土地工程中的土壤修復(fù)材料研究

　　摘要：為土壤修復(fù)和治理提供理論支撐，闡述了土地工程中的替代性成土材料的選擇原則及有機(jī)土體材料的來源，并展望土體材料在土地工程中的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：退化土地,修復(fù),有機(jī)土體材料,篩選

　　目前,全球面臨荒漠化擴(kuò)增、耕地日益減少及土壤污染等世界性問題,因此增加耕地面積和提高耕地質(zhì)量是有關(guān)學(xué)者們研究的目標(biāo)和熱點(diǎn)。20世紀(jì)中期,一些發(fā)達(dá)國家,尤其是一些土地資源比較稀缺的國家就開始對(duì)人造土壤問題進(jìn)行探索和研究[1,2]。因此,依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的迫切需求和國際學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài),亟待開展“替代性成土材料”的篩選與配置研究。然而,隨著產(chǎn)品本身對(duì)環(huán)境性能要求的不斷提高,從更廣泛的角度考慮材料的選擇是人類文明發(fā)展的必然趨勢(shì)。探索和開發(fā)具有良好使用性能或功能的替代性成土材料,需要從生態(tài)保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā),選擇具有資源或能源消耗較低、能與環(huán)境相協(xié)調(diào)的特征土壤改良修復(fù)材料。

　　在全球人口繼續(xù)增加,土地面積緊缺的背景下,如何對(duì)未利用土地、退化和污損土地進(jìn)行有效地修復(fù),已成為當(dāng)今土地工作者在土地工程實(shí)踐、理論探索中亟待研究和解決的關(guān)鍵性科學(xué)問題?；谕寥啦牧系淖匀恍纬蓸O其漫長,而土地工程所面臨的問題與類型又極其繁多,在開展土地工程中,依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的迫切需求和國際學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài),亟待開展“替代性成土材料”的篩選與配置研究。為此,筆者闡述了土地工程中有機(jī)土體材料選擇的原則,并展望土體材料在土地工程中的應(yīng)用前景,以期為土壤修復(fù)和治理提供理論支撐。

　　1 有機(jī)土體材料的內(nèi)涵

　　土體有機(jī)重構(gòu)材料分為天然材料、人工合成材料以及廢棄物的利用。首先對(duì)各種材料研究對(duì)象進(jìn)行處理,處理完以后進(jìn)行土體重構(gòu),同時(shí)加入有機(jī)生命體生長所需要的大量、中量以及微量元素,即進(jìn)行土體有機(jī)重構(gòu)。需要繼續(xù)擴(kuò)大替代性成土材料選擇的范圍,研究各類材料作為替代性成土材料的可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)及可行性分析,研究材料的處理措施與搭配方案,研究材料的應(yīng)用范圍及其應(yīng)用效果,主要從可持續(xù)利用、植物產(chǎn)量和品質(zhì)以及環(huán)境效應(yīng)等方面開展系統(tǒng)研究[3,4]。在土地工程領(lǐng)域內(nèi),大范圍可供選擇的替代性成土材料:一是建筑廢棄物,包括磚塊和水泥塊體以及一些生土建筑物料,各地生產(chǎn)量很大,對(duì)其開發(fā)利用有助于減少環(huán)境壓力,保護(hù)耕地資源。二是礦物廢棄物,主要為采礦的礦渣和尾礦等,只需檢測(cè)其中的金屬含量即可選用,一些尾礦已經(jīng)過粉碎處理,從粒度上不存在問題,更有應(yīng)用價(jià)值的是煤矸石,其屬于一種有機(jī)礦藏,有利于成土和營養(yǎng)供給。三是自然風(fēng)化的松散頁巖,風(fēng)化的頁巖是國內(nèi)外常用的替代性成土材料。四是有機(jī)物料,如各種植物體、動(dòng)物有機(jī)肥等可作為成土的搭配材料。眾所周知,“宇宙土壤”就是典型的人工土壤,在沙中添加植物生長所必須礦肥,由俄羅斯科學(xué)家在“禮炮1號(hào)”軌道科學(xué)考察站研制,用于種植蔬菜[5]。以色列研究人員采用40%的廢紙屑改良土壤,不僅實(shí)現(xiàn)了廢紙資源回收利用,還可以促進(jìn)某些植物生長[6]。盡管國內(nèi)外針對(duì)土壤性質(zhì)、功能的調(diào)控材料已有很多,研究成果也極為豐富[7,8],但是這些材料都是建立在小范圍、小劑量使用工作中,在土地工程中必須尋求功能相當(dāng)、更加廉價(jià)、易得的土體有機(jī)重構(gòu)相關(guān)材料。土體重構(gòu)無機(jī)材料要廣泛開展鈣基制劑、硅基制劑以及鐵制劑的研究,尤其是開發(fā)金屬加工業(yè)的廢棄鐵屑在水田、海面城市、污染土壤修復(fù)中的使用效應(yīng)研究。

