利用固廢改良貧瘠黃土的地球化學工程盆栽試驗

靳職斌，閆彤彤，張雙奎，康云鵬，謝國梁

（山西省地球物理化學勘查院有限公司，運城山西 044000）

當前，大量工業礦渣、建筑垃圾、城市垃圾等固廢堆放造成很大環境壓力[1-2]，這些固廢既含一些有毒有害成分，也不乏含有各種營養礦物質成分[3]。國內外有很多利用固廢制作人造土壤的嘗試[4-6]，但是這種人造土的土壤屬性較差，土壤熟化周期較長，制約了推廣利用[7]。

黃土高原大面積分布風積黃土[8]，這類黃土成因特殊，受長途風選作用，導致礦物成分十分單一，最終以耐風化的石英顆粒為主，其它礦物成分嚴重缺乏，直接導致各種營養成分含量較低，且保水性差，成為天然貧瘠土壤[9]。具體表現為土壤中不耐風化的保水性礦物如高嶺石、伊利石、蒙脫石、蛭石、角閃石、黑云母等在風積黃土-馬蘭黃土中大量消失。同時造成與這些礦物密切相關的營養元素如硫、銅、鋅、鐵、錳、硼、鉬等的系統性缺乏，因此從根本上限制了植物生長，是導致水土流失的根本原因之一[10-11]。

如果將固廢礦物組分及化學元素與貧瘠黃土結合在一起，利用固廢中的某些保水礦物和營養元素，彌補黃土先天性營養不足，同時利用黃土的土壤屬性，縮短固廢熟化過程，二者優勢互補，共同提高植物生長能力，既消化了固廢、減輕了環境危害，又提高了風積黃土的土壤肥力，提高植被生長能力，為治理黃土高原水土流失探尋新的途徑。

雖然工礦業固廢中含有大保水礦物和營養元素，但有些礦物質元素是具有危害性的重金屬元素等，這就需要利用地球化學工程方法合理調配，既能利用固廢中有用的組分提高土壤肥力，又不造成對土壤的重金屬污染，從而最終實現既改良土壤，又不污染環境的目的。

“地球化學工程”由上世紀80年代Schuiling[12]教授提出，這一概念在我國使用的還不多。本次試驗屬于環境治理工程，同時基于地球化學的理論依據和基本方法，因此引用了地球化學工程概念[13-14]開展本次地球化學工程盆栽試驗，試驗具體目標：（1）驗證利用固廢所含礦物質養分可提高貧瘠黃土的肥力和保水性；（2）確定工業礦渣、建筑垃圾、貧瘠黃土三者的合理配制比例。

1 研究方法

本次試驗選取銅礦尾礦、煤矸石、建筑垃圾等固廢混合粉末，按照一定配比混入風積黃土中，以增加黃土中保水礦物和營養元素，制成改造型人工土壤。

配制原則：根據固廢及黃土的地球化學特征，控制人工土壤的毒性元素不超標，營養元素基本達標?；诖嗽瓌t，對[黃土]/[固廢粉]分別按照0/10；1/9；3/7；5/5；8/2；10/0等6個級次配比配制，并統一加入等量有機肥。

盆栽試驗方法：在6 組人工土壤中種植小麥和白菜，通過測量小麥苗和白菜苗的出苗率、生長高度、枯葉率、植物干重等指標進行對比。

1.1 人工土壤配制方法

1.1.1 固廢粉制作

固廢試驗樣品采自運城地區夏縣-平陸一帶八處有代表性的建筑垃圾場、鋁土礦采掘場、煤礦、銅礦尾礦庫。建筑垃圾取61件、煤矸石取23件、鋁土礦渣取17 件、銅尾礦取10 件，共計111件。每件樣品30 kg，在各場地均勻采集組成。

建筑垃圾主要成分為：磚塊50%～60%；水泥塊15%～30%；各種殘渣粉末5%～10%；主要礦物成分為石英、長石、白云母、方解石，高嶺石。

煤矸石主要成分為：灰黑色泥灰頁巖夾砂巖，碳質15%～20%；泥砂類60%～70%；其它礦物質5%～10%。主要礦物成分為泥質方解石、伊利石、高嶺石、長石、石英。

鋁土礦渣主要成分：泥頁巖40%～50%；鋁土巖10%～15%，砂巖類20%～30%；其它5%～10%。主要礦物成分為高嶺石、伊利石、白云母、方解石及少量石英。

銅尾礦主要成分：放大鏡下可觀察到長石、石英、白云母類50%～60%；輝石、角閃石、黑云母等暗色礦物20%～30%；其它礦物質10%～20%。

從各固廢樣品中均勻分取5 kg，先用大鐵錘敲碎至小塊，后送至山西省地球物理化學勘查院實驗室車間細碎，統一過20目樣品篩至土壤粒級后裝袋作為備用原料。

1.1.2 黃土采集與加工

風積黃土取自夏縣尚家坪村東部一帶原生厚層馬蘭黃土（Q2eol3），為一套淺黃色亞砂土（圖1）。根據山西省夏縣1/5 萬地球化學土地質量評估調查成果①靳職斌，山西省平陸縣、夏縣1/5萬地球化學土地質量評估，山西省地球物理化學勘查院，2021。，這一帶土壤中有關營養元素如Cu、Zn、B、Fe、Mn、Mo等為低含量，有明顯貧瘠特征。在此區采集風成黃土樣品30件，每件樣品為40 kg，晾干后過20目篩，裝袋作為備用原料。

