利用有机/无机废弃物制备沙化土壤生态改良剂*

李 佳，王维富，代群威,2，沈 瑞

(1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010)

0 引言

土壤沙化是因为水力、风力或者化学侵蚀等使地表植被遭到破坏，土壤变为含沙量较多的土壤的过程[1]。目前土壤沙化正在全球范围内以每年5万～75万km2的速度蔓延，全球遭受沙化威胁和其他干旱地区的土地面积已达地球陆地面积的41.3%[2]。我国的土壤沙化现象也十分严重，西北地区尤甚，土壤沙化也会给沙化区域周围的土地带来严重危害。一般来讲，草地退化、沙化具有草地生物系统出现物种群落退化、生物多样性降低、草地生产能力下降、生态功能下降等特征[3]。生产活动对土壤沙化的产生和防治有很大影响。不合理的放牧、樵采和开垦等严重破坏了原有沙地的自然植被，加速了沙化过程[4]。沙化土壤的特征是土质粗松、风蚀严重、易旱易热、漏水漏肥等[5-6]。

沙化土壤的修复是防止生态环境进一步恶化、保护农业生产、实现农业可持续发展的必然要求[7]，目前国内外土壤改良技术主要有植物修复技术、化学修复技术、微生物修复技术等。本文在借鉴已有的不同原料作为土壤改良剂的研究成果的同时，通过试验探讨了养殖废液、膨润土、蘑菇菌棒施加量对于土壤肥力的影响、综合改良效果与经济效益，以期为沙化土壤改良提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 原料

经测定，沙化土壤试样的总氮质量分数为24.5 mg/kg、总磷质量分数为9.2 mg/kg、总有机碳质量分数为10.2 mg/kg。

本试验的主要原料为膨润土。我国膨润土资源丰富，总储量位居世界第2位[8]。膨润土在水中呈胶凝状和悬浮状，具有一定的黏滞性、触变性和润滑性；对气体、液体、有机物有一定的吸附能力，最大吸附量可达自身质量的5倍；其与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和黏结性[9]。基于黏土矿物层间阳离子与溶液中阳离子的等量交换，通过交换剂的消耗量可以确定黏土矿物阳离子交换容量(CEC值)[10](见表1)。

表1 膨润土特征参数

膨润土的CEC值远高于一般土壤，因此膨润土的保肥能力较强；且其饱和吸水率远高于一般土壤，在干旱时，可为土壤改良剂提供充足的水分。膨润土中碳氮磷的含量较低，需添加有机废液补充沙化土壤的营养。

表2 养殖废液的pH

本试验采用的另一种原料为废弃的蘑菇菌棒，其主要成分是木屑、棉籽壳、玉米芯，含有丰富的粗纤维、蛋白质等，可作为添加剂用于改良土壤的透气性，亦可在施肥后期被微生物降解成有机肥而被植物利用以增加土壤肥力。蘑菇菌棒的碳氮磷质量分数见图2。

图1 养殖废液碳氮磷质量浓度

图2 蘑菇菌棒碳氮磷质量分数

1.2 测试方法

溶液中总氮根据HJ 636-2012《水质总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定；溶液中总磷根据GB 11893-1989《水质总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测定；溶液中总有机碳采用TOC测试分析仪测定。

根据HJ 717—2014《土壤质量 全氮的测定 凯氏法》测定土壤中的总氮；根据NY/T 88-1988《土壤全磷测定法》测定土壤中的总磷；采用燃烧-高频红外碳硫分析法测定土壤中的总有机碳。

1.3 仪器设备

紫外分光光度计，TOC测试分析仪，SHY-2A 型水浴恒温振荡器，凯氏定氮仪，DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱。

2 试验

2.1 膨润土与养殖废液的最佳添加量

采用正交试验法确定沼气废液与膨润土的最佳混合比例。经查阅相关资料并作对比分析，分别采用30、35、40 g膨润土与30、35、40 mL沼气废液进行混合，详细配比见表3。

表3 膨润土与沼气废液混合配比

测定正交试验各比例中剩余废液、混合后膨润土及其损失量的总有机碳、总氮及总磷质量分数(见图3—图5)，可以得出膨润土与沼气废液的最佳混合比例。

图3 混合前后各组分总有机碳质量分数

由图3可知，A1-2中混合后膨润土的总有机碳质量分数最高，即膨润土添加量为30 g时，膨润土中总有机碳的质量分数较沙化土壤试样中的提高较多。沼气废液中总有机碳剩余量与其添加量无明显关系，综上考虑当膨润土添加量为30 g、沼气废液添加量为35 mL时，膨润土对沼气废液中的总有机碳吸收效果最好，此时改良剂可吸收废液中约60%的总有机碳。总有机碳的损失主要与试样瓶中的剩余废液等有关。

图4 混合前后各组分总氮质量分数

由图4可知，当膨润土添加量为30 g、沼气废液添加量为35 mL时，膨润土对沼气废液中氮的吸收效果最好，此时膨润土约吸收废液中70%的总氮。混合后的膨润土具有较高质量分数的总氮，混合后的废液中总氮质量分数大大降低。在混合试验中，总氮的损失量较大。经查阅相关资料，总氮的损失主要是试样瓶中可能存在沼气废液残留及氨氮的挥发等造成的。总氮损失量与膨润土添加量及废液添加量均无关。

