土壤改良剂对废弃离子型稀土矿酸性砂化土壤改良效果研究

孟 磊，霍汉鑫，李 昊，杨越晴

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

我国是稀土资源大国，稀土资源非常丰富，占世界稀土资源的67%，并且种类齐全[1]，其中离子型稀土资源占世界同类资源的90%，赣南地区的离子型稀土资源占全国同类资源的2/3[2]。由于早期浸矿工艺环保措施比较粗放，堆浸、池浸工艺遗留大面积的浸矿堆场，浸矿后尾砂的堆放和下泄会改变所在山区、沟谷的原始地形地貌，压占土地，破坏地表植被，形成大范围的堆积区[3]。尾砂堆积区表层为砂质，结构松散，透水性强，极易造成水土流失，由于浸矿工艺多采用硫酸铵，导致其呈酸性，同时浸矿后的尾砂中有机质和氮、磷营养成分含量较低，不利于植被的生长。因此，稀土矿废弃地土壤酸化、砂质化问题亟待解决。本研究采用贝壳粉、植物黏合剂、有机肥复配，探究对稀土矿酸性砂化土壤问题的调节和改善。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自江西赣州某离子型稀土废弃矿山，将采集的土壤样品研磨过2 mm筛，土壤的基本理化性质如表1所示。贝壳粉产自大连市，经破碎，过74 μm筛，XRD图谱表明，贝壳粉95%的成分是碳酸钙。植物黏合剂产自矿冶科技集团有限公司研发产品。复合肥产自湖北某作物营养有限公司，元素组成见表2。

表1 土壤成分分析

表2 复合肥成分分析Table2 Composition analysis of compound fertilizer

1.2 实验设计

1)将土壤样品自然风干，称取500 g现场采集土壤，剔除大块土粒，过2 mm筛后，添加2%、5%、7%、10%的贝壳粉，设置50 r/min下搅拌10 min，加入贝壳粉和土壤混合质量50%的去离子水，土壤与贝壳粉充分混匀，调节湿度为90%。混匀后的土壤样品置于恒温恒湿条件下，老化7 d，每组实验设置3个平行样。

2)称取500 g过2 mm筛的土壤，添加系列梯度浓度(0.2%、0.5%、1%、2%)植物黏合剂，进行搅拌混合，其他实验参数同实验设计1)。

3)将上述实验筛选出的贝壳粉和植物黏合剂的最佳添加量，与土壤混合搅拌处理，同时添加0.1%复合肥料，设置3个平行样。搅拌参数、温度湿度等实验参数均与实验设计1)一致。

1.3 检测方法

土壤pH的测定采用pH计；有机质的测定采用NY/T 1121.6—2006；全氮的测定采用凯氏法HJ717—2014；有效磷、速效钾的测定采用联合浸提—比色法NY/T1849—2010。微观结构采用扫描电子显微镜(SEM)进行分析。

试验数据采用Excel、Origin9.0软件进行统计，分析采用SPSS16.0软件。

2 结果与分析

2.1 贝壳粉对土壤pH的影响

通过添加不同量贝壳粉，土壤pH值分析结果见图1。由图1可知，贝壳粉添加量为2%、5%、7%、10%时，土壤中pH值均发生变化，呈递进增长趋势，当贝壳粉的添加量为10%时，pH值提升至6.5。贝壳粉可有效调节土壤酸碱度，由于其主要成分为CaCO3，CaCO3在水中电解后产生大量OH-，酸性土壤中H+被中和，同时，贝壳粉中含有碱性物质，从而提高了土壤中pH值[4-6]。从经济角度考虑，贝壳粉成本低且为天然易得，在改善酸性土壤的同时还能实现废物的资源化利用。

图1 贝壳粉对土壤pH的影响Fig.1 Effects of shell powder on soil pH

2.2 植物黏合剂对土壤黏结效果的影响

通过扫描电镜观察添加植物黏合剂的土壤微观形貌，如图2所示。由图2可知，土壤原样由大小不一的颗粒组成，其颗粒较稀疏；添加1%植物黏合剂修复后的土壤中细小颗粒附着至大颗粒表面，表明土壤颗粒黏合较好，改善了土壤团粒结构。研究使用植物黏合剂较传统的高分子化合黏合剂易降解，在提高土壤颗粒黏结强度、团粒结构形成的同时，能够优化土壤微生物生存环境，且不易产生二次污染[9]。

图2 添加植物黏合剂在SEM下的微观形貌Fig.2 Surface structures of plant binder by SEM

2.3 土壤改良剂对改良酸性砂化土壤的影响

添加土壤改良剂土壤pH值提升至6.5。扫描电镜观察表明，贝壳粉和细小土壤颗粒黏结至土壤大颗粒表面，土壤颗粒黏合较好。土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均不同程度提高，有机质、全氮、有效磷、速效钾含量为21.32 g/kg、112.70 mg/kg、60.79 mg/kg、110.14 mg/kg，满足植物生长环境(表3)。土壤养分提升，一方面是由于改良剂中添加有机肥，提高了土壤养分；另一方面土壤养分随着贝壳粉添加量的增加而提高，贝壳粉能提高土壤中的有机质、有效磷和生物多样性等[7-8]，因此，加入土壤改良剂有效改善了土壤养分。

表3 土壤养分监测结果

3 结论

贝壳粉能够有效改善土壤酸性，提高pH，植物黏合剂对土壤颗粒的黏合效果较好，有助于改善土壤团粒结构。通过室内实验对比分析，10%贝壳粉+1%植物黏合剂+0.1%复合肥料的土壤改良剂，能够有效改善离子型稀土矿酸性砂化问题，同时提高酸性砂化土壤有机质、养分含量，为实现矿区生态环境可持续发展提供理论支撑。