利用有機(jī)/無機(jī)廢棄物制備沙化土壤生態(tài)改良劑*

李 佳，王維富，代群威,2，沈 瑞

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室，四川 綿陽 621010)

0 引言

土壤沙化是因為水力、風(fēng)力或者化學(xué)侵蝕等使地表植被遭到破壞，土壤變?yōu)楹沉枯^多的土壤的過程[1]。目前土壤沙化正在全球范圍內(nèi)以每年5萬～75萬km2的速度蔓延，全球遭受沙化威脅和其他干旱地區(qū)的土地面積已達(dá)地球陸地面積的41.3%[2]。我國的土壤沙化現(xiàn)象也十分嚴(yán)重，西北地區(qū)尤甚，土壤沙化也會給沙化區(qū)域周圍的土地帶來嚴(yán)重危害。一般來講，草地退化、沙化具有草地生物系統(tǒng)出現(xiàn)物種群落退化、生物多樣性降低、草地生產(chǎn)能力下降、生態(tài)功能下降等特征[3]。生產(chǎn)活動對土壤沙化的產(chǎn)生和防治有很大影響。不合理的放牧、樵采和開墾等嚴(yán)重破壞了原有沙地的自然植被，加速了沙化過程[4]。沙化土壤的特征是土質(zhì)粗松、風(fēng)蝕嚴(yán)重、易旱易熱、漏水漏肥等[5-6]。

沙化土壤的修復(fù)是防止生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化、保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[7]，目前國內(nèi)外土壤改良技術(shù)主要有植物修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)等。本文在借鑒已有的不同原料作為土壤改良劑的研究成果的同時，通過試驗探討了養(yǎng)殖廢液、膨潤土、蘑菇菌棒施加量對于土壤肥力的影響、綜合改良效果與經(jīng)濟(jì)效益，以期為沙化土壤改良提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 原料

經(jīng)測定，沙化土壤試樣的總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.5 mg/kg、總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.2 mg/kg、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.2 mg/kg。

本試驗的主要原料為膨潤土。我國膨潤土資源豐富，總儲量位居世界第2位[8]。膨潤土在水中呈膠凝狀和懸浮狀，具有一定的黏滯性、觸變性和潤滑性；對氣體、液體、有機(jī)物有一定的吸附能力，最大吸附量可達(dá)自身質(zhì)量的5倍；其與水、泥或細(xì)沙的摻和物具有可塑性和黏結(jié)性[9]?；陴ね恋V物層間陽離子與溶液中陽離子的等量交換，通過交換劑的消耗量可以確定黏土礦物陽離子交換容量(CEC值)[10](見表1)。

表1 膨潤土特征參數(shù)

膨潤土的CEC值遠(yuǎn)高于一般土壤，因此膨潤土的保肥能力較強(qiáng)；且其飽和吸水率遠(yuǎn)高于一般土壤，在干旱時，可為土壤改良劑提供充足的水分。膨潤土中碳氮磷的含量較低，需添加有機(jī)廢液補(bǔ)充沙化土壤的營養(yǎng)。

表2 養(yǎng)殖廢液的pH

本試驗采用的另一種原料為廢棄的蘑菇菌棒，其主要成分是木屑、棉籽殼、玉米芯，含有豐富的粗纖維、蛋白質(zhì)等，可作為添加劑用于改良土壤的透氣性，亦可在施肥后期被微生物降解成有機(jī)肥而被植物利用以增加土壤肥力。蘑菇菌棒的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖2。

圖1 養(yǎng)殖廢液碳氮磷質(zhì)量濃度

圖2 蘑菇菌棒碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 測試方法

溶液中總氮根據(jù)HJ 636-2012《水質(zhì)總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定；溶液中總磷根據(jù)GB 11893-1989《水質(zhì)總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定；溶液中總有機(jī)碳采用TOC測試分析儀測定。

根據(jù)HJ 717—2014《土壤質(zhì)量 全氮的測定 凱氏法》測定土壤中的總氮；根據(jù)NY/T 88-1988《土壤全磷測定法》測定土壤中的總磷；采用燃燒-高頻紅外碳硫分析法測定土壤中的總有機(jī)碳。

