污水處理廠污泥用于礦山廢棄地生態修復后土壤肥力變化的研究

徐慧+管蓓

摘要：指出了污水處理廠污泥結合植被種植可用于礦山廢棄地的土壤恢復，探討了生態修復后土壤的肥力變化情況。結果表明：礦山廢棄地植被重建后，土壤水分物理性能得到提高，特別是土壤有所增加；伴隨修復的進行，土壤中有機質、水解N、速效P、速效K含量均呈下降趨勢，但總體依然保持較好的水平，能夠支撐植物生長；使用污泥覆土修復后，各種植物生長良好，起到了較好的廢棄地復綠作用。

關鍵詞：污水處理廠污泥；礦山廢棄地；生態修復

中圖分類號：S156

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0033-03

1 引言

礦山廢棄地是指由于采礦活動挖損、塌陷、壓占、污染等原因而造成的不能利用的土地[1]。目前，礦山廢棄地的生態修復是我國區域環境綜合整治的難點和焦點，究其原因主要是長期采礦作業導致礦山表層土壤流失嚴重，且殘存的土壤十分貧瘠，無法提供植物生長所需的生境[2]。污泥是城市污水處理廠工藝過程中的代謝產物，其由有機殘體、細菌菌體、無機顆粒、膠體等物質組成，其突出的特點是有機質含量和含水率較高。將穩定化處理后的污泥施用于林區、農區、礦區的土壤基質改良，不僅可以有效解決待修復區土壤稀薄及肥力低下的問題，還能妥善安置好大量污泥的去處[3]。因此，污泥覆土結合植物種植已成為我國礦山廢棄地生態修復的重要模式。鑒于此，筆者重點探討了這種修復模式應用于礦山廢棄地后土壤理化性質的演變規律，以期為城市污水廠污泥資源化利用提供相關數據支撐。

2 研究區概況及樣地布置

2.1 研究區概況

研究區位于南京市浦口區某廢棄采礦場，山體主要由石灰巖、砂巖組成，發育的土壤以普通黃棕壤為主。由于多年的礦石開采，該區域的地貌和植被受到嚴重的損毀。現場調查發現，礦山坡腳處地形較平緩，表層附著約3cm厚的巖土（粘粒含量不足8%，以石礫和沙粒為主），并有少量野菊和雜草生長。總體而言，相較其他區位，坡腳處開展生態修復的條件較為成熟。

2.2 實驗樣地布置

利用坡腳處整體呈環形的自然狀況，在坡腳修建擋土墻構筑修復平臺，將穩定化處理后的污泥、礦山廢渣、熟土按不同比例混合后回填到平臺，具體配比見表1。覆土后的坡腳平臺呈30°的坡度。坡腳平臺覆土前后對比見圖1。覆土后的平臺具備了植物生長的必要條件，選擇種植欒樹、構樹、狗牙根等鄉土植物。

3 試驗方法

本研究以紫金山自然狀態的森林土壤為對照土樣，分別于2015年9月、2016年3月、2016年6月及2016年9月按“品”字形路線在試驗樣地采樣4次，挖取0～20 cm、20～40 cm土層的土樣，依據土壤理化測試的國家標準測定土壤容重、孔隙率和田間持水量、有機質含量、水解N含量、速效P含量、速效K含量[4]。

4 結果分析

4.1 土壤物理性能變化

容重可以表征土壤的透水性、通氣性和根系伸展性，是土壤物理性狀的重要指標[5]。從表2中可以發現，在生態修復的這1年里，各土層的容重均呈現出下降趨勢，0～20 cm土層容重由1.42 g/cm³減少到了1.38 g/cm³，略高于同土層森林土壤容重；20～40 cm土層容重由1.50 g/cm³減少到了1.44 g/cm³，略低于同土層森林土壤容重。毛管孔隙度是衡量土壤水分性能的重要指標。從表2中可以發現，在生態修復的前半年里，由于降水和重力的沖壓作用，且初栽植物的根系還未完全伸展穿插，土壤孔隙狀況有所弱化。此后半年，伴隨著植物根系的完善以及土壤中微生物活動的增強，土壤中的團粒體得以形成，進而有效的促進了孔隙度的改善。相比1年前的土壤本底值，0～20 cm土層土壤毛管孔隙度由10.79%上升到11.11%，接近同土層森林土壤毛管孔隙度。類似的變化還可以從非毛管孔隙度和田間持水量的測定值看出。總體而言，被修復土壤的物理性狀得到了一定的改善，有利于植物的生長。

