文献参数: 海龙, 许毅, 魏驰文, 等.有机肥复合聚丙烯酰胺对铁尾矿的改良效果[J].水土保持通报,2026,46(1):22-28. Citation:Hai Long, Xu Yi, Wei Chiwen, et al. Improvement effects of organic fertilizer combined with polyacrylamide on iron tailings [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2026,46(1):22-28.
铁尾矿是选矿过程中产生的主要固体废弃物,截至2024年,中国铁矿尾矿的堆积量已超过3.0×10
9 t
[1]。中国铁尾矿的综合利用率仅约7%,堆存的尾矿形成的尾矿坝引发了一系列问题,如占用土地、污染环境、尾矿坝失稳等生态问题
[2]。堆存的铁尾矿养分含量低,植被定植困难,保水保肥性能差,不利于植物生长
[3]。铁尾矿土壤化改良能优化尾矿性质,提高尾矿养分,解决所带来的环境问题
[4-5]。因此,铁尾矿改良对中国生态环境保护具有重要的意义
[6]。
近年来,微生物应用于尾矿修复的研究呈现持续增长趋势。张翠青等
[7]对比5种丛枝菌根真菌对铁尾矿的改良效果,发现
Funneliformis mosseae菌株显著提高基质有效磷含量(提升68%)。刘诺等
[8]提出由耐性枯草芽孢杆菌与固氮菌构建的复合菌群体系,该体系可通过产酸作用将铁尾矿pH值从9.2降至7.5。以上技术在修复铁尾矿的过程存在受环境条件的制约,修复周期长,成本高昂等问题。因此具有高效且经济的原位修复技术成为研究热点,植物修复技术作为原位修复技术中的一种,具有治理成本低廉,治理过程在原来的位置上修复,无需太大的变动与周围环境兼容性高的优势
[9]。然而对于污染程度严重的土壤并不适合进行植物修复。
有机肥作为改良剂的加入能有效解决周期长,成本高昂的问题。李想等
[10]阐述了有机肥对铁尾矿的改良效果,有机肥显著降低了尾矿密度,提高孔隙度,并中和碱性,给植物生长创造有利条件。费玲云等
[11]研究指出,单一有机肥的加入对尾矿的改良效果较差。聚丙烯酰胺在土壤改良中具有多功能性,能够有效改善土壤的理化性质,提高土壤的保水、保肥和抗侵蚀能力
[12]。Sun Bo等
[13]揭示了聚丙烯酰胺对铁尾矿持水能力、渗透速率和饱和导水率的影响规律,低质量浓度的聚丙烯酰胺对尾矿表层的保水能力是有利的。聚丙烯酰胺单独使用无法解决根本的养分缺乏和结构不良问题。聚丙烯酰胺施用在铁尾矿中,其效果高度依赖有机质或黏粒载体,而有机肥单独施用存在持水性差的缺陷,单一改良剂无法同时解决结构劣化、养分匮乏、水分流失这3大问题
[14]。因此两种及以上改良剂的协同改良效果潜力巨大。鉴于此,为了改善聚丙烯酰胺和有机肥分别在单独施用下的局限性,弥补有机肥复合聚丙烯酰胺协同改良的空白,本研究选择有机肥和聚丙烯酰胺,通过复配构建不同配比的改良剂,探究不同配比改良剂对铁尾矿理化性质的影响。同时,选择狗牙根为先锋植物,研究狗牙根的株高、根长和发芽率的变化,阐述不同配比改良剂对铁尾矿的改良效果。最终确定最优的配比方案。该方案不仅可为铁尾矿的改良提供科学依据,还可为解决铁尾矿堆积带来的生态环境问题提供可行的技术路线。
1 材料与方法
1.1 试验材料
材料主要包括铁尾矿,聚丙烯酰胺和有机肥。有机肥使用充分发酵的羊粪,其养分含量为有机质62.1%,全氮为2.3%,全磷为3.2%,全钾为0.8%。聚丙烯酰胺采用阴离子型且分子量为1 000万,采购于鑫邦环保科技有限公司。1 000万分子量的阴离子型聚丙烯酰胺分子链长具有较强的桥接能力,外观为一种细纱状白色粉末。铁尾矿于2025年5月初取自辽宁省本溪市歪头山铁尾矿库,其理化性质详见
