生态恢复年限对大宝山矿山排土场土壤环境质量演变的影响

庞志斌，李文彦，徐会娟，李永涛，王进进＊

（华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642）

自第二次工业革命以来，矿产资源逐渐成为人类社会发展的重要生产资料，如火如荼的矿业开采活动带来工业发展的同时，也产生了很多环境问题[1]。矿业开采活动一般是露天进行，在开采过程中，露天采矿剥离表层，原有的地理地貌在开采过程中可能会出现沉降和塌陷[2]，同时表面天然植被也被破坏，生物多样性锐减[3]，进而导致矿区土壤的理化性质发生剧烈变化，使矿区生态系统功能受到了严重影响。因此为了缓解矿区开采带来的危害，改善矿区生态环境，重建矿区生态系统，改良矿区土壤情况，矿区生态修复工作开始被提出，并逐渐受到了国内外的关注。

生态修复对于矿山生态重建意义重大，也一直是国内外学术界关注的热点[4]，我国矿山生态修复工作开始的比较晚，矿山产生的生态问题多样﹑情况复杂[5]，许多研究者为了找到更合适的修复方法，开始运用单一修复或多种修复方法联用的模式对废弃地进行生态修复工作并对土壤的修复情况进行了探究。杨侨等在赣南稀土尾矿中筛选合适的土壤改良剂，发现当鸡粪：海泡石：腐殖酸：生物炭=3∶5∶2∶2(g/kg)时效果最好，土壤有机质﹑碱解氮及有效磷改良效果明显[6]。李春林等在矿区使用了“稳定化—植物富集”联合修复技术，降低了土壤容重，提高了最大持水量，氮磷钾养分明显增加，其中碱解氮增加明显[7]。

我国幅员辽阔，气候差异大，矿区污染成因复杂，为了达到更好的生态修复效果，应针对矿区相关情况进行具体分析。大宝山矿区的特殊性在于该矿区含有丰富的硫化物矿物，大量硫化物矿物的不断氧化会导致矿区土壤的pH不断降低，由于微生物的存在，即使是在20cm～40cm的深层土壤，硫化物矿物依旧能厌氧缺氧的条件继续氧化[12]，导致pH的不断下降，因此在大宝山矿区进行生态修复的重要任务就是抑制土壤进一步酸化。此外大宝山矿区开采年限久，土壤表面经过大型矿山废弃地的土壤一般都经过大型机械作业的反复碾压，土壤结构差。因此化学基质改良+植物修复被提出[13]，利用土壤改良剂首先中和土壤pH并外源添加营养元素，改善植物的生长环境，使人工种植的植物能够存活，在植物的作用下，实现各营养元素的循环，改善土壤质量，并促进土壤团粒的形成，可以有效加强土壤团聚体稳定性。

除了生态修复方式外，修复工作的长效性也很重要。杨鑫光等在高寒煤矿区中进行人工植被种植后，发现随着修复时间的延长，土壤全磷逐渐上升，全钾逐渐下降，全氮差异不显著，速效磷﹑碱解氮和速效钾则显著下降，有机质和pH增加趋势也比较明显[8]。丰菲比较了生态修复三年后的区域与自然荒草相比，土壤容重降低，各项理化指标均明显提升[9]。Zhong等选取黄土高原上进行了修复18年和42年的人工林和天然草地，发现人工林能有利于氮的积累[10]。

前人对于生态修复方式的工作非常关注，但是对于生态修复工作的长效性关注较少，并且一般都是修复后某一年的采样结果，缺乏对修复区域连续多年的监测。本文基于大宝山排土场中五处经过化学基质改良+植被修复工作修复五年的场地，分析经过多年修复后排土场植被的恢复情况以及土壤理化性质的变化情况，探究影响大宝山排土场生态修复的关键因子，为后续在已进行生态修复区域追加措施继续改善土壤环境质量，从而提高当地生态系统稳定性提供理论依据和指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

生态修复年限研究区域位于广东省韶关市曲江区沙溪镇大宝山矿区，矿区经纬度为东经113°41′53″～113°46′40″，北纬24°30′01″～24°35′26″，矿区总面积为665.06hm²，海拔约1000m，所处区域属于亚热带季风气候，年平均气温16.8℃，全年湿润多雨，年降雨量1973.6mm，矿区内表层岩石风化强烈，土壤类型为红壤。因此当地企业早期自发地在矿区废弃地实施了“原位基质改良+直接植被”生态修复模式。采样点示意图如图1所示。

图1 排土场矿区采样示意图

在大宝山矿区上实施的“原位基质改良+植被恢复”的模式，首先施用碱性物质（熟石灰Ca(OH)2）与酸性土壤发生中和反应，提升土壤pH，有效降低微生物活性，遏制土壤进一步酸性，并同时施加羊粪，调控土壤营养指标，使矿区土壤情况初步改善，然后种植猪屎豆﹑五节芒等先锋植物，固土防尘，防治水土流失，加快生态系统的群落自然演替的进程，从而引进更丰富的功能微生物，增加新的生态系统的多样性，改善土壤性状。

1.2 样品采集和指标测定

废弃地的极端理化性质以及地理灾害频发的情况下，大宝山矿业公司自发地在矿区废弃地实施了化学基质改良+植被修复的方法进行生态修复，利用空间代替时间的方式，根据修复年限不同，在5个区域（修复时长分别为5年，4年，3年，2年，1年）进行了采样，按梅花布点法取5个样品，每个样品取两个不同的取样深度（0～20cm，20cm～40cm）共30个样品，采集量大约为1kg，在实验室风干，过2mm筛测试土壤pH﹑全钾﹑全磷，过1mm筛测试碱解氮﹑速效钾，过0.15mm筛测试全氮。

