán)重的生態(tài)問題,對社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成不良影響。西部屬于干旱荒漠地區(qū),露天煤礦開采區(qū)原始土壤已被破壞,基巖裸露,年均降水量不足 160mm ,蒸發(fā)量卻高達(dá)3500mm[2] ,氣候條件惡劣,生態(tài)脆弱,土壤修復(fù)極其困難。目前,用于礦山修復(fù)的土壤改良劑主要分為有機(jī)肥類、微生物肥類、腐殖酸類、城市污泥堆肥、無機(jī)化肥等,這些改良劑主要用于農(nóng)田土壤改良,功能單一,不能適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境和滿足草本植物的生長需求。作為一種新型土壤改良劑,活性硅保水緩釋生物肥能夠提高水土保持能力,緩解干旱,豐富土壤養(yǎng)分含量,調(diào)節(jié)土壤pH值,減緩養(yǎng)分釋放,并通過增加土壤交換能力形成新的硅酸鹽,減輕重金屬毒性[3],硅已經(jīng)被國際土壤學(xué)界認(rèn)定為繼氮、磷、鉀之后的植物所需的第4種生長元素[4。生物肥中的微生物能通過分泌營養(yǎng)物質(zhì)、協(xié)助作物吸收或產(chǎn)生生長激素刺激作物生長,不僅為植物提供營養(yǎng),還能抑制病原菌的繁殖,從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的目的[5-6]。將生物肥應(yīng)用在礦山生態(tài)修復(fù)中,可調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu),增加土壤酶活性,改善土壤肥力[7-8]。
王東麗等為探明微生物菌劑的添加是否能夠協(xié)同有機(jī)肥對復(fù)墾植物產(chǎn)生積極作用,以苦參為研究對象,揭示微生物菌劑與有機(jī)肥對植物生長與養(yǎng)分的協(xié)同作用。菌劑協(xié)同施用處理均可促進(jìn)植物生長,其中,T2處理下能顯著提高植物根莖、根鮮重、根干重和芽數(shù),與對照組相比,分別提高 26.49% /122.76% 、 109.84% 和 21.41% ;菌劑協(xié)同施用對植物養(yǎng)分的影響各異,對莖葉全氮含量有明顯的提升作用;從不同器官來看,莖葉的有機(jī)碳、全氮和全磷含量均大于根。劉斯文等[通過往礦區(qū)土壤中添加天然修復(fù)材料熟石灰、沸石、凹凸棒土和有機(jī)肥,改良原始土壤。改良后的土壤裝入生態(tài)袋中,筑成穩(wěn)固的生態(tài)護(hù)坡。護(hù)坡上按比例播種草、灌木種子,馬道上種植經(jīng)濟(jì)林木。栽種植物能夠在修復(fù)的土壤中成活,長勢良好。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)西部煤炭露天開采礦區(qū)渣山堆場山頂為研究對象,利用活性硅、生物有機(jī)肥制備保水緩釋生物肥土壤改良劑,將土壤改良劑和多種牧草相結(jié)合,研究礦山土壤修復(fù)后的土壤理化性質(zhì)、土壤保水性、牧草生長情況,以獲得適用于本地區(qū)礦山土壤修復(fù)的改良劑,為干旱荒漠地區(qū)礦山土壤生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
以某露天煤礦渣山排土場為試驗場地,其位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海南區(qū),如圖1所示。該地區(qū)冬季少雪,春季干旱,夏季炎熱高溫,秋季氣溫劇降,年平均氣溫為 9.69C ,最高氣溫為 40.24C ,最低氣溫為 -36.6°C ,年均降水量不足 160mm ,年最小降水量為 71.8mm ,年均蒸發(fā)量為 3280mm ,該地屬于典型的溫帶半干旱荒漠氣候區(qū)[11-12]。渣山為采煤過程產(chǎn)生的煤矸石和揭皮堆場,將表面整理平整,覆厚度 1m 的客土,客土取自附近荒地,主要是風(fēng)沙土和沙石土,含有大量碎石,土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,質(zhì)地相對較粗,肥力低,侵蝕嚴(yán)重,土壤活性較差,極易造成水土流失。本地植被類型為草原植被,主要是沙柳、沙蒿、針茅、百里香、紫花苜蓿等小型灌木和草本植物。其土壤理化性質(zhì)如表1所示。
