淺析建筑用巖棉磨碎纖維在對土壤改良中的應用

孫鑫 趙艷娟 張叢志 趙占輝

一般而言，耕層或犁底層的障礙因子對植物的影響最大。土壤障礙因子的存在是導致作物生長不良、產量較正常土壤低30%以上甚至絕收等的重要原因。改良土壤障礙因子、提高土壤生產力，是土壤學研究的重點和熱點問題之一。潮土質地較砂，造成潮土難以形成穩定良好的團聚體從而導致土壤結構較差，致使土壤失去有機質積累的場所，缺乏必要的物理保護，成為潮土土壤有機質難以積累另一障礙。過去，人們主要集中研究外源有機物料與有機改良劑對土壤改良的影響與作用機制，它一方面增加了土壤有機營養元素、活化土壤及加強土壤養分循環，另一方面加強了土壤有機膠結作用，形成土壤團聚結構，以此改善貧瘠土壤水肥供給狀況，達到提升土壤肥力的目的[1]。而建筑用巖棉磨碎纖維一種由天然礦石、礦渣等制成的無機纖維類材料，具有優良的保溫防火和吸音性能，有工業保溫、建筑、防火和吸音及造船等行業得到大量應用。巖棉生產或深加工過程中會產生大量的顆粒狀巖棉，一種非常有利用價值的二次資源[2]。

彭新華等研究認為土壤結構是維持土壤功能的基礎，土壤團聚體是土壤結構的基本單元，在調節土壤肥力，維持土地生產力上具有重要作用，而且影響著土壤孔隙度、透水性、抗蝕性等，其穩定性是反映土壤結構的重要指標[3]，同時，土壤團聚體也是土壤有機質積累的主要場所，其對土壤有機質的物理保護被認為是穩定土壤有機質的重要機制[4]。因此，將巖棉磨碎作為土壤無機膠結劑材料應用于土壤改良中，加強有機質累積和團聚體形成的協同作用以提升肥力是一項雙贏的舉措。

1 巖棉磨碎纖維的制造過程及理化特性

無機粘結劑主要包括粘粒、多價陽離子（如Ca2+、Fe3+、Al3+，鐵和鋁氧化物和氫氧化物、碳酸鈣、碳酸鎂和石膏），鐵鋁氧化物、腐殖質及層狀硅酸鹽是土壤復合體的基本組成成分，它們之間的相互膠結，可顯著影響土壤的理化性質，有利于促進土壤團聚體的形成、穩定和性質有重要影響。

巖棉磨碎纖維是一種纖維狀多孔的礦物，以玄武巖為主原料，白云石、礦渣為輔料，焦炭為燃料，在＞1500℃的高溫爐中熔化，經高速離心加工而成的，具有質輕、不燃、吸熱、導熱系數小的特點。

圖1 巖棉板纖維排布示意圖

從巖棉礦物組成成分角度分析，巖棉富含鐵、鋁、鈣、鎂等金屬氧化物，具備較好的吸附特性，可減少營養元素流失，其質量分數高達50%，是一種理想的土壤無機膠結劑材料。巖棉的平均纖維直徑為4～10μm，具有疏松多孔、比表面積大的特點。

2 巖棉磨碎纖維改良土壤的原理

Guggenberger等提出的土壤有機質在土壤溶液中運移和無機礦物吸附概念模型（圖2）指出，當土壤中“新鮮”有機碳被吸附到無機礦物表層，無機礦物發揮穩定作用，而在土壤環境中，在“老”的無機礦物表面，由于礦物的吸附作用，大量碳源和養分被聚集在礦物表面。微生物在富含碳源和養分的礦物表面繁殖，形成生物膜。通過礦物的吸附作用，有機碳不停地被吸附聚集到生物膜，微生物不斷地利用這些養分生長增殖。從整個過程來看，這種礦物的吸附作用反而對土壤有機質循環轉化起促進作用。巖棉作為天然的無機礦物材料，具有疏松多孔、比表面積大的特點，以鐵、錳、鋁、鈣、鈦等氧化物及其水合物為主要成分的土壌粘粒礦物能夠吸附有機碳到礦物表面孔徑中，阻止了其與酶類和微生物的接觸，礦物物表面吸附點位與有機碳分子形成以配位交換為主的復合物，降低了有機碳活性，起穩定有機碳作用，有利于增加土壤無機礦物膠體數量，膠結土壤顆粒，促進土壤團聚體形成，穩定土壤有機質，激發土壤微生物多樣性，實現沃土、保肥。

