矿产资源开发影响区域生态，导致土层结构破坏、水土流失、土壤肥力下降和植被恢复困难^[1]，客土改良可以改善土壤结构和养分状况^[2]。高寒矿区缺土、水土侵蚀问题突出，外运客土成本过高，直接利用矿渣很难支持植物生长^[3]。因此，人工配制基质和种草重建矿山废弃地植被是生态环境恢复的有效措施之一^[4-5]。目前，利用动物粪便与腐植酸土壤改良剂和保水剂改良土壤已成为矿区生态修复方便、经济的方法。羊板粪来自三江源头的草原，提供有机物改善土壤肥力^[6]。乔千洛等^[7]在青海木里煤矿采用渣土与羊板粪的复合应用，提高了土壤养分含量。TG改良剂含有的生物炭、煤基腐植酸、黑矾等材料，对土壤结构、养分、幼苗成活都有良好效果^[8]。李昉泽等^[9]施用煤基腐植酸改善土壤结构，提高碱解氮和有效磷的含量，同时促进黑麦草的生长。保水剂是超强吸水材料，用于提高土壤保水性和改良结构，广泛用作抗旱节水剂^[10]。

以青海威斯特铜矿为例，研究矿区蛇纹石渣土与矿区建设初期储存的原土，并采用不同比例的混合配制。通过添加羊板粪、TG改良剂和保水剂等环境材料进行土壤改良，旨在创建适宜高寒矿区植被恢复的土壤基质，提升土壤水肥保持能力，为青海高海拔地区矿区土壤修复提供技术支持。

青海威斯特铜矿位于青海省果洛藏族自治州(E 100°07′30″，N 34°23′30″)德尔尼山(图 1)。该地区地形呈南北高、中间低，海拔标高4 000~4 400 m。该地形呈南北高、中间低，属典型青藏高原气候，年均气温-1.2 ℃。年均降雨375.2 mm，主要集中在暖季。植被类型为高寒草甸植被。矿区在矿石开采中产生大量蛇纹石渣石，其组成类似土壤^[11]。蛇纹石渣土疏松多孔，有良好的种植潜力，但存在盐渍化、贫瘠、保水性差、养分欠缺和重金属污染等问题^[12]。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置图 Fig. 1 Position in the study area

分别采集青海威斯特铜矿区4290和4138平台建设初期储存的原土和开采矿石产生的蛇纹石渣土(表 1)，蛇纹石渣土的有机质含量接近原土，达到国家第2次土壤普查中规定的4级养分含量标准^[13]；其全氮、水解性氮和有效磷、速效钾质量分数较低，均未达到国家第2次土壤普查中规定的6级养分含量标准，原土的养分基本处于3~5级。蛇纹石渣土重金属Pb、Cd、Hg含量均低于GB 5618—2018《土壤环境质量—农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的筛选值，原土As含量稍高于标准，蛇纹石渣土Cr含量超出标准较显著，可通过与原土混合降低其含量。试验地为5 m×5 m，三混一取样，即每子样地(1 m×1 m)采集3个随机土壤样品，混合为1个样品。蛇纹石需经破碎研磨处理，与原土分别过1 cm土壤筛以除去植物和大块岩石残留物；其余样品继续过2 mm筛，而后存放冷箱中保存，以便后期分析土壤pH、EC、养分含量、重金属等指标。

表 1(Tab. 1)

