鐵礦尾砂摻土對土壤幾種物理性質(zhì)的影響

紀(jì)蘭，楊蘭芳，李海波，萬夢雪

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062）

0 引言

鐵礦尾砂是鐵礦石經(jīng)過破碎，成為一定粒度的塊狀物，進(jìn)入球磨機(jī)加水濕磨，根據(jù)礦石的性質(zhì)達(dá)到一定的細(xì)度后再進(jìn)行磁選，把含鐵顆粒部分分離出來，剩余部分用水流排出的礦石碎屑，一般占礦石總量的60%～80%［1］，因此鐵礦開采中必然要產(chǎn)生大量的鐵礦尾砂.目前我國累計(jì)堆存的鐵尾礦量高達(dá)50億t左右，而且隨著鐵礦產(chǎn)能的不斷提高，尾礦堆存量以5億t／a的速度在增長［2］.大量鐵尾礦的堆放，既占用大量寶貴的土地資源，又耗費(fèi)管理運(yùn)行成本，同時還存在安全隱患和污染生態(tài)環(huán)境［3］，從而危及礦區(qū)人們的生命財產(chǎn)安全和健康.Payne等［4］對鐵礦污染的紐芬蘭的拉布拉多地區(qū)湖泊中魚類進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鐵礦污染會損傷魚類的DNA和降低維生素A的含量.因此尋求鐵礦尾砂的資源化利用技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會等多方面的效益.當(dāng)前對鐵尾礦資源化利用方面主要集中在金屬元素回收、制造水泥、制磚以及用作建筑材料、制造玻璃、筑路的填料、采礦回填等［5-8］，而這些應(yīng)用有的需要廠房、設(shè)備和大量的投資，其產(chǎn)品在市場上不具有競爭優(yōu)勢，同時還會產(chǎn)生二級廢棄物和污染；有的對鐵礦尾砂的使用量少，達(dá)不到削減尾砂貯存的效果.當(dāng)前有關(guān)利用鐵礦尾砂改土方面的研究尚少見報道.尾礦庫邊坡的綠化對于尾礦壩的穩(wěn)定和安全，防治水土流失具有重要意義，而邊坡綠化需要大量的覆土，而且覆土太薄又不利于植物成活和生長.金山店尾礦庫的邊坡覆土需要從別處運(yùn)土，不僅增加運(yùn)輸成本，也會破壞取土地方的生態(tài)景觀.金山店尾礦庫邊坡所用覆土質(zhì)地粘重，物理性質(zhì)不良，植物難以生長.為了改善金山店鐵礦尾礦庫邊坡覆土的土壤物理性狀，使之有利于植物生長，促進(jìn)尾礦庫邊坡的植被恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)，我們進(jìn)行了鐵礦尾砂摻土對土壤物理性質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究，為鐵礦尾砂改土利用提供科學(xué)依據(jù)，從而尋求鐵礦尾砂資源化利用的新技術(shù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 （1）鐵礦尾砂采自武鋼礦業(yè)公司金山店鐵礦尾礦庫，尾砂采后自然風(fēng)干，再過2mm篩備用.（2）供試土壤為金山店尾礦庫邊坡覆土，經(jīng)分析鑒定該土壤為初育土綱，石質(zhì)初育土亞綱，石灰土類，石灰土亞類.土壤采回后自然風(fēng)干，剔除石塊和雜物，再過2mm篩備用.土壤基本農(nóng)化性質(zhì)如表1所示.

表1 供試土壤的基本農(nóng)化性質(zhì)

1.2 方法

1.2.1 鐵礦尾砂摻土實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%共11種摻砂比例，每種比例重復(fù)3次.每個重復(fù)保持總量為400g，將鐵礦尾砂和土按比例稱好后，混合均勻，然后分別裝在一次性塑料碗內(nèi)，并加水維持含水量為20%，在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)兩個月，每兩天通過稱重法調(diào)節(jié)水分一次.培養(yǎng)結(jié)束后，將砂土混合物放在干凈塑料盤里風(fēng)干，過2mm篩后裝在塑料瓶中備用.

