煤矸石用于土壤改良技术研讨

韩 伟,梅陆森,马 腾

(鄂尔多斯市环保投资有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)

土壤改良一直是环境工程与农业科学领域关注的核心话题之一。随着人口增长及工业化进程的推进,土壤退化问题日益严重,需寻求新的改良方法以恢复并维持土壤的生物活性及肥力[1]。在众多改良剂中,煤矸石因其丰富的硅酸盐矿物与微量元素成分及特殊的物理特性而备受关注。煤矸石是煤矿开采过程中形成的废弃物,主要由黏土矿物、石英、长石等组成[2]。过去,煤矸石被视为废物,不仅占用大量土地,还可能对周围环境造成污染。近年来,一些研究揭示了煤矸石作为土壤改良剂的潜在价值,利用这一廉价、丰富的资源对土壤进行改良有助于土壤质量的提升,为废弃物资源化发展提供了新思路。但煤矸石用于土壤改良的具体效果及适用范围仍存在诸多不明确因素,如其对土壤理化性质的确切影响、改良效果与煤矸石特性及土壤类型的关系、可能的环境风险等[3]。本研究通过系统的实验分析,探究煤矸石在不同土壤改良情境下的应用效果及机理,为其在农业及环境保护中的合理利用提供科学依据。

1 实验材料与方法

1.1 煤矸石样本的选取

选择南部山区的硬质煤矿区煤矸石样本进行研究。该样本(样本A)代表了该地区典型的煤矿废弃物特性,主要成分包括SiO2(55.3%)、Al2O3(22.4%)、Fe2O3(9.8%)等,粒径分布以0.25～0.5 mm为主。样本选择基于所选黄壤的地理及气候相似性,以研究煤矸石与特定土壤类型之间的相互作用。样本采集在煤矿的废弃场地进行,实验前均经过粉碎、干燥、筛分等预处理,确保其适于后续的土壤改良实验。

1.2 土壤样本的来源与特性

为了与选取的煤矸石样本相匹配,选取黄壤作为实验土壤样本。土壤来源于南部的红土高原地区,具有亚热带湿润地区的典型土壤特性。黄壤样本(样本Y)的主要成分为SiO2(68.5%)、Al2O3(15.2%)及Fe2O3(8.6%),有机质含量为2.1%,pH值为5.8,属于微酸性土壤。此土壤因其特有的红褐色及特殊的物理化学性质而被备受关注。取样的黄壤深度为0～20 cm,确保得到了最活跃的土壤层。为保证实验的准确性及土壤样本的均质性,所有样本在实验前都经过干燥、粉碎及筛分等预处理。

1.3 煤矸石与土壤的混合比例

采用15%的煤矸石与黄壤混合比例进行土壤改良试验,这一比例是基于对硬质煤矸石样本A和黄壤样本Y的物理及化学性质分析确定的。15%的混合比例被认为是可能实现土壤结构改善的最佳比例,兼顾了煤矸石的潜在副作用。混合过程中确保土壤与煤矸石充分混合及均匀分布,为进一步的土壤改良实验及效果评估提供了稳定一致的基础。

1.4 实验设备与条件

粉碎设备:粉碎机,型号XYZ-300。将煤矸石和土壤样本粉碎至粒径范围0.25～2 mm。

干燥设备:干燥箱,型号TDR-50。温度精确控制在105 ℃±2 ℃,确保样品完全干燥。

搅拌设备:搅拌器,型号STP-2000。搅拌速度可调至500 RPM,确保15%的煤矸石及黄壤均匀混合。

盆栽容器:塑料盆,容量5 L,透气性良好,适合土壤样本的培育。

温室条件:25 ℃±2 ℃的恒温,16/8 h的光周期,光强度200 μmol·m-2·s-1,湿度控制在60%～70%。

分析仪器:液相色谱仪,型号LPC-20。用于土壤有机物分析。X射线衍射仪,型号XRD-4000。用于矿物相分析。扫描电子显微镜,型号SEM-15,用于土壤微观结构观察。

1.5 改良处理的具体步骤

预处理阶段:煤矸石样本A经过粉碎、干燥至105 ℃,筛分得到0.25～0.5 mm粒径的颗粒。黄壤样本Y经过干燥、粉碎及筛选得到<2 mm粒径的土壤样本。

混合阶段:将预处理后的煤矸石样本与黄壤按照15%的混合比例精确称量,在搅拌器中混合2 h,确保均匀分布。

填埋阶段:将混合土壤填入容量为5 L的塑料盆中,每盆添加500 mL的水,达到70%的田间持水量。

培育阶段:盆栽在25 ℃±2 ℃的温室中培育4周,光周期为16/8 h,光强度为200 μmol·m-2·s-1。

测定与分析阶段:通过采样并应用多种分析技术,如液相色谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等,对土壤改良效果进行综合评估。

2 数据处理与结果分析

2.1 土壤主要理化性质的测定

土壤改良测定过程可深入了解煤矸石与黄壤混合后的主要理化性质变化。测定过程如下:采用pH计型号PHM-25进行土壤pH值测定,以1∶2.5的土壤/水比例制备测定溶液,改良前pH值为5.8,改良后提升至6.2。在375 ℃下焚烧4 h,进行有机质含量测定,改良前有机质含量为2.5%,改良后增至3.1%。在全氮、全磷、全钾含量测定中,全氮由0.15%增至0.20%,全磷由0.10%增至0.13%,全钾由1.8%提升至2.3%。利用电导计型号ECM-30进行土壤电导率测定,改良前土壤电导率为250 μS/cm,改良后减少至230 μS/cm。在土壤颗粒大小分布测定中,黏粒由20%增至25%,粉粒由30%减少至27%,砂粒从50%减至48%。在土壤孔隙度与持水性测定中,孔隙度由45%提升至48%,持水性由20%增至23%。详见表1。

