针对矿山现状，以磷尾矿为主要原料，通过科学添加改性剂及辅助原料，改善其物化特性，制备复垦基质土。所开发基质土产品理化性质、基质土渗滤液磷含量等指标和《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）[10]、《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）[11]进行比照分析。

1.1  实验原料

实验主要原料为云南磷化集团有限公司磷尾矿，具体理化性质见表1。对照《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）标准分析，该磷尾矿存在入渗率低、有机质含量低、自身容重较大等问题，同时磷尾矿中磷含量流失会导致周边水体富营养化。对于入渗率低、自身容重较大问题，可通过覆盖植被，施用有机肥、掺入秸秆、碎木屑等材料缓解[12-13]，也可添加改良剂来降低土壤容重。有机质缺失问题，可通过添加污泥堆肥、生物炭等改良剂来提升肥力[14-15]。针对云南省滇池流域水质环保要求，通过固磷剂将磷尾矿中水溶磷固定钝化。

针对磷尾矿理化性质存在的问题，筛选出多种改良剂，分别是黑页岩、填料SZ、污泥堆肥、团粒剂J-1、固磷剂FP-1、固磷剂FP-2。其中，黑页岩和填料SZ呈块状，孔隙率较大，可用来改善磷尾矿的容重，改良基质入渗率[16]；污泥堆肥符合《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）[17]，为A级污泥产物，有机质含量为62.43%，能够有效改善基质土结构并增加基质土有机质含量，同时可为绿植提供适量养分[18]；团粒剂J-1可使基质土形成良好的团粒结构，保水透气，增加基质的入渗率，有利于作物的根系生长[19]。针对云南省滇池流域环保措施，筛选应用固磷剂FP-1、固磷剂FP-2固定钝化磷尾矿中的水溶性磷同时改善pH值和电导率，根据《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）可检测渗滤液中磷酸盐含量是否达标。黑页岩、填料SZ、污泥堆肥来自云南磷化集团。

1.2  研究方法及装置

考虑经济效益，结合改良剂之间的协同作用，探究黑页岩、堆肥、固磷剂FP-1、固磷剂FP-2、团粒剂J-1对土壤入渗率的影响，设计不同原料配比实验方案见表2，测定其入渗率，分析影响因素显著性。以方案R1为例，操作步骤如下：对于改良剂黑页岩、堆肥、固磷剂FP-1、固磷剂FP-2、团粒剂J-1分别按照质量比例加入150g、10g、8g直接添加到1000g磷尾矿中，搅拌均匀即可，下同。

探究固磷剂FP-1、固磷剂FP-2、黑页岩、堆肥等四种改良剂对尾矿渣相应性质的改良效果，试验方案见表3。试验主要考察了固磷剂FP-1、固磷剂FP-2对磷尾矿基质pH值和EC值的影响；黑页岩和堆肥对尾矿渣基质的容重和饱和含水量的影响。

磷是构成植物生长不可缺少的营养元素。但过量堆积的磷尾矿中存在水溶性磷，经雨水冲刷后，易造成地下水、河流和湖泊水质污染和水体的富营养化[20]，使用磷尾矿作为改良基质用于滇池流域矿山复垦需要避免磷淋失的问题。为探究改良剂用量，搭建土柱淋溶实验装置，如图1所示，用于模拟在自然环境条件下雨水对基质土的淋溶过程，淋溶柱材料为有机玻璃管（柱高70cm，外径10cm、内径9.35cm），柱内填充改良基质土，基质土填充高度50cm，底部铺尼龙滤网，上端铺脱脂棉。使用去离子水为冲洗液，加入适量去离子水直到基质土水分达到饱和状态，持续淋洗，淋溶速度为100mL/h，连续淋溶24h，收集淋溶液进行化学分析。