表 1 矿区蛇纹石渣土和原土以及羊板粪理化性能 Tab. 1 Physical and chemical properties of serpentine slag soil and original soil and sheep feces in mining area 处理(蛇纹渣土∶原土) Treatment (serpentine residue∶raw soil) 蛇纹石渣土 Serpentine residue 原土 Raw soil 羊板粪 Sheep board dung 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm-3) 1.34 1.38 — 总孔隙度 Total soil porosity/% 46.63 40.92 — 土壤毛管孔隙度 Soil capillary porosity/% 28.05 35.14 — 土壤田间持水量Soil field water-holding capacity/% 22.51 26.83 — pH 8.81 7.65 7.83 EC/(μS·cm-1) 308.30 293.70 2 420.00 土壤含盐量 Soil salt content/% 0.21 0.12 1 277.00 As/(mg·kg-1) 14.90 33.40 9.95 Hg/(mg·kg-1) 0.025 0.258 0.031 Cd/(mg·kg-1) 0.108 0.275 0.325 Cr/(mg·kg-1) 1 250.00 111.00 59.50 Pb/(mg·kg-1) 2.45 24.60 15.80 SOM/(g·kg-1) 16.54 16.36 99.30 AP/(mg·kg-1) 2.22 6.41 9.67 TN/(g·kg-1) 0.09 0.83 11.90 HN/(mg·kg-1) 23.35 54.87 759.00 AK/(mg·kg-1) 22.06 143.99 308.00 注：EC：电导率；SOM：有机质；AP：有效磷；TN：全氮；HN：水解性氮；AK：速效钾；—：未测定指标。Notes: EC: Electrical conductivity; SOM: soil organic matter; AP: available phosphorus; TN: total nitrogen; HN: hydrolyzable nitrogen; AK: available potassium; —: undetermined indicator.

表 1 矿区蛇纹石渣土和原土以及羊板粪理化性能 Tab. 1 Physical and chemical properties of serpentine slag soil and original soil and sheep feces in mining area

在青海果洛威斯特铜业有限责任公司矿区进行试验，采用过筛后1 cm的蛇纹石渣土和原土进行简单混合装填，结合土壤培养和植物种植试验方法。土培试验中，设置11个处理，包括不同比例的蛇纹石渣土和原土混合，具体比例为10∶0(CK)、9∶1(A)至0∶10(J)。每处理设3个重复，每盆500 g土壤样品，置于室内避光培养30 d。在培养期间，每4~5 d添加蒸馏水50 mL，培养结束后破盆取样，分析土壤密度、孔隙度、田间持水量等物理指标，以及pH、全盐含量和养分等化学指标。

试验在青海果洛威斯特铜业有限公司矿区进行，选用多年生青海同德垂穗披碱草。该草种具备极强的耐寒、耐旱能力。同时选取青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾、青海中华羊茅、同德垂穗披碱草、多叶老芒麦、同德小花碱茅6种草种作混种试验，按质量均分混合播种，播种量为4 g/m²。

披碱草种植试验设置与蛇纹石渣土：原土配比处理相同。选用花盆上直径125 mm，高105 mm，挑选大小均一的种子，单播每盆撒播40粒，混种每盆60粒、每种10粒，单混播种处理均设3个重复，置青海室内培养。通过对培养14 d、18 d、22 d、31 d和38 d进行计数取样分析，观察出苗生长情况。培养结束后破盆取样，分析植物株高、鲜质量、干质量和出苗率等指标。

2022年6月28日，田间试验在矿区生态修复平台布设，经过前期三因素三水平正交优化改良试验后，选用中国矿业大学(北京)研发的专利产品TG土壤改良剂，青海果洛市场购买的羊板粪以及法国爱默生KM 3005型保水剂。以室内土壤培养试验结果(TG土壤改良剂0.5 kg/m²、KM 3005保水剂12 g/m²和羊板粪1.56 kg/m²)为基础，通过当地田间小区试验进行校正，建立适用于当地的用法和用量，期间水源均来自天然降水。试验小区为25 m²(长5 m，宽5 m)，覆土厚度10 cm。采用单因素控制变量设计，在蛇纹石渣土与原土6∶4的基础上，分析不同用量羊板粪、TG改良剂对基质改良和草种发芽生长影响。

1) 羊板粪用量设计：设不施用的对照组和羊板粪用量低、中、高(1.56，3.12和4.68 kg/m²)组合，编号1-1、1-2、1-3和1-4；保水剂(12 g/m²)和TG改良剂(0.5 kg/m²)等材料用量保持一致。

