利用固廢改良貧瘠黃土的地球化學(xué)工程盆栽試驗(yàn)

靳職斌，閆彤彤，張雙奎，康云鵬，謝國(guó)梁

（山西省地球物理化學(xué)勘查院有限公司，運(yùn)城山西 044000）

當(dāng)前，大量工業(yè)礦渣、建筑垃圾、城市垃圾等固廢堆放造成很大環(huán)境壓力[1-2]，這些固廢既含一些有毒有害成分，也不乏含有各種營(yíng)養(yǎng)礦物質(zhì)成分[3]。國(guó)內(nèi)外有很多利用固廢制作人造土壤的嘗試[4-6]，但是這種人造土的土壤屬性較差，土壤熟化周期較長(zhǎng)，制約了推廣利用[7]。

黃土高原大面積分布風(fēng)積黃土[8]，這類(lèi)黃土成因特殊，受長(zhǎng)途風(fēng)選作用，導(dǎo)致礦物成分十分單一，最終以耐風(fēng)化的石英顆粒為主，其它礦物成分嚴(yán)重缺乏，直接導(dǎo)致各種營(yíng)養(yǎng)成分含量較低，且保水性差，成為天然貧瘠土壤[9]。具體表現(xiàn)為土壤中不耐風(fēng)化的保水性礦物如高嶺石、伊利石、蒙脫石、蛭石、角閃石、黑云母等在風(fēng)積黃土-馬蘭黃土中大量消失。同時(shí)造成與這些礦物密切相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)元素如硫、銅、鋅、鐵、錳、硼、鉬等的系統(tǒng)性缺乏，因此從根本上限制了植物生長(zhǎng)，是導(dǎo)致水土流失的根本原因之一[10-11]。

如果將固廢礦物組分及化學(xué)元素與貧瘠黃土結(jié)合在一起，利用固廢中的某些保水礦物和營(yíng)養(yǎng)元素，彌補(bǔ)黃土先天性營(yíng)養(yǎng)不足，同時(shí)利用黃土的土壤屬性，縮短固廢熟化過(guò)程，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同提高植物生長(zhǎng)能力，既消化了固廢、減輕了環(huán)境危害，又提高了風(fēng)積黃土的土壤肥力，提高植被生長(zhǎng)能力，為治理黃土高原水土流失探尋新的途徑。

雖然工礦業(yè)固廢中含有大保水礦物和營(yíng)養(yǎng)元素，但有些礦物質(zhì)元素是具有危害性的重金屬元素等，這就需要利用地球化學(xué)工程方法合理調(diào)配，既能利用固廢中有用的組分提高土壤肥力，又不造成對(duì)土壤的重金屬污染，從而最終實(shí)現(xiàn)既改良土壤，又不污染環(huán)境的目的。

“地球化學(xué)工程”由上世紀(jì)80年代Schuiling[12]教授提出，這一概念在我國(guó)使用的還不多。本次試驗(yàn)屬于環(huán)境治理工程，同時(shí)基于地球化學(xué)的理論依據(jù)和基本方法，因此引用了地球化學(xué)工程概念[13-14]開(kāi)展本次地球化學(xué)工程盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)具體目標(biāo)：（1）驗(yàn)證利用固廢所含礦物質(zhì)養(yǎng)分可提高貧瘠黃土的肥力和保水性；（2）確定工業(yè)礦渣、建筑垃圾、貧瘠黃土三者的合理配制比例。

1 研究方法

本次試驗(yàn)選取銅礦尾礦、煤矸石、建筑垃圾等固廢混合粉末，按照一定配比混入風(fēng)積黃土中，以增加黃土中保水礦物和營(yíng)養(yǎng)元素，制成改造型人工土壤。

配制原則：根據(jù)固廢及黃土的地球化學(xué)特征，控制人工土壤的毒性元素不超標(biāo)，營(yíng)養(yǎng)元素基本達(dá)標(biāo)?；诖嗽瓌t，對(duì)[黃土]/[固廢粉]分別按照0/10；1/9；3/7；5/5；8/2；10/0等6個(gè)級(jí)次配比配制，并統(tǒng)一加入等量有機(jī)肥。

盆栽試驗(yàn)方法：在6 組人工土壤中種植小麥和白菜，通過(guò)測(cè)量小麥苗和白菜苗的出苗率、生長(zhǎng)高度、枯葉率、植物干重等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

1.1 人工土壤配制方法

1.1.1 固廢粉制作

固廢試驗(yàn)樣品采自運(yùn)城地區(qū)夏縣-平陸一帶八處有代表性的建筑垃圾場(chǎng)、鋁土礦采掘場(chǎng)、煤礦、銅礦尾礦庫(kù)。建筑垃圾取61件、煤矸石取23件、鋁土礦渣取17 件、銅尾礦取10 件，共計(jì)111件。每件樣品30 kg，在各場(chǎng)地均勻采集組成。

