礦山固體廢物土壤化改良試驗研究

張大勇 楊小牛 劉立波 白楊 李朝陽

收稿日期：2024-01-20;? 修回日期：2024-04-08

基金項目：國家重點研發計劃項目（2018YFC1902001）

作者簡介：張大勇（1993—），男，工程師，從事黃金礦山生態修復研究工作；E-mail：1130062865@qq.com

摘要：為解決西北干旱草原地區黃金礦山生態修復客土資源短缺的難題，選用以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料制備的理化性質改良材料對某黃金礦山排土場廢石進行土壤化改良試驗研究，用以代替表土資源進行生態修復。通過分析不同改良配比廢石粉的理化性質指標變化和植物生長指標，驗證了黃金礦山固體廢物土壤化改良的可行性。結果表明：①添加理化性質改良材料對廢石粉進行土壤化改良，既可有效將廢石粉堿性基質調節至中性，又可降低廢石粉密度至滿足常規土壤要求，還可以有效提高廢石粉持水保水能力。②理化性質改良材料可以有效增加廢石粉中植物生長所需營養物質，使土壤化改良后的廢石粉滿足植被生長所需要的基本條件。③綜合黑麥草的植株發芽率、植株高度、植株根莖長和植株生長量等指標，確定理化性質改良材料添加量15 %較為適宜廢石粉的土壤化改良。

關鍵詞：固體廢物；理化性質改良材料；廢石粉；生態修復；土壤化改良

中圖分類號：TD88????????? 文章編號：1001-1277（2024）06-0091-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240617

引? 言

黃金工業提金與其他金屬提取有所區別，大部分黃金礦山金品位較低，回收有價物質后會產生大量廢石， 其堆積占用大量土地。隨著國內黃金開采量逐年增加，金礦開采特別是露天開采占用和破壞的土地面積也逐年增加，造成生態系統破壞程度也越來越大，特別是在一些生態環境脆弱區域，如西北草原地區，一旦生態環境遭到破壞，恢復難度較大［1-2］。《土地復墾條例》明確規定，生產建設活動損毀的土地，按照“誰損毀，誰復墾”原則，由生產建設單位或個人負責復墾［3-4］。因此，黃金礦山企業積極實施礦山土地資源復墾和環境綜合治理，恢復和提高礦山土地生產力。通過處理固體廢物、改良土壤、合理重建地面排水和大規模生態復墾等，可有效防止大氣、水體、土壤的污染和水土流失，改善和提高礦山生態環境水平，使土地資源得到高效、充分利用。

傳統礦山生態修復多采用表面覆土結合植被恢復的方式，但西北干旱草原地區的一些礦山企業面臨表土資源短缺難題，無法采用傳統覆土方式進行生態修復［5］。如果能夠將礦山現有固體廢物通過土壤化改良用以代替表土進行無土、少土生態修復，既可以實現固體廢物再利用，減少固體廢物堆存對周邊環境造成的安全隱患，又可以解決礦山企業面臨的表土資源緊缺難題［6-7］。因此，開展針對礦山固體廢物的土壤化改良研究對于缺土地區的生態修復工作具有重要意義。

本文選用以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料制備的理化性質改良材料，對某黃金礦山排土場廢石粉進行土壤化改良，將改良后的廢石粉代替土壤進行植被種植試驗研究，探討不同理化性質改良材料添加量對排土場廢石粉基質改良效果的影響，以及在不同配比條件下植被生長的差異性，為礦山固體廢物土壤化改良和無土、少土生態修復提供依據。

1? 試驗部分

1.1? 試驗材料

試驗所用理化性質改良材料以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料，采用“高溫氣解”“發酵堆肥”等技術制備而成；固體廢物為西北干旱草原地區某黃金礦山排土場的廢石粉，對其理化性質進行檢測分析，結果見表1；選取多年生黑麥草種子進行植被種植試驗。

由表1可知：廢石粉pH值為8.38，呈堿性，不利于常規植物的生長。土壤密度可以反映土壤的孔隙狀況，是表征土壤松緊度的一個指標；正常土壤密度一般為1.0～1.8 g/cm3［8］，廢石粉密度為2.18 g/cm3，明顯高于正常土壤，說明廢石粉的透氣性較差，不利于植物的生長。全氮、全磷、全鉀、有機質質量分數分別為0.33 g/kg、0.14 g/kg、8.5 g/kg、

6.82 g/kg，對照全國第二次土壤普查養分分級標準［9］（見表2）可知，全氮和全磷含量為六級土壤標準，全鉀和有機質含量為五級土壤標準，說明廢石粉中營養物質極度匱乏，必須在廢石粉中補充營養物質才能實現廢石粉的土壤化改良。

