鋼渣對稀土礦區酸性土壤的改良效果

朱李俊， 劉國威， 王 磊， 王文君　(.中冶寶鋼技術服務有限公司，上海 0094：.環境保護部南京環境科學研究所，國家環境保護土壤環境管理與污染控制重點實驗室,江蘇南京 004)

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鋼渣對稀土礦區酸性土壤的改良效果

朱李俊1， 劉國威1， 王 磊2， 王文君1(1.中冶寶鋼技術服務有限公司，上海 200942：2.環境保護部南京環境科學研究所，國家環境保護土壤環境管理與污染控制重點實驗室,江蘇南京 210042)

摘要[目的]探索一種新型稀土礦山酸性土壤改良方法。[目的]以江西贛州某稀土礦區土壤為研究對象，采用鋼渣和有機肥為土壤改良藥劑，設置了鋼渣2%、有機肥3%、有機肥3%+鋼渣2%、有機肥8%、有機肥8%+鋼渣2%、空白對照6個處理，研究不同添加量的鋼渣與有機質對礦區酸性土壤pH、陽離子交換量、水溶性鹽總量、全氮、全磷、全鉀、有效磷、水解性氮、速效鉀、總孔隙度等理化性質以及白菜種子的發芽和生長情況的影響。[結果]土壤有機質、陽離子交換量、水溶性鹽總量、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效鉀、電導率等指標和有機肥的添加量具有正相關關系，總孔隙度在改良前后變化不明顯；鋼渣可以提高黏粒含量和土壤pH，促進植物的發芽與生長；在植被后期生長過程中，可以通過添加有機肥保證土壤肥力，使稀土礦山的復綠效果得以長期延續。[結論]鋼渣是一種改良礦區酸性土壤的有效藥劑。

關鍵詞鋼渣；酸性土壤；稀土礦區；復綠

Improvement Effect of Steel Slag on Acid Soil in Rare Earth Mining Area

ZHU Li-jun1, LIU Guo-wei1, WANG Lei2et al

(1.MCC Baosteel Technology Services Co.Ltd., Shanghai 200942; 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Soil Environmental Management and Pollution Control, Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Nanjing, Jiangsu 210042)

Abstract[Objective] The aim was to explore a new method for the improvement of acid soil in rare earth mine.[Method] With Jiangxi Ganzhou a rare earth mining area soil as the research object, using steel slag and organic fertilizer as soil improvement agent, setting up 6 treatments including steel slag 2%, organic fertilizer 3%, organic fertilizer 3%+steel slag 2%, organic fertilizer 8%, organic fertilizer 8%+steel slag 2%, blank control, effects of different adding amount of steel slag and organic matter on acid soil pH, cation exchange capacity, water soluble salt content, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus, hydrolytic nitrogen, available potassium, total porosity were studied, as well as germination and growth situation of Chinese cabbage seeds.[Result] Soil organic matter, cation exchange capacity, water soluble salt content, total nitrogen, total phosphorus, hydrolytic nitrogen, available phosphorus, available potassium, electrical conductivity had a positive correlation with the amount of organic fertilizer, the total porosity was not changed significantly before and after the improvement, steel slag could improve clay content and soil pH, promote plants’ germination and growth.In the late stage of vegetation growth, soil fertility could be ensured by adding organic fertilizer, and the virescence effect of rare earth mine could be prolonged.[Conclusion] Steel slag is a kind of effective agent to improve the acid soil in mine area.

