ISSN 1009-6248CN 61-1149/P 双月刊

主管单位:中国地质调查局

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中国地质学会

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钻井法泥浆用于陕北榆林地区矿山生态修复资源化利用试验研究

李金雨, 王新刚, 亓秋燕, 王宗金, 奚家米, 艾子涵, 李彦君, 王昊宇, 辜超颖

李金雨,王新刚,亓秋燕,等. 钻井法泥浆用于陕北榆林地区矿山生态修复资源化利用试验研究[J]. 西北地质,2025,58(2):197−208. doi: 10.12401/j.nwg.2024103
引用本文: 李金雨,王新刚,亓秋燕,等. 钻井法泥浆用于陕北榆林地区矿山生态修复资源化利用试验研究[J]. 西北地质,2025,58(2):197−208. doi: 10.12401/j.nwg.2024103
LI Jinyu,WANG Xingang,QI Qiuyan,et al. Experimental Study on the Use of Drilling Mud for Ecological Restoration of Mines in Yulin, Northern Shaanxi[J]. Northwestern Geology,2025,58(2):197−208. doi: 10.12401/j.nwg.2024103
Citation: LI Jinyu,WANG Xingang,QI Qiuyan,et al. Experimental Study on the Use of Drilling Mud for Ecological Restoration of Mines in Yulin, Northern Shaanxi[J]. Northwestern Geology,2025,58(2):197−208. doi: 10.12401/j.nwg.2024103

钻井法泥浆用于陕北榆林地区矿山生态修复资源化利用试验研究

基金项目: 国家重点研发计划项目(2023YFC3008401),陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2024JC-ZDXM-19)联合资助。
详细信息
    作者简介:

    李金雨(1999−),男,硕士,主要从事风积沙改良与室内试验。E−mail:992320924@qq.com

    通讯作者:

    王新刚(1984−),男,博士,教授,博士生导师,主要从事地质灾害机理研究。E−mail:xgwang@nwu.edu.cn

  • 中图分类号: P642.5; TD88

Experimental Study on the Use of Drilling Mud for Ecological Restoration of Mines in Yulin, Northern Shaanxi

  • 摘要:

    近年来钻井法在西部地区得到了广泛的应用,但随之伴随的大量泥浆处置成为了困扰企业和政府的环境难题。钻井泥浆中含有丰富的有机质和矿物质,这些成分能够有效改善土壤的结构和肥力,不合理处置往往会造成巨大的资源浪费和环境污染。为探究废弃钻井泥浆资源化利用的新途径,笔者创新性的将其作为矿山土壤改良剂用于改良陕北干旱地区风积沙,以达到变废为宝的目的。通过开展颗分、渗透性、测定有效磷以及速效K含量等方面的试验,探究了废弃钻井泥浆对陕北矿区风积沙土壤生态修复改良效果及其机理;结合一系列盆栽试验,研究了泥浆掺入对植株株高、叶片发育、根系发育等关键生长特征参数的影响,对比分析了不同处理组之间的植株生长情况。试验结果表明,泥浆的加入有效降低了矿区风积沙渗透性,提高风积沙中黏粒含量、有效磷以及速效K含量,即泥浆的加入使得风积沙土具有了“海绵吸水效应”,并同时起到了“锁住”风积沙水分的良好效果,其肥力也显著提升;盆栽试验结果表明废弃钻井泥浆有效提升了植株的植株株高、叶片发育、根系发育等关键生长特征,证明钻井泥浆可有效改良陕北风积沙区的土壤,提高植株品质;此外综合各项试验结果发现研究区钻井泥浆改良矿山风积沙土壤的最优掺入比为10%。研究成果为钻井泥浆用于陕北矿山生态修复的资源化利用提供了理论依据和试验参考。

    Abstract:

    In recent years, drilling methods have been widely used in western regions, but the accompanying disposal of a large amount of mud has become an environmental problem that troubles enterprises and governments. Drilling mud contains abundant organic matter and minerals, which can effectively improve soil structure and fertility. Improper disposal often leads to huge resource waste and environmental pollution. In order to explore new ways of resource utilization of abandoned drilling mud, this article innovatively uses it as a mine soil amendment to improve aeolian sand in arid areas of northern Shaanxi, in order to achieve the goal of turning waste into treasure. By conducting experiments on particle size distribution, permeability, determination of available phosphorus and potassium content, the ecological restoration and improvement effect and mechanism of abandoned drilling mud on aeolian sand soil in northern Shaanxi mining area were explored; Based on a series of pot experiments, the effects of mud addition on key growth characteristic parameters such as plant height, leaf development, and root development were studied, and the plant growth between different treatment groups was compared and analyzed. The experimental results showed that the addition of mud effectively reduced the permeability of aeolian sand in the mining area, increased the content of clay particles, available phosphorus, and available potassium in aeolian sand. That is, the addition of mud made aeolian sand have a "sponge water absorption effect" and also played a good role in "locking" the moisture of aeolian sand, significantly improving its fertility; The results of the pot experiment showed that the waste drilling mud effectively improved the key growth characteristics of plants, such as plant height, leaf development, and root development, proving that drilling mud can effectively improve the soil in the wind blown sand area of northern Shaanxi and enhance plant quality; In addition, based on the comprehensive results of various experiments, it was found that the optimal mixing ratio of drilling mud for improving aeolian sand soil in the study area is 10%. The research results provide theoretical basis and experimental reference for the resource utilization of drilling mud for ecological restoration of mines in northern Shaanxi.

  • 随着中国西北地区首次成功应用钻井法施工大埋深煤矿立井(刘永宏等,2022),钻井法施工在西北地区如榆林市、延安市、鄂尔多斯市、庆阳市等多地得到蓬勃发展,但钻井法作业过程中产生的废弃钻井泥浆的产量也将逐步增加(申艳军,2022)。泥浆是钻井作业中起到稳定地层压力、保护清洁钻井同时传递动力的重要物质(贺亚维等,2007Chang et al.,2014),如何合理处置废弃钻井泥浆,避免对周围环境造成负担成了众多学者研究的方向,尤其在陕北黄土高原生态环境脆弱区这一问题显得尤为重要。

    陕北地区风积沙分布广泛(昝国盛等,2023),由于风积沙颗粒粒径较大,导致其渗透系数较大,渗透性强且吸附力差,难以涵养水分,保留肥力,农业生产力差(朱启明等,2022),但是由于陕北地区土地资源紧张,风积沙仍是主要的耕作土壤(王雪艳,2022)。

    目前对钻井泥浆的处理方法主要有固液分离法(张浩等,2020雷琦,2022)、固化处理法(杨子健等,2021王丹丹,2023)以及土地耕种法(王富加等,2023)。其中,固液分离法和固化处理法处理成本高昂。土地耕种法是将钻井泥浆的上层清液去除,将沉降的泥浆与土壤按照一定比例进行混合,随后进行耕种,学者们发现钻井泥浆中的各种乳化剂等添加剂中含有较高浓度的氮磷钾等元素(舒畅等,2023),且钻井泥浆中颗粒小且均匀,主要为黏粒(Murtaza,2023Flemming et al.,2024),可以提高土壤肥力,改善土壤性质,因此将钻井泥浆应用于土壤改良,提高土体耕种质量。因此,相对于其他两种方法,土地耕种法的优势在于操作便捷,成本低廉,且西北地区多为风积沙,土地贫瘠,利用钻井泥浆进行土壤改良大有可为。

