摘 要：本发明公开了一种矿山裸地的修复材料及其修复方法与应用，涉及生态修复技术领域。本发明的矿山裸地的修复材料包括生物炭和先锋植物；所述生物炭为红麻麻杆生物炭、污泥生物炭和鸡粪生物炭中的至少一种；所述先锋植物为苎麻。该修复材料中的生物炭联合苎麻，改善裸地基质、降低重类金属对植物的毒害作用，显著提高矿山裸地的植物生物量、裸地土壤的TC含量和裸地土壤植物根系微生物多样性；修复材料中选择经济作物苎麻作为先锋植物，苎麻生长迅速、根系发达，促进土壤理化性质的改良的同时降低矿山裸地修复的成本。
权利要求书
1.一种矿山裸地的修复材料，其特征在于，包括生物炭和先锋植物；所述生物炭为红麻麻杆生物炭、污泥生物炭和鸡粪生物炭中的至少一种；所述先锋植物为苎麻。
2.如权利要求1所述的矿山裸地的修复材料，其特征在于，所述生物炭按如下方法制备得到：将生物炭原料在炭化温度为500℃，无氧条件下炭化3h，冷却、研磨后过20目筛制得。
3.如权利要求1所述的矿山裸地的修复材料，其特征在于，所述苎麻为苎麻植株。
4.如权利要求3所述的矿山裸地的修复材料，其特征在于，所述苎麻植株按如下方法培育得到：先用H2O2溶液浸泡苎麻种子10min，再经纯水浸泡24h，将浸泡后的种子于育苗盘中培养7天，得所述苎麻植株。
5.如权利要求4所述的矿山裸地的修复材料，其特征在于，所述H2O2溶液的浓度为1％。
6.一种矿山裸地的修复方法，其特征在于，采用权利要求1～5任一项所述的修复材料进行修复。
7.如权利要求6所述的矿山裸地的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物炭添加到矿山裸地的土壤中，混合平衡得土壤基质；(2)将苎麻植株移植至步骤(1)的土壤基质中。
8.如权利要求7所述的矿山裸地的修复方法，其特征在于，所述步骤(1)中的修复组合物的添加量为土壤重量的0.4～3％。
9.如权利要求7所述的矿山裸地的修复方法，其特征在于，所述步骤(1)中的平衡为隔天浇水，保持混合裸地土壤湿润；所述步骤(1)中的平衡的时间为10天；所述步骤(2)中的苎麻植株的种植半径15～20cm，种植深度为10～15cm。
10.如权利要求1～5任一项所述的矿山裸地的修复材料或权利要求6～9任一项所述的矿山裸地的修复方法在矿山裸地修复中的应用。
技术领域
本发明涉及生态修复技术领域，具体涉及一种矿山裸地的修复材料及其修复方法与应用。
背景技术
我国矿山分布广泛，其中有色金属产量占全球首位，矿山开发在带来巨大经济利益的同时也不可避免的对环境造成严重威胁。矿山开发过程中最显著的影响是对植被的影响。由于表层土被挖走或是被清除，再加上采矿设备的重压，一般土壤会变得十分板结和坚固，从而使得土壤养分、水分以及有机质严重地发生缺失，这一过程可能导致开矿过程中植被的全部破坏死亡现象。此外，尾矿砂的堆积也可能造成的土地形态变化，最终形成矿山裸地。有研究表明，金属矿山开采过程中会剥离大量表土，产生废石，而这些固体废弃物往往占地面积较大，开采后山体地面裸露，导致地表植被严重破坏，恶化生态环境。尾矿代表性硫化矿物包括黄铁矿和黄铜矿，这些硫化矿物堆在水气持续输入和微生物作用下还会渗出酸性矿山废水，导致有毒重金属和类金属污染物的释放，裸地中重金属的释放还会对周围水体、土壤等环境造成破坏。降低微生物群落多样性、影响植物定植。释放的重金属还可能渗入地下水环境，通过食物链富集从而对人体健康产生威胁。因此，对矿山裸地修复是抑制污染物释放的重要途径。
