五种天然土壤改良材料的基本性质比较

　　目前我国中低产田土壤面积约占总土地面积的 2/3，改造中低产田粮食增产潜力巨大。应用土壤改良剂是改造中低产田的有效途径，它可以促进土壤团粒的形成、改良土壤结构、提高肥力、改善土壤保水保肥性、提高粮食产量。油渣、草炭、风化煤、油页岩、蛭石等是近年来应用比较广泛的几种天然改良剂。油渣是各种油料作物榨完油后的产物，主要有香油渣、棉籽油渣、大豆油渣等。草炭又称泥炭或泥煤，是未完全分解和已分解的有机残体(主要是植物残体) 长期积累起来的物质，是成煤作用初级阶段的产物。草炭资源在我国各省区几乎都有分布，在大小兴安岭及长白山森林地带蕴藏最多。风化煤俗称露头煤，一般指接近或暴露于地表的褐煤、烟煤、无烟煤，经过空气、阳光、雨雪、风沙、冰冻等的渗透风化作用而形成的产物。我国有半数以上省区都有可利用的风化煤资源，其中以华北、东北、西北、西南地区储量较大，仅黑龙江省七台河地区初步勘探就达亿吨以上，山西、新疆等地的风化煤不仅储量大而且质量好。油页岩(又称油母页岩) 是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，中国已探明的油页岩储量为315． 67 亿 t，主要分布在吉林、辽宁、广东、山东、内蒙等省区。由于利用不当，我国油页岩年废弃量占当年煤炭产量的 10 ～ 15%，约占全国工业固体废弃物总量的 40%，大量油页岩长期露天堆放造成环境危害。蛭石是黑云母、金云母等矿物风化或热液蚀变的产物，我国蛭石矿山主要分布于新疆、河北、内蒙、甘肃等省区，规模最大、最具代表性的是新疆尉犁县且干布拉克蛭石矿，储量估计居世界第二，占全国储量的 90%。

　　综上所述，这些资源在我国储量丰富，应用前景广阔。在农业上，这五种资源被用作土壤改良剂，其利用取得了一定的进展，但对这五种资源自身的一些特性，如重金属含量、有机质、氮、磷、钾含量和吸水、释水性缺乏研究，以及五种资源之间缺乏对比。故此，文中通过研究油渣、草炭、风化煤、油页岩、蛭石的有机质、氮磷钾含量及吸水、释水性，明确这五种材料的基本性质，并采用多目标决策技术对这些指标进行了综合评价，为这五种资源在农田土壤改良利用方面的研究提供依据。

　　1、 试验设计与研究方法

　　1． 1 供试材料

　　试验用土采自陕西杨凌西北农林科技大学节水灌溉试验站，为塿土，采集深度为 0 ～30cm。其砂粒、粉粒、黏粒含量分别为 25． 82%、61． 63%、13． 05%，该土壤类型属于粉砂质土壤。试验选用的五种天然土壤改良剂主要来源分别是: 油页岩来自陕西省三原县向阳页岩加工厂，690元/t; 蛭石来自河北省石家庄市灵寿县敏诚蛭石加工厂，500 元/t; 草炭由河北省石家庄市灵寿县敏诚草炭有限公司提供，1000 元/t; 油渣为杨凌油渣厂生产油菜油后剩余的油菜渣，1900 元/t; 风化煤来自甘肃省平凉市华亭县华亭煤矿，600 元/t。

　　以上土壤材料及页岩、蛭石、草炭、油渣、风化煤等材料均风干后粉碎过 1mm 筛待用(图 1) 。

　

　　1． 2 试验设计

　　试验共设 6 个处理: 对照(CK) 、油渣处理(YZ) 、页岩处理(YY) 、蛭石处理(ZS) 、草炭处理(CC) 、风化煤处理(FHM) 。各处理均称取 100g 装入环刀，轻轻震荡，使材料铺平，采用随机排列方式摆入塑料盘中(图 2) 。向塑料盘中注水，水位与材料高度一致，使材料从底部吸水。各处理均设置 4 次重复。

　　1． 3 试验测定项目与研究方法

　　用称重法测定材料的吸水量与蒸发量。吸水时，各处理每天早晚 10 时称重，重量差小于 0． 5g 时材料饱和，停止吸水。将各处理从盘中取出放置 8 个小时，待重力水从底部渗出后，放入人工气候箱，控制温度为 35℃，相对湿度为 70%，每天早晚 10 时称重，直至重量差小于 0． 5g，蒸发结束。按国家行业标准 NY525－ 2012 的要求，采用重铬酸钾 － 硫酸氧化外加热法测定有机质含量，全量蒸馏滴定法测定氮含量、磷钒钼黄光度法测定磷含量、火焰光度法测定钾含量。重金属镉、汞、铅、铬、砷采用硝酸 + 氢氟酸 + 高氯酸全分解方法消煮，原子吸光光度法测定。吸水倍率是指 1g 吸水性材料吸收水的质量。吸水倍率越大其吸水能力越强。

　　待材料吸水饱和后，称取其质量，按(1) 式进行计算:

　　

　　式中: Q 为吸水倍率; ms为饱和后材料与水的质量，g;mo为材料的质量，g。用材料蒸发一定时间后的水分含量除以材料的吸水量，得到材料蒸发一定时间后的保水率，来反映材料的抗蒸发性。公式:

　　式中: Bt为蒸发 t 天后材料的保水率; Wt为蒸发 t 天后材料的含水量; Ws为材料的吸水量; mt为蒸发t 天后材料与水的重量，mo为材料的重量; ms为饱和后材料与水的重量。