    关于钻井泥浆在改良土壤方面的研究前人开展了大量研究工作,钻井泥浆可以有效改善沙土的保水性能,当钻井泥浆与沙土比例达到1∶3时,改良效果相对较好(Tawornpruek et al.,2021);有试验表明钻井泥浆可以提高土体颗粒间的粘聚力,降低土体渗水性(Bauder et al.,2005);有学者通过试验发现在使用泥浆小于0.012 m3/m2情况下,加入钻井泥浆对土体的水力特性影响几乎没有影响(Zvomuya et al.,2011);一项研究表明在施用钻井泥浆45天后植株中营养元素显著增加,并且当钻井泥浆施加量小于0.002m3/m2每公顷时不会对植株有任何负面影响(Zvomuya et al.,2009);一些学者的研究结果显示当废弃钻井泥浆施用量为6%时,可以增加高粱植株中的Fe含量以及玉米中的Zn含量(Bauder,1999)。在中国,有试验结果表明通过提高风沙土的养分含量和持水能力,进一步改善植被的生长环境,从而减少水土流失(马猛,2023)。有学者发现煤矿钻井泥浆的成分复杂,主要含有大量含氧化合物、硅酸盐和有机物质等成分(李凤娟等,2023);部分学者通过研究认为煤矿钻井泥浆中的有机物质和其他成分可以促进土壤的肥力和微生物活动,促进植被覆盖和生态环境的改善(王峻等,2023)。因此,钻井泥浆可广泛应用于土壤改良,钻井泥浆作为一种新型土壤改良剂,在改良土壤质地,提高土壤质量,改善种植植株的品质方面有较高的应用价值。

    在陕北矿山地区土壤类型多为风积沙,由于风积沙贫瘠且欠缺保水保肥能力,难以栽种植株,钻井泥浆富含各种无机盐及有机质,且黏粒含量较高,可涵养水分。然而,使用钻井泥浆进行矿山地区风积沙土壤改良以达到修复矿山生态的研究较为鲜少,因此,笔者创新性的将钻井泥浆作为土壤改良剂用于改良风积沙土壤,开展了包括渗透性、蒸散率、颗分以及有效磷、速效K含量在内的一系列理化性质试验并将其作为评判标准,探究废弃钻井泥浆对矿山风积沙地区生态修复的改良效果实际可行性;并进行了相应的盆栽试验,以植株株高、叶片发育、根系发育等关键生长特征参数为指标,对比分析不同处理组之间的植株生长情况,也探究了钻井泥浆应用于陕北矿山生态修复的效果与机理,以期为泥浆资源化利用和陕北矿山生态修复提供理论和试验参考。

    研究区位于榆林市榆阳区可可盖矿区,属于黄河几字弯区内6 大煤炭基地的最大基地——陕北煤炭基地(图1),矿区地处榆林市以西直线距离约30 km,行政区划隶属陕西省榆林市榆阳区小纪汗镇。研究区地形地貌多为沙漠滩地,地表稍有起伏,地质构造简单,岩石主要以软弱–较坚硬岩为主,岩体较完整,以块状及层状结构为主,岩体质量一般,局部地段易发生矿山地质灾害问题(图1)。该地区地表土体主要为风积沙,属于松散~中密状态,不良级配的均匀砂,土壤贫瘠,无机盐含量低,渗透性好,保水保肥能力差。

    图  1  研究区位置图(据申艳军,2022修改)
    a. 矿区风积沙土壤;b. 矿区塌陷灾害
    Figure  1.  Location map of the research area

    室内试验选用材料包括研究区钻井泥浆、风积沙和购买的紫花苜蓿种子(图2)。对现场取回的钻井泥浆和风积沙进行室内渗透性、颗分以及有效磷、速效钾含量测试试验。试验结果(表1)表明:钻井泥PH值6.49,钻井泥浆粒径集中在1~10 um,有效磷含量为659.31 mg/kg,速效钾含量为171.75 mg/kg。风积沙PH值7.55,土壤颗粒粒径集中在0.5~0.25 mm,约占86.9%,有效磷以及速效钾含量分别为19.15 mg/kg、110.24 mg/kg渗透系数为0.2772 cm/s。紫花苜蓿具有耐干旱,耐盐碱,耐寒,耐刈割,同时产量高,品质优,经济效益好等优点,是种植面积最广的豆科牧草,因此选择紫花苜蓿作为盆栽试验植株。