表1。
按照《土工试验方法标准(GB/T 50123—2019)》,通过颗粒筛分试验确定铁尾矿粒径的分布情况,颗粒筛分试验采用米淇ZDS-200电动振动筛分机。根据尾矿分类标准,该尾矿属于尾粉砂。筛分试验结果详见
表2。
1.2 试验设计
为探究不同配比方案对铁尾矿理化性质的影响,采用室内土培试验。细化梯度
[15-16]的配比方案如
表3所示,将9种不同处理方案和对照组置于土培槽内,进行室内培养,培养期间保持尾矿湿度为田间持水量的70%。培养60 d后,用环刀取样,测定尾矿的养分和pH值的变化。为了筛选最优的配比方案,量化不同配比处理对植物生长的差异化影响,设计采用盆栽试验,选取30个规格统一的圆形塑料盆(直径:20 cm,高度:15 cm),共包含10组配比处理方案,每组分别设置3个平行试验。每盆装入400 g铁尾矿,采用干混法将铁尾矿、聚丙烯酰胺和有机肥按照配比充分混合。选用狗牙根为先锋植物,将狗牙根种子提前4 h进行浸泡处理,把浸泡完的种子平铺在纸巾上,选取颗粒饱满的450粒狗牙根种子,每盆种入种子15 粒。定期浇水养护,将植物盆栽培养60 d,过程中保证充足的水分和阳光。第3 d起观测狗牙根的发芽率,每3 d观测1次,直到第15 d后不再观测。60 d后,测量植物的株高和根长数据。
1.3 指标测定方法
采集尾矿样本,经过自然风干,研磨后进行养分含量测定。有机质测定采用重铬酸钾容量法-稀释热法,速效磷测定采用碳酸氢钠法,速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法,pH值采用pH计进行测定,具体测定方法参照《土壤农化分析》
[17]。渗透系数测定采用常水头法试验过程中水温为20 ℃,采用无气水,保证无气泡影响试验结果。植株生长状况采用直接测量法评估。在铁尾矿表层剪取植株,使得地上部分(茎)与地下部分(根)分离。直尺测量植株主茎基部到顶部的长度为株高;将附着于尾矿的根系通过清水冲洗收集后吸干多余水分后用镊子拉直后尽快测量。根长和茎高数据由两人单独测量并取平均值,误差>2 mm的数据重新测量。
1.4 数据处理
采用Excel 2023对试验数据进行统计处理,使用SPSS 16.0进行数据分析。用单因素差异性分析(One-way ANOVA)和双因素重复测量方差分析(Two-way repeated-measures ANOVA)比较不同处理组间的差异,使用Tukey检验,p<0.05表示差异有统计学意义;通过Pearson进行相关性分析,用Origin2024软件绘图。
2 结果与讨论
2.1 改良剂不同配比下铁尾矿的理化性质
2.1.1 改良剂不同配比下铁尾矿的pH值变化
合适的pH值是植物生长的必要条件,且能影响养分的有效性。
图1为不同有机肥和聚丙烯酰胺添加量下尾矿pH值的变化。对照组中铁尾矿的pH值为8.25。经不同配比的处理后,处理组的pH值均呈现不同程度的下降,变化范围为7.32~6.81。其中,Ⅸ处理的pH降幅最大,最大降幅达1.44。有机肥的施用能改善土壤的pH值。Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ组试验结果表明,当聚丙烯酰胺添加量恒定时,铁尾矿pH值的降幅随有机肥添加量的增加而增大。这可能与有机肥降解过程中产生的有机酸类物质积累有关。有机肥添加量提升导致降解产物中草酸、乙酸等有机酸浓度升高,从而强化体系酸化效应
[18]。Ⅰ,Ⅳ,Ⅶ组试验结果表明,当有机肥添加量恒定时,不同聚丙烯酰胺添加量的铁尾矿pH值无显著差异(
p≥0.05),表明聚丙烯酰胺对铁尾矿pH值的调节作用不明显。