2) TG改良剂用量设计：设不施用的对照组和TG改良剂用量低、中、高(0.5，1.0和1.5 kg/m²)组合，编号2-1、2-2、2-3和2-4。保水剂(12 g/m²)和羊板粪(1.56 kg/m²)等材料用量保持一致。

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；EC值采用电导率仪(水土比5∶1)时测定；土壤全盐含量采用称量法。全氮采用元素分析仪测定；土壤有机质采用K₂Cr₂O₇/H₂SO₄湿法消解法测定；土壤水解性氮采用凯氏定氮仪法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定(NY/T 1121.7—2014 《土壤检测 第7部分: 土壤有效磷的测定》)；速效钾采用火焰光度法测定；土壤中Cr、Cd和Pb含量采用石墨炉原子吸收光谱法测定^[14]；Hg、As含量采用微波消解/原子荧光法测定。盆栽试验和野外田间试验的植株株高采用直尺量取法测定，鲜质量和干质量采用称量法测定，样品置于烘箱内105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量。

采用Microsoft Excel和SPSS 26对试验数据分析统计，利用one-way ANVON分析不同蛇纹石渣土和原土配比对土壤物理化学指标影响；用最小显著差异法判断各处理组植株生长发育各项指标差异显著性。

图 2表明，种植基质的土壤密度变化差异不显著(P＞0.05)，基本维持在1.35 g/cm³左右，可满足草种发芽需要。试验表明，土壤孔隙度整体随原土含量增加呈下降趋势，但土壤毛管孔隙度呈上升趋势。土壤毛管孔隙度在蛇纹石渣土与原土6∶4以上时，基本保持在32%以上。不同配比基质的土壤EC差异显著(P＜0.05)，EC随着原土的增加呈先降低后升高的趋势，但都在植物生长的适应范围。种植基质田间持水量随原土增加逐渐上升，从22.51%(CK)升高到28.97%(I)。当蛇纹石渣土与原土配比6∶4及之后(处理D-I)，土壤田间持水量逐渐升高，基本保持24%以上，达到一般植物生长需要的水分空间。

图 2(Fig. 2)

CK: 蛇纹石渣土∶原土=10∶0; A: 蛇纹石渣土∶原土=9∶1; B: 蛇纹石渣土∶原土=8∶2; C: 蛇纹石渣土∶原土=7∶3; D: 蛇纹石渣土∶原土=6∶4; E: 蛇纹石渣土∶原土=5∶5; F: 蛇纹石渣土∶原土=4∶6; G: 蛇纹石渣土∶原土=3∶7; H: 蛇纹石渣土∶原土=2∶8; I: 蛇纹石渣土∶原土=1∶9; J: 蛇纹石渣土∶原土=0∶10。不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(P＜0.05)。下同。 CK: Serpentine slag∶raw soil=10∶0; A: serpentine slag∶raw soil=9∶1; B: serpentine slag∶raw soil=8.2; C: serpentine slag∶raw soil=7∶3; D: serpentine slag∶raw soil=6∶4, E: serpentine slag∶raw soil=5∶5; F: serpentine slag∶raw soil=4∶6; G: serpentine slag∶raw soil=3∶7; H: serpentine slag∶raw soil=2∶8; I: serpentine slag∶raw soil=1∶9; J: serpentine slag∶raw soil=0∶10. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P < 0.05). The same below. 图 2 原土与蛇纹石渣土配制的基质物理指标变化 Fig. 2 Physical index variation of matrix prepared by raw soil and serpentine slag

