施加生物炭对某水泥用石灰岩矿山排土场生态修复试验研究

陆淼淼，王 广，李建胜，张 燕

(中建材资源环境有限公司，北京 100102)

非金属矿业是我国国民经济的一项基础产业，非金属矿工业向市场输送的是国民基础工业原材料、近代节能环保工业的功能材料和发展高新技术产业的支撑材料，在国家经济发展和社会生活中具有十分重要的地位[1]。但由于部分非金属矿山企业开发集约化、规模化水平偏低，随着开采规模的增加，剥离的地表土层、软弱夹层、不可利用的粉料等固体废物产生较大，相应排土场规模也逐渐扩大。排土场的建设势必会导致矿区土地的压占、植被的破坏、水土流失、生物多样性的丧失，使得矿区生态环境持续恶化。为了践行“绿水青山就是金山银山”的战略目标，在产、闭坑以及历史遗留无主的非金属矿山的排土场均亟需一套经济高效适用的生态修复治理模式。本文选取冀东某水泥灰岩矿排土场作为代表，选用新兴的土壤改良剂生物炭为本实验的创新点，结合我国非金属矿山存在的生态环境问题，旨在通过投入较少的工程资金，实现对矿山排土场的生态修复，为非金属矿山排土场生态修复的最佳模式提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于冀东某水泥灰岩矿排土场。该区为大陆性季风气候，四季分明。冬季寒冷多风，最冷为12月、1 月份，历年最低气温-20℃。夏季炎热，最高气温达37℃，年平均气温14℃。冰冻期为当年11 月至翌年3 月份。历年无霜期平均192 天，平均冻结天数64 天，历年最大冻结深度48cm。降雨多集中在6、7、8三个月，年平均降水量为573.8mm。不同地貌单元降水量差别大，平原500 ～550mm，丘陵550 ～600mm，山区600 ～700mm。

试验地块周边植被属华北植物区系，植被类型属于我国东部冀西山地栎林油松和亚高山针叶林带。分布有大量的天然次生林和人工林。树种主要有油松、杨树、榆树、山杏、荆条、映山红。草本有艾蒿、苍耳子、车前草等。草地土层较薄，其中阴坡植被覆盖度达70%以上，阳坡由于干旱侵蚀，植被稀疏，土层较薄。草地生物量在1352.1 ～1746.4kg/hm2。

试验选择地块排土场坡高约80m，边坡坡度约48°；排弃物为剥离产生的废土石，主要为第四系表土及白云质灰岩、泥灰岩等，粒径2 ～15cm 不等；其中粒径2 ～4cm 的中碎石占60%，粒径小于2cm的细碎石及第四系粘土占30%，其他大于4cm 的粗碎石占10%；矿渣多呈棱角状，磨圆度差，厚约2 ～8m；为利于植物生长，在试验地块进行客土覆土，厚度为30cm，客土为附近荒草地的褐土，土壤理化性质基本一致。

1.2 试验材料

1.2.1 土壤改良剂“生物炭”的特点

常见的土壤调理剂以生石灰、矿物、工农业废弃物等为主要原料，而生物炭基土壤调理剂作为新兴的土壤调理剂，是基于生物炭和其他调理剂材料配伍制备而成[2]。生物炭(biochar)是生物质原材料在无氧或限氧条件下，通过高温热解反应生成的炭质材料，是优质吸附剂[3]。热解过程产生的二次污染较小，对环境更加安全，是城市固废转化为生物炭最常用的方式[4]。本试验用生物炭由木质废弃材料通过AR3 生物炭系统在缺氧、相对较高的温度(即“热解”过程)下制备出的高质量的含碳量丰富的、纹理细腻的多孔状材料。

