不同粒径石灰岩弃渣客土改良效果分析

孙永康，刘寒晓，张艳，马得利，赵廷宁

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

不同粒径石灰岩弃渣客土改良效果分析

孙永康，刘寒晓，张艳，马得利，赵廷宁†

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

生态环境的保护与治理是目前世界关注和研究的重点，以石灰岩弃渣为研究对象，重点解决目前工程弃渣改良利用客土施用量大的难题。为了获取不同粒径区间弃渣混合客土改良的最优比例，试验选取北京房山石灰岩采石场弃渣，筛分成4种粒径区间，并按比例混合客土，撒播高羊茅种子，进行盆栽试验。通过测定不同配比弃渣的密度、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、生长高度、生物量和根茎比，获取添加不同比例客土的改良效果和高羊茅生长状况。结果显示：客土改良石灰岩弃渣的影响体现需要一定的灌溉沉降过程，不同粒径弃渣土壤水分性质受客土添加量影响，相关性顺序为20～40 mm<10～20 mm<2 mm<2～10 mm，高羊茅在不同粒径弃渣生长受客土添加量的影响，其相关性影响顺序为2 mm<2～10 mm<10～20 mm<20～40 mm，客土最适添加比例为<2 mm和2～10 mm粒径弃渣添加40%，10～20和20～40 mm粒径弃渣添加60%。研究结果可为不同粒径石灰岩弃渣资源化利用及客土改良，提供理论和数据参考。

粒径区分； 弃渣改良； 土壤水分性质； 盆栽试验； 高羊茅生物量

生态环境的建设与保护是21世纪人类共同关注的热门话题，目前，中国快速城镇化进程，使得工程建设产生的弃渣和废弃地的环境问题日益凸显。研究表明，矿山开采和废弃对环境产生了长远的影响，包括土壤理化性质、土壤水分和养分循环等[1]难以满足植被恢复需求，且废弃地极易发生水土流失及产生次生地质灾害。若要对弃渣及废弃地进行生态修复，需要解决弃渣粒径过大、保水性较差和营养物质不足等问题[2]。

目前，对于弃渣及弃渣废弃地的研究，受到各国的关注，且多为通过人工降雨实验[3-4]和径流小区[5]等方法，测定其下垫面特征及入渗产流产沙[6-7]等结果，研究弃渣坡面产流等水土流失过程。矿山植被恢复过程中，植物类型、物种丰富度和恢复年限[8-9]等因子对弃渣理化性质的影响，以及植被恢复速率和丰富度受土壤盐分、土壤微生物量[10]和地球化学性质[11]的影响，也是目前研究的重点。使用各项因子对弃渣废弃地进行描述时，更引进了土壤质地指数[12]和复垦矿区土壤指数[13]等相关指标，对弃渣废弃地植被恢复因子与效果进行综合评估与描述。近年来，最热门的研究方向就是弃渣综合改良资源化利用，国内外学者把各类弃渣和土壤[14]、保水剂[15]、稀土[16]、黏结剂[17]、动物粪便[18]、菌肥[19]、城市污泥[20-21]及矿化垃圾[22]等对弃渣改良利用，通过改良弃渣搭配指示植物，研究分析改良后弃渣对植被存活[23]、根系生长[24]、土壤微生物[25]、植被盖度[26]和生态恢复[27]的影响。

目前，弃渣改良利用研究取得了一定的成果，但仍存在选用弃渣粒径区分不明确，且对比性不强等问题。笔者着眼于研究不同粒径区间弃渣混合添加客土后，对弃渣结构和水分性质及高羊茅(Festucaelata)生长的影响，以期得到不同弃渣级配添加客土最适比例和植物生长效果。研究成果可以有区分的资源化利用不同粒径弃渣，节省人力物力，以减少施工投入，对保护客土源的生态环境具有重要的意义。

1 研究区概况

试验弃渣取自北京市西南房山区黄院石灰岩采石场(E115°25′～116°15′，N39°30′～39°55′，)。房山区属暖温带半湿润季风气候，年均气温为4～11.7℃，年均降水量655 mm，且集中于6—9月，该区为石质山区，土壤类型多变，有山地棕壤、淋溶褐土、褐土、沼泽土、风沙土、盐潮土和水稻土等。研究区开采方式为机械开挖，弃渣堆砌较为随意，形成了众多分散的裸露弃渣堆，水土流失较为严重，无水土保持措施，且自然恢复情况较差。

