腐植酸复合材料对矿区渣土改良应用研究

谭 菁 黄占斌 赵 鹏

中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院 北京 100083

矿区土地复垦成为增加耕地面积及矿区生态可持续健康发展的重要措施[1～3]。采用传统的土壤改良技术来培育矿区土壤，如表层土壤与底层土壤混合整平或表层土壤与底层土壤层层堆叠等方式，使复垦土壤达到基本的生产能力，但恢复周期长，且仍存在结构性差、土壤肥力提升效果差等问题[4，5]。矿区渣土本身物理结构差、持水保水能力弱和养分不足等原因，严重影响植物的生长[6～11]。因此，探索矿区渣土的改良是土地复垦中的一个重要研究方向。

目前，国内外学者对土壤熟化材料已进行大量研究[12～16]。杨彦明等[17]发现，保水剂可增大田间持水量、各级孔隙数量和饱和导水率，降低土壤容重，中等用量0.06%为最佳施用量。柳燕兰等[18]发现，施用粘合剂能加速新修梯田生土熟化，使试验地0～20 cm 耕层中粒径0.25～5.00 mm 团粒增加近1 倍，土壤容重降低6.9%，土壤含水量增加6.9%。吴军虎等[19]证实向土壤中施加生化腐植酸能增加土壤胶体稳定性，促进土壤水稳性团聚体形成，＞0.25 mm 团聚体含量提高284.98%。刘秀梅等[20]研究了风化煤提取腐植酸对氮、磷、钾的吸附和解吸特性。但不同类型材料对矿区渣土改良及其优化组合的专题研究较少见。本研究选取高分子材料、粘合剂、生化腐植酸和煤基腐植酸4 种材料，采用正交试验设计方法，分析不同材料及其复合对矿区渣土理化性质改良影响，寻求不同材料改良矿区渣土的优化组合，为矿区土壤修复应用研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

高分子材料为粒度20～40 目的聚丙烯酸钾盐吸水剂，纯度≥99%，吸水倍率约为400倍（纯净水），购于济南华迪工贸有限公司；粘合剂的主要成分为FeSO4·7H2O，浅绿色砂状晶体，纯度＞90%，pH值为3.7，购于天津天地丰源环境工程有限公司；生化腐植酸，粉末状固体，由稻壳、餐厨垃圾微生物发酵制得，北京嘉博文生物科技有限公司提供；煤基腐植酸，粉末状固体，纯度＞70%，由风化煤制得，山西林海腐植酸科技有限公司提供。

试验土取自宁夏石嘴山市汝箕沟大峰矿东外排土场，去除大石块后过5 mm 土壤筛。土壤容重为1.59 g/cm3；田间持水量为19.07%；总孔隙度为35.97%；pH 值为8.00；碱解氮为84.14 mg/kg；有效磷为19.01 mg/kg；速效钾为55.60 mg/kg。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，渣土容重过高，总孔隙度偏低，碱性稍高，养分属于3～4 级水平。

1.2 试验设计

试验采用四因素三水平正交试验，采用土盆培养模拟方法，确定不同材料对矿区渣土改良的优化组合。高分子材料（K）、粘合剂（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处理作为对照（CK），共10 个处理（表2）。

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

表2 正交试验分组Tab.2 Orthogonal test grouping

将供试土壤分别添加不同配比的改良材料。将混合好的复合材料-土壤样品装盆培养，每盆500 g，每个处理设3 个重复，置于室内避光培养25 天。在培养期间，定期添加蒸馏水，平均每隔7 天浇蒸馏水1 次，保证土壤表面湿润即可。测定并分析土壤容重、田间持水量、总孔隙度、pH 值、碱解氮、有效磷、速效钾等指标。

1.3 测定指标与方法

土壤容重采用环刀法；土壤田间持水量采用环刀法；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，由便携式pH 计（FE28）测得；土壤碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法；速效钾采用NH4OAc 浸提-火焰光度法。

1.4 数据处理

数据采用Origin 2021 进行绘图，采用SPSS 23.0 软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同材料组合对矿区渣土物理性质的影响

土壤容重影响土壤的保水保肥能力、通气性、碳储量以及植物根系生长等[21]，不同材料组合对渣土容重的影响见图1。从图中可知，与CK 处理相比，添加复合材料组合（A1～A9 处理）淋溶后，土壤容重降至1.34～1.44 g/cm3，表明4 种材料的添加能够有效降低渣土容重，其中A7 处理效果最明显。