建筑垃圾主要成分為：磚塊50%～60%；水泥塊15%～30%；各種殘?jiān)勰?%～10%；主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、白云母、方解石，高嶺石。

煤矸石主要成分為：灰黑色泥灰頁(yè)巖夾砂巖，碳質(zhì)15%～20%；泥砂類(lèi)60%～70%；其它礦物質(zhì)5%～10%。主要礦物成分為泥質(zhì)方解石、伊利石、高嶺石、長(zhǎng)石、石英。

鋁土礦渣主要成分：泥頁(yè)巖40%～50%；鋁土巖10%～15%，砂巖類(lèi)20%～30%；其它5%～10%。主要礦物成分為高嶺石、伊利石、白云母、方解石及少量石英。

銅尾礦主要成分：放大鏡下可觀察到長(zhǎng)石、石英、白云母類(lèi)50%～60%；輝石、角閃石、黑云母等暗色礦物20%～30%；其它礦物質(zhì)10%～20%。

從各固廢樣品中均勻分取5 kg，先用大鐵錘敲碎至小塊，后送至山西省地球物理化學(xué)勘查院實(shí)驗(yàn)室車(chē)間細(xì)碎，統(tǒng)一過(guò)20目樣品篩至土壤粒級(jí)后裝袋作為備用原料。

1.1.2 黃土采集與加工

風(fēng)積黃土取自夏縣尚家坪村東部一帶原生厚層馬蘭黃土（Q2eol3），為一套淺黃色亞砂土（圖1）。根據(jù)山西省夏縣1/5 萬(wàn)地球化學(xué)土地質(zhì)量評(píng)估調(diào)查成果①靳職斌，山西省平陸縣、夏縣1/5萬(wàn)地球化學(xué)土地質(zhì)量評(píng)估，山西省地球物理化學(xué)勘查院，2021。，這一帶土壤中有關(guān)營(yíng)養(yǎng)元素如Cu、Zn、B、Fe、Mn、Mo等為低含量，有明顯貧瘠特征。在此區(qū)采集風(fēng)成黃土樣品30件，每件樣品為40 kg，晾干后過(guò)20目篩，裝袋作為備用原料。

圖1 采樣點(diǎn)位圖Fig.1 The map of sampling points

1.1.3 人工土壤配制

為準(zhǔn)確配比人工土壤，對(duì)以上風(fēng)積黃土、建筑垃圾粉、煤矸石粉、鋁土礦渣粉、銅尾礦粉中有關(guān)元素含量作檢測(cè)，從加工過(guò)篩后樣品中各取100 g樣品送至山西省地球物理化學(xué)勘查院實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，分析項(xiàng)目為：N、P、K2O、CaO、MgO、S、TFe（全鐵）、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Cr、Cd、Pb、As、Hg等，分析結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 各原料中營(yíng)養(yǎng)元素含量平均值Table 1 The average of nutrient elements in the raw materials

表2 各原料中重金屬元素含量平均值（單位：×10-6）Table 2 The average of heavy metal elements in the raw materials

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]，土壤養(yǎng)分N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B等含量共分為缺乏、較缺乏、中等、較豐富、豐富五個(gè)等級(jí)。本次以中等級(jí)的下限值作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量各原料養(yǎng)分缺乏與否的分界線（表3）。各原料養(yǎng)分含量與下限值相比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各原料與土壤養(yǎng)分中等下限值比值Table 3 The ratio of the raw materials to the low limit of soil nutrients

由表3可知，黃土中除鈣以外，其它大多數(shù)養(yǎng)分含量臨近或低于下限值，其中氮、硫、鐵為明顯缺乏態(tài)。固廢中養(yǎng)分元素變化很大，如氮、硫、鉬在煤矸石中較富；磷、硫、鉬、銅在鋁土礦渣中偏高；鉀、鎂、硫、鐵、錳、銅、硼、鉬在銅礦中含量很高；建筑垃圾中除氮、鐵外，其它元素含量均高于黃土。由此可見(jiàn)，通過(guò)在黃土中加入固廢粉，可提高黃土養(yǎng)分元素含量。

根據(jù)我國(guó)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 1568-2018）②土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）（GB 15618-2018代替GB15618-1995）。，重金屬元素含量分為安全、輕度污染、污染三等。以輕度污染的臨界值衡量各類(lèi)原料的安全性，可見(jiàn)各重金屬元素含量均未超標(biāo)（表4）。