采矿后的矿山裸地的修复是指通过重建稳定的土地表面，然后重新植被或在重建的土地形式上发展替代土地用途来修复的。现如今常规的修复方法包括形成了一套物理、化学、生物及其有机组合的修复技术。但矿山开采后尤其是金属矿开采后重金属污染释放，导致土壤贫瘠，植物定殖缓慢。所以建立稳定的植物覆盖是生物法恢复的起点，也是矿山裸地修复的重点和难点。选取合适的土壤改良剂和植物品种就成了裸地复绿的关键。生物炭作为一种富含碳的材料，常常用作土壤改良剂的一种，通常由于其有较大的比表面积和较高孔隙率，同时由于其表面具有丰富的官能团也常常对土壤中的重金属有较好的吸附性能。生物炭对土壤的改良效果也受到许多因素的影响，例如生物炭原材料、热解温度等。较高的热解温度可能会增加生物炭的比表面积、碳含量等，但同时较高温度会破坏一部分官能团从而影响生物炭的阳离子交换量。从原料上看，生物炭可分为木质生物炭和非木质生物炭。木质生物炭常由于其较低的水分含量而增加其有效降解时间而利于官能团的形成，而非木质生物炭(污泥生物炭)常常由于其较高的灰分和较低的挥发性而被人们利用。这些生物炭可以络合重类金属，达到土壤改良的目的。同时施加的生物炭能够显著增加土壤有机碳含量进而增加土壤微生物多样性。然后再种植植物，将重金属固定在土壤根部，达到矿山裸地修复的目的。但有研究表明碱性污泥的应用可显著提高红羊茅对Cu的植物毒性，增加植物对Cu污染的吸收。同时过量生物炭的施用也会对植物造成毒性，抑制植物生长。因此在土壤养分较低的矿山废弃地中，仍需注意生物炭的使用量和改良效果。
苎麻(Boehmeria nivea L.)，俗称中国草，荨麻科苎麻属亚灌木或灌木植物，是一种多年生宿根性草本植物，已在中国广泛种植了5000多年，是热带和亚热带地区常见的荨麻科物种，具备了较高的经济价值。研究表明，这种植物在多金属污染的矿区生长良好，而且重金属主要富集在该植物的根、茎和叶。苎麻对Cd、Pb、As、Zn和Cu具有良好的富集效果，但如何更为行之有效的利用苎麻对矿山废弃地进行复垦是一个重要的难题。由此可见，如何将植物和生物炭有机结合以寻求更为有效的矿山裸地修复策略具有重要的社会意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种矿山裸地的修复材料及其修复方法与应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种矿山裸地的修复材料，包括生物炭和先锋植物；所述生物炭为红麻麻杆生物炭、污泥生物炭和鸡粪生物炭中的至少一种；所述先锋植物为苎麻。
本发明提供的一种矿山裸地的修复材料，通过将生物炭和先锋植物联合使用，突破目前矿山裸地植物难以存活和生长受限的困境，成功实现裸地复绿，一定程度上实现阻水隔氧，减少重类金属释放污染周边环境。
作为本发明所述的矿山裸地的修复材料的优选实施方式，所述生物炭修复组合物按如下方法制备得到：将生物炭原料在炭化温度为500℃，无氧条件下炭化3h，冷却、研磨后过20目筛制得。
作为本发明所述的矿山裸地的修复材料的优选实施方式，所述苎麻为苎麻植株。
作为本发明所述的矿山裸地的修复材料的优选实施方式，所述苎麻植株按如下方法培育得到：先用H2O2溶液浸泡苎麻种子10min，再经纯水浸泡24h，将浸泡后的种子于育苗盘中培养7天，得所述苎麻植株。
作为本发明所述的矿山裸地的修复材料的优选实施方式，所述H2O2溶液的浓度为1％。
本发明还提供一种矿山裸地的修复方法，该方法采用上述的修复材料进行修复。
作为本发明所述的矿山裸地的修复方法的优选实施方式，包括以下步骤：
(1)将生物炭添加到矿山裸地的土壤中，混合平衡得土壤基质；
(2)将苎麻植株移植至步骤(1)的土壤基质中。
作为本发明所述的矿山裸地的修复方法的优选实施方式，所述步骤(1)中的修复组合物的添加量为土壤重量的0.4～3％。
作为本发明所述的矿山裸地的修复方法的优选实施方式，所述步骤(1)中的平衡为隔天浇水，保持混合裸地土壤湿润；所述步骤(1)中的平衡的时间为10天；所述步骤(2)中的苎麻植株的种植半径15～20cm，种植深度为10～15cm。
