腐植酸復合材料對礦區渣土改良應用研究

譚 菁 黃占斌 趙 鵬

中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院 北京 100083

礦區土地復墾成為增加耕地面積及礦區生態可持續健康發展的重要措施[1～3]。采用傳統的土壤改良技術來培育礦區土壤，如表層土壤與底層土壤混合整平或表層土壤與底層土壤層層堆疊等方式，使復墾土壤達到基本的生產能力，但恢復周期長，且仍存在結構性差、土壤肥力提升效果差等問題[4，5]。礦區渣土本身物理結構差、持水保水能力弱和養分不足等原因，嚴重影響植物的生長[6～11]。因此，探索礦區渣土的改良是土地復墾中的一個重要研究方向。

目前，國內外學者對土壤熟化材料已進行大量研究[12～16]。楊彥明等[17]發現，保水劑可增大田間持水量、各級孔隙數量和飽和導水率，降低土壤容重，中等用量0.06%為最佳施用量。柳燕蘭等[18]發現，施用粘合劑能加速新修梯田生土熟化，使試驗地0～20 cm 耕層中粒徑0.25～5.00 mm 團粒增加近1 倍，土壤容重降低6.9%，土壤含水量增加6.9%。吳軍虎等[19]證實向土壤中施加生化腐植酸能增加土壤膠體穩定性，促進土壤水穩性團聚體形成，＞0.25 mm 團聚體含量提高284.98%。劉秀梅等[20]研究了風化煤提取腐植酸對氮、磷、鉀的吸附和解吸特性。但不同類型材料對礦區渣土改良及其優化組合的專題研究較少見。本研究選取高分子材料、粘合劑、生化腐植酸和煤基腐植酸4 種材料，采用正交試驗設計方法，分析不同材料及其復合對礦區渣土理化性質改良影響，尋求不同材料改良礦區渣土的優化組合，為礦區土壤修復應用研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

高分子材料為粒度20～40 目的聚丙烯酸鉀鹽吸水劑，純度≥99%，吸水倍率約為400倍（純凈水），購于濟南華迪工貿有限公司；粘合劑的主要成分為FeSO4·7H2O，淺綠色砂狀晶體，純度＞90%，pH值為3.7，購于天津天地豐源環境工程有限公司；生化腐植酸，粉末狀固體，由稻殼、餐廚垃圾微生物發酵制得，北京嘉博文生物科技有限公司提供；煤基腐植酸，粉末狀固體，純度＞70%，由風化煤制得，山西林海腐植酸科技有限公司提供。

試驗土取自寧夏石嘴山市汝箕溝大峰礦東外排土場，去除大石塊后過5 mm 土壤篩。土壤容重為1.59 g/cm3；田間持水量為19.07%；總孔隙度為35.97%；pH 值為8.00；堿解氮為84.14 mg/kg；有效磷為19.01 mg/kg；速效鉀為55.60 mg/kg。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，渣土容重過高，總孔隙度偏低，堿性稍高，養分屬于3～4 級水平。

1.2 試驗設計

試驗采用四因素三水平正交試驗，采用土盆培養模擬方法，確定不同材料對礦區渣土改良的優化組合。高分子材料（K）、粘合劑（F）、生化腐植酸（B）、煤基腐植酸（H）用量水平如表1 所示。以未添加任何材料的處理作為對照（CK），共10 個處理（表2）。

表1 4 種材料的添加量Tab.1 Addition amount of four materialsg/kg

表2 正交試驗分組Tab.2 Orthogonal test grouping

將供試土壤分別添加不同配比的改良材料。將混合好的復合材料-土壤樣品裝盆培養，每盆500 g，每個處理設3 個重復，置于室內避光培養25 天。在培養期間，定期添加蒸餾水，平均每隔7 天澆蒸餾水1 次，保證土壤表面濕潤即可。測定并分析土壤容重、田間持水量、總孔隙度、pH 值、堿解氮、有效磷、速效鉀等指標。

1.3 測定指標與方法

土壤容重采用環刀法；土壤田間持水量采用環刀法；土壤比重采用比重瓶法；土壤pH 值采用水土比2.5 ∶l 浸提法，由便攜式pH 計（FE28）測得；土壤堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法；速效鉀采用NH4OAc 浸提-火焰光度法。

1.4 數據處理

數據采用Origin 2021 進行繪圖，采用SPSS 23.0 軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同材料組合對礦區渣土物理性質的影響

