大宗固废土壤化利用研究

摘要：随着我国近年来工业化、城镇化、农村集约化进程的加速，土壤问题日益突岀，耕地土壤质量正逐步下降，已经影响了农业生产活动。同时大宗有机无机固废产生量大、历史堆存量大，由于附加值低、利用成本高、工程技术研发不足等诸多因素的影响，综合利用率低。大量未处置的固体废弃物很容易对环境造成直接、间接或潜在的污染。除了回收利用其中的有用成分外，大宗固废经无害化处理和风险评估后用于生产农肥和人工土是减量化的有效途径。以无机和有机废料按一定比例混匀过筛培养后形成有机无机团聚体，再根据实际需要添加无机肥料和微生物，调节pH，使其具有和土壤相似的性质和稳定性，制成以植物生产为目的的人工土壤。指出了未来大宗固废土壤化技术研究中要关注土壤持水性指标，土壤溶液变化，更要重点关注土壤中微生物的作用，特别是新合成人工土壤中的微生物的组成、微生物量及一些关键酶的活性。

关键词：土壤，土壤微生物，大宗固废，综合利用，土壤化

0引言

人类文明的发展过程就是人类认识资源、掌控资源、利用资源的过程。资源综合利用既是国家与社会生态文明建设要求，也是科技文明发展的结果。

2019年国务院办公厅印发《“无废城市”建设试点工作方案》以“创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念为引领，持续推进固体废物源头减量和资源化利用，最大限度减少填埋量”的城市发展理念；同时,《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》提出以“集聚化、产业化、市场化、生态化为导向，以提高资源利用效率为核心，着力技术创新和制度创新，探索大宗固体废弃物区域整体协同解决方案，带动资源综合利用水平的全面提升，推动经济高质量可持续发展。”从国家战略层面肯定了资源综合利用的重要意义。

土壤的组成可以概括为三个部分：固体部分、液体部分和气体部分，它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。土壤是地球表层系统中，生物多样性最丰富，生物地球化学的能量交换、物质循环最活跃的生命层，是环境污染物的缓冲带和过滤器。总的来说土壤是地球绿地生态系统的基础、地球表层系统自然地理环境的重要组成部分、人类农业的生产基地。

我国近年来伴随工业化、城镇化、农村集约化进程的加速，土壤问题日益突岀。目前耕地土壤质量正逐步下降，农业部对全国污灌区的调查结果重金属污染占64.8%、轻度46.7%、严重8.4% ^[1]。工矿业废弃地的土壤问题也逐渐凸显，土壤恶化速度加快。土壤污染不仅影响土壤与土地生产力、导致水体与大气环境恶化，而且制约着我国向高质量发展的转变。2014年生态环境保护部联合国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》使土壤污染控制进一步成为环境与生态领域的热门方向，土壤修复技术迅猛发展。

我国国民经济快速发展的同时，大宗固体废物的产量迅猛增加并大量堆存，带来土地、资源、环境、安全等一系列问题。资源、环境已经成为制约我国高质量发展的重要因素。提高大宗固体废物的资源综合利用水平已成为缓解资源约束、减少废物排放、减轻环境污染的必然选择和有效手段。

根据生态环境部发布的《2019年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》，发表了2018年重点调查工业企业大宗工业固废的产生量，尾矿为8.8亿吨，综合利用2.4亿吨（其中利用往年贮存量1151.6万吨），综合利用率为27.1%；粉煤灰为5.3亿吨，综合利用量为4.0亿吨（其中利用往年贮存量为320.5万吨），综合利用率为74.9%；煤矸石为3.5亿吨，综合利用量为1.9亿吨（其中利用往年贮存量380.8万吨），综合利用率为53.7%；冶炼废渣为3.7亿吨，综合利用量为3.3亿吨（其中利用往年贮存量491.9万吨），综合利用率为 88.7%；炉渣为3.1亿吨，综合利用量为2.2亿吨（其中利用往年贮存量156.6万吨），综合利用率为 71.0%；脱硫石膏为1.2亿吨，综合利用量为9223.3万吨（其中利用往年贮存量121.8万吨），综合利用率为73.6%。我国大宗工业固废新增量大、历史堆存量大、成分复杂、技术研发不足等原因，导致资源化利用依然存在利用量小、附加值低、利用成本高、相关科研人员和工程技术人员缺口大、配套政策不协调等诸多问题。