本发明还提供上述的矿山裸地的修复材料或上述的矿山裸地的修复方法在矿山裸地修复中的应用。
本发明的有益效果：本发明提供的一种矿山裸地的修复材料及其修复方法与应用，该修复材料中的生物炭联合苎麻，改善裸地基质、降低重类金属对植物的毒害作用，显著提高矿山裸地的植物生物量、裸地土壤的TC含量和裸地土壤植物根系微生物多样性；修复材料中选择经济作物苎麻作为先锋植物，苎麻生长迅速、根系发达，促进土壤理化性质的改良的同时降低矿山裸地修复的成本。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例的一种矿山裸地的修复材料，包括红麻麻杆生物炭和苎麻植株。所述红麻麻杆采自广东韶关实验基地。
本实施例的红麻麻杆生物炭由以下方法制备得到：将红麻麻杆粉碎后在炭化温度为500℃，无氧条件下炭化3h，冷却、研磨后过20目筛制得。
本实施例的苎麻植株由以下方法培育得到：先用1％H2O2溶液浸泡苎麻种子10min，再经纯水浸泡24h，将浸泡后的种子于育苗盘中培养7天，得所述苎麻植株。
本实施例的一种矿山裸地的修复方法，包括以下步骤：
(1)将红麻麻杆生物炭按土壤重量的0.4％添加到矿山裸地的土壤中，混合平衡，隔天浇水，保持混合裸地土壤湿润，平衡10天后得土壤基质；
(2)将苎麻植株移植至步骤(1)的土壤基质中，苎麻植株的种植半径18cm，种植深度为13cm。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于红麻麻杆生物炭的添加量不同，本实施例中红麻麻杆生物炭按土壤重量的1％添加到矿山裸地的土壤中。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于红麻麻杆生物炭的添加量不同，本实施例中红麻麻杆生物炭按土壤重量的3％添加到矿山裸地的土壤中。
实施例4
本实施例的一种矿山裸地的修复材料，包括污泥生物炭和苎麻植株。所述污泥采自广州一污水处理厂。
本实施例的污泥生物炭由以下方法制备得到：将污泥在炭化温度为500℃，无氧条件下炭化3h，冷却、研磨后过20目筛制得。
本实施例的苎麻植株由以下方法培育得到：先用1％H2O2溶液浸泡苎麻种子10min，再经纯水浸泡24h，将浸泡后的种子于育苗盘中培养7天，得所述苎麻植株。
本实施例的一种矿山裸地的修复方法，包括以下步骤：
(1)将污泥生物炭按土壤重量的0.4％添加到矿山裸地的土壤中，混合平衡，隔天浇水，保持混合裸地土壤湿润，平衡10天后得土壤基质；
(2)将苎麻植株移植至步骤(1)的土壤基质中，苎麻植株的种植半径18cm，种植深度为13cm。
实施例5
本实施例与实施例4的区别仅在于污泥生物炭的添加量不同，本实施例中污泥生物炭按土壤重量的1％添加到矿山裸地的土壤中。
实施例6
本实施例与实施例4的区别仅在于污泥生物炭的添加量不同，本实施例中污泥生物炭按土壤重量的3％添加到矿山裸地的土壤中。
实施例7
本实施例的一种矿山裸地的修复材料，包括鸡粪生物炭和苎麻植株。所述鸡粪购自市场。
本实施例的鸡粪生物炭由以下方法制备得到：将鸡粪在炭化温度为500℃，无氧条件下炭化3h，冷却、研磨后过20目筛制得。
本实施例的苎麻植株由以下方法培育得到：先用1％H2O2溶液浸泡苎麻种子10min，再经纯水浸泡24h，将浸泡后的种子于育苗盘中培养7天，得所述苎麻植株。
本实施例的一种矿山裸地的修复方法，包括以下步骤：
(1)将鸡粪生物炭按土壤重量的0.4％添加到矿山裸地的土壤中，混合平衡，隔天浇水，保持混合裸地土壤湿润，平衡10天后得土壤基质；
(2)将苎麻植株移植至步骤(1)的土壤基质中，苎麻植株的种植半径18cm，种植深度为13cm。
实施例8
