基于農業固廢資源化利用的土壤改良試驗研究

劉 影,遲崇哲*,楊小牛,張大勇,楊明遠,王云博

(1.長春黃金研究院有限公司; 2.內蒙古太平礦業有限公司)

引 言

黃金兼具貨幣屬性和商品屬性,為國家經濟發展和社會穩定提供了強有力的支撐,但金礦石開采過程中會引發一系列生態環境問題。在當前生態文明建設的大背景下,如何實現開發與保護的雙贏越來越受到重視,因此黃金工業場地土地復墾與生態修復工作勢在必行。而在實際工作中,土地復墾受當地自然資源條件的限制,需要遵循一礦一策的原則,因地制宜。西北草原地區是中國重要的黃金生產基地,同時又屬生態脆弱區,劇烈的采礦活動使得原本就很脆弱的生態環境更為脆弱,而稀薄的表土層嚴重制約礦區的土地復墾工作[1]。

土壤重構是土地復墾的核心,重構土壤質量直接決定了土地復墾狀況[2]。TD/T 1036—2013 《土地復墾質量控制標準》[3]中規定,在北方草原區,復墾用途為其他草原時,有效土層厚度應大于30 cm。露天礦開采過程中多采用“平臺-邊坡”的堆積形式構建排土場,這種排棄方式會造成地表表面積的增大,導致用于覆土的表土量不足。因此,對于表土缺乏地區而言,表土替代物的選擇成為了土壤重構的關鍵。

本文以生物質材料為改良劑,通過分析不同改良配比土壤基質的酸堿度、顆粒團聚特征、持水保水能力、營養成分等指標,并結合植被生長情況,評估和探討生物質材料對鹽堿化貧瘠土壤改良的促進作用及作用機理,以明確生物質材料改良土壤的有效性和可持續性,從而為農業固廢資源化利用進行土壤改良提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用表土取自內蒙古某黃金企業表土堆場,經自然風干后,粉碎,過2 mm篩,對其理化性質進行分析,結果見表1。生物質材料為以玉米秸稈為原料,加入牛羊糞、有機肥、菌劑配料,經膨化、發酵、風干處理后的產物。黑麥草、高羊茅、狗牙根種子均為市場采購。

表1 表土理化性質分析結果

由表1可知:表土屬于砂質土,保水能力較差,與TD/T 1036—2013 《土地復墾質量控制標準》中西北干旱區人工草地土地復墾質量控制標準相比,現有表土pH值高于8.5,說明表土基質呈強堿性,極不利于一般動植物的生存;土壤密度為1.692 g/cm3,大于1.45 g/cm3,不滿足土地復墾質量控制標準要求。全氮、全磷、全鉀質量分數分別為0.033 %、0.014 %、0.85 %,按照《土壤肥料學》(第2版)[4]中土壤營養元素指標參考標準,分別為缺乏、甚缺乏、缺乏級別;含有機質為0.682 %,為缺乏級別,不能提供植物生長所需的養分,因此需要進行土壤基質改良。

1.2 試驗設計

本研究共設5個土壤改良配比(見表2),并以純表土作為對照。生物質材料與表土充分混合后,一部分風干后用于改良土壤理化性質檢測,另一部分裝入長×寬×高為40 cm×16 cm×10 cm底部帶孔的塑料種植盆并編號,每個配比設3個重復試驗,分別播撒黑麥草、高羊茅、狗牙根,放置在溫室大棚中培養,定期澆水。

表2 試驗方案 %

1.3 測定項目及分析方法

土壤pH采用玻璃電極法測定,有機質采用重鉻酸鉀滴定法測定,全氮采用自動定氮儀法測定,全磷采用分光光度法測定,全鉀采用ICP法測定。生物質材料菌落分析采用顯微鏡鏡檢法和16S rRNA宏基因組高通量測序手段。

1.4 數據處理

試驗測得的數據應用Origin 2018作圖。

2 結果與討論

2.1 生物質材料特性分析

2.1.1 理化性質

對以玉米秸稈為原料,加入牛羊糞、有機肥、菌劑配料,經膨化、發酵、風干處理后得到的生物質材料理化性質進行分析,結果見表3。

由表3可知:參照《土壤肥料學》(第2版)中土壤營養元素指標參考標準,生物質材料pH值為7.39,呈中性;密度為0.68 g/cm3,質地疏松;全氮、全磷含量較高,均可達一級土壤標準,全鉀含量達三級土壤標準;有機質含量達一級土壤標準。