固废处理的原则就是资源化、减量化和无害化，将无害化处理和安全风险评估后的大宗工业固废和生活污泥、畜禽粪便、作物秸秆等有机固废按一定比例混合过筛培养成有机无机团聚体，加入无机肥料平衡营养元素，筛选培育菌剂提高系统生物多样性进而提高系统稳定性，由此配制生产人工土壤，一方面可以大量减少固废的存量以及带来的一系列问题，另一方面人工土可以用来修复退化或污染的土壤。

1土壤组成及其环境质量标准

1.1土壤生态系统

土壤环境体系具备生态系统的主体特征，可将其定义为土壤生物与其所在的土壤环境相互作用而形成的物质循环和能量流动的统一整体，它包是由固、液、气三相构成的非均质各向异性的复合体系^[2]。

图1.1 土壤生态系统组成

1.1.1土壤矿物质

土壤矿物质是土壤固相部分的主体，构成土壤的“骨骼”。其中矿质胶体是土壤体系中最活跃的部分，对土壤环境中元素的迁移、转化和生物、化学过程起着重要的作用，影响土壤的物理、化学与生物学性质和过程。

(1)元素组成：土壤的化学元素几乎包括地壳中的所有元素。氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、碳、钛10种元素占土壤矿物总量的99%以上，但植物必需营养元素含量低且分布很不平衡。

 

 

 

 

 

 

表1.1 地壳和土壤元素组成及占比

注：本表来源于维诺格拉夫，1950，1962

(2)矿物组成：矿物质作为构成土壤的基本物质，决定了土壤的粒级、结构及基本性质，是植物矿物营养的源泉，是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素。常见的成土矿物有石英、正长石、斜长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、磷灰石和石膏等。

1.1.2土壤有机质

土壤有机质一般是指有机残体经微生物作用形成的一类特殊、复杂、性质比较稳定的高分子有机化合物，它和矿物质紧密地结合在一起，含量的多少是衡量土壤肥力高低的一个重要标志。土壤有机质主要包括未分解的动植物残体、分解的有机质、腐殖质。尽管有机质含量只占固相总量的很小一部分，但它是植物生长发育的养分主要来源，能改良土壤结构、提高土壤保水保肥能力、促进土壤微生物活动、提高土壤温度。

对土壤的形成与发育、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要的意义。

表1.2 中国某些自然土有机含量

1.1.3土壤水溶液

土壤液相包括了土壤水分和溶解在液相中的无机离子、有机组分等，是土壤的重要组成部分。土壤水分在很大程度上参与了土壤内进行的许多物质的迁移转化过程，如矿物质风化、有机化合物的合成和分解等，不断地影响作物的生长和土壤中许多化学、物理和生物学过程。

图1.2 土壤水分组成

1.1.4土壤气体

土壤气体对土壤微生物活动、营养物质、土壤污染物质的转化以及植物的生长发育都有重要的作用。主要来源于大气，但组成上与大气有差别，如表1.3所示。土壤气体和组成不是固定不变的，土壤气体与土壤水分同时存在于土体孔隙内，在孔隙度不变的情况下，土壤气体随土壤水分呈相应的消长关系。

表1.3 土壤气体与大气组成关系

1.1.4土壤生物

土壤生物作为土壤生态系统的核心部分，主要包括土壤动物、土壤微生物及高等植物根系，其数量、活性、种群组成、多样性构成了土壤发育及其特点的核心要素。

土壤微生物是陆地生态系统元素循环的驱动者，主导和参与系统中物质循环、能量转换以及污染物降解等一系列重要生态过程，是联系大气圈、水圈、岩石圈及生物圈的重要纽带，对维持土壤系统稳定性和受损土壤系统的恢复有重要作用^[3]。