实验中，土壤入渗率测定采用《森林土壤渗滤率的测定》(LY/T 1218—1999)，pH值测定采用《森林土壤pH值的测定》(LY/T 1239—1999)，EC值测定采用《绿化用表土保护技术规范》(LY/T 2445—2015)，容重测定采用《土壤检测第4部分：土壤容重的测定》(NY/T 1121.4—2006)，有机质测定采用《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》(LY/T 1237—1999)，总磷测定采用《磷矿石和磷精矿中五氧化二磷含量的测定磷钼酸喹啉重量法和容量法》(GB/T 1871.1—1995)，磷酸盐采用《水质磷酸盐和总磷的测定连续流动-钼酸铵分光光度法》(HJ 670—2013)，土壤汞、铅、铬、砷、镍、铜、锌测定采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》(GB 15618—2018)，渗滤液汞、镉、铅、六价铬、砷、铜、锌测定采用《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)。

1.3  实验结果

1.3.1  基质土入渗率影响因素分析

土壤入渗率描述了水分从土壤表面渗入土壤内部的速率，是衡量土壤渗透能力的一个重要指标。入渗率受到多种因素的影响，包括土壤类型、土壤结构、有机质含量等。根据团聚体理论，土壤在受到黏土、有机质及阳离子等物质的作用下形成团聚结构，该结构具有多孔性，总孔隙度大，在团粒结构土壤中，团粒与团粒之间是非毛管孔隙（粒间孔隙），可以透水通气，能够把雨水吸入土壤，因此，黑页岩、堆肥、团粒剂的加入使土壤入渗率升高。

图2为不同处理对基质土入渗率的影响。由图2可知，加入0.02%团粒剂J-1的R3基质土入渗率是未加入团粒剂R2基质土的2.7倍，大大增加了基质土的入渗率，同时也可看出黑页岩、堆肥的添加对入渗率的提高也有一定的提升作用。团粒剂加入前后物性状态外观如图3所示。由图3可知，加入团粒剂后的基质土形成了团聚结构使土壤结构呈疏松状态，从而增加土壤入渗率。

1.3.2  基质土pH值和EC值影响因素分析

实验原料中筛选的固磷剂对pH值和EC值影响显著，因此，主要探讨了固磷剂FP-1和FP-2对基质土产品pH值和EC值的影响。通过改变单一原料不同用量，得到固磷剂FP-1和FP-2对基质土pH值和EC值的影响规律如图4所示。由图4可知，固磷剂FP-1对基质土pH值的影响显著，当固磷剂FP-1的添加量在0.3%以下时，基质土满足绿化种植土壤主控指标pH值小于8.3的要求；固磷剂FP-2对基质土EC值的影响显著，当固磷剂FP-2的添加量在1%以下，满足绿化种植土壤主控指标中EC值小于3mS/cm的要求。

1.3.3  基质土容重和饱和含水量的主要影响因素分析

一般情况下，肥沃土壤容重约为1.0g/cm³[21]，而天然土壤容重在1.3~1.5g/cm³之间[22-23]，土壤饱和含水量是衡量土壤持水能力的重要指标[24]，为探究基质土适宜的容重和饱和含水量，在确定固磷剂合适添加量的条件下，堆肥和黑页岩对基质土容重和饱和含水量的影响规律如图5所示。由图5可知，添加不同比例的黑页岩，随着添加量的增加，容重不断降低，饱和含水量不断升高，当黑页岩添加质量比为15%时，基质土的容重为1.41g/cm³，饱和含水量为35.26%。在黑页岩添加质量比为15%的基础上，堆肥添加质量比在4%、6%、10%与空白基质土（浮选磷尾矿中添加0.1%固磷剂FP-1、0.4%固磷剂FP-2、0.02%团粒剂，下同）相比，容重分别降低了9%、11%、17%，相比空白基质土相比饱和含水量分别增加了41%、49%、52%。堆肥和黑页岩共同作用有效降低了基质土的容重，同时增加了基质土的保水能力。

