多固廢保水土壤改良劑在礦山修復中的應用

中圖分類號：X171.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）06-0019-08

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.005

Application of Multi-Solid Waste Water-Retaining Soil Amendment in Mine Remediation

WANG Caihong ^1，2 ， ZHANG Yongfeng ^1，3 ， ZHAO Qihang ^1，3 ZHANG Yinming ^1，4 （1.College of Chemical Engineering，Inner Mongolia Universityof Technology，HohhotO1oo51，China; 2.Hetao College，Bayannaoer O150oo， China; 3.NationalandLocalJointEngineering Research CentreforHighValue Utilizationof Coal-Based Solid Waste; 4.InnerMongoliaKeyLaboratoryofEficientCyclicUtilizationofCoal-BasedSolidWaste，HohhotO1oo51，China）

Abstract： Inner MongoliaAutonomous Region isaregion with abundantmineralresources，withatemperatecontinental limateand afragileecological environment.Long term developmentandutilizationofopen-pitcoal mines havecaused seriousecological problems suchassoil erosion，landdesertification，and grassanddegradation inminingareas.The experimenttakes theopen-pitcoal mineyard inariddesertas theresearchobject，applies water-retaining slow-release biologicalfertilizersoilamendment，andplants various grasses forminesoilremediation.Theresultsshowthatafterapplying soilamendments totheminingsoilinthewesternminingarea，thesoilnutrientsandorganicmatercontentaresignificantly increased，withteireaseoftemontofianicfertilerdded，teroge，hospos，otaumdnic mattercontentinesoilallinrease.Withereaseofpantingears，soilrogen，osphorus，oassm，ndnc mattershowanoveralltrendof“increase-decrease-increase\"，whilepHvalue showsatrendof“decrease-increaseunchanged.Inthethirdyearofplanting，thetreatmentwiththehighestsoilnutrientcontentisA8.Astheamountof water retainingagentaddedincreases，thesoil waterretentionratecontinuestoimprove，whentheamountofwater-retaining agent added per 667 m² of land is 900kg ，the soil water retention rate reaches its maximum.In the experimental field，seedings are madeofleisgegocaopst，esieroelaipvifoagals Limoniumaureum，inthesecondandthirdyearsof planting，statisticalanalysisisconductedontheplantspecies，biomass， density，andoverageoftovegoundprtsofeplnts，allsixplntsineexperimentaresuccessullpantedInthe third year of planting，among the 16 replicates，the maximum total coverage is 91 % ，with anaverage of 76% ，the maximum drymater biomassofaboveground vegetationis45.66g，corrsponding to treatmentA8.Basedon thecomprehensive analysis of soil nutrients，organic matter， pH value，water-retention rate，and the growth of aboveground plants，the most suitablesolutionforsoilimprovementinminesisthefertilizationcombinationofA8，asaater-retainingagent，theamount of porous silicon added per 667 m² ofland is 3Oo kg，and theamount ofbio organic fertilizeradded is3 OoO kg.The nutrient content，organicmattercontent，andwater-retentionrateofthesoilinthethirdyearofrestorationarehigherthanbefore restoration，the average coverage of aboveground plants can reach 76% ，the self-restoration function of the mine soil is established，ndtecologicalfunctionisimproed，cievingthegoalofsoilimprovementadegetationstoratioine mining area.

eywords： soil amendment; soil physical and chemical properties;mine soil remediatiol

