施加生物炭對某水泥用石灰巖礦山排土場生態修復試驗研究

陸淼淼，王 廣，李建勝，張 燕

(中建材資源環境有限公司，北京 100102)

非金屬礦業是我國國民經濟的一項基礎產業，非金屬礦工業向市場輸送的是國民基礎工業原材料、近代節能環保工業的功能材料和發展高新技術產業的支撐材料，在國家經濟發展和社會生活中具有十分重要的地位[1]。但由于部分非金屬礦山企業開發集約化、規?；狡?，隨著開采規模的增加，剝離的地表土層、軟弱夾層、不可利用的粉料等固體廢物產生較大，相應排土場規模也逐漸擴大。排土場的建設勢必會導致礦區土地的壓占、植被的破壞、水土流失、生物多樣性的喪失，使得礦區生態環境持續惡化。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”的戰略目標，在產、閉坑以及歷史遺留無主的非金屬礦山的排土場均亟需一套經濟高效適用的生態修復治理模式。本文選取冀東某水泥灰巖礦排土場作為代表，選用新興的土壤改良劑生物炭為本實驗的創新點，結合我國非金屬礦山存在的生態環境問題，旨在通過投入較少的工程資金，實現對礦山排土場的生態修復，為非金屬礦山排土場生態修復的最佳模式提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于冀東某水泥灰巖礦排土場。該區為大陸性季風氣候，四季分明。冬季寒冷多風，最冷為12月、1 月份，歷年最低氣溫-20℃。夏季炎熱，最高氣溫達37℃，年平均氣溫14℃。冰凍期為當年11 月至翌年3 月份。歷年無霜期平均192 天，平均凍結天數64 天，歷年最大凍結深度48cm。降雨多集中在6、7、8三個月，年平均降水量為573.8mm。不同地貌單元降水量差別大，平原500 ～550mm，丘陵550 ～600mm，山區600 ～700mm。

試驗地塊周邊植被屬華北植物區系，植被類型屬于我國東部冀西山地櫟林油松和亞高山針葉林帶。分布有大量的天然次生林和人工林。樹種主要有油松、楊樹、榆樹、山杏、荊條、映山紅。草本有艾蒿、蒼耳子、車前草等。草地土層較薄，其中陰坡植被覆蓋度達70%以上，陽坡由于干旱侵蝕，植被稀疏，土層較薄。草地生物量在1352.1 ～1746.4kg/hm2。

試驗選擇地塊排土場坡高約80m，邊坡坡度約48°；排棄物為剝離產生的廢土石，主要為第四系表土及白云質灰巖、泥灰巖等，粒徑2 ～15cm 不等；其中粒徑2 ～4cm 的中碎石占60%，粒徑小于2cm的細碎石及第四系粘土占30%，其他大于4cm 的粗碎石占10%；礦渣多呈棱角狀，磨圓度差，厚約2 ～8m；為利于植物生長，在試驗地塊進行客土覆土，厚度為30cm，客土為附近荒草地的褐土，土壤理化性質基本一致。

1.2 試驗材料

1.2.1 土壤改良劑“生物炭”的特點

常見的土壤調理劑以生石灰、礦物、工農業廢棄物等為主要原料，而生物炭基土壤調理劑作為新興的土壤調理劑，是基于生物炭和其他調理劑材料配伍制備而成[2]。生物炭(biochar)是生物質原材料在無氧或限氧條件下，通過高溫熱解反應生成的炭質材料，是優質吸附劑[3]。熱解過程產生的二次污染較小，對環境更加安全，是城市固廢轉化為生物炭最常用的方式[4]。本試驗用生物炭由木質廢棄材料通過AR3 生物炭系統在缺氧、相對較高的溫度(即“熱解”過程)下制備出的高質量的含碳量豐富的、紋理細膩的多孔狀材料。

