不同配合比种植混合土的植物营养特征研究

石鹤飞 许 暤, 赵 爽 赵文廷 胡 哲 尹海魁

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；3.河北农业大学国土资源学院，河北 保定 071000)

不同配合比种植混合土的植物营养特征研究

石鹤飞1许 暤1,3赵 爽2赵文廷3胡 哲1尹海魁1

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；3.河北农业大学国土资源学院，河北 保定 071000)

我国矿山固体废弃物生产量大、堆存量大、综合利用率低，成为威胁矿山生态环境等问题的关键因素。利用铁矿废石分别与铁尾矿、山皮土、校内土、农场土配制成不同层次的种植混合土，并进行了种植紫花苜蓿的盆栽试验。结果表明：各类种植混合土的化学性质与掺入的细粒成分质地有关，各类种植混合土的化学性质随着加入土类细粒(d<0.075 mm)成分的增加而提高；并且山皮土、校内土、农场土相对于尾矿来说对铁矿废石的改善效果显著；当各类种植混合土细粒成分掺入量约为废石质量的90%时，各类种植混合土养分状况与紫花苜蓿的生长情况与各细粒成分对照差异不显著。

矿山固体废弃物 种植混合土 配合比 废石

矿产资源在为人类做出巨大贡献的同时也引发了众多的负面影响，其中非常重要的一点就是矿山固体废弃物的大量产生，据统计分析，截止到2013年底，我国废石堆存量不低于438亿t，尾矿累积堆存量146亿t，而二者利用率均不到20%[1]。大量的矿山固体废弃物基本上堆放在排渣场或随意堆放在山谷或山坡上，结构极其松散，造成许多灾害隐患；由于矿山固体废弃物主要为碎石、块石等粗颗粒组成，因此在矿渣堆放压占的土地上很难恢复生态，恢复生态学研究表明，矿山开采后自然恢复最快也需要5 a以上，而土壤系统的恢复可能需要100～1 000 a[2]。在矿山开采后恢复工程中，大量采用直接覆土的方式，对于大多数进行复垦的矿山废弃地而言覆土厚度在20 cm以上时才能满足一定植物生长需要，工程量很大还要满足一定的要求[3]，这对于矿山细粒成分资源贫瘠而言，显然是不符合实际的。有研究表明土壤中适量的固体废弃物可以促进植物的生长[4-6]，自然界中也经常可以看到植物生长于土石混合体中，土壤发生与分类学中将这种自然形成的土石混合体统称为石质土[7]。石质土在生产中的意义不大，但是其对植物生长的作用不容小觑，如果能将矿山固体废弃物通过改造使其具备石质土甚至优于石质土的能力，对于矿山生态恢复甚至是再生产具有重要意义。由于人工干预的矿山固体废弃物形成的土石混合土与自然形成的石质土在形成原因、土壤性质等多方面不同，并且不能显示人工干预矿山固体废弃物形成的土石混合土的实际作用，为便于研究，提出“种植混合土”一说。本研究以铁矿固体废弃物为例，研究不同配合比下的种植混合土植物生长情况，以期为矿山固体废物利用，矿山生态恢复等提供理论依据和实际指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试铁矿固体废弃物为涞源县旺儿沟矿区铁矿废石、尾矿，供试土壤为旺儿沟矿区山皮土、河北农业大学西校区校内土以及河北农业大学教学农场土，三类土均采自人为干预少的位置，供试材料的主要理化性质如表1、表2。

表1 供试材料颗粒分析

表2 供试材料基本理化性质

1.2 试验设计

提前将试验用废石及校内土风干，山皮土、校内土、农场土风干后过2 mm筛，按质量分别以不同配合比比例(如表3)将废石与尾矿、山皮土、校内土、农场土混合后，取相同体积装入试验盆(270 mm×360 mm)(如图1)。为模拟自然状态，将试验盆埋在一定量的建筑垃圾的试验场中，试验盆下放置盆托，以免根系伸出试验盆外，影响试验，并设置废石、尾矿、山皮土、校内土、农场土5个对照(表3中CK0～4)，每个处理设置5个重复，种植紫花苜蓿，每盆30粒种子，试验开始于2014年8月26日，出苗后5 d定植，每盆保留5株，定期浇水。

图1 盆栽试验装置

表3 铁矿固体废弃物种植混合土的不同配合比

用直尺对紫花苜蓿株高进行定期测量，在始花期对紫花苜蓿进行收割测产；采用电位法测定土壤pH，重铬酸钾容量法测定有机质，碱解扩散法测定土壤碱解氮，钼蓝比色法和火焰光度法测定土壤中的速效磷和速效钾。