1.2.2 化學(xué)分析與土壤物理性質(zhì)測定方法

1）土壤基本農(nóng)化性質(zhì)用常規(guī)法測定［9］：土壤有機(jī)質(zhì)含量用硫酸-重鉻酸鉀外加熱容量法測定，堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗顯色分光光度法測定，速效鉀用中性醋酸銨浸提火焰光度法測定，土壤pH用數(shù)顯pH計(jì)測定，水土比2.5∶1，陽離子交換量用醋酸銨測定，土壤質(zhì)地用比重計(jì)法測定.

2）土壤密度、容重和孔隙度的測定：土壤密度用排水稱重法測定，土壤容重用環(huán)刀法測定［9］，土壤孔計(jì)算.容重分為自然容重和壓實(shí)容重，壓實(shí)容重就是往環(huán)刀中裝土?xí)r，將環(huán)刀中的土壓實(shí)，自然容重就是裝土過程不將土壤壓實(shí).

3）土壤吸濕系數(shù)的測定：稱取土壤樣品于50mL燒杯中，然后將燒杯放入盛有硫酸鉀飽和溶液的干燥器中的有孔瓷板上，密封干燥器，每天稱重一次，直到每份樣品前后兩次重量相差不超過0.02g時，再用烘干法測定土壤含水量.

4）土壤最大吸水量的測定：將有孔鋁盒蓋墊上大小合適的濾紙，套在環(huán)刀的鋒口作為環(huán)刀的底蓋，然后將此環(huán)刀裝滿土，上面鋪上一層濾紙后，將另一空環(huán)刀鈍口疊在此裝土環(huán)刀鈍口上并對齊，再用透明膠固定后稱重，將其放置漏斗架上的漏斗上，將上方的空環(huán)刀注滿水，并保持水位30min，待其水流盡，環(huán)刀底部沒有水滴出時稱重，并用烘干法測定土壤中的含水量，把此含水量作為最大吸水量.

2 結(jié)果

2.1 鐵礦尾砂摻土對土壤容重的影響 本實(shí)驗(yàn)所得土壤的自然容重是在1.207～1.530g cm-3之間，壓實(shí)容重在1.353～1.688g cm-3之間.圖1可見，隨著摻砂比例的增加，自然容重和壓實(shí)容重的變化趨勢是一致的，且壓實(shí)容重顯著高于自然容重，土壤容重隨摻砂比例增加不呈線性變化，先隨摻砂比例增加呈增加的趨勢，在摻砂比例為40%時，壓實(shí)容重和自然容重均突然減小，然后又隨摻砂比例的增加而增加，在60%～80%之間保持基本穩(wěn)定，然后又明顯增加.同未摻砂的對照相比，所有摻砂處理的容重均增加，純尾砂的容重最大，鐵礦尾砂摻土使自然容重增加4.0%～26.8%，壓實(shí)容重增加2.6%～24.8%.

2.2 鐵礦尾砂摻土對土壤密度的影響 圖2表明，在本試驗(yàn)摻砂范圍內(nèi)，土壤密度變化在2.37～2.85 g cm-3之間，土壤密度隨著鐵礦尾砂的摻入比例增加而增大，相關(guān)性分析表明，土壤密度與摻砂比例呈顯著的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994 1（P＜0.01）.與對照相比，鐵礦尾砂摻土?xí)r密度增加了1.7%～20.2%.

