3种有机改良剂对铅锌矿尾砂适生性改善的研究_代德敏.pdf

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）04-0784-10 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.，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）、2.5%（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）；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)/(gkg1)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），每个处理 3 个平行。黑麦草种子前处理：用=1%次氯酸钠溶液灭菌 5 min，在超纯水中浸泡 1 h。在 2 L 塑料盆中装入 2 kg 不同处理的尾砂，加水平衡一周，保持 60%的持水能力。每盆中播种 40颗健康均匀的种子，于播种 7 d 后记录种子发芽率（Germination rate，RG）。黑麦草在盆中生长 30 d 后收获。收获后的黑麦草用自来水和超纯水冲洗，擦干后测定地上部分高度（Shoot height）及根的长度（Root length）。在 105 下杀青半小时后在 70 下烘干至质量不变化，测定黑麦草地上部分干质量（Shoot dry mass）和根干质量（Root dry mass）（Zhang et al.，2022）。1.5 数据分析 数据处理、分析和绘图采用 Excel 2016 和 SPSS 26.0，Origin 2021。相关指标的数据以平均值标准差表示，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和 Duncan 事后检验（P0.05）进行统计学分析，Pearson 相关分析用于确定尾砂理化性质、有效态重金属和植物生长参数之间的相关性。2 结果与分析 2.1 添加改良剂对铅锌尾砂化学性质的影响 不同改良剂对尾砂 pH 的影响有明显差异（图1a）。与对照相比，添加发酵羊粪与生物炭后尾砂的（a）pH vs.改良剂；（b）CEC vs.改良剂；（c）有效氮质量分数 vs.改良剂；（d）有机质质量分数 vs.改良剂；（e）速效钾质量分数 vs.改良剂；（f）有效磷质量分数 vs.改良剂 CK 表示未添加改良剂的尾砂。M、S 和 B 分别表示添加发酵羊粪、污泥和生物炭，1、2 和 3 分别表示改良剂添加质量分数为 1%、2.5%和 5%。例如，S2 表示添加 2.5%的污泥的尾砂样品。不同小写字母表示不同处理样品数值间存在统计学上的显著差异（Duncan，P0.05，n=3）图 1 添加不同改良剂对尾砂化学性质的影响 Figure 1 Effect of different amendments on chemical properties of tailing sand 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 787 pH 值显著增加（P生物炭污泥（图 2b）。与对照相比，添加发酵羊粪显著增加了铅锌尾砂的总孔隙度和饱和含水量，其中添加 2.5%的效果最佳，总孔隙度增加了 30.5%、饱和含水量增加了30.4%；添加污泥显著降低了铅锌尾砂的总孔隙度和饱和含水量，其中在 2.5%的降低幅度最大，与未经改良处理相比总孔隙度降低了 43.5%、含水率降低了 37.1%。添加 1%的生物炭后尾砂的总孔隙度和保水性改善效果不明显，而添加 2.5%和 5%时，尾砂的总孔隙度和饱和含水量显著增加，其中在 2.5%时增加幅度最大，与对照相比，分别增加了 30.5%、30.4%。不同改良剂对尾砂的总孔隙度和保水性的效果表现为发酵羊粪生物炭污泥（图 2c、d）。2.3 添加改良剂对铅锌尾砂的有效态重金属的影响 对照中 DTPA-Cd 为 4.60 mgkg1。与其相比，添加发酵羊粪、污泥、生物炭均可降低尾砂中DTPA-Cd 质量分数，降低幅度分别为 28.6%55.7%、46.0%50.5%、40.0%64.6%。其中发酵羊粪和污泥处理组的固定效果随着添加质量分数的增加而增加，而生物炭处理中出现先增加后减少的趋势，3 种改良剂中生物炭对尾砂中的 Cd 的固定效果最好（图 3a）。与对照相比，发酵羊粪、污泥与生物炭均可固定尾砂中的 Pb。污泥组的降低幅度随着添加质量分数的增加呈缓慢增长的趋势，但在 3 种改良剂中其降低幅度最小为 30.4%34.1%；发酵羊粪在添加质量分数为 2.5%时对铅的固化效果最好，降低幅度为39.8%。3 种改良剂中生物炭对 Pb 的固定效果最佳，且在添加质量分数为 2.5%达到最大，降低幅度为70.6%（图 3b）。与对照相比，添加发酵羊粪、污泥、生物炭均对尾砂中的 Zn 有一定的固定作用。其中生物炭对Zn 的固定作用随着添加质量分数的增加出现先降低后增加的趋势。随着添加质量分数的增加，发酵羊粪对 Zn 的固定效果呈缓慢增长的趋势，污泥处理组在 5%时对 Zn 的固定效果相比于 2.5%时有所降低（图 3c）。2.4 添加改良剂对黑麦草生长的影响 根据基质改良部分的试验数据，选择改良剂添加质量分数为 2.5%进行植物种植试验。试验结果表明，添加改良剂影响了黑麦草的发芽率、高度以及干质量，促进了黑麦草的发育和生长，其中发酵羊粪的效果最好，其次为生物炭、最后为污泥。如图4 所示，添加发酵羊粪后黑麦草发芽率、总高度、总干质量分别增加了 22%、19.5%、48.9%。此外，污泥和生物炭也均提高了黑麦草种子的发芽率、地上部分的高度以及地上部分的干质量。2.5 尾砂理化性质与植物参数之间的相关性 如上所述，添加改良剂显著改变了尾砂的理化性质，为了进一步确定改良剂对铅锌尾砂的理化性质与植物参数之间的影响，使用 Pearson 相关分析对各参数进行了评估（图 5）。结果表明，不同的理化指标对植物参数间的影响不同。pH 值的变化主 （a）DTPA-Cd 质量分数 vs.改良剂 （b）DTPA-Pb 质量分数 vs.改良剂 （c）DTPA-Zn 质量分数 vs.改良剂 图 3 添加不同改良剂对尾砂 DTPA 提取态重金属质量分数的影响 Figure 3 Effect of different amendments on the mass fraction of DTPA-extractable heavy metals in tailing sand 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 789 要是对黑麦草的根长具有极显著正相关影响。速效钾与黑麦草的株高、总干质量以及发芽率间呈极显著正相关，而有效磷主要是对根有显著影响，呈负相关。