2.1.2 微生物群落

采用電子顯微鏡對制備的生物質材料中微生物菌群賦存情況進行檢測,電鏡照片(見圖1)顯示,生物質材料中賦存球菌、桿菌、原生動物等多種微生物。

表3 生物質材料理化性質分析結果

圖1 生物質材料中微生物群落

對生物質材料中微生物群落進行16S rRNA宏基因組高通量測序(見圖2),結果表明:樣本菌群中,在門(phylum)水平上,優勢菌為變形菌門(Proteobacteria);在綱(class)水平上,優勢菌為丙形變形菌綱(Gammaproteobacteria);在屬(genus)水平上,優勢菌為假單胞菌屬(Pseudomonas)、不動桿菌屬(Acinetobacter)和未分類腸桿菌(unclassified_Entero-bacteriaceae)。

2.2 改良土壤理化性質差異性分析

2.2.1 酸堿度

不同改良配比土壤pH變化見圖3。由圖3可知:未改良表土pH值為8.80,呈強堿性(8.5～9.5);隨著生物質材料添加量的增加,土壤pH逐漸降低,當生物質材料占比為10 %時,土壤pH值降至8.68,仍呈強堿性;當生物質材料占比增至20 %時,土壤pH值降至8.32,低于8.5,呈堿性(7.5～8.5);當生物質材料占比增加至40 %時,土壤pH值降至7.84,低于8.0;當生物質材料占比增加至60 %時,土壤pH值降至7.66,接近中性(6.5～7.5)。改良土壤pH降低趨勢與生物質材料占比具有相關性,分析原因為生物質材料中含有大量的黃腐酸和腐殖酸,可顯著降低表土基質的鹽堿性。

圖3 不同改良配比土壤pH變化

2.2.2 密 度

不同改良配比土壤密度變化見圖4。由圖4可知:隨著生物質材料添加量的增加,改良土壤的密度逐漸降低,孔隙度增加。當生物質材料占比為20 %時,改良土壤密度降至1.322 g/cm3,滿足TD/T 1036—2013 《土地復墾質量控制標準》要求。改良土壤密度降低趨勢與生物質材料占比具有相關性,分析原因為生物質材料質地松散、孔隙度大、密度較低,與表土混合不僅可機械性改善土壤顆粒的組成,提升其疏松程度,進而改善其密度和孔隙度,而且生物質腐化降解產生了豐富的腐殖酸[5]和黃腐酸[6],黃腐酸和腐殖酸分解產生的有機膠結物質具有黏結性[7],易與土壤顆粒形成土壤有機-無機復合膠體[8],促進土壤顆粒團聚并形成水穩性大團聚體[9],改善土壤基質的結構性能。

圖4 不同改良配比土壤密度變化

2.2.3 持水保水能力

不同改良配比土壤飽和持水量、持水率變化分別見圖5、圖6。由圖5、圖6可知:未改良表土為砂質土,飽和持水率為18.6 %,持水保水能力較弱。隨著生物質材料添加量的增加,改良土壤的飽和持水量和持水率都逐漸升高,說明改良土壤的持水保水性能逐漸升高。而飽和持水量、持水率等理化參數的變化與生物質材料占比具有相關性,說明生物質材料具有很大的孔隙度和持水保水能力,可有效改善土壤的透水性和持水保水能力。

圖5 不同改良配比土壤飽和持水量變化

圖6 不同改良配比土壤飽和持水率變化

2.2.4 有機質

土壤有機質可以改善土壤團聚體和穩定性、水分入滲和保持、養分吸持和交換,支持微生物活動等,是土壤肥力的重要指標之一。不同改良配比土壤有機質變化見圖7。由圖7可知:未改良土壤含有機質為0.682 %,為缺乏級別,不能提供植物生長所需的養分。隨著生物質材料添加量的增加,改良土壤中有機質含量逐漸升高,當生物質材料占比為10 %時,改良土壤含有機質達到9.44 %,達一級土壤標準,為甚豐富級別。有機質含量與生物質材料占比呈正相關,分析原因為生物質材料主要原料為玉米秸稈,堆肥發酵過程中在微生物作用下分解為腐殖質,腐殖質是有機物經微生物分解轉化形成的膠體物質[10],是土壤有機質的主要組成部分(50 %～65 %)。