1.3.4  基质土淋溶液磷含量影响因素分析

《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）要求的第二类污染物最高排放浓度为1mg/L（磷酸盐，以P计）。为筛选不同固磷剂种类及合适用量。实验采取不同原料比例制备出磷尾矿基质土，具体实验原料配比见表4。将制备好的基质土装填到土柱淋溶实验装置，收集淋溶液进行分析。考虑土壤基质的水肥特性和植物生长效应，综合考虑施工现场黑页岩处理难度较大、固磷剂FP-2对EC值影响较大及成本因素，因此，将黑页岩替换为填料SZ，不采用固磷剂FP-2。

土柱基质土淋溶方案试验结果见表5。CK为空白处理，淋溶液的磷酸盐含量高达8.08mg/L；随着固磷剂加入量的增加，基质土磷酸盐含量呈现明显降低趋势，添加固磷剂较多的方案T3淋溶液中磷含量仅为0.18mg/L，较处理CK磷含量下降97.8%。其他指标均满足污水综合排放标准要求。

2.1  试验地概况

试验地位于云南省昆阳磷矿复垦区（24°43′N，102°33′E），属亚热带季风气候区，年平均气温15℃，年平均降水量901.4mm，年最大降水量1172.1mm，年最小降水量628.2mm，日最大降雨量：123.6mm，最长连续降雨：19 d共243.3mm，年最大蒸发量：2212.9mm，年最小蒸发量：1657.0mm，光热条件较好，热量资源丰富，夏季雨量充沛。

2.2  供试材料及方案

矿山现场磷尾矿、改良剂与基质改良实验所用相同。待材料混合与预处理过后，即形成植物生长所需基质，为矿区边坡绿化植被的成长提供支持。

根据实验室的优选方案，在云南昆阳磷矿复垦区开展中试试验。试验结合物理、化学及生物修复技术，利用矿山复垦基质土对复垦区进行全方位的综合治理。整个试验区占地约0.267hm²，划分为四个宽8m、长度50m独立试验区，同时每个试验区分为七部分，依次为小区1～小区7。试验方案如下所述。

1）试验区工程建设、基质土回填：小区的截面均被设计为长度50m、深度1.2m、宽度8m的倒梯形槽，槽的坡度比≥1%，底部及侧面使用土工布和防渗膜材料进行严密铺设，小区底部的中央位置放置打孔管道，收集来自组成为少量农灌水和大部分雨水的土壤渗滤液液体，防止液体渗漏和污染扩散，孔上方铺设20cm石渣防止堵塞，石渣上方填充改良基质土。通过这一装置，准确收集和分析每个小区产生的渗滤液，为后续的复垦工作提供数据支持。

2）试验区结合实验室基质改良试验，综合考虑土壤基质的水肥特性和植物生长效应，矿山复垦基质土具体实施方案与土柱基质土淋溶方案（表4）相同。

3）试验区域所选植物包括了乔木、灌木和地被植物，小区植物物种组合及种植具体方式见表6。

4）工程建设结束后委托云南华测检测公司开展第三方持续两年进行环境检测，选取工程建设结束后6个月进行土样、1个月（暴雨过后）渗滤液水质分析。同时由于基质土中含有大量浮选磷尾矿及污泥堆肥，含有Cd、As、Pb、Cr、Hg、Cu、Zn等重金属元素[26-27]，因此，对基质土配方的土样和水样进行重金属含量分析。

2.3  矿山现场中试结果

2.3.1  基质土物化性质分析

在工程结束六个月后采集四块试验区的土样进行理化性质分析，结果见表7。基质土中有机质、pH值、EC值、重金属含量等主控指标均达到《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）要求。其中，T3地块相比于CK地块，土壤肥力中有机质提升45.10%、全磷提升17.65%、全氮提升106.68%；重金属中镉含量降低了67.01%，铅、锌分别降低10.82%、0.82%，其余重金属含量略有升高，是由于堆肥的添加导致部分重金属升高；在盐碱方面，pH值略有升高，EC值降低效果并不显著，考虑固磷剂FP-1对pH值的改良效果优于EC值的改良效果。根据《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价》（NY/T 1749—2009）[28]中土壤肥力综合指数法计算，CK-T3地块土壤肥力综合指数分别为6.21、5.88、5.93、6.44，地块综合肥力值均大于1.7，土壤肥力处于较高水平，土壤肥沃或很肥沃，不缺肥，作物产量较高。

