絮凝剂处理的矿区土壤腐殖酸盐的性质及其应用对矿区土壤修复的影响——以北佛罗里达钛矿区为例

摘要

随着经济的发展，矿产的开采成为全球化的重要组成部分。矿区土地由于受采矿设备及土壤长时间露天堆放造成的水分及营养元素流失的影响，与普通土壤相比矿区土地的生产力显著下降。利用腐殖酸或其盐类提高土壤生产力是土地修复常用的手段之一，然而，目前的研究主要侧重于经过专门处理的商业腐殖质及其盐类对土壤生产力提高的研究。
　　矿区腐殖酸盐通常通过絮凝剂的处理得到。很多研究已经表明，不同类型絮凝剂进入土壤后会对土壤的性质和结构产生不同影响，因此土壤的修复效果不仅与腐殖酸盐的来源和性质紧密相关，还同获取腐殖酸盐的方法有关，采用不同类型絮凝剂处理后的腐殖酸盐对矿区土壤的修复效果需要通过实验进行进一步研究和验证。为此，本论文从北佛罗里达钛矿区采集4种不同类型絮凝剂处理的腐殖酸盐(PM、AP、AH、FH)为研究对象，CH（未经絮凝剂处理的腐殖质）为对照，先后进行了批实验、毒性实验和模拟矿区实验，并在此基础上评估了雨水淋溶和施加石灰两种方法对腐殖酸盐毒性和对其化学性质的影响。其研究结果一方面为矿区絮凝腐殖酸盐过程中选取适用于矿区修复的絮凝剂提供了依据，同时为矿区土壤的修复提供了新的思路并实现了矿区废弃物的无害化和资源化。主要研究结论如下:
　　(1)不同类型絮凝剂处理的矿区腐殖酸盐的批实验结果表明，AP、PM、FH和AH的有机质含量、容积密度以及腐殖化程度表现出明显的佛罗里达土壤Bh层的特性，即高有机质含量(～55％)和腐殖化程度(E4/E61.53～1.84)及低容积密度(＜0.70)，并且它们不会随不同类型絮凝剂的加入而发生显著变化。腐殖酸盐pH、总元素含量、植物可利用营养元素含量及单体铝含量等其他腐殖酸特点不仅表现出佛罗里达土壤Bh层的特性，而且它们也会随絮凝剂的不同而发生变化的。AP呈现低pH和高单体铝含量(pH3.6和301.7 mg kg-1)，PM的植物可利用Ca、Mg含量最高(985.5和199.2 mg kg-1)。
　　(2)不同类型絮凝剂处理的腐殖酸盐的毒性实验结果表明，没有经过絮凝剂处理的矿区腐殖酸盐对植物表现出毒性，并且其毒性随着絮凝剂的变化而不同。与CH相比，PM表现出低毒性(RE＜0.25)，AH表现出高毒性(RE＞0.75)，AP和FH表现出中度毒性(0.25＜RE＜0.75)。通过对腐殖酸盐特点与根长的线性回归分析表明，腐殖酸盐pH及单体铝含量同腐殖酸盐毒性有显著相关性。pH对腐殖质毒性有显著的正相关(R2=0.9567，p＜0.05)，而单体铝的含量则呈显著负相关(R2=0.7728，p＜0.05)。
　　(3)雨水淋溶和施加石灰两种方法对不同类型絮凝剂处理的腐殖酸盐的毒性和化学性质影响的结果表明，两种措施都能有效的提高腐殖酸盐pH并且减少腐殖酸盐中单体铝含量。腐殖酸盐pH值的增加和单体铝含量的减少也是腐殖酸盐毒性降低的原因。同时，石灰的加入可以增加腐殖酸盐可交换钙的含量，这可能也是石灰可以降低腐殖酸盐毒性的另一个原因。除了钾、铜和锰以外，1％和4％比例石灰处理都可以提高腐殖酸盐植物可利用营养元素含量。同时，石灰不仅可以降低腐殖质毒性到无毒性，而且可以促进植物生长。与石灰处理相比，由于淋溶将减少腐殖酸盐中植物可利用营养元素的含量，因此从长期角度讲这种方法可能会造成腐殖酸盐植物营养元素缺乏从而限制植物生长。
　　(4)不同类型絮凝剂处理的腐殖酸盐(PM和FH)、矿区表层土壤和尾渣按一定比例模拟矿区土地实验结果表明，PM/FH对生菜表现出的毒性在松树模拟矿区实验中没有表现出来。因此，PM/FH可以应用到佛罗里达太矿区的土壤修复中。考虑到高的混合比例将带来更好的经济有效性，因此PM/FH以高比例同尾渣混合的方法被推荐。