內蒙古自治區是我國的重要能源基地，每年全區煤炭產能穩定在12億t以上，占全國煤炭產量的比重超過 25%^[1] 。煤炭資源的開發利用帶來地質環境破壞、水土流失、生物多樣性喪失等嚴重的生態問題，對社會經濟可持續發展造成不良影響。西部屬于干旱荒漠地區，露天煤礦開采區原始土壤已被破壞，基巖裸露，年均降水量不足 160mm ，蒸發量卻高達3500mm^[2] ，氣候條件惡劣，生態脆弱，土壤修復極其困難。目前，用于礦山修復的土壤改良劑主要分為有機肥類、微生物肥類、腐殖酸類、城市污泥堆肥、無機化肥等，這些改良劑主要用于農田土壤改良，功能單一，不能適應當地氣候環境和滿足草本植物的生長需求。作為一種新型土壤改良劑，活性硅保水緩釋生物肥能夠提高水土保持能力，緩解干旱，豐富土壤養分含量，調節土壤pH值，減緩養分釋放，并通過增加土壤交換能力形成新的硅酸鹽，減輕重金屬毒性[3]，硅已經被國際土壤學界認定為繼氮、磷、鉀之后的植物所需的第4種生長元素[4。生物肥中的微生物能通過分泌營養物質、協助作物吸收或產生生長激素刺激作物生長，不僅為植物提供營養，還能抑制病原菌的繁殖，從而達到提高作物產量和質量的目的[5-6]。將生物肥應用在礦山生態修復中，可調節土壤微生物群落結構，增加土壤酶活性，改善土壤肥力[7-8]。

王東麗等為探明微生物菌劑的添加是否能夠協同有機肥對復墾植物產生積極作用，以苦參為研究對象，揭示微生物菌劑與有機肥對植物生長與養分的協同作用。菌劑協同施用處理均可促進植物生長，其中，T2處理下能顯著提高植物根莖、根鮮重、根干重和芽數，與對照組相比，分別提高 26.49% /122.76% 、 109.84% 和 21.41% ；菌劑協同施用對植物養分的影響各異，對莖葉全氮含量有明顯的提升作用；從不同器官來看，莖葉的有機碳、全氮和全磷含量均大于根。劉斯文等[通過往礦區土壤中添加天然修復材料熟石灰、沸石、凹凸棒土和有機肥，改良原始土壤。改良后的土壤裝入生態袋中，筑成穩固的生態護坡。護坡上按比例播種草、灌木種子，馬道上種植經濟林木。栽種植物能夠在修復的土壤中成活，長勢良好。本文以內蒙古自治區西部煤炭露天開采礦區渣山堆場山頂為研究對象，利用活性硅、生物有機肥制備保水緩釋生物肥土壤改良劑，將土壤改良劑和多種牧草相結合，研究礦山土壤修復后的土壤理化性質、土壤保水性、牧草生長情況，以獲得適用于本地區礦山土壤修復的改良劑，為干旱荒漠地區礦山土壤生態修復提供理論依據。

1 研究區概況

以某露天煤礦渣山排土場為試驗場地，其位于內蒙古自治區烏海市海南區，如圖1所示。該地區冬季少雪，春季干旱，夏季炎熱高溫，秋季氣溫劇降，年平均氣溫為 9.6^9C ，最高氣溫為 40.2⁴C ，最低氣溫為 -36.6°C ，年均降水量不足 160mm ，年最小降水量為 71.8mm ，年均蒸發量為 3280mm ，該地屬于典型的溫帶半干旱荒漠氣候區[11-12]。渣山為采煤過程產生的煤矸石和揭皮堆場，將表面整理平整，覆厚度 1m 的客土，客土取自附近荒地，主要是風沙土和沙石土，含有大量碎石，土質結構松散，質地相對較粗，肥力低，侵蝕嚴重，土壤活性較差，極易造成水土流失。本地植被類型為草原植被，主要是沙柳、沙蒿、針茅、百里香、紫花苜蓿等小型灌木和草本植物。其土壤理化性質如表1所示。

保水緩釋生物肥。根據生物有機肥的主要成分，N含量為 10.53% ， P₂O₅ 含量為 3.15% ， K₂0 含量為 3.18% ，有機質含量為 35% 。作為保水劑，活性硅主要起到保水作用，其養分含量很低，故忽略不計。試驗植物為混合型牧草，適應性強、抗性強，耐貧瘠、耐干旱，具有防沙固土、固氮作用。以無芒隱子草、扁穗冰草、短花針茅為旱生多年生禾草為主體，搭配白沙蒿，以提高地表植被覆蓋度；以沙打旺為豆科物種，改良土壤，增加養分；輔以黃花補血草，通過混合組配，固土培肥，提高邊坡覆蓋度和植物觀賞性。