1.2? 試驗方法

本試驗共設置7組不同理化性質改良材料添加量的對比水平，在溫室大棚中進行。將理化性質改良材料和排土場廢石粉按照設計配比混合均勻裝入花盆中，花盆長40 cm、寬16 cm、高10 cm，每個花盆裝5 kg改良后廢石粉，壓實，種植黑麥草，定期澆水。改良后廢石粉盆栽試驗方案見表3。

1.3? 測定項目及分析方法

土壤pH采用玻璃電極法測定，有機質采用重鉻酸鉀滴定法測定，全氮采用自動定氮儀法測定，全磷采用分光光度法測定，全鉀采用電感耦合等離子體（ICP）法測定。

2? 結果與討論

2.1? 改良廢石粉理化性質分析

2.1.1? 酸堿度

不同配比改良廢石粉pH變化見圖1。由圖1可知：未改良廢石粉pH值為8.38，呈堿性，不利于植被生長。隨著理化性質改良材料添加量的增加，改良廢石粉基質pH逐漸降低，由弱堿性降低為中性;在理化性質改良材料添加量達到30 %時，改良廢石粉pH值降低至7.5。理化性質改良材料可以改善廢石粉pH是因為其主要的制備原材料——玉米秸稈在發酵過程中會產生大量腐殖酸和黃腐酸，二者呈弱酸性，可有效調節廢石粉酸堿度，使其達到適宜植被生長的水平［10-11］。

2.1.2? 密? 度

不同配比改良廢石粉密度變化見圖2，不同配比改良廢石粉孔隙度變化見圖3。由圖2、圖3可知：隨著理化性質改良材料添加量的增加，改良廢石粉的密度逐漸降低，孔隙度逐漸增加。在理化性質改良材料添加量達到15 %時，改良廢石粉密度降低到1.8 g/cm3以下，達到正常土壤密度。理化性質改良材料之所以能夠有效改善廢石粉的土壤結構，是因為其本身密度較小，并且有較大的孔隙度，與廢石粉混合可機械性改善廢石粉顆粒的組成，提升其疏松程度。同時，理化性質改良材料中黃腐酸和腐殖酸分解產生的有機膠結物質具有適度的黏結性，可進一步促進廢石粉顆粒間的團聚和大粒徑團聚體的形成，從而起到改善土壤結構、增加土壤孔隙度、降低土壤密度的作用。

2.1.3? 持水保水能力

本試驗的持水量為5 kg土壤在飽水狀態下自然放置24 h后的剩余持水量，剩余持水量與土壤總體積之比為持水度。不同配比改良廢石粉持水量變化見圖4，不同配比改良廢石粉持水度變化見圖5。由圖4、圖5可知：隨著理化性質改良材料添加量的增加，改良廢石粉的持水量和持水度逐漸升高;原因是理化性質改良材料本身具有很大的孔隙度和較強持水保水能力，可有效改善廢石粉持水保水性能，這對于西北干旱草原地區的生態修復尤其重要。因為該地區降雨量少，蒸發強度大，改良廢石粉持水保水能力的提高意味著可以減少水分的損失，更有利于植物生長［12-13］。

2.1.4? 營養物質含量

不同配比改良廢石粉有機質質量分數變化見圖6，不同配比改良廢石粉全氮、全磷、全鉀質量分數變化見圖7。由圖6、圖7可知：隨著理化性質改良材料添加量的增加，改良廢石粉中的全氮、全磷、全鉀和有機質含量均有不同程度的提高。對照全國第二次土壤普查養分分級標準中的等級劃分可知，在理化性質改良材料添加量為10 %時，對比未改良廢石粉，改良廢石粉全氮含量由六級土壤標準變為一級土壤標準，有機質含量由五級土壤標準變為一級土壤標準，全磷含量由六級土壤標準變為二級土壤標準，全鉀含量由五級土壤標準變為二級土壤標準。這說明理化性質改良材料中的全氮、全磷、全鉀和有機質等營養物質含量豐富，可以有效改善廢石粉中營養物質匱乏問題，使改良廢石粉基質更加適宜植物生長。

2.2? 黑麥草生長狀況差異性分析

對不同改良配比下黑麥草的發芽率和不同時期的植株高度進行記錄，并在黑麥草生長期結束后對其根長、莖長、鮮質量和干質量等進行檢測。不同改良配比下黑麥草生長情況見圖8（從左到右依次為：M2、M3、M4、M5、M6、M7）。試驗發現，M1中黑麥草發芽率較低，且發芽后全部死亡。

2.2.1? 植株發芽率

不同改良配比下黑麥草發芽率變化見圖9。由圖9可知：未改良廢石粉不適于黑麥草生長，其發芽率僅為36.7 %；當理化性質改良材料添加量為10 %～20 %時，黑麥草發芽率大于90 %；當理化性質改良材料添加量增加到20 %～30 %，黑麥草發芽率有所降低，說明理化性質改良材料添加量并非越高越好，應當適量。因此，從發芽率指標來考慮，改良廢石粉中理化性質改良材料添加量在10 %～20 %時較為適宜。