表4 原料與土壤污染臨界值比值Table 4 The ratio of the raw materials to the critical-value of contaminated soil

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，為抑制固廢粉中某些元素含量過(guò)高，按照以下比例配制混合固廢粉：

[固廢粉]中建筑垃圾/煤矸石/鋁礦渣/銅尾礦=5/2/2/1。進(jìn)一步將其與黃土按照[黃土]/固廢粉]=0/10；1/9；3/7；5/5；8/2；10/0的比例配制成6組人工土，每組重復(fù)10 盆，每盆[固廢粉]+[黃土]總重量為15 kg，另外每盆統(tǒng)一加入秸稈漚肥0.5 kg（表5）。

表5 人工土配制比例與分組Table 5 The mix proportion and grouping of artificial soil

據(jù)此計(jì)算出各組人工土中養(yǎng)分含量Tm，并與養(yǎng)分中等下限值相比（表6）?？煽闯鋈斯ね寥乐叙B(yǎng)分含量已臨近或高于中等養(yǎng)分下限值，從理論上可供植物正常生長(zhǎng)。

表6 各組人工土與土壤養(yǎng)分中等下限值比值Table 6 The ratio of these artificial soil to the low limit of soil nutrients

Tm=(0.5Ji+0.2Mi+0.2Li+0.1Ti)(1-n)+(Hi)n

式中，Hi、Ji、Mi、Li、Ti分別代表原黃土、建筑垃圾、煤矸石、鋁礦渣、銅尾礦中某種元素（i）的平均含量，0.5、0.2、0.2、0.1為其混合比例。n為原黃土與固廢粉分組混合配比系數(shù)，分別取值0、0.1、0.3、0.5、0.8、1。

1.2 盆栽實(shí)驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)場(chǎng)地位于夏縣大侯鄉(xiāng)朱呂村封閉恒溫蔬菜大棚內(nèi)，四季溫度保持在20°C以上。盆栽用具為口徑12 cm、高度13 cm的樹(shù)脂加侖盆，內(nèi)裝人工土壤15.5 kg，統(tǒng)一澆水熟化兩個(gè)月，期間測(cè)得各盆土壤pH 值在7.0～7.5 之間，沒(méi)有明顯變化。于2021 年3月播入小麥和白菜種子。每組前5盆中每盆均距布種30 粒小麥，后5 盆中每盆均勻撒入20 粒白菜種。此后每隔7 天—15天觀察、澆水、記錄一次，共9 次。通過(guò)測(cè)量株苗的生長(zhǎng)力、耐旱力、生長(zhǎng)量、吸收量等指標(biāo)評(píng)估各盆組人工土壤的配制效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

小麥和白菜在生長(zhǎng)力、耐旱力、生長(zhǎng)量、吸收量等指標(biāo)結(jié)果基本一致，下面以小麥苗生長(zhǎng)情況為例說(shuō)明。

2.1 小麥苗試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 小麥苗生長(zhǎng)力

生長(zhǎng)力通過(guò)監(jiān)測(cè)出苗率、苗最低、苗最高、苗均高等數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估，其中，出苗率=該組五盆出苗總數(shù)/五盆種子總粒數(shù)（150 粒）。以第8 次觀測(cè)結(jié)果為代表，出苗率、苗最高均值、最低均值、總平均值從第一組到第六組總體為升高趨勢(shì)。在第五組苗高的各項(xiàng)指標(biāo)都出現(xiàn)了頂峰拐點(diǎn)，說(shuō)明當(dāng)原黃土/固廢粉為8/2時(shí)，小麥苗生長(zhǎng)力最強(qiáng)（表7、圖2）。

表7 小麥出苗率與株高均值統(tǒng)計(jì)表Table 7 The statistical table of the rate of wheat emergence and the average of plant height

圖2 小麥出苗率與株高均值圖Fig.2 The figure of the rate of wheat emergence and the average of plant height

2.1.2 小麥苗耐旱力

耐旱力以枯葉率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在第4次觀測(cè)和澆水后，延長(zhǎng)澆水周期，促使部分苗葉發(fā)生枯萎，觀測(cè)記錄各組麥苗的總?cè)~數(shù)與枯葉數(shù)，計(jì)算枯葉率。

枯葉率=各盆麥苗總枯葉數(shù)/各盆麥苗總?cè)~數(shù)

由表8可知，第一組到第四組的枯葉率呈降低，第五組、第六組枯葉率顯著升高，且六組黃土最高。說(shuō)明第一組到第四組的耐旱能力較強(qiáng)；第五、六組較弱，純黃土抗旱能力最差。由此說(shuō)明固廢粉具有明顯的保水功能，對(duì)提高黃土抗旱力有重要作用。在原黃土與固廢粉比例為5/5時(shí)（第四組），耐旱能力達(dá)到最強(qiáng)。

