Research on soil improvement and engineering application under mixed application of environmental materials in alpine mining areas
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摘要:
为了解决高寒矿区土地复垦中表层土壤结构差、水土流失和土壤肥力低下等问题，以青海威斯特铜矿为例，通过土壤培养模拟正交设计试验，研究了混施羊板粪（A）、TG改良剂（B）、保水剂（C） 3 种材料对土壤改良的效果，并筛选出一种效果最佳的混合比例。正交极差结果表明：羊板粪对土壤有机质、土壤密度、孔隙度和全盐含量的影响较强，TG改良剂对pH的影响较强，保水剂对田间持水量的影响较强。综合极差分析和主成分分析结果得，处理1（A含量6 g/kg，B含量1.85 g/kg，C含量0.06 g/kg）为改良土壤理化性能最优组合。通过冗余分析得出，羊板粪和TG改良剂对土壤理化性质的差异性解释最好。有机质、土壤田间持水量和孔隙度与环境材料的相关性较强。有机质与羊板粪呈正相关，孔隙度和田间持水量与保水剂、TG改良剂呈正相关。pH、全盐含量和土壤密度与环境材料的相关性较小。孔隙度和田间持水量正相关性强，二者与有机质呈负相关。综合考虑，土壤有机质最优组合 A3B3C2和土壤其他理化性能最优组合 A1B1C1，通过中值法得到高寒矿区土壤基质恢复最优配方结果为A2B2C1.5，即A含量 12 g/kg，B含量 3.7 g/kg，C 含量0.09 g/kg为最优配比。通过工程应用，总结出以“边坡修整、挂椰网/铁丝网、挂生态棒、设置排水沟、客土筛分、客土喷播、铺设保水毯、养护管理及监测”为主的技术应用流程，将试验配方研究和工程应用进行了结合。3种环境材料工程应用结果表明，土壤理化性质和生物量也得到明显改善。此研究为解决青藏高海拔矿区土壤肥力和结构的恢复提供参考，对水土保持产生重要意义。
Abstract:To address the issues of inadequate topsoil structure, soil erosion, and low soil fertility in the reclamation of alpine mining areas. Taking Qinghai West Copper Mine as an example, this study investigates the impact of three materials—sheep manure(A), TG modifier(B), and water retaining agent(C)—on soil improvement using a simulated orthogonal design experiment. The experiment aims to identify the optimal mixing ratio that yields the most significant improvement. Orthogonal polar results revealed that sheep manure had a more pronounced effect on soil organic matter, soil bulk density, porosity, and total salt content. Meanwhile, TG modifier demonstrated a stronger impact on pH, and the water retaining agent exhibited a greater influence on water-holding capacity in the field. The combined results of extreme difference analysis and principal component analysis indicated that treatment 1(A 6 g/kg, B 1.85 g/kg, C 0.06 g/kg) represented the optimal combination of physicochemical properties for soil improvement. Redundancy analyses yielded that sheep manure and TG modifier explained the best variability in soil physicochemical properties. Organic matter, soil field water holding capacity, and porosity exhibited significant correlations with environmental materials. Organic matter displayed a positive correlation with sheep manure, while porosity and field water holding capacity were positively associated with water retaining agent and TG modifier. Conversely, pH, total salt content, and soil bulk density demonstrated weaker correlations with environmental materials. Porosity and field water holding capacity were strongly positively correlated and both were negatively correlated with organic matter. Considering the optimal combination of soil organic matter (A3B3C2) and other soil physicochemical properties (A1B1C1), the optimal formula for soil matrix restoration in alpine mining areas was determined using the median algorithm as A2B2C1.5. This corresponds to 12 g/kg of A (sheep manure), 3.7 g/kg of B (TG modifier), and 0.09 g/kg of C (water retaining agent) as the optimal ratios. The engineering application process, primarily centered around activities