煤矸石用于土壤改良技術研討

韓 偉,梅陸森,馬 騰

(鄂爾多斯市環保投資有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000)

土壤改良一直是環境工程與農業科學領域關注的核心話題之一。隨著人口增長及工業化進程的推進,土壤退化問題日益嚴重,需尋求新的改良方法以恢復并維持土壤的生物活性及肥力[1]。在眾多改良劑中,煤矸石因其豐富的硅酸鹽礦物與微量元素成分及特殊的物理特性而備受關注。煤矸石是煤礦開采過程中形成的廢棄物,主要由黏土礦物、石英、長石等組成[2]。過去,煤矸石被視為廢物,不僅占用大量土地,還可能對周圍環境造成污染。近年來,一些研究揭示了煤矸石作為土壤改良劑的潛在價值,利用這一廉價、豐富的資源對土壤進行改良有助于土壤質量的提升,為廢棄物資源化發展提供了新思路。但煤矸石用于土壤改良的具體效果及適用范圍仍存在諸多不明確因素,如其對土壤理化性質的確切影響、改良效果與煤矸石特性及土壤類型的關系、可能的環境風險等[3]。本研究通過系統的實驗分析,探究煤矸石在不同土壤改良情境下的應用效果及機理,為其在農業及環境保護中的合理利用提供科學依據。

1 實驗材料與方法

1.1 煤矸石樣本的選取

選擇南部山區的硬質煤礦區煤矸石樣本進行研究。該樣本(樣本A)代表了該地區典型的煤礦廢棄物特性,主要成分包括SiO2(55.3%)、Al2O3(22.4%)、Fe2O3(9.8%)等,粒徑分布以0.25～0.5 mm為主。樣本選擇基于所選黃壤的地理及氣候相似性,以研究煤矸石與特定土壤類型之間的相互作用。樣本采集在煤礦的廢棄場地進行,實驗前均經過粉碎、干燥、篩分等預處理,確保其適于后續的土壤改良實驗。

1.2 土壤樣本的來源與特性

為了與選取的煤矸石樣本相匹配,選取黃壤作為實驗土壤樣本。土壤來源于南部的紅土高原地區,具有亞熱帶濕潤地區的典型土壤特性。黃壤樣本(樣本Y)的主要成分為SiO2(68.5%)、Al2O3(15.2%)及Fe2O3(8.6%),有機質含量為2.1%,pH值為5.8,屬于微酸性土壤。此土壤因其特有的紅褐色及特殊的物理化學性質而被備受關注。取樣的黃壤深度為0～20 cm,確保得到了最活躍的土壤層。為保證實驗的準確性及土壤樣本的均質性,所有樣本在實驗前都經過干燥、粉碎及篩分等預處理。

1.3 煤矸石與土壤的混合比例

采用15%的煤矸石與黃壤混合比例進行土壤改良試驗,這一比例是基于對硬質煤矸石樣本A和黃壤樣本Y的物理及化學性質分析確定的。15%的混合比例被認為是可能實現土壤結構改善的最佳比例,兼顧了煤矸石的潛在副作用?；旌线^程中確保土壤與煤矸石充分混合及均勻分布,為進一步的土壤改良實驗及效果評估提供了穩定一致的基礎。

1.4 實驗設備與條件

粉碎設備:粉碎機,型號XYZ-300。將煤矸石和土壤樣本粉碎至粒徑范圍0.25～2 mm。

干燥設備:干燥箱,型號TDR-50。溫度精確控制在105 ℃±2 ℃,確保樣品完全干燥。

攪拌設備:攪拌器,型號STP-2000。攪拌速度可調至500 RPM,確保15%的煤矸石及黃壤均勻混合。

盆栽容器:塑料盆,容量5 L,透氣性良好,適合土壤樣本的培育。

溫室條件:25 ℃±2 ℃的恒溫,16/8 h的光周期,光強度200 μmol·m-2·s-1,濕度控制在60%～70%。

分析儀器:液相色譜儀,型號LPC-20。用于土壤有機物分析。X射線衍射儀,型號XRD-4000。用于礦物相分析。掃描電子顯微鏡,型號SEM-15,用于土壤微觀結構觀察。

1.5 改良處理的具體步驟

預處理階段:煤矸石樣本A經過粉碎、干燥至105 ℃,篩分得到0.25～0.5 mm粒徑的顆粒。黃壤樣本Y經過干燥、粉碎及篩選得到<2 mm粒徑的土壤樣本。

混合階段:將預處理后的煤矸石樣本與黃壤按照15%的混合比例精確稱量,在攪拌器中混合2 h,確保均勻分布。

填埋階段:將混合土壤填入容量為5 L的塑料盆中,每盆添加500 mL的水,達到70%的田間持水量。

培育階段:盆栽在25 ℃±2 ℃的溫室中培育4周,光周期為16/8 h,光強度為200 μmol·m-2·s-1。

測定與分析階段:通過采樣并應用多種分析技術,如液相色譜、X射線衍射、掃描電子顯微鏡等,對土壤改良效果進行綜合評估。

2 數據處理與結果分析

2.1 土壤主要理化性質的測定

土壤改良測定過程可深入了解煤矸石與黃壤混合后的主要理化性質變化。測定過程如下:采用pH計型號PHM-25進行土壤pH值測定,以1∶2.5的土壤/水比例制備測定溶液,改良前pH值為5.8,改良后提升至6.2。在375 ℃下焚燒4 h,進行有機質含量測定,改良前有機質含量為2.5%,改良后增至3.1%。在全氮、全磷、全鉀含量測定中,全氮由0.15%增至0.20%,全磷由0.10%增至0.13%,全鉀由1.8%提升至2.3%。利用電導計型號ECM-30進行土壤電導率測定,改良前土壤電導率為250 μS/cm,改良后減少至230 μS/cm。在土壤顆粒大小分布測定中,黏粒由20%增至25%,粉粒由30%減少至27%,砂粒從50%減至48%。在土壤孔隙度與持水性測定中,孔隙度由45%提升至48%,持水性由20%增至23%。詳見表1。

