基于农业固废资源化利用的土壤改良试验研究

刘 影,迟崇哲*,杨小牛,张大勇,杨明远,王云博

(1.长春黄金研究院有限公司; 2.内蒙古太平矿业有限公司)

引 言

黄金兼具货币属性和商品属性,为国家经济发展和社会稳定提供了强有力的支撑,但金矿石开采过程中会引发一系列生态环境问题。在当前生态文明建设的大背景下,如何实现开发与保护的双赢越来越受到重视,因此黄金工业场地土地复垦与生态修复工作势在必行。而在实际工作中,土地复垦受当地自然资源条件的限制,需要遵循一矿一策的原则,因地制宜。西北草原地区是中国重要的黄金生产基地,同时又属生态脆弱区,剧烈的采矿活动使得原本就很脆弱的生态环境更为脆弱,而稀薄的表土层严重制约矿区的土地复垦工作[1]。

土壤重构是土地复垦的核心,重构土壤质量直接决定了土地复垦状况[2]。TD/T 1036—2013 《土地复垦质量控制标准》[3]中规定,在北方草原区,复垦用途为其他草原时,有效土层厚度应大于30 cm。露天矿开采过程中多采用“平台-边坡”的堆积形式构建排土场,这种排弃方式会造成地表表面积的增大,导致用于覆土的表土量不足。因此,对于表土缺乏地区而言,表土替代物的选择成为了土壤重构的关键。

本文以生物质材料为改良剂,通过分析不同改良配比土壤基质的酸碱度、颗粒团聚特征、持水保水能力、营养成分等指标,并结合植被生长情况,评估和探讨生物质材料对盐碱化贫瘠土壤改良的促进作用及作用机理,以明确生物质材料改良土壤的有效性和可持续性,从而为农业固废资源化利用进行土壤改良提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用表土取自内蒙古某黄金企业表土堆场,经自然风干后,粉碎,过2 mm筛,对其理化性质进行分析,结果见表1。生物质材料为以玉米秸秆为原料,加入牛羊粪、有机肥、菌剂配料,经膨化、发酵、风干处理后的产物。黑麦草、高羊茅、狗牙根种子均为市场采购。

表1 表土理化性质分析结果

由表1可知:表土属于砂质土,保水能力较差,与TD/T 1036—2013 《土地复垦质量控制标准》中西北干旱区人工草地土地复垦质量控制标准相比,现有表土pH值高于8.5,说明表土基质呈强碱性,极不利于一般动植物的生存;土壤密度为1.692 g/cm3,大于1.45 g/cm3,不满足土地复垦质量控制标准要求。全氮、全磷、全钾质量分数分别为0.033 %、0.014 %、0.85 %,按照《土壤肥料学》(第2版)[4]中土壤营养元素指标参考标准,分别为缺乏、甚缺乏、缺乏级别;含有机质为0.682 %,为缺乏级别,不能提供植物生长所需的养分,因此需要进行土壤基质改良。

1.2 试验设计

本研究共设5个土壤改良配比(见表2),并以纯表土作为对照。生物质材料与表土充分混合后,一部分风干后用于改良土壤理化性质检测,另一部分装入长×宽×高为40 cm×16 cm×10 cm底部带孔的塑料种植盆并编号,每个配比设3个重复试验,分别播撒黑麦草、高羊茅、狗牙根,放置在温室大棚中培养,定期浇水。

表2 试验方案 %

1.3 测定项目及分析方法

土壤pH采用玻璃电极法测定,有机质采用重铬酸钾滴定法测定,全氮采用自动定氮仪法测定,全磷采用分光光度法测定,全钾采用ICP法测定。生物质材料菌落分析采用显微镜镜检法和16S rRNA宏基因组高通量测序手段。

1.4 数据处理

试验测得的数据应用Origin 2018作图。

2 结果与讨论

2.1 生物质材料特性分析

2.1.1 理化性质

对以玉米秸秆为原料,加入牛羊粪、有机肥、菌剂配料,经膨化、发酵、风干处理后得到的生物质材料理化性质进行分析,结果见表3。

由表3可知:参照《土壤肥料学》(第2版)中土壤营养元素指标参考标准,生物质材料pH值为7.39,呈中性;密度为0.68 g/cm3,质地疏松;全氮、全磷含量较高,均可达一级土壤标准,全钾含量达三级土壤标准;有机质含量达一级土壤标准。