such as slope trimming, hanging coconut/barbed wire, hanging ecological rods, setting up drainage ditches, screening of guest soil, spraying of alien soil, laying of water-preserving blankets, and maintenance management and monitoring, was summarized. This summary integrates research on experimental formulations with practical engineering applications. The results of the engineering applications of the three environmental materials illustrate that soil physicochemical properties and biomass were also significantly improved. This study provides a reference to address the restoration of soil fertility and structure in high-altitude mining areas of Qinghai-Tibet, which is of great significance for soil and water conservation.
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Keywords:
- alpine mining areas /
- soil bulk density /
- soil organic matter /
- TG modifier /
- water retaining agent
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0. 引 言
矿产资源是社会经济发展的基础，我国拥有丰富的矿产资源，包括155种，分布于20多万处[1]。当前频繁采矿和不合理开采对土壤结构造成严重破坏，缺乏表层植被保护，导致土壤侵蚀、肥力下降，影响植物养分吸收[2-3]。尽管我国从20世纪50年代开始进行矿山恢复工作，但由于经济和技术挑战，研究进展缓慢[4]。土壤结构和肥力的恢复在推动土地修复方面发挥核心作用，是矿区生态修复的关键措施之一。当前，国内外关于矿区废弃地土壤修复的研究主要集中在低海拔地区，通常采用外源土壤改良方法，但在高寒矿区的研究相对较少[5]。位于高寒偏远、土源匮乏的矿区，由于外运客土成本高，采用采矿产生的岩土结合动物粪便并添加腐植酸类土壤改良剂、保水剂等环境材料改良土壤，减少对客土的依赖，已成为经济实用的土壤恢复方法。该方法能显著缩短生态恢复周期，对固体废弃物进行资源化利用，推动绿色矿山建设。因此，寻求不同环境材料的配比来探究适宜的种植基质对高寒矿区的生态恢复具有重大意义。
矿区渣土添加有机肥是提升矿区土壤有机质经济实用的方法。羊板粪作为青藏地区来源最广的天然有机肥，具有就地取材、经济、无污染的特点[6]。在进行矿区草地种植时，使用有机肥是改善废渣土壤养分供应和土壤质量的主要手段。同时，有机肥也有助于改善土壤物理性质，促进矿区真正土壤基质的形成。研究表明，在青海木里矿区，羊板粪作为一种重要的有机肥源，可大幅提升土壤养分，因此被广泛用于改良废渣土壤[7]。针对矿区渣土可能存在土壤结构差、土壤盐碱程度高、养分水分流失等问题，TG改良剂中的生物炭对土壤结构、地温和养分调节、成苗效果有良好效果[8]，同时降低土壤盐分，减少盐害[9]。TG改良剂中的煤基腐植酸通过控氮、释磷、促钾和微量元素活化作用于土壤中，可提高肥料利用效率、改善土壤结构、保持水分和养分平衡[10]。TG改良剂中的黑矾是改良生黄土的试剂，可形成Fe(OH)s(胶体)，有助于团聚体形成，改善土壤结构[11]，同时降低土壤pH值，增加磷酸盐溶解度[12]。研究显示，黑矾和有机肥料联合施用能提高土壤中的微生物活性，促进植物生长[13]。保水剂，如超强吸水树脂（SAP），具有高吸水保水能力，能改良土壤结构，被广泛用于化学抗旱节水制剂[14]。目前，这些环境材料在土壤改良和增肥保水方面的研究有所进展，但缺乏多种环境材料复合条件下在高寒矿区土壤性质改良方面的应用性研究。因此，寻找适宜的环境材料用于矿山土壤改良，是实现植被恢复促进矿区生态治理的重难点。
本文结合国内外矿区边坡治理的研究进展，依托青海威斯特铜业有限责任公司矿区矿坑修复工程开展研究。矿区边坡基质土方出现很大缺口，且含石量大、土壤结构差、肥力低下，不仅易造成喷播过程堵塞喷嘴，极大降低喷播施工效率和影响植物播种的成活率及后续生长等问题[15]。因此，通过正交试验设计和土壤培养试验，以及极差分析、冗余分析、主成分分析和中值分析等方法，基于羊板粪、TG改良剂、保水剂等3种环境材料的协同作用，旨在减少客土使用、改善矿区渣土的水土环境。通过探索这些环境材料的优化组合，以期提高土壤结构改良和水肥保持的效果，并为矿区生态系统可持续发展提供技术上的一种可能路径。
1. 材料与方法
1.1 试验地点
青海威斯特铜矿位于中国青海省果洛藏族自治州玛沁县大武镇，地理坐标为34°23′30″N，100°07′30″E，位于德尔尼山（图1）。该矿区属于高原高海拔地区，地形整体呈南北高、中部低，平均海拔4 200 m，气压较低（0.6个大气压）。该地区为典型高原大陆性气候，四季难以区分，仅有冷、暖季之分，全年气温较低，年平均气温为−1.2 ℃，最大日温差为25.1 ℃。降水主要集中在暖季（5—9月），年均降雨量为375.2 mm，其中80%以上为暴雨。植被主要以高寒草甸为主，包括披碱草（Elymus nutans）、青海冷地草熟禾（Poa crymophila cv Qinghai）、老芒麦（Elymus sibiricus L.）、中华羊茅（Festuca sinensis）等，主要用作当地牧民的天然草场[16]。
1.2 试验材料
试验采用蛇纹石与原土质量比为6∶4的复合土，种植基质土壤密度、pH和土壤电导率分别与纯蛇纹石渣土对照（CK）降低2.2%、7.95%和19.88%，土壤毛管孔隙度、田间持水量、有效磷、速效钾、全氮、水解性氮质量分数分别增加15.12%、7.02%、75.23%、328.88%、117.65%、32.38%，达到绿化基质基本要求；盆栽种植表明，蛇纹石渣土与原土配制比例6：4时单种植披碱草和混种6种草籽等牧草的出苗数较对照CK提高10.34%和25%且达到最优，披碱草株高、地上生物量、地下生物量较对照CK提高7.25%、87.0%和246.95%，复合土壤理化性质见表1。经混合后测试，其有机质含量为7.87 g/kg，容重为1.51 g/cm3，pH为8.04，全盐含量（土中所含盐分的质量占干土质量的百分数）为0.07%，总孔隙度为43.61%，田间持水量为18.53%，水稳性团聚体>0.25 mm粒径的占69.1%，土壤有机质不足，结构较差。蛇纹石经过破碎研磨处理，将蛇纹石与原土分别通过1 cm土壤筛以去除植物和大块岩石残留物，并存放在冷箱备用。
