摘要：为土壤修复和治理提供理论支撑，阐述了土地工程中的替代性成土材料的选择原则及有机土体材料的来源，并展望土体材料在土地工程中的应用前景。
关键词：退化土地,修复,有机土体材料,筛选
目前,全球面临荒漠化扩增、耕地日益减少及土壤污染等世界性问题,因此增加耕地面积和提高耕地质量是有关学者们研究的目标和热点。20世纪中期,一些发达国家,尤其是一些土地资源比较稀缺的国家就开始对人造土壤问题进行探索和研究[1,2]。因此,依据生产实际的迫切需求和国际学科的发展动态,亟待开展“替代性成土材料”的筛选与配置研究。然而,随着产品本身对环境性能要求的不断提高,从更广泛的角度考虑材料的选择是人类文明发展的必然趋势。探索和开发具有良好使用性能或功能的替代性成土材料,需要从生态保护环境的角度出发,选择具有资源或能源消耗较低、能与环境相协调的特征土壤改良修复材料。
在全球人口继续增加,土地面积紧缺的背景下,如何对未利用土地、退化和污损土地进行有效地修复,已成为当今土地工作者在土地工程实践、理论探索中亟待研究和解决的关键性科学问题。基于土壤材料的自然形成极其漫长,而土地工程所面临的问题与类型又极其繁多,在开展土地工程中,依据生产实际的迫切需求和国际学科的发展动态,亟待开展“替代性成土材料”的筛选与配置研究。为此,笔者阐述了土地工程中有机土体材料选择的原则,并展望土体材料在土地工程中的应用前景,以期为土壤修复和治理提供理论支撑。
1 有机土体材料的内涵
土体有机重构材料分为天然材料、人工合成材料以及废弃物的利用。首先对各种材料研究对象进行处理,处理完以后进行土体重构,同时加入有机生命体生长所需要的大量、中量以及微量元素,即进行土体有机重构。需要继续扩大替代性成土材料选择的范围,研究各类材料作为替代性成土材料的可行性评价指标及可行性分析,研究材料的处理措施与搭配方案,研究材料的应用范围及其应用效果,主要从可持续利用、植物产量和品质以及环境效应等方面开展系统研究[3,4]。在土地工程领域内,大范围可供选择的替代性成土材料:一是建筑废弃物,包括砖块和水泥块体以及一些生土建筑物料,各地生产量很大,对其开发利用有助于减少环境压力,保护耕地资源。二是矿物废弃物,主要为采矿的矿渣和尾矿等,只需检测其中的金属含量即可选用,一些尾矿已经过粉碎处理,从粒度上不存在问题,更有应用价值的是煤矸石,其属于一种有机矿藏,有利于成土和营养供给。三是自然风化的松散页岩,风化的页岩是国内外常用的替代性成土材料。四是有机物料,如各种植物体、动物有机肥等可作为成土的搭配材料。众所周知,“宇宙土壤”就是典型的人工土壤,在沙中添加植物生长所必须矿肥,由俄罗斯科学家在“礼炮1号”轨道科学考察站研制,用于种植蔬菜[5]。以色列研究人员采用40%的废纸屑改良土壤,不仅实现了废纸资源回收利用,还可以促进某些植物生长[6]。尽管国内外针对土壤性质、功能的调控材料已有很多,研究成果也极为丰富[7,8],但是这些材料都是建立在小范围、小剂量使用工作中,在土地工程中必须寻求功能相当、更加廉价、易得的土体有机重构相关材料。土体重构无机材料要广泛开展钙基制剂、硅基制剂以及铁制剂的研究,尤其是开发金属加工业的废弃铁屑在水田、海面城市、污染土壤修复中的使用效应研究。
2 生态环境材料选择的原则
随着人们对材料与环境如何协调发展问题的日益重视,生态环境材料应运而生。生态环境材料主要是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性,或是能够改善环境的材料。绿色产品设计已成为现代设计技术的研究热点之一,产品不仅应考虑材料的力学性能、物理化学性能、功能和结构等基本性能要求,更应着重考虑材料的环境属性[9,10]。因此,产品设计的选材原则首先考虑性能优良、环境负荷小的环境材料,一是尽可能使用自然界中可循环的材料,二是尽可能少地使用自然界中不可循环的材料,最大限度利用材料资源和节约能源,选择和使用材料的原则主要有以下几个方面:1)少用短缺或稀有的原材料,多用废料、余料或回收材料作为原材料,尽量寻找短缺或稀有原材料的代用材料,有效提高产品的可靠性和使用寿命。2)减少产品中的材料种类,以利于产品废弃后的有效回收。3)优先采用可再利用或再循环的材料。4)采用相容性好的材料,不采用难于回收或无法回收的材料。5)选用废弃后能自然分解并为自然界所吸收的材料。6)选用环境兼容性涂层材料。7)少用或不用有毒有害原材料。
3 土地工程中的有机土体材料