2.1.2 微生物群落

采用电子显微镜对制备的生物质材料中微生物菌群赋存情况进行检测,电镜照片(见图1)显示,生物质材料中赋存球菌、杆菌、原生动物等多种微生物。

表3 生物质材料理化性质分析结果

图1 生物质材料中微生物群落

对生物质材料中微生物群落进行16S rRNA宏基因组高通量测序(见图2),结果表明:样本菌群中,在门(phylum)水平上,优势菌为变形菌门(Proteobacteria);在纲(class)水平上,优势菌为丙形变形菌纲(Gammaproteobacteria);在属(genus)水平上,优势菌为假单胞菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)和未分类肠杆菌(unclassified_Entero-bacteriaceae)。

2.2 改良土壤理化性质差异性分析

2.2.1 酸碱度

不同改良配比土壤pH变化见图3。由图3可知:未改良表土pH值为8.80,呈强碱性(8.5～9.5);随着生物质材料添加量的增加,土壤pH逐渐降低,当生物质材料占比为10 %时,土壤pH值降至8.68,仍呈强碱性;当生物质材料占比增至20 %时,土壤pH值降至8.32,低于8.5,呈碱性(7.5～8.5);当生物质材料占比增加至40 %时,土壤pH值降至7.84,低于8.0;当生物质材料占比增加至60 %时,土壤pH值降至7.66,接近中性(6.5～7.5)。改良土壤pH降低趋势与生物质材料占比具有相关性,分析原因为生物质材料中含有大量的黄腐酸和腐殖酸,可显著降低表土基质的盐碱性。

图3 不同改良配比土壤pH变化

2.2.2 密 度

不同改良配比土壤密度变化见图4。由图4可知:随着生物质材料添加量的增加,改良土壤的密度逐渐降低,孔隙度增加。当生物质材料占比为20 %时,改良土壤密度降至1.322 g/cm3,满足TD/T 1036—2013 《土地复垦质量控制标准》要求。改良土壤密度降低趋势与生物质材料占比具有相关性,分析原因为生物质材料质地松散、孔隙度大、密度较低,与表土混合不仅可机械性改善土壤颗粒的组成,提升其疏松程度,进而改善其密度和孔隙度,而且生物质腐化降解产生了丰富的腐殖酸[5]和黄腐酸[6],黄腐酸和腐殖酸分解产生的有机胶结物质具有黏结性[7],易与土壤颗粒形成土壤有机-无机复合胶体[8],促进土壤颗粒团聚并形成水稳性大团聚体[9],改善土壤基质的结构性能。

图4 不同改良配比土壤密度变化

2.2.3 持水保水能力

不同改良配比土壤饱和持水量、持水率变化分别见图5、图6。由图5、图6可知:未改良表土为砂质土,饱和持水率为18.6 %,持水保水能力较弱。随着生物质材料添加量的增加,改良土壤的饱和持水量和持水率都逐渐升高,说明改良土壤的持水保水性能逐渐升高。而饱和持水量、持水率等理化参数的变化与生物质材料占比具有相关性,说明生物质材料具有很大的孔隙度和持水保水能力,可有效改善土壤的透水性和持水保水能力。

图5 不同改良配比土壤饱和持水量变化

图6 不同改良配比土壤饱和持水率变化

2.2.4 有机质

土壤有机质可以改善土壤团聚体和稳定性、水分入渗和保持、养分吸持和交换,支持微生物活动等,是土壤肥力的重要指标之一。不同改良配比土壤有机质变化见图7。由图7可知:未改良土壤含有机质为0.682 %,为缺乏级别,不能提供植物生长所需的养分。随着生物质材料添加量的增加,改良土壤中有机质含量逐渐升高,当生物质材料占比为10 %时,改良土壤含有机质达到9.44 %,达一级土壤标准,为甚丰富级别。有机质含量与生物质材料占比呈正相关,分析原因为生物质材料主要原料为玉米秸秆,堆肥发酵过程中在微生物作用下分解为腐殖质,腐殖质是有机物经微生物分解转化形成的胶体物质[10],是土壤有机质的主要组成部分(50 %～65 %)。