圖1 采樣點位圖Fig.1 The map of sampling points

1.1.3 人工土壤配制

為準確配比人工土壤，對以上風積黃土、建筑垃圾粉、煤矸石粉、鋁土礦渣粉、銅尾礦粉中有關元素含量作檢測，從加工過篩后樣品中各取100 g樣品送至山西省地球物理化學勘查院實驗室檢測，分析項目為：N、P、K2O、CaO、MgO、S、TFe（全鐵）、Mn、Cu、Zn、Mo、B、Cr、Cd、Pb、As、Hg等，分析結果見表1、表2。

表1 各原料中營養元素含量平均值Table 1 The average of nutrient elements in the raw materials

表2 各原料中重金屬元素含量平均值（單位：×10-6）Table 2 The average of heavy metal elements in the raw materials

根據全國第二次土壤普查養分等級劃分標準[15]，土壤養分N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B等含量共分為缺乏、較缺乏、中等、較豐富、豐富五個等級。本次以中等級的下限值作為標準來衡量各原料養分缺乏與否的分界線（表3）。各原料養分含量與下限值相比結果見表3。

表3 各原料與土壤養分中等下限值比值Table 3 The ratio of the raw materials to the low limit of soil nutrients

由表3可知，黃土中除鈣以外，其它大多數養分含量臨近或低于下限值，其中氮、硫、鐵為明顯缺乏態。固廢中養分元素變化很大，如氮、硫、鉬在煤矸石中較富；磷、硫、鉬、銅在鋁土礦渣中偏高；鉀、鎂、硫、鐵、錳、銅、硼、鉬在銅礦中含量很高；建筑垃圾中除氮、鐵外，其它元素含量均高于黃土。由此可見，通過在黃土中加入固廢粉，可提高黃土養分元素含量。

根據我國農用地土壤污染風險管控標準（GB 1568-2018）②土壤環境質量農用地污染風險管控標準（試行）（GB 15618-2018代替GB15618-1995）。，重金屬元素含量分為安全、輕度污染、污染三等。以輕度污染的臨界值衡量各類原料的安全性，可見各重金屬元素含量均未超標（表4）。

表4 原料與土壤污染臨界值比值Table 4 The ratio of the raw materials to the critical-value of contaminated soil

根據以上檢測結果，為抑制固廢粉中某些元素含量過高，按照以下比例配制混合固廢粉：

[固廢粉]中建筑垃圾/煤矸石/鋁礦渣/銅尾礦=5/2/2/1。進一步將其與黃土按照[黃土]/固廢粉]=0/10；1/9；3/7；5/5；8/2；10/0的比例配制成6組人工土，每組重復10 盆，每盆[固廢粉]+[黃土]總重量為15 kg，另外每盆統一加入秸稈漚肥0.5 kg（表5）。

表5 人工土配制比例與分組Table 5 The mix proportion and grouping of artificial soil

據此計算出各組人工土中養分含量Tm，并與養分中等下限值相比（表6）?？煽闯鋈斯ね寥乐叙B分含量已臨近或高于中等養分下限值，從理論上可供植物正常生長。

表6 各組人工土與土壤養分中等下限值比值Table 6 The ratio of these artificial soil to the low limit of soil nutrients

Tm=(0.5Ji+0.2Mi+0.2Li+0.1Ti)(1-n)+(Hi)n

式中，Hi、Ji、Mi、Li、Ti分別代表原黃土、建筑垃圾、煤矸石、鋁礦渣、銅尾礦中某種元素（i）的平均含量，0.5、0.2、0.2、0.1為其混合比例。n為原黃土與固廢粉分組混合配比系數，分別取值0、0.1、0.3、0.5、0.8、1。

1.2 盆栽實驗

盆栽試驗場地位于夏縣大侯鄉朱呂村封閉恒溫蔬菜大棚內，四季溫度保持在20°C以上。盆栽用具為口徑12 cm、高度13 cm的樹脂加侖盆，內裝人工土壤15.5 kg，統一澆水熟化兩個月，期間測得各盆土壤pH 值在7.0～7.5 之間，沒有明顯變化。于2021 年3月播入小麥和白菜種子。每組前5盆中每盆均距布種30 粒小麥，后5 盆中每盆均勻撒入20 粒白菜種。此后每隔7 天—15天觀察、澆水、記錄一次，共9 次。通過測量株苗的生長力、耐旱力、生長量、吸收量等指標評估各盆組人工土壤的配制效果。