表1 测定结果汇总

从测定结果可以看出,煤矸石与黄壤混合后,土壤的多项理化性质得到了改善。这些数据为后续的改良效果评估及不同条件下的稳定性评价提供了基础。

2.2 煤矸石对土壤理化性质的影响

煤矸石中的矿物质组成对土壤pH值有调节作用,使之逐渐趋向中性。这种调节效应有助于改善黄壤的酸性,优化植物生长环境。煤矸石中的有机质和微量元素释放,增加了土壤中的全氮、全磷及全钾含量,提高了土壤肥力。煤矸石的导入对土壤的电导率产生影响,这与其本身的矿物盐含量有关。适量的煤矸石混入对电导率的改变是有益的,可促进土壤中盐分的均匀分布。煤矸石与黄壤的混合显著改善了土壤的物理与化学性质,为植物生长创造了一个更有利的环境,这种改良效果对于土地的可持续利用及农业生产都具有重要意义。

2.3 数据统计与分析方法

为深入评估煤矸石对土壤性质的影响,进行了数据统计与分析。所有的原始数据均经过预处理,消除可能的异常值和偏离值,确保数据质量。利用方差分析(ANOVA)评估了改良前后土壤的各项指标变化。土壤的pH值、有机质含量、全氮、全磷、全钾含量及土壤电导率等指标均进行了ANOVA分析。通过方差分析得到以下主要数据结果,如表2所示。

表2 煤矸石改良处理前后土壤主要理化性质的变化统计分析

数据统计与分析结果均表明煤矸石对土壤理化性质产生了显著的正面影响。

3 改良效果评估

3.1 改良前后土壤质量对比分析

通过对煤矸石改良处理前后土壤主要理化性质的综合分析,可以明确观察到煤矸石对土壤质量的显著影响。改良后土壤pH值由5.8提升至6.2,有助于改善土壤的酸碱环境。有机质含量由2.5%增至3.1%,促进了土壤有机质的积累。全氮、全磷、全钾含量分别提升了33.3%、30%、27.8%,有助于提升土壤的整体营养水平。土壤电导率从250 μS/cm减少至230 μS/cm,减轻土壤盐渍化现象。黏粒、粉粒、砂粒的分布变化及孔隙度与持水性的提升,均反映了土壤结构的优化。此外,通过对重金属等潜在环境风险因素的监测,证实了改良处理的安全性。

煤矸石作为土壤改良材料在测定范围内对黄壤的多项重要理化性质产生了积极的改良效果,为今后更广泛的农业及生态应用提供了有力的理论支持。

3.2 煤矸石改良效果的评估指标

煤矸石改良效果的评估指标是研究的核心组成部分,涉及土壤理化性质的多个方面。土壤pH值的调整反映了酸碱平衡的优化,是评估土壤酸化改良的重要指标[4]。有机质含量的提升及全氮、全磷、全钾含量的改变,共同作为土壤肥力改良的关键参数。此外,土壤电导率的降低指示了盐渍化问题的减缓,而土壤颗粒大小分布的调整及孔隙度及持水性的提升,突出了土壤物理性质的优化。评估涉及重金属含量与植物毒素等环境风险因素的监测,以确保改良过程的安全性及可持续性。这些指标不仅涵盖了土壤化学、物理及生物性质的多个方面,还与土壤健康及植物生长紧密相关,从而构建了一套全面、科学的评估体系,有助于深入理解煤矸石在土壤改良中的潜在作用和机制。

3.3 改良效果在不同条件下的稳定性评价

改良效果在不同条件下的稳定性评价是衡量煤矸石土壤改良技术可行性和可持续性的重要环节。在不同的温度、湿度、养分及微生物活性条件下对改良效果的稳定性进行评估。在温度方面,在5 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃等不同温度下进行长期孵育实验,发现改良后土壤的理化性质相对稳定,如pH值波动范围仅在0.2之内,全氮、全磷、全钾含量变化幅度较小。湿度方面,在40%、60%、80%相对湿度下的孵育实验表明,煤矸石改良土壤的持水性及孔隙度保持较好的稳定性,变化率均在5%以内。养分条件下,即使在不同的氮、磷、钾肥添加水平下,改良土壤的有机质含量及营养元素也表现出良好的稳定性。在微生物活性方面,通过监测土壤呼吸、酶活性等指标,证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稳定。这些结果表明无论在自然环境还是特定的管理措施下,煤矸石改良土壤的效果均表现出良好的稳定性,为其在不同土壤类型及不同地区的推广应用提供了科学依据。

4 结论

通过实验与分析,深入探讨了煤矸石用于黄壤改良的效果及机制。结果表明,煤矸石与土壤按适当比例混合能显著改善土壤的主要理化性质,如pH值的提升、有机质含量的增加及全氮、全磷、全钾的改良。通过对不同温度、湿度、养分及微生物活性条件下的稳定性评价,证实了该改良技术的效果具有良好的稳定性及可持续性。改良效果的评估指标从多方面反映了煤矸石对土壤质量改善具有积极作用。土壤颗粒大小分布、孔隙度及持水性等方面的改变进一步证明了煤矸石的改良潜力,为煤矸石在土壤改良领域的应用提供了科学依据。