2.2試驗設計

試驗場地位于烏海市駱駝山渣山頂部，首先將山頂整平，鋪設碎石將大的石縫填滿，防止覆土下漏，然后鋪設 1m 厚的土壤，土壤取自周邊荒地，為風沙土和沙石土。設計2因素、4水平的正交試驗，每667m² 土地的硅添加量分別為0、300、600、 900kg ，每 667m² 土地的有機肥添加量分別為0、1000、2000、3000kg ，共16個處理，4個重復，共有64個試驗小區，每個小區面積為 40m² ，小區間隔為 1m ，共計 2560m² ，種植同一組配的牧草。土壤改良劑的具體用量如表2所示。播種后，采用微噴澆水，苗期每7d澆水一次，建植成功后，每 15～20d 定期澆水，越冬澆灌要充足。建植第2年4月中旬澆返青水，在6一7月天氣最干旱時，每月澆水2次。

2.3樣品采集與測定

2材料與方法

主要材料分為兩類，即土壤改良劑和試驗植物。土壤改良劑為活性硅、生物有機肥不同組配下制備的

2.1材料

2.3.1土壤樣品的采集與測定

土壤的采集按照S形設置8個采樣點，每個小區采集距地表 0～30cm 土層的土壤 10kg 以上，混合后采用四分法取土。原始土樣施加土壤改良劑翻耕后，每年秋季采集土樣，連續采集3年，測定土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量和 pH 值。采集土壤樣品帶回實驗室進行分析，速效氮采用凱氏氮法測定[12]，速效磷采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測定[13]，速效鉀采用醋酸銨浸提－火焰光度計法測定[14]，有機質含量采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定，土壤pH值采用電位計法測定[15]

2.3.2植物樣品的采集與測定

建植1年后，采用隨機樣方法對植物采樣測定，連續采集2年，采用規格 50mm×50mm 的樣方框，測定植物的種類和地上部分總干物質質量，將樣方內全部植物的地面以上部分全部收割，裝入紙袋帶回實驗室，在 105‰ 溫度下殺青 30min ， 75^°C 溫度下烘干至質量恒定，稱量干質量。

2.3.3不同處理對土壤保水性的影響

施加土壤改良劑后，當年進行土壤保水性能測試，土壤保水率從澆水當日起每天09：00采樣一次進行測量，連續采集 7d 。澆水后，立即用容積 100cm³ 的環刀分別采集距地表 0～15cm 、 15～30cm 的土壤樣品，并分別稱重，再在溫度 105°C 的恒溫干燥箱內烘干土壤，直至恒重，放置室內恒溫后稱重，之后每天采集土樣，并稱重，根據式（1）計算土壤保水率。

式中： A 為土壤保水率， % ； D 為每天采集的土壤樣品質量，g； B 為恒溫干燥后的土壤樣品質量，g;W為澆水后采集的土壤樣品質量，g。

2.4數據處理與分析

所有試驗數據均為4個重復測定的平均值，采用Excel2019軟件進行數據處理與統計分析，采用Origin2018軟件繪制圖表。采用SPSS20.0軟件進行單因素方差分析，研究土壤改良劑對礦山土壤生態修復的影響。