表 1 矿区蛇纹石渣土和原土以及羊板粪理化性能Table 1. Physical and chemical properties of serpentine residue and original soil and sheep feces in mining area指标 蛇纹石渣土 原土 羊板粪 土壤比重/(g·cm−3) 2.50 2.33 — 土壤密度/(g·cm−3) 1.34 1.38 — 孔隙度/% 46.63 40.92 — 土壤毛管孔隙度/% 28.05 35.14 — 土壤田间持水量/% 22.51 26.83 — pH 8.81 7.65 7.83 电导率/(μS·cm−1) 308.30 293.70 2420 土壤含盐量/% 0.21 0.12 0.13 As含量/(mg·kg−1) 14.90 33.40 9.95 Hg含量/(mg·kg−1) 0.025 0.258 0.031 Cd含量/(mg·kg−1) 0.108 0.275 0.325 Cr含量/(mg·kg−1) 1 250 111 59.5 Pb含量/(mg·kg−1) 2.45 24.6 15.8 有机质含量(g·kg−1) 16.54 16.36 99.30 有效磷含量/(mg·kg−1) 2.22 6.41 9.67 全氮含量/(g·kg−1) 0.09 0.83 11.9 水解性氮含量/(mg·kg−1) 23.35 54.87 759 速效钾含量/(mg·kg−1) 22.06 143.99 308 TG改良剂由4种材料组成：黑矾（GV）为淡绿色砂状晶体，纯度90%以上，采购自天津天地丰源环境工程有限公司；煤基腐植酸为褐煤风化制得的粉末状固体，纯度超过70%，pH值为7.89、电导率（EC）为2.77 mS/cm、阳离子交换量为68.76 cmol/kg、有机质含量为292.95 g/kg，采购自山西丰联公司；生物炭为12.50～16.67 μm稻壳生物炭，pH值9.2、阳离子交换量（CEC）值22.01 mmol/100 g，实验室备用；保水剂为颗粒大小25～50 μm的高分子聚丙烯酸钾盐吸水剂，纯度≥99%，吸水倍率约为400倍，购自北京金元易股份有限公司。
羊板粪：从青海当地牧民收购，发酵风干后备用。
试验用水：实验室去离子水，pH为6.40，EC为0.73 μS/cm。
1.3 试验设计
采用三因素三水平正交试验，羊板粪、TG改良剂、保水剂的不同用量水平见表2。利用土盆培养模拟方法，每个处理分为3个水平，另设无添加材料的对照组（CK），共设置10个处理组合（表3）。这样设计的目的是确定不同材料在改良矿区渣土时的最佳配比组合。
表 2 3种环境材料添加量Table 2. Addition of three environmental materials用量水平 各因素及用量/（g·kg−1） 羊板粪A TG改良剂B 保水剂C 1 A1(6) B1(1.48) C1(0.06) 2 A2(12) B2(3.70) C2(0.12) 3 A3(18) B3(5.92) C3(0.18) 表 3 正交试验各处理材料用量组合Table 3. Orthogonal test material dosage combinations for each treatment处理编号 用量/（g·kg−1） 羊板粪A TG改良剂B 保水剂C CK 0 0 0 处理1 A1(6) B1(1.48) C1(0.06) 处理2 A1(6) B2(3.70) C2(0.12) 处理3 A1(6) B3(5.92) C3(0.18) 处理4 A2(12) B1(1.48) C2(0.12) 处理5 A2(12) B2(3.70) C3(0.18) 处理6 A2(12) B3(5.92) C1(0.06) 处理7 A3(18) B1(1.48) C3(0.18) 处理8 A3(18) B2(3.70) C1(0.06) 处理9 A3(18) B3(5.92) C2(0.12) 试验中，不同比例的改良材料与试验土壤混合，每盆500 g，装入培养盆中。培养盆置于室内避光条件下培养60 d，期间每5 d浇水1次，以维持土壤70%的田间持水量。对培养复合土进行定期监测，培养结束后破盆取样，分析土壤密度、田间持水量、孔隙度、pH值、全盐含量、有机质等指标。
1.4 工程应用
工程应用旨在通过合理的技术措施，将室内试验的配方推广应用于实际工程中，以促进矿区植被生态平衡的恢复，并确保土壤改良在工程应用中达到的预期效果。不仅关注了环境材料对实地土壤理化性质的影响，并对环境材料的施加和施用顺序等具体问题进行了探讨。前期的试验为工程应用提供了可靠的理论基础和实践指导，但理论到实践的过程需要进一步探索。
青海威斯特铜矿区生态修复总面积1.92 km2，通过人工辅助生态修复，改良土壤基质，恢复地表植被。矿区生态修复涉及不同区域，地形较为复杂，坡度变化较大，应结合项目区地形地貌、修复面积、坡度等现状采取修复技术。排土场等坡度较大的地块采用喷播的方式进行修复。工程实践是研究理论和方法的验证平台，通过实地应用研究成果，验证配方在实际环境中的有效性和可行性。
1.5 测定指标与方法
采用环刀法测定土壤密度、孔隙度和田间持水量等物理指标；土壤pH采用电极法（水土比为2.5∶1）测定；全盐含量采用烘干称重法。土壤有机质采用K2Cr2O7/H2SO4湿法消解法测定[17]。
1.6 数据统计分析
采用 Origin 2023 作图，利用one-way ANVON分析不同材料添加对土壤物理化学指标影响，采用Microsoft Excel和SPSS 26对试验数据惊醒分析统计，极差分析可用于定量评估环境材料对土壤性质的影响程度，主成分分析可以识别出影响土壤质量的最优组合，冗余分析可用于定性确定土壤质量指标之间相关程度。在综合评价分析中，采用中值法可以平衡各项指标的影响，从而确定最优方案。
2. 结果与分析
2.1 不同环境材料组合对矿区复合土物理性质的影响
2.1.1 土壤密度和孔隙度指标变化
图2显示，不同处理组的土壤密度和孔隙度变化差异不显著（P > 0.05），维持在1.47 g/cm3和44%左右。添加环境材料后，各处理组相较于CK表现出一定的改善。各处理组的土壤密度降低，土壤密度降低0.66%～10.60%，效果最好的是处理1（A1B1C1），降低了10.60%。孔隙度与土壤密度变化相反，处理1效果最好，较CK升高11.30%。整体来看，符合砂壤土的40%～50%的孔隙度范围，满足土壤呼吸和植物生长需要[18]。可见，复合环境材料对土壤密度和孔隙度产生有利影响。
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图 2 不同处理复合土壤的理化指标变化注：不同小写字母表示不同处理之间的差异显著（P < 0.05）。下同。Figure 2. Change of matrix physical index prepared by raw soil and serpentine muck2.1.2 土壤全盐含量和田间持水量指标变化