1.2.2 生物炭的作用及研究進展

由于生物炭具有不同程度的多孔結構以及可調節的表面化學性質，因此在催化、能源儲存、碳封存、環境污染修復以及土壤改良等方面表現出良好的應用潛力[5-6]。由生物質轉化得到的生物炭材料因其成本低且環境友好被廣泛用，且對我國提早實現碳達峰與碳中和有積極的促進作用[7]。在土壤改良中，生物炭的應用日益廣泛，能夠實現對土壤生態環境的修復[8]。土壤中生物炭固碳的本質是將生物質內原本在短時間內將降解返還給大氣的碳素以穩定的生物炭形式保存下來[9]。Woolf 等[10]研究表明，生物炭每年能固定1.8Pg CO2-C，相當于每年人為排放溫室氣體的12%，有助于減緩全球變暖的速度。

1.2.3 試驗用材料配比

試驗用7 種草本植物分別為披堿草∶波斯菊∶金盞菊∶蜀葵∶胡枝子∶荊條∶紫穗槐=1 ∶1 ∶1 ∶1 ∶1 ∶2 ∶2 的 比 例 配 置，每 平米播種量 20g。試驗用基肥為三元復合肥，用量0.075kg/m2，N、P2O5、K2O 含量均為15%。人工修復區的試驗用生物炭在撒播草種前與化肥一起按照(0kg/m2、1kg/m2、2kg/m2、4kg/m2、8kg/m2) 比 例 進行施加具有改善土壤質量，保持土壤水分，提高作物產物和一定的固碳作用。

1.3 試驗設計

基于生態的自然修復和人工修復的理論基礎，對排土場實施不同生態修復處理[11]。本試驗共設置6 個試驗區(T1 ～T6)，每個試驗區三次重復，共18 個小區，每個小區面積10m2(2m×5m)，6 個試驗區分別為：1 個自然恢復區(T1 不施肥也不施加生物炭)、5 個人工修復區(T2 試驗區僅施肥0.075kg/m2，不施加生物炭；T3 試驗區施肥0.075kg/m2，施加生物炭1kg/m2；T4 試驗區施肥0.075kg/m2，施用生物炭2kg/m2；T5 試驗區施肥0.075kg/m2，施加生物炭4kg/m2；T6 試驗區施肥0.075kg/m2，施加生物炭8kg/m2。)，6 個試驗區通過覆蓋生態草簾作為本排土場的保水措施。坡面灌溉采用微灌溉系統。

1.4 試驗方法

1.4.1 樣品采集

(1)植物樣品采集。

采用樣線法進行植物樣方調查。樣方設置為每個試驗小區3個，大小1m×1m，按照對角線均勻布設。主要分三個時期對植物樣品進行觀測：①播種——發芽期：播種以后間隔三天觀測1 次，共觀察2 次；②發芽——苗高10 cm(最高)期：每周記錄一次；③矮苗高度超過10cm 之后：每15 天記錄一次。同時記錄樣方每種植物的名稱、數量、高度、植被覆蓋度、海拔、坡向、坡度以及樣地坐標，并對各樣方進行拍照處理。

(2)土壤樣品采集。

采用分區布點法進行土壤樣品采集。每個試驗小區取3 個樣，每個樣取1.5kg 的土壤，共收集18個土壤樣品。

1.4.2 生長指標測定

用卷尺測量植物的株高等生長指標；每個試驗小區選取50cm×50cm 范圍內的植物樣品，進行生物量測定。同時對各樣方進行拍照處理并記錄各樣方的植被覆蓋度。

1.4.3 土壤理化性質測定

pH 值采用“NY/T1121.2-2006 土壤檢測有機質進行檢測；全磷、全鉀采用“NY/T88-1988 土壤全磷測定法”進行檢測；全氮采用“LY/T1228-2015 森林土壤氮的測定”；有效磷采用“NY/T1121.7-2014 土壤檢測進行檢測；速效鉀采用“LY/T1234-2015 森林土壤鉀的測定”；總有機碳采用“HJ615-2011 土壤有機碳的測定重鉻酸鉀氧化法—分光光度法”進行檢測。

1.5 統計分析

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數據統計，利用IBM SPSS Statistics 26 軟件進行方差分析、多重比較分析和相關性分析，利用Origin 2021 進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 施加不同比例的生物炭對植物生長的影響