1.2.2 生物炭的作用及研究进展

由于生物炭具有不同程度的多孔结构以及可调节的表面化学性质，因此在催化、能源储存、碳封存、环境污染修复以及土壤改良等方面表现出良好的应用潜力[5-6]。由生物质转化得到的生物炭材料因其成本低且环境友好被广泛用，且对我国提早实现碳达峰与碳中和有积极的促进作用[7]。在土壤改良中，生物炭的应用日益广泛，能够实现对土壤生态环境的修复[8]。土壤中生物炭固碳的本质是将生物质内原本在短时间内将降解返还给大气的碳素以稳定的生物炭形式保存下来[9]。Woolf 等[10]研究表明，生物炭每年能固定1.8Pg CO2-C，相当于每年人为排放温室气体的12%，有助于减缓全球变暖的速度。

1.2.3 试验用材料配比

试验用7 种草本植物分别为披碱草∶波斯菊∶金盏菊∶蜀葵∶胡枝子∶荆条∶紫穗槐=1 ∶1 ∶1 ∶1 ∶1 ∶2 ∶2 的 比 例 配 置，每 平米播种量 20g。试验用基肥为三元复合肥，用量0.075kg/m2，N、P2O5、K2O 含量均为15%。人工修复区的试验用生物炭在撒播草种前与化肥一起按照(0kg/m2、1kg/m2、2kg/m2、4kg/m2、8kg/m2) 比 例 进行施加具有改善土壤质量，保持土壤水分，提高作物产物和一定的固碳作用。

1.3 试验设计

基于生态的自然修复和人工修复的理论基础，对排土场实施不同生态修复处理[11]。本试验共设置6 个试验区(T1 ～T6)，每个试验区三次重复，共18 个小区，每个小区面积10m2(2m×5m)，6 个试验区分别为：1 个自然恢复区(T1 不施肥也不施加生物炭)、5 个人工修复区(T2 试验区仅施肥0.075kg/m2，不施加生物炭；T3 试验区施肥0.075kg/m2，施加生物炭1kg/m2；T4 试验区施肥0.075kg/m2，施用生物炭2kg/m2；T5 试验区施肥0.075kg/m2，施加生物炭4kg/m2；T6 试验区施肥0.075kg/m2，施加生物炭8kg/m2。)，6 个试验区通过覆盖生态草帘作为本排土场的保水措施。坡面灌溉采用微灌溉系统。

1.4 试验方法

1.4.1 样品采集

(1)植物样品采集。

采用样线法进行植物样方调查。样方设置为每个试验小区3个，大小1m×1m，按照对角线均匀布设。主要分三个时期对植物样品进行观测：①播种——发芽期：播种以后间隔三天观测1 次，共观察2 次；②发芽——苗高10 cm(最高)期：每周记录一次；③矮苗高度超过10cm 之后：每15 天记录一次。同时记录样方每种植物的名称、数量、高度、植被覆盖度、海拔、坡向、坡度以及样地坐标，并对各样方进行拍照处理。

(2)土壤样品采集。

采用分区布点法进行土壤样品采集。每个试验小区取3 个样，每个样取1.5kg 的土壤，共收集18个土壤样品。

1.4.2 生长指标测定

用卷尺测量植物的株高等生长指标；每个试验小区选取50cm×50cm 范围内的植物样品，进行生物量测定。同时对各样方进行拍照处理并记录各样方的植被覆盖度。

1.4.3 土壤理化性质测定

pH 值采用“NY/T1121.2-2006 土壤检测有机质进行检测；全磷、全钾采用“NY/T88-1988 土壤全磷测定法”进行检测；全氮采用“LY/T1228-2015 森林土壤氮的测定”；有效磷采用“NY/T1121.7-2014 土壤检测进行检测；速效钾采用“LY/T1234-2015 森林土壤钾的测定”；总有机碳采用“HJ615-2011 土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化法—分光光度法”进行检测。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据统计，利用IBM SPSS Statistics 26 软件进行方差分析、多重比较分析和相关性分析，利用Origin 2021 进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 施加不同比例的生物炭对植物生长的影响

