朱李俊， 刘国威， 王 磊， 王文君　(.中冶宝钢技术服务有限公司，上海 0094：.环境保护部南京环境科学研究所，国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室,江苏南京 004)



钢渣对稀土矿区酸性土壤的改良效果

朱李俊1， 刘国威1， 王 磊2， 王文君1(1.中冶宝钢技术服务有限公司，上海 200942：2.环境保护部南京环境科学研究所，国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室,江苏南京 210042)

摘要[目的]探索一种新型稀土矿山酸性土壤改良方法。[目的]以江西赣州某稀土矿区土壤为研究对象，采用钢渣和有机肥为土壤改良药剂，设置了钢渣2%、有机肥3%、有机肥3%+钢渣2%、有机肥8%、有机肥8%+钢渣2%、空白对照6个处理，研究不同添加量的钢渣与有机质对矿区酸性土壤pH、阳离子交换量、水溶性盐总量、全氮、全磷、全钾、有效磷、水解性氮、速效钾、总孔隙度等理化性质以及白菜种子的发芽和生长情况的影响。[结果]土壤有机质、阳离子交换量、水溶性盐总量、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效钾、电导率等指标和有机肥的添加量具有正相关关系，总孔隙度在改良前后变化不明显；钢渣可以提高黏粒含量和土壤pH，促进植物的发芽与生长；在植被后期生长过程中，可以通过添加有机肥保证土壤肥力，使稀土矿山的复绿效果得以长期延续。[结论]钢渣是一种改良矿区酸性土壤的有效药剂。

关键词钢渣；酸性土壤；稀土矿区；复绿

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

稀土元素作为重要的工业原材料，在冶金工业及超导领域具有重要作用，但是其开采过程中通常伴随着大量酸性提取剂的注入，使稀土矿山的治理复绿成为难点[1-2]。此外，土壤酸化也加剧了土壤盐基离子(如K+、Ca2+、Mg2+等)的淋溶，对植被复绿产生不利影响[3-4]，因此，寻求一种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、蒙脱石、有机肥等，治理效果良好[5-7]。刘斯文等[8]应用天然修复材料熟石灰、沸石、凹凸棒土和有机肥改良原始土壤，成功实现了矿区土壤改良和植被恢复；Wang等[9]结合使用碱性渣和菜子饼改善土壤酸度，结果表明，碱性渣和菜子饼协同不仅能够调整土壤pH，抑制土壤酸化，还能提高氮肥利用效率。目前，利用冶金废弃物铜渣治理矿区酸性土壤的研究鲜见报道。笔者以江西赣州某稀土矿区土壤为研究对象，研究了冶金副产物钢渣与有机肥结合改良土壤的效果，旨在为寻找矿区土壤治理复绿的新途径提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料供试钢渣品种为宝钢转炉滚筒渣，粒径为0～0.8 mm，转炉渣的重金属浸出浓度：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;转炉渣的主要化学成分及其含量为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%。

钢渣的浸出毒性测试结果显示，钢渣的各类重金属浸出浓度均较低，符合GB15618—201《农用地土壤环境质量标准》的要求。

结合钢渣的化学成分及XRD与SEM图谱(图1)可知，钢渣的主要成分是硅、钙、铁、铝的化合物，其主要构成相为Ca(OH)2、Ca2SiO4、Ca2Fe2O5、CaCO3等，其中钢渣微粉中Ca(OH)2和基本氧化物的含量较高，且存在大量直径小于500 nm的一次性非团聚颗粒，部分颗粒(主要是团聚体)的直径为5～10 mm。

1.2试验设计土壤采自江西省赣州市稀土矿区，采用均匀布点法采集土壤，平摊于干净的布上晾干，根据该矿区土壤性质添加一定药剂进行土壤改良。改良药剂：钢渣(Z)、有机肥(OC)，其中N+P2O5+K2O≥8.0%，有机质≥4.5%，设3组平行样。试验方案见表1。

图1　钢炉渣的XRD与SEM图谱Fig.1　XRD and SEM pattern of steel slag

处理Treatment总量Totalamount∥g土壤质量Soilcontent∥g钢渣(Z)Steelslag质量Content∥g质量百分数Percentage∥%有机肥(OC)Organicfertilizer质量Content∥g质量百分数Percentage∥%OC3%+Z2%500475102153OC8%+Z2%500450102408OC3%50048500153OC8%50046000408Z2%50049010200CK5005000000

为加快土壤改良时间，改良药剂混合土壤样品后，每个样品加入150 mL水，于35 ℃下养护1 d，第2天转入25 ℃房间内，每天加水松土。

1.3试验方法

1.3.1培养皿试验。将土壤改良后的6个处理进行土壤渗滤液培养皿种子发芽试验，添加土壤空白处理，以检验土壤改良处理后各处理的土壤渗滤液对白菜种子发芽的影响。同时，测定土壤渗滤液的pH。

1.3.2土培试验。将白菜种子播种于花盆中，使土壤保持湿润。将花盆置于25 ℃房间内7 d，使之萌发并达到一定高度后，将花盆转移至大温室，接受自然光的照射，每天早晚浇水。13 d后收获白菜,检测各处理土壤。