图2显示，添加环境材料后，复合土壤中的全盐含量较CK升高1.29%～114.29%。然而，处理CK和处理6（A2B3C1）、处理7（A3B1C3）、处理9（A3B3C2）未达到CJJ 82—2012《园林绿化工程施工及验收规范》的标准。田间持水量是土壤固有的重要特性，影响灌溉上限和计算灌溉额定量[19]。研究结果表明，除处理4（A2B1C2）、处理8（A3B2C1）、处理9（A3B3C2）外，其他处理相较于CK都有提高，提高了1.24%～14.89%。处理1的田间持水量达到最大，为21.29%，超过20%的田间持水量，可满足一般植物的生长需要。混合添加3种环境材料可在一定程度上提高土壤全盐含量和田间持水能力。
2.1.3 土壤pH和有机质变化
土壤pH是土壤酸碱度的关键指标，对养分、微生物和作物生长具有重要影响。图2结果显示，土壤pH先增加后逐渐降低，处理1效果最好，土壤pH为7.83，较CK降低2.61%。羊板粪的用量可能导致土壤pH升高。土壤有机质是肥力和植物生长的关键组成，试验组的有机质变化差异显著（P < 0.05），整体呈升高趋势。处理1—3中，羊板粪用量保持一致，TG改良剂和保水剂用量增加，此时有机质含量升高明显，较CK分别提高14.61%、29.48%、37.23%。
2.2 不同环境材料对土壤理化性质影响因素分析
2.2.1 环境材料对土壤密度、孔隙度和田间持水量指标影响
不同添加处理显著改变了土壤的物理性质，统计结果（表4）显示，随着因素A用量增加，土壤密度逐渐上升，其中A1处理表现出最低的土壤密度，为1.40 g/cm3。增加因素B用量同样导致土壤密度上升，而B1处理呈现最低土壤密度，为1.44 g/cm3。因素C用量增加对土壤密度的影响较小，其中C3处理显示最低土壤密度，为1.43 g/cm3。各因素对土壤密度的影响程度为A > C > B，最优组合A1B1C1显著降低了土壤密度。
表 4 渣土物理性质极差分析Table 4. Polar analysis of physical properties of slag soil指标 土壤密度/( g·cm−3) 孔隙度/% 田间持水量/% A B C A B C A B C K1 4.21 4.31 4.29 140.710 135.270 136.130 60.11 58.70 59.36 K2 4.40 4.35 4.43 131.110 132.300 130.760 58.12 57.55 54.93 K3 4.41 4.36 4.30 131.230 135.480 136.160 56.01 57.99 59.95 k1 1.40 1.44 1.43 46.903 45.090 45.377 20.04 19.57 19.79 k2 1.47 1.45 1.48 43.703 44.100 43.587 19.37 19.18 18.31 k3 1.47 1.45 1.43 43.743 45.160 45.387 18.67 19.33 19.98 极差 0.07 0.01 0.05 3.200 1.060 1.800 1.37 0.38 1.67 主次顺序 A > C > B A > C > B C > A > B 优水平 A1 B1 C1 A1 B3 C3 A1 B1 C3 优组合 A1B1C1 A1B3C3 A1B1C3 注：表中Ki表示某一因素在i(i=1，2，3）水平时的理化指标的总和；ki表示某一因素在i(i=1，2，3）水平时的理化指标的算术平均值，用来判断因素的最优水平和最优组合。 随着因素A用量的增加，孔隙度未呈规律性变化，但A1处理显示最高的孔隙度，达到46.903%。因素B用量的增加对孔隙度影响不大，其中B3处理表现出最高孔隙度，为45.160%。增加因素C用量同样未对孔隙度产生明显影响，其中C3处理显示最高孔隙度，为45.387%。各因素对孔隙度的影响次序为A > C > B，最优组合A1B3C3显著提高了孔隙度。
随着因素A用量的增加，田间持水量呈降低趋势，其中A1处理表现出最高的田间持水量，为20.04%。增加因素B用量对田间持水量没有明显规律性变化，而B1处理呈现最高田间持水量，为19.57%。增加因素C用量同样未呈规律性变化，其中C3处理显示最高田间持水量，为19.98%。各因素对田间持水量的影响次序为C > A > B，最优组合A1B1C3显著提高了土壤的田间持水量。
2.2.2 环境材料对pH、全盐含量和有机质指标影响
不同添加处理显著改变了土壤的化学性质，统计结果（表5）显示，随着因素A用量增加，土壤pH未呈规律性变化，其中A1的pH值最低，为7.96。增加因素B用量导致土壤pH上升，而B1处理表现出最低pH，为7.95。因素C用量增加导致土壤pH上升，其中C1处理的pH最低，为7.97。各因素对土壤pH的影响程度依次为B > C > A，最优组合A1B1C1显著降低了土壤pH。
表 5 渣土化学性质极差分析Table 5. Extreme variance analysis of chemical properties of sludge指标 pH 全盐含量/% 有机质含量/（g·kg−1） A B C A B C A B C K1 23.89 23.84 23.91 0.410 0.350 0.320 30.010 31.180 33.220 K2 24.11 23.97 23.92 0.340 0.370 0.370 33.200 34.060 33.270 K3 24.02 24.21 24.19 0.280 0.310 0.340 36.280 34.250 33.000 k1 7.96 7.95 7.97 0.137 0.117 0.107 10.003 10.393 11.073 k2 8.04 7.99 7.97 0.113 0.123 0.123 11.067 11.353 11.090 k3 8.01 8.07 8.06 0.093 0.103 0.113 12.093 11.417 11.000 极差 0.07 0.12 0.09 0.043 0.020 0.017 2.090 1.023 0.090 主次顺序 B > C > A A > B > C A > B > C 优水平 A1 B1 C1 A2 B3 C1 A3 B3 C2 优组合 A1B1C1 A2B3C1 A3B3C2 随着因素A用量增加，全盐含量呈下降趋势，A2处理的全盐含量最低，为0.113%。因素B用量增加未对全盐含量产生规律性变化，而B3处理显示最低全盐含量，为0.103%。因素C用量增加未呈规律性变化，其中C1处理的全盐含量最低，为0.107%。各因素对全盐含量的影响程度依次为A > B > C，最优组合A2B3C1显著降低了土壤全盐含量。
随着因素A用量增加，土壤有机质质量分数上升，其中A3处理的有机质质量分数最高，为12.093 g/kg。因素B用量增加同样导致土壤有机质质量分数上升，而B3处理表现出最高有机质质量分数，为11.417 g/kg。因素C用量增加未呈规律性变化，其中C2处理的有机质质量分数最高，为11.090 g/kg。各因素对土壤有机质的影响程度依次为A > B > C，最优组合A3B3C2显著提高了土壤有机质含量。