    图  2  试验材料
    a. 风积沙;b. 钻井泥浆;c. 紫花苜蓿种子
    Figure  2.  Sampling in the study area
    表  1  风积沙基本参数
    Table  1.  Physical and chemical properties of undisturbed soil
    渗透系数
    (cm/s)
    颗粒度(mm) 元素含量
    (mg/kg)
    0.5~0.25 0.25~0.075 <0.075 有效磷 速效钾
    0.2772 86.9 8.0 1.8 19.15 110.24
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    在试验前配置不同钻井泥浆含量的风积沙改良土试样,为便于描述,定义钻井泥浆质量分数:

    $$ \mathit{\text{θ}}=\frac{\mathit{\mathrm{\mathit{W}}_2}}{\mathit{\mathrm{\mathit{W}}_1}+\mathit{\mathrm{\mathit{W}}_2}}\times100\text{%} $$ (1)

    式中:θ为钻井泥浆质量分数;W1为风积沙质量(g);W2为钻井泥浆质量(g)。

    设置Z1、Z2、Z3组其钻井泥浆的质量分数θ分别为5%、10%和15%,同时设置空白对照组(CK),配置好的试样如图3所示。试验分为两部分,第一部分为改良土理化性质试验,探究钻井泥浆的加入对土体理化性质的影响,主要包括渗透性试验、蒸散率试验、颗分试验以及有效磷、速效钾含量测试试验;第二部分为盆栽试验,探究钻井泥浆的加入对植株株高、叶片发育、根系发育等关键生长特征参数的影响。

    图  3  试验样品
    Figure  3.  Test sample

    改良土理化性质试验主要包括渗透性、蒸散率、颗分以及有效磷、速效钾含量测试等试验。渗透性试验使用变水头法测定,采用环刀试样(图4),环刀横截面积为30 cm2。颗分试验使用筛析法,称重不同粒径颗粒筛上的质量并绘制图表,通过蒸散试验测定不同钻井泥浆掺量的蒸散速率(图5),试验保持的恒温温度为45 ℃。有效磷使用碳酸氢钠提取——鉬锑抗比色法,速效钾使用乙酸铵浸提——原子吸收分光光度计法(图6)。

    图  4  渗透性试验仪器
    a. 渗透管;CK. 试样;Z1. 试样;Z2. 试样;Z3. 试样
    Figure  4.  Penetration test instrument
    图  5  蒸散试验仪器
    a. 烘箱;CK. 试样;Z1.试样;Z2. 试样;Z3. 试样
    Figure  5.  Evapotranspiration test instrument
    图  6  有效磷、速效钾试验过程
    a. 试剂;b.试样;c. 浸取样品;d. 分光计
    Figure  6.  Experimental process of available phosphorus and potassium

    通过盆栽试验可分析不同改良配方土壤对于紫花苜蓿生长的影响。试验选择同一品种、同一批次、大小均一、颗粒饱满的种子进行种植。首先使用湿纸巾进行催芽两天备用,然后取配置好的试样,装入高20 cm,直径7 cm花盆中,每盆播种20粒种子,每种配比方案设置3盆平行试验组(图7)。待出芽两周后进行留苗,每盆保留5株长势一致的幼苗,并进行后续观测(图8)。

    图  7  盆栽试样播种后
    Figure  7.  Potted plant samples
    图  8  试验90 d盆栽试样
    CK. 试样;Z1.试样;Z2. 试样;Z3. 试样
    Figure  8.  Harvest potted samples after 90 days of experiment

    盆栽试验结束后,采集植株,每盆选择长势最佳的3株进行叶绿素和关键生长特征参数测量试验。地上部分采集植株叶片,测定鲜重、叶片长宽等指标,随后使用乙醇丙酮法测定叶绿素含量,测定过程(图9),地下部分测定根长以及根径等指标。

