劉延濱，崔崧，王承義，孫國芝

(黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱 150081)

黑龍江省礦產(chǎn)資源較為豐富，素有“三千里山河金鑲邊”之說，黑龍江流域的砂金居全國第一位。沙金開采對環(huán)境破壞十分嚴(yán)重，形成了很多采礦跡地，表現(xiàn)為景觀破碎，水土流失嚴(yán)重，土壤重金屬污染嚴(yán)重，植被恢復(fù)困難，嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境[1-2]。黑龍江省屬于高寒和高緯度地區(qū)，冬季漫長、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、初級生產(chǎn)量低、能量轉(zhuǎn)化及物質(zhì)循環(huán)慢、抗干擾能力差，生態(tài)脆弱，因此沙金礦采礦跡地的生態(tài)恢復(fù)更加迫在眉睫。土壤是植物生長的基質(zhì)，基質(zhì)的改良是金礦采礦跡地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵問題?；|(zhì)改良的方法主要分為物理、化學(xué)和生物的改良技術(shù)，三者之間是相輔相成的關(guān)系，只是側(cè)重點有所不同[3-7]。

金礦的開采對環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重，表現(xiàn)在幾個方面：植被幾乎消失，生物多樣性嚴(yán)重下降；土壤保水性嚴(yán)重降低，剝蝕嚴(yán)重，易發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害，比如滑坡、泥石流、崩塌等等；水質(zhì)嚴(yán)重污染，主要是冶煉所產(chǎn)生的廢水，廢渣經(jīng)淋溶產(chǎn)生的有毒物質(zhì)進入土壤，從而污染地下水，土壤也污染嚴(yán)重，富含各種有害重金屬[8-9]。本文針對沙金礦采礦跡地的特點使用化學(xué)方法進行土壤改良，添加土壤改良劑，能夠快速改善土壤的理化性質(zhì)，迅速恢復(fù)植被，分別使用粉煤灰、保水劑和食用菌廢料，通過在樟子松的栽植評價不同土壤改良劑對植被恢復(fù)的效果。

1 材料和方法

1.1 實驗區(qū)自然環(huán)境概述

實驗區(qū)設(shè)置在大興安嶺地區(qū)加格達奇林業(yè)局管區(qū)古利庫林場砂金礦采礦廢棄地(50°51'35″～50°48'25″N，125°30'58″～125°35'42″E)。砂金礦采礦主要以沿河流露天機械化溜槽方式開采，采礦后形成大量廢棄地，約1000 hm2。該區(qū)域氣候類型屬于寒溫帶季風(fēng)氣候，夏季溫度較高，但十分短暫(一般為7月和8月)；冬季嚴(yán)寒漫長(長達半年)，最低溫度可達-48 ℃；無霜期較短(一般為5月中旬到9月中旬)，植物平均生長期為90～100 d。年平均氣溫為-3 ℃，年平均降水量為600 mm左右(降水主要發(fā)生在每年4～9 月，占全年90%)。該區(qū)域土壤類型主要為棕色針葉林土、棕色森林土、草甸沼澤土和腐殖質(zhì)沼澤土。該區(qū)域植被屬于東西伯利亞植物區(qū)系，天然植被以興安落葉松為主要優(yōu)勢種的針闊葉混交林，主要喬木植物種類有興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、岳樺(Betulaermanii)和蒙古櫟(Quercusmongolica)等，草本植物主要以菊科為主。采礦廢棄地形成的尾礦土主要以礫石為主，粒徑為0.5～5.0 cm，粉粒和黏粒約10%，細砂含量約20%～30%。

1.2 研究方法

采礦跡地基質(zhì)改良實驗選取3年生樟子松容器苗用于采礦跡地生態(tài)恢復(fù)，通過隨機區(qū)組實驗，在種植過程中分別采用不同的處理：施入粉煤灰以抑制重金屬對于植物的影響；施入食用菌廢料增加土壤的營養(yǎng)，同時增加土壤的蓄水保墑的能力；使用保水劑提高苗木的抗旱性；對照用于比照各處理的效果。分別在植入第2年調(diào)查植株的存活率、高度、地徑和當(dāng)年生長量。在處理后2年調(diào)查土壤的理化性質(zhì)。速效N用擴散法測定；速效P用鉬銻抗比色法測定；速效K火焰光度法測定，測定儀器為TAS-990原子吸收分光光度計；土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；pH值用pH-3型酸度計測定；土壤Cr 測定，采用土樣經(jīng)鹽酸-硝酸-氫氟酸消解后，加氯化銨液，使用TAS-990原子吸收分光光度計進行測定；含水量測定用烘干法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)方差分析使用One-Way ANOVA，分析前進行方差齊性檢驗和正態(tài)分布檢驗，滿足的進行方差分析，不符合的使用非參數(shù)檢驗Kruskal-Wallis test。統(tǒng)計軟件Origin(OriginPro v. 9.1.0; OriginLab Corporation)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤改良劑對土壤理化性質(zhì)的影響

