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、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[3]。尾砂堆積區表層為砂質,結構松散,透水性強,極易造成水土流失,由于浸礦工藝多采用硫酸銨,導致其呈酸性,同時浸礦后的尾砂中有機質和氮、磷營養成分含量較低,不利于植被的生長。因此,稀土礦廢棄地土壤酸化、砂質化問題亟待解決。本研究采用貝殼粉、植物黏合劑、有機肥復配,探究對稀土礦酸性砂化土壤問題的調節和改善。
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如表1所示。貝殼粉產自大連市,經破碎,過74 μm篩,XRD圖譜表明,貝殼粉95%的成分是碳酸鈣。植物黏合劑產自礦冶科技集團有限公司研發產品。復合肥產自湖北某作物營養有限公司,元素組成見表2。
表1 土壤成分分析
表2 復合肥成分分析Table2 Composition analysis of compound fertilizer
1)將土壤樣品自然風干,稱取500 g現場采集土壤,剔除大塊土粒,過2 mm篩后,添加2%、5%、7%、10%的貝殼粉,設置50 r/min下攪拌10 min,加入貝殼粉和土壤混合質量50%的去離子水,土壤與貝殼粉充分混勻,調節濕度為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,其他實驗參數同實驗設計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%復合肥料,設置3個平行樣。攪拌參數、溫度濕度等實驗參數均與實驗設計1)一致。
土壤pH的測定采用pH計;有機質的測定采用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合浸提—比色法NY/T1849—2010。微觀結構采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行分析。
試驗數據采用Excel、Origin9.0軟件進行統計,分析采用SPSS16.0軟件。
通過添加不同量貝殼粉,土壤pH值分析結果見圖1。由圖1可知,貝殼粉添加量為2%、5%、7%、10%時,土壤中pH值均發生變化,呈遞進增長趨勢,當貝殼粉的添加量為10%時,pH值提升至6.5。貝殼粉可有效調節土壤酸堿度,由于其主要成分為CaCO3,CaCO3在水中電解后產生大量OH-,酸性土壤中H+被中和,同時,貝殼粉中含有堿性物質,從而提高了土壤中pH值[4-6]。從經濟角度考慮,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
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,改善了土壤團粒結構。研究使用植物黏合劑較傳統的高分子化合黏合劑易降解,在提高土壤顆粒黏結強度、團粒結構形成的同時,能夠優化土壤微生物生存環境,且不易產生二次污染[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
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至土壤大顆粒表面,土壤顆粒黏合較好。土壤中有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量均不同程度提高,有機質、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,滿足植物生長環境(表3)。土壤養分提升,一方面是由于改良劑中添加有機肥,提高了土壤養分;另一方面土壤養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、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分。
表3 土壤養分監測結果
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構。通過室內實驗對比分析,10%貝殼粉+1%植物黏合劑+0.1%復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、養分含量,為實現礦區生態環境可持續發展提供理論支撐。