不同植物在各試驗區的植被頻度差異較大(圖1)，其中菊科植物波斯菊植被頻度遠高于其他植物，被認為是該區域環境的優勢物種。

圖1 不同生物炭施加區植被頻度指標

植被蓋度和優勢物種的株高在不同試驗區差異顯著。波斯菊株高在T3、T4 試驗區顯著高于其他小區，植被蓋度在T3、T4 試驗區顯著大于其他小區(表1)。

表1 不同生物炭施加區植物株高、蓋度

植被地上生物量在T3、T2 和T4 試驗區顯著高于T1 自然恢復區和T5、T6 試驗區(圖2)。

圖2 不同生物炭施加區地上生物量指標

朱自洋等[12]研究發現土壤中添加低劑量(1%～5%)生物炭能夠明顯促進黑麥草植株的生長。陳歡等[13]認為施加生物炭可以提高作物產量穩定性;姜慧敏等[14]經過3 年試驗研究得出施加生物炭可以提高作物產量的可持續性。本研究從株高高度、植被蓋度和地上生物量三個指標可以得出施加生物炭能夠促進植被的生長與已有研究結果一致，同時得出施用1 ～2kg/m2的生物炭最利于植物的生長。

2.2 施加不同比例的生物炭對土壤理化性質的影響

不同處理下，土壤理化性質變化見圖3，由圖3 可以看出：與T2(對照組)相比不同配比的生物炭均降低了土壤的pH 值，降幅為0.11 ～0.18(圖3a)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中總有機碳的含量(P①P 表示統計學中顯著性值。＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤總有機碳增加了1.5%～3.3%，其中T4 處理效果最顯著(圖3b)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中有機質的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤有機質增加了26.02 ～59.05g/kg，其中T4 處理效果最顯著(圖3c)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中全磷的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤全磷增加了0.01%～0.12%，其中T6 處理效果最顯著(圖3d)；施加不同配比的生物炭均顯著提高土壤中全鉀的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤全鉀增加了0.1%～0.66%，其中T6 處理效果最顯著(圖3e)；除T5 處理外，其余施加生物炭均顯著提高土壤中全氮的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤全氮增加了0.96 ～1.57g/kg，其中T3 處理效果最顯著(圖3f)；施加生物炭均顯著提高土壤中有效磷的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤全氮增加了24.8 ～75.03mg/kg，其中T3 處理效果最顯著(圖3g)；施加生物炭均顯著提高土壤中速效鉀的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤速效鉀增加了269.33 ～1355mg/kg，其中T6 處理效果最顯著(圖3h)；施加1kg/m2生物炭和81kg/m2均顯著提高土壤中水解性氮的含量(P ＜0.05)，相比于T2(對照組)土壤水解性氮分別增加了53.97mg/kg和24.97mg/kg，其中T3 處理效果最顯著(圖3i)；

圖3 不同處理下土壤理化性質的變化

施加生物炭顯著降低了土壤的pH 值(P ＜0.05)，但并未改變土壤的酸堿度，排土場土壤仍然呈弱堿性，土壤中全氮、有效磷、水解性氮T3 試驗區顯著高于其他小區(P ＜0.05)，總有機碳和有機質在T4試驗區顯著高于其他小區(P ＜0.05)，全磷、全鉀和速效鉀在T6 試驗區顯著高于其他小區(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計；施用2kg/m2生物炭，最有利于土壤總有機碳和有機質的累計；施用8kg/m2生物炭，最有利于土壤全磷、全鉀和速效鉀的累計。

研究表明，生物炭能促進土壤有機質的礦化過程，也能降低土壤水溶性有機碳的淋溶損失，有利于土壤補碳和農田固碳減排[15-16]。在土柱淋溶試驗體系下，生物炭通過對土壤中銨態氮的吸附，大幅度減少了銨態氮的淋溶損失，提高了農田土壤有效氮的供應水平[17]。劉玉學等[18]研究表明，生物炭對NH4+、NO3-有較強的吸附作用，可以減少氮素的淋失，提高土壤氮含量。楊勁峰等[19]研究表明，生物炭基肥處理土壤中氮、磷、鉀養分含量均有明顯改善，其中土壤有機質和鉀含量的改善效果最為明顯。本文研究表明施加生物炭，可以顯著提高土壤中全氮、有效磷、水解性氮、總有機碳、有機質全磷、全鉀和速效鉀的含量與已有研究結果基本一致。

