沙金矿采矿迹地土壤基质改良剂效果评价

刘延滨，崔崧，王承义，孙国芝

(黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150081)

黑龙江省矿产资源较为丰富，素有“三千里山河金镶边”之说，黑龙江流域的砂金居全国第一位。沙金开采对环境破坏十分严重，形成了很多采矿迹地，表现为景观破碎，水土流失严重，土壤重金属污染严重，植被恢复困难，严重威胁区域生态环境[1-2]。黑龙江省属于高寒和高纬度地区，冬季漫长、生态系统结构简单、初级生产量低、能量转化及物质循环慢、抗干扰能力差，生态脆弱，因此沙金矿采矿迹地的生态恢复更加迫在眉睫。土壤是植物生长的基质，基质的改良是金矿采矿迹地生态系统恢复的关键问题。基质改良的方法主要分为物理、化学和生物的改良技术，三者之间是相辅相成的关系，只是侧重点有所不同[3-7]。

金矿的开采对环境的破坏十分严重，表现在几个方面：植被几乎消失，生物多样性严重下降；土壤保水性严重降低，剥蚀严重，易发生各种地质灾害，比如滑坡、泥石流、崩塌等等；水质严重污染，主要是冶炼所产生的废水，废渣经淋溶产生的有毒物质进入土壤，从而污染地下水，土壤也污染严重，富含各种有害重金属[8-9]。本文针对沙金矿采矿迹地的特点使用化学方法进行土壤改良，添加土壤改良剂，能够快速改善土壤的理化性质，迅速恢复植被，分别使用粉煤灰、保水剂和食用菌废料，通过在樟子松的栽植评价不同土壤改良剂对植被恢复的效果。

1 材料和方法

1.1 实验区自然环境概述

实验区设置在大兴安岭地区加格达奇林业局管区古利库林场砂金矿采矿废弃地(50°51'35″～50°48'25″N，125°30'58″～125°35'42″E)。砂金矿采矿主要以沿河流露天机械化溜槽方式开采，采矿后形成大量废弃地，约1000 hm2。该区域气候类型属于寒温带季风气候，夏季温度较高，但十分短暂(一般为7月和8月)；冬季严寒漫长(长达半年)，最低温度可达-48 ℃；无霜期较短(一般为5月中旬到9月中旬)，植物平均生长期为90～100 d。年平均气温为-3 ℃，年平均降水量为600 mm左右(降水主要发生在每年4～9 月，占全年90%)。该区域土壤类型主要为棕色针叶林土、棕色森林土、草甸沼泽土和腐殖质沼泽土。该区域植被属于东西伯利亚植物区系，天然植被以兴安落叶松为主要优势种的针阔叶混交林，主要乔木植物种类有兴安落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)、岳桦(Betulaermanii)和蒙古栎(Quercusmongolica)等，草本植物主要以菊科为主。采矿废弃地形成的尾矿土主要以砾石为主，粒径为0.5～5.0 cm，粉粒和黏粒约10%，细砂含量约20%～30%。

1.2 研究方法

采矿迹地基质改良实验选取3年生樟子松容器苗用于采矿迹地生态恢复，通过随机区组实验，在种植过程中分别采用不同的处理：施入粉煤灰以抑制重金属对于植物的影响；施入食用菌废料增加土壤的营养，同时增加土壤的蓄水保墒的能力；使用保水剂提高苗木的抗旱性；对照用于比照各处理的效果。分别在植入第2年调查植株的存活率、高度、地径和当年生长量。在处理后2年调查土壤的理化性质。速效N用扩散法测定；速效P用钼锑抗比色法测定；速效K火焰光度法测定，测定仪器为TAS-990原子吸收分光光度计；土壤有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定；pH值用pH-3型酸度计测定；土壤Cr 测定，采用土样经盐酸-硝酸-氢氟酸消解后，加氯化铵液，使用TAS-990原子吸收分光光度计进行测定；含水量测定用烘干法。

1.3 数据处理

数据方差分析使用One-Way ANOVA，分析前进行方差齐性检验和正态分布检验，满足的进行方差分析，不符合的使用非参数检验Kruskal-Wallis test。统计软件Origin(OriginPro v. 9.1.0; OriginLab Corporation)。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良剂对土壤理化性质的影响