本文基于路堑边坡定量风险评估框架，对工程高边坡开挖及加固阶段进行定量风险评估，并对比边坡加固前后定量风险评估结果，得到如下结论：

图5 混合前后各组分总磷质量分数

由图5可以明显看出,膨润土加入量为30 g和40 g时，膨润土中的总磷质量分数较沙化土壤试样中的提高较多。沼气废液中总磷剩余量与其添加量无明显的变化规律。综合考虑当加入30 g膨润土和35 mL废液时，膨润土对沼气废液中的磷吸收效果最好，此时膨润土可吸收废液中约65%的总磷。总磷的损失主要与试样瓶中的废液残留等有关。

由图3—图5可以看出，当加入30 g膨润土和35 mL沼气废液时，膨润土对碳、氮、磷的吸收效果较好，此时改良剂可吸收废液中约60%的总有机碳、约70%的总氮、约65%的总磷。在该配比下，改良剂可最大限度地吸收废液中的养分，为后期改良沙化土壤提供养分支持。

2.2 蘑菇菌棒的最佳添加量

由2.1可知，30 g膨润土与35 mL沼气废液为二者混合的最佳配比。制备最佳配比的膨润土与沼气废液，并分别向其中加入占膨润土质量5%、10%、15%、20%(即1.5、3.0、4.5、6.0 g)的蘑菇菌棒粉；放置在通风室内72 h后，将多余废液倒出，检测改良剂中的碳氮磷质量分数，确定蘑菇菌棒的最佳添加量。因添加蘑菇菌棒后剩余液体较少，因此只检测改良剂中的碳、氮、磷的质量分数，结果见图6。

图6 添加蘑菇菌棒后碳氮磷质量分数的变化

由图6可知：当添加3.0、4.5、6.0 g蘑菇菌棒时，改良剂对废液中总氮的吸收量较高；当蘑菇菌棒的添加量为4.5 g时，改良剂对总氮和总有机碳的吸收效果均优于其他添加量的，但对总磷的吸收效果略差于添加量为6.0 g时的；综合考虑确定蘑菇菌棒最佳添加量为4.5 g。

综上可得沙化土壤改良剂的最佳配比为：膨润土30 g，沼气废液35 mL，蘑菇菌棒粉4.5 g。

2.3 沙化土壤改良剂的最佳添加量

经查阅相关资料，发现改良剂占土壤质量的10%左右时，改良剂的作用效果最好。本试验取沙化土壤1.6 kg，土壤改良剂的施加量分别为沙化土壤质量的5%、7%、10%、13%(即80、112、160、208 g)，二者混合后在室内通风条件下放置15、30 d，然后对土壤试样进行分析。

加入改良剂15 d后沙化土壤的碳氮磷质量分数见图7。由图7可知，当加入沙化土壤改良剂160 g和208 g时，沙化土壤中的碳氮磷质量分数有明显的提升，此时改良剂加入量对沙化土壤碳氮磷质量分数影响不大，因此初步确定加入改良剂160 g时改良效果最佳。沙化土壤中的碳氮磷质量分数变化主要是膨润土及蘑菇菌棒吸附其表面的碳氮磷引起的；总氮的质量分数变化较大是因为原液中的总氮质量分数高于总磷及总有机碳的质量分数。

图7 改良15 d后沙化土壤中碳氮磷质量分数

加入改良剂30 d后沙化土壤的碳氮磷质量分数见图8。由图8可知：当加入沙化土壤改良剂160 g和208 g时，沙化土壤中的碳氮磷质量分数有明显的提升，原因是随着时间的推移，改良剂表面的水分逐渐挥发，膨润土干燥收缩，内部储存的沼气废液缓慢释放出来，增加了沙化土壤中碳氮磷的质量分数；30 d后，沙化土壤中总有机碳的质量分数约为40 mg/kg，有显著的提升；总氮的质量分数约为400 mg/kg,已经高于缺氮土壤的一般值；总磷的质量分数约为30 mg/kg。总氮质量分数的变化较大是因为原液中的总氮质量分数高于总磷及总有机碳的质量分数，在释放的过程中，总氮的释放量会高于总磷和总有机碳的。

图8 改良30 d后沙化土壤中碳氮磷质量分数

2.4 土壤沙化改良剂的作用机理

土壤沙化改良剂的作用机理见图9。

图9 土壤沙化改良剂的作用机理

改良剂的结构主要为硅氧四面体和镁氧八面体。由图9可知，废液及蘑菇菌棒中的碳氮磷等可以附着在膨润土表面，植物生长所需养分不足时，改良剂中的碳氮磷将会释放出来。

3 结论

a.在35 mL沼气废液、30 g膨润土的最佳比例下，膨润土可吸收60%左右的有效肥。

b.蘑菇菌棒的最佳添加量为4.5 g，此时改良剂可吸收70%左右的有效肥。

c.改良剂的最佳用量为土壤质量的10%，试验中向1.6 kg沙化土壤中添加160 g土壤改良剂，15 d后沙化土壤中的碳氮磷质量分数均有明显的提升，此时沙化土壤中增加的碳氮磷基本是吸附在膨润土或者蘑菇菌棒表面的废液中的碳氮磷。

d.改良沙化土壤在室内干燥条件下放置30 d后，沙化土壤改良剂表面的残余水分已挥发，此时膨润土开始收缩，逐渐释放其内部吸附的沼气废液，使得改良沙化土壤中的碳氮磷质量分数逐渐升高。

e.沙化土壤改良剂不仅可以提升土壤中碳氮磷等养分含量，膨润土还具有吸水性能，在雨水充沛时改良剂可以利用膨润土的吸水性能吸纳大量水分，待干旱时缓慢释放出来。