土壤微生物系统的作用主要包括以下几个方面：

(1)形成土壤结构：自身的代谢活动促进土壤氧气和二氧化碳的交换，分泌的有机酸有助于形成更大的团粒结构，在土壤形成过程中起至关重要的作用。

(2)分解有机物：这是土壤微生物最显著的作用，土壤系统中的有机残体只有经过土壤微生物的作用，才能腐烂分解释放营养物质，形成腐殖质能有效改善土壤的理化性质。

(3)固氮、防病、促进生长：许多植物并不能直接吸收环境中的营养元素，与其共生的微生物如根瘤菌和真菌等能为植物直接提供氮素、磷素和其他矿质元素以及有机酸、氨基酸、维生素、生长素等各种营养，促进植物的生长。土壤中微生物之间存在这合作与竞争的关系，在互惠互利的同时也会抗病和灭杀有害菌。

(4)降解有机和无机污染物：不同种群微生物的共同作用能将土壤中有机农药、废弃物和重金属等污染物降解为低害甚至是无害的物质。

图1.3 土壤微生物作用

土壤微生物系统与土壤矿物和有机质的关系十分密切。微生物的代谢产物本身就是土壤有机质的主要来源；微生物表面能与矿物表面形成直接作用，微生物需要借助与矿物间的电子传递发生氧化-还原反应获取能量；此外，微生物也参与了土壤矿物对有机质的吸附，对土壤肥力释放和保持起重要作用^[4]。

在土壤化过程中发展微生物系统是必不可少的环节，根据固体废物的组成选择培育合适的微生物与其相互作用，如从磷酸盐矿物和硫化物矿物中获取营养物质和能量、诱导矿物形成自身所需矿物、生物控制次生矿物的形成等。提高土壤系统微生物多样性，让其向一个动态变化的自组织系统发展，以维持其组成和结构的相对稳定性，增强土壤微生物系统的抵抗力和恢复力，维护土壤生态系统的稳定性^[5]。

1.2土壤形成

土壤处于岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的交界面上，是陆地表面各种物质能量交换、形态转换最为活跃和频繁的场所。它是成土母质在一定水热条件和生物的作用下，经过一系列物理、化学和生物化学的作用而形成的。

1.2.1土壤形成因素

成土因素是影响土壤形成和发育的基本因素，它是一种物质、力、条件或关系或它们的组合，已经对土壤形成产生了影响或将继续影响土壤的形成和发育。成土因素包括母质、生物、气候、地形和时间在内的自然因素和产生深刻影响的人为因素。

1.2.2土壤形成的一般过程

生物体和土壤之间的吸收、固定和释放的过程称为生物小循环，它是生物学的过程，结果是使营养元素逐渐在土壤中累积；与之相反，岩石的风化、风化产物的淋溶与搬运、堆积进而产生成岩作用是物质的地质大循环。

土壤形成是一个综合性的过程，其实质是地质大循环的物质淋失过程和生物小循环的土壤元素集中过程的对立统一。主要的成土过程是地壳表面的岩石风化体及其搬运的沉积体在环境因素作用下形成具有一定剖面形态和肥力特征的土壤的历程，可以看作是成土因素的函数。由于各地区成土因素的差异从而产生土壤类型的分化。根据成土过程中物质交换和能量转化的特点和差异，土壤基本表现出原始成土、有机质积聚、富铝化、钙化、盐化、碱化、灰化、潜育化等成土过程。

(1)原始成土：从岩石露出地表着生微生物和低等植物开始到高等植物定居之间形成的土壤过程。

(2)有机质积聚：在木本或草本植被下，土体上部有机质增加的过程，它是生物因素在土壤形成过程中的具体体现，普遍存在于各种土壤中。由于成土条件的差异，有机质及其分解与积累也可有较大的差异，据此可将此过程进一步划分为腐殖化、粗腐殖化及泥炭化三种。

(3)富铝化：又称为脱硅过程或脱硅富铝化过程，包括脱硅作用和铁铝相对富集作用。是弱碱性条件下可溶性盐基及硅酸的大量流失，而造成铁铝在土体内相对富集的过程。

(4)钙化：成土母质中的碳酸盐在季节性的淋溶作用下，土体中碳酸钙可向下迁移至一定深度，以不同形态累积为钙积层，其碳酸钙含量一般在10%～20%之间。

(5)盐化：地表水、地下水以及母质中含有的盐分在蒸发作用下通过土壤水的移动，逐渐向地表积聚，或是已脱离地下水或地表水的影响，而表现为残余积盐的过程。

(6)碱化：碱化过程是土壤中交换性钠或交换性镁增加的过程。碱化过程的结果可使土壤呈强碱性，pH>9.0，土壤黏粒被高度分散，物理性质极差。

(7)灰化：在寒带和寒温带湿润气候条件下，针叶林的残落物被真菌分解，产生强酸性的富啡酸，对土壤矿物起着很强的分解作用。在酸性介质中，矿物分解使硅、铝、铁分离，铁、铝与有机配位体作用而向下迁移，在一定的深度形成灰化淀积层；而二氧化硅残留在土层上部，形成灰白色的土层。