2.2.3 主成分分析
通过SPSS对各处理试验结果进行主成分分析（表6），提取了3个主成分，分别贡献率为53.579%、17.569%、16.957%。因子分析是将原始变量数据通过旋转进行重新组合，找出影响变量的共同因子，主成分根据因子计算得来，这3个主成分综合评价了矿区渣土的改良效果。因子1和主成分1涵盖了田间持水量、孔隙度、全盐含量等指标，因子2和主成分2包括pH和土壤密度，因子3和主成分3代表了有机质等指标。根据各主成分的方差贡献率，采用评价函数计算各处理的综合得分，结果见表6。在主成分1中，处理1、2、3、5得分较高，其中处理1的得分最高，表明这些处理对土壤的田间持水量、孔隙度、全盐含量等指标有较大影响。在主成分2中，处理3、6、7得分较高，其中处理6得分最高，这3个处理对pH和容重有显著影响。在主成分3中，处理3、6、8得分仍然较高，其中处理3的得分最高，说明它们对土壤有机质有显著影响。总体而言，处理1和处理3在综合得分中表现较好，而处理4的综合得分最低。
表 6 3种材料对矿区渣土改良综合效果评价Table 6. Evaluation of the improvement effect of three materials on tailings in the mining area编号 因子1 因子2 因子3 主成分1 主成分2 主成分3 得分 排名 CK − 0.87147 1.44192 − 2.07068 − 1.5626 1.4803 − 2.0882 − 1.0570 9 处理1 2.31364 − 0.19678 − 0.92378 4.1485 − 0.2020 − 0.9316 2.3036 1 处理2 0.29162 − 1.45487 − 0.55356 0.5229 − 1.4936 − 0.5582 − 0.0872 4 处理3 0.87892 0.96503 1.3144 1.5759 0.9907 1.3255 1.4111 2 处理4 − 0.7079 − 1.3156 − 0.43757 − 1.2693 − 1.3507 − 0.4413 − 1.1262 10 处理5 0.35478 0.32107 0.62231 0.6361 0.3296 0.6276 0.5734 3 处理6 − 0.46791 0.97683 0.63676 − 0.8390 1.0029 0.6421 − 0.1868 5 处理7 − 0.33178 0.47375 0.26677 − 0.5949 0.4864 0.2690 − 0.2131 6 处理8 − 0.6651 − 0.81545 0.81094 − 1.1926 − 0.8372 0.8178 − 0.7349 7 处理9 − 0.79479 − 0.39588 0.33442 − 1.4251 − 0.4064 0.3373 − 0.8829 8 2.2.4 冗余分析
土壤理化性质是评价草种生长基质好坏的重要环境特征，以羊板粪、TG改良剂、保水剂为解释变量，以土壤pH、有机质、孔隙度、全盐含量、田间持水量、土壤密度为响应变量，对土壤性质与环境材料进行冗余分析（图3），结果表明第一排序轴（RDA1）与第二排序轴（RDA2）分别解释了3种环境材料及土壤理化性质总变异的76.62%和22.79%，累积解释率为99.41%，前两轴可较好地反映环境材料与各指标的关系，且是由第一排序轴决定的。土壤环境材料用蓝色线表示，其他理化因子用黑实线表示。羊板粪和TG改良剂这2条线的箭头连线最长，说明这2个因子对土壤理化性质的差异性解释最好。若2个箭头连线之间的夹角为锐角，说明2个指标之间为正相关；若为钝角，则为负相关。有机质、土壤田间持水量和孔隙度与3种环境材料的相关性较强。有机质与羊板粪呈正相关，孔隙度和田间持水量与保水剂、TG改良剂为正相关。pH、全盐含量和土壤密度与环境材料的相关性较小。孔隙度和田间持水量正相关性强，二者与有机质呈负相关。
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图 3 环境材料与土壤理化性质的冗余分析Figure 3. Redundancy analysis of environmental materials and soil physicochemical properties通过不同环境材料组合对矿区复合土物理化学性质的影响分析，获得了土壤改良效果的最优配比。但探讨这些室内试验研究成果如何在实际工程中应用以及效果如何也成为必须考虑的问题。工程应用的主要目标是通过采用合理的技术措施，使室内试验配方得到推广应用，促使植被在矿区恢复生态平衡，并确保土壤改良在工程应用中能够达到预期的效果。
2.3 工程应用
前期室内试验研究了环境材料对矿区土壤的影响，重点在于表层结构和养分。同时分析了这些材料对土壤性质的影响，包括有机质含量、孔隙度、全盐含量等，共同关注了环境材料在土壤改良中的作用机制。因此，通过进一步整合和分析这些数据，以确定环境材料在矿区实地土壤性质改良中的效果，以及环境材料如何施加和施用顺序等还需具体探索。前期的试验为工程应用提供了可靠的理论基础和实践指导，但理论到实践的过程还需进一步探索。根据现场地理环境和坡度的不同，采用多种处理方式。对于坡度大于25°、坡高大于3 m的排土区和采区等高陡边坡，采用厚层基材喷播法进行治理，包括挂椰网和挂生态棒，生态棒间距为1.5 m。在个别坡度为40°～45°的区域，使用挂铁丝网和挂生态棒，生态棒间距为1 m。对于坡度在25°以下的区域，按照平地工艺进行施工，而在坡度达到45°的区域，采用自然修复方法。整个坡地的具体工艺流程包括边坡修整、挂椰网/铁丝网、挂生态棒、设置排水沟、客土筛分、客土喷播、铺设保水毯以及养护管理[20]。
1）边坡修整。将原始坡面采用机械进行修整清理，清理坡面危石、浮石（直径>10 cm）及杂物，采用机械和人工去除直径大于10 cm的砾石，达到降低单台阶高度、放缓坡度、平整坡面的目的（图4）。排土场分级修整，高差低于20 cm。每个平台宽度为6～8 m，坡面石块不得大于15 cm。边坡坡度控制在25°，最大不得超过45°。
2）挂椰网/铁丝网。椰网铺设横向不搭接，纵向搭接20 cm，底角线处椰网与钢筋缠绕0.5 m。椰网固定采用直径12 mm，长35 cm螺纹钢，底角线0.9 m间距，坡面底角线1.8 m间距，垂直或15°上倾角固定。对于坡度大于40°～45°的边坡，采用勾花铁丝网，尺寸55 mm ×55 mm、ø2.032 mm，底角线0.5 m间距，坡面底角线1.5 m间距，固定采用螺纹钢垂直或15°上倾角固定。链接处重叠100 mm以上，用铅丝扎紧。
3）挂生态棒。生态棒采购长度2 m，由涤纶土工布生产，填充稻壳，可降解，主要用于固定坡面后拦挡喷播的泥土，直径10 cm。铺设后，距两端10 cm处采用螺纹钢筋固定，中间位置（距两端钢筋80 cm）采用螺纹钢筋固定。从坡面上角线至底角线区域自上而下固定，纵向间距1.5 m，坡度大于45°时加密至1 m。钢筋固定时，地面以下22 cm，地面以上13 cm，垂直或15°上倾角固定[21]。