如图 3所示，土壤pH随原土量增加逐渐降低，从8.81(CK)降到7.65(J)，从偏碱性平衡到近中性。土壤全盐含量变化差异显著(P＜0.05)，土壤全盐含量随原土增加都较蛇纹石渣土有提升，并表现逐步上升趋势。整体达到0.2%~0.4%之间，存在低盐碱化的风险。但在高寒地区，土壤全盐含量适度增加，会提升土壤的抗寒抗冻能力和提升牧草品质的效应。试验组的有机质变化差异不显著(P＜0.05)，都在16.00 g/kg以上，达到《园林绿化工程施工及验收规范》要求。土壤全氮、水解性氮、有效磷和速效钾变化差异显著(P＜0.05)，随着原土的增加逐步上升趋势，基本达到国家第2次土壤普查5级以上养分水平。所以，原土添加对蛇纹石渣土配制种植基质的土壤养分提升影响较大。

图 3(Fig. 3)

图 3 原土与蛇纹石渣土配制的基质化学指标变化 Fig. 3 Chemical index variation of matrix prepared by raw soil and serpentine slag

由图 4a可知，混合草种随着时间延长，出苗率不断上升，第38天时(处理D)达到最大，较CK升高10.34%。CK和处理A的出苗快但苗小，叶小卷皱发黑；处理B、C出苗零散，苗小叶细和卷皱，处理D、F、G出苗较快且集中，苗大叶长；处理H-J出苗慢且零散，苗小叶长，表现土壤空气不足；披碱草种植结果(图 4b)，处理综合比较，蛇纹石渣土与原土4∶6到6∶4配比(D、F、G)6种草种混种的出苗情况和披碱草出苗情况相同，从图 4可以看出处理D优势明显，在生长过程中一直保持较大优势，在第38天时出苗数达到最大，较CK提高25%。

图 4(Fig. 4)

图 4 披碱草6种牧草混合和单独种植出苗数 Fig. 4 Number of emergence for six kinds of mixed and planted-solely Elymus dahuricus grasses

披碱草种植的植物株高和生物量结果(图 5)看出，披碱草株高有差异且明显变化，处理D株高最高。地上鲜质量、地上干质量、地下鲜质量、地下干质量变化趋势基本相同，均较CK显著提高。处理C-G，地上鲜质量和地上干质量较CK分别提高78.15%~98.75%和78.29%~97.72%；地下鲜质量和地下干质量较CK分别提高171.78%~ 289.89%和257.31%~404.16%。原土的添加改变牧草幼苗生物量的分配模式，植物为适应环境将更多资源分配到根系中，地下生物量增加可能是植物对生态环境的一种重要适应。再次证明蛇纹石渣土与原土配比6∶4(D)时，株高和生物量达到最大。

图 5(Fig. 5)

图 5 披碱草株高、生物量情况 Fig. 5 Plant height and biomass of Elymus dahuricus

按照蛇纹石渣土与原土6∶4配制的种植基质，通过不同环境材料添加种植试验60 d的结果表明(表 2)。在第1组试验中，牧草株高随羊板粪添加量增加而增加，1-2到1-4处理植物株高分别较对照1-1增加25.67%、38.33%和75.67%；在第2组试验中，植物株高随TG改良剂添加量增加而增加，2-2到2-4处理植物株高分别较对照2-1的植物株高分别增加60.94%、200.43%和186.27%，表现出明显“低促高抑”的现象，TG改良剂添加量1.0 kg/m²时表现最好。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同处理试验田植物指标数据 Tab. 2 Plant index data of experimental fields under different treatments 编号 Serial No. 平均株高 Average height/cm 平均鲜质量 Average fresh weight/g 平均干质量 Average dry weight/g 1-1 3.00 0.092 0.047 1-2 3.77 0.110 0.051 1-3 4.15 0.112 0.056 1-4 5.27 0.147 0.071 2-1 2.33 0.058 0.031 2-2 3.75 0.101 0.054 2-3 7.00 0.283 0.125 2-4 6.67 0.240 0.111

表 2 不同处理试验田植物指标数据 Tab. 2 Plant index data of experimental fields under different treatments