    图  9  叶绿素试验仪
    a. 试样;b. 丙酮;c. 乙醇;d 分光仪
    Figure  9.  Chlorophyll tester

    渗透系数代表土体透水能力的强弱,通过试验发现各组样品渗透系数为0.05030.2772 cm/s(图10)。CK组平均渗透系数为0.2772 cm/s;Z3组平均渗透系数为0.0503 cm/s,较CK组下降了81.85%,下降幅度明显;Z1组以及Z2组平均渗透系数较CK组分别下降了33.95%以及56.31%,下降较少。由此可见各组样品的渗透系数与钻井泥浆掺量呈现负相关关系,随着钻井泥浆掺量的增大而逐渐减小。可见,由于钻井泥浆颗粒较小,将钻井泥浆掺入风积沙中,显著提高了改良土细颗粒比例,细小颗粒一方面填充较大颗粒间的空隙,降低了土体的孔隙度,使得水分通道大大减少;另一方面由于其吸附力更强,起到更强的吸附水分的作用类似“海绵吸水效应”,两方面共同作用大大降低了改良土渗透性,减少了水分向下层土体的渗透。

    图  10  样品渗透系数对比图
    Figure  10.  Comparison of permeability coefficients

    改良土颗分试验结果(图11),CK组0.25 mm粒径以下的土壤颗粒占总体的9.8%;Z3组0.25 mm粒径以下的土壤颗粒占总体的33.7%,较CK组提升了343.88%,提升效果显著;Z1组以及Z2组0.25 mm粒径以下的土壤颗粒占比较CK组分别提升了139.79%以及312.24%,提升效果相对较差。

    图  11  样品颗分对比图
    Figure  11.  Comparison of particle size

    CK组0.075 mm粒径以下的土壤颗粒占总体的1.8%;Z3组0.075 mm粒径以下的土壤颗粒占总体的11.3%,较CK组提升了627.78%,占比上升明显;Z1组以及Z2组0.075 mm粒径以下的土壤颗粒占比较CK组分别提升了188.89%以及566.67%,提升幅度较小。

    各组土体小于0.5 mm颗粒所占比重与钻井泥浆掺量呈现正相关关系,随着钻井泥浆掺量的增加而增加。混合土与风积沙粒径均集中于0.5 mm至0.25 mm之间。但是3种混合土土壤粒径在0.25 mm以下以及0.075 mm以下的土壤颗粒在总体中所占比例比较CK组更高。

    由于钻井泥浆所含颗粒较小,粒径多在1~10 μm,原本粒径单一,但是级配不良的风积沙,在加入钻井泥浆后,细小颗粒所占比例得到显著提高,混合土颗粒粒径相差较大,土粒不均匀,级配达到改善,从物理方面来看土壤的性质得到了改良。

    蒸散率试验数据(图12),通过试验发现改良土相较于风积沙,保水能力得到有效提高。CK组在6 h时水分已完全蒸发,Z1组在7 h时水分完全蒸发,较CK组提升了16.67%;Z2组在9 h时水分完全蒸发,较CK组提升了150.00%;Z3组在9 h时水分完全蒸发,较CK组提升了150.00%。

    图  12  蒸散率折线图
    Figure  12.  Line chart of evapotranspiration rate

    可见钻井泥浆大量含有的细小颗粒相对于风积沙的粗颗粒,具有更强的吸附力,可以起到更强的吸附水分的效果;同时在蒸散过程中,钻井泥浆含有的黏粒与周围颗粒彼此固结形成较致密的固体,减少水分的流失,两方面共同作用,使得土体可以有效减缓水分蒸发,达到了“锁住”风积沙水分的良好效果。

    不同泥浆配比试样的有效磷、速效钾含量数据(图13),其中CK组有效磷含量为19.15 mg/kg;Z3组有效磷含量为323.21 mg/kg,较CK组提升了1587.49%;与CK组相比,Z1组以及Z2组有效磷含量提升效果稍差,分别为1099.13%以及1526.01%。由此可以看出泥浆的加入明显提高了风积沙的有效磷含量。

    图  13  样品速效钾、有效磷含量对比图
    Figure  13.  Comparison of quick acting potassium and available phosphorus content

    CK组速效钾含量为110.24 mg/kg;Z3组速效钾含量为131.38 mg/kg,较CK组提升了19.18%,提升效果最佳;相对于CK组,Z1组以及Z2组速效钾含量均有提高,但提高幅度较小,分别为8.38%以及17.36%。速效钾含量提高幅度对比有效磷含量提高幅度相对较小。