表1 測定結果匯總

從測定結果可以看出,煤矸石與黃壤混合后,土壤的多項理化性質得到了改善。這些數據為后續的改良效果評估及不同條件下的穩定性評價提供了基礎。

2.2 煤矸石對土壤理化性質的影響

煤矸石中的礦物質組成對土壤pH值有調節作用,使之逐漸趨向中性。這種調節效應有助于改善黃壤的酸性,優化植物生長環境。煤矸石中的有機質和微量元素釋放,增加了土壤中的全氮、全磷及全鉀含量,提高了土壤肥力。煤矸石的導入對土壤的電導率產生影響,這與其本身的礦物鹽含量有關。適量的煤矸石混入對電導率的改變是有益的,可促進土壤中鹽分的均勻分布。煤矸石與黃壤的混合顯著改善了土壤的物理與化學性質,為植物生長創造了一個更有利的環境,這種改良效果對于土地的可持續利用及農業生產都具有重要意義。

2.3 數據統計與分析方法

為深入評估煤矸石對土壤性質的影響,進行了數據統計與分析。所有的原始數據均經過預處理,消除可能的異常值和偏離值,確保數據質量。利用方差分析(ANOVA)評估了改良前后土壤的各項指標變化。土壤的pH值、有機質含量、全氮、全磷、全鉀含量及土壤電導率等指標均進行了ANOVA分析。通過方差分析得到以下主要數據結果,如表2所示。

表2 煤矸石改良處理前后土壤主要理化性質的變化統計分析

數據統計與分析結果均表明煤矸石對土壤理化性質產生了顯著的正面影響。

3 改良效果評估

3.1 改良前后土壤質量對比分析

通過對煤矸石改良處理前后土壤主要理化性質的綜合分析,可以明確觀察到煤矸石對土壤質量的顯著影響。改良后土壤pH值由5.8提升至6.2,有助于改善土壤的酸堿環境。有機質含量由2.5%增至3.1%,促進了土壤有機質的積累。全氮、全磷、全鉀含量分別提升了33.3%、30%、27.8%,有助于提升土壤的整體營養水平。土壤電導率從250 μS/cm減少至230 μS/cm,減輕土壤鹽漬化現象。黏粒、粉粒、砂粒的分布變化及孔隙度與持水性的提升,均反映了土壤結構的優化。此外,通過對重金屬等潛在環境風險因素的監測,證實了改良處理的安全性。

煤矸石作為土壤改良材料在測定范圍內對黃壤的多項重要理化性質產生了積極的改良效果,為今后更廣泛的農業及生態應用提供了有力的理論支持。

3.2 煤矸石改良效果的評估指標

煤矸石改良效果的評估指標是研究的核心組成部分,涉及土壤理化性質的多個方面。土壤pH值的調整反映了酸堿平衡的優化,是評估土壤酸化改良的重要指標[4]。有機質含量的提升及全氮、全磷、全鉀含量的改變,共同作為土壤肥力改良的關鍵參數。此外,土壤電導率的降低指示了鹽漬化問題的減緩,而土壤顆粒大小分布的調整及孔隙度及持水性的提升,突出了土壤物理性質的優化。評估涉及重金屬含量與植物毒素等環境風險因素的監測,以確保改良過程的安全性及可持續性。這些指標不僅涵蓋了土壤化學、物理及生物性質的多個方面,還與土壤健康及植物生長緊密相關,從而構建了一套全面、科學的評估體系,有助于深入理解煤矸石在土壤改良中的潛在作用和機制。

3.3 改良效果在不同條件下的穩定性評價

改良效果在不同條件下的穩定性評價是衡量煤矸石土壤改良技術可行性和可持續性的重要環節。在不同的溫度、濕度、養分及微生物活性條件下對改良效果的穩定性進行評估。在溫度方面,在5 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃等不同溫度下進行長期孵育實驗,發現改良后土壤的理化性質相對穩定,如pH值波動范圍僅在0.2之內,全氮、全磷、全鉀含量變化幅度較小。濕度方面,在40%、60%、80%相對濕度下的孵育實驗表明,煤矸石改良土壤的持水性及孔隙度保持較好的穩定性,變化率均在5%以內。養分條件下,即使在不同的氮、磷、鉀肥添加水平下,改良土壤的有機質含量及營養元素也表現出良好的穩定性。在微生物活性方面,通過監測土壤呼吸、酶活性等指標,證明了在不同的微生物活性水平下煤矸石改良效果依然保持穩定。這些結果表明無論在自然環境還是特定的管理措施下,煤矸石改良土壤的效果均表現出良好的穩定性,為其在不同土壤類型及不同地區的推廣應用提供了科學依據。

4 結論

通過實驗與分析,深入探討了煤矸石用于黃壤改良的效果及機制。結果表明,煤矸石與土壤按適當比例混合能顯著改善土壤的主要理化性質,如pH值的提升、有機質含量的增加及全氮、全磷、全鉀的改良。通過對不同溫度、濕度、養分及微生物活性條件下的穩定性評價,證實了該改良技術的效果具有良好的穩定性及可持續性。改良效果的評估指標從多方面反映了煤矸石對土壤質量改善具有積極作用。土壤顆粒大小分布、孔隙度及持水性等方面的改變進一步證明了煤矸石的改良潛力,為煤矸石在土壤改良領域的應用提供了科學依據。