(8)潜育化：该过程中铁锰强烈还原，形成灰-灰绿色的土体。有时，由于“铁解”作用，而使土壤胶体破坏，土壤变酸。该过程主要出现在排水不良的水稻土和沼泽土中。

1.3土壤质量评价

土壤物理状况被认为是土壤实现其生产功能和环境功能的基础，土壤容重、孔隙度、团聚体粒径分布以及水稳性团聚体的含量被广泛当作评价土壤物理性状的指标。

土壤物理性质和化学性质之间互相影响，可将两方面的参数同时作为土壤综合质量的评价指标。土层厚度、土壤容重、土壤有机碳含量、土壤pH值、导电性、渗透性、土壤有机质代谢率、速效氮、速效磷、土壤团聚性等可足够灵敏地反映土壤质量的变化。

土壤微生物是土壤质量变化最敏感的指标，它们能够反映土壤中有毒物质含量、肥力质量和环境质量。

因此，可用四类功能的７个土壤性状指标来评价土壤质量，即有机物资源（总有机碳、全氮和可矿化氮）、物理状况（容重、土壤微孔性）、肥力（磷）和酸（pH）。

1.4土壤环境质量标准

中国环境相关法律法规体系的构成主要包括：①宪法中关于环境保护的原则性规定；②环境保护基本法；③环境保护单行法规；④环境标准；⑤其他部门法中关于环境保护的法律规范。

在土壤环境法律法规体系中，专门土壤环境保护立法缺失。作为国家和地方法律法规的有益补充，土壤及土壤修复相关的标准、导则、规范等如表1.4所示。

表1.4 土壤及土壤修复相关标准、导则、规范

《中华人民共和国土壤污染防治法》	2018年08月
《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》(GB 15618—2018)	2018年06月
《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》(GB36600—2018)	2018年06月
《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB 18599-2001）	2001年12月
《危险废物贮存污染控制标准》（GB18597-2001 ）	2001年12月
《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）	2017年11月
《固体废物鉴别标准 通则》(GB 34330-2017 )	2017年08月
《危险废物鉴别标准 通则》（GB 5085.7-2019）	2019年11月
《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007 ）	2007年10月
《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/332—2006)	2006年11月
《矿山生态环境保护与恢复治理技术规范(试行)》(HJ651—2013)	2013年07月
《拟开放场址土壤中剩余放射性可接受水平规定（暂行）》（HJ53—2000）	2000年05月
《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166 -2004）	2004年12月
《场地环境监测技术导则》(HJ 25.2—2014)	2014年02月
《场地环境调查技术导则》（HJ 25.1-2014）	2014年02月
《污染场地风险评估技术导则》（HJ 25.3-2014）	2014年02月
《污染场地土壤修复技术导则》（HJ 25.4-2014）	2014年02月

 

 

表1.5 农用地土壤污染风险筛选值

单位：mg/kg

序号	污染项目a,b		风险筛选值
			pH≤5.5	5.5≤pH≤6.5	6.5≤pH≤7.5	pH＞7.5
1	镉	水田	0.3	0.4	0.6	0.8
		其他	0.3	0.3	0.3	0.6
2	汞	水田	0.5	0.5	0.6	1.0
		其他	1.3	1.8	2.4	3.4
3	砷	水田	30	30	25	20
		其他	40	40	30	25
4	铅	水田	80	100	140	240
		其他	70	90	120	170
5	铬	水田	250	250	300	350
		其他	150	150	200	250
6	铜	果园	150	150	200	200
		其他	50	50	100	100
7	镍		60	50	100	100
8	锌		200	70	100	190
9	六六六四种异构体总量		0.10
10	滴滴涕四种衍生物总量		0.10
11	苯并[a]芘		0.55
a 重金属和类金属砷均按元素总量计。 b 对于水旱轮作地，采用其中较为严格的风险筛选值。