    图13可见各组土体有效磷以及速效钾含量与钻井泥浆掺量呈现正相关关系,分析认为钻井泥浆是多种物质的混合物,在生产钻井泥浆时加入的乳化剂中含有丰富的无机盐,通过钻井泥浆中的细小颗粒将无机盐紧密吸附,在与风积沙混合后,显著提高了无机盐含量。

    植株高度可以反映出植株生长的状态,从而间接表示出基质的好坏(秦琪焜等,2022)。经过90 d的种植试验,采集各组改良土种植得到的植株,并对植株高度测量(图14)。汇总不同条件下植株的株高试验数据(图15),CK组植株平均株高为8.1 cm;Z2组植株平均株高为26.0 cm,较CK组植株平均株高提升了220.99%,对植株生长有明显促进效果;Z1组与Z3组植株平均株高较CK组植株平均株高分别提升了202.50%与58.02%,提高幅度较小。可见,随着钻井泥浆的加入,植株的株高得到不同程度增长。

    图  14  株高测量
    Figure  14.  Measurement of plant height
    图  15  株高对比图
    Figure  15.  Comparison of plant height

    相对于风积沙,改良土所具有低渗透性、低蒸散率以及较高的无机盐含量的特点,这些特点为植株生长提供更良好的环境。低渗透性与蒸散率起到涵养水分的作用,为植株生长提供更好的水分环境,而较高的无机盐含量为植株生长补充必须的营养元素,两方面共同作用,在植株生长过程中发挥积极正面作用。此外,试验发现钻井泥浆掺量达到15%,相对于10%钻井泥浆掺量,植株生长会受到一定程度抑制,这说明植株生长与钻井泥浆掺量并非完全呈现正相关关系,其具有峰值掺量。

    经过90 d的种植,使用游标卡尺对各组土体种植得到的植株根系的根径测量(图16)。经过90 d的种植,采集各组土体种植得到的根系进行根长测量(图17)。汇总根径试验数据(图18),CK组植株平均根径为1.06 mm;Z2组植株平均根径为2.50 mm,较CK组植株平均根径提升了135.85%,提升效果明显;Z1组与Z3组植株平均根径较CK组植株平均根径分别提升86.79%与21.70%,提升效果较弱。

    图  16  根径测量
    Figure  16.  Root diameter measurement
    图  17  根长测量
    Figure  17.  Measurement of root length
    图  18  根径、根长对比图
    Figure  18.  Comparison of root diameter and root length

    由根长试验数据(图18)可知,CK组植株平均根长为15.7 cm;Z2组植株平均根长为27.7 cm,较CK组植株平均根长提升了76.43%,提升效果最佳;Z1组与Z3组植株平均根长较CK组植株平均根长分别提升了65.61%与4.01%,提升效果相对较弱。

    各组土体种植得到的植株根系数据与钻井泥浆掺量(0~10%)呈现正相关关系,随着钻井泥浆含量的增加而增加,当钻井泥浆掺量达到15%时,对植株促进生长的效果有所减弱。

    经过90 d的种植,汇总各组土体种植得到的植株叶片测量数据(图19)。由图19可知,CK组叶片平均长度为1.12 cm;Z1组叶片平均长度为2.13 cm,相对CK组叶片平均长度提升90.17%,叶片长度明显提升;Z2组与Z3组叶片平均长度相对CK组叶片平均长度分别提升51.79%与0%,提升效果较差;CK组叶片平均宽度为1.04 cm;Z2组叶片平均宽度为1.67 cm,相对CK组叶片平均宽度提升60.58%,叶片宽度提升最大;Z1组与Z3组叶片平均宽度相对CK组叶片平均宽度分别提升37.50%与11.54%,提升幅度较小。