本实施例与实施例7的区别仅在于鸡粪生物炭的添加量不同，本实施例中鸡粪生物炭按土壤重量的1％添加到矿山裸地的土壤中。
实施例9
本实施例与实施例7的区别仅在于鸡粪生物炭的添加量不同，本实施例中鸡粪生物炭按土壤重量的3％添加到矿山裸地的土壤中。
效果例
供试土壤来源：矿区裸地土壤。
土壤的基本理化指标含量为：Pb、Zn、Cu、Cd和As的重金属含量分别为3642.7mg/kg、981mg/kg、70.5mg/kg、31.8mg/kg、1587.1mg/kg，Pb、Zn、Cd和As等重类金属严重超过土壤环境质量三级标准，存在多金属复合污染；土壤总碳和总氮含量不足，而且物理结构极差，加速了矿山裸地的养分流失；裸地pH为中性。
1、苎麻植株的植物生物量和重金属含量测定
(1)实验方法：盆栽的土壤总量为1kg，按实施例1～9的修复方法进行修复，分别命名为HB0.4、HB1、HB3，SB0.4、SB1、SB3，MB0.4、MB1和MB3，以不添加生物炭为对照组(CK)，每个实验组设置3个重复，室温控制在20～25℃，每天浇水，保持湿润，温室培养100d。以苎麻植株的植物生物量为评判复垦的指标，通过对苎麻植株的地上部分干重、地下部分干重、株高和根长及其重金属含量进行测定。
(2)实验结果如图1～2所示。
本次选取的苎麻(中苎一号)在多金属矿山裸地上能够正常生长。总体上来讲，三种生物炭均能不同程度的提升苎麻地上部分、地下部分的生物量、株高和根长，其中污泥炭的处理效果最好，当生物炭的添加量为3％时，苎麻地上部干重、地下部干重、植物株高和根长分别为CK组的4.03倍、6.40倍、1.80倍和3.69倍。随着生物炭的添加量增加，苎麻地下部中重金属的含量逐渐下降。而在鸡粪炭组内，随着鸡粪炭添加浓度的升高，植物地下部的重金属含量呈现上升趋势。Pb、Cu、Cd、As在裸地土壤中主要以残渣态的化学形态存在，施加生物炭，显著降低了裸地土壤弱酸提取态Pb的含量，降幅达到16.43％～56.52％，其中SB3的处理效果最佳；小幅增加弱酸提取态Zn和Cd，但没有显著性差异；对弱酸提取态Cu的影响，除SB3处理显著降低外(降低了52.93％)，其余各组均没有显著性差异；弱酸提取态As同样随生物炭施加量的增加而增加，麻秆炭、污泥炭和鸡粪炭对裸地土壤弱酸提取态As的含量最高增幅可达到117.19％、131.25％和339.06％。
2、土壤理化指标测定
(1)实验方法：盆栽的土壤总量为1kg，按实施例1～9的修复方法进行修复，分别命名为HB0.4、HB1、HB3，SB0.4、SB1、SB3，MB0.4、MB1和MB3，以不添加生物炭为对照组(CK)，每个实验组设置3个重复，室温控制在20～25℃，每天浇水，保持湿润，温室培养100d。采集苎麻植株的根际裸地土壤进行土壤理化指标测定，采用单因素方差分析法分析不同处理间的差异，采用邓肯(Duncan)新复极差检验法进行显著性检验，差异显著水平为P<0.05。其中相同字母表示差异不显著，不同字母(a,ab,b,bc,c,cd,de,e)表示处理间的差异显著(P<0.05)。
(2)实验结果如表1～2所示。
由表1可知矿山裸地pH为6.67，经红麻麻杆、鸡粪改良过的处理组土壤pH得到不同程度的增加，污泥改良组pH略有下降，但差异不显著。裸地土壤的TC含量受生物炭的种类和施加量的影响，其中麻秆炭对提升裸地土壤的TC含量的效果最佳，这与麻杆炭自身75％的高碳量有关。而其他的处理对裸地土壤碳含量的影响没有显著性差异。TN与TC的变化情况一样，总体上随着生物炭的添加而逐渐增大。其中污泥炭碳含量和营养物质含量较高，是促进苎麻生长的良好土壤改良剂。施加生物炭还能显著提升矿山裸地的硝氮和氨氮含量。减少氨氮的流失、吸收营养元素，为植物后续的生长提供稳定的营养元素输出。