1.4指标测定方法土壤pH测定参照USEPA 9045D—2004，土壤有机质测定参照NY/T 1121.6—2006，阳离子交换量CEC测定参照LY/T 1243—1999，水溶性盐总量测定参照LY/T 1121.16—2006，全氮测定参照LY/T 1228—1999，全磷测定参照LY/T 1232—1999，全钾测定参照LY/T 1234—1999，有效磷测定参照LY/T 1233—1999，水解性氮测定参照LY/T 1229—1999，速效钾测定参照LY/T 1236—1999，总孔隙度测定参照GB/T 50123—1999。

表2　不同处理土壤理化性质比较

2结果与分析

2.1不同处理土壤性质比较由表2可知，该矿山土壤pH仅4.9，为酸性土壤，肥力水平较差，未检出有效磷，土壤的团粒结构也较差。各处理土壤有机质、阳离子交换量、水溶性盐总量、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效钾等指标和有机肥的添加量具有正相关关系。总孔隙度在改良前后变化不明显，但钢渣可以提升黏粒含量，相对于其他处理砂含量也相对较低，证明了钢渣具有改善土壤结构的特性。在土壤pH、土壤含水率改善方面，钢渣比有机肥具有更明显的效果，同时，有机肥和钢渣的复掺结果也表明有机肥能够起到调节pH的效果[10]。

注:a为OC 3%、OC 8%、Z 2%处理；b为OC 8%+Z 2%、OC 3%+Z 2%处理；c为CK。Note:a.OC 3%,OC 8%,Z 2%treatment；b.OC 8%+Z 2%,OC 3%+Z 2%treatment;c.CK。图2　不同处理播种4 d后白菜种子发芽情况Fig.2　Cabbage seed germination status after 4 days in different treatments

2.2不同处理土壤渗滤液培养皿试验结果通过培养皿试验可知，有机肥除了本身能调节土壤渗滤液pH外，还能缓解钢渣对土壤pH的快速增加，使钢渣中的碱性物质缓慢释放，使土壤渗滤液从偏酸性缓慢转变成偏碱性。各处理土壤渗滤液的pH在6.8～8.2，其中OC 8%+Z 2%处理的pH为7.6，OC3%+Z2%为7.9,OC8%为6.8,OC3%为6.9，Z2%为8.2,有利于植物的发芽生长。

从图2可见，有机肥处理相对于其他处理而言，白菜种子长势较好，高有机肥含量的发芽情况较低有机肥好，但各处理之间的差异不显著。这是由于白菜的初期发芽主要利用自身的养分，也和光照、水分、温度等因素关系较大。

注：a为CK；b为Z 2%处理；c为OC 3%处理；d为OC 3%+Z 2%处理；e为OC 8%处理。　Note：a.CK；b.Z 2%treatment;c.OC 3%treatment；d.OC 3%+Z 2%treatment；e.OC 8%treatment.图3　不同处理播种13 d后白菜生长情况Fig.3　Cabbage growth after 13 days in different treatments

2.3不同处理土培试验结果结合图3和表3可知，纯有机肥处理对白菜的发芽和生长较差，纯钢渣处理的白菜长势好，这可能是由于有机肥的加入使土壤中水溶性盐总量、电导率增加，限制了白菜生长。在1～13 d的生长期中，白菜的生长主要利用种子养分，土壤养分对白菜的生长影响较小。另外，土壤孔隙度差也是植物生长的重要限制因素。

表3不同处理播种13 d后白菜株高及长势

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

处理Treatment株高Plantheight∥cm长势GrowthpotenticalCK1.80±0.21中等Z2%3.70±0.68叶片较大,长势较好OC3%2.00±0.28叶片较小,长势较差OC8%-不出芽OC3%+Z2%3.74±0.79叶片较大,长势较好OC8%+Z2%1.75±0.52叶片较小,长势较差

3结论与讨论

(1)该研究结果表明，采样地土壤肥力较差，有机质、全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效钾含量均较低，添加有机肥有利于肥力的改善，但随着时间的推移，有机肥易导致土壤水溶性总盐含量的增加，影响植物种子的吸水[11]和根系的生长[12]。

(2)纯钢渣处理(2%添加量)白菜种子长势较好的原因可能与钢渣最大程度提高了土壤pH有关，这与石灰等碱性物质改良酸性土壤的机理一致[13]。此外，钢渣的特定元素(铁、钙等)以及一些微量元素的增加可能也促进了白菜种子的萌发。今后应研究发芽期、生长期植物中特定元素的变化，探索钢渣改良酸性土壤的机理。

(3)稀土矿区土壤团粒结构较差，浇水易板结，加入钢渣一定程度上降低了土壤的板结性。

(4)通过对比钢渣与有机肥的协同处理结果，在稀土矿区酸性土壤改良方面，前期可以通过施加钢渣提高植物发芽率，促进植物生长，后期可以通过施用有机肥来提升土壤肥力，改善土壤理化性质，保证植物的长期生长能力。下一步可通过具体的工程实践，探索钢渣与有机质协同改良矿区土壤的模式。

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中图分类号S 156.6

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)06-159-04

收稿日期2016-02-14

作者简介朱李俊(1987- )，男，安徽马鞍山人，工程师，硕士，从事固废综合利用、土壤及生态修复研究。

基金项目中央级公益性科研院所基本科研业务专项。