1、生态环境学报 2023,32(4):784-793 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：国家自然科学基金项目（32271700；52230006）；广西自然科学基金重点项目（2020GXNSFDA297018）作者简介：代德敏（1996 年生），女，硕士研究生，主要研究方向为矿山环境生态恢复。E-email:*通讯作者，刘杰，E-email: 收稿日期：2022-08-22 3 种有机改良剂对铅锌矿尾砂适生性改善的研究 代德敏1，蒋旭升1，刘杰1,2*，王路洋1，陈诗奇1，韩庆坤1 1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与
2、技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.自然资源部南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心，广西 南宁 530022 摘要：铅锌矿尾砂由于肥力低、物理结构差且重金属镉（Cd）铅（Pb）锌（Zn）浓度高，植物难以生长，从而严重制约了尾砂库的生态恢复。利用改良剂改善尾砂的适生性是尾砂库生态恢复的重要方法。通过基质改良试验探究添加不同质量分数（1%、2.5%、5%）的发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭对铅锌矿尾砂养分、物理结构的改良效果和对重金属镉铅锌的固定效果，再通过黑麦草（Lolium perenne L.）盆栽试验验证对适生性的改善效果。结果表明，添加改良剂使有效态氮、磷、钾以及有机质分别提
3、高了 0.879.56、1.8737.7、1.8743.7 和 0.857.28 倍。添加质量分数为 2.5%时，3 种改良剂对尾砂的导水性、总孔隙度和持水性的积极影响最为显著，表现为发酵羊粪生物炭污泥。此外，3 种改良剂显著（P0.05）降低有效态重金属质量分数，Cd、Pb、Zn 分别降低了 28.6%64.6%、30.4%70.6%、14.4%45.5%。其中，椰壳生物炭对 3 种重金属的固定效果最好。添加改良剂显著提高了黑麦草的发芽率、总高度和总干质量分别提高了 16.1%20.3%、10.8%48.9%和 7.55%19.5%，其中发酵羊粪效果最好。因此，发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭可作
4、为改良剂改善铅锌矿尾砂的适生性并促进植物生长。Pearson 相关性分析表明，植物地上部分干质量和株高与阳离子交换量和速效钾呈极显著（P0.01）正相关，与饱和导水率和有效态重金属呈极显著（P0.01）负相关。植物根干质量和根长均与饱和含水量呈显著正相关，而与 12 mm 的粒径呈显著负相关。该文可为养分贫瘠、物理结构差和高重金属污染尾砂库的植被恢复提供理论依据。关键词：铅锌尾砂；基质改良；有机改良剂；养分；物理性质；适生性 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.04.016 中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）04-0784-1
5、0 引用格式：代德敏,蒋旭升,刘杰,王路洋,陈诗奇,韩庆坤,2023.3 种有机改良剂对铅锌矿尾砂适生性改善的研究J.生态环境学报,32(4):784-793.DAI Demin,JIANG Xusheng,LIU Jie,WANG Luyang,CHEN Shiqi,HAN Qingkun,2023.Study on suitability of Pb/Zn mine tailings using three different organic amendments J.Ecology and Environmental Sciences,32(4):784-793.铅锌矿是中国重要的战略资