由表2可知，该裸地土壤经NH4NO3提取的重金属有效态含量较低。处理组对有效态Pb的影响差异显著，其余各组有效态Pb都低于仪器检出限。大多数生物炭处理都显著降低了裸地土壤的Cu有效态含量。一些处理组生物炭小幅增加了裸地土壤Zn、Cd含量，但无显著性差异；鸡粪炭组处理组的有效Cd含量则显著下降，降低了10％?20％。对于As而言，生物炭添加提升了裸地土壤中有效态As的含量，其中鸡粪生物炭显著增加了有效态As的含量达到CK组的1.15?2.35倍，污泥炭组有效态As含量为CK组的1.08～1.89倍，As的溶出是碱性生物炭在实验中常见的现象。
3、物种的丰度和物种的多样性测定
细菌α?多样性反映的是样品间物种的丰度和物种的多样性，有多种衡量的指标。
(1)实验方法：本次研究采用Chao1指数来衡量物种的丰度、Shannon指数来衡量物种多样性。
(2)实验结果如图3～5所示。
由图3可知，利用苎麻和生物炭联合修复对矿山裸地细菌多样性有着显著性影响。其根际土壤的细菌物种丰度(Chao1)和物种多样性(Shannon指数)均高于未种植物处理的土壤。
由图4可知，苎麻联合生物炭对矿山裸地进行修复后，相比较于BK组而言，其他各处理根际裸地土壤的变形菌门(Proteobacteria)、蓝细菌(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)显著增加，而放线菌门(Actinobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)显著减少。变形菌门和拟杆菌门是富营养型菌，可以利用生物炭提供的碳源快速生长，因此生物炭添加之后，其相对丰度显著提升。蓝细菌是农业土壤的重要组成部分，素有“先锋生物”美称，能进行产氧性光合作用，许多种类还具备固氮功能、有助于磷酸盐的溶解和矿物质释放，提高土壤肥力和作物产量，因而在本实验裸地复绿的实验组中蓝细菌的相对丰度显著提升。拟杆菌门是革兰氏阴性细菌，包含了大量生理多样化的物种，而厚壁菌门也常常在极端环境中被发现，具备适应重金属污染环境的能力。
由图5可知，裸地复绿显著影响了矿山裸地微生物聚类，BK组细菌群落与其他各组沿着主坐标有着明显的分别聚类趋势。从加权的Unifrac距离矩阵PCoA聚类分析可以看出，CK组与其他3种生物炭分别聚类，而未加权的Unifrac距离矩阵PCoA聚类结果则显示HB、MB和CK成簇聚集。这预示着苎麻生物炭联合修复对矿山裸地的改良效果，在某种程度上改变了根际裸地土壤样品微生物群落的多样性，进而实现裸地复绿。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
附图说明
A：不同组别的苎麻植株地上部分干重；
B：不同组别的苎麻植株地下部分干重；
C：不同组别的苎麻植株的株高；
D：不同组别的苎麻植株的根长。
A：不同组别的苎麻植株地上部分和地下部分中重金属Zn的含量；
B：不同组别的苎麻植株地上部分和地下部分中重金属Cu的含量；
C：不同组别的苎麻植株地上部分和地下部分中重金属Cd的含量；
D：不同组别的苎麻植株地上部分和地下部分中重金属As的含量。
A：不同组别处理的裸地土壤细菌群落α?多样性Chao1箱型图；
B：不同组别处理的裸地土壤细菌群落α?多样性Shannon指数箱型图。
图4 不同组别处理的裸地土壤优势细菌门分布图
图5 A：不同组别处理的矿山裸地根系细菌非加权的UnifracPCoA聚类分析结果；
B：不同组别处理的矿山裸地根系细菌加权的UnifracPCoA聚类分析结果；
摘自国家发明专利，发明人：王诗忠，李梦瑶，陈晓婷，陈驰宇，黄礼格，晁元卿，汤叶涛，仇荣亮，申请号：202111286358.1，申请日2021.11.02
