细尾砂土壤化用于西藏地区的可行性探究

摘 要:我国西藏地区土壤土层薄，土壤中有大量的砂，粗骨性强，发育历史年轻，而想要使土层变则则需极长时间的自然作用。我国矿产资源多导致产生的尾矿量巨大，粗尾砂可用于充填等，但细尾砂难以得到充分利用。经过土壤和尾砂矿物成分比较，发现尾砂主要矿物成分与土壤主要矿物成分相似，都为硅酸盐和铝酸盐类，而整个采选过程已消耗大量能量将矿岩人为破碎成颗粒极小的细砂，代替了自然作用。因此考虑将细粒级尾砂改良成土壤用于西藏地区。流程分为三步，首先通过旋流器分级，细砂经过预处理去除对植物有害的重金属离子，最后通过提高肥力，改良结构，将其变成可种植的土壤。

关键词:细尾砂；分级；土壤化

众所周知，西藏地区的土壤条件极具特点，土壤厚度仅有30cm，成分中包含很多砾石，质地也较为疏松。土壤中有大量的砂，粗骨性强，土壤冻结期长，通气不良，土壤呈中性反应，发育历史年轻，具有明显的土壤立体分布，地区之间养分含量的差异也很显著。西藏地处青藏高原腹地，高寒缺氧，虽然农业开发历史悠久，但大部分地区热量和降水都较同纬度的长江中下游少很多。西藏地区阳光资源丰富，昼夜温差大。这种气候条件非常适合种植青稞、小麦等作物。但由于土壤厚度有限，其存水能力差，肥力低，砾石数量多等缺陷，目前大面积产量小，与理论产量相差2-5 倍，而等待山石等经风化剥蚀等自然作用变成土壤需要漫长时间。

我国现阶段，由于金属矿产开采加工的过程中，技术水平较低，有用矿物的回收率和综合利用尾砂的技术水平均有限，造成了尾矿量较大。对于不同的矿产资源其尾矿所占比例也不同，若对于黑色金属矿山，尾矿量能达到50%-80%，对于伴生有色金属，其尾矿所占比例可达70%~95%，其中仅有40%能够得到有效回收；对于有色金属，尾矿量可达40%-50%。对于黄金等稀有金属的矿山资源，尾矿量更是占到99%以上，尾矿量十分巨大[1]。以我国西藏自治区为例，根据原国土资源部提供的采矿权资料，西藏自治区现登记各类金属采矿权65处，其中黑色金属矿产15处、有色金属矿产45处、贵重金属矿产4处和稀有稀土分散元素金属矿产1处[2]。矿产资源的增多也必将引起尾矿量的急剧增大。建成尾矿库堆积在地表，不仅占用了大量的土地资源，重金属元素也会随着喷淋水和降水渗入土壤，对环境造成巨大破坏，并且时间一长也可能会有巨大的安全隐患。基于以上隐患，因及时关注尾砂回收利用并提高相应的技术水平。

整个采选过程已经将围岩通过消耗大量能量破碎成颗粒极小的细尾砂，且主要物质与土壤类似，都为硅酸盐和铝酸盐类。目前大多研究者对于细尾砂的利用是将尾矿改良制成土壤改良剂按照比例掺入土中[3-6]，或者制成高硅肥[15]，改变土壤的物理化学性质。但西藏地区非常缺土，因此考虑将细尾砂去除重金属离子后，通过添加化肥和有机肥，种植绿肥等方式，提高尾砂肥力，直接用于种植。

1 土壤与尾砂成分比较

1.1土壤中主要矿物成分

土壤中的矿物分为原生矿物、次生矿物、三氧化物类。其中，三氧化物仅占5%-10%。

原生矿物在土壤中所占比例较多，其主要是岩石受到风化作用后产生的碎屑，在此过程中未产生化学变化，所以其成分及结晶构造并未发生改变。硅酸盐和铝酸盐硫化物，磷酸盐以及某些特别稳定的原生矿物是土壤原生矿物的主要成分。