　　2 生態(tài)環(huán)境材料選擇的原則

　　隨著人們對(duì)材料與環(huán)境如何協(xié)調(diào)發(fā)展問題的日益重視,生態(tài)環(huán)境材料應(yīng)運(yùn)而生。生態(tài)環(huán)境材料主要是指同時(shí)具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性,或是能夠改善環(huán)境的材料。綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一,產(chǎn)品不僅應(yīng)考慮材料的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能、功能和結(jié)構(gòu)等基本性能要求,更應(yīng)著重考慮材料的環(huán)境屬性[9,10]。因此,產(chǎn)品設(shè)計(jì)的選材原則首先考慮性能優(yōu)良、環(huán)境負(fù)荷小的環(huán)境材料,一是盡可能使用自然界中可循環(huán)的材料,二是盡可能少地使用自然界中不可循環(huán)的材料,最大限度利用材料資源和節(jié)約能源,選擇和使用材料的原則主要有以下幾個(gè)方面:1)少用短缺或稀有的原材料,多用廢料、余料或回收材料作為原材料,盡量尋找短缺或稀有原材料的代用材料,有效提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。2)減少產(chǎn)品中的材料種類,以利于產(chǎn)品廢棄后的有效回收。3)優(yōu)先采用可再利用或再循環(huán)的材料。4)采用相容性好的材料,不采用難于回收或無法回收的材料。5)選用廢棄后能自然分解并為自然界所吸收的材料。6)選用環(huán)境兼容性涂層材料。7)少用或不用有毒有害原材料。

　　3 土地工程中的有機(jī)土體材料

　　人造土壤是利用巖石、工礦及建筑業(yè)固體廢棄物、各種有機(jī)物為原料,經(jīng)過分選、粉碎、研磨,按一定比例混合后發(fā)酵制成造土堆肥,然后將造土堆肥與無機(jī)原料粉(即造土母質(zhì))按一定比例混合制成具有一定蓄水、蓄熱、透氣、肥力,達(dá)到植物生長所需基本條件的土壤。人造土壤具有易于實(shí)施、可工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),利用其發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與治理工礦廢棄物、江河湖海污染、處理城市生活垃圾和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)起來,形成良性循環(huán),尤其對(duì)貧瘠山區(qū)、沙化地區(qū)、海島等土壤缺乏地區(qū)開發(fā)更具重要意義,宜于推廣應(yīng)用。對(duì)于新增耕地要廣泛開展先鋒植物的篩選與培育技術(shù)研究。植物涉及糧食作物、蔬菜、果樹、中藥材、牧草、綠肥以及苗木,選擇范圍立足于當(dāng)?shù)赝林参?并且配合從異地引種和擴(kuò)繁等。

　　對(duì)于土源受限地區(qū),需要研究土體有機(jī)重構(gòu)的主體材料,即替代性成土材料。目前,國際上人造土壤的材料主要是一些緩礦化分解的有機(jī)物料和生活廢棄物等。新材料代替土壤較為成功的是自然表層土、廢物循環(huán)利用基質(zhì)和人造表層土等3種。其中,自然表層土種類最豐富,從酸性土、沙土、腐殖土到泥炭土、粘土,這些均取于自然界,各項(xiàng)指標(biāo)變化較大。循環(huán)利用基質(zhì)來源于各種工業(yè)農(nóng)業(yè)廢料,如大田表層土、底層土、粘土,煉鋼廠的下腳料,倒塌的建筑磚塊、水泥塊、玻璃、金屬、木頭、塑料,通過回收加工成栽培基質(zhì),常與其他類型土壤混合使用。人造表層土是將2種或2種以上土壤材料進(jìn)行深層次混合,達(dá)到滿足植物根系生長發(fā)育的要求,其中包括人造表層土、底層土、沙土、綠色混合堆肥和生物栽培基質(zhì)等。研究基質(zhì)指標(biāo)時(shí)主要考慮土壤肥力(養(yǎng)分)、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、pH(酸堿度)值、含水量、傳導(dǎo)性等。