使用粉煤灰、保水剂和食用菌废料对土壤基质的理化性质具有比较显著的影响，有利于植物的生长，提高土壤肥力，降低重金属对植物危害，增强土壤蓄水保墒能力(图1)。金矿的采矿迹地中重金属污染严重，主要是Cr、Pb和Ni，尤以Cr最为严重，超过国家土壤标准的193倍；土壤pH值较低，酸化严重，极值达到5.39，植物适宜的土壤pH值在7左右，十分不利于植物的生长；土壤养分十分贫瘠，速效N和速效P的含量极低，分别为228 mg/kg和67.28 mg/kg。食用菌废料的施入可以显著提高土壤的有机质含量，达到4.52 g/kg，较其他改良措施可以增加1倍以上；显著改善土壤的酸化程度，土壤的pH值接近7，有利于樟子松的生长；显著提高土壤的速效N，达286 mg/kg；显著提高土壤的速效P的含量，较对照提高1.97倍，达到132.47 mg/kg；可以提高土壤速效K的含量，但提高不显著；显著降低土壤中Cr的含量，可以降低3.7%。施入粉煤灰可以显著提高土壤的速效N，达到308 mg/kg；可以提高土壤速效K的含量；显著降低土壤中Cr的含量，可以降低7.4%。采矿迹地石砾含量较高，不利于土壤蓄水保墒，因此土壤的含水率极低，未处理的土壤含水率仅有7%，粉煤灰、保水剂和食用菌废料都可以显著提高土壤的含水率，达到17%，特别是保水剂接近18%，这三种基质改良措施使土壤的含水率提高了143%，增强了土壤的蓄水保墒能力。三种土壤改良剂可以显著降低土壤的重金属含量，降低对植物的毒害作用，改善植物的生长。

不同字母代表差异显著，P<0.05；缩写MR 是mushroom residue，WRA是water-retaining agent，CFA是coal fly ash

2.2 不同土壤改良剂对苗木的影响

使用保水剂成活率最高为98.33%，对照的最低56.67%，使用食用菌废料的较使用粉煤灰处理的高，分别是95.35%和60.00%(图2a)。生长两年樟子松幼苗的高度各处理间没有显著差异；当年生长量存在显著差异，粉煤灰和食用菌废料处理的较保水剂处理的幼苗当年生长量高；地径的测量结果显示各处理间也存在显著差异，同样是粉煤灰和食用菌废料处理的较保水剂处理的幼苗高(图2b-d)。

缩写MR 是mushroom residue，WRA是water-retaining agent，CFA是coal fly ash

3 讨论

土壤改良剂能改良土壤结构，协调土壤水、肥、气、热及生物之间的关系，增加土壤微生物数量，提高酶活性，从而提升退化土壤的生产力，加速采矿迹地恢复生态功能。本研究使用的土壤改良剂是粉煤灰、保水剂和食用菌废料。

用于土壤改良的粉煤灰，其改良效果主要表现在以下几个方面。①改善土壤物理性质。粉煤灰可以增加土壤的毛细管和非毛细管孔隙，增加通气度，降低土壤容重，减少蒸发，提高地温。如果用于改良砂质土壤可增加土壤的饱和导水率，提高降水的利用效率。②改良重金属污染土壤，粉煤灰或改性粉煤灰可使土壤pH值升高，降低重金属污染土壤中重金属Cd、Pb、Zn、Co、Cu、Ni等的迁移能力，抑制作物对重金属吸收[10-12]，降低土壤中重金属对植物的毒害作用。粉煤灰配合有机物质(如污水污泥)可通过吸附作用降低有毒金属含量，与酸性土壤中的酸性组分反应，抑制Al3+和Mn2+的毒害作用，本研究中降低土壤中重金属Cr的含量(图1f)。③改善土壤微生物和酶活性和增加土壤肥力。粉煤灰中有效B的含量高达5718 mg/kg，可补充土壤中硼元素供应，在酸性土壤中可以释放S、B、Mo等营养元素，增加土壤中Mg2+、Ca2+等金属离子的有效性。粉煤灰通过降低C/N比，提供有机化合物，改善酶活性和N、P循环来增加微生物的多样性和提高微生物活性；含沥青的粉煤灰改良土壤可增加真菌包括菌根菌和革兰氏阴性细菌的数量；粉煤灰施入土壤还可作为固N菌和磷细菌的载体；碱性粉煤灰和石灰混合还有杀死病原菌的作用[8, 11]。本研究中增加了土壤中有效N的含量，达到308 mg/kg(图1a)。④粉煤灰可以显著提高土壤的含水量，在本研究中有所体现(图1g)。