人造土壤是利用岩石、工矿及建筑业固体废弃物、各种有机物为原料,经过分选、粉碎、研磨,按一定比例混合后发酵制成造土堆肥,然后将造土堆肥与无机原料粉(即造土母质)按一定比例混合制成具有一定蓄水、蓄热、透气、肥力,达到植物生长所需基本条件的土壤。人造土壤具有易于实施、可工业化大规模生产,利用其发展农业经济与治理工矿废弃物、江河湖海污染、处理城市生活垃圾和环境保护协调起来,形成良性循环,尤其对贫瘠山区、沙化地区、海岛等土壤缺乏地区开发更具重要意义,宜于推广应用。对于新增耕地要广泛开展先锋植物的筛选与培育技术研究。植物涉及粮食作物、蔬菜、果树、中药材、牧草、绿肥以及苗木,选择范围立足于当地土着植物,并且配合从异地引种和扩繁等。
对于土源受限地区,需要研究土体有机重构的主体材料,即替代性成土材料。目前,国际上人造土壤的材料主要是一些缓矿化分解的有机物料和生活废弃物等。新材料代替土壤较为成功的是自然表层土、废物循环利用基质和人造表层土等3种。其中,自然表层土种类最丰富,从酸性土、沙土、腐殖土到泥炭土、粘土,这些均取于自然界,各项指标变化较大。循环利用基质来源于各种工业农业废料,如大田表层土、底层土、粘土,炼钢厂的下脚料,倒塌的建筑砖块、水泥块、玻璃、金属、木头、塑料,通过回收加工成栽培基质,常与其他类型土壤混合使用。人造表层土是将2种或2种以上土壤材料进行深层次混合,达到满足植物根系生长发育的要求,其中包括人造表层土、底层土、沙土、绿色混合堆肥和生物栽培基质等。研究基质指标时主要考虑土壤肥力(养分)、结构、质地、pH(酸碱度)值、含水量、传导性等。
一直以来,污泥被视为农业生产的天然土壤,如城市废弃物形成的污泥、污水处理厂产生的污泥、工业废弃物经过处理产生的污泥等经过加工处理后用于农业生产。日本利用废弃物制成了一种无臭味、含有丰富微生物,且与污泥成分相同的人造土壤。
泥炭营养土是城市绿化和家庭养花理想的栽培基质,属于一种人工合成土壤。目前,我国泥炭营养土的制备主要是以优质的天然泥炭为原材料,通过添加适量的基质材料和大量的营养元素配制而成。泥炭营养土具有无毒、无污染、重量轻、肥效长久、疏松透气等自然土壤的一切有利因素。泥炭营养土能适合大多数花卉、苗木和蔬菜育苗与生长,还能使蔬菜上市期提早1～2周。泥炭营养土的应用范围较广,能够在沙漠、海岛、盐场等地区进行种植蔬菜、花卉和作物等,以改善当地的生活条件和生存环境。因此,泥炭营养土被作为花卉、苗木和蔬菜等植物生长较为经济有效的理想基质。
4 材料在土地工程中的应用与展望
土地工程不仅需要材料的加入,而且能为医药、美容、食品、石油开采等行业提供良好的材料。蒙脱土拥有“皂土”和“万用土”的美称,具有很强的吸附、洗涤、絮凝能力等,用于毛纺洗涤、污水处理与净化,是一种灭火、防水材料,也用于造纸、制造铅笔、复合肥料、饲料等生产行业。
随着土壤修复技术的发展和不断创新,纳米材料(粒径为1～100纳米)修复技术作为一种高效、经济的有机污染土壤修复技术,为人们提供了新的研究机遇[11]。相比一般的有机污染土壤修复技术,比表面积大、吸附螯合能力强及催化活性高等是纳米材料的特性,使得纳米材料修复技术克服了传统修复技术的部分缺点,在有机污染土壤修复中表现出极高的修复效率[12,13,14]。在实际生产实践中,纳米材料的选择应由污染物的性质决定,并且在纳米材料的设计过程中,应对其修复机理和其在土壤环境中的实际行为进行深入研究,分析其对土壤修复过程的关键性基团,从而选择适宜性的材料进行土壤修复。近年来,环境友好型纳米材料修复有机污染土壤的研究已成为国内外关注的热点,主要集中在纳米材料的制备、结构表征、污染物去除机制和去除效率等方面[15,16]。
在土地工程中,今后应加强土地修复植物材料的研究,对植物材料进行培育、筛选、驯化,甚至借助于现代生物技术,开展转基因土地修复材料的研究,获得改善土壤质量的植物种或品种。微生物产品开发研究,利用现代微生物工程技术,从有关逆境土地环境中分离、筛选、扩繁具有特殊功能的微生物菌种资源,利用工厂化生产微生物制剂应用于生土快速熟化的土地工程,并逐渐建立土地工程微生物菌种资源库。土壤动物产品研发,主要开展蚯蚓养殖,用蚯蚓和作物秸秆、枯枝落叶、生活废弃物等一起生产生物有机肥,研发生产优质土壤生物改良剂,并逐渐建立动物标本库。
参考文献
[1]钟晓晓，王涛，原文丽，等．生物炭的制备、改性及其环境效应研究进展[J]．湖南师范大学自然科学学报，2017,40(5):44-50．
[2]LEHMANN J,JOSEPH S.Biochar for environmental management science and technolog[M].London:Earthscan,2009．
[3]韩霁昌．土地工程基础[M]．北京：科学出版社，2017．
