铁矿尾砂掺土对土壤几种物理性质的影响

纪兰，杨兰芳，李海波，万梦雪

（湖北大学资源环境学院，湖北 武汉430062）

0 引言

铁矿尾砂是铁矿石经过破碎，成为一定粒度的块状物，进入球磨机加水湿磨，根据矿石的性质达到一定的细度后再进行磁选，把含铁颗粒部分分离出来，剩余部分用水流排出的矿石碎屑，一般占矿石总量的60%～80%［1］，因此铁矿开采中必然要产生大量的铁矿尾砂.目前我国累计堆存的铁尾矿量高达50亿t左右，而且随着铁矿产能的不断提高，尾矿堆存量以5亿t／a的速度在增长［2］.大量铁尾矿的堆放，既占用大量宝贵的土地资源，又耗费管理运行成本，同时还存在安全隐患和污染生态环境［3］，从而危及矿区人们的生命财产安全和健康.Payne等［4］对铁矿污染的纽芬兰的拉布拉多地区湖泊中鱼类进行研究，结果表明，铁矿污染会损伤鱼类的DNA和降低维生素A的含量.因此寻求铁矿尾砂的资源化利用技术具有经济、生态和社会等多方面的效益.当前对铁尾矿资源化利用方面主要集中在金属元素回收、制造水泥、制砖以及用作建筑材料、制造玻璃、筑路的填料、采矿回填等［5-8］，而这些应用有的需要厂房、设备和大量的投资，其产品在市场上不具有竞争优势，同时还会产生二级废弃物和污染；有的对铁矿尾砂的使用量少，达不到削减尾砂贮存的效果.当前有关利用铁矿尾砂改土方面的研究尚少见报道.尾矿库边坡的绿化对于尾矿坝的稳定和安全，防治水土流失具有重要意义，而边坡绿化需要大量的覆土，而且覆土太薄又不利于植物成活和生长.金山店尾矿库的边坡覆土需要从别处运土，不仅增加运输成本，也会破坏取土地方的生态景观.金山店尾矿库边坡所用覆土质地粘重，物理性质不良，植物难以生长.为了改善金山店铁矿尾矿库边坡覆土的土壤物理性状，使之有利于植物生长，促进尾矿库边坡的植被恢复和生态保护，我们进行了铁矿尾砂掺土对土壤物理性质影响的实验研究，为铁矿尾砂改土利用提供科学依据，从而寻求铁矿尾砂资源化利用的新技术.

1 材料与方法

1.1 实验材料 （1）铁矿尾砂采自武钢矿业公司金山店铁矿尾矿库，尾砂采后自然风干，再过2mm筛备用.（2）供试土壤为金山店尾矿库边坡覆土，经分析鉴定该土壤为初育土纲，石质初育土亚纲，石灰土类，石灰土亚类.土壤采回后自然风干，剔除石块和杂物，再过2mm筛备用.土壤基本农化性质如表1所示.

表1 供试土壤的基本农化性质

1.2 方法

1.2.1 铁矿尾砂掺土实验 本实验共设置了0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%共11种掺砂比例，每种比例重复3次.每个重复保持总量为400g，将铁矿尾砂和土按比例称好后，混合均匀，然后分别装在一次性塑料碗内，并加水维持含水量为20%，在实验室培养两个月，每两天通过称重法调节水分一次.培养结束后，将砂土混合物放在干净塑料盘里风干，过2mm筛后装在塑料瓶中备用.

1.2.2 化学分析与土壤物理性质测定方法

1）土壤基本农化性质用常规法测定［9］：土壤有机质含量用硫酸-重铬酸钾外加热容量法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，速效磷用碳酸氢钠浸提钼锑抗显色分光光度法测定，速效钾用中性醋酸铵浸提火焰光度法测定，土壤pH用数显pH计测定，水土比2.5∶1，阳离子交换量用醋酸铵测定，土壤质地用比重计法测定.

2）土壤密度、容重和孔隙度的测定：土壤密度用排水称重法测定，土壤容重用环刀法测定［9］，土壤孔计算.容重分为自然容重和压实容重，压实容重就是往环刀中装土时，将环刀中的土压实，自然容重就是装土过程不将土壤压实.

3）土壤吸湿系数的测定：称取土壤样品于50mL烧杯中，然后将烧杯放入盛有硫酸钾饱和溶液的干燥器中的有孔瓷板上，密封干燥器，每天称重一次，直到每份样品前后两次重量相差不超过0.02g时，再用烘干法测定土壤含水量.