保水緩釋生物肥。根據(jù)生物有機(jī)肥的主要成分,N含量為 10.53% , P2O5 含量為 3.15% , K20 含量為 3.18% ,有機(jī)質(zhì)含量為 35% 。作為保水劑,活性硅主要起到保水作用,其養(yǎng)分含量很低,故忽略不計。試驗植物為混合型牧草,適應(yīng)性強(qiáng)、抗性強(qiáng),耐貧瘠、耐干旱,具有防沙固土、固氮作用。以無芒隱子草、扁穗冰草、短花針茅為旱生多年生禾草為主體,搭配白沙蒿,以提高地表植被覆蓋度;以沙打旺為豆科物種,改良土壤,增加養(yǎng)分;輔以黃花補(bǔ)血草,通過混合組配,固土培肥,提高邊坡覆蓋度和植物觀賞性。
2.2試驗設(shè)計
試驗場地位于烏海市駱駝山渣山頂部,首先將山頂整平,鋪設(shè)碎石將大的石縫填滿,防止覆土下漏,然后鋪設(shè) 1m 厚的土壤,土壤取自周邊荒地,為風(fēng)沙土和沙石土。設(shè)計2因素、4水平的正交試驗,每667m2 土地的硅添加量分別為0、300、600、 900kg ,每 667m2 土地的有機(jī)肥添加量分別為0、1000、2000、3000kg ,共16個處理,4個重復(fù),共有64個試驗小區(qū),每個小區(qū)面積為 40m2 ,小區(qū)間隔為 1m ,共計 2560m2 ,種植同一組配的牧草。土壤改良劑的具體用量如表2所示。播種后,采用微噴澆水,苗期每7d澆水一次,建植成功后,每 15~20d 定期澆水,越冬澆灌要充足。建植第2年4月中旬澆返青水,在6一7月天氣最干旱時,每月澆水2次。
2.3樣品采集與測定
2材料與方法
主要材料分為兩類,即土壤改良劑和試驗植物。土壤改良劑為活性硅、生物有機(jī)肥不同組配下制備的
2.1材料
2.3.1土壤樣品的采集與測定
土壤的采集按照S形設(shè)置8個采樣點,每個小區(qū)采集距地表 0~30cm 土層的土壤 10kg 以上,混合后采用四分法取土。原始土樣施加土壤改良劑翻耕后,每年秋季采集土樣,連續(xù)采集3年,測定土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量和 pH 值。采集土壤樣品帶回實驗室進(jìn)行分析,速效氮采用凱氏氮法測定[12],速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[13],速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定[14],有機(jī)質(zhì)含量采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定,土壤pH值采用電位計法測定[15]
2.3.2植物樣品的采集與測定
建植1年后,采用隨機(jī)樣方法對植物采樣測定,連續(xù)采集2年,采用規(guī)格 50mm×50mm 的樣方框,測定植物的種類和地上部分總干物質(zhì)質(zhì)量,將樣方內(nèi)全部植物的地面以上部分全部收割,裝入紙袋帶回實驗室,在 105‰ 溫度下殺青 30min , 75°C 溫度下烘干至質(zhì)量恒定,稱量干質(zhì)量。
2.3.3不同處理對土壤保水性的影響
施加土壤改良劑后,當(dāng)年進(jìn)行土壤保水性能測試,土壤保水率從澆水當(dāng)日起每天09:00采樣一次進(jìn)行測量,連續(xù)采集 7d 。澆水后,立即用容積 100cm3 的環(huán)刀分別采集距地表 0~15cm 、 15~30cm 的土壤樣品,并分別稱重,再在溫度 105°C 的恒溫干燥箱內(nèi)烘干土壤,直至恒重,放置室內(nèi)恒溫后稱重,之后每天采集土樣,并稱重,根據(jù)式(1)計算土壤保水率。
式中: A 為土壤保水率, % ; D 為每天采集的土壤樣品質(zhì)量,g; B 為恒溫干燥后的土壤樣品質(zhì)量,g;W為澆水后采集的土壤樣品質(zhì)量,g。
2.4數(shù)據(jù)處理與分析
所有試驗數(shù)據(jù)均為4個重復(fù)測定的平均值,采用Excel2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析,采用Origin2018軟件繪制圖表。采用SPSS20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,研究土壤改良劑對礦山土壤生態(tài)修復(fù)的影響。
3 結(jié)果與分析
3.1不同處理對土壤理化性狀的影響
下面從多個角度分析不同處理對土壤理性形狀的影響。
3.1.1施加土壤改良劑后播種前土壤的理化性質(zhì)