土壤pH值的测定使用电位法测定，水土比5∶1；土壤水稳定性团聚体使用湿筛法测定；全氮（TN）使用了半微量开氏法测定；碱解氮（AN）使用了有机碳使用了重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤全钾（TK）使用了氢氧化钠熔融火焰光度法测试；土壤速效钾（AK）使用了1mol·L-1醋酸铵浸提-土火焰光度法测定；土壤全磷（TP）使用了高氯酸-硫酸法测试；土壤有机碳使用了重铬酸钾容量法-外加热法测定。

1.3 数据分析

实验数据先用Excel 2021进行初步整理，使用SPSS 25进行单因素ANOVA检验分析组间显著性，运用Origin 2021进行主成分分析和相关性分析，并利用Origin 2021进行做图。

2 结果与分析

不同修复年限区域植物多样性：从土壤pH值看，修复区域的0～20cm的土壤pH随时间升高，在修复五年的区域pH最高，虽然五年内土壤pH没有显著性差异，但相较于未经修复的区域的土壤pH均有显著性差异，修复区域的20cm～40cm的土壤则呈现了相反的趋势，土壤pH逐年下降，但修复五年区域的pH仍然远高于原土的pH，与未经过修复的土壤存在显著差异。

不同修复年份的区域0～20cm和20cm～40cm的土壤有机质则呈现相同的趋势，经过修复的土壤的有机质随修复时间延长先上升然后下降，但在这个过程中，20cm～40cm土壤的有机质始终高于0～20cm的土壤，在修复时长为第二年时最高值，在该区域的三个样方中均发现有油菜这一油料作物,可能是使该区域有机质较高的原因，到第五年时，0～20cm的表层土比20cm～40cm土壤稍高一点。

从土壤的氮元素来看，0～20cm和20cm～40cm的土壤全氮明显地呈现了逐年增长的趋势，但是0～20cm土壤全氮的累积量比较明显，其中修复四年和修复五年的区域相较于其他区域存在显著差异，而20cm～40cm土壤的累积量相对不明显，五年间全氮的累积量没有显著差异。而碱解氮则呈现着不同的趋势，在修复第三年达到最大值后，修复四年和修复五年的碱解氮显著减少但是0～20cm土壤中要比20cm～40cm土壤中稍高一些。

土壤的钾元素﹑磷元素则有类似的趋势，无论是未经修复区域还是修复区域的土壤钾和磷的含量都不低。其中修复区域中全钾的增加是显著的，0～20cm和20cm～40cm的土壤全钾都呈现了逐年增长的趋势，但是五年间的差异并不明显，其中修复二年﹑三年﹑四年﹑五年的土壤无论是0～20cm还是20cm～40cm都没有显著差异。全磷也有类似趋势，并且所有区域都没有显著差异。而有效磷则比较特殊，在这些土壤中几乎都低于NH4F-HCl浸提法的检测限。

图2 不同修复年限区域土壤理化指标情况

3 讨论

3.1 生态修复能改善土壤环境质量

氮﹑磷﹑钾都是植物生长的重要营养元素，对于植物的生长有重要作用，尤其是在矿山废弃地养分贫瘠，能否在矿区增加营养元素含量，对植物群落的恢复有重要意义[11]。参考全国第二次土壤普查的标准，在经过修复后，修复三年的区域效果最好，其中速效钾和全钾﹑全磷的都提升到了等级4，属于中等水平，碱解氮和有机质则提升到了等级5，属于低等水平。而肥力提升相对不明显的其他年份，在土壤的全氮和全钾呈现了相同的趋势，总量在逐年增加，而且表层0～20cm的土壤营养元素的积累比20cm～40cm的趋势要更加明显，而土壤的碱解氮和速效钾则呈现了先增加后减少的情况，但是仍然比未修复的土壤高，存在显著性差异，修复四年﹑五年区域的碱解氮和速效钾偏低。磷元素的分布则比较特殊，虽然全磷数据较高，但是有效态含量却极低，这是因为大宝山矿区的土壤属于红壤[12]，含有丰富的铁铝化合物，有效磷含量较低[13]。总体而言，进行生态修复工作的区域相较于修复的区域营养元素含量都有一定的增加，其中营养元素的全量在逐年增加，而营养元素出现一定程度的下降，但是全部均优于未经修复的区域，修复措施对于提高土壤营养元素有一定效果，并且能持续较长时间。

3.2 生态修复工作长效性不足

土壤营养元素的速效成分如碱解氮和速效钾则出现了先上升后下降的趋势，这可能是因为植物的生长吸收了大量的速效成分，这个结果与杨鑫光的发现类似[14]。磷元素的分布则比较特殊，虽然全磷数据较高，但是有效态含量却极低，这是因为大宝山矿区的土壤属于红壤，含有丰富的铁铝化合物，有效磷含量较低[13]。马宁等人[15]的发现也表明，适时追加相关措施能使土壤环境质量不退化。

4 结论

（1）在大宝山矿区采用的土壤基质改良+植物修复的技术组合模式取得了一定成效。土壤结构得到改善，土壤中的营养元素的总量也出现上升，同时土壤pH显著上升，矿区土壤酸化得到了遏制，土壤环境质量明显改善人工种植的植物存活，修复区域的生物量逐渐增加。

（2）对生态修复年限较长的土壤需要加强监测，及时进行追加措施，保护前期的工作成果。