圖1 鐵礦尾砂摻土對土壤容重的影響

2.3 鐵礦尾砂摻土對土壤孔隙度的影響 圖3可見，鐵礦尾砂摻土改變了土壤的孔隙度.隨著尾砂摻土比例增加，自然孔隙度和壓實(shí)孔隙度的變化趨勢基本一致，與摻砂比例并不呈線性關(guān)系.在0～30%的摻砂范圍內(nèi)，隨摻砂比例增加，孔隙度減小，而在摻砂40%時，孔隙度突然增加，并且成為最大值，顯著高于對照與其他處理，然后隨摻砂比例增加而減小，但也不呈線性變化.同對照相比，摻砂40%、70%和80%的自然孔隙度顯著高于對照，摻砂50%的處理與對照無顯著差異，其余處理的自然孔隙度顯著低于對照；壓實(shí)孔隙度是摻砂40%、70%、80%和90%的處理顯著高于對照，摻砂50%的處理與對照無顯著差異，其余處理的孔隙度顯著低于對照.

圖2 鐵礦尾砂摻土對土壤密度的影響

圖3 鐵礦尾砂摻土對土壤孔隙度的影響

2.4 鐵礦尾砂摻土對土壤吸濕系數(shù)的影響 圖4表明，所有處理的土壤吸濕系數(shù)在1.53%～11.67%之間，隨著鐵礦尾砂摻土比例增加，土壤吸濕系數(shù)減小，相關(guān)分析表明，土壤吸濕系數(shù)與鐵礦尾砂摻土比例之間呈顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.998 5（P＜0.01）.同對照相比，鐵礦尾砂摻土使土壤吸濕系數(shù)下降了10%～87%，純土的吸濕系數(shù)是純尾砂吸濕系數(shù)的7.63倍.

2.5 鐵礦尾砂摻土對土壤吸水量的影響 由圖5可見，鐵礦尾砂摻土顯著影響土壤最大吸水量.土壤最大吸水量隨摻砂比例的變化可以分為3個階段，第一階段是在0～30%的摻砂范圍內(nèi)，隨著摻砂比例的增加，土壤最大吸水量無顯著差異，可以稱為平穩(wěn)階段；第二階段是在30%～60%的摻砂范圍內(nèi)，隨摻砂比例增加，土壤最大吸水量急劇下降，可以稱為劇降階段；第三階段是在60%～100%的摻砂范圍內(nèi)，土壤吸水量隨摻砂比例增加而緩慢下降，可以稱為緩降階段.

圖4 鐵礦尾砂摻土對土壤吸濕系數(shù)的影響

圖5 鐵礦尾砂摻土對土壤最大吸水量的影響

3 討論

本實(shí)驗(yàn)表明，鐵礦尾砂摻土影響土壤的一些物理性質(zhì)，而土壤物理性質(zhì)的改變，必然會影響到土壤水、肥、氣、熱狀況，而水、肥、氣、熱是控制植物生長的肥力因素，因此通過鐵礦尾砂摻土將會對植物生長具有調(diào)節(jié)作用，這方面有待于進(jìn)一步研究.

鐵礦尾砂摻土使土壤密度增加，主要是因?yàn)殍F礦尾砂本身的密度大.土壤密度就是單位體積土壤固體（不包括空隙的體積）的質(zhì)量，以往稱之為比重，土壤密度與土壤礦物組成有關(guān)，含重礦物多的密度就大，反之則密度就?。?0］.所用鐵礦尾砂密度為2.85g cm-3，而所用土壤密度為2.37g cm-3，因此隨摻砂比例的增加，密度增加，土壤密度與摻砂比例之間呈顯著的線性相關(guān).容重是指單位體積原狀土壤的干重，它包含了空隙，所以土壤容重總比土壤密度小，土壤容重的大小受密度和空隙兩個方面的影響［10］.由于鐵礦尾砂密度比土壤大，因此同對照相比，隨著摻砂比例的增加，土壤容重總體上呈增加的趨勢，但是土壤容重與空隙狀況有關(guān)，所以隨摻砂比例的增加，土壤容重并不像密度一樣呈線性變化.摻砂比例超過30%后，土壤容重有一個降低的過程，其主要原因應(yīng)該是尾砂比例增加，土壤顆粒組成發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤孔隙狀況發(fā)生變化.