1.3 儀器設(shè)備

紫外分光光度計，TOC測試分析儀，SHY-2A 型水浴恒溫振蕩器，凱氏定氮儀，DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

2 試驗

2.1 膨潤土與養(yǎng)殖廢液的最佳添加量

采用正交試驗法確定沼氣廢液與膨潤土的最佳混合比例。經(jīng)查閱相關(guān)資料并作對比分析，分別采用30、35、40 g膨潤土與30、35、40 mL沼氣廢液進(jìn)行混合，詳細(xì)配比見表3。

表3 膨潤土與沼氣廢液混合配比

測定正交試驗各比例中剩余廢液、混合后膨潤土及其損失量的總有機(jī)碳、總氮及總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見圖3—圖5)，可以得出膨潤土與沼氣廢液的最佳混合比例。

圖3 混合前后各組分總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖3可知，A1-2中混合后膨潤土的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，即膨潤土添加量為30 g時，膨潤土中總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較沙化土壤試樣中的提高較多。沼氣廢液中總有機(jī)碳剩余量與其添加量無明顯關(guān)系，綜上考慮當(dāng)膨潤土添加量為30 g、沼氣廢液添加量為35 mL時，膨潤土對沼氣廢液中的總有機(jī)碳吸收效果最好，此時改良劑可吸收廢液中約60%的總有機(jī)碳?？傆袡C(jī)碳的損失主要與試樣瓶中的剩余廢液等有關(guān)。

圖4 混合前后各組分總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖4可知，當(dāng)膨潤土添加量為30 g、沼氣廢液添加量為35 mL時，膨潤土對沼氣廢液中氮的吸收效果最好，此時膨潤土約吸收廢液中70%的總氮。混合后的膨潤土具有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總氮，混合后的廢液中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大大降低。在混合試驗中，總氮的損失量較大。經(jīng)查閱相關(guān)資料，總氮的損失主要是試樣瓶中可能存在沼氣廢液殘留及氨氮的揮發(fā)等造成的。總氮損失量與膨潤土添加量及廢液添加量均無關(guān)。

本文基于路塹邊坡定量風(fēng)險評估框架，對工程高邊坡開挖及加固階段進(jìn)行定量風(fēng)險評估，并對比邊坡加固前后定量風(fēng)險評估結(jié)果，得到如下結(jié)論：

圖5 混合前后各組分總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖5可以明顯看出,膨潤土加入量為30 g和40 g時，膨潤土中的總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較沙化土壤試樣中的提高較多。沼氣廢液中總磷剩余量與其添加量無明顯的變化規(guī)律。綜合考慮當(dāng)加入30 g膨潤土和35 mL廢液時，膨潤土對沼氣廢液中的磷吸收效果最好，此時膨潤土可吸收廢液中約65%的總磷?？偭椎膿p失主要與試樣瓶中的廢液殘留等有關(guān)。

由圖3—圖5可以看出，當(dāng)加入30 g膨潤土和35 mL沼氣廢液時，膨潤土對碳、氮、磷的吸收效果較好，此時改良劑可吸收廢液中約60%的總有機(jī)碳、約70%的總氮、約65%的總磷。在該配比下，改良劑可最大限度地吸收廢液中的養(yǎng)分，為后期改良沙化土壤提供養(yǎng)分支持。

2.2 蘑菇菌棒的最佳添加量

由2.1可知，30 g膨潤土與35 mL沼氣廢液為二者混合的最佳配比。制備最佳配比的膨潤土與沼氣廢液，并分別向其中加入占膨潤土質(zhì)量5%、10%、15%、20%(即1.5、3.0、4.5、6.0 g)的蘑菇菌棒粉；放置在通風(fēng)室內(nèi)72 h后，將多余廢液倒出，檢測改良劑中的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確定蘑菇菌棒的最佳添加量。因添加蘑菇菌棒后剩余液體較少，因此只檢測改良劑中的碳、氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖6。

