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黏土矿物在土壤改良中的应用分析

作者:未知

  摘 要 黏土矿物自身独特的晶体结构和优异的物理化学性能,在土壤改良方面具有很大的应用潜力。基于此,综述了黏土矿物在土壤物理性状改良,土壤肥力水平提升,污染土壤修复治理方面的研究进展,对于科学合理的利用黏土矿物材料改良土壤具有一定的借鉴作用。
  关键词 黏土矿物;沸石;膨润土;凹凸棒;土壤改良
  中图分类号:S152.5;X53 文献标识码:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.06.098
  世界范围内大规模的农业生产活动以及对土壤资源掠夺式的过度利用,引起全球范围内严重的土壤退化问题,包括土壤肥力贫瘠化、土壤酸化、土壤盐碱化以及土壤污染等,直接影响着社会的可持续发展,威胁着人类的生存,引起了广泛的关注。黏土矿物因其自身多孔的性质,具有较强的吸附性能、离子交换性能等,逐渐引起学者们的重视。利用沸石、膨润土、凹凸棒等黏土矿物作为环境改良材料在土壤性状改良、污染物修复治理等方面的应用日益普遍。我国黏土矿物储量丰富,利用其进行土壤改良,对优质高产高效农业发展具有非常重要的意义。
  1 黏土矿物的性质
  黏土矿物是在风化成土过程中形成的次生矿物,常见的作为土壤改良材料的黏土矿物有沸石、膨润土、凹凸棒等。
  1756 年,瑞典矿物学家Freige发现了沸石;1972年,我国在浙江省缙云县发现了第一个天然沸石矿。目前,已发现的天然沸石有50种左右[1]。沸石的表面积非常大,其比表面积可达355~1 000 m2·g-1,故而具有很大的吸附量[2]。沸石内部孔道均匀,孔径大小0.3~1.0 nm,对离子和分子具有一定的选择吸附性。
  膨润土具有很好的黏结性、吸附性、离子交换性等,被形象的称为“万能土”,其阳离子交换量一般为50~90 cmol·kg-1,保水能力非常强,吸水率高达100%~240%。
  1976年,我国在江苏地区发现了凹凸棒矿,我国凹凸棒储量居世界前列,占全球总储量的50%以上[3]。凹凸棒晶体有棒状和纤维状等,表面凹凸布满沟槽,比表面积非常大,阳离子、水分子和一些有机分子可被吸附于孔道中[4]。
  黏土矿物独特的晶体结构和优异的物理化学性能对于协调土壤水肥气热,提升土壤肥力效果显著,可当作土壤改良剂使用。
  2 黏土矿物在土壤改良中的应用
  2.1 改良土壤物理性状
  黏土矿物可改善土壤物理性状,有研究者采用沸石改良土壤结构,结果显示沸石促进了土壤团聚体的形成,施用沸石后,土壤团聚体含量明显增多,土壤总孔隙度增加了1.7%,容重降低了0.1 g·cm-3 [5],更加有利于作物的生长。邵玉翠等研究表明,土壤施用膨润土可使容重降低12.23%,孔隙度增加12.28%[6]。黏土矿物可提高土壤水分储量,对于增强土壤抗旱性具有重要意义。有研究者发现,沸石可使耕作层水分提高1%~2%[7],耕作层田间持水量比对照提高5%~15%,最高接近28%[8];李吉进等研究发现,沙土施用膨润土可显著提高沙土水分含量[9];有学者指出,凹凸棒土有较高的吸水率,用凹凸棒作为土壤改良材料,可显著减少农田灌溉量,凹凸棒可作为保水剂使用,对于提高作物产量和水肥利用率作用显著[10]。施用黏土矿物材料,改良了土壤结构,增强了土壤抗旱性,可有效防止土壤板结现象的产生。
  2.2 提升土壤肥力水平
  随着肥料在土壤中的施入,养分会因挥发、淋溶等而损失。黏土矿物具有很强的离子交换性能和吸附性能,施入土壤可起到保肥供肥,提高养分利用率的重要作用。黏土矿物还含有较高的矿物营养元素及微量元素,施入土壤后可增加土壤肥力,有效减少化肥使用量,节省农业生产成本。有研究指出,沸石对NH4+具有很强的吸附性,吸附量相当于一般土壤的9倍,所吸附的NH4+60%以上可解吸供作物利用,可有效降低挥发、淋溶等引起的氮肥损失[11]。土壤中沸石与化肥混施,玉米和水稻氮肥利用率提高8.1%以上,磷肥利用率提高6.0%以上。刘秀珍等经研究指出,膨润土可储存交换态钾将磷肥以有效态和缓效态形式储存,有效防止土壤对钾肥和磷肥的固定,提高肥料利用率[12-13]。有研究表明,酸化处理的凹凸棒可有效防止尿素、硫酸铵、硫酸铵等肥料中的氮损失[14]。施用黏土矿物可有效提高土壤中铁、钙、镁、铜等中微量元素含量,对于提升土壤肥力水平具有重要意义。
  2.3 修复治理污染土壤
  黏土矿物因其独特的结构,决定了其在污染土壤修复治理方面的巨大潜力,可吸附固定土壤中的有害物质,减轻土壤污染。沸石除了用作修复Pb 、Ni等重金属污染土壤外,还被应用于放射性污染土壤中放射物质的控制。有研究者对比了沸石、膨润土等黏土矿物对重金属Cd2+的吸附能力,结果显示,二者对重金属Cd2+均具有很好的吸附作用,但膨润土的吸附效果优于沸石[15]。膨润土还可用于修复治理Pb和Zn等复合污染土壤,研究指出,在pH为5的条件下,污染土壤与膨润土的比例为5∶1时,修复效果最佳[16]。凹凸棒对重金属Pb2+、Cd2+、Cr6+、Ni2+等均具有很好的吸附去除效果。谭科艳等研究显示,凹凸棒石与土按照1∶20的质量配比时,对铜锌镉重金属复合污染土壤的修复效果最佳[17],热活化后,凹凸棒的吸附能力显著提高。应用黏土矿物修复治理污染土壤可原位进行,费用低廉,具有很大的应用潜力。
  3 小结
  黏土矿物材料具有天然的独特晶体结构和优异的物理化学性能,不仅能够改善土体结构,提高土壤保水性能,增加土壤肥力,修复污染土壤,而且其储量丰富,来源广泛,价格低廉,本身不产生二次污染,可对土壤环境起到一定的修复作用。因此,利用环境矿物材料改良土壤具有良好的經济效益和环境效益。
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  (责任编辑:刘昀)
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