2 材料与方法

2.1 试验材料与设计

2.1.1 弃渣取样配比 试验随机取选取采石场5处弃渣堆混合取样，筛分成20～40、10～20、2～10和<2 mm 4类常见弃渣粒径区间，取采石场附近地表褐土作为客土。为模拟实际弃渣粒径分布，筛分弃渣以每类粒径区间占总重50%为主，其他粒径以占10%为基本比例配比，配比方法详见表1。将取用的客土作为改良物添加到配比弃渣中，以占总配比重量0%、20%、40%、80%和100%为阶梯递增，并完全混合均匀后静置沉降20d。采用环刀法，测定土壤水分性质，并装盆进行盆栽试验，所有试验均设置3组平行对照。

表1 弃渣级配表Tab.1 Mix ratio of the limestone spoil %

2.1.2 高羊茅盆栽试验 选取绿化常用草本高羊茅，在北京林业大学温室(温度控制在20～30 ℃，湿度50%～90%)，选用高150 mm、直径170 mm的花盆进行盆栽试验，每盆撒播100粒种子(24.23 kg/hm2)，覆盖10 mm厚配比弃渣，并进行3组重复试验。

2.1.3 测定方法 将静置20 d后配比弃渣和盆栽试验结束后弃渣用环刀取样，通过浸水、静置、烘干和称量等方法，测定密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量等。高羊茅盆栽试验主要测定其保存率、生长高度(每盆随机选取10株，测定平均值)等实时数据，生长结束之后，用全根法对高羊茅整体取样，洗净后杀青(105 ℃)、烘干(80 ℃)至恒质量，测取地上和地下生物量，并计算根茎比。

2.2 数据分析

试验数据分析主要采用软件Excel 2016和SPSS19.0，以20～40、10～20、2～10和<2 mm 4种粒径区间，及平均数据为研究对象，探究各因子之间的相关性和变化趋势，筛选影响弃渣改良效果的主要因素，并获取不同粒径弃渣客土改良的最佳配比。

3 结果与分析

3.1 不同粒径级配改良弃渣改良前后性质变化

3.1.1 密度和孔隙度对比变化 密度和孔隙度可以直观反映土壤的物理结构性质，对土壤3项有直接影响。图1(a)结果显示，盆栽试验前平均密度为1.66 g/cm3，大于添加客土的密度1.30 g/cm3；图1(c)显示混合之后，整体孔隙度差异较小，表明在松散弃渣堆积扰动初期，添加客土后短时间内，改良弃渣尚未形成完整孔隙结构。经过盆栽灌溉后，密度和孔隙度变化趋势相对于试验前有明显区别；图1(b)和图1(d)结果显示，弃渣添加客土可有效降低密度，并增加孔隙度，每增加20%客土，各粒径弃渣相对密度减少比例为20～40 mm(0.46%)<10～20 mm(1.75%)<总平均(3.64%)<2～10 mm(4.68%)<小于2 mm(5.99%)，孔隙度相对增加比例为20～40 mm(10.10%)<总平均(12.46%)<10～20 mm(13.51%)<2～10 mm(14.83%)<小于2 mm(15.14%)，弃渣粒径越小，改良后密度相对减少和孔隙度相对增加的比例越高。

图1 不同配比弃渣密度和孔隙度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，弃渣保水持水能力提升，对于植被恢复具有重要意义。从图2(a)和图2(c)结果可知，盆栽前毛管持水量无明显变化，表明改良初期，弃渣的毛管持水量受粒径组成和客土添加量影响较小，盆栽前最大持水量随着客土添加量增加而增加。盆栽后结果如图2(b)和图2(d)显示，添加客土可有效提高改良后弃渣毛管持水量和最大持水量，相对纯弃渣每增加20%客土，毛管持水量增加相对比例为20～40 mm(17.76%)<10～20 mm(25.44%)<总平均(26.64%)<2～10 mm(28.12%)<小于2 mm(29.46%)，最大持水量增加相对比例为20～40 mm(10.27%)<10～20 mm(12.87%)<总平均(19.49)<2～10 mm(23.61%)<小于2 mm(27.68%)。对比盆栽试验前后结果表明，添加客土可以快速有效提高弃渣最大持水量，但对毛管持水量影响效果需经过一定的灌溉沉降过程，弃渣粒径越小，添加客土对弃渣持水能力改善越明显。

图2 不同配比弃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 不同粒径级配改良弃渣条件下高羊茅生长特征