从植物生物量变化看，第1组试验中植物地上植株鲜、干质量均随羊板粪增加而增加，处理1-2到1-4分别较对照1-1处理增加19.57%、21.74%、59.78%和7.43%、19.53%、50.10%；第2组试验中植物地上植株鲜质量和干质量分别较对照2-1处理增加4.14%、387.93%、313.79%和74.28%、133.83%、108.22%。当TG改良剂用量为1 kg/m²，植物鲜质量和干质量达到最大值。综合对比，确定羊板粪用量3.12 kg/m²、TG改良剂用量1 kg/m²和KM 3005保水剂12 g/m²是种植基质改良最好组合，可达到种植要求。

客土改良是废弃资源化利用和人工配制种植基质的重要途径^[15]。笔者针对青藏高寒地区矿山生态修复中存在的问题，利用矿区废弃的蛇纹石渣土和开采中存量原土，通过模拟和实地试验，获得蛇纹石渣土与原土的合理配比及其改良的材料添加配比。试验结果在2023年青海威斯特铜矿大面积生态修复工程中应用证明。蛇纹石渣土与原土6∶4配比和通过优化改良组合对平地和坡地牧草出苗和成苗表现出高寒矿区生态修复的良好效果，后续效果将进一步观察。

从废弃矿渣与原土配制的基质理化性能角度，蛇纹石渣土缺少有机质和养分，有效孔隙度偏小、pH较高、土壤性能较差，造成当地植物生长困难。仅依赖羊板粪和保水剂等添加物，而不结合颗粒小、有机质较高的原土引导，难以实现基质的优化配比效果。因此，本研究采用蛇纹石渣土与原土的混配，主要是解决基质结构互补和养分引导的问题。尽管原土添加后土壤盐分有增加，但未导致盐碱化，反而在高寒地区适度的土壤盐分可提升牧草抗冻性，从而改善牧草质量。原土富含良好的土壤养分，添加有效解决由水土流失引起的土壤贫瘠问题。处理D相较于CK有显著改善且符合国家第2次土壤普查标准，在经济性和效果所要求的最低标准方面，初步综合理化指标认为此配比是合适的。

种植基质改良是应用田间种植的基础，混种披碱草和其他草种的试验结果显示，蛇纹石渣土与原土6∶4的混配初期发芽较缓，但在第31天显现出明显优势，单播也表现类似的结果。朱先波等^[16]在柴油污染土壤中种植黑麦草可提高生物量，增加土壤有机质含量。披碱草的种植还能降低土壤碱性，提高土壤养分，并促进微生物活性和种类的改善。

蛇纹石作为种植基质显示出研究潜力，经客土改良后，成功改善理化性质，实现生态恢复目标。在青藏高寒矿区植物难以复苏的情况下，利用当地廉价的蛇纹石进行客土改良，优化土壤性质，节约了成本。这既保护当地生态环境，又实现固废资源化利用。科学方法和理化分析结合出苗证明了蛇纹石渣土和原土配比的合理性和应用性，为青海果洛的生态修复提供了重要技术支持。

1) 高寒矿区的蛇纹石渣土与当地原土按6∶4比例混合时，对土壤理化性质的改良效果最优，是一种有效的改善青海高寒矿区土壤质量的方法。蛇纹石渣土与原土优化配制时，土壤密度较纯蛇纹石渣土变化不大，土壤pH值和土壤电导率明显降低，土壤毛管孔隙度和田间持水量均明显增加，除有机质外，基质的全氮、有效磷、水解性氮、速效钾含量均提高，有利于土壤理化性能改善，为牧草种植提供较好的基质。

2) 盆栽种植试验证明，按照优化比例配制的基质土壤，蛇纹石渣土与原土6∶4配制的种植基质较纯蛇纹石渣土可提高出苗和改善草种生长，此配比为宜。

3) 田间种植试验证明，高寒高海拔缺土矿区生态修复可参考利用蛇纹石渣土与原土的基质改良，可采用土壤改良材料羊板粪3.12 kg/m²，TG改良剂1 kg/m²，同时配比KM 3005保水剂12 g/m²和多种牧草混种方式，植被恢复效果和经济性较优。