2.3 施加不同比例的生物炭下土壤因子與植物生長的相關性

將9 個土壤理化性質指標(pH 值、總有機碳、有機質、全磷、全鉀、全氮、有效磷、速效鉀、水解性氮)與2 個植被生長指標(地上生物量、植被覆蓋率)進行相關性分析，使用Pearson 相關系數來表示相關關系的強弱情況(表2)。由表2 可知，總有機碳與有機質呈非常顯著性正相關，相關系數為1.000(P ＜0.01)；總有機碳與全氮、有效磷、速效鉀呈顯著性正相關，相關性系數為0.881(P ＜0.05)、0.893(P ＜0.05)、0.843(P ＜0.05)；有機質與全氮、有效磷、速效鉀呈顯著性正相關，相關性系數為0.872(P ＜0.05)、0.882(P ＜0.05)、0.837(P ＜0.05)；全磷與全鉀、有效磷、速效鉀呈顯著性正相關，相關性系數為0.908(P ＜0.05)、0.821(P ＜0.05)、0.909(P＜0.05)；全鉀與速效鉀呈非常顯著性正相關，相關系數為0.946(P ＜0.01)；全氮與有效磷呈非常顯著性正相關，相關系數為0.961(P ＜0.01)；全氮與水解性氮呈顯著性正相關，相關系數為0.867(P＜0.05)；有效磷與水解性氮呈顯著性正相關，相關系數為0.861(P ＜0.05)；地上生物量與植被覆蓋率呈顯著性正相關，相關性系數為0.861(P ＜0.05)。

表2 土壤因子與生長指標相關性

生物炭具有較強的吸附能力，能有效提升土壤對有機質的吸持能力，同時吸附土壤中有機分子并聚合形成有機質，從而提高土壤有機質含量[20]；本文相關性分析中總有機碳與有機質呈非常顯著性正相關，證明土壤中的總有機碳有利于有機質的合成。

3 結論與討論

3.1 結論

施用不同比例的生物炭對植被生長和土壤改良具有顯著影響，施用1kg/m2生物炭，對植物干物質的累計及土壤全氮、有效磷和水解性氮的累計作用效果最顯著(P ＜0.05)；施用2kg/m2生物炭，對土壤中總有機碳和有機質的累計作用效果最顯著(P＜0.05)；施用8kg/m2生物炭，對土壤中全磷、全鉀和速效鉀的累計作用效果最顯著(P ＜0.05)；施用1 ～2kg/m2生物炭，最利于植被的生長?？傆袡C碳、有機質、全磷、全鉀、全氮、有效磷、速效鉀等是植被生長必不可少的營養元素，而植被恢復是礦區生態綜合治理的關鍵，在選取適合當地生境的植物前提下，可根據其生態演替規律、土壤改良和生態自修復效應篩選優勢物種，以形成長期穩定的生態系統[10]，從而達到更好的生態修復效果。從經濟性和適用性綜合考慮，施用1 ～2kg/m2生物炭的排土場生態修復效果最好。

3.2 討論

使用生物炭作為土壤改良劑，不僅可以增加土壤肥力，并有助于減少化學肥料的使用，同時也是變廢為寶，比如農業產生的大量動植物廢料—麥稈、種殼、糞便等，人類制造的垃圾—廢水中污泥或其他生活垃圾都可以用于制作生物炭。使用垃圾廢料生產生物炭還有雙重減碳的效果，垃圾肥料腐爛過程中會產生甲烷，對溫室效應的影響是二氧化碳的二十多倍。使用生物炭作為排土場生態修復的關鍵材料，不僅能夠從根源上控制空氣污染，增加地下水涵養，改善區域土壤環境，促進區域環境良性發展，同時還具有良好的、長遠的環境生態效益和社會經濟效益。