圖6 添加蘑菇菌棒后碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

由圖6可知：當(dāng)添加3.0、4.5、6.0 g蘑菇菌棒時，改良劑對廢液中總氮的吸收量較高；當(dāng)蘑菇菌棒的添加量為4.5 g時，改良劑對總氮和總有機(jī)碳的吸收效果均優(yōu)于其他添加量的，但對總磷的吸收效果略差于添加量為6.0 g時的；綜合考慮確定蘑菇菌棒最佳添加量為4.5 g。

綜上可得沙化土壤改良劑的最佳配比為：膨潤土30 g，沼氣廢液35 mL，蘑菇菌棒粉4.5 g。

2.3 沙化土壤改良劑的最佳添加量

經(jīng)查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)改良劑占土壤質(zhì)量的10%左右時，改良劑的作用效果最好。本試驗取沙化土壤1.6 kg，土壤改良劑的施加量分別為沙化土壤質(zhì)量的5%、7%、10%、13%(即80、112、160、208 g)，二者混合后在室內(nèi)通風(fēng)條件下放置15、30 d，然后對土壤試樣進(jìn)行分析。

加入改良劑15 d后沙化土壤的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖7。由圖7可知，當(dāng)加入沙化土壤改良劑160 g和208 g時，沙化土壤中的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯的提升，此時改良劑加入量對沙化土壤碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大，因此初步確定加入改良劑160 g時改良效果最佳。沙化土壤中的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化主要是膨潤土及蘑菇菌棒吸附其表面的碳氮磷引起的；總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大是因為原液中的總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于總磷及總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖7 改良15 d后沙化土壤中碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

加入改良劑30 d后沙化土壤的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖8。由圖8可知：當(dāng)加入沙化土壤改良劑160 g和208 g時，沙化土壤中的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯的提升，原因是隨著時間的推移，改良劑表面的水分逐漸揮發(fā)，膨潤土干燥收縮，內(nèi)部儲存的沼氣廢液緩慢釋放出來，增加了沙化土壤中碳氮磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；30 d后，沙化土壤中總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40 mg/kg，有顯著的提升；總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為400 mg/kg,已經(jīng)高于缺氮土壤的一般值；總磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30 mg/kg?？偟|(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化較大是因為原液中的總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于總磷及總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在釋放的過程中，總氮的釋放量會高于總磷和總有機(jī)碳的。

圖8 改良30 d后沙化土壤中碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.4 土壤沙化改良劑的作用機(jī)理

土壤沙化改良劑的作用機(jī)理見圖9。

圖9 土壤沙化改良劑的作用機(jī)理

改良劑的結(jié)構(gòu)主要為硅氧四面體和鎂氧八面體。由圖9可知，廢液及蘑菇菌棒中的碳氮磷等可以附著在膨潤土表面，植物生長所需養(yǎng)分不足時，改良劑中的碳氮磷將會釋放出來。

3 結(jié)論

a.在35 mL沼氣廢液、30 g膨潤土的最佳比例下，膨潤土可吸收60%左右的有效肥。

b.蘑菇菌棒的最佳添加量為4.5 g，此時改良劑可吸收70%左右的有效肥。

c.改良劑的最佳用量為土壤質(zhì)量的10%，試驗中向1.6 kg沙化土壤中添加160 g土壤改良劑，15 d后沙化土壤中的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有明顯的提升，此時沙化土壤中增加的碳氮磷基本是吸附在膨潤土或者蘑菇菌棒表面的廢液中的碳氮磷。

d.改良沙化土壤在室內(nèi)干燥條件下放置30 d后，沙化土壤改良劑表面的殘余水分已揮發(fā)，此時膨潤土開始收縮，逐漸釋放其內(nèi)部吸附的沼氣廢液，使得改良沙化土壤中的碳氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高。

e.沙化土壤改良劑不僅可以提升土壤中碳氮磷等養(yǎng)分含量，膨潤土還具有吸水性能，在雨水充沛時改良劑可以利用膨潤土的吸水性能吸納大量水分，待干旱時緩慢釋放出來。