4.2 土壤營養性能分析

土壤中有機質、水解氮、速效磷及速效鉀的含量能夠較好的表征土壤供肥能力[6]。生態修復一年間，土壤營養指標變化情況見表3。可以看出，礦山廢棄地植被重建后，由于降水的淋洗沖刷和植物自身的分解吸收，加之初栽植物固持水土能力較弱，0～20 cm和20～40 cm土層的有機質含隨著生態修復的進行呈現出減少趨勢，這種減少趨勢在修復之初最為顯著。生態修復1年后，0～20 cm和20～40 cm土層的有機質含量依然高出對照土樣143%和138%。這說明污泥能夠直接提升土壤中有機質含量，為植物生長提供養分。

氮是植物生長和發育所需的大量營養元素之一，研究指出土壤中水解氮含量在50～100 mg/kg時，氮素供應水平良好。由表3可以看出，盡管隨著時間遷移，各土層土壤的水解氮呈下降趨勢，但1年后的礦山廢棄地土壤的水解氮含量總體處于較好的水平。土壤速效磷含量是衡量土壤磷素供應狀況的較好指標，當土壤速效磷含量在10～15 mg/kg時，一般松樹和闊葉樹均能正常生長。從表3中可以發現，生態修復1年后，各土層的速效磷含量仍舊超過了這一標準，因此能夠促進植物生長。土壤速效鉀是土壤鉀素的現實供應指標。從表3中可以發現，隨著生態修復的進行，土壤中速效鉀含量的降低很是明顯，特別是表層0～20 cm土層，速效鉀含量從393.9 mg/kg降至211.57 mg/kg，降幅達46.29%。究其原因主要是植物的快速生長對鉀元素的消耗極大，此外鉀元素在降水沖刷時容易流失。總體而言，穩定化污泥可以為廢棄地修復過程植物的生長提供養分供給，但鉀元素的損耗極大，應給予適當補充。

4.3 礦山廢棄地植被重建后植物生長狀況

礦山廢棄地植被重建1年后，由于污泥中豐富的營養物質為植物生長提供了良好的生境，栽植的各種喬灌木長勢良好見圖2。喬木胸徑已達7 cm左右，樹高超過3 m，草本植物生長尤為繁茂，植被覆蓋度達到90%以上。同時還發現了許多能富集或超富集重金屬的植物，如菊科中的野菊花、白苞蒿、蒼耳等。

5 結論

穩定化處理后的生活污水處理廠污泥用于礦山廢棄地生態恢復后，廢棄地土壤水分物理性能有所提高；隨著修復的進行，土壤中的肥力指標呈下降趨勢，但仍然處于良好的營養供應水平。隨著草本植物的生長，礦山廢棄地土壤保肥能力增強，能夠滿足植物在連續生產中對土壤肥力的要求。礦山廢棄地植被重建后，由于當地水熱條件適宜，大量草本植物通過風媒或蟲媒等形式傳播到此，并茂密生長。因此，在以后的礦山廢棄地修復過程中，應注重對灌木和喬木的引種和養護。本研究中，穩定化污泥采用的是一次多量施入的覆土方式，然而植物在不同生長階段的肥力需求有所差別。因此，在以后的修復過程中可以根據植物生長周期和當地降水分布情形，采用少量多次施入的方式來改良土壤基質，這樣循序漸進地提高土壤肥力可以降低水土流失的風險，進而減少由于施肥不當帶來的非點源污染。

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