CEC 与发芽率、株高以及地上部分干质量呈极显著正相关。3 种有效态重金属主要影响黑麦草的发芽率、株高以及地上部分干质量，其中植物参数与 DTPA-Cd、Pb 呈极显著负相关，而与 DTPA-Zn 呈显著负相关。尾砂的饱和导水率与发芽率、株高和地上部分干质量呈显著负相关，而尾砂含水量和总孔隙度与黑麦草的根长和根干质量呈显著正相关，其中饱和含水量与根干质量呈极显著正相关。尾砂的团粒大小对植物的影响不尽相同，其中，黑麦草的株高、地上干质量和发芽率与粒径 0.050.25 mm 部分呈极显著负相关，根长和根干质量与粒径 12 mm 部分呈极显著负相关，而根长却与0.050.25 mm 呈极显著正相关，发芽率与粒径 12 mm 部分呈显著正相关。尾砂团粒 0.251 mm 与黑麦草的地上部分干质量呈显著正相关，与根的干质量呈极显著正相关。3 讨论 养分贫瘠、物理结构差以及高重金属污染是铅锌矿尾砂限制植被自然定植的主要因素。在本试验中，添加发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭后改善 (a）发芽率 vs.改良剂 （b）株高 vs.改良剂 （c）干质量 vs.改良剂 CK 表示未添加改良剂的尾砂。M、S 和 B 分别表示添加 2.5%发酵羊粪、2.5%污泥和 2.5%的生物炭尾砂样品。不同小写字母表示不同处理样品数值间存在统计学上的显著差异（Duncan，P0.05，n=3）图 4 添加不同改良剂对尾砂基质上黑麦草生长的影响 Figure 4 Effect of different amendments for ryegrass growth on tailing sand substrates *表示 P0.05，*表示 P0.01；色柱颜色深浅表示相关性强弱，蓝色表示负相关，红色表示正相关 图 5 改良尾砂理化指标与植物参数相关性分析 Figure 5 Correlation analysis of physical and chemical indicators of tailing sand with plant parameters 790 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）了尾砂的适生性，促进了黑麦草种子的萌发和幼苗的生长，提高了无土植被恢复效率。其中，发芽率、高度和干质量分别提高了 16.1%20.3%、10.8%48.9%和 7.55%19.5%（图 4），这与 3 种改良剂对尾砂植被定植限制性因素的改善有关。本试验得出，添加发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭后尾砂中的 CEC、有机质和养分质量分数随着添加质量分数的增加而增加，主要是因为发酵羊粪和生物炭中富含速效钾和有机质（Al-Lami et al.，2019；Li et al.，2019），显著提高了尾砂的肥力和速效养分的可用性，从而也提高了尾砂的孔隙度、通气性、持水能力以及结构稳定性（Zhang et al.，2022），为植物的生长提供了适宜环境。而污泥对尾砂中的有效氮的影响最为显著，主要是由于污泥以有机形式贡献了大部分的氮，尾砂基质中有效氮质量分数随着污泥添加质量分数的增加而增加，这与前人研究结果一致（Figueiredo et al.，2019；Arlo et al.，2022）。基质养分增加可促进植物的生长（Liu et al.，2021），而基质中养分对植物的影响不同（Hu et al.，2018）。本试验结果得出，速效钾和 CEC 与黑麦草的发芽率和株高呈显著正相关，这与陈奕暄等（2021）的研究结果一致。而磷与黑麦草的根系呈极显著负相关（Pbiocharsludge.Furthermore,bioavailability of heavy metals was significantly(P0.05)reduced by 28.6%64.6%(Cd),30.4%70.6%(Pb),and 14.4%45.5%(Zn),and coconut shell biochar had the most significant effect.Ryegrasss germination,height and total dry mass had been increased by 16.1%20.3%,10.8%48.9%and 7.55%19.5%,respectively,and fermented sheep manure is the best.Thus,fermented sheep manure,sludge and coconut shell biochar could be used as amendments to improve the suitability of Pb/Zn tailings and promote plant growth.Furthermore,Pearsons correlation analysis showed that aboveground dry mass and height were highly significantly(P0.01)and positively correlated with cation exchange capacity and available potassium,but significant(P0.01)negative correlations were observed with saturated hydraulic conductivity and available state heavy metal.Plant root dry mass and root length were observed to be significantly and positively correlated with saturated water content;in contrast,they were significantly and negatively correlated with the percentage of grain size(12 mm).This work can provide a theoretical basis for substrate improvement and revegetation of tailings pond with low nutrients,poor physical structure and high heavy metal pollution.Keywords:Pb/Zn tailings;amelioration;organic amendments;nutrients;physical properties;suitability