图1 不同材料组合对渣土容重的影响Fig.1 Eff ect of diff erent material combinations on bulk density of residue soil

田间持水量是衡量土壤保水能力的重要指标。不同材料组合对渣土田间持水量的影响见图2。从图中可知，A7 处理对田间持水量影响最大，与CK 处理相比，增加了54.56%；且添加生化腐植酸和高分子材料的量越大，田间持水量增加得越明显。

图2 不同材料组合对渣土田间持水量的影响Fig.2 Eff ect of diff erent material combinations on f ield water holding capacity of residue soil

土壤总孔隙度指土壤孔隙占一定体积土壤的比重，其大小与土壤质地、结构、松紧度和有机质含量等有关。土壤孔隙影响土壤蓄墒效果和透气性，间接影响着土壤肥力和植物生长。矿区废弃地绝大部分表层土被大型机械压实，土壤渗透系数低[22]。不同材料组合对渣土总孔隙度的影响见图3。从图中可知，A1～A9 处理土壤总孔隙度平均较CK 处理提高了19.32%，A7 处理土壤总孔隙度提高最多，比CK 处理提高了28.71%。

图3 不同材料组合对渣土总孔隙度的影响Fig.3 Eff ect of diff erent material combinations on total porosity of residue soil

2.2 不同材料组合对矿区渣土化学性质的影响

土壤pH 值对陆地生态系统微生物多样性和群落组成、土壤理化性质及植物吸收养分等有重要影响[23]。图4 为不同材料组合对渣土pH 值的影响。从图中可知，CK 处理土壤呈弱碱性，添加材料混施后，土壤pH 值总体变化不大，在7.56～7.89之间，最大值与最小值之间差别不到0.4。

图4 不同材料组合对渣土pH 值的影响Fig.4 Eff ect of diff erent material combinations on pH of residue soil

土壤中有效氮是影响植物蛋白质合成和植物生长的重要指标。不同材料组合对渣土碱解氮的影响见图5。从图中可知，A1、A2、A3、A4、A6、A8处理碱解氮含量较CK 处理高，可能与煤基腐植酸持氮能力强有关，其中A2、A3、A4 处理分别增至157.92、159.57、158.77 mg/kg，达到全国第二次土壤普查养分分级标准中的一级水平，而A5、A7、A9 处理较CK 处理分别减少了30.79%、16.25%、37.44%。

图5 不同材料组合对渣土碱解氮的影响Fig.5 Eff ect of diff erent material combinations on alkalihydrolyzed nitrogen of residue soil

土壤有效磷是影响植物核酸合成和作物产量及评价环境污染的重要指标之一[24]。不同材料组合对渣土有效磷的影响见图6。从图中可知，A1～A8处理有效磷均高于CK 处理，其中A4 处理对土壤有效磷的影响最大，比CK 处理增加59.89%。

图6 不同材料组合对渣土有效磷的影响Fig.6 Eff ect of diff erent material combinations on available phosphorus of residue soil

钾是影响植物渗透压和作物生长必需重要元素之一，对作物产量形成及品质改善具有重要作用[25]。不同材料组合对渣土速效钾的影响见图7。从图中可知，不同材料组合土壤速效钾含量较CK处理显著增加了93%～780%，这可能与保水剂含有钾且保水剂对K+有较强的吸附作用有关，从而使得土壤中的钾含量偏高，该结论还需深入研究 。

图7 不同材料组合对渣土速效钾的影响Fig.7 Eff ect of diff erent material combinations on available potassium of residue soil

2.3 综合评价

采用主成分分析法，对4 种材料复合改良土壤理化性质效果综合分析，根据特征值和相应的方差贡献率，其中第1主成分中物理性质（容重、田间持水量、总孔隙度）的贡献较大，第2 主成分中化学性质（pH 值、碱解氮、有效磷、速效钾）的贡献较大。从总分来看，正交组合A7 处理的得分最高（表3）。