图7 不同改良配比土壤有机质变化

2.2.5 营养物质

不同改良配比土壤营养物质变化见图8。由图8可知:添加生物质材料后,改良土壤中全氮、全磷、全钾质量分数均高于对照组。对照组全氮质量分数为0.033 %,为缺乏级别;随着生物质材料添加量的增加,改良土壤中全氮质量分数逐渐升高,当生物质材料占比为10 %时,改良土壤中全氮质量分数为0.2 %,达到丰富级别;当生物质材料占比增至40 %时,改良土壤中全氮质量分数可达0.44 %,达到甚丰富级别,说明生物质材料对土壤中全氮含量改善效果显著,且全氮含量与生物质材料占比呈正相关。改良土壤中全磷含量随着生物质材料添加量的增加逐渐升高,但增加趋势较为平缓,当生物质材料占比为40 %时,改良土壤中全磷质量分数为0.16 %,达中等级别;当生物质材料占比增至60 %时,改良土壤中全磷质量分数为0.19 %,达到甚丰富级别,说明生物质材料对土壤中全磷含量有改善作用,但效果不显著。对照组全钾质量分数为0.85 %,为缺乏级别;当生物质材料占比10 %时,改良土壤中全钾质量分数增至1.38 %,达中等级别;随着生物质材料添加量的增加,改良土壤中全钾含量变化不大,基本保持在中等级别,说明生物质材料对土壤中全钾含量改善不明显。

图8 不同改良配比土壤营养物质变化

2.3 不同改良配比植被生长差异性分析

2.3.1 植株高度

不同改良配比土壤中植被植株高度见图9。由图9可知:改良土壤中植被的植株高度明显高于对照组,生物质材料改良效果明显。生物质材料一方面提高了土壤养分,另一方面改良了土壤的理化性质,有利于植被的生长。当生物质材料占比为10 %～20 %时,黑麦草和高羊茅植株高度最高;随着生物质材料添加量的继续增加,黑麦草和高羊茅的植株高度不升反降,说明生物质材料的添加量并非越高越好,生物质材料占比为10 %～20 %适宜黑麦草和高羊茅生长。狗牙根的植株高度随生物质材料添加量的增加逐渐升高,说明狗牙根适宜在高生物质含量土壤中生长。

图9 不同改良配比土壤中植被植株高度

2.3.2 叶片宽度

不同改良配比土壤中植被叶片宽度见图10。由图10可知:改良土壤中植被的叶片宽度明显高于对照组,生物质材料改良效果明显。改良土壤中黑麦草叶片宽度基本一致,未随生物质材料添加量的增加而产生明显差异。生物质材料占比为40 %时,高羊茅叶片最宽。狗牙根的叶片宽度随生物质材料添加量的增加先增加,当生物质材料占比增加至20 %时,狗牙根叶片宽度保持不变。

图10 不同改良配比土壤中植被叶片宽度

3 结 论

1)生物质材料中含有大量的腐殖酸和黄腐酸,二者可显著降低表土基质的盐碱性,改良土壤pH值可由8.80降至7.39,且随添加比例的增加,改良效果增强。

2)生物质材料质地松散、孔隙度大、密度较低,不仅可机械性改善土壤颗粒的组成,提升其疏松程度,进而改善其密度和孔隙度,而且黄腐酸和腐殖酸分解产生的有机胶结物质具有黏结性,促进土壤黏粒团聚并形成水稳性大团聚体,使改良土壤密度显著降低,持水保水能力增强。

3)生物质材料可显著提高土壤中有机质、全氮含量,对全磷、全钾含量的改善具有促进作用。

4)盆栽试验结果表明:改良土壤中植被生长的植株高度和叶片宽度明显高于对照组,当生物质材料添加量为10 %～20 %时,黑麦草、高羊茅、狗牙根植株高度、叶片宽度都较优。