污水处理厂污泥用于矿山废弃地生态修复后土壤肥力变化的研究

徐慧+管蓓

摘要：指出了污水处理厂污泥结合植被种植可用于矿山废弃地的土壤恢复，探讨了生态修复后土壤的肥力变化情况。结果表明：矿山废弃地植被重建后，土壤水分物理性能得到提高，特别是土壤有所增加；伴随修复的进行，土壤中有机质、水解N、速效P、速效K含量均呈下降趋势，但总体依然保持较好的水平，能够支撑植物生长；使用污泥覆土修复后，各种植物生长良好，起到了较好的废弃地复绿作用。

关键词：污水处理厂污泥；矿山废弃地；生态修复

中图分类号：S156

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0033-03

1 引言

矿山废弃地是指由于采矿活动挖损、塌陷、压占、污染等原因而造成的不能利用的土地[1]。目前，矿山废弃地的生态修复是我国区域环境综合整治的难点和焦点，究其原因主要是长期采矿作业导致矿山表层土壤流失严重，且残存的土壤十分贫瘠，无法提供植物生长所需的生境[2]。污泥是城市污水处理厂工艺过程中的代谢产物，其由有机残体、细菌菌体、无机颗粒、胶体等物质组成，其突出的特点是有机质含量和含水率较高。将稳定化处理后的污泥施用于林区、农区、矿区的土壤基质改良，不仅可以有效解决待修复区土壤稀薄及肥力低下的问题，还能妥善安置好大量污泥的去处[3]。因此，污泥覆土结合植物种植已成为我国矿山废弃地生态修复的重要模式。鉴于此，笔者重点探讨了这种修复模式应用于矿山废弃地后土壤理化性质的演变规律，以期为城市污水厂污泥资源化利用提供相关数据支撑。

2 研究区概况及样地布置

2.1 研究区概况

研究区位于南京市浦口区某废弃采矿场，山体主要由石灰岩、砂岩组成，发育的土壤以普通黄棕壤为主。由于多年的矿石开采，该区域的地貌和植被受到严重的损毁。现场调查发现，矿山坡脚处地形较平缓，表层附着约3cm厚的岩土（粘粒含量不足8%，以石砾和沙粒为主），并有少量野菊和杂草生长。总体而言，相较其他区位，坡脚处开展生态修复的条件较为成熟。

2.2 实验样地布置

利用坡脚处整体呈环形的自然状况，在坡脚修建挡土墙构筑修复平台，将稳定化处理后的污泥、矿山废渣、熟土按不同比例混合后回填到平台，具体配比见表1。覆土后的坡脚平台呈30°的坡度。坡脚平台覆土前后对比见图1。覆土后的平台具备了植物生长的必要条件，选择种植栾树、构树、狗牙根等乡土植物。

3 试验方法

本研究以紫金山自然状态的森林土壤为对照土样，分别于2015年9月、2016年3月、2016年6月及2016年9月按“品”字形路线在试验样地采样4次，挖取0～20 cm、20～40 cm土层的土样，依据土壤理化测试的国家标准测定土壤容重、孔隙率和田间持水量、有机质含量、水解N含量、速效P含量、速效K含量[4]。

4 结果分析

4.1 土壤物理性能变化

容重可以表征土壤的透水性、通气性和根系伸展性，是土壤物理性状的重要指标[5]。从表2中可以发现，在生态修复的这1年里，各土层的容重均呈现出下降趋势，0～20 cm土层容重由1.42 g/cm³减少到了1.38 g/cm³，略高于同土层森林土壤容重；20～40 cm土层容重由1.50 g/cm³减少到了1.44 g/cm³，略低于同土层森林土壤容重。毛管孔隙度是衡量土壤水分性能的重要指标。从表2中可以发现，在生态修复的前半年里，由于降水和重力的冲压作用，且初栽植物的根系还未完全伸展穿插，土壤孔隙状况有所弱化。此后半年，伴随着植物根系的完善以及土壤中微生物活动的增强，土壤中的团粒体得以形成，进而有效的促进了孔隙度的改善。相比1年前的土壤本底值，0～20 cm土层土壤毛管孔隙度由10.79%上升到11.11%，接近同土层森林土壤毛管孔隙度。类似的变化还可以从非毛管孔隙度和田间持水量的测定值看出。总体而言，被修复土壤的物理性状得到了一定的改善，有利于植物的生长。

4.2 土壤营养性能分析

土壤中有机质、水解氮、速效磷及速效钾的含量能够较好的表征土壤供肥能力[6]。生態修复一年间，土壤营养指标变化情况见表3。可以看出，矿山废弃地植被重建后，由于降水的淋洗冲刷和植物自身的分解吸收，加之初栽植物固持水土能力较弱，0～20 cm和20～40 cm土层的有机质含随着生态修复的进行呈现出减少趋势，这种减少趋势在修复之初最为显著。生态修复1年后，0～20 cm和20～40 cm土层的有机质含量依然高出对照土样143%和138%。这说明污泥能够直接提升土壤中有机质含量，为植物生长提供养分。

氮是植物生长和发育所需的大量营养元素之一，研究指出土壤中水解氮含量在50～100 mg/kg时，氮素供应水平良好。由表3可以看出，尽管随着时间迁移，各土层土壤的水解氮呈下降趋势，但1年后的矿山废弃地土壤的水解氮含量总体处于较好的水平。土壤速效磷含量是衡量土壤磷素供应状况的较好指标，当土壤速效磷含量在10～15 mg/kg时，一般松树和阔叶树均能正常生长。从表3中可以发现，生态修复1年后，各土层的速效磷含量仍旧超过了这一标准，因此能够促进植物生长。土壤速效钾是土壤钾素的现实供应指标。从表3中可以发现，随着生态修复的进行，土壤中速效钾含量的降低很是明显，特别是表层0～20 cm土层，速效钾含量从393.9 mg/kg降至211.57 mg/kg，降幅达46.29%。究其原因主要是植物的快速生长对钾元素的消耗极大，此外钾元素在降水冲刷时容易流失。总体而言，稳定化污泥可以为废弃地修复过程植物的生长提供养分供给，但钾元素的损耗极大，应给予适当补充。

4.3 矿山废弃地植被重建后植物生长状况

矿山废弃地植被重建1年后，由于污泥中丰富的营养物质为植物生长提供了良好的生境，栽植的各种乔灌木长势良好见图2。乔木胸径已达7 cm左右，树高超过3 m，草本植物生长尤为繁茂，植被覆盖度达到90%以上。同时还发现了许多能富集或超富集重金属的植物，如菊科中的野菊花、白苞蒿、苍耳等。

5 结论

稳定化处理后的生活污水处理厂污泥用于矿山废弃地生态恢复后，废弃地土壤水分物理性能有所提高；随着修复的进行，土壤中的肥力指标呈下降趋势，但仍然处于良好的营养供应水平。随着草本植物的生长，矿山废弃地土壤保肥能力增强，能够满足植物在连续生产中对土壤肥力的要求。矿山废弃地植被重建后，由于当地水热条件适宜，大量草本植物通过风媒或虫媒等形式传播到此，并茂密生长。因此，在以后的矿山废弃地修复过程中，应注重对灌木和乔木的引种和养护。本研究中，稳定化污泥采用的是一次多量施入的覆土方式，然而植物在不同生长阶段的肥力需求有所差别。因此，在以后的修复过程中可以根据植物生长周期和当地降水分布情形，采用少量多次施入的方式来改良土壤基质，这样循序渐进地提高土壤肥力可以降低水土流失的风险，进而减少由于施肥不当带来的非点源污染。

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