Key wordsSteel slag; Acid soil; Rare earth mine; Virescence

稀土元素作為重要的工業原材料，在冶金工業及超導領域具有重要作用，但是其開采過程中通常伴隨著大量酸性提取劑的注入，使稀土礦山的治理復綠成為難點[1-2]。此外，土壤酸化也加劇了土壤鹽基離子(如K+、Ca2+、Mg2+等)的淋溶，對植被復綠產生不利影響[3-4]，因此，尋求一種有效的治理方法迫在眉睫。目前，常用的土壤改良材料有石灰、蒙脫石、有機肥等，治理效果良好[5-7]。劉斯文等[8]應用天然修復材料熟石灰、沸石、凹凸棒土和有機肥改良原始土壤，成功實現了礦區土壤改良和植被恢復；Wang等[9]結合使用堿性渣和菜子餅改善土壤酸度，結果表明，堿性渣和菜子餅協同不僅能夠調整土壤pH，抑制土壤酸化，還能提高氮肥利用效率。目前，利用冶金廢棄物銅渣治理礦區酸性土壤的研究鮮見報道。筆者以江西贛州某稀土礦區土壤為研究對象，研究了冶金副產物鋼渣與有機肥結合改良土壤的效果，旨在為尋找礦區土壤治理復綠的新途徑提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料供試鋼渣品種為寶鋼轉爐滾筒渣，粒徑為0～0.8 mm，轉爐渣的重金屬浸出濃度：CN<0.50 mg/L,Cr6+<0.10 mg/L,As<0.10 mg/L,Cd<0.01 mg/L,Cr<0.05 mg/L,Cu<0.05 mg/L,Pb<0.05 mg/L,Ni<0.05 mg/L,Zn<0.05 mg/L,Hg<0.02 mg/L;轉爐渣的主要化學成分及其含量為SiO28.86%,Fe2O311.65%,Al2O31.92%,CaO 41.34%(f.CaO 10.48%),MgO 9.56%,FeO 14.24%,MFe 5.66%,S 0.04%,P 0.56%。

鋼渣的浸出毒性測試結果顯示，鋼渣的各類重金屬浸出濃度均較低，符合GB15618—201《農用地土壤環境質量標準》的要求。

結合鋼渣的化學成分及XRD與SEM圖譜(圖1)可知，鋼渣的主要成分是硅、鈣、鐵、鋁的化合物，其主要構成相為Ca(OH)2、Ca2SiO4、Ca2Fe2O5、CaCO3等，其中鋼渣微粉中Ca(OH)2和基本氧化物的含量較高，且存在大量直徑小于500 nm的一次性非團聚顆粒，部分顆粒(主要是團聚體)的直徑為5～10 mm。

1.2試驗設計土壤采自江西省贛州市稀土礦區，采用均勻布點法采集土壤，平攤于干凈的布上晾干，根據該礦區土壤性質添加一定藥劑進行土壤改良。改良藥劑：鋼渣(Z)、有機肥(OC)，其中N+P2O5+K2O≥8.0%，有機質≥4.5%，設3組平行樣。試驗方案見表1。

圖1　鋼爐渣的XRD與SEM圖譜Fig.1　XRD and SEM pattern of steel slag

處理Treatment總量Totalamount∥g土壤質量Soilcontent∥g鋼渣(Z)Steelslag質量Content∥g質量百分數Percentage∥%有機肥(OC)Organicfertilizer質量Content∥g質量百分數Percentage∥%OC3%+Z2%500475102153OC8%+Z2%500450102408OC3%50048500153OC8%50046000408Z2%50049010200CK5005000000

為加快土壤改良時間，改良藥劑混合土壤樣品后，每個樣品加入150 mL水，于35 ℃下養護1 d，第2天轉入25 ℃房間內，每天加水松土。

1.3試驗方法

1.3.1培養皿試驗。將土壤改良后的6個處理進行土壤滲濾液培養皿種子發芽試驗，添加土壤空白處理，以檢驗土壤改良處理后各處理的土壤滲濾液對白菜種子發芽的影響。同時，測定土壤滲濾液的pH。

1.3.2土培試驗。將白菜種子播種于花盆中，使土壤保持濕潤。將花盆置于25 ℃房間內7 d，使之萌發并達到一定高度后，將花盆轉移至大溫室，接受自然光的照射，每天早晚澆水。13 d后收獲白菜,檢測各處理土壤。

1.4指標測定方法土壤pH測定參照USEPA 9045D—2004，土壤有機質測定參照NY/T 1121.6—2006，陽離子交換量CEC測定參照LY/T 1243—1999，水溶性鹽總量測定參照LY/T 1121.16—2006，全氮測定參照LY/T 1228—1999，全磷測定參照LY/T 1232—1999，全鉀測定參照LY/T 1234—1999，有效磷測定參照LY/T 1233—1999，水解性氮測定參照LY/T 1229—1999，速效鉀測定參照LY/T 1236—1999，總孔隙度測定參照GB/T 50123—1999。

表2　不同處理土壤理化性質比較

2結果與分析

2.1不同處理土壤性質比較由表2可知，該礦山土壤pH僅4.9，為酸性土壤，肥力水平較差，未檢出有效磷，土壤的團粒結構也較差。各處理土壤有機質、陽離子交換量、水溶性鹽總量、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效鉀等指標和有機肥的添加量具有正相關關系。總孔隙度在改良前后變化不明顯，但鋼渣可以提升黏粒含量，相對于其他處理砂含量也相對較低，證明了鋼渣具有改善土壤結構的特性。在土壤pH、土壤含水率改善方面，鋼渣比有機肥具有更明顯的效果，同時，有機肥和鋼渣的復摻結果也表明有機肥能夠起到調節pH的效果[10]。