4）截排水设置与水资源利用。设置因地制宜的排水沟。在平台低洼汇水处沿坡面设置纵向排水沟，间距15～30 m，深度0.1～0.5 m规格。
5）客土筛分与土壤基质配制。使用土头覆盖，土头覆盖达到15 ～20 cm（原有土的无需覆土），土头去除5 cm以上石块。车载喷播机的第一次过筛孔径约为4 cm，第二次过滚筒晒孔径约为1 cm。TG土壤改良剂施用量应为3.7 g/kg，羊板粪的施用量为12 g/kg，保水剂的施用量为0.09 g/kg。
6）客土喷播。提出2种喷播方案。方案1：使用0.3 m3标准容量的湿喷机，先将过筛土方、羊板粪混合，送入湿喷机，并加入种子、保水剂、TG改良剂等。播种时间建议在5—6月。方案2：使用8 m³容量的车载喷播机，每车喷播面积40 m²，先加水，再加入保水剂和土方等。按照计量加水搅拌15～20 min，分3～5次喷洒在平整的坡面上，先喷基质层，后喷种子层，厚度一般为（10±2） cm。使用移动式喷播机进行5～6层的均匀喷播，基质层喷播8 cm，种子层2 cm，或选择固定式湿喷机一次成型（图5）。
7）铺设水保草毯。在喷播完成后在坡面上铺设水保草毯，具有减少水分蒸发，保温保湿，防止水土流失、提高出苗率的功能，材料为干草编织的草毯或无纺布，可降解，使用U型钉固定，密度为3颗/m3（图6）。
8）养护管理及经济性分析。坡面按间距15～30 m，深度0.5～1 m规格，因地制宜地修筑排水沟，构建排水系统。低洼汇水处沿坡面制作纵向排水沟防止冲刷。没有网围栏的区域使用网围栏封育，巩固修复效果。每年返青季使用有机缓释肥追肥。在治理后的5 a内，实行禁止放牧和自然恢复政策，并持续进行生态监测，加强后续管理工作，为自然环境的恢复提供良好条件。TG土壤改良剂施用量3.7 g/kg，羊板粪的施用量12 g/kg，保水剂的施用量0.09 g/kg。3种材料的总价格为5.53元/m2，占以往平地修复价格98元/m2的5%，较为节约成本。
9）生态监测。为科学地评价矿区生态修复的实际效果，须对修复区域的土壤各养分指标、牧草出苗情况、生物量及土壤物理化学性质等进行连续监测。现选取自配方开始应用施工的2022年、2023年矿区实地修复效果进行分析。青海冷地早熟禾、同德小花碱茅、青海草地早熟禾、同德垂穗披碱草、青海中华羊茅、多叶老芒麦6种草种作混种试验，按质量比1∶1∶1∶1∶1∶1混合播种，播种量为4 g/m2。设置不含环境材料的处理组为CK。分析理化性质和植物指标，对比结果见表7。
表 7 矿区渣土改良实地应用综合效果评价Table 7. Evaluation of the comprehensive effectiveness of field application of mine spoil improvement处理编号 CK 复垦第1年 复垦第2年 土壤密度/(g·cm−3) 1.35 1.32 1.27 土壤毛管孔隙度/% 30.57 33.29 41.3 孔隙度/% 37.53 36.44 44.5 土壤田间持水量/% 22.12 25.31 29.77 pH 8.20 7.96 8.22 EC/( μS·cm−1) 75.5 127.37 68 全盐含量/% 0.43 0.028 0.1 有效磷含量/(mg·kg−1) 3.86 2.0 5.70 全氮含量/(g·kg−1) 0.41 0.74 1.219 水解性氮含量/(mg·kg−1) 32.94 67.7 85.28 有机质含量/(g·kg−1) 12.98 26.7 33.41 速效钾含量/(mg·kg−1) 62.08 78 180.11 株高/cm 2.33 3.77 11.07 地上鲜重/g 0.058 0.11 0.9 地上干重/g 0.031 0.051 0.27 运用矿区施工工艺，对近2年的施工效果进行综合评价。复垦第2年，土壤密度呈现下降趋势，较CK降低5.9%；土壤毛管孔隙度、孔隙度和土壤田间持水量较CK提高35.1%、18.57%和34.58%。土壤pH呈现先下降后上升的趋势，但较CK变化不大。土壤全盐含量呈现先降低后升高的趋势，但复垦第2年仍较CK降低76.74%。土壤养分随着复垦时间的增加呈现增多的趋势，其中，复垦第2年的有效磷、全氮、水解性氮、有机质、速效钾含量较CK升高47.67%、197.32%、158.89%、157.40%和190.13%。植物株高在复垦第1年升高不明显，复垦第2年较CK升高3.75%，草种的地上鲜重和干重较CK有较大提高。整体符合CJJ 82—2012《园林绿化工程施工及验收规范》要求。
3. 讨 论
3.1 土壤改良理论研究
土壤的物理性质对土壤结构、水肥气热的调控和植物生长发育至关重要。目前采用有机肥和化肥添加方式改善表层基质，促进植被生长[22]。在海拔4 200 m的高寒地区，通过客土覆盖、有机肥和保水剂进行土壤改良，牧草出苗率超过60%，越冬率达到96%。对于高寒矿区露天矿的生态恢复，可考虑使用土壤改良剂加速植被恢复[23]。通过不同材料处理，对矿区渣土的理化指标进行了综合分析，包括极差分析、冗余分析、主成分分析和中值法可得最优配比，为技术应用奠定基础。羊板粪的主要作用体现在有机质、全盐含量、土壤密度和孔隙度的变化。羊板粪含有丰富的有机物质，在增加土壤有机质和丰富土壤微生物的同时，还可以通过改善土壤通透性增加降雨入渗，使原本高盐碱的原状土盐分含量降低。尽管羊板粪提供有机质，但可能引起盐碱土壤问题，建议在满足有机质标准的前提下减少使用。保水剂改善土壤结构，减轻容重，增强保水能力，减轻水土流失，增加田间持水量和pH。保水剂吸收水分同时吸附养分，提供植物适宜养分和微生物环境。TG改良剂提高有机质含量，增加土壤团聚体稳定性，改善通透性，有利于植物生长。环境材料可降低容重、增加孔隙度，TG改良剂随着添加量增加对土壤全盐含量呈现低促高抑的效果，同时对土壤田间持水量呈现抑制作用[10-11]。采用TG改良剂、羊板粪和保水剂改良蛇纹石复合渣土，提高土壤质量，支持植被建设和土地复垦。
研究结果显示，环境材料对土壤有机质有提升效果，改善了土壤结构，增强了保水、固土和保肥能力，促进了矿区生态环境修复，适用于高寒矿区的土壤改良。综合分析得，随着羊板粪添加量的增加，各水平综合得分降低，其中处理1最优。TG改良剂处理得分呈先降后升再降趋势，处理3和处理6差异不大。保水剂添加后综合得分先升后降。总体而言，各因素中得分最高的是处理1。因为土壤盐分并不是越高越好，土壤改良是否达到植物生长最优的盐分含量是值得关注的问题，参照CJJ 82—2012《园林绿化工程施工及验收规范》，室内试验各处理组的全盐含量符合要求（0.1%～0.3%），土壤pH也符合要求（5.6～8.5）。降低pH和降低土壤密度的最佳组合为A1B1C1，其土壤密度在目标范围内（1.00～1.35 g/cm3），相较其他组合较为优越。提高土壤田间持水量的最佳组合为A1B1C3，但考虑到C1与C3仅相差0.19%，为了节约成本且保证效益，选择A1B1C1。孔隙度的最佳组合为A1B3C3，但B1与B3、C1与C3的效果相近，为经济实用性，选择A1B1C1。土壤有机质质量分数的最佳组合是A3B3C2，但其有机质质量分数略低（9.02 g/kg）。综合中值定理和经济实用性，确定优组合为A2B2C1.5。
