关于粉末状石膏修复菱镁矿土壤污染的研究(3)

　　
　　3、讨论
　　
　　3.1 清洁土壤渗透速率变化规律
　　
　　土壤渗透速率由土壤结构和孔隙度决定的， 在淋洗初期土壤孔隙度较大， 淋洗速率也大。当淋洗一段时间后土壤表面小颗粒在水流带动下向下部运动并逐渐堵塞土壤大孔隙， 土壤的渗透速率逐渐下降。有研究表明， 土壤结皮的形成是以细砂和粗粉沙为骨架， 小于0.01 mm的细小颗粒逐渐填塞土壤孔隙的， 该过程为物理过程 （吴发启等， 2001） .随着土壤团聚体的分散和稳定， 空白对照组土壤的最终渗透速率稳定在0.367 mm·min-1.土壤经过淋洗后自然风干土壤表面会出现一层结皮， 该层结皮属于物理性土壤结皮。
　　
　　3.2 土壤结皮形成对土壤渗透速率影响
　　
　　采用人工模拟土壤结皮形成试验发现， 镁质土壤结皮可以降低土壤渗透性能， 随着淋洗次数的增加， 氧化镁粉尘对土壤渗透性能的影响表现的越明显， 付莎莎 （2009） 及刘庆等 （2011） 在研究土壤结皮对土壤渗透性能影响时同样得出本结论。和空白对照组相比， 加入氧化镁粉后土壤渗透速率下降较大， 其原因为：1） 土壤颗粒及氧化镁粉末在水流带动下向下运动而降低土壤孔隙度， 且氧化镁粉末粒径较小容易填充于大孔隙之间增加土壤致密性， 因而降低土壤渗透速率；2） 在第二次淋洗时由于第一次淋洗氧化镁粉末溶于水经过风干后在土壤表面形成一层坚硬致密的镁质土壤结皮， 该致密结皮层难以被向下渗透的水流破坏， 所以和空白对照组相比， 加入氧化镁粉末后土壤的渗透速率明显下降， 即镁矿区周围氧化镁粉尘在土壤表面形成镁质土壤结皮可以严重降低土壤渗透速率 （Wang et al., 2015） .许多试验研究表明， 菱镁矿区形成的镁质土壤结皮是由菱镁矿粉尘中的氧化镁造成的：大量的氧化镁粉尘降落于矿区周围的土壤表面， 在自然条件下发生了物理和化学反应形成了沉积型结皮 （焦阳， 2014;AlKayssi, 2016） , 因此， 在被氧化镁粉尘污染的土壤表面形成的土壤结皮以沉积型土壤结皮为主， 其次也会分布少量物理结皮。第二次土壤淋洗渗透速率较第一次下降较大说明结皮降低土壤渗透速率较为显着。在实际矿区污染区域， 由于氧化镁粉尘的不断积累， 随着土壤经过多次雨水淋洗后及积累时间的延长， 形成的结皮厚度也在不断的增加， 结皮容重及紧实度也随之不断增加， 严重影响土壤理化性质 （刘庆， 2011） .Mcintyre （1958） 及程琴娟等 （2013） 的研究同样得出， 表土有结皮的土壤入渗率明显低于无表土结皮表面， 且结皮的存在是降低土壤渗透速率的主要原因， 与本实验结果一致。
　　
　　3.3 石膏对含氧化镁污染土壤渗透速率影响
　　
　　被氧化镁粉尘污染土壤中加入石膏后土壤的渗透速率得到显着提高， 原因是加入的氧化镁粉与水反应生成氢氧化镁：Mg O+H2O→Mg （OH） 2, 氢氧化镁又与溶液中的镁离子和硫酸根离子发生化学反应：Mg （OH） 2+Mg2++SO42-+H2O→3Mg （OH） 2·MgSO4·8H2O.通过该反应生成的3.1.8相硫氧镁水合物呈网状结构， 一方面这种网状结构可以防止土壤表层从上往下迁移的物质， 通过增加土壤孔隙度来增加土壤渗透速率；另一方面虽然土壤中的石膏溶解会促进3.1.8相硫氧镁水合物， 一定程度上增加土壤表面硬度， 提高土壤表面稳定性。因此对于长期被菱镁矿粉尘污染的土壤施加石膏可以有效的改良土壤结构， 增加土壤结构稳定性， 提高土壤渗透速率。