不同植物在各试验区的植被频度差异较大(图1)，其中菊科植物波斯菊植被频度远高于其他植物，被认为是该区域环境的优势物种。

图1 不同生物炭施加区植被频度指标

植被盖度和优势物种的株高在不同试验区差异显著。波斯菊株高在T3、T4 试验区显著高于其他小区，植被盖度在T3、T4 试验区显著大于其他小区(表1)。

表1 不同生物炭施加区植物株高、盖度

植被地上生物量在T3、T2 和T4 试验区显著高于T1 自然恢复区和T5、T6 试验区(图2)。

图2 不同生物炭施加区地上生物量指标

朱自洋等[12]研究发现土壤中添加低剂量(1%～5%)生物炭能够明显促进黑麦草植株的生长。陈欢等[13]认为施加生物炭可以提高作物产量稳定性;姜慧敏等[14]经过3 年试验研究得出施加生物炭可以提高作物产量的可持续性。本研究从株高高度、植被盖度和地上生物量三个指标可以得出施加生物炭能够促进植被的生长与已有研究结果一致，同时得出施用1 ～2kg/m2的生物炭最利于植物的生长。

2.2 施加不同比例的生物炭对土壤理化性质的影响

不同处理下，土壤理化性质变化见图3，由图3 可以看出：与T2(对照组)相比不同配比的生物炭均降低了土壤的pH 值，降幅为0.11 ～0.18(图3a)；施加不同配比的生物炭均显著提高土壤中总有机碳的含量(P①P 表示统计学中显著性值。＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤总有机碳增加了1.5%～3.3%，其中T4 处理效果最显著(图3b)；施加不同配比的生物炭均显著提高土壤中有机质的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤有机质增加了26.02 ～59.05g/kg，其中T4 处理效果最显著(图3c)；施加不同配比的生物炭均显著提高土壤中全磷的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤全磷增加了0.01%～0.12%，其中T6 处理效果最显著(图3d)；施加不同配比的生物炭均显著提高土壤中全钾的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤全钾增加了0.1%～0.66%，其中T6 处理效果最显著(图3e)；除T5 处理外，其余施加生物炭均显著提高土壤中全氮的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤全氮增加了0.96 ～1.57g/kg，其中T3 处理效果最显著(图3f)；施加生物炭均显著提高土壤中有效磷的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤全氮增加了24.8 ～75.03mg/kg，其中T3 处理效果最显著(图3g)；施加生物炭均显著提高土壤中速效钾的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤速效钾增加了269.33 ～1355mg/kg，其中T6 处理效果最显著(图3h)；施加1kg/m2生物炭和81kg/m2均显著提高土壤中水解性氮的含量(P ＜0.05)，相比于T2(对照组)土壤水解性氮分别增加了53.97mg/kg和24.97mg/kg，其中T3 处理效果最显著(图3i)；

图3 不同处理下土壤理化性质的变化

施加生物炭显著降低了土壤的pH 值(P ＜0.05)，但并未改变土壤的酸碱度，排土场土壤仍然呈弱碱性，土壤中全氮、有效磷、水解性氮T3 试验区显著高于其他小区(P ＜0.05)，总有机碳和有机质在T4试验区显著高于其他小区(P ＜0.05)，全磷、全钾和速效钾在T6 试验区显著高于其他小区(P ＜0.05)。表明施用1kg/m2生物炭，最有利于土壤全氮和有效磷和水解性氮的累计；施用2kg/m2生物炭，最有利于土壤总有机碳和有机质的累计；施用8kg/m2生物炭，最有利于土壤全磷、全钾和速效钾的累计。

研究表明，生物炭能促进土壤有机质的矿化过程，也能降低土壤水溶性有机碳的淋溶损失，有利于土壤补碳和农田固碳减排[15-16]。在土柱淋溶试验体系下，生物炭通过对土壤中铵态氮的吸附，大幅度减少了铵态氮的淋溶损失，提高了农田土壤有效氮的供应水平[17]。刘玉学等[18]研究表明，生物炭对NH4+、NO3-有较强的吸附作用，可以减少氮素的淋失，提高土壤氮含量。杨劲峰等[19]研究表明，生物炭基肥处理土壤中氮、磷、钾养分含量均有明显改善，其中土壤有机质和钾含量的改善效果最为明显。本文研究表明施加生物炭，可以显著提高土壤中全氮、有效磷、水解性氮、总有机碳、有机质全磷、全钾和速效钾的含量与已有研究结果基本一致。