2大宗固体废物

大宗固体废弃物是指对环境和安全影响较大、年产量高达1000万吨以上的固体废弃物，可以分为一般工业固废、农林废弃物以及建筑废弃物三类。其中，大宗工业固体废物涉及矿产、煤炭、电力等多个行业，废弃物主要包括赤泥、尾矿、炉渣、钢铁渣、有色冶炼渣、粉煤灰、煤矸石、工业副产石膏^[6]。

 

图2.1 一般固体废物产生量种类占比

大宗工业固体废物综合利用是资源循环利用的重要组成部分，是解决大宗工业固体废物不当处置与堆存所带来的环境污染和安全隐患的治本之策^[7]。赤泥常用来制备建筑材料（水泥、建筑砖、微晶玻璃）、提取有价金属元素以及作为共还原工艺中的添加剂；尾矿综合利用的主要方式有再选与回收有价元素及作为建筑材料、充填材料、土壤改良剂和微量元素化肥等；粉煤灰利用主要集中在农业、建材和建筑、化工、环保等方面，主要有土壤改良、建筑材料、陶粒和复合材料等；煤矸石可用作回填物料、建材和路基填筑物等；冶炼废渣主要利用途径和尾矿相似，除此外还能作高值材料；炉渣可用作建筑材料或者水处理吸附剂；副产石膏可用作建筑材料和土壤肥料^[8,9,10,11]。

目前我国大宗固废的利用当中尾矿、赤泥、煤矸石和粉煤灰的利用率较低，在大宗工业固废规模化利用方面，除充填和堆存外，建筑行业是主要的工业固废利用方向。

表2.1 2011—2019年我国一般工业固废的产生及利用情况

单位：万t

注： 2012-2015年数据为《2018年中国环境统计年鉴》官方公布数据，2016年以后的数据为前瞻工业固体废物研究团队依据公布的一般工业固体废物相关指标结合《2019年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》相关占比测算数据。

3大宗固体废物土壤化

我国是一个农业大国，农业生产活动主要在土壤上进行，土壤的性质在很大程度上决定着植物的生长发育和农业生产措施的效果。土壤是人类不可缺少的自然资源，急剧増加的大宗固体废弃物排放量，堆放和处置场地却日益减少的问题日益突出，这对我国的土壤资源及环境质量威胁严重^[12]。

许多固体废弃物的成分和性质与土壤所具有的成分类似，它们良好的物理性状或含有较高的养分和有机质含量，可在不同方面、不同程度上改善土壤某些性状，它们在土壤改良方面的应用历史较久。利用产生量较大的生活污泥、畜禽粪便、作物秸秆等有机固废和赤泥、尾矿、粉煤灰、副产石膏、钢渣、煤矸石等无机固废中的几种废物以一定比例配制生产人工土壤，并用来修复退化或污染的土壤已被证明是行之有效的方法。

3.1人工土壤质量评价

由固体废物制备的人工土壤要实现土壤的基本功能，须具备以下几方面的特性：

(1)合适的矿物学和生物地球化学性质；

(2)平衡的必需营养元素含量；

(3)适当的物理性质（孔隙度、粒径分布、持水性、团聚体稳定性）；

(4)适宜的土壤生物学性质；

(5)相对稳定的有机碳。

3.2大宗固废土壤化技术

对于固体废物土壤化而言，由于土壤与其母质在性质上有较强的继承性，而人工土壤的母质为固体废物，所以要赋予其土壤基本功能，必须要具备与土壤相似的基本组成、结构和性质。大宗固废土壤化的主要技术路线如图3.1所示：

图3.1 固废土壤化技术路线

3.2.1大宗有机固废土壤化应用

典型的大宗有机固废有生活污泥、畜禽粪便、菌菇渣、农作物秸秆等，它们的特点就是含有丰富的有机质，经过破碎或者堆肥后作为改良剂添加到工业固废中配制成人工土壤可有效改良土壤性质。