在2021年6月中旬開始試驗,根據(jù)試驗設(shè)計(見表1)施加土壤改良劑,并進(jìn)行翻耕,在每個小區(qū)取樣進(jìn)行化驗。從圖2可知,隨著生物有機(jī)肥添加量的增加,土壤中的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量明顯增加,都高于對照組CK,其值與添加量呈正相關(guān),和保水劑添加量沒有關(guān)系。每 667m2 土地的生物有機(jī)肥添加量為 3000kg 時,平行樣(A4、A8、A12、A16)的氮、磷和鉀含量平均值分別為261.87、152.44、262.84mg/kg ,有機(jī)質(zhì)含量的平均值為 17.35g/kg ,客土土壤為堿性, ΔpH 值隨著生物有機(jī)肥添加量的增加而降低,每 667m2 土地的添加量達(dá)到 3000kg 時最低,其均值為 7.77 。
3.1.2礦山土壤改良后第1年秋季土壤的理化性質(zhì)
由圖3可知,在礦山土壤修復(fù)第1年秋季,12個處理土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量都高于對照組CK,但明顯低于剛施加土壤改良劑時的值,pH值高于剛施加土壤改良劑時的值。但是,各試驗小區(qū)數(shù)值差距較大,氮含量最大的是A4,其值為 151.96mg/kg 磷含量最大的是A16,其值為 75.53mg/kg ;鉀含量最大的是A4,其值為 165.50mg/kg ;有機(jī)質(zhì)含量最大的是A4,其值為 11.06mg/kg;pH 值最低的為A8,其值為 7.66 3.1.3礦山土壤改良第2年秋季土壤的理化性質(zhì)
由圖4可知,在礦山土壤修復(fù)第2年秋季,除了處理A1、A5、A9和A13,12個處理土壤的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量都高于對照組CK,低于剛施加土壤改良劑時的值, ΔpH 值低于CK。氮含量最大的是A8,其值為 163.00mg/kg ;磷含量最大的是A8,其值為98.33mg/kg; :鉀含量最大的是A8,其值為 200.67mg/kg 有機(jī)質(zhì)含量最大的是A8,其值為 13.45mg/kg : ΔpH 值最低的為A8,其值為 7.40 。
3.1.4礦山土壤改良后第3年秋季土壤的理化性質(zhì)從圖5可以看出,在礦山土壤修復(fù)第3年秋季,除了A1、A5、A9和A13,12個處理土壤的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量都高于對照組CK,低于剛施加土壤改良劑時的值, pH 值低于CK。氮含量最大的是A8,其值為 171.10mg/kg ;磷含量最大的是A8,其值為108.83mg/kg; 鉀含量最大的是A8,其值為 168.33mg/kg; 有機(jī)質(zhì)含量最大的是A8,其值為 15.68mg/kg : ΔpH 值最低的為A8,其值為7.34。
3.1.5小結(jié)
在建植3年中,第1年春季施加土壤改良劑后,土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量都顯著提升, ΔpH 值下降,說明土壤理化性質(zhì)得到很好改善。第1年秋季,各小區(qū)土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量相比第1年春季都明顯下降,但都高于對照組CK,pH值低于CK,第1年秋季土壤理化性質(zhì)最好的沒有集中在1個小區(qū),比較分散,土壤氮、鉀和有機(jī)質(zhì)含量最大的是A4,磷含量最大的是A16,pH值最低的為A8。第2年秋季,土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量相比第1年秋季有小幅提升,都高于CK,低于剛施加土壤改良劑時的值, pH 值小幅升高,但pH值低于CK,土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量最高的是A8, pH 值最低的為A8;第3年秋季,土壤的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量相比第2年小幅提升,都高于CK,但都低于施加改良劑時的值,pH值小幅度升高,但 ΔpH 值低于CK,土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量最高的是A8, ΔpH 值最低的為A8。
3.2不同處理對土壤保水性的影響