4）土壤最大吸水量的测定：将有孔铝盒盖垫上大小合适的滤纸，套在环刀的锋口作为环刀的底盖，然后将此环刀装满土，上面铺上一层滤纸后，将另一空环刀钝口叠在此装土环刀钝口上并对齐，再用透明胶固定后称重，将其放置漏斗架上的漏斗上，将上方的空环刀注满水，并保持水位30min，待其水流尽，环刀底部没有水滴出时称重，并用烘干法测定土壤中的含水量，把此含水量作为最大吸水量.

2 结果

2.1 铁矿尾砂掺土对土壤容重的影响 本实验所得土壤的自然容重是在1.207～1.530g cm-3之间，压实容重在1.353～1.688g cm-3之间.图1可见，随着掺砂比例的增加，自然容重和压实容重的变化趋势是一致的，且压实容重显著高于自然容重，土壤容重随掺砂比例增加不呈线性变化，先随掺砂比例增加呈增加的趋势，在掺砂比例为40%时，压实容重和自然容重均突然减小，然后又随掺砂比例的增加而增加，在60%～80%之间保持基本稳定，然后又明显增加.同未掺砂的对照相比，所有掺砂处理的容重均增加，纯尾砂的容重最大，铁矿尾砂掺土使自然容重增加4.0%～26.8%，压实容重增加2.6%～24.8%.

2.2 铁矿尾砂掺土对土壤密度的影响 图2表明，在本试验掺砂范围内，土壤密度变化在2.37～2.85 g cm-3之间，土壤密度随着铁矿尾砂的掺入比例增加而增大，相关性分析表明，土壤密度与掺砂比例呈显著的线性关系，相关系数达到0.994 1（P＜0.01）.与对照相比，铁矿尾砂掺土时密度增加了1.7%～20.2%.

图1 铁矿尾砂掺土对土壤容重的影响

2.3 铁矿尾砂掺土对土壤孔隙度的影响 图3可见，铁矿尾砂掺土改变了土壤的孔隙度.随着尾砂掺土比例增加，自然孔隙度和压实孔隙度的变化趋势基本一致，与掺砂比例并不呈线性关系.在0～30%的掺砂范围内，随掺砂比例增加，孔隙度减小，而在掺砂40%时，孔隙度突然增加，并且成为最大值，显著高于对照与其他处理，然后随掺砂比例增加而减小，但也不呈线性变化.同对照相比，掺砂40%、70%和80%的自然孔隙度显著高于对照，掺砂50%的处理与对照无显著差异，其余处理的自然孔隙度显著低于对照；压实孔隙度是掺砂40%、70%、80%和90%的处理显著高于对照，掺砂50%的处理与对照无显著差异，其余处理的孔隙度显著低于对照.

图2 铁矿尾砂掺土对土壤密度的影响

图3 铁矿尾砂掺土对土壤孔隙度的影响

2.4 铁矿尾砂掺土对土壤吸湿系数的影响 图4表明，所有处理的土壤吸湿系数在1.53%～11.67%之间，随着铁矿尾砂掺土比例增加，土壤吸湿系数减小，相关分析表明，土壤吸湿系数与铁矿尾砂掺土比例之间呈显著的线性负相关，相关系数达到-0.998 5（P＜0.01）.同对照相比，铁矿尾砂掺土使土壤吸湿系数下降了10%～87%，纯土的吸湿系数是纯尾砂吸湿系数的7.63倍.

2.5 铁矿尾砂掺土对土壤吸水量的影响 由图5可见，铁矿尾砂掺土显著影响土壤最大吸水量.土壤最大吸水量随掺砂比例的变化可以分为3个阶段，第一阶段是在0～30%的掺砂范围内，随着掺砂比例的增加，土壤最大吸水量无显著差异，可以称为平稳阶段；第二阶段是在30%～60%的掺砂范围内，随掺砂比例增加，土壤最大吸水量急剧下降，可以称为剧降阶段；第三阶段是在60%～100%的掺砂范围内，土壤吸水量随掺砂比例增加而缓慢下降，可以称为缓降阶段.

图4 铁矿尾砂掺土对土壤吸湿系数的影响

图5 铁矿尾砂掺土对土壤最大吸水量的影响

3 讨论

本实验表明，铁矿尾砂掺土影响土壤的一些物理性质，而土壤物理性质的改变，必然会影响到土壤水、肥、气、热状况，而水、肥、气、热是控制植物生长的肥力因素，因此通过铁矿尾砂掺土将会对植物生长具有调节作用，这方面有待于进一步研究.