注:a為OC 3%、OC 8%、Z 2%處理；b為OC 8%+Z 2%、OC 3%+Z 2%處理；c為CK。Note:a.OC 3%,OC 8%,Z 2%treatment；b.OC 8%+Z 2%,OC 3%+Z 2%treatment;c.CK。圖2　不同處理播種4 d后白菜種子發芽情況Fig.2　Cabbage seed germination status after 4 days in different treatments

2.2不同處理土壤滲濾液培養皿試驗結果通過培養皿試驗可知，有機肥除了本身能調節土壤滲濾液pH外，還能緩解鋼渣對土壤pH的快速增加，使鋼渣中的堿性物質緩慢釋放，使土壤滲濾液從偏酸性緩慢轉變成偏堿性。各處理土壤滲濾液的pH在6.8～8.2，其中OC 8%+Z 2%處理的pH為7.6，OC3%+Z2%為7.9,OC8%為6.8,OC3%為6.9，Z2%為8.2,有利于植物的發芽生長。

從圖2可見，有機肥處理相對于其他處理而言，白菜種子長勢較好，高有機肥含量的發芽情況較低有機肥好，但各處理之間的差異不顯著。這是由于白菜的初期發芽主要利用自身的養分，也和光照、水分、溫度等因素關系較大。

注：a為CK；b為Z 2%處理；c為OC 3%處理；d為OC 3%+Z 2%處理；e為OC 8%處理。　Note：a.CK；b.Z 2%treatment;c.OC 3%treatment；d.OC 3%+Z 2%treatment；e.OC 8%treatment.圖3　不同處理播種13 d后白菜生長情況Fig.3　Cabbage growth after 13 days in different treatments

2.3不同處理土培試驗結果結合圖3和表3可知，純有機肥處理對白菜的發芽和生長較差，純鋼渣處理的白菜長勢好，這可能是由于有機肥的加入使土壤中水溶性鹽總量、電導率增加，限制了白菜生長。在1～13 d的生長期中，白菜的生長主要利用種子養分，土壤養分對白菜的生長影響較小。另外，土壤孔隙度差也是植物生長的重要限制因素。

表3不同處理播種13 d后白菜株高及長勢

Table 3The plant height and grouth poential of cabbage after 13 days in different treatments

處理Treatment株高Plantheight∥cm長勢GrowthpotenticalCK1.80±0.21中等Z2%3.70±0.68葉片較大,長勢較好OC3%2.00±0.28葉片較小,長勢較差OC8%-不出芽OC3%+Z2%3.74±0.79葉片較大,長勢較好OC8%+Z2%1.75±0.52葉片較小,長勢較差

3結論與討論

(1)該研究結果表明，采樣地土壤肥力較差，有機質、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效鉀含量均較低，添加有機肥有利于肥力的改善，但隨著時間的推移，有機肥易導致土壤水溶性總鹽含量的增加，影響植物種子的吸水[11]和根系的生長[12]。

(2)純鋼渣處理(2%添加量)白菜種子長勢較好的原因可能與鋼渣最大程度提高了土壤pH有關，這與石灰等堿性物質改良酸性土壤的機理一致[13]。此外，鋼渣的特定元素(鐵、鈣等)以及一些微量元素的增加可能也促進了白菜種子的萌發。今后應研究發芽期、生長期植物中特定元素的變化，探索鋼渣改良酸性土壤的機理。

(3)稀土礦區土壤團粒結構較差，澆水易板結，加入鋼渣一定程度上降低了土壤的板結性。

(4)通過對比鋼渣與有機肥的協同處理結果，在稀土礦區酸性土壤改良方面，前期可以通過施加鋼渣提高植物發芽率，促進植物生長，后期可以通過施用有機肥來提升土壤肥力，改善土壤理化性質，保證植物的長期生長能力。下一步可通過具體的工程實踐，探索鋼渣與有機質協同改良礦區土壤的模式。

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中圖分類號S 156.6

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-159-04

收稿日期2016-02-14

作者簡介朱李俊(1987- )，男，安徽馬鞍山人，工程師，碩士，從事固廢綜合利用、土壤及生態修復研究。

基金項目中央級公益性科研院所基本科研業務專項。