土壤容重影響土壤的保水保肥能力、通氣性、碳儲量以及植物根系生長等[21]，不同材料組合對渣土容重的影響見圖1。從圖中可知，與CK 處理相比，添加復合材料組合（A1～A9 處理）淋溶后，土壤容重降至1.34～1.44 g/cm3，表明4 種材料的添加能夠有效降低渣土容重，其中A7 處理效果最明顯。

圖1 不同材料組合對渣土容重的影響Fig.1 Eff ect of diff erent material combinations on bulk density of residue soil

田間持水量是衡量土壤保水能力的重要指標。不同材料組合對渣土田間持水量的影響見圖2。從圖中可知，A7 處理對田間持水量影響最大，與CK 處理相比，增加了54.56%；且添加生化腐植酸和高分子材料的量越大，田間持水量增加得越明顯。

圖2 不同材料組合對渣土田間持水量的影響Fig.2 Eff ect of diff erent material combinations on f ield water holding capacity of residue soil

土壤總孔隙度指土壤孔隙占一定體積土壤的比重，其大小與土壤質地、結構、松緊度和有機質含量等有關。土壤孔隙影響土壤蓄墑效果和透氣性，間接影響著土壤肥力和植物生長。礦區廢棄地絕大部分表層土被大型機械壓實，土壤滲透系數低[22]。不同材料組合對渣土總孔隙度的影響見圖3。從圖中可知，A1～A9 處理土壤總孔隙度平均較CK 處理提高了19.32%，A7 處理土壤總孔隙度提高最多，比CK 處理提高了28.71%。

圖3 不同材料組合對渣土總孔隙度的影響Fig.3 Eff ect of diff erent material combinations on total porosity of residue soil

2.2 不同材料組合對礦區渣土化學性質的影響

土壤pH 值對陸地生態系統微生物多樣性和群落組成、土壤理化性質及植物吸收養分等有重要影響[23]。圖4 為不同材料組合對渣土pH 值的影響。從圖中可知，CK 處理土壤呈弱堿性，添加材料混施后，土壤pH 值總體變化不大，在7.56～7.89之間，最大值與最小值之間差別不到0.4。

圖4 不同材料組合對渣土pH 值的影響Fig.4 Eff ect of diff erent material combinations on pH of residue soil

土壤中有效氮是影響植物蛋白質合成和植物生長的重要指標。不同材料組合對渣土堿解氮的影響見圖5。從圖中可知，A1、A2、A3、A4、A6、A8處理堿解氮含量較CK 處理高，可能與煤基腐植酸持氮能力強有關，其中A2、A3、A4 處理分別增至157.92、159.57、158.77 mg/kg，達到全國第二次土壤普查養分分級標準中的一級水平，而A5、A7、A9 處理較CK 處理分別減少了30.79%、16.25%、37.44%。

圖5 不同材料組合對渣土堿解氮的影響Fig.5 Eff ect of diff erent material combinations on alkalihydrolyzed nitrogen of residue soil

土壤有效磷是影響植物核酸合成和作物產量及評價環境污染的重要指標之一[24]。不同材料組合對渣土有效磷的影響見圖6。從圖中可知，A1～A8處理有效磷均高于CK 處理，其中A4 處理對土壤有效磷的影響最大，比CK 處理增加59.89%。

圖6 不同材料組合對渣土有效磷的影響Fig.6 Eff ect of diff erent material combinations on available phosphorus of residue soil

鉀是影響植物滲透壓和作物生長必需重要元素之一，對作物產量形成及品質改善具有重要作用[25]。不同材料組合對渣土速效鉀的影響見圖7。從圖中可知，不同材料組合土壤速效鉀含量較CK處理顯著增加了93%～780%，這可能與保水劑含有鉀且保水劑對K+有較強的吸附作用有關，從而使得土壤中的鉀含量偏高，該結論還需深入研究 。

圖7 不同材料組合對渣土速效鉀的影響Fig.7 Eff ect of diff erent material combinations on available potassium of residue soil

2.3 綜合評價

采用主成分分析法，對4 種材料復合改良土壤理化性質效果綜合分析，根據特征值和相應的方差貢獻率，其中第1主成分中物理性質（容重、田間持水量、總孔隙度）的貢獻較大，第2 主成分中化學性質（pH 值、堿解氮、有效磷、速效鉀）的貢獻較大。從總分來看，正交組合A7 處理的得分最高（表3）。

表3 主成分分析評價（得分/排名）Tab.3 Principal component analysis evaluation (score/ranking)