使用粉煤灰、保水劑和食用菌廢料對土壤基質(zhì)的理化性質(zhì)具有比較顯著的影響，有利于植物的生長，提高土壤肥力，降低重金屬對植物危害，增強土壤蓄水保墑能力(圖1)。金礦的采礦跡地中重金屬污染嚴(yán)重，主要是Cr、Pb和Ni，尤以Cr最為嚴(yán)重，超過國家土壤標(biāo)準(zhǔn)的193倍；土壤pH值較低，酸化嚴(yán)重，極值達到5.39，植物適宜的土壤pH值在7左右，十分不利于植物的生長；土壤養(yǎng)分十分貧瘠，速效N和速效P的含量極低，分別為228 mg/kg和67.28 mg/kg。食用菌廢料的施入可以顯著提高土壤的有機質(zhì)含量，達到4.52 g/kg，較其他改良措施可以增加1倍以上；顯著改善土壤的酸化程度，土壤的pH值接近7，有利于樟子松的生長；顯著提高土壤的速效N，達286 mg/kg；顯著提高土壤的速效P的含量，較對照提高1.97倍，達到132.47 mg/kg；可以提高土壤速效K的含量，但提高不顯著；顯著降低土壤中Cr的含量，可以降低3.7%。施入粉煤灰可以顯著提高土壤的速效N，達到308 mg/kg；可以提高土壤速效K的含量；顯著降低土壤中Cr的含量，可以降低7.4%。采礦跡地石礫含量較高，不利于土壤蓄水保墑，因此土壤的含水率極低，未處理的土壤含水率僅有7%，粉煤灰、保水劑和食用菌廢料都可以顯著提高土壤的含水率，達到17%，特別是保水劑接近18%，這三種基質(zhì)改良措施使土壤的含水率提高了143%，增強了土壤的蓄水保墑能力。三種土壤改良劑可以顯著降低土壤的重金屬含量，降低對植物的毒害作用，改善植物的生長。

不同字母代表差異顯著，P<0.05；縮寫MR 是mushroom residue，WRA是water-retaining agent，CFA是coal fly ash

2.2 不同土壤改良劑對苗木的影響

使用保水劑成活率最高為98.33%，對照的最低56.67%，使用食用菌廢料的較使用粉煤灰處理的高，分別是95.35%和60.00%(圖2a)。生長兩年樟子松幼苗的高度各處理間沒有顯著差異；當(dāng)年生長量存在顯著差異，粉煤灰和食用菌廢料處理的較保水劑處理的幼苗當(dāng)年生長量高；地徑的測量結(jié)果顯示各處理間也存在顯著差異，同樣是粉煤灰和食用菌廢料處理的較保水劑處理的幼苗高(圖2b-d)。

縮寫MR 是mushroom residue，WRA是water-retaining agent，CFA是coal fly ash

3 討論

土壤改良劑能改良土壤結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱及生物之間的關(guān)系，增加土壤微生物數(shù)量，提高酶活性，從而提升退化土壤的生產(chǎn)力，加速采礦跡地恢復(fù)生態(tài)功能。本研究使用的土壤改良劑是粉煤灰、保水劑和食用菌廢料。

用于土壤改良的粉煤灰，其改良效果主要表現(xiàn)在以下幾個方面。①改善土壤物理性質(zhì)。粉煤灰可以增加土壤的毛細管和非毛細管孔隙，增加通氣度，降低土壤容重，減少蒸發(fā)，提高地溫。如果用于改良砂質(zhì)土壤可增加土壤的飽和導(dǎo)水率，提高降水的利用效率。②改良重金屬污染土壤，粉煤灰或改性粉煤灰可使土壤pH值升高，降低重金屬污染土壤中重金屬Cd、Pb、Zn、Co、Cu、Ni等的遷移能力，抑制作物對重金屬吸收[10-12]，降低土壤中重金屬對植物的毒害作用。粉煤灰配合有機物質(zhì)(如污水污泥)可通過吸附作用降低有毒金屬含量，與酸性土壤中的酸性組分反應(yīng)，抑制Al3+和Mn2+的毒害作用，本研究中降低土壤中重金屬Cr的含量(圖1f)。③改善土壤微生物和酶活性和增加土壤肥力。粉煤灰中有效B的含量高達5718 mg/kg，可補充土壤中硼元素供應(yīng)，在酸性土壤中可以釋放S、B、Mo等營養(yǎng)元素，增加土壤中Mg2+、Ca2+等金屬離子的有效性。粉煤灰通過降低C/N比，提供有機化合物，改善酶活性和N、P循環(huán)來增加微生物的多樣性和提高微生物活性；含瀝青的粉煤灰改良土壤可增加真菌包括菌根菌和革蘭氏陰性細菌的數(shù)量；粉煤灰施入土壤還可作為固N菌和磷細菌的載體；堿性粉煤灰和石灰混合還有殺死病原菌的作用[8, 11]。本研究中增加了土壤中有效N的含量，達到308 mg/kg(圖1a)。④粉煤灰可以顯著提高土壤的含水量，在本研究中有所體現(xiàn)(圖1g)。