2.1.2 改良剂不同配比下铁尾矿的养分变化
合理施用有机肥能有效提升土壤肥力
[19]。
图2为不同有机肥及聚丙烯酰胺添加量对铁尾矿中速效磷、速效钾和有机质含量的影响。由
图2可知,相较于对照组,速效磷含量从1.28 mg/kg提升到20.15~26.39 mg/kg,Ⅸ处理的速效磷含量为26.39 mg/kg,高于其他处理组。速效钾含量从47.68 mg/kg提升至280.32~330.15 mg/kg,有机质含量从4.8 g/kg提升至8.2~13.4 g/kg。总体而言,铁尾矿中速效磷、速效钾和有机质含量均随有机肥添加量的增加而显著提升,尤以速效磷的增幅最为显著。这表明有机肥的施用是提升铁尾矿养分水平的关键因素,与梁元振等
[20]观点一致。Ⅰ,Ⅳ,Ⅶ组处理试验结果表明,在相同有机肥添加量下,不同聚丙烯酰胺添加量处理的铁尾矿,其速效磷、速效钾和有机质含量无显著差异(
p≥0.05)。
尽管如此,数据总体呈现随聚丙烯酰胺添加量增加,上述养分含量略有升高的趋势。这可能与聚丙烯酰胺的保肥能力有关,即较高聚丙烯酰胺添加量有助于减少养分的流失。可见有机肥能显著提高铁尾矿的速效磷、速效钾及有机质含量,而聚丙烯酰胺对养分含量的直接影响相对有限,与杨莹莹
[21]的研究一致。其主要作用可能体现在通过保肥能力减少养分流失。
2.2 改良剂不同配比下铁尾矿的渗透系数
渗透系数作为表征多孔介质导水能力的关键参数,通过调控水分—氧气—养分的动态平衡,直接影响植物的生长指标。如
图3所示,试验结果表明,所有处理组基质的渗透系数均低于对照组,CK与各处理组间的渗透系数有显著差异(
p<0.05),证明聚丙烯酰胺与有机肥的协同作用可有效降低铁尾矿的渗透性。
聚丙烯酰胺在渗透系数的变化中起主导作用:随着聚丙烯酰胺添加量的增加(0.05%,0.10%,0.15%),渗透系数呈显著递减趋势(降幅达65.2%~94.3%),这可能由于聚丙烯酰胺溶于水后形成三维网状凝胶结构,通过物理架桥作用堵塞孔隙通道
[22]。有机肥添加量对渗透系数的影响较弱但具协同性,其添加量从5%增至7%时,渗透系数仅额外降低6%~15%。这主要归因于有机肥降解过程中产生的腐殖质,其表面官能团(-COOH,-OH)通过氢键作用促使细颗粒黏聚成团粒结构,进一步填充了土壤孔隙
[23]。
2.3 不同配比下植物的生长指标
2.3.1 不同配比下植物的发芽率
发芽率是植物生长过程中最重要的指标之一。如
图4所示,种子发芽率在培养12 d之后趋于稳定,从第3 d起处理组间发芽率即出现显著差异(
p<0.05),12 d达极显著水平(
p<0.001)。处理组的发芽率均高于对照组,表明聚丙烯酰胺与有机肥的加入可有效提升种子发芽率并缩短发芽周期。其中,处理组Ⅴ的发芽率达到峰值,较对照组(CK)提高60%。聚丙烯酰胺添加量对发芽率的影响呈现非线性关系:当添加量为0.10%时发芽率最高,0.15%次之,0.05%最低。这可能是因为随着聚丙烯酰胺添加量的增大,聚丙烯酰胺的保水特性锁住基质中大部分水分,为种子萌发创造了良好生长环境;但聚丙烯酰胺浓度如果过大就会抑制种子的萌发
[24-25]。可能是因为聚丙烯酰胺是长链高分子化合物,长链结构在低浓度时,能形成水凝胶网络帮助尾矿保水,但高浓度时,链段相互缠绕形成紧密结构通过增加尾矿的黏度,使种子吸水产生障碍,从而抑制种子的发芽。
2.3.2 改良剂不同配比下植物的株高和根长
测量结果如
图5所示,处理组的狗牙根生长指标均优于对照组,表明处理措施对其生长具有促进作用。其中,Ⅴ组处理(聚丙烯酰胺添加量为0.10%)的株高达到峰值39.0 cm,且该处理下植株整体生长状态最佳。根系作为植物主要的营养器官, 承担着吸收与运输水分、无机盐及营养物质等关键功能,其发达程度是决定植物生长的重要因素