6、源，但其开采过程中会产生了大量的尾砂。这些尾砂长期堆存，不仅占用大量土地资源，并且易随水土流失污染周边水体和农田（黄雷等，2016），破坏矿区周边正常的生态环境，对生态系统和人类健康构成严重威胁（陶晨斌等，2022；张紫翔等，2023）。生态恢复是目前解决尾砂库生态环境问题的主要方法之一。该方法的核心在于尾砂上种植耐受植物，逐渐恢复尾砂库生态系统的功能。与其他方法相比，生态恢复技术的成本低，生态效益显著、易于实施和维护（Xie et al.，2020；Lin et al.，2021），被认为是尾砂治理最有效的方法，近年来受到越来越多的关注。然而，尾砂养分贫瘠，物理结构差、保水保肥能力弱，重金属
7、质量分数高，这些不利因素导致大多数植被难以在尾砂中定植，因而尾砂库通常被视为阻碍自然生物群落定植的微沙漠（Navarro-Cano et al.，2018）。通过基质改良的方法，改善尾砂的适生性，促进植被重建，已成为尾砂库生态恢复的研究重点（Song et al.，2022）。采用富含有机质的改良剂可改善尾矿砂的养分状况、提高有机质质量分数，改善尾砂的物理结构和质地以及固定有毒重金属（Al-Lami et al.，2022）。畜禽粪便有机质质量分数高、养分丰富，施入土壤中不仅可改善土壤理化性质，还可促进微生物的活动，提高养分利用效率（黄小洋等，2017）。发酵羊粪是畜禽粪便中的一种热性肥料，具
8、有有机质和养分浓度高等优点。添加发酵羊粪可改善基质的养分质量分数、物理结构以及提高基质的保肥持水能力（崔保伟等，2021；马宜林等，2021），此外还可降低基质中重金属对植物的毒害作用（El 代德敏等：3 种有机改良剂对铅锌矿尾砂适生性改善的研究 785 Rasafi et al.，2021）。目前发酵羊粪主要应用于土壤改良中，在铅锌尾砂中的应用研究鲜有报道。污泥是一种速效有机肥料，富含有机质以及氮、磷等多种养分元素和微量元素，特别是在呈碱性的基质中经常缺乏的铁（Jaynes et al.，2005）。施用于尾砂中可迅速提高养分和有机质的质量分数，改善尾砂的团粒结构以及降低重金属的有效性（彭维
9、新等，2020；曹秀芹等，2022），从而改善尾矿砂的适生性。但由于污泥的来源不同，含有的重金属、有机污染物、病原菌等的含量不一，施用于尾砂基质中需了解其元素组成并添加合适的剂量（罗大富，2018），目前污泥多数应用于酸性矿山废弃物，只有少数应用于碱性尾矿（Alvarez-Rogel et al.，2018；Al-Lami et al.，2019）。生物炭已被证明是污染土壤的有效改良剂，添加生物炭可储存碳，改善土壤理化性质，固定重金属以及提高植物生长。与其他生物炭相比椰壳生物炭具有更理想的特性，具有更多与土壤养分相互作用的表面官能团，更加丰富的阳离子交换能力（Khawkomol et al.，
10、2021），但椰子壳生物炭在尾矿改良方面的应用较少（Gonzaga et al.，2018）。黑麦草（Lolium perenne L.）对环境的具有较强的适应能力，且对重金属具有较高的耐受性（李程等，2022），种植于尾矿上后可降低维护成本，且可最大限 度 地 减 少 尾 砂 受 水 和 风 侵 蚀 的 影 响（Sarathchandra et al.，2022），常用于污染场地生态修复（任怀新等，2021）。本研究以阳朔某铅锌矿尾砂为研究对象，选用发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭对其进行基质改良试验。通过基质改良试验探究不同改良剂对铅锌尾砂的养分、物理性质以及对重金属有效性的影响。根据基质改良试
11、验结果的最适添加量，再通过盆栽实验探究 3 种改良剂对黑麦草植种子萌发和生长的影响。为发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭在铅锌矿尾砂库进行基质适生性改良的合理施用与无土植被重建提供依据。1 材料与方法 1.1 试验材料 试验所用的铅锌尾砂取至桂林某铅锌矿尾砂库（250525010N，11036241103629E），尾砂库上生长的植物极少。尾砂采集深度为 030 cm，然后将采集的尾砂样品在实验室自然风干，拣除碎石、植物残体，过 2 mm 的筛去除大颗粒以进行均质化，尾砂由 89.95%砂粒、6.87%的粉粒以及3.18%的黏粒组成。添加发酵羊粪、干化污泥和生物炭对尾砂进行改良试验。试验所使用的生物炭