3 討論

土壤物理性質主要影響土壤結構，對土壤調節水、肥、氣、熱能力起著制約作用，還會影響植物生長發育。添加不同材料處理后對礦區渣土容重進行正交分析（表4），4 種材料對土壤容重極差影響表現為RK=RB＞RH＞RF，高分子材料和生化腐植酸對改善土壤結構，特別是容重影響最優。主要是高分子材料在土壤水分激發下吸水膨脹增加土壤總孔隙度，降低土壤緊實性；且溶水可形成膠結物質，促進土壤團聚作用和土壤團聚體形成，降低土壤容重，這與田露[26]研究結果一致。生化腐植酸是由微生物發酵后的產物，其中豐富的菌絲可將土壤微粒凝結成微團聚體；且生化腐植酸溶于水可形成膠結物質，促進土壤大團聚體形成，從而降低土壤容重[19]。田間持水量反映的是大多數植物可利用的土壤水上限，對作物水分管理具有十分重要的意義。高分子材料是一種高分子保水劑，相當于微型水源，加上改良土壤團粒所提升的土壤水分可供作物較長時間利用[27，28]。4 種材料對土壤田間持水量極差影響（表4）表現中，生化腐植酸對增加土壤田間持水量效果最好，這可能與生化腐植酸碳縮合程度較低、分子量較小且有大量活性親水基團形成水凝膠提高土壤含水率有關[29]。土壤孔隙性質（簡稱孔性）是指土壤孔隙總量及大、小孔隙分布，其好壞決定于土壤的質地、松緊度、有機質含量和結構等，4 種材料對礦區渣土總孔隙度增加影響的大小順序為高分子材料＞煤基腐植酸＞生化腐植酸＞粘合劑（表4）。綜上，生化腐植酸的加入能夠降低土壤容重，增加土壤田間持水量，提高土壤總孔隙度，對調節土壤中水、肥、氣、熱起到積極作用[30，31]。極差分析結果表明，對土壤容重、田間持水量、總孔隙度的優選組合分別是K3F1B3H2、K3F2B3H2、K3F1B3H2。

表4 渣土物理性質正交分析Tab.4 Orthogonal analysis of physical properties of residue soil

4 種材料處理土壤pH 值正交分析（表5），不同材料影響主次順序為粘合劑＞生化腐植酸＞煤基腐植酸＞高分子材料。這是因為粘合劑在改土方面與石膏有著相類似作用，粘合劑中的硫酸根可與土壤中Na2CO3作用中和土壤堿性，且其中鐵離子以氫氧化鐵形式抑制碳酸根積累，減輕對作物危害。這與王方等[32]、陳乃政等[33]結果一致。4 種材料中煤基腐植酸對堿解氮影響最大（表5）。煤基腐植酸中羧基、羰基、醇羥基、酚羥基等活性官能團有較強離子交換性，絡合土壤氮素以減少氨態氮損失；另一方面，加入煤基腐植酸能改善土壤微生態環境，使好氣性細菌、放線菌、纖維分解菌等微生物數量增加，加速有機物的礦化，促進營養元素的釋放[15]。對添加不同材料處理后礦區渣土有效磷含量正交分析（表5），4 種材料中粘合劑對土壤中有效磷的影響最大，這可能是因為粘合劑施入土壤后會產生CO2，從而增加了土壤水分中的碳酸含量，進一步提高土壤中磷酸鹽的溶解度。土壤速效鉀是植物可直接吸收利用的元素形態[34～36]，其中高分子材料能明顯提高土壤中速效鉀的含量（表5）。綜上，對土壤pH 值、堿解氮、有效磷、速效鉀的優選組合分別是K1F3B3H1、K1F2B2H3、K2F1B3H2、K3F3B1H1。

表5 渣土化學性質正交分析Tab.5 Orthogonal analysis of chemical properties of residue soil

4 結論

（1）通過土盆培養模擬試驗證明，選擇高分子材料、粘合劑、生化腐植酸和煤基腐植酸4 種材料復合施用能夠降低礦區渣土容重，增加土壤孔隙度，同時能夠增強土壤的水分保持效果，促進土壤養分的提升。

（2）綜合分析各項指標，4 種材料復合優化組合為K3F1B3H2（A7 處理），對土壤理化性能改良最佳，土壤容重為1.34 g/cm3，較CK 降低15.72%；田間持水量為29.47%，較CK 增加54.56%；總孔隙度為46.30%，較CK 提高28.71%；根據全國第二次土壤普查養分分級標準，有效磷含量從三級水平提升至二級水平，速效鉀含量從四級水平提升至一級水平，堿解氮含量略降低，改良后的礦區渣土質量符合《土地復墾質量控制標準（TD/T 1036-2013）》。

（3）土壤理化性質受母質、氣候、地形地貌等地理條件及周邊環境等因素影響較大，因此礦區渣土改良材料在實際修復中應用，需要進一步工程示范驗證。