3.2 工程应用研究
结合相关要求及场地限制[24]，在挂网前采用人工对边坡进行清理。为防止滑坡和基质层脱落，在坡度超过40°时使用牢固的铁丝网固定，而在不足40°时则采用经济性的椰网配合生态棒进行固定。在使用绿化土壤之前，对其进行筛分，去除石块，以防止堵塞喷头。筛土越细，喷播效率越高，堵管几率越小。在喷播机内，混合土壤按配比加水搅拌。技术难点在于确保物料添加符合要求，并且搅拌浓度适合喷播。羊板粪和TG改良剂的使用能够改善土壤质地，使其更轻、更具吸水性、透气性，并富含养分，有利于植物生长。保水剂的加入可提高矿区土壤含水率，使草种在旱季获得更多水分。喷播技术相对于传统的草皮移植工艺来说，能够节约大量成本并减少对自然草皮的破坏。与覆土撒播和点播工艺相比，喷播工艺可以更高效地进行施工，并且适用于有坡度的边坡。开展连续监测恢复区植被的生长状态，关注工艺和配方的持续效果至关重要。
针对近两年在矿区应用的喷播工艺，对施工效果进行综合评价。第二年的复垦显示了一系列积极的变化。土壤密度降低，表明土壤改良效果良好，减轻了土壤密实程度，改善了物理结构。毛管孔隙度、孔隙度和土壤田间持水量增加，反映了环境材料的作用，提高了土壤水分利用效率和储水能力，符合相关规范要求。土壤全盐含量虽有波动但仍在标准范围内，说明环境材料结合工艺有助于减少盐分积累。根据冗余分析，羊板粪和TG改良剂主要影响土壤性质，影响有机质、土壤田间持水量和孔隙度。随着复垦时间增加，土壤养分增多，提升了植物的生长条件。植物生长情况明显改善，表明土壤改良措施有效促进了植物生长，符合相关规范要求。与点播和草皮移植工艺相比，喷播工艺成本降低、效率提高，复绿面积增加，长势改善[25]。综上所述，喷播工艺中的环境材料改善了土壤物理结构、水分状况和养分含量，促进了植物生长，为矿区生态修复提供了有效技术支持。
4. 结 论
1）极差分析和主成分分析结果表明，羊板粪提高土壤有机质明显，TG改良剂降低土壤pH明显，保水剂提高田间持水量明显。复合施用能够综合改善土壤性质，降低渣土容重，增加孔隙度，提高土壤保水能力，同时促进土壤养分的提升。处理1土壤密度为1.35 g/cm3，较CK降低10.6%；孔隙度为48.54%，较CK升高11.30%；田间持水量为21.29%，较CK增加14.89%；土壤pH为7.83，较CK降低2.61%；全盐含量为0.13%，较CK增加85.71%；有机质为9.02 g/kg，较CK增加14.61%。通过极差分析和主成分分析，确定了最优组合为A1B1C1，其对土壤性能改善效果最佳。
2）冗余分析显示，有机质与羊板粪呈正相关，孔隙度和田间持水量与保水剂、TG改良剂为正相关。pH、全盐含量和土壤密度与环境材料的相关性较小。孔隙度和田间持水量正相关性强，二者与有机质呈负相关。综合考虑各种因素，通过综合中值分析，确定了最优配比为A2B2C1.5，即A（羊板粪）12 g/kg，B（TG改良剂）3.70 g/kg，C（保水剂）0.09 g/kg。
3）在实际工程中，我们提出了高寒矿区边坡喷播工艺流程，包括边坡修整、挂椰网/铁丝网、挂生态棒、设置排水沟、客土筛分、客土喷播、铺设保水毯、养护管理及监测。
4）综合评价喷播工艺在矿区施工中的应用效果表明，土壤改良效果明显，包括土壤密度降低、孔隙度增加、水分保持能力提升以及养分含量增加，进而促进了植物生长发育。与传统点播和草皮移植相比，喷播工艺不仅成本更低、效率更高，而且恢复效果更为持久。
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图 2 不同处理复合土壤的理化指标变化
注：不同小写字母表示不同处理之间的差异显著（P < 0.05）。下同。
Figure 2. Change of matrix physical index prepared by raw soil and serpentine muck
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图 3 环境材料与土壤理化性质的冗余分析
Figure 3. Redundancy analysis of environmental materials and soil physicochemical properties
表 1 矿区蛇纹石渣土和原土以及羊板粪理化性能
Table 1 Physical and chemical properties of serpentine residue and original soil and sheep feces in mining area
指标 蛇纹石渣土 原土 羊板粪 土壤比重/(g·cm−3) 2.50 2.33 — 土壤密度/(g·cm−3) 1.34 1.38 — 孔隙度/% 46.63 40.92 — 土壤毛管孔隙度/% 28.05 35.14 — 土壤田间持水量/% 22.51 26.83 — pH 8.81 7.65 7.83 电导率/(μS·cm−1) 308.30 293.70 2420 土壤含盐量/% 0.21 0.12 0.13 As含量/(mg·kg−1) 14.90 33.40 9.95 Hg含量/(mg·kg−1) 0.025 0.258 0.031 Cd含量/(mg·kg−1) 0.108 0.275 0.325 Cr含量/(mg·kg−1) 1 250 111 59.5 Pb含量/(mg·kg−1) 2.45 24.6 15.8 有机质含量(g·kg−1) 16.54 16.36 99.30 有效磷含量/(mg·kg−1) 2.22 6.41 9.67 全氮含量/(g·kg−1) 0.09 0.83 11.9 水解性氮含量/(mg·kg−1) 23.35 54.87 759 速效钾含量/(mg·kg−1) 22.06 143.99 308 
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表 2 3种环境材料添加量
Table 2 Addition of three environmental materials
用量水平 各因素及用量/（g·kg−1） 羊板粪A TG改良剂B 保水剂C 1 A1(6) B1(1.48) C1(0.06) 2 A2(12) B2(3.70) C2(0.12) 3 A3(18) B3(5.92) C3(0.18)
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表 3 正交试验各处理材料用量组合
Table 3 Orthogonal test material dosage combinations for each treatment
处理编号 用量/（g·kg−1） 羊板粪A TG改良剂B 保水剂C CK 0 0 0 处理1 A1(6) B1(1.48) C1(0.06) 处理2 A1(6) B2(3.70) C2(0.12) 处理3 A1(6) B3(5.92) C3(0.18) 处理4 A2(12) B1(1.48) C2(0.12) 处理5 A2(12) B2(3.70) C3(0.18) 处理6 A2(12) B3(5.92) C1(0.06) 处理7 A3(18) B1(1.48) C3(0.18) 处理8 A3(18) B2(3.70) C1(0.06) 处理9 A3(18) B3(5.92) C2(0.12)