2.2.2? 植株高度

不同改良配比下黑麥草不同生長期高度變化見圖10。由圖10可知：在黑麥草生長前20 d內，不同改良配比廢石粉中植株高度差異較小；生長時間為60 d時，各組別植株高度出現明顯差異。隨著理化性質改良材料添加量的增加，植株高度明顯增加，當理化性質改良材料添加量達到15 %時，對比添加量小于15 %的3組，植株高度有明顯增加，但當理化性質改良材料添加量繼續增加時，植株高度趨于穩定，不再有明顯的增加。因此，從植株高度指標來考慮，改良廢石粉中理化性質改良材料添加量達到15 %時即可滿足植被的生長需求。

2.2.3? 植株根莖長

不同改良配比下黑麥草根長變化見圖11，不同改良配比下黑麥草莖長變化見圖12。由圖11和圖12可知：黑麥草植株的根長和莖長變化規律具有一致性，均隨理化性質改良材料添加量的增加先增加后趨于穩定。當理化性質改良材料添加量達15 %時，黑麥草植株的根長和莖長均達到最高；繼續增加理化性質改良材料添加量，根長和莖長趨于穩定，不再有明顯增長。因此，從植株根長和莖長指標來考慮，改良廢石粉中理化性質改良材料添加量達到15 %時即可滿足植被的生長需求。

2.2.4? 植株生長量

在黑麥草生長期結束后，將植株根部泥土清洗干凈，用吸水紙吸干水分，測量植株鮮質量，然后在60 ℃烘箱中恒溫將黑麥草植株烘干至恒定質量，測量黑麥草植株干質量。不同改良配比下黑麥草生長量變化見圖13。由圖13可知：當理化性質改良材料添加量達到10 %時，對比添加量小于10 %的2組，植株生長量明顯增加；之后隨著理化性質改良材料添加量的增加，黑麥草植株鮮質量緩慢增加；當理化性質改良材料添加量達到20 %時，黑麥草植株干質量達到最大。因此，從植株生長量指標來考慮，改良廢石粉中理化性質改良材料添加量在10 %～20 %時較為適宜。

3? 結? 論

1）通過采用“高溫氣解”“發酵堆肥”等技術制備出的理化性質改良材料富含黃腐酸和腐殖酸等物質，既可以改善廢石粉的堿性基質，又可降低廢石粉密度。同時，由于理化性質改良材料具有很大的孔隙度和較強持水保水能力，可以有效改善廢石粉的持水保水性能，更有利于干旱地區植物的生長。

2）理化性質改良材料中的全氮、全磷、全鉀和有機質等營養物質含量豐富，通過在廢石粉中添加適量比例的理化性質改良材料，可以有效改善廢石粉中營養物質匱乏問題，使改良后的廢石粉能夠滿足植物生長需求。

3）通過對不同改良配比廢石粉中黑麥草的生長狀況考察發現，在理化性質改良材料添加量為15 %時，黑麥草的植株發芽率、植株高度、植株根莖長和植株生長量等指標均較優，因此確定15 %的理化性質改良材料添加量為廢石粉土壤化改良的最佳配比。

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Experimental study on soil modification of solid waste from? mines

Zhang Dayong1，Yang Xiaoniu2，Liu Libo2，Bai Yang2，Li Chaoyang3

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

2.Inner Mongolia Pacific Mining Co.，Ltd.;

3.Henan Zhongyuan Gold Smelter LLC.）

Abstract：To solve the problem of guest soil resources for ecological restoration of a gold mine in the arid grassland region of Northwest，a study was conducted on using physicochemical modified materials prepared from raw materials such as corn straw，cow and sheep manure，and biological agents to improve the soil of the dump waste rock in the gold mine，replacing the surface soil resources for ecological restoration.By analyzing the changes in physicochemical properties and plant growth indicators of waste rock powder? with different modification ratios，the feasibility of soil modification of solid waste of a gold mine was verified.The results showed that：①adding physicochemical modified materials to improve the waste rock powder? can effectively adjust the alkaline properties of the waste rock powder to neutral，reduce the density of the waste rock powder to meet conventional soil requirements，and effectively improve the water retention capacity of the waste rock powder;②physicochemical modified materials can effectively increase the nutrients needed for plant growth in the waste rock powder，making the waste rock powder after soil modification meet the basic conditions for vegetation growth;③combining indicators such as germination rate，plant height，root and stem length，and plant growth of ryegrass，it was determined that the addition of 15 %of physicochemical modified materials is suitable for soil modification of waste rock powder.

Keywords：solid waste;physicochemical modified materials;waste rock powder;ecological restoration;soil modification