　　一直以來,污泥被視為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的天然土壤,如城市廢棄物形成的污泥、污水處理廠產(chǎn)生的污泥、工業(yè)廢棄物經(jīng)過處理產(chǎn)生的污泥等經(jīng)過加工處理后用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。日本利用廢棄物制成了一種無臭味、含有豐富微生物,且與污泥成分相同的人造土壤。

　　泥炭營養(yǎng)土是城市綠化和家庭養(yǎng)花理想的栽培基質(zhì),屬于一種人工合成土壤。目前,我國泥炭營養(yǎng)土的制備主要是以優(yōu)質(zhì)的天然泥炭為原材料,通過添加適量的基質(zhì)材料和大量的營養(yǎng)元素配制而成。泥炭營養(yǎng)土具有無毒、無污染、重量輕、肥效長久、疏松透氣等自然土壤的一切有利因素。泥炭營養(yǎng)土能適合大多數(shù)花卉、苗木和蔬菜育苗與生長,還能使蔬菜上市期提早1～2周。泥炭營養(yǎng)土的應(yīng)用范圍較廣,能夠在沙漠、海島、鹽場(chǎng)等地區(qū)進(jìn)行種植蔬菜、花卉和作物等,以改善當(dāng)?shù)氐纳顥l件和生存環(huán)境。因此,泥炭營養(yǎng)土被作為花卉、苗木和蔬菜等植物生長較為經(jīng)濟(jì)有效的理想基質(zhì)。

　　4 材料在土地工程中的應(yīng)用與展望

　　土地工程不僅需要材料的加入,而且能為醫(yī)藥、美容、食品、石油開采等行業(yè)提供良好的材料。蒙脫土擁有“皂土”和“萬用土”的美稱,具有很強(qiáng)的吸附、洗滌、絮凝能力等,用于毛紡洗滌、污水處理與凈化,是一種滅火、防水材料,也用于造紙、制造鉛筆、復(fù)合肥料、飼料等生產(chǎn)行業(yè)。

　　隨著土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和不斷創(chuàng)新,納米材料(粒徑為1～100納米)修復(fù)技術(shù)作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù),為人們提供了新的研究機(jī)遇[11]。相比一般的有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù),比表面積大、吸附螯合能力強(qiáng)及催化活性高等是納米材料的特性,使得納米材料修復(fù)技術(shù)克服了傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的部分缺點(diǎn),在有機(jī)污染土壤修復(fù)中表現(xiàn)出極高的修復(fù)效率[12,13,14]。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,納米材料的選擇應(yīng)由污染物的性質(zhì)決定,并且在納米材料的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)對(duì)其修復(fù)機(jī)理和其在土壤環(huán)境中的實(shí)際行為進(jìn)行深入研究,分析其對(duì)土壤修復(fù)過程的關(guān)鍵性基團(tuán),從而選擇適宜性的材料進(jìn)行土壤修復(fù)。近年來,環(huán)境友好型納米材料修復(fù)有機(jī)污染土壤的研究已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn),主要集中在納米材料的制備、結(jié)構(gòu)表征、污染物去除機(jī)制和去除效率等方面[15,16]。

　　在土地工程中,今后應(yīng)加強(qiáng)土地修復(fù)植物材料的研究,對(duì)植物材料進(jìn)行培育、篩選、馴化,甚至借助于現(xiàn)代生物技術(shù),開展轉(zhuǎn)基因土地修復(fù)材料的研究,獲得改善土壤質(zhì)量的植物種或品種。微生物產(chǎn)品開發(fā)研究,利用現(xiàn)代微生物工程技術(shù),從有關(guān)逆境土地環(huán)境中分離、篩選、擴(kuò)繁具有特殊功能的微生物菌種資源,利用工廠化生產(chǎn)微生物制劑應(yīng)用于生土快速熟化的土地工程,并逐漸建立土地工程微生物菌種資源庫。土壤動(dòng)物產(chǎn)品研發(fā),主要開展蚯蚓養(yǎng)殖,用蚯蚓和作物秸稈、枯枝落葉、生活廢棄物等一起生產(chǎn)生物有機(jī)肥,研發(fā)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)土壤生物改良劑,并逐漸建立動(dòng)物標(biāo)本庫。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]鐘曉曉，王濤，原文麗，等．生物炭的制備、改性及其環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展[J]．湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2017,40(5):44-50．

　　[2]LEHMANN J,JOSEPH S.Biochar for environmental management science and technolog[M].London:Earthscan,2009．

　　作者：張海歐

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