铁矿尾砂掺土使土壤密度增加，主要是因为铁矿尾砂本身的密度大.土壤密度就是单位体积土壤固体（不包括空隙的体积）的质量，以往称之为比重，土壤密度与土壤矿物组成有关，含重矿物多的密度就大，反之则密度就小［10］.所用铁矿尾砂密度为2.85g cm-3，而所用土壤密度为2.37g cm-3，因此随掺砂比例的增加，密度增加，土壤密度与掺砂比例之间呈显著的线性相关.容重是指单位体积原状土壤的干重，它包含了空隙，所以土壤容重总比土壤密度小，土壤容重的大小受密度和空隙两个方面的影响［10］.由于铁矿尾砂密度比土壤大，因此同对照相比，随着掺砂比例的增加，土壤容重总体上呈增加的趋势，但是土壤容重与空隙状况有关，所以随掺砂比例的增加，土壤容重并不像密度一样呈线性变化.掺砂比例超过30%后，土壤容重有一个降低的过程，其主要原因应该是尾砂比例增加，土壤颗粒组成发生改变，导致土壤孔隙状况发生变化.

铁矿尾砂掺土改变了土壤孔隙状况，掺入适当比例的铁矿尾砂可以显著增加土壤孔隙度，孔隙度增加，土壤容纳水、气的能力增加，容纳水、气能力增加，又可以增加对热的调节能力.

土壤吸湿水是土壤颗粒从空气吸附的气态水，当土壤吸湿水达到最大时的土壤含水量就是土壤吸湿系数.吸湿系数主要受土壤质地影响，质地越粘重，吸湿系数越高.金山店尾矿库边坡所用覆土是红色石灰土，质地黏重，属于黏质土壤，铁矿尾砂掺土后，增加了砂粒含量，相对降低了黏粒含量，从而改变了土壤质地.土壤质地变轻，吸湿系数就越小，所以铁矿尾砂掺土显著降低了土壤吸湿系数.吸湿系数越高，表明无效水的含量也会越高，降低吸湿系数，可以在一定程度上降低无效水的含量，相对增加有效水的含量.

土壤持水量可以作为下雨或灌溉后，土壤所能保存的最大水量，本实验结果表明，在一定的掺砂比例范围内（0～30%），铁矿尾砂掺土不会降低土壤持水量，所以在适当的掺砂比例下，不会降低土壤容纳雨水或灌溉水的能力.

结合吸湿系数和最大吸水量，利用吸湿系数x，可以模拟出凋萎系数y，如y＝-0.37＋2.475xx2［11］.如果利用此模型计算，则从掺砂20%开始，凋萎系数就显著低于对照.如果再用土壤持水量减去凋萎系数作为土壤有效水的含量范围，则掺砂30%的有效水范围最大，显著高于对照，说明适当的掺砂可以增加所用土壤的有效水范围，从提高土壤抗旱的能力.

由此可见，铁矿尾砂掺土影响土壤的物理性质，从而改变土壤的水、气、热状况，所用土壤掺入适当比例的尾砂可改善土壤物理性状，增加有效水的含量范围，提高抗旱能力，因此铁矿尾砂的土壤利用可以作为一种新的铁尾矿资源化利用技术进行深入研究.综合所测定的土壤物理性质，金山店尾矿库边坡所用覆土掺入30%～40%的铁矿尾砂最有利于改善土壤的物理性质，同时，应该在此基础上开展铁矿尾砂掺土对植物生长方面的进一步研究.

4 结论

1）铁矿尾砂会显著增加土壤容重，但是土壤容重的变化与掺砂比例并不呈线性关系.

2）铁矿尾砂掺土显著增加了土壤密度，土壤密度与掺砂比例呈显著线性相关.

3）铁矿尾砂掺土对土壤孔隙度有显著影响，适当的掺砂比例可以显著增加土壤孔隙度.

4）铁矿尾砂掺土显著降低了土壤吸湿水的含量，土壤吸湿系数与掺砂比例呈显著的线性负相关.

5）铁矿尾砂影响土壤持水量，随掺砂比例增加，土壤最大吸水量的变化可分为稳定、急降和缓降三个阶段.

6）结合吸湿水和最大吸水量，适当的掺砂比例可以降低土壤凋萎系数，增加有效水的含量范围，从而能提高土壤抗旱能力，最佳掺砂比例在30%～40%.

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