生后污泥含有大量的有机物、细菌菌体、无机颗粒，颗粒较细，含水率高且含较多植物营养元素。张俊森对小麦田施加城市污泥试验后发现，土壤中的速效氮、磷、钾含量得到显著增加，大大提高了土壤的肥力，随污泥施用量的增加，土壤理化性质有明显改善^[13]。污泥主要表现为改善了土壤物理性质（土壤团聚体数量和结构系数提高，容重下降），增加了土壤有机质和氮磷水平和増加了土壤的生物活性^[14]。

畜禽粪便通过人工控制水分、温度、酸碱度和调节碳氮比等条件，利用微生物进行发醇处理或经过腐熟处理后，其中含有丰富的有机质和氮、磷、砷等元素对植物生长有益的营养物质。将其用作土壤基质改良材料，既可以解决粪便的出路问题，又可以起到改良和培肥土壤的效果，是较理想的处置方法^[15]。

农作物秸秆主要的还田方式有覆盖还田、翻耕还田、腐熟剂腐熟还田、发酵还田和炭化还田等^[16]。通过秸秆还田可影响农田土壤容重、温度和水分，改变土壤N、P、K和土壤有机质含量。配施不同畜禽粪便的玉米秸秆原位条带堆腐还田有利于秸秆的腐解并促进玉米秸秆中碳、氮、磷、钾的释放^[17]。

菌菇渣是蘑菇栽培后剩下的废料，其来源广泛，成本较低；富含有机质，利于改善土壤肥力；且含多种矿物质元素和有机活性基团，有利于土壤改良，降低土壤重金属有效性。杨涵越^[18]等用蘑菇废料作为稳定剂进行了水稻盆栽实验，结果发现，施用蘑菇废料后的土壤中有效态镉含量下降64.0%以上，植株中镉含量下降27.9%，糙米中镉含量下降17.7%，土壤有机质含量提高了30.0%以上，水稻产量提高32.9%，明显提高了土壤生产力。

3.2.2赤泥土壤化技术

赤泥是制铝工业提炼氧化铝时排放出的一种固体废渣，其主要成分为氧化铁、二氧化硅、氧化钙、氧化铝、氧化钠以及二氧化钛等^[19]。目前赤泥综合利用率低的最大因素是赤泥中含有大量碱性物质和重金属等，国内外赤泥资源化途径较少、对赤泥利用的系统研究不足、未真正实现赤泥规模化综合利用，未来对赤泥综合治理利用应向大规模减量和回收有价元素方向发展^[20]。

表3.1 赤泥的化学成分

之前就有人将赤泥用于土壤修复，用于提高酸性土壤pH和土壤的固磷能力，此外还用于降低土壤中重金属元素的含量，抑制生物、微生物对重金属的吸附，而且赤泥的添加显著增加了土壤中微生物数量和酶活性，促进了土壤活性的恢复^[21]。

赤泥土壤化技术是在结合植物修复、土壤改良技术的基础上，提出的能一次性大量消耗处理赤泥的无害化方法。它的主要技术路线就是根据赤泥的具体成分和理化性质，研制出能够降低赤泥的碱性和重金属含量的添加剂，使改良后的赤泥具备植物生长的基本条件，并筛选出适合大规模种植的植物，从而达到以低成本对赤泥进行无害化处理的效果^[22]。

(1)基质改良

国内外对基质改良的研究主要围绕赤泥碱性调控和赤泥培肥两方面，使改良后的赤泥具备植物生长的基本条件。房超等选取泥炭土、蛭石和珍珠岩作为改良剂进行混配改良赤泥使其理化指标有一个明显的改善，能够满足黑麦草的发芽和生长^[23]。

Xenidis等评估了石膏、城市污泥、硫酸亚铁、硫酸铵、硝酸铵和磷酸钙对赤泥基质的改良效果，发现石膏、城市污泥和磷酸钙的共同应用可促进植物生长，但是改良后的土壤仍会出现营养缺乏的现象^[24]。磷石膏主要成分为酸性盐类，添加后可以显著降低赤泥的强碱性；利用秸秆、稻壳等生物质废弃物经过破碎后制得生物质粉体，它的特点是疏松多孔、密度小、空隙率高、容重小，能增加基质的持水能力和透气性；垃圾堆肥产品和活性污泥的有机质含量丰富。因此，选用了磷石膏、垃圾堆肥产品、生物质粉体、活性污泥和无机肥料作为改良剂的成分。