　　
　　3.4 氧化镁粉尘及石膏对土壤p H影响
　　
　　加入氧化镁粉尘的土柱经过两次淋洗试验后， 测得渗出液的p H值为8.97, 明显高于试验土壤。其原因一方面是因为土壤中加入氧化镁粉后在淋洗时氧化镁容易水解即：Mg O+H2O （l） →Mg （OH） 2, 生成的氢氧化镁为碱性含镁化合物， 使得渗出液p H显着升高；另一方面氧化镁与二氧化碳反应生成碳酸镁：Mg O+CO2→Mg CO3, 且伴随副反应发生， 即4Mg CO3+Mg （OH） 2+4H2O→4Mg CO3·Mg （OH） 2·4H2O, 碳酸根离子在水中水解产生氢氧根离子同样可以增加淋洗液的p H.国外学者在研究西班牙某处菱镁矿煅烧厂附近土壤p H值变化时发现， 造成土壤p H值上升的一个重要因素是粉尘中的碱性氧化镁导致的 （Machin et al., 2000） .Joshi等 （1997） 对印度Kuman Himalaya区被菱镁矿粉尘污染的土壤和水调查时发现土壤和水的p H值在9.3~9.6, 和本实验结果比较接近。
　　
　　在含氧化镁粉尘的土壤中加入石膏后测得土柱渗出液的p H值为8.39, 和试验土壤的初始p H值相近， 比加入氧化镁粉尘的土柱淋洗液p H降低了0.58, 原因是土壤中的氧化镁粉末遇水反应生成的氢氧化镁又与镁离子和硫酸根离子发生反应生成了3.1.8水相物质， 降低了氢氧化镁在土壤中的作用效果， 在含有氧化镁粉尘的土壤中加入石膏后不仅可以改变土壤渗透性能， 也可以调节土壤酸碱度， 修复碱性土壤。
　　
　　3.5 氧化镁粉尘及石膏对土壤结构影响
　　
　　由于镁质土壤结皮致密的结构可以抵抗水流的冲击力较强， 所以该结构即使在雨水冲刷情况下也难以被破坏， 故有效的降低了土壤的渗透速率；同时致密的结皮层较对照组土壤的孔隙度也严重降低， 进而抑制水流下渗。土壤形成镁质结皮后硬度比正常土壤形成的物理性结皮大， 原因可以从两方面解释：1） 氧化镁粉尘与土壤中的Si O2发生化学反应生成微量水泥物质Mg Si O3致使镁质土壤结皮硬度增加；2） 碳酸镁溶解度较低， 在淋洗状态下沿着孔隙向下运动， 逐渐阻塞土壤的细小孔隙， 致使土壤结皮坚硬而致密 （刘庆， 2011） .
　　
　　在土壤中加入石膏和氧化镁粉末混匀淋洗后土壤表面变得粗糙， 土壤孔隙度明显增加， 且土壤表面硬度最大， 原因是Mg （OH） 2+Mg2++SO42-+H2O→3Mg （OH） 2·Mg SO4·8H2O, 3Mg （OH） 2·Mg SO4·8H2O作为镁水泥的主要组成部分， 增加了土壤表面结皮的强度， 这种物质也作为土壤表面结皮的骨架， 说明石膏具有促进结皮形成的作用。有研究表明， 3.1.8相硫氧镁水合物在水溶液中不稳定易分解 （Deng, 2003） , 方程式如下：3Mg （OH） 2·Mg SO4·8H2O→3Mg （OH） 2+Mg2++SO42++8H2O, 在自然条件下随着降雨的进行， 形成的3.1.8相物质分解后土壤结皮的骨架强度消失， 土壤结皮发育得到控制和消除。因此， 石膏可以作为土壤修复剂用于修复被氧化镁粉尘污染的土壤。 …… 此处隐藏：1327字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……