3 結果與分析

3.1不同處理對土壤理化性狀的影響

下面從多個角度分析不同處理對土壤理性形狀的影響。

3.1.1施加土壤改良劑后播種前土壤的理化性質

在2021年6月中旬開始試驗，根據試驗設計（見表1）施加土壤改良劑，并進行翻耕，在每個小區取樣進行化驗。從圖2可知，隨著生物有機肥添加量的增加，土壤中的氮、磷、鉀和有機質含量明顯增加，都高于對照組CK，其值與添加量呈正相關，和保水劑添加量沒有關系。每 667m² 土地的生物有機肥添加量為 3000kg 時，平行樣（A4、A8、A12、A16）的氮、磷和鉀含量平均值分別為261.87、152.44、262.84mg/kg ，有機質含量的平均值為 17.35g/kg ，客土土壤為堿性， ΔpH 值隨著生物有機肥添加量的增加而降低，每 667m² 土地的添加量達到 3000kg 時最低，其均值為 7.77 。

3.1.2礦山土壤改良后第1年秋季土壤的理化性質

由圖3可知，在礦山土壤修復第1年秋季，12個處理土壤氮、磷、鉀和有機質含量都高于對照組CK，但明顯低于剛施加土壤改良劑時的值，pH值高于剛施加土壤改良劑時的值。但是，各試驗小區數值差距較大，氮含量最大的是A4，其值為 151.96mg/kg 磷含量最大的是A16，其值為 75.53mg/kg ；鉀含量最大的是A4，其值為 165.50mg/kg ；有機質含量最大的是A4，其值為 11.06mg/kg;pH 值最低的為A8，其值為 7.66 3.1.3礦山土壤改良第2年秋季土壤的理化性質

由圖4可知，在礦山土壤修復第2年秋季，除了處理A1、A5、A9和A13，12個處理土壤的氮、磷、鉀和有機質含量都高于對照組CK，低于剛施加土壤改良劑時的值， ΔpH 值低于CK。氮含量最大的是A8，其值為 163.00mg/kg ；磷含量最大的是A8，其值為98.33mg/kg; ：鉀含量最大的是A8，其值為 200.67mg/kg 有機質含量最大的是A8，其值為 13.45mg/kg ： ΔpH 值最低的為A8，其值為 7.40 。

3.1.4礦山土壤改良后第3年秋季土壤的理化性質從圖5可以看出，在礦山土壤修復第3年秋季，除了A1、A5、A9和A13，12個處理土壤的氮、磷、鉀和有機質含量都高于對照組CK，低于剛施加土壤改良劑時的值， pH 值低于CK。氮含量最大的是A8，其值為 171.10mg/kg ；磷含量最大的是A8，其值為108.83mg/kg; 鉀含量最大的是A8，其值為 168.33mg/kg; 有機質含量最大的是A8，其值為 15.68mg/kg ： ΔpH 值最低的為A8，其值為7.34。

3.1.5小結

在建植3年中，第1年春季施加土壤改良劑后，土壤養分、有機質含量都顯著提升， ΔpH 值下降，說明土壤理化性質得到很好改善。第1年秋季，各小區土壤養分、有機質含量相比第1年春季都明顯下降，但都高于對照組CK，pH值低于CK，第1年秋季土壤理化性質最好的沒有集中在1個小區，比較分散，土壤氮、鉀和有機質含量最大的是A4，磷含量最大的是A16，pH值最低的為A8。第2年秋季，土壤氮、磷、鉀和有機質含量相比第1年秋季有小幅提升，都高于CK，低于剛施加土壤改良劑時的值， pH 值小幅升高，但pH值低于CK，土壤養分、有機質含量最高的是A8， pH 值最低的為A8；第3年秋季，土壤的氮、磷、鉀和有機質含量相比第2年小幅提升，都高于CK，但都低于施加改良劑時的值，pH值小幅度升高，但 ΔpH 值低于CK，土壤養分、有機質含量最高的是A8， ΔpH 值最低的為A8。