2 结果与分析

2.1 不同配合比种植混合土pH值

各类种植混合土pH值如图2所示。总体来看，各编号pH值除CK4外均大于8.5，因此除CK4外各编号种植混合土pH值均是强碱性。由于铁矿废石与尾矿pH的多变性，导致“废石+尾矿类”种植混合土各编号pH值变化范围大，并且规律性差。与其相比，“废石+山皮土类”、“废石+校内土类”、“废石+农场土类”随土类的加入量规律性依次增强。河北省石灰岩分布广泛，尤其在山区形成的山皮土土层薄，pH多数情况大于8.5，“废石+山皮土类”各编号pH值与CK0、CK2差异不显著；“废石+校内土类”、“废石+农场土类”各编号pH值随校内土、农场土的逐渐降低，两类种植混合土对应各编号pH值大致相同，并且pH值明显低于“废石+尾矿类”、“废石+山皮土类”，这对于植物生长有良好的辅助作用。

图2 不同配合比种植混合土pH值

2.2 不同配合比种植混合土养分状况

不同配合比种植混合土养分状况见表4。

表4 不同配合比种植混合土养分状况

(1) 不同配合比种植混合土碱解氮。由表4可知，总体上看，按类型不同碱解氮含量由高到低为“废石+农场土类”> “废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，但是各编号碱解氮含量均比较缺乏，都在土壤养分标准3级以下。因为废石、尾矿碱解氮含量很低， “废石+尾矿类”种植混合土各编号处于极缺乏等级；各类种植混合土在细粒成分加入量大于废石质量60%时，各编号差异不显著。

(2)不同配合比种植混合土速效钾。由表4可知，总体上看，按不同类型速效钾含量由高到低为“废石+农场土类”> “废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，各编号速效钾含量均能达到土壤养分含量3级以上；“废石+校内土类”与“废石+农场土类” 相对应编号速效钾含量差异不显著；“废石+山皮土类”、“废石+校内土类”、“废石+农场土类”各编号速效钾含量均高于CK0，并且同类之间各编号速效钾含量差异不显著；“废石+尾矿类”与CK0速效钾含量差异不显著。

(3)不同配合比种植混合土速效磷。由表4可知，总体上看，不同速类型效磷含量由高到低为“废石+农场土类”> “废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，各编号速效磷含量均能达到土壤养分含量3级以上；同类种植混合土各编号差异不显著；“废石+尾矿类”与“废石+山皮土类”相对应编号速效磷含量差异不显著。

(4)不同配合比种植混合土有机质。由表4可知，总体上看，不同类型有机质含量由高到低为“废石+农场土类”> “废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，其中“废石+尾矿类”、“废石+山皮土类”各编号有机质处于极缺乏等级，“废石+农场土类”、“废石+校内土类”各编号有机质含量分别能达到4级和5级；各类种植混合土土类加入量为废石质量的90%～180%时有机质含量差异不显著。

2.3 不同配合比种植混合土对紫花苜蓿生长影响

紫花苜蓿是多年生豆科牧草，抗逆性强，适应范围广。选用紫花苜蓿为试验植物主要是基于其抗逆性强，并且对于土壤改良作用明显，经济、生态效益较高。选取紫花苜蓿出苗率、株高、生物量作为不同类型、不同编号种植混合土对植物生长影响的指标。

2.3.1 不同配合比种植混合土紫花苜蓿出苗情况

表5是不同配合比种植混合土各编号紫花苜蓿出苗率情况，可知除A-1外各编号的出苗率情况与CK0(废石)差异性显著；“废石+山皮土类”出苗率较有规律的按照山皮土的增加量增加而增加，并且整体出苗率要高于其他三类种植混合土；“废石+校内土类”各编号出苗率差异不显著，同时与“废石+农场土类”相对应编号出苗率情况相似；“废石+尾矿类”、“废石+山皮土类”、“废石+校内土类”三类种植混合土在细粒成分加入量为废石质量90%时，与各类对照(CK1、CK2、CK3)差异不显著。

表5 不同配合比种植混合土紫花苜蓿出苗率

2.3.2 不同配合比种植混合土紫花苜蓿株高情况

如图3所示，不同类型紫花苜蓿株高情况由高到低为“废石+农场土类”> “废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，各编号紫花苜蓿株高均大于CK0。尾矿类、山皮土类、校内土类、农场土类各类种植混合土紫花苜蓿平均株高分别为CK0的2.73倍、4.39倍、7.06倍、12.48倍。9月13日后“废石+尾矿类”各编号生长缓慢，甚至停止生长，“废石+山皮土类”、“废石+校内土类”、“废石+农场土类”在9月20日后生长缓慢。各类种植混合土细粒成分加入量为废石质量120%～180%时各编号间株高生长情况优于各类细粒成分对照(CK1、CK2、CK3、CK4)，同时基本上同类种植混合土在细粒成分加入量为废石质量60%时，与各类细粒成分对照生长差异不显著。