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

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

3.2.1 高羊茅保存率和生长高度 盆栽高羊茅的保存率及生长高度可以反映其生长受改良弃渣粒径及客土添加量的影响。图3(a)和图3(c)第1年数据显示，客土添加量对高羊茅植株保存率和生长高度影响不明显，且大粒径占总体比例越高，生长高度越高。根据实际观察分析，其主要原因为大粒径弃渣表层过多的石砾，导致高羊茅生长集中分布于石砾间隙内客土区域。图3(b)和图3(d)第2年数据显示，客土添加可以有效提升高羊茅的生长高度和保存率，相对纯弃渣栽植高羊茅，客土比例每增加20%，高羊茅生长高度相对增加比例为<2 mm(3.85%)<2～10 mm(6.97%)<总平均(10.61%)<10～20 mm(16.82%)<20～40 mm(18.48%)，保存率相对增加比例为2～10 mm(5.84%)<小于2 mm(5.90%)<10～20 mm(6.42%)<总平均(6.82%)<20～40 mm(10.98%)。对比盆栽前后2年数据可知，添加客土，对高羊茅生长情况影响是随着生长时间的增加，其保存率和生长高度的提高效果越明显，对大粒径弃渣高羊茅生长高度的提升比例更高，但相同客土添加量条件下，弃渣粒径越小，高羊茅存活率越高。

3.2.2 高羊茅生物量和根茎比 生物量可以反映不同配比下，改良弃渣栽植高羊茅的生长效果，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，客土量占总体比例每增加20%，总生物量相对增加比例为2～10 mm(2.42%)<小于2 mm(2.56%)<总平均(5.65%)<10～20 mm(7.45%)<20～40 mm(13.68%)，地上生物量相对增加比例为2～10 mm(1.34%)<小于2 mm(2.64%)<总平均(6.24%)<10～20 mm(9.07%)<20～40 mm(14.68%)，地下生物量相对增加比例为<2 mm(2.44%)<2～10 mm(4.03%)<10～20 mm(5.27%)<总平均(5.95%)<20～40 mm(12.37%)。图4(d)结果显示，随着客土添加量增加，高羊茅根茎比降低，以10～20 mm和20～40 mm粒径为主区间的高羊茅，根茎比随客土添加量增加而降低，而以2～10 mm和<2 mm粒径区间为主的粒径区间，根茎比变化不明显。综上所述，添加客土可以有效改善高羊茅生长环境，添加客土比例在低于40%时，对高羊茅生长量提升较为明显，弃渣粒径区间越大，添加客土对高羊茅生物量提升越明显，相同添加客土量条件下，弃渣粒径越大高羊茅生物量越高。

3.3 不同级配改良弃渣条件下各因子与客土添加量相关性分析

通过SPSS19.0软件，进行Pearson相关性分析，并进行双侧检验(T)，可以得到各粒径级配和客土添加量，在盆栽试验前、后的各项因子相关性结果。

3.3.1 土壤物理水分性质与客土添加量相关性分析 由表2可知，盆栽前各粒径区间，弃渣密度与客土添加量在0.05水平(双侧)上呈显著负相关，毛管持水量和最大持水量与客土添加量呈显著正相关，总孔隙度与客土添加量无显著相关关系。盆栽后，弃渣密度在0.01水平(双侧)和0.05水平(双侧)上呈显著负相关，而最大持水量、毛管持水量和总孔隙度等数据，呈0.01水平(双测)显著正相关。盆栽试验前，弃渣土壤水分性质受客土添加量影响的相关性依次为<2 mm<20～40 mm<2～10 mm<10～20 mm。盆栽后相关性结果显示，添加客土在各粒径区间，对弃渣总孔隙度、毛管持水量和最大持水量均有显著提高；但在<2 mm和20～40 mm区间内，需要一定的灌溉沉降过程，各粒径弃渣密度在灌溉试验前后，呈现其相关性依次为20～40 mm<10～20 mm<2～10 mm<2 mm，趋势反映出在混合客土弃渣改良过程中，粒径越大，土壤流失越为严重的现象。

表2 改良弃渣物理水分性质与客土添加量相关性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(双侧)上显著相关，** 在0.01 水平(双侧)上显著相关。以下类同。Note:* Significant correlation at 0.05 level (bilateral). ** Significant correlation at 0.01 level (bilateral). The same below.