(2) 耐性植株筛选和环境质量评价

尽管赤泥基质改良后具备了土壤的一般特点，但是其中某些金属元素可能发生化学反应使得浸出量增加或者生物有效性发生改变。因此，淋施微生物菌剂是形成完整稳定的土壤生态系统必需的环节，最后对形成的土壤环境进行质量评价并筛选种植适合生长的耐性植株^[25]。

3.2.3尾矿土壤化技术

尾矿不仅造成大量固体废物的排放和堆存，而且重金属污染还会通过不同方式进入大气、水体和土壤中，造成严重的环境污染。尾矿的土壤化可以解决矿山修复中土壤资源不足的问题^[26]。

尾矿富含Zn、Cu、Mo、Cu、B、Fe等维持植物生长和发育所必需的元素，此类尾矿常用于加工成土壤改良剂或微量元素肥料。此外，在平整后的尾矿表层下添加保水剂和由生物炭、有机肥、稻壳、陶粒配制的改良剂，翻耕使其均匀分布附着于尾矿中，然后淋施微生物菌剂，在土壤环境质量整体评价通过后可复耕^[27]。

3.2.3冶炼渣的土壤化应用

冶金固体废弃物中绝大多数为钢铁工业废弃物^[28]，钢铁工业所产生的大宗固废中高炉渣和钢渣分别占51.7%和18.6%，其中70～80%的粒度小于10mm，并含有一定量小于150μm的极细颗粒^[29]。高炉渣和钢渣都主要包含了CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃和MnO₂等成分：

(1) 炼钢经过了超高温及碱性的环境使重金属量很小，均低于国标值，不会对土壤产生重金属危害；

(2)钙、硅、磷等在冶炼过程中经过高温锻烧后溶解度增大，容易被植物吸收；

(3)钙、铁、硫元素等都是植物生长必需的营养元素；

(4)CaO能在较长时间内缓慢中和改良土壤。

这些对土壤改良和农作物生长都是非常有利的，可作为农业用肥和土壤改良剂。张韵启^[30]在红壤旱地中施用钢渣，对土壤养分、大豆的产量和养分进行测定及统计分析发现，钢渣处理对土壤有机质、全氮、有效磷、有效硅、阳离子交换量、pH的含量均有提高，土壤速效钾、总汞、总镉、总铅、总砷、总铬的含量有所降低；大豆植株中全氮、全钾、全硅的含量均有提高，而全磷的含量有所下降；虽然大豆粒中的铅、镉、砷的含量有所增加，但重金属铅、镉、砷、铬、锰、汞含量均在国家食品卫生标准（GB2762-2012）规定的安全范围内。

太钢在山西省施用五年钢渣肥料的试验测试结果表明对土壤的空隙度无不良影响，与土壤水分常数无较大相关性^[31]。冶炼渣除了可以直接施用农田外，高炉渣和钢渣这样含营养元素较多的还可以生产钙镁磷肥、硅肥、硅钾肥^[32]，高炉渣和钢渣制成渣粉后可以与其他有机固废一起作为人工土壤基质的改良剂。

3.2.4粉煤灰和煤矸石的土壤化应用

粉煤灰是使用燃煤生产过程中排放的一种粘土类火山灰质材料，由于表面张力作用，粉煤灰大部分呈球状，表面光滑，微孔较小。颗粒粒径主要分布在1～100μm之间，大约占85%以上^[33]。粉煤灰中含有多种植物所需的营养元素，尤其是磷、硅、铝等能够有效地补充和平衡土壤的养分。同时粉煤灰由较多多孔颗粒粘结而成，比表面积较大，具有良好的吸附性能，添加到基质土中能够很好地储存养分和调节养分释放速度^[34]。

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，与煤炭相比含碳量较低，硬度大，其主要是以SiO₂、Al₂O₃为主的无机质和少量有机质^[35]。煤矸石具有吸附水分、减少水分蒸发的性质，在农业上主要用来生产农肥、改良土壤和作为基质原料。煤矸石混入土壤后能够改变土壤结构，提高肥力，同时也能够增加土壤的透气性和持水性^[36]。邵玉飞利用预处理过的煤矸石与草炭混合，经调节pH、添加肥料配制成基质土壤，达到了水稻育苗基质的要求，甚至可替代商品基质，具有较好的经济效果^[37]。