圖2 土壤有機質在土壤溶液中運移和無機礦物吸附概念模型

3 巖棉促進作物生長的主要作用與功能

3.1 建筑用巖棉磨碎纖維對改善土壤的特性

根據國際土壤質地分類制，土壤黏粒、粉粒和砂粒的粒徑范圍分別為<2μm、2～50μm、及 0.05～2mm。巖棉平均纖維直徑為 4～10μm，正好處于粉粒范疇，可作為無機礦物激發調劑，刺激土壤微生物生長，激發微生物活性。其疏松多孔、比表面積大的性狀類似于土壤中的無機礦物膠體，能夠膠結土壤顆粒，吸附土壤有機質，促進土壤團聚體形成的同時保護土壤有機質。同時，其富含鐵鋁氧化物，可在有機無機復合過程中充當“橋”的作用，對土壤有機質進行化學鍵和保護，降低有機質的降解，促進有機質累積。紅外光譜和核磁共振分析顯示，鐵鋁氧化物可通過腐殖質表面的羥基或羧基與礦物表面進行配位體交換，與胡敏酸、富啡酸形成穩定的有機無機復合體，這種有機無機復合過程在團聚體形成過程中發揮重要作用。

將巖棉磨碎纖維施入田間后由于吸持土壤水分膨脹及耕作壓力等因素，又能快速分散形成纖維狀進入土壤。施入黏土能降低黏粒比例，而施入砂土能降低砂粒比例，從而改善土壤基質組成。同時，巖棉纖維材料和天然植物有機材料的結合，并實現機械化施用，利用常規農田機械即可完成作業。

表1 不同處理后土壤水穩性團聚占比變化（%）

3.2 巖棉磨碎纖維對植物生長的影響

無機礦物激發劑用于土壤改良的效果主要體現在：改善土壤物理性質；改善土壤物理結構，增加團聚體的數量，增大土壤孔隙度，降低土壤容重；增加土壤肥力，提高作物產量；改善土壤微生物和酶活性；增加吸附作用等。巖棉磨碎無機改良劑施用后，改善了土壤理化性質，增加微生物活動，提高了土壤酶活性，增加了土壤保肥增肥性，為植物的生長提供了良好的條件。在我國糧食主產區黃淮海平原潮土低產農田土壤進行的增施巖棉處理試驗數據顯示：在單施化肥條件下，土壤中胡敏酸含量略微升高，但不明顯，富里酸含量在培養初期明顯升高，隨著培養時間增加，富里酸含量呈下降趨勢。將巖棉磨碎纖維與秸稈、有機肥配施處理，在培養60d后胡敏酸含量均高于單獨施入秸稈、單施有機肥，而富里酸含量與此相反。作為一種無機改良劑，巖棉磨碎纖維與其他肥料配施后，能明顯提高負值酸含量，具有改善土壤肥力、活化土壤作用，巖棉與秸稈、有機肥配施后土壤養分含量明顯得到進一步提升，有利于秸稈、有機肥礦化分解釋放養分，提升土壤活性成分（如微生物量）、可溶性有機質、腐殖酸含量，增加有機質總量。

4 目前研究存在的問題及展望

巖棉磨碎纖維作為土壤無機改良劑，具有改善土壤肥力、活化土壤作用。將巖棉進行研磨至微米纖維狀態，松散的造粒后施入土壤，添加富含多糖/有機酸/氨基糖的天然植物有機材料，有利于礦化分解釋放養分，提升土壤活性成分（如微生物量）、可溶性有機質、腐殖酸含量，增加有機質總量，促進土壤有機質積累，刺激土壤微生物活性，擴充土壤養分，實現土壤地力快速提升。

總之，巖棉磨碎作為土壤無機膠結劑材料，在實現巖棉邊角料的利用、變廢為寶的同時，又能有效發揮土壤固有的生產潛力，快速培肥土壤地力，實現土壤的生態環境安全性。這是巖棉磨碎纖維在農業土壤地力提升領域的一次全新的嘗試與應用，雖取得了一些成果，卻對其針對性等方面考慮的不夠全面，仍然存在著很多亟待解決的問題。我們將繼續采取科技手段，激發并活化土壤，探究深層次的增肥機理等難關，為綠色農業與可持續農業土壤地力提升提供新途徑、新方法。

[1]商曉芳.有機物料的作用及其開發利用.現代農業科技，2012（4）.

[2]胡俊鴿，趙小燕，張東麗.高爐渣資源化新技術的發展.鞍鋼技術，2009（4）：11～15.

[3]王勝濤.耕作和有機物投入對土壤碳庫和團聚體穩定性的影響[D].中國農業大學，2005.

[4]劉文利，吳景貴，傅民杰，等.種植年限對果園土壤團聚體分布及穩定性的影響.水土保持學報，2014，2，28（1）.