目前，暂未有关于磷尾矿用于环境保护流域矿山生态复垦的相关报道，金哲浩等[29]调研发现，滇池流域典型人工林域土壤有机质范围为14.54~35.21g/kg，低于本研究中的40.60～58.91g/kg；pH值范围为4.77～5.65，本研究中pH值范围偏中性效果更优；全磷范围为0.68～1.57g/kg，低于本研究中的9.26～14.0g/kg；全氮范围为0.88～1.82g/kg，和本研究中的0.534～1.610g/kg接近。张国涵等[30]调研发现根据"十三五"期间滇池外海底泥重金属含量可知，砷、汞、铬、铅、镉、铜和锌的五年平均含量分别为26.90mg/kg、0.33mg/kg、95.90mg/kg、70.10mg/kg、0.98mg/kg、101.00mg/kg、191.00mg/kg，均高于本研究中的重金属含量。综上所述，可认为本文中基质土对矿山生态复垦工作具有一定的参考意义和应用价值。

2.3.2  渗滤液水质分析

在工程结束1个月后对四块试验田收集槽中的渗滤液水质按《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）标准进行比对。试验区渗滤液理化性质测试结果见表8。由表8可知，实验组T1、实验组T2、实验组T3与对照组CK相比，改良剂有效降低了渗滤液中化学需氧量、磷酸盐、氟化物、硫化物、总有机碳含量，其中，磷酸盐、硫化物含量未检测出，对照组CK超标；化学需氧量分别降低了44.6%、29.7%、82.2%，对照组CK超标；氟化物分别降低了-14.4%、18.6%、7.2%；总有机碳分别下降了41.6%、83.8%、55.9%，对照组CK和试验组T1超标。渗滤液中重金属含量，均符合《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）标准要求。整体来说实验组T3效果最优。目前，暂未有关于磷尾矿中的抑磷型固化剂用于矿山修复中磷酸盐的报道，根据龙文江[31]采用0.003%PSAF+0.2%SAP的组合方案处理磷尾矿充填体泌水中的氟化物为0.81mg/L与本文中氟化物0.9mg/L结果接近。黄远来[32]采用0.4%PAC与4%CaO的组合方案处理充填体泌水中的氟化物，效果最佳氟化物浓度为1.9mg/L，高于本研究中的0.9mg/L。本研究中重金属含量均远低于李贝等[33]对滇池流域采样分析的重金属含量。华映肖等[34]研究发现，2016—2018年滇池富营养化水域-大泊口化学需氧量范围为25.9～46.1mg/L，实验组T3化学需氧量低于上述化学需氧量范围，考虑污泥堆肥含量增加使化学需氧量升高，固磷剂FP-1对化学需氧量有降低。综上所述，本文中基质土对滇池流域保护工作具有一定的工程价值。

2.3.3  植物长势

地块植物种植初期长势良好，植株发芽率达80%以上。试验区植物生长两年后长势如图6所示。后期实验组CK-T3植物覆盖率分别为91.0%、88.0%、94.3%、95.2%，生长茂盛，所有地块均能将试验区域基本覆盖，实现对矿山废弃地的快速修复，形成新的植物群落，以重构矿山生态系统，促进矿山废弃地生态快速修复。王艳等[35]研究发现改良后的尾矿将植物的发芽率达到了41.67%，低于本研究中的80%；鲁明星等[15]研究发现改良后的尾矿将植物发芽率达到了87%、90%，与本研究的发芽率相近；张富有等[36]研究发现高山峡谷地区高速公路边坡通过土壤改良，植物覆盖率提升22%，达到97%，与本研究的植物覆盖率95.2%结果相近。综上所述，本研究的植物发芽率、植物覆盖率证明矿山土壤改良效果较好，证明改良方案对矿山生态复绿具有一定的参考意义。