土壤改良劑對廢棄離子型稀土礦酸性砂化土壤改良效果研究

孟 磊，霍漢鑫，李 昊，楊越晴

(礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

我國是稀土資源大國，稀土資源非常豐富，占世界稀土資源的67%，并且種類齊全[1]，其中離子型稀土資源占世界同類資源的90%，贛南地區(qū)的離子型稀土資源占全國同類資源的2/3[2]。由于早期浸礦工藝環(huán)保措施比較粗放，堆浸、池浸工藝遺留大面積的浸礦堆場，浸礦后尾砂的堆放和下泄會改變所在山區(qū)、溝谷的原始地形地貌，壓占土地，破壞地表植被，形成大范圍的堆積區(qū)[3]。尾砂堆積區(qū)表層為砂質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散，透水性強，極易造成水土流失，由于浸礦工藝多采用硫酸銨，導(dǎo)致其呈酸性，同時浸礦后的尾砂中有機質(zhì)和氮、磷營養(yǎng)成分含量較低，不利于植被的生長。因此，稀土礦廢棄地土壤酸化、砂質(zhì)化問題亟待解決。本研究采用貝殼粉、植物黏合劑、有機肥復(fù)配，探究對稀土礦酸性砂化土壤問題的調(diào)節(jié)和改善。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自江西贛州某離子型稀土廢棄礦山，將采集的土壤樣品研磨過2 mm篩，土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。貝殼粉產(chǎn)自大連市，經(jīng)破碎，過74 μm篩，XRD圖譜表明，貝殼粉95%的成分是碳酸鈣。植物黏合劑產(chǎn)自礦冶科技集團有限公司研發(fā)產(chǎn)品。復(fù)合肥產(chǎn)自湖北某作物營養(yǎng)有限公司，元素組成見表2。

表1 土壤成分分析

表2 復(fù)合肥成分分析Table2 Composition analysis of compound fertilizer

1.2 實驗設(shè)計

1)將土壤樣品自然風(fēng)干，稱取500 g現(xiàn)場采集土壤，剔除大塊土粒，過2 mm篩后，添加2%、5%、7%、10%的貝殼粉，設(shè)置50 r/min下攪拌10 min，加入貝殼粉和土壤混合質(zhì)量50%的去離子水，土壤與貝殼粉充分混勻，調(diào)節(jié)濕度為90%?；靹蚝蟮耐寥罉悠分糜诤銣睾銤駰l件下，老化7 d，每組實驗設(shè)置3個平行樣。

2)稱取500 g過2 mm篩的土壤，添加系列梯度濃度(0.2%、0.5%、1%、2%)植物黏合劑，進行攪拌混合，其他實驗參數(shù)同實驗設(shè)計1)。

3)將上述實驗篩選出的貝殼粉和植物黏合劑的最佳添加量，與土壤混合攪拌處理，同時添加0.1%復(fù)合肥料，設(shè)置3個平行樣。攪拌參數(shù)、溫度濕度等實驗參數(shù)均與實驗設(shè)計1)一致。

1.3 檢測方法

土壤pH的測定采用pH計；有機質(zhì)的測定采用NY/T 1121.6—2006；全氮的測定采用凱氏法HJ717—2014；有效磷、速效鉀的測定采用聯(lián)合浸提—比色法NY/T1849—2010。微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行分析。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel、Origin9.0軟件進行統(tǒng)計，分析采用SPSS16.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 貝殼粉對土壤pH的影響

通過添加不同量貝殼粉，土壤pH值分析結(jié)果見圖1。由圖1可知，貝殼粉添加量為2%、5%、7%、10%時，土壤中pH值均發(fā)生變化，呈遞進增長趨勢，當(dāng)貝殼粉的添加量為10%時，pH值提升至6.5。貝殼粉可有效調(diào)節(jié)土壤酸堿度，由于其主要成分為CaCO3，CaCO3在水中電解后產(chǎn)生大量OH-，酸性土壤中H+被中和，同時，貝殼粉中含有堿性物質(zhì)，從而提高了土壤中pH值[4-6]。從經(jīng)濟角度考慮，貝殼粉成本低且為天然易得，在改善酸性土壤的同時還能實現(xiàn)廢物的資源化利用。

圖1 貝殼粉對土壤pH的影響Fig.1 Effects of shell powder on soil pH

2.2 植物黏合劑對土壤黏結(jié)效果的影響

通過掃描電鏡觀察添加植物黏合劑的土壤微觀形貌，如圖2所示。由圖2可知，土壤原樣由大小不一的顆粒組成，其顆粒較稀疏；添加1%植物黏合劑修復(fù)后的土壤中細小顆粒附著至大顆粒表面，表明土壤顆粒黏合較好，改善了土壤團粒結(jié)構(gòu)。研究使用植物黏合劑較傳統(tǒng)的高分子化合黏合劑易降解，在提高土壤顆粒黏結(jié)強度、團粒結(jié)構(gòu)形成的同時，能夠優(yōu)化土壤微生物生存環(huán)境，且不易產(chǎn)生二次污染[9]。

圖2 添加植物黏合劑在SEM下的微觀形貌Fig.2 Surface structures of plant binder by SEM

2.3 土壤改良劑對改良酸性砂化土壤的影響

添加土壤改良劑土壤pH值提升至6.5。掃描電鏡觀察表明，貝殼粉和細小土壤顆粒黏結(jié)至土壤大顆粒表面，土壤顆粒黏合較好。土壤中有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量均不同程度提高，有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量為21.32 g/kg、112.70 mg/kg、60.79 mg/kg、110.14 mg/kg，滿足植物生長環(huán)境(表3)。土壤養(yǎng)分提升，一方面是由于改良劑中添加有機肥，提高了土壤養(yǎng)分；另一方面土壤養(yǎng)分隨著貝殼粉添加量的增加而提高，貝殼粉能提高土壤中的有機質(zhì)、有效磷和生物多樣性等[7-8]，因此，加入土壤改良劑有效改善了土壤養(yǎng)分。

表3 土壤養(yǎng)分監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論

貝殼粉能夠有效改善土壤酸性，提高pH，植物黏合劑對土壤顆粒的黏合效果較好，有助于改善土壤團粒結(jié)構(gòu)。通過室內(nèi)實驗對比分析，10%貝殼粉+1%植物黏合劑+0.1%復(fù)合肥料的土壤改良劑，能夠有效改善離子型稀土礦酸性砂化問題，同時提高酸性砂化土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量，為實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。