[26]。由
图5可见,处理组的根长均大于对照组,且以Ⅴ组处理的根长最长,达到54.0 cm。当施用的有机肥处于同一浓度水平时(处理Ⅱ,Ⅴ,Ⅷ),0.15%的聚丙烯酰胺(Ⅷ)形成相较紧密的尾矿,在植株生长期可能会抑制根系的呼吸作用,使得长势受限。当施用的聚丙烯酰胺处于同一水平浓度时(处理Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ),7%的有机肥已经超过先锋植株生长的最佳用量,过量的有机肥在分解过程中使得基质中碳氮比失衡,导致植株氮吸收量降低,影响植株生长。高欣等
[27]研究表明有机肥施用存在阈值,并不是越多越好。整体上,根长和株高变化趋势相似,两者均在聚丙烯酰胺添加量为0.10%时达到最大值(根长为54.8 cm,株高为39.2 cm)。Ⅰ,Ⅳ,Ⅶ处理结果表明,在相同有机肥添加量下,不同聚丙烯酰胺处理试验的根长和茎高均有显著差异(
p<0.05),在聚丙烯酰胺添加量为0.05%时最低(根长24.06 cm,株高32.5 cm)。当聚丙烯酰胺添加量增至0.15%时,根长和株高均较聚丙烯酰胺添加量为0.10%时下降(根长降幅21.1%,株高降幅9.9%)。这表明聚丙烯酰胺对狗牙根生长的促进作用具有剂量依赖性,中等剂量(0.10%)的促进效应最为有效。结果表明,有机肥和聚丙烯酰胺的加入对先锋植物的生长具有明显的促进作用。
2.4 相关性分析
由以上分析可知,不同处理组对铁尾矿的理化性质如pH值、速效钾、有机质等指标以及先锋植物狗牙根的发芽率、株高和根产生影响。为了进一步了解不同指标之间的相关性,利用SPSS 16.0软件对指标进行Pearson相关性分析(
图6)。
由
图6可知,呈正相关(
p<0.05)的指标包括:有机质与速效钾、株高、根长;发芽率与株高,根长;呈负相关(
p<0.05)的指标包括:pH值与速效磷、有机质;渗透系数与株高,根长;pH值越高, 先锋植物的根长、株高的就越低,越不利于生长。pH值过低或过高,会改变基质中营养元素的有效性不利于植物生长。陈雪娇等
[28]在植株生长过程中发现,当pH值过高,基质中的磷元素会与钙结合形成难溶的磷酸钙,导致植物缺磷。当pH值过低,在酸性环境中钙、磷的溶解度降低,植物难以吸收,影响植株生长。这与肖强等
[29]观点一致。虽然相关系数表明了变量之间的关联程度,但不能确定因果关系。由于多个变量之间存在相互关联,研究它们之间的交互作用对于更深入了解尾矿性质和植物生长规律至关重要。
3 结 论
(1) 有机肥和聚丙烯酰胺的加入大幅提高了尾矿中的有机质、速效磷和速效钾的含量,其中3者的含量均随有机肥添加量的增加而增大,尤以速效磷的增幅最为显著。聚丙烯酰胺添加量的增加对3者含量的影响并不大。同时改善了尾矿的pH值,达到适合植物生长的范围。
(2) 通过盆栽试验发现,铁尾矿在添加有机肥和聚丙烯酰胺后,狗牙根的株高、发芽率等生长指标均有明显改善,先锋植物狗牙根株高增加了140%~290%,根长增加了98%~247%,发芽率从对照的33%增加至60%~93%。其中处理组Ⅴ的植物生长情况最佳,最优的配比方案为铁尾矿∶有机肥∶聚丙烯酰胺=100 g∶6 g∶0.1 g。
(3) 研究表明,通过有机肥复合聚丙烯酰胺来改良铁尾矿的技术方案具有可行性,可为铁尾矿的资源化利用提供了技术支持,不仅解决了铁尾矿堆存带来的环境问题,更推进了绿水青山的理念,未来仍需深入验证该改良方法的长期效果,实现尾矿坝的可持续治理。
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