综上所述，客土改良后，土壤物理水分性质与添加客土量呈显著相关，盆栽后受客土添加量的影响，其相关性顺序为20～40 mm<10～20 mm<2 mm<2～10 mm。

3.3.2 高羊茅生长与客土添加量相关性分析 由表3可知，客土添加量与第1年保存率、生长高度和根茎比无显著相关关系，从总平均数据相关性来看，第2年保存率(0.986**)、生长高度(0.986**)、地上生物量(0.964**)、地下生物量(0.936**)和总生物量(0.927**)在0.01水平(双侧)上，呈显著正相关关系。高羊茅生长受客土添加量影响的相关性，其由低到高顺序为<2 mm<2～10 mm<10～20 mm<20～40 mm，结果表明，弃渣粒径越大，添加客土对其改良效果越明显。在盆栽初期，添加客土量与高羊茅保存率相关程度较低，但随着生长时间的增加，第2年保存率与客土添加量相关性随客土添加量增加而增高。相关性结果显示，添加客土对高羊茅地上、地下生物量均呈显著相关，但仅在20～40 mm区间内，与根茎比在0.05水平(双侧)上，呈显著负相关，其余区间内无明显相关关系。

表3 高羊茅生长与客土添加量相关性Tab.3 Correlation between tall fescue growth and dress-soil adding amount

综上可知，添加客土，对改良后弃渣高羊茅生长有明显的提升效果，在试验所选粒径区间内，随着弃渣平均粒径增大，添加客土对高羊茅生长影响的相关性越高。

4 讨论

弃渣的物理持水保水能力对植被恢复有重要影响，在植被恢复早期尤为重要，弃渣的水分性质对植物生长有很强的制约作用，还影响着植物群落的演替方向。相对于传统的覆土式客土法，混合弃渣客土法为弃渣资源化利用与矿石弃渣废弃地植被恢复，提供了一种新思路，混合客土法在最大化利用弃渣的同时，相对于覆盖客土形成了更加稳定状态，更有利于土壤和水分的保持及植物生长。

目前，弃渣改良试验往往忽视了前期和后期性质对比，导致试验结果不能真正代表改良性状的变化。笔者通过盆栽试验结果表明，弃渣改良效果需要长期的观测，第1年和第2年的试验结果已经有较为明显的差异，如进行深入研究，需进一步实施大田试验，结合径流小区和人工降雨试验等，对试验植物进行多年度和多种类的综合对比分析，以期探究更深层次的规律。笔者得出4种不同粒径级配石灰岩弃渣混合客土改良和利用的效果，以及高羊茅生长状况，如若进一步深入研究，还需要从不同岩石类型、矿物成分、风化程度和盐分质量分数等因素，探讨其对改良方法和植物生长的影响。

5 结论

实验结果证明，添加客土可以有效改善石灰岩弃渣密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量等弃渣土壤水分性质，解决弃渣保土保水能力差的问题，并可以有效提高高羊茅保存率、生长高度和生物量。研究结果显示，不同粒径石灰岩弃渣的混合客土改良效果和最适比例均不同，改良后，土壤水分性质和高羊茅生长受客土改良比例，以及弃渣粒径的影响相关性均不相同。综合前文可得以下结论：

1)各粒径级配弃渣改良后，密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量与客土添加量的相关性顺序为20～40 mm <10～20 mm<2 mm<2～10 mm，相同客土量添加条件下，弃渣平均粒径越小，添加客土弃渣性质改良效果越明显。

2)第1年高羊茅保存率、生长高度和根茎比受添加客土比例的影响不显著，第2年保存率、生长高度和生物量与客土添加量相关性顺序为2 mm<2～10 mm<2～10 mm<20～40 mm，相同客土量添加条件下，弃渣粒径区间越大，添加客土对高羊茅生长提升越明显。

3)在保证土壤持水保水能力、高羊茅生长条件和最大资源化利用弃渣的添加下，推荐各粒径区间弃渣混合客土最适添加比例为<2 mm和2～10 mm添加40%，10～20 mm和20～40 mm添加60%。各粒径弃渣在低于最适配比比例时，改良后保水持水能力及土壤养分状况达不到最好的改良效果，高于最适配比比例时，改良效果提升已经不显著，且达不到最大资源化利用弃渣的目的。

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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

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

†通信作者简介： 赵廷宁(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：工程绿化。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

S156

A

2096-2673(2017)03-0114-09

10.16843/j.sswc.2017.03.015

项目名称： 林业公益性行业科研专项“建设工程损毁林地植被修复关键技术研究与示范”(200904030)