次生矿物在土壤中含量也不容忽视，经历了岩石风化和成土过程中的化学变化，而新生成的矿物称为次生矿物。次生矿物所包含的种类有三大类，一是简单盐类，二是铝硅酸盐类矿物，三是次生氧化物。其中，简单盐类易溶于水，所以在下雨环境中易被淋湿，该成分在土壤中所占比例较小，一般存在于盐渍土。

1.2 尾砂中主要矿物成分

通过查找文献，找到以下几座矿山尾砂的主要元素占比，见表1。

表1 矿山尾砂中元素占比

Table.1 The proportion of elements in mine tailings

通过对比发现，土壤中的主要无机物成分与尾砂中的主要成分相似，都是SiO2、Al2O3，化学成分因地区不同和原矿床不同有较大差异，矿物成分主要是石英、方解石、白云石、长石等，与天然砂的矿物成分相似。因此尾砂可以作为土壤基质。

2细尾砂土壤化流程

尾砂浆首先经过旋流器分级，细粒尾砂经过预处理去除重金属离子，提升肥力后做成土壤。具体流程见图1。

图1 细尾砂土壤化流程

Fig.1 Fine tailings soil chemical process

2.1尾砂分级

选矿产生的尾砂经浓缩后通过过滤机、压滤机、脱水筛等设备脱水，形成含水小、易沉淀固化和利用场地堆存的矿渣。粗砂可以用于采空区充填和制作建筑材料，细砂用于土壤化。溢流水可重复利用，节能减排。流程见图2

图2 尾砂分级流程

Fig.2 Tailing grading process

2.2细砂预处理

尾砂中重金属元素主要有铅、镉、铬、汞、砷、铜和锌等，若植物或人畜过量摄入都会造成危害，因此需对细砂进行预处理，将重金属元素清除。

2.2.1物理修复技术

物理修复技术主要是热解吸法和玻璃化。热解吸法主要利用高温能使重金属污染物挥发的特性，但需要较大的能量。玻璃化即将重金属尾砂在特殊的条件下转换为玻璃形态的物质。

2.2.2化学修复技术

目前现有的技术水平中电动修复，固化技术，有机质改良和土壤联系，都是主要的化学修复技术。

2.2.3 微生物-植物修复技术

微生物可以表征土壤污染程度，还可以修复污染环境。其优点主要是效率高，对生态环境无害，且应用成本低等。该方法的使用材料为植物及微生物，通过其进行的光合作用以及微生物中根的泵吸作用，来对土壤中的重金属污染进行修复。整个修复过程及方向为尾砂中的重金属离子，吸附到植物体内，根据植物自身的生长，该重金属离子转移到植物枝叶中，最后通过清理枝叶来消除重金属污染。该方法具有较为明显的优缺点，投资维护成本低，操作步骤简单，不会造成二次污染，并且清洁效率高甚至能达到100%，都是其应用优点。但由于植物和微生物的生长周期等原因，造成其修复速度慢，而且修复过程受多种因素影响，例如尾砂的类型，温度，湿度等，若想在一定程度上提高植物修复的效果，需要通过添加螯合剂等方式调整尾砂的PH值[10]。

物理修复方法需要消耗较大的能量，成本较高，容易造成二次污染。化学修复法中土壤淋洗法容易破坏尾砂性质，固化技术和有机质改良技术无法根治重金属污染，因此决定采用微生物-植物修复技术。此技术用于西藏地区的关键在于挑选出对即能耐受和吸收重金属离子还能耐寒耐低气压的植物和微生物，这需要长久的实验。