3.2.5工业副产石膏的土壤化应用

工业副产石膏主要包括脱硫石膏、磷石膏、钛石膏、芒硝石膏、氟石膏、盐石膏、柠檬石膏等。尽管天然石膏矿储量约为570 亿吨，但储量中仅有8%的石膏矿硫酸钙含量大于90%，因此将工业副产石膏综合应用，既可以缓减石膏资源需求的压力，也可以避免工业副产石膏不断增加带来的环境污染问题^[38]。

脱硫石膏的主要成分是二水硫酸钙，目前脱硫石膏主要应用于建材行业，但是事实证明在农作物促产和土壤改良方面有较好的应用前景。在农作物促产方面，脱硫石膏含有大量的钙硫元素，它们是植物体和生化反应不可或缺的两种元素，脱硫石膏施用于土壤中，会提高土壤中这两种离子的含量，对农业生产具有促进作用^[39]。在土壤改良方面，脱硫石膏施用于碱性土壤中，溶解在土壤中的Ca²⁺会置换土壤中的Na⁺，有效降低了土壤的pH值^[40]；脱硫石膏参与土壤无机—有机复合体的形成，改良了土壤团聚体组成与稳定性状，使其形成较好的团粒结构，从而改善了土壤的渗透性能^[41]；在土壤中施用一定量的脱硫石膏，通过对重金属离子的吸附或沉淀作用使土壤重金属离子大大减少，毒性降低^[42]。

磷石膏是湿法磷酸生产过程中产生的工业废渣，是典型的大宗固体废物之一，分布在云南、贵州、湖北、四川和安徽的企业排放量占全国总量的87.4% ，占用了大量土地^[43]。磷石膏含磷、钙、硫、钾、硅、锰等作物所需的营养物质，制成肥料后能促进作物生长和提高作物抗病抗旱能力，此外还可作为尿素载体制备出较大粒径的磷石膏造粒尿素^[44]。在堆肥过程中加入磷石膏可以减少氨气的排放量。桂丕^[45]等将磷石膏、园林废弃有机物、聚丙烯酰胺混合制成改良剂对盐碱地进行改良研究发现，能有效降低土壤pH值、优化土壤物化性质、提高土壤渗透性和养分。

4总结与展望

土壤是人类不可或缺的自然资源，几乎所有的农业生产活动都依赖于土壤进行。由于人类不合理的开发利用，引起土壤理化性质、有机质、矿物质、微生物群落等非正常变化，造成水土流失、沙漠化及土壤污染等问题，使许多土壤已经不适合农作物生长。我国现有的土壤资源面临着严峻的挑战，完善土壤相关的法律法规 、加强土壤环境管理及风险评价、促进土壤修复技术研发对于土地资源的保护仍是未来的工作重点。

大宗工业固废赤泥、尾矿、粉煤灰、副产石膏、钢渣、煤矸石等产生量大、历史堆存量大。由于附加值低、利用成本高、相关工程技术和科研人员缺口大、配套政策不协调等诸多因素的影响，大量的工业固废无法处置，并被丢弃，或者散乱堆存于荒地，浪费资源，侵占了土地，很容易对环境造成直接、间接或潜在的污染。它们通过回收、分选与加工，可以回收利用其中的有用成分。除此之外大宗固废经无害化处理和风险评估后用于生产农肥和人工土是减量化的有效途径。

对以植物生产为目的的人工土壤来说，其骨架以赤泥、尾矿、粉煤灰、副产石膏、钢渣、煤矸石等无机物为主，生活污泥、畜禽粪便、菌菇渣、农作物秸秆等有机物质作为提供植物所必需的养分来源，选择其中几种按一定比例混匀过筛培养后形成有机无机团聚体。根据实际需要可以添加无机肥料和微生物，调节pH，使其具有和土壤相似的性质和稳定性，培育耐性植株，在进行风险评估后即可用于种植。

目前固体废弃物特别是大宗固废的土壤化技术研究较少，在之后的土壤化应用中要关注土壤持水性指标，土壤溶液变化。此外，土壤中微生物的作用要重点关注，特别是新合成人工土壤中的微生物的组成、微生物量及一些关键酶的活性应该进一步以探索，土壤的生物毒性要持续性监测。