鐵礦尾砂摻土改變了土壤孔隙狀況，摻入適當(dāng)比例的鐵礦尾砂可以顯著增加土壤孔隙度，孔隙度增加，土壤容納水、氣的能力增加，容納水、氣能力增加，又可以增加對熱的調(diào)節(jié)能力.

土壤吸濕水是土壤顆粒從空氣吸附的氣態(tài)水，當(dāng)土壤吸濕水達(dá)到最大時的土壤含水量就是土壤吸濕系數(shù).吸濕系數(shù)主要受土壤質(zhì)地影響，質(zhì)地越粘重，吸濕系數(shù)越高.金山店尾礦庫邊坡所用覆土是紅色石灰土，質(zhì)地黏重，屬于黏質(zhì)土壤，鐵礦尾砂摻土后，增加了砂粒含量，相對降低了黏粒含量，從而改變了土壤質(zhì)地.土壤質(zhì)地變輕，吸濕系數(shù)就越小，所以鐵礦尾砂摻土顯著降低了土壤吸濕系數(shù).吸濕系數(shù)越高，表明無效水的含量也會越高，降低吸濕系數(shù)，可以在一定程度上降低無效水的含量，相對增加有效水的含量.

土壤持水量可以作為下雨或灌溉后，土壤所能保存的最大水量，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的摻砂比例范圍內(nèi)（0～30%），鐵礦尾砂摻土不會降低土壤持水量，所以在適當(dāng)?shù)膿缴氨壤拢粫档屯寥廊菁{雨水或灌溉水的能力.

結(jié)合吸濕系數(shù)和最大吸水量，利用吸濕系數(shù)x，可以模擬出凋萎系數(shù)y，如y＝-0.37＋2.475xx2［11］.如果利用此模型計(jì)算，則從摻砂20%開始，凋萎系數(shù)就顯著低于對照.如果再用土壤持水量減去凋萎系數(shù)作為土壤有效水的含量范圍，則摻砂30%的有效水范圍最大，顯著高于對照，說明適當(dāng)?shù)膿缴翱梢栽黾铀猛寥赖挠行秶?，從提高土壤抗旱的能?

由此可見，鐵礦尾砂摻土影響土壤的物理性質(zhì)，從而改變土壤的水、氣、熱狀況，所用土壤摻入適當(dāng)比例的尾砂可改善土壤物理性狀，增加有效水的含量范圍，提高抗旱能力，因此鐵礦尾砂的土壤利用可以作為一種新的鐵尾礦資源化利用技術(shù)進(jìn)行深入研究.綜合所測定的土壤物理性質(zhì)，金山店尾礦庫邊坡所用覆土摻入30%～40%的鐵礦尾砂最有利于改善土壤的物理性質(zhì)，同時，應(yīng)該在此基礎(chǔ)上開展鐵礦尾砂摻土對植物生長方面的進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

1）鐵礦尾砂會顯著增加土壤容重，但是土壤容重的變化與摻砂比例并不呈線性關(guān)系.

2）鐵礦尾砂摻土顯著增加了土壤密度，土壤密度與摻砂比例呈顯著線性相關(guān).

3）鐵礦尾砂摻土對土壤孔隙度有顯著影響，適當(dāng)?shù)膿缴氨壤梢燥@著增加土壤孔隙度.

4）鐵礦尾砂摻土顯著降低了土壤吸濕水的含量，土壤吸濕系數(shù)與摻砂比例呈顯著的線性負(fù)相關(guān).

5）鐵礦尾砂影響土壤持水量，隨摻砂比例增加，土壤最大吸水量的變化可分為穩(wěn)定、急降和緩降三個階段.

6）結(jié)合吸濕水和最大吸水量，適當(dāng)?shù)膿缴氨壤梢越档屯寥赖蛭禂?shù)，增加有效水的含量范圍，從而能提高土壤抗旱能力，最佳摻砂比例在30%～40%.

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