2.3 尾砂土壤化

土壤肥力质量指标一般包含六大指标，分别是土壤环境条件，土壤物理性状，土壤养分储量指标，养分有效状态，活性以及土壤生物质量。每个大类指标下又包含几个具体指标，例如土壤环境条件指地形、坡度、覆被率、侵蚀度；土壤养分储量指标通常观察其有机质、全氮、全磷、全钾的含量。而对于尾砂处理过程而言，只需调整PH值，所以下文将对其进行详细讨论。

2.3.1调整pH值方法

在栽培植物前需要做一定的准备工作，包括确定所栽培作物适宜的PH范围、更适宜酸性土，中性土还是碱性土。如果所栽培植物与种植环境中的酸碱度不匹配，就需要进行调节改良：

(1)当土壤酸性过高时，可通过施加石灰及农家肥进行调节，施加石灰的量为20~25千克，每年每亩。切不可，只施石灰不施加农家肥，这样不仅起不到改良的效果，还会使土壤肥力变差，通常的改良时间为播种前一个月到三个月内。对此情况的调节方式也可是加草木灰用量为40~50千克，使得土壤酸性得以中和。

(2)当土壤碱性过高时，可以通过添加少量硫酸铝、硫酸亚铁，硫磺粉、高活性腐植酸等进行调节。各个方法具有不同的注意事项及优缺点，当添加少量硫酸律师，需要注意同时补充磷肥；是用硫酸亚铁，其优点是见效快，但其缺点是作用时间不长，需要经常性施肥。对于不同的成分并没有固定的使用量，需要根据土壤具体的酸碱情况来确定。

(3)使土壤增加酸性的方法有浇灌硫酸亚铁或硫酸铝的稀释溶液，其中硫酸铝能调节PH的原理是，其可以水解氢氧化铝并在此过程中生成一定的硫酸稀溶液，从而增加土壤酸性。而含有较多腐殖质的腐植酸肥料，能够较为有效健康的调整土壤的酸碱度。

一切都要在不破坏土壤性质的前提下进行。

2.3.2调整化学性质方法

化学性质一般通过施加化肥或有机肥来调整，化肥和有机肥各有各自的优点。化肥的养分含量较高，肥效作用力也较快，所以施加化肥可以在短时间内实现增产。但正是因为其成分单一，造成其肥效短暂，容易在试驾过程中破坏原有土壤的养分，若长期依赖化肥，会使土壤中的氮磷钾比例失调，微量元素含量减少。对于有机肥而言，其养分成分较为丰富，肥效的作用力也会较为持久，有利于作物稳产，并且有益于培肥土壤。但是见效慢。因此将有机肥和化肥混合使用，取长补短，不但有利于植物生长，还可改良和培肥[11]。同时施加有机肥还可以提高有机质含量。

西藏地区畜牧业发达，粪肥等有机肥产量丰富，可以直接施用于细尾砂来增加有机质。前期在不破坏尾砂土壤环境下，可通过大量使用化肥来快速提高肥力。同时通过种植绿肥作物不断补给有机质。在有机质达到一定标准且无污染后，用来种植牧草，实现可循环利用。

2.3.3调整物理性质方法

尾砂土壤的物理性质主要是孔隙性、结构性。

孔隙性的定义并不仅仅包含土壤孔隙的多少这一概念还包括孔隙的大小与大小孔隙的比例及其性质，是一类总称。其中土壤中孔隙的多少决定着土壤中气液，两项的总量，而其大小比例，影响着气液两相的比例，进而决定其通气透水性和保水能力。对于大多数作物适宜的孔隙状况是：上部耕层(0-15cm)的总孔隙度为55%左右，通气孔隙度15-20%，底层土壤(15-30cm)总孔隙度和通气孔隙度分别为50%和10%左右;孔隙垂直分布为“上虚下实”。“上虚”有利于通气和种子的发芽，破土；“下实”有利于保水和扎稳根系。

适合作物生长的良好结构体为团粒结构体。不仅总孔隙度大，而且内部还含有大量的大小孔隙，其排列和方式也较为合理，疏松有度，大孔隙占较多比例，既保证蓄水能力又保证通气能力。