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表 4 渣土物理性质极差分析
Table 4 Polar analysis of physical properties of slag soil
指标 土壤密度/( g·cm−3) 孔隙度/% 田间持水量/% A B C A B C A B C K1 4.21 4.31 4.29 140.710 135.270 136.130 60.11 58.70 59.36 K2 4.40 4.35 4.43 131.110 132.300 130.760 58.12 57.55 54.93 K3 4.41 4.36 4.30 131.230 135.480 136.160 56.01 57.99 59.95 k1 1.40 1.44 1.43 46.903 45.090 45.377 20.04 19.57 19.79 k2 1.47 1.45 1.48 43.703 44.100 43.587 19.37 19.18 18.31 k3 1.47 1.45 1.43 43.743 45.160 45.387 18.67 19.33 19.98 极差 0.07 0.01 0.05 3.200 1.060 1.800 1.37 0.38 1.67 主次顺序 A > C > B A > C > B C > A > B 优水平 A1 B1 C1 A1 B3 C3 A1 B1 C3 优组合 A1B1C1 A1B3C3 A1B1C3 注：表中Ki表示某一因素在i(i=1，2，3）水平时的理化指标的总和；ki表示某一因素在i(i=1，2，3）水平时的理化指标的算术平均值，用来判断因素的最优水平和最优组合。
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表 5 渣土化学性质极差分析
Table 5 Extreme variance analysis of chemical properties of sludge
指标 pH 全盐含量/% 有机质含量/（g·kg−1） A B C A B C A B C K1 23.89 23.84 23.91 0.410 0.350 0.320 30.010 31.180 33.220 K2 24.11 23.97 23.92 0.340 0.370 0.370 33.200 34.060 33.270 K3 24.02 24.21 24.19 0.280 0.310 0.340 36.280 34.250 33.000 k1 7.96 7.95 7.97 0.137 0.117 0.107 10.003 10.393 11.073 k2 8.04 7.99 7.97 0.113 0.123 0.123 11.067 11.353 11.090 k3 8.01 8.07 8.06 0.093 0.103 0.113 12.093 11.417 11.000 极差 0.07 0.12 0.09 0.043 0.020 0.017 2.090 1.023 0.090 主次顺序 B > C > A A > B > C A > B > C 优水平 A1 B1 C1 A2 B3 C1 A3 B3 C2 优组合 A1B1C1 A2B3C1 A3B3C2
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表 6 3种材料对矿区渣土改良综合效果评价
Table 6 Evaluation of the improvement effect of three materials on tailings in the mining area
编号 因子1 因子2 因子3 主成分1 主成分2 主成分3 得分 排名 CK − 0.87147 1.44192 − 2.07068 − 1.5626 1.4803 − 2.0882 − 1.0570 9 处理1 2.31364 − 0.19678 − 0.92378 4.1485 − 0.2020 − 0.9316 2.3036 1 处理2 0.29162 − 1.45487 − 0.55356 0.5229 − 1.4936 − 0.5582 − 0.0872 4 处理3 0.87892 0.96503 1.3144 1.5759 0.9907 1.3255 1.4111 2 处理4 − 0.7079 − 1.3156 − 0.43757 − 1.2693 − 1.3507 − 0.4413 − 1.1262 10 处理5 0.35478 0.32107 0.62231 0.6361 0.3296 0.6276 0.5734 3 处理6 − 0.46791 0.97683 0.63676 − 0.8390 1.0029 0.6421 − 0.1868 5 处理7 − 0.33178 0.47375 0.26677 − 0.5949 0.4864 0.2690 − 0.2131 6 处理8 − 0.6651 − 0.81545 0.81094 − 1.1926 − 0.8372 0.8178 − 0.7349 7 处理9 − 0.79479 − 0.39588 0.33442 − 1.4251 − 0.4064 0.3373 − 0.8829 8
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表 7 矿区渣土改良实地应用综合效果评价
Table 7 Evaluation of the comprehensive effectiveness of field application of mine spoil improvement
处理编号 CK 复垦第1年 复垦第2年 土壤密度/(g·cm−3) 1.35 1.32 1.27 土壤毛管孔隙度/% 30.57 33.29 41.3 孔隙度/% 37.53 36.44 44.5 土壤田间持水量/% 22.12 25.31 29.77 pH 8.20 7.96 8.22 EC/( μS·cm−1) 75.5 127.37 68 全盐含量/% 0.43 0.028 0.1 有效磷含量/(mg·kg−1) 3.86 2.0 5.70 全氮含量/(g·kg−1) 0.41 0.74 1.219 水解性氮含量/(mg·kg−1) 32.94 67.7 85.28 有机质含量/(g·kg−1) 12.98 26.7 33.41 速效钾含量/(mg·kg−1) 62.08 78 180.11 株高/cm 2.33 3.77 11.07 地上鲜重/g 0.058 0.11 0.9 地上干重/g 0.031 0.051 0.27
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