干旱是限制植物生长发育的最关键因素，沙金矿采矿迹地蓄水保墒能力极差，不能有效使用天然降水，不适宜植物的生存。保水剂作为一种吸水能力特别强的功能高分子材料在农业、林业、园艺生产中广泛应用。保水剂含有大量亲水基团，利用亲水性基团电离并与水分子结合成氢键，提高了分子结构的交联度，故可以吸收自身重量数百倍的水分，最高可达160倍。保水剂可以显著增强土壤的持水能力，主要是增加土壤孔隙度，减少蒸发，提高天然降水的利用率，降低土壤容重，降低土壤pH值等作用。由于保水剂本身分子的结构特性，通过静电引力、范德华力、离子交换、离子吸附、螯合等机制增加能对养分具有吸附作用抑制其流失，从而达到保水、保土、保肥的作用，进而促进植物生长[13-15]。本研究中保水剂能够有效地提高土壤含水量，提高苗木的保存率(图1g和图2)，但是对土壤的肥力不能显著提高，促进苗木的生长作用不明显(图2)，可能和使用保水剂的种类有关。

食用菌废料是栽培食用菌后的培养料，还含有丰富的氨基酸，有机质和碳氮含量也较高，其中残留的菌丝体还能分泌出一些酶，促进土壤中复杂的有机物分解，释放出更多的易被植物吸收的营养物质，并能为土壤微生物提供有机质源，起到活化土壤的作用，还能有效抑制土壤中有害微生物的生长，预防植物病虫害的发生，所以是很好的“土壤改良剂”[16]。本研究中食用菌废料作为沙金矿废弃地的土壤改良剂效果非常明显，能够显著提高土壤中有效N、有效P和有机质的含量，同时增强土壤蓄水保墒的能力(图1)。而且可以显著提高樟子松苗木的保存率，促进苗木的生长(图2)。沙金矿采矿迹地的土壤中细砂的含量达20%～30%，又含有粒径较大的石砾，因此土壤十分贫瘠，蓄水保墒能力极差，这些因素极大地制约了植被的恢复，而食用菌废料可以显著补偿采矿迹地土壤的缺陷，同时大兴安岭地区林区有大规模培育食用菌的产业，大量产生的食用菌废料不能科学的有效处理，往往造成环境的污染问题，如果能用于采矿迹地的基质改良将起到一举多得效果。

矿山废弃地生态恢复是目前恢复生态学研究的热点问题，虽然在理论上和实践中取得了长足的进步，但仍存在着许多亟待解决的问题。土壤作为植被恢复的载体和生态功能发挥的重要组成部分是生态恢复的核心，随着环境的快速变化，恢复生态学也发生了巨大的变化。恢复生态学目前的发展认为生态的恢复包括促进相互作用和网络的动态交互，营养级联，以及地上和地下的联系。在景观尺度上，它以一种非平衡的、替代性的状态框架运行，并对不断变化的环境、经济和社会条件作出反应。当前的挑战包括在不断变化的环境条件下为恢复制定现实的、社会可接受的目标，以及在空间竞争日益激烈的世界中优先采取行动[17-19]。

4 结论

沙金矿采矿迹地生态恢复是一个长期的过程，土壤改良剂的使用对于恢复初期阶段具有重要作用。本文研究认为食用菌废料、保水剂和粉煤灰对于土壤基质改良具有比较显著的效果。3种改良措施显著提高了土壤的含水率，增强了土壤蓄水保墒的能力，保水剂的效果最佳；显著增强了土壤的肥力，食用菌废料和粉煤灰增加了土壤速效N的含量，食用菌废料增加了速效P和有机质的含量；对于土壤的酸化也有显著的改善作用；粉煤灰和食用菌废料能显著降低重金属对植物的毒害作用。总体说来食用菌废料是3中土壤改良剂中效果最明显的，能够促进植物的茁壮成长。今后的研究还需要看三者间如何发挥协同作用，三者的配比如何。