圖7 不同改良配比土壤有機質變化

2.2.5 營養物質

不同改良配比土壤營養物質變化見圖8。由圖8可知:添加生物質材料后,改良土壤中全氮、全磷、全鉀質量分數均高于對照組。對照組全氮質量分數為0.033 %,為缺乏級別;隨著生物質材料添加量的增加,改良土壤中全氮質量分數逐漸升高,當生物質材料占比為10 %時,改良土壤中全氮質量分數為0.2 %,達到豐富級別;當生物質材料占比增至40 %時,改良土壤中全氮質量分數可達0.44 %,達到甚豐富級別,說明生物質材料對土壤中全氮含量改善效果顯著,且全氮含量與生物質材料占比呈正相關。改良土壤中全磷含量隨著生物質材料添加量的增加逐漸升高,但增加趨勢較為平緩,當生物質材料占比為40 %時,改良土壤中全磷質量分數為0.16 %,達中等級別;當生物質材料占比增至60 %時,改良土壤中全磷質量分數為0.19 %,達到甚豐富級別,說明生物質材料對土壤中全磷含量有改善作用,但效果不顯著。對照組全鉀質量分數為0.85 %,為缺乏級別;當生物質材料占比10 %時,改良土壤中全鉀質量分數增至1.38 %,達中等級別;隨著生物質材料添加量的增加,改良土壤中全鉀含量變化不大,基本保持在中等級別,說明生物質材料對土壤中全鉀含量改善不明顯。

圖8 不同改良配比土壤營養物質變化

2.3 不同改良配比植被生長差異性分析

2.3.1 植株高度

不同改良配比土壤中植被植株高度見圖9。由圖9可知:改良土壤中植被的植株高度明顯高于對照組,生物質材料改良效果明顯。生物質材料一方面提高了土壤養分,另一方面改良了土壤的理化性質,有利于植被的生長。當生物質材料占比為10 %～20 %時,黑麥草和高羊茅植株高度最高;隨著生物質材料添加量的繼續增加,黑麥草和高羊茅的植株高度不升反降,說明生物質材料的添加量并非越高越好,生物質材料占比為10 %～20 %適宜黑麥草和高羊茅生長。狗牙根的植株高度隨生物質材料添加量的增加逐漸升高,說明狗牙根適宜在高生物質含量土壤中生長。

圖9 不同改良配比土壤中植被植株高度

2.3.2 葉片寬度

不同改良配比土壤中植被葉片寬度見圖10。由圖10可知:改良土壤中植被的葉片寬度明顯高于對照組,生物質材料改良效果明顯。改良土壤中黑麥草葉片寬度基本一致,未隨生物質材料添加量的增加而產生明顯差異。生物質材料占比為40 %時,高羊茅葉片最寬。狗牙根的葉片寬度隨生物質材料添加量的增加先增加,當生物質材料占比增加至20 %時,狗牙根葉片寬度保持不變。

圖10 不同改良配比土壤中植被葉片寬度

3 結 論

1)生物質材料中含有大量的腐殖酸和黃腐酸,二者可顯著降低表土基質的鹽堿性,改良土壤pH值可由8.80降至7.39,且隨添加比例的增加,改良效果增強。

2)生物質材料質地松散、孔隙度大、密度較低,不僅可機械性改善土壤顆粒的組成,提升其疏松程度,進而改善其密度和孔隙度,而且黃腐酸和腐殖酸分解產生的有機膠結物質具有黏結性,促進土壤黏粒團聚并形成水穩性大團聚體,使改良土壤密度顯著降低,持水保水能力增強。

3)生物質材料可顯著提高土壤中有機質、全氮含量,對全磷、全鉀含量的改善具有促進作用。

4)盆栽試驗結果表明:改良土壤中植被生長的植株高度和葉片寬度明顯高于對照組,當生物質材料添加量為10 %～20 %時,黑麥草、高羊茅、狗牙根植株高度、葉片寬度都較優。