2.3 施加不同比例的生物炭下土壤因子与植物生长的相关性

将9 个土壤理化性质指标(pH 值、总有机碳、有机质、全磷、全钾、全氮、有效磷、速效钾、水解性氮)与2 个植被生长指标(地上生物量、植被覆盖率)进行相关性分析，使用Pearson 相关系数来表示相关关系的强弱情况(表2)。由表2 可知，总有机碳与有机质呈非常显著性正相关，相关系数为1.000(P ＜0.01)；总有机碳与全氮、有效磷、速效钾呈显著性正相关，相关性系数为0.881(P ＜0.05)、0.893(P ＜0.05)、0.843(P ＜0.05)；有机质与全氮、有效磷、速效钾呈显著性正相关，相关性系数为0.872(P ＜0.05)、0.882(P ＜0.05)、0.837(P ＜0.05)；全磷与全钾、有效磷、速效钾呈显著性正相关，相关性系数为0.908(P ＜0.05)、0.821(P ＜0.05)、0.909(P＜0.05)；全钾与速效钾呈非常显著性正相关，相关系数为0.946(P ＜0.01)；全氮与有效磷呈非常显著性正相关，相关系数为0.961(P ＜0.01)；全氮与水解性氮呈显著性正相关，相关系数为0.867(P＜0.05)；有效磷与水解性氮呈显著性正相关，相关系数为0.861(P ＜0.05)；地上生物量与植被覆盖率呈显著性正相关，相关性系数为0.861(P ＜0.05)。

表2 土壤因子与生长指标相关性

生物炭具有较强的吸附能力，能有效提升土壤对有机质的吸持能力，同时吸附土壤中有机分子并聚合形成有机质，从而提高土壤有机质含量[20]；本文相关性分析中总有机碳与有机质呈非常显著性正相关，证明土壤中的总有机碳有利于有机质的合成。

3 结论与讨论

3.1 结论

施用不同比例的生物炭对植被生长和土壤改良具有显著影响，施用1kg/m2生物炭，对植物干物质的累计及土壤全氮、有效磷和水解性氮的累计作用效果最显著(P ＜0.05)；施用2kg/m2生物炭，对土壤中总有机碳和有机质的累计作用效果最显著(P＜0.05)；施用8kg/m2生物炭，对土壤中全磷、全钾和速效钾的累计作用效果最显著(P ＜0.05)；施用1 ～2kg/m2生物炭，最利于植被的生长。总有机碳、有机质、全磷、全钾、全氮、有效磷、速效钾等是植被生长必不可少的营养元素，而植被恢复是矿区生态综合治理的关键，在选取适合当地生境的植物前提下，可根据其生态演替规律、土壤改良和生态自修复效应筛选优势物种，以形成长期稳定的生态系统[10]，从而达到更好的生态修复效果。从经济性和适用性综合考虑，施用1 ～2kg/m2生物炭的排土场生态修复效果最好。

3.2 讨论

使用生物炭作为土壤改良剂，不仅可以增加土壤肥力，并有助于减少化学肥料的使用，同时也是变废为宝，比如农业产生的大量动植物废料—麦秆、种壳、粪便等，人类制造的垃圾—废水中污泥或其他生活垃圾都可以用于制作生物炭。使用垃圾废料生产生物炭还有双重减碳的效果，垃圾肥料腐烂过程中会产生甲烷，对温室效应的影响是二氧化碳的二十多倍。使用生物炭作为排土场生态修复的关键材料，不仅能够从根源上控制空气污染，增加地下水涵养，改善区域土壤环境，促进区域环境良性发展，同时还具有良好的、长远的环境生态效益和社会经济效益。