粉煤灰便是一种不错的改良剂。粉煤灰的化学成分主要是:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等，密度大多在2.1 ~ 2.6 g/ml，体积质量(容重)主要在1.0 ~ 1.8g/ml。粉煤灰体积质量、比重均小于土壤，孔隙度大于土壤。粉煤灰形成过程中产生大量的孔洞和网格玻璃纸，同时粉煤灰沙粒含量达87%以上，粉煤灰加入土壤后增加土壤砂砾，增加土壤视密度、比重及饱和导水率，提高土壤通气性，降低土壤体积质量，增加土壤的孔隙度，缩小膨胀率，增加土壤微生物活性，增加土壤抗侵蚀能力，加速了了土壤中，对水、肥、气、热的储存和传导。粉煤灰中还含有很多营养元素，有利于农作物的成长，例如钙，镁，锌，锰，硼等。可以提高种子发芽率，提高对养分的吸收率，增加对病虫害的抗性，对植物特别是幼苗有保护作用，进而提高作物产量。研究表明，粉煤灰可以代替肥料为土壤提供微量元素，在土壤中融入粉煤灰能促进作物对铜、锌、锰等微量元素的吸收，促进作物增长，提高作物产量[12]。

3应用实例

3.1植物-微生物联合改良技术改良铁尾矿

崔照豪[13]通过植物改良技术和植物-微生物联合改良方法对尾矿进行改良。检测结果显示：修复实验组中的地肤+菌剂、波斯菊+菌剂、紫羊茅+菌剂与空白组相比，尾矿的pH值分别由8.03、8.06、8.11分别降低为6.96、6.60、6.85;尾矿持水量由7.1%提升至14.9%、15.1%和15.5%；尾矿酶活性分别达到23.2、21.2和21.7ml/g，说明其显著改善了尾矿中微生物活性，与单一植物改良效果相比，提升了40%-90%;尾矿孔隙度提升至63.5%、57.2%和65.2%，为植物生长营造了良好的空间。

3.2配合施加改良剂改良铁尾矿

宗传娇[14]为改良铁尾矿的土壤生存环境，研制了稻壳、有机肥、生物炭、熟土四种改良剂来配合施加，实验结果显示每种改良剂均有其侧重的改良点。稻壳主要侧重于尾矿基质的容重、孔隙度和酸碱度；有机肥则侧重于有机物含量、酸碱度、含水率改良；生物炭侧重于尾矿基质的容重、孔隙度、有机物含量、含水率；而熟土对于以上各点均有不同程度的改良，但缺点是用量较多。若对以上四种改良剂混合使用，按照上文顺序，其比例为3:1:1:10时，改良效果最佳。

该配方提高了尾矿基质的容重、孔隙度、毛管孔隙度等指标，使铁尾矿土壤透气性指标改良至有效范围内;提高了田间含水量、饱和含水量等指标，将铁尾矿土壤持水性指标改良至有效范围;有机质含量提升，土壤肥力增加，满足土壤动植物生长正常需求；pH值维持在7.6左右的弱碱性状态，满足土壤动植物生长正常需求。

4结论

综合前文，将细尾砂土壤化用于西藏是可行的，但对于不需要充填的矿山来说，设备成本较贵，流程较复杂，且通过微生物和植物去除重金属离子时间较长，最后的理化性质优化可以通过植物和微生物调整，成本低，不会造成二次污染，绿色环保，非常适合西藏地区使用。用于西藏地区的关键是找到适应高寒低氧环境的植物和生活在土壤中的微生物，也可用于大棚种植，人为调整植物生长环境，但需要注意将污染物都清除。具体情况要根据实地考察操作后才能下定论，本文只提供一个思路，为后续研究做铺垫。

细尾砂土壤化用于西藏地区的可行性探究

价格 ¥9.90 发布时间 2023年4月29日

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