干旱是限制植物生長發(fā)育的最關(guān)鍵因素，沙金礦采礦跡地蓄水保墑能力極差，不能有效使用天然降水，不適宜植物的生存。保水劑作為一種吸水能力特別強的功能高分子材料在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。保水劑含有大量親水基團，利用親水性基團電離并與水分子結(jié)合成氫鍵，提高了分子結(jié)構(gòu)的交聯(lián)度，故可以吸收自身重量數(shù)百倍的水分，最高可達160倍。保水劑可以顯著增強土壤的持水能力，主要是增加土壤孔隙度，減少蒸發(fā)，提高天然降水的利用率，降低土壤容重，降低土壤pH值等作用。由于保水劑本身分子的結(jié)構(gòu)特性，通過靜電引力、范德華力、離子交換、離子吸附、螯合等機制增加能對養(yǎng)分具有吸附作用抑制其流失，從而達到保水、保土、保肥的作用，進而促進植物生長[13-15]。本研究中保水劑能夠有效地提高土壤含水量，提高苗木的保存率(圖1g和圖2)，但是對土壤的肥力不能顯著提高，促進苗木的生長作用不明顯(圖2)，可能和使用保水劑的種類有關(guān)。

食用菌廢料是栽培食用菌后的培養(yǎng)料，還含有豐富的氨基酸，有機質(zhì)和碳氮含量也較高，其中殘留的菌絲體還能分泌出一些酶，促進土壤中復(fù)雜的有機物分解，釋放出更多的易被植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，并能為土壤微生物提供有機質(zhì)源，起到活化土壤的作用，還能有效抑制土壤中有害微生物的生長，預(yù)防植物病蟲害的發(fā)生，所以是很好的“土壤改良劑”[16]。本研究中食用菌廢料作為沙金礦廢棄地的土壤改良劑效果非常明顯，能夠顯著提高土壤中有效N、有效P和有機質(zhì)的含量，同時增強土壤蓄水保墑的能力(圖1)。而且可以顯著提高樟子松苗木的保存率，促進苗木的生長(圖2)。沙金礦采礦跡地的土壤中細砂的含量達20%～30%，又含有粒徑較大的石礫，因此土壤十分貧瘠，蓄水保墑能力極差，這些因素極大地制約了植被的恢復(fù)，而食用菌廢料可以顯著補償采礦跡地土壤的缺陷，同時大興安嶺地區(qū)林區(qū)有大規(guī)模培育食用菌的產(chǎn)業(yè)，大量產(chǎn)生的食用菌廢料不能科學(xué)的有效處理，往往造成環(huán)境的污染問題，如果能用于采礦跡地的基質(zhì)改良將起到一舉多得效果。

礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)是目前恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的熱點問題，雖然在理論上和實踐中取得了長足的進步，但仍存在著許多亟待解決的問題。土壤作為植被恢復(fù)的載體和生態(tài)功能發(fā)揮的重要組成部分是生態(tài)恢復(fù)的核心，隨著環(huán)境的快速變化，恢復(fù)生態(tài)學(xué)也發(fā)生了巨大的變化。恢復(fù)生態(tài)學(xué)目前的發(fā)展認(rèn)為生態(tài)的恢復(fù)包括促進相互作用和網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)交互，營養(yǎng)級聯(lián)，以及地上和地下的聯(lián)系。在景觀尺度上，它以一種非平衡的、替代性的狀態(tài)框架運行，并對不斷變化的環(huán)境、經(jīng)濟和社會條件作出反應(yīng)。當(dāng)前的挑戰(zhàn)包括在不斷變化的環(huán)境條件下為恢復(fù)制定現(xiàn)實的、社會可接受的目標(biāo)，以及在空間競爭日益激烈的世界中優(yōu)先采取行動[17-19]。

4 結(jié)論

沙金礦采礦跡地生態(tài)恢復(fù)是一個長期的過程，土壤改良劑的使用對于恢復(fù)初期階段具有重要作用。本文研究認(rèn)為食用菌廢料、保水劑和粉煤灰對于土壤基質(zhì)改良具有比較顯著的效果。3種改良措施顯著提高了土壤的含水率，增強了土壤蓄水保墑的能力，保水劑的效果最佳；顯著增強了土壤的肥力，食用菌廢料和粉煤灰增加了土壤速效N的含量，食用菌廢料增加了速效P和有機質(zhì)的含量；對于土壤的酸化也有顯著的改善作用；粉煤灰和食用菌廢料能顯著降低重金屬對植物的毒害作用?？傮w說來食用菌廢料是3中土壤改良劑中效果最明顯的，能夠促進植物的茁壯成長。今后的研究還需要看三者間如何發(fā)揮協(xié)同作用，三者的配比如何。