2.3.3 不同配合比种植混合土紫花苜蓿生物量情况

不同配合比种植混合土紫花苜蓿鲜重如图4所示，不同类型紫花苜蓿鲜重由高到低为“废石+农场土类”> “废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，各编号紫花苜蓿鲜重均大于CK0；尾矿类、山皮土类、校内土类、农场土类各类种植混合土紫花苜蓿平均鲜重分别为CK0的2.25倍、3.49倍、5.44倍、9.58倍。“废石+尾矿类”各编号紫花苜蓿平均鲜重规律性不明显，“废石+山皮土类”、“废石+校内土类”紫花苜蓿鲜重最大区间为细粒成分加入量为废石质量90%～150%，“废石+农场土类” 紫花苜蓿鲜重最大区间120%～180%之间；各类种植混合土在细粒成分加入量为废石质量60%～180%时，同类各编号间差异不显著。

3 分析与讨论

(1)在不添加任何辅助剂料的情况下，各编号pH值均高于8.5，属强碱性，尾矿与山皮土不能降低废石的pH值；校内土与农场土虽然没能使废石的pH值降到8.5以下，但确实对调节废石的pH值起到积极作用。

(2)废石中速效钾、速效磷含量能达到3级以上，而碱解氮、有机质含量极低，营养很不均衡。同时因为pH值高，对碱解氮起到抑制作用，导致植物很难成活和生长，因此有机质也得不到积累。掺入细粒成分后，由于细粒成分中而碱解氮、有机质含量较高，有效的补充了废石中碱解氮、有机质含量，有利于种植混合土养分平衡，促进植物生长。

(3)紫花苜蓿生长情况显示，细粒成分的掺入对紫花苜蓿出苗率、株高、生物量等方面起到显著的促进作用。

图3 不同配合比种植混合土紫花苜蓿株高生长情况

(4)除各类种植混合土出苗率由高到低依次为“废石+山皮土类”>“废石+农场土类”>“废石+校内土类”>“废石+尾矿类”外，各类种植混合土碱解氮、速效磷、速效钾、有机质等含量以及株高生长速度与收割前株高、生物量由高到低依次为“废石+农场土类”>“废石+校内土类”>“废石+山皮土类”>“废石+尾矿类”，这与掺入的细粒成分细粒(d≤0.075 mm)成分的含量有关；细粒成分的加入可以改善废石的养分状况，同时也可以提高废石的保水保肥能力，对于植物的生长起到积极地促进作用。

图4 不同配合比种植混合土紫花苜蓿鲜重

(5)综合分析发现，当各类种植混合土细粒成分掺入量约为废石质量的90%时，各类种植混合土养分状况与紫花苜蓿的生长情况与各细粒成分对照差异不显著。

(6)本试验是在不添加任何辅助剂料的情况下实施的，可以设想在使用辅助剂料(肥料、保水剂等)情况下，也许还可以减少细粒成分的掺入量，植物生长更加优良。

4 结 语

矿山固体废弃物是放错位置的资源，“种植混合土” 是根据矿山固体废弃物利用现状和矿山生态恢复现状提出的，具有较强烈的现实意义。种植混合土的研究刚刚起步，本研究团队在对矿山种植混合土进行的研究已经取得初步成果，从中也发现一些待解决的问题。今后需要继续更深入的研究，以期为矿山固体废弃物“减量化”、“资源化”、“无害化”，提高我国的矿产资源保障能力，改善矿山生态环境以及合理利用矿山土地资源，提供新的解决思路。

[1] 国家发展改革委.中国资源综合利用年度报告[J].资源环境,2014(10):49-56. National Development and Reform Commission.China resources comprehensive utilization annual report[J].Resources and Environment,2014(10):49-56.

[2] 周惠荣.滇池流域采矿废弃地生态恢复技术[J].林业调查规划,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 土地复垦质量控制标准[S].北京：中国标准出版社，2013. TD/T 1036-2013 Completion Standards on Land Reclamation Quality[S].Beijing:China Standard Publishing House，2013.

[4] 周树理.矿山废弃地复垦与绿化[M].北京:中国林业出版社,1996. Zhou Shuli.Reclamation and Greening of Waste Mine[M].Beijing:China Forestry Publishing House,1996.

[5] 吴宏亮.宁夏中部干旱区砂石覆盖对土壤水热特性及西瓜生长发育的影响[D].北京：中国农业大学,2013. Wu Hongliang.Characteristics of Soil Hydro-thermal Property and Effect on Watermelon Growth on Gravel-sand Mulching in the Arid Zone of Central Ningxia，China[D].Beijing:China Agricultural University,2013.

[6] 赵 梅.黄土区土石混合土壤水分有效性研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2010. Zhao Mei.Water Availability in Stony Soil on the Loess Plateau[D].Yangling:North West Agriculture and Forestry University,2010.

[7] 张凤荣.土壤地理学[M].北京:中国农业出版社,2010. Zhang Fengrong.Soil Geography[M].Beijing:China Agriculture Publishing House，2010.

(责任编辑 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

国土资源部公益性行业项目(编号：201311060)，河北省科技支撑计划重点项目(编号：12235401)。

石鹤飞(1988—)，男，硕士研究生。通讯作者 赵文廷(1964—)，男，教授，硕士研究生导师。

TD88

A

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