　　2、 结果与分析

　　2． 1 不同材料重金属含量分析

　　对油渣、草炭、风化煤、油页岩、蛭石五种土壤改良剂的镉、汞、铅、铬、砷等重金属含量进行测定(表1) 。由表 1 可知，各土壤改良剂的镉、汞、铅、铬、砷等重金属含量均满足国标 GB8172 － 87 要求，没有超标的现象，所以这五种土壤改良剂均可施于土壤，不会造成土壤重金属污染。

　　2． 2 综合评价

　　采用层次分析法和效用函数法相结合的多目标决策技术对页岩、蛭石、草炭、油渣、风化煤五种材料进行评价。其具体步骤是:

　　(1) 建立选材目标层次。从选材的实际出发，把选材目标 A 分解为准则层 B(包括: 养分含量 B1、吸水性 B2、保水性 B3和抗蒸发性 B4) ，准则层下为性状指标层 C，把每个准则又分解为若干性状指标 Cj，构成选材目标递阶层次结构模型(图 3) 。原始数据(表 2)。

　

　　(2) 确定各性状指标的权值。选材目标的优劣，与各个性状有关，根据经验取养分含量 B1(其中有机质含量 C1、氮含量 C2、磷含量 C3、钾含量C4均为 0． 25) 、吸水性 B2、保水性 B3和抗蒸发性 B4权重分别为 0． 25。

　　(3) 性状指标无量纲化。选材试验中，要求比较的各性状指标的量纲不尽相同。为此，采用效用函数法化多量纲为无量纲，这样就能使用统一的测度，对欲比较的材料进行综合评价。若待评材料系为 m 个，性状指标为 n 个，其材料 i 第 j 个性状指标值为 Xij。对第 j 个指标选取最大值Xj和最小值Xj为：

　　那么，第 i 种材料第 j 个性状指标的效用函数可表示为: Y = (Yij) max

　　(4) 建立多目标材料优选函数。性状指标的权值计算和无量纲化，可为建立选择函数作准备，最终是要给出材料评价的相对量化值。已知性状指标对于总目标的权值向量为 W = (W1，W2…，Wn) ，效用函数为:

　　Y = (Yij) m × n，根据多目标决策的线性加权法，则材料综合选择函数可表达为:

　　

　　Ai值总在［0，1］范围内，Ai值越大的种类，综合性状指标越好。

　　(5) 分析。材料的各性状指标的无量纲化结果(表 3) ，表 3 根据(6) 式得表 4。由表 4 知，材料的养分含量选择函数值排序前三位的依次是油渣 ＞ 风化煤 ＞ 蛭石，吸水性、保水性、抗蒸发性选择函数值排序前三位的依次是蛭石 ＞ 油渣 ＞ 风化煤。而综合值排名前三位的依次是油渣 ＞ 蛭石 ＞ 风化煤，其中油渣的养分含量及抗蒸发性最优，蛭石的吸水及保水性最优。

　　3、 讨论

　　土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。土壤重金属的来源主要有大气沉降、污水、固体废弃物和农用物资。对页岩、蛭石、草炭、油渣、风化煤五种土壤改良剂的重金属含量进行测定，根据国标 GB8172 －87 要求进行分析，结果显示，五种土壤改良剂的重金属含量均满足国标 GB8172 －87 要求，可以施用于土壤，不会对土壤造成重金属污染。

　　有机质既是植物矿质营养和有机营养的源泉，又是土壤中异养型微生物的能源物质，同时也是形成土壤结构的重要因素。氮、磷、钾是植物生长所必须的大量元素。五种土壤改良剂的养分含量均比土壤高，其中风化煤的有机质含量最高，油渣的氮磷含量最高，蛭石的钾含量最高。风化煤中含有大量再生腐殖酸(HA) 和多种含氧活性官能团，能够改良土壤，提高土壤肥力。油渣是葵花籽榨完油的产物，氮和磷的含量相对较高。吸水性、保水性及抗蒸发性是衡量土壤改良剂水分特性的重要指标。五种土壤改良剂中蛭石的吸水性及保水性最好，油渣的抗蒸发性最好。这是由于蛭石经过高温焙烧，体积膨胀了数十倍，且具有层间结构，吸附力增强。

　　采用多目标决策技术，从养分含量、吸水性、保水性及抗蒸发性方面对五种土壤改良剂进行综合评价，选择函数值排名为: 油渣 ＞ 蛭石 ＞ 风化煤 ＞ 草炭 ＞ 页岩 ＞ 土壤。因此，建议选择油渣、蛭石、风化煤来应用于土壤，进一步研究其对土壤肥力及土壤水分的影响。而且针对单项材料改良土壤不全面的问题，可以尝试用不同材料配合施用来解决，但施用配比及施用量、施用方式还需进一步研究。

　　4、 结论

　　油渣、草炭、风化煤、油页岩、蛭石五种土壤改良剂的重金属含量均满足国标 GB8172 －87 要求，可以施于土壤而不会对土壤造成重金属污染; 采用多目标决策技术对其养分含量、吸水性、保水性及抗蒸发性进行综合评价的结果显示，选择函数值排名前三位的是: 油渣 ＞ 蛭石 ＞ 风化煤，其中油渣的养分含量及抗蒸发性最优，蛭石的吸水性、保水性最好。

　　基于上述分析探讨，需开展油渣、蛭石、风化煤等土壤改良剂单独施用以及混合施用后的土壤和作物效应研究，明确其对土壤水分、养分及作物生长的影响，提出不同土壤改良剂大田作物应用的最佳施用量。

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