12、是由椰子壳在 500600 下热解而成，发酵羊粪主要是由羊粪辅加腐植酸（矿物源黄腐植酸）在 70 高温发酵池中发酵腐熟 28 d 而成，干化污泥取自桂林市某污水处理厂。3 种改良剂在使用前磨碎过 10目筛（孔径 1.7 mm）进行均质化。试验材料的基本性质详见表 1。1.2 基质改良试验 试验共设计 10 个处理，不添加改良剂的空白对照（CK），向尾砂中分别添加不同干质量分数的发酵羊粪（Fermented sheep manure，M）1%（M1）、2.5%（M2）、5%（M3）；污泥（Sludge，S）1%（S1）、2.5%（S2）、5%（S3）；生物炭（Biochar，B）1%（B1）、2
13、.5%（B2）、5%（B3）每个处理设置 3 个平行。基质改良试验容器采用1 L塑料烧杯，直径为12.3 cm，高为 15.5 cm。每个烧杯中装入 1 kg 混匀的基质与改良剂，加入纯净水（Reverses Osmosis，RO）200 mL 放入培养箱（25）培养。基质改良试验过程中，保持 70%的田间持水量（每 3 天浇 RO 水 50 mL）使其一直保持干湿交替的状态。在培养第 90天收集尾砂样品，将其风干、彻底均质化和过筛，待进一步分析。1.3 基质指标测定方法 处理好的尾砂样品用雷磁 pHS-3C 酸度计以m(尾砂):V(水)=1 g:2.5 mL 测定 pH（吴慧等，2021）；
14、阳离子交换量（Cation exchange capacity，CEC）采用三氯化钴六铵-分光光度法测定（刘蓉等，2020）；有机质（Organic matter，OM）采用重铬酸钾外加热法测定（吴慧等，2021）；采用碳酸氢钠-分光光度法测定有效磷（Available P，AP）（谭川疆等，2022）。尾砂样品经 1 molL1乙酸铵浸提后，采用电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES；Optima 7000DV，PerkinElmer，Wellesley，MA，USA）测定速效钾（Available K，AK）质量分数（谭川疆等，2022）。采用 DTPA 提取-电感耦合等离子体光谱法测定尾
15、砂中镉（Cd）、铅（Pb）和锌（Zn）的有效态质量分数（谭川疆等，2022）。有效氮（Available N，AN）表 1 所用试验材料的基本性质 Table 1 Basic properties of the test materials 参数 铅锌尾砂 发酵羊粪 污泥 生物炭 pH 7.50 7.28 7.81 7.90 电导率/(mScm1)0.06 5.29 2.89 2.90 w(有效磷)/(mgkg1)1.20 187 132 348 w(速效钾)/(mgkg1)2.78 2280 556 2512 w(总氮)/(gkg1)0.40 6.10 39.3 3.60 w(总碳)/(gk
16、g1)22.1 369 219 754 w(总镉)/(mgkg1)18.8 0.43 0.35 ND w(总铅)/(mgkg1)3 425 43.8 53.1 20.6 w(总锌)/(mgkg1)3 400 368 964 33.7 ND 为未检出 786 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）采用 2 molL1的氯化钾浸提经流动注射分析仪（荷兰 SKALAR SAN+）测定（Van der Sloot et al.，2022）。采用环刀恒定水头法测定饱和导水率（Saturated hydraulic conductivity，KS）（Ibrahim et al.，2021），湿筛法测尾砂团粒粒径（Particle size），环刀法测定饱和含水量（Saturated moisture）与总孔隙度（Total porosity）（Yang et al.，2022）。1.4 盆栽试验 根据基质改良试验的结果与经济成本综合考虑，选择添加 2.5%的改良剂种植黑麦草进行盆栽试验。盆栽试验共有 3 个处理，不添加改良剂的对照（CK），添加发酵羊粪（M）、污泥（S）以及生物炭（B），每