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

3 讨论

土壤物理性质主要影响土壤结构，对土壤调节水、肥、气、热能力起着制约作用，还会影响植物生长发育。添加不同材料处理后对矿区渣土容重进行正交分析（表4），4 种材料对土壤容重极差影响表现为RK=RB＞RH＞RF，高分子材料和生化腐植酸对改善土壤结构，特别是容重影响最优。主要是高分子材料在土壤水分激发下吸水膨胀增加土壤总孔隙度，降低土壤紧实性；且溶水可形成胶结物质，促进土壤团聚作用和土壤团聚体形成，降低土壤容重，这与田露[26]研究结果一致。生化腐植酸是由微生物发酵后的产物，其中丰富的菌丝可将土壤微粒凝结成微团聚体；且生化腐植酸溶于水可形成胶结物质，促进土壤大团聚体形成，从而降低土壤容重[19]。田间持水量反映的是大多数植物可利用的土壤水上限，对作物水分管理具有十分重要的意义。高分子材料是一种高分子保水剂，相当于微型水源，加上改良土壤团粒所提升的土壤水分可供作物较长时间利用[27，28]。4 种材料对土壤田间持水量极差影响（表4）表现中，生化腐植酸对增加土壤田间持水量效果最好，这可能与生化腐植酸碳缩合程度较低、分子量较小且有大量活性亲水基团形成水凝胶提高土壤含水率有关[29]。土壤孔隙性质（简称孔性）是指土壤孔隙总量及大、小孔隙分布，其好坏决定于土壤的质地、松紧度、有机质含量和结构等，4 种材料对矿区渣土总孔隙度增加影响的大小顺序为高分子材料＞煤基腐植酸＞生化腐植酸＞粘合剂（表4）。综上，生化腐植酸的加入能够降低土壤容重，增加土壤田间持水量，提高土壤总孔隙度，对调节土壤中水、肥、气、热起到积极作用[30，31]。极差分析结果表明，对土壤容重、田间持水量、总孔隙度的优选组合分别是K3F1B3H2、K3F2B3H2、K3F1B3H2。

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

4 种材料处理土壤pH 值正交分析（表5），不同材料影响主次顺序为粘合剂＞生化腐植酸＞煤基腐植酸＞高分子材料。这是因为粘合剂在改土方面与石膏有着相类似作用，粘合剂中的硫酸根可与土壤中Na2CO3作用中和土壤碱性，且其中铁离子以氢氧化铁形式抑制碳酸根积累，减轻对作物危害。这与王方等[32]、陈乃政等[33]结果一致。4 种材料中煤基腐植酸对碱解氮影响最大（表5）。煤基腐植酸中羧基、羰基、醇羟基、酚羟基等活性官能团有较强离子交换性，络合土壤氮素以减少氨态氮损失；另一方面，加入煤基腐植酸能改善土壤微生态环境，使好气性细菌、放线菌、纤维分解菌等微生物数量增加，加速有机物的矿化，促进营养元素的释放[15]。对添加不同材料处理后矿区渣土有效磷含量正交分析（表5），4 种材料中粘合剂对土壤中有效磷的影响最大，这可能是因为粘合剂施入土壤后会产生CO2，从而增加了土壤水分中的碳酸含量，进一步提高土壤中磷酸盐的溶解度。土壤速效钾是植物可直接吸收利用的元素形态[34～36]，其中高分子材料能明显提高土壤中速效钾的含量（表5）。综上，对土壤pH 值、碱解氮、有效磷、速效钾的优选组合分别是K1F3B3H1、K1F2B2H3、K2F1B3H2、K3F3B1H1。

表5 渣土化学性质正交分析Tab.5 Orthogonal analysis of chemical properties of residue soil

4 结论

（1）通过土盆培养模拟试验证明，选择高分子材料、粘合剂、生化腐植酸和煤基腐植酸4 种材料复合施用能够降低矿区渣土容重，增加土壤孔隙度，同时能够增强土壤的水分保持效果，促进土壤养分的提升。

（2）综合分析各项指标，4 种材料复合优化组合为K3F1B3H2（A7 处理），对土壤理化性能改良最佳，土壤容重为1.34 g/cm3，较CK 降低15.72%；田间持水量为29.47%，较CK 增加54.56%；总孔隙度为46.30%，较CK 提高28.71%；根据全国第二次土壤普查养分分级标准，有效磷含量从三级水平提升至二级水平，速效钾含量从四级水平提升至一级水平，碱解氮含量略降低，改良后的矿区渣土质量符合《土地复垦质量控制标准（TD/T 1036-2013）》。

（3）土壤理化性质受母质、气候、地形地貌等地理条件及周边环境等因素影响较大，因此矿区渣土改良材料在实际修复中应用，需要进一步工程示范验证。