施加土壤改良劑后,當(dāng)年8月10一16日進(jìn)行土壤保水性能測試。8月10日09:00,水車開始帶動噴灌進(jìn)行澆水( 30min ),澆水后立即用環(huán)刀法采集土壤樣品,按照試驗設(shè)計進(jìn)行測量,之后每天09:00采集土樣并稱重,研究土壤保水性。澆水當(dāng)天為第1天,澆水后第2天起開始計算保水率。處理A1\~A4每 667m2 土地的保水劑添加量為 0kg ,處理A5~A8 每 667m2 土地的保水劑添加量為 300kg 處理A9~A12每 667m2 土地的保水劑添加量為 600kg 處理 A13~A16 每 667m2 土地的保水劑添加量為900kg ,相同添加量下,土壤保水率基本一致。對比分析不同保水劑添加量下各處理土壤保水率,如圖6所示。隨著保水劑添加量的增大,土壤保水率不斷提高,每 667m2 土地的保水劑添加量為 900kg 時,土壤保水率最大。同時,隨著澆水后天數(shù)的增加,土壤水分含量逐漸減少,土壤保水率逐漸降低。澆水后前3天水分蒸發(fā)較多,保水率曲線較陡,第4天后,曲線逐漸變緩,第7天后,保水率基本不再變化。相同時間和相同處理下,距地表 0~15cm 的土壤保水率小于 30% 。
3.3不同處理下地上植物生長情況評價
地上植物部分主要統(tǒng)計植物種類、干物質(zhì)和蓋度。試驗共采樣2次,每年7月進(jìn)行采樣,設(shè)計4個重復(fù),每個重復(fù)有16個樣品,求其測定結(jié)果的平均值。黃花補(bǔ)血草、無芒隱子草、白沙蒿、沙打旺、針茅和扁穗冰草6種植物都建植成功,蟲實草、灰綠藜和堿蓬為客土?xí)r的鄉(xiāng)土植物。
由圖7(a)可知,2022年16個重復(fù)中,總蓋度最大值為 78% ,平均值為 55% ,地上植被生物量干物質(zhì)最大值為 25.81g ,都為A8。由圖7(b)可知,2023年16個重復(fù)中,總蓋度最大值為 91% ,平均值為76% ,地上植被生物量干物質(zhì)最大值為 45.66g ,為 A8 A8每 667m2"土地的保水劑多孔硅添加量為 300kg 每 667m2"土地的生物有機(jī)肥添加量為 3000kg.
4結(jié)論
內(nèi)蒙古自治區(qū)西部礦區(qū)礦山土壤施加改良劑后,土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量都明顯提高。隨著生物有機(jī)肥添加量的增加,土壤中的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量也在增加,當(dāng)每 667m2 土地的添加量為 3000kg 時,各組分含量均最大,而 pH 值則相反,當(dāng)每 667m2 土地的添加量為 3000kg 時,各組分含量均最小。隨著建植年份的增加,土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量整體呈現(xiàn)先“增加一減少一增加”的變化趨勢, ΔpH 值呈現(xiàn)“降低一增加一不變”的變化趨勢,說明礦山土壤修復(fù)后,土壤建立自我修復(fù)功能,生態(tài)系統(tǒng)得到改善。隨著保水劑添加量的增大,土壤保水率不斷提高,每 667m2 土地的保水劑添加量為 900kg 時,土壤保水率最大。同時,隨著澆水后天數(shù)的增加,土壤水分含量逐漸減少,土壤保水率逐漸降低。在澆水后前 3d ,水分蒸發(fā)較快,保水率曲線較陡,第4天后曲線逐漸變緩,第7天后保水率基本不再變化。相同時間和相同處理下,距地表 0~15cm 的土壤保水率小于 30% 。試驗田播種無芒隱子草、扁穗冰草、白沙蒿、短花針茅、沙打旺和黃花補(bǔ)血草,6種植物都建植成功,還發(fā)現(xiàn)3種客土引入鄉(xiāng)土植物。在建植的第2年16個重復(fù)中,總蓋度最大值為 78% ,平均總蓋度為 55% ,地上植被生物量干物質(zhì)最大值為 25.81g ,為A8;在建植的第3年16個重復(fù)中,總蓋度最大值為 91% ,平均總蓋度為 76% ,地上植被生物量干物質(zhì)最大值為 45.66g 為A8。整體來看,總蓋度呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。從土壤的養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、 pH 值、保水率以及地上植物生長情況綜合分析,本地礦山土壤改良的最適配方案是A8,作為保水劑,每 667m2 土地的多孔硅添加量為 300kg ,生物有機(jī)肥添加量為 3000kg
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