2 試驗結果與討論

小麥和白菜在生長力、耐旱力、生長量、吸收量等指標結果基本一致，下面以小麥苗生長情況為例說明。

2.1 小麥苗試驗結果

2.1.1 小麥苗生長力

生長力通過監測出苗率、苗最低、苗最高、苗均高等數據來評估，其中，出苗率=該組五盆出苗總數/五盆種子總粒數（150 粒）。以第8 次觀測結果為代表，出苗率、苗最高均值、最低均值、總平均值從第一組到第六組總體為升高趨勢。在第五組苗高的各項指標都出現了頂峰拐點，說明當原黃土/固廢粉為8/2時，小麥苗生長力最強（表7、圖2）。

表7 小麥出苗率與株高均值統計表Table 7 The statistical table of the rate of wheat emergence and the average of plant height

圖2 小麥出苗率與株高均值圖Fig.2 The figure of the rate of wheat emergence and the average of plant height

2.1.2 小麥苗耐旱力

耐旱力以枯葉率作為評價指標，在第4次觀測和澆水后，延長澆水周期，促使部分苗葉發生枯萎，觀測記錄各組麥苗的總葉數與枯葉數，計算枯葉率。

枯葉率=各盆麥苗總枯葉數/各盆麥苗總葉數

由表8可知，第一組到第四組的枯葉率呈降低，第五組、第六組枯葉率顯著升高，且六組黃土最高。說明第一組到第四組的耐旱能力較強；第五、六組較弱，純黃土抗旱能力最差。由此說明固廢粉具有明顯的保水功能，對提高黃土抗旱力有重要作用。在原黃土與固廢粉比例為5/5時（第四組），耐旱能力達到最強。

表8 小麥苗枯葉率表Table 8 The dead leaves rates of wheat seedlings

2.1.3 小麥苗生長量

生長量為各組麥苗晾干后的重量。在麥苗生長至自然成熟并全部枯萎后，將根莖葉穗全株取出后洗凈晾干，稱重各組麥苗干重，統計結果見表9，可看出，麥苗干重總體趨勢與苗高變化一致，從第一組到第六組總體升高，第五組出現頂峰拐點，即原黃土/固廢粉=8/2時的生長量最大。

表9 盆栽試驗小麥生長量（干重）表Table 9 The wheat growth (dry weight)in Pot Experiment

2.1.4 小麥苗吸收量

在生長期后，通過檢測干麥苗和各盆土壤中有關營養元素含量，來比較小麥苗吸收營養量與根系土肥力水平的關系，考察小麥苗對這些元素吸收情況，以銅和硼為例（圖3）。

圖3 小麥苗元素含量與根系土元素含量折線圖Fig.3 The line chart of element content in wheat seedling and root soil

從圖3中可以看出：Cu、B在小麥苗和其根系土中變化趨勢相似，說明小麥苗中元素含量隨根系土中元素含量的變化而變化。

3 結論

通過本次盆栽試驗，根據小麥與白菜的出苗率、生長高度、枯葉率、植物干重、植物及根系土元素含量關系等指標，考察不同配比下人工土壤對植物生長力，耐旱力，生長量，對元素的吸收等情況得出：

當原[黃土]/[固廢粉]為8/2時，小麥和白菜的生長力均表現為最佳，超過了原始黃土，說明固廢粉提高了原始貧瘠黃土的肥力；當原[黃土]/[固廢粉]為5/5 到3/7 時，小麥和白菜的耐旱能力均達到最強，總體呈固廢粉占比越大，耐旱力越強的趨勢，說明固廢粉顯著可提高原黃土的保水性。同時，固廢粉具有提高黃土中營養成分的作用，在植物吸收中得到體現，如小麥苗中Cu、B和白菜葉中N、Cu、Ca隨根系土中的含量變化而變化。

總之，本次盆栽試驗證明，在貧瘠黃土中加入適量工業固廢粉，可以系統性彌補風積黃土中的養分和蓄水性礦物，提高黃土基礎肥力和保水抗旱能力，有利于植物生長。為尋求更有效治理黃土高原水土流失和無害消化工業固廢的方法途徑提供參考依據。

問題討論：風積黃土系統性缺乏保水性礦物及礦質營養元素，并導致植物生長受限是一個基本事實。通過本次試驗，初步證明了通過適當加入固廢，可提高風積黃土的保水抗旱性和礦物質養分，從而提高植物生長能力。但另一方面，在實際生產中，固廢的來源和種類繁多，礦物組分和化學成分也十分復雜，因此如何選擇固廢與風積黃土匹配，成為利用這項技術的很關鍵問題，而對固廢進行地球化學特征系統性調查和研究成為必不可少的前期基礎工作，同時應兼顧調查結果的準確性及實用成本的合理性。因此，如何行之有效地使用地球化學調查技術與方法，也是需要探討和研究的另一個重要問題。

致謝：本論文依托項目＂利用工業及生活固廢開發人工土壤的地球化學工程試驗＂,在項目實施中得到了中國地質大學（武漢）地球科學學院向武教授的指導，在此表示衷心感謝。