3.2不同處理對土壤保水性的影響

施加土壤改良劑后，當年8月10一16日進行土壤保水性能測試。8月10日09：00，水車開始帶動噴灌進行澆水（ 30min ），澆水后立即用環刀法采集土壤樣品，按照試驗設計進行測量，之后每天09：00采集土樣并稱重，研究土壤保水性。澆水當天為第1天，澆水后第2天起開始計算保水率。處理A1＼～A4每 667m² 土地的保水劑添加量為 0kg ，處理A5～A8 每 667m² 土地的保水劑添加量為 300kg 處理A9～A12每 667m² 土地的保水劑添加量為 600kg 處理 A13～A16 每 667m² 土地的保水劑添加量為900kg ，相同添加量下，土壤保水率基本一致。對比分析不同保水劑添加量下各處理土壤保水率，如圖6所示。隨著保水劑添加量的增大，土壤保水率不斷提高，每 667m² 土地的保水劑添加量為 900kg 時，土壤保水率最大。同時，隨著澆水后天數的增加，土壤水分含量逐漸減少，土壤保水率逐漸降低。澆水后前3天水分蒸發較多，保水率曲線較陡，第4天后，曲線逐漸變緩，第7天后，保水率基本不再變化。相同時間和相同處理下，距地表 0～15cm 的土壤保水率小于 30% 。

3.3不同處理下地上植物生長情況評價

地上植物部分主要統計植物種類、干物質和蓋度。試驗共采樣2次，每年7月進行采樣，設計4個重復，每個重復有16個樣品，求其測定結果的平均值。黃花補血草、無芒隱子草、白沙蒿、沙打旺、針茅和扁穗冰草6種植物都建植成功，蟲實草、灰綠藜和堿蓬為客土時的鄉土植物。

由圖7（a）可知，2022年16個重復中，總蓋度最大值為 78% ，平均值為 55% ，地上植被生物量干物質最大值為 25.81g ，都為A8。由圖7（b）可知，2023年16個重復中，總蓋度最大值為 91% ，平均值為76% ，地上植被生物量干物質最大值為 45.66g ，為 A8 A8每 667m²"土地的保水劑多孔硅添加量為 300kg 每 667m²"土地的生物有機肥添加量為 3000kg.

4結論

內蒙古自治區西部礦區礦山土壤施加改良劑后，土壤養分、有機質含量都明顯提高。隨著生物有機肥添加量的增加，土壤中的氮、磷、鉀和有機質含量也在增加，當每 667m² 土地的添加量為 3000kg 時，各組分含量均最大，而 pH 值則相反，當每 667m² 土地的添加量為 3000kg 時，各組分含量均最小。隨著建植年份的增加，土壤氮、磷、鉀和有機質含量整體呈現先“增加一減少一增加”的變化趨勢， ΔpH 值呈現“降低一增加一不變”的變化趨勢，說明礦山土壤修復后，土壤建立自我修復功能，生態系統得到改善。隨著保水劑添加量的增大，土壤保水率不斷提高，每 667m² 土地的保水劑添加量為 900kg 時，土壤保水率最大。同時，隨著澆水后天數的增加，土壤水分含量逐漸減少，土壤保水率逐漸降低。在澆水后前 3d ，水分蒸發較快，保水率曲線較陡，第4天后曲線逐漸變緩，第7天后保水率基本不再變化。相同時間和相同處理下，距地表 0～15cm 的土壤保水率小于 30% 。試驗田播種無芒隱子草、扁穗冰草、白沙蒿、短花針茅、沙打旺和黃花補血草，6種植物都建植成功，還發現3種客土引入鄉土植物。在建植的第2年16個重復中，總蓋度最大值為 78% ，平均總蓋度為 55% ，地上植被生物量干物質最大值為 25.81g ，為A8；在建植的第3年16個重復中，總蓋度最大值為 91% ，平均總蓋度為 76% ，地上植被生物量干物質最大值為 45.66g 為A8。整體來看，總蓋度呈現逐年增加的趨勢。從土壤的養分、有機質、 pH 值、保水率以及地上植物生長情況綜合分析，本地礦山土壤改良的最適配方案是A8，作為保水劑，每 667m² 土地的多孔硅添加量為 300kg ，生物有機肥添加量為 3000kg

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