表8 小麥苗枯葉率表Table 8 The dead leaves rates of wheat seedlings

2.1.3 小麥苗生長(zhǎng)量

生長(zhǎng)量為各組麥苗晾干后的重量。在麥苗生長(zhǎng)至自然成熟并全部枯萎后，將根莖葉穗全株取出后洗凈晾干，稱(chēng)重各組麥苗干重，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表9，可看出，麥苗干重總體趨勢(shì)與苗高變化一致，從第一組到第六組總體升高，第五組出現(xiàn)頂峰拐點(diǎn)，即原黃土/固廢粉=8/2時(shí)的生長(zhǎng)量最大。

表9 盆栽試驗(yàn)小麥生長(zhǎng)量（干重）表Table 9 The wheat growth (dry weight)in Pot Experiment

2.1.4 小麥苗吸收量

在生長(zhǎng)期后，通過(guò)檢測(cè)干麥苗和各盆土壤中有關(guān)營(yíng)養(yǎng)元素含量，來(lái)比較小麥苗吸收營(yíng)養(yǎng)量與根系土肥力水平的關(guān)系，考察小麥苗對(duì)這些元素吸收情況，以銅和硼為例（圖3）。

圖3 小麥苗元素含量與根系土元素含量折線圖Fig.3 The line chart of element content in wheat seedling and root soil

從圖3中可以看出：Cu、B在小麥苗和其根系土中變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明小麥苗中元素含量隨根系土中元素含量的變化而變化。

3 結(jié)論

通過(guò)本次盆栽試驗(yàn)，根據(jù)小麥與白菜的出苗率、生長(zhǎng)高度、枯葉率、植物干重、植物及根系土元素含量關(guān)系等指標(biāo)，考察不同配比下人工土壤對(duì)植物生長(zhǎng)力，耐旱力，生長(zhǎng)量，對(duì)元素的吸收等情況得出：

當(dāng)原[黃土]/[固廢粉]為8/2時(shí)，小麥和白菜的生長(zhǎng)力均表現(xiàn)為最佳，超過(guò)了原始黃土，說(shuō)明固廢粉提高了原始貧瘠黃土的肥力；當(dāng)原[黃土]/[固廢粉]為5/5 到3/7 時(shí)，小麥和白菜的耐旱能力均達(dá)到最強(qiáng)，總體呈固廢粉占比越大，耐旱力越強(qiáng)的趨勢(shì)，說(shuō)明固廢粉顯著可提高原黃土的保水性。同時(shí)，固廢粉具有提高黃土中營(yíng)養(yǎng)成分的作用，在植物吸收中得到體現(xiàn)，如小麥苗中Cu、B和白菜葉中N、Cu、Ca隨根系土中的含量變化而變化。

總之，本次盆栽試驗(yàn)證明，在貧瘠黃土中加入適量工業(yè)固廢粉，可以系統(tǒng)性彌補(bǔ)風(fēng)積黃土中的養(yǎng)分和蓄水性礦物，提高黃土基礎(chǔ)肥力和保水抗旱能力，有利于植物生長(zhǎng)。為尋求更有效治理黃土高原水土流失和無(wú)害消化工業(yè)固廢的方法途徑提供參考依據(jù)。

問(wèn)題討論：風(fēng)積黃土系統(tǒng)性缺乏保水性礦物及礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，并導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受限是一個(gè)基本事實(shí)。通過(guò)本次試驗(yàn)，初步證明了通過(guò)適當(dāng)加入固廢，可提高風(fēng)積黃土的保水抗旱性和礦物質(zhì)養(yǎng)分，從而提高植物生長(zhǎng)能力。但另一方面，在實(shí)際生產(chǎn)中，固廢的來(lái)源和種類(lèi)繁多，礦物組分和化學(xué)成分也十分復(fù)雜，因此如何選擇固廢與風(fēng)積黃土匹配，成為利用這項(xiàng)技術(shù)的很關(guān)鍵問(wèn)題，而對(duì)固廢進(jìn)行地球化學(xué)特征系統(tǒng)性調(diào)查和研究成為必不可少的前期基礎(chǔ)工作，同時(shí)應(yīng)兼顧調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性及實(shí)用成本的合理性。因此，如何行之有效地使用地球化學(xué)調(diào)查技術(shù)與方法，也是需要探討和研究的另一個(gè)重要問(wèn)題。

致謝：本論文依托項(xiàng)目＂利用工業(yè)及生活固廢開(kāi)發(fā)人工土壤的地球化學(xué)工程試驗(yàn)＂,在項(xiàng)目實(shí)施中得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院向武教授的指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。