    图  19  叶片长、宽对比图
    Figure  19.  Comparison of blade length and width

    各组土体种植得到的植株叶片数据与钻井泥浆掺量呈现一定程度的正相关关系,在较低掺量时(10%以下)随着钻井泥浆掺量的增加而增加,但是当钻井泥浆掺量达到15%时,对植株生长的促进效果会减弱。

    经过90 d的种植,对各组土体种植得到的植株叶绿素数据汇总整理(图20)。由图20可知,CK组植株平均叶绿素a含量为1.11;Z2组植株平均叶绿素a含量为1.26,较CK组植株平均叶绿素a含量提升了13.51%,提升效果最优;Z1组与Z3组植株平均叶绿素a含量较CK组植株平均叶绿素a含量分别提升了2.63%与9.00%,提升效果较弱;CK组植株平均叶绿素b含量为2.00;Z2组平均叶绿素b含量为2.28,较CK组平均叶绿素b含量提升了14.0%,提升幅度最大;Z1组与Z3组植株平均叶绿素b含量较CK组平均叶绿素b含量分别提升了2.50%与9.50%,提升幅度较小。从试验数据中可以看出,钻井泥浆的加入可以有效提高植株中叶绿素的含量。

    图  20  叶绿素a、b含量对比图
    Figure  20.  Comparison of chlorophyll content

    经过90 d试验,将种植得到的各组植株采集后称量鲜重(图21)。通过试验数据可知,混合土相较于风积沙,植株鲜重得到有效提高。植株鲜重试验数据见图22,可见CK组植株平均鲜重为0.67 g;Z2组植株平均鲜重为3.53 g,较CK组植株平均鲜重提升了426.87%,提升效果显著;Z1组与Z3组植株平均鲜重较CK组植株平均鲜重分别提升了137.37%与34.33%,提升效果相对较差。

    图  21  鲜重称量
    Figure  21.  Fresh weight weighing
    图  22  鲜重对比图
    Figure  22.  Comparison of fresh weight

    各个试验组中土体由于加入钻井泥浆,土体颗粒中黏粒含量上升,渗透能力降低(图23),提高了土体的保水能力;同时细颗粒填补原土壤中粗颗粒之间较大的间隙,有效对有机质起到保留作用,此外钻井泥浆中有效磷以及速效钾含量较高,适量加入可有效提高土体肥力促进植株生长(图23)。通过试验结果发现(图10图22),钻井泥浆的加入在物理以及化学性质上对土体性质进行改良,使得土体更适宜植株生长,可作为陕北风积沙地区土壤改良剂。但是过量的加入会使得土体各元素含量过高,出现板结等现象反而不利于植株生长(如本研究15%掺量),因此要因地制宜,酌情选择添加量。

    图  23  改良机理
    Figure  23.  Improvement mechanism diagram

    钻井泥浆中丰富的无机盐以及有机质可为植株生长提供充足养分(翟文晰等,2019),低浓度的加入可有效促进植株的生长,这一现象符合前人所作研究(Kisic et al.,2009),由于黄土本身贫瘠,缺乏黏粒以及营养物质(张永双等,2005曹丽花等,2008),少量的钻井泥浆加入即可起到良好的改良效果,但是当持续增大钻井泥浆的掺量直至15%时会出现植株生长情况不如10%泥浆掺量组植株生长情况的现象(图14图22),这是因为过高的泥浆掺量使得土体无机盐含量过高,出现土壤板结,不利于植株吸收水份。

    结合文中试验结果,钻井泥浆的加入可有效改良陕北榆林矿区风积沙,改善级配,降低渗透性,延缓水分蒸发,提高土壤中无机盐含量,增强保水保肥能力,有效提高植株品质。从试验结果中可以看出,10%钻井泥浆混合土综合表现最佳。

    (1)提出了一种钻井泥浆应用于修复矿山生态的方法,并通过开展颗分、渗透性、测定有效磷以及速效钾含量等土体理化性质试验和盆栽试验以植株株高、叶片发育、根系发育等关键生长特征参数为指标评价其修复效果。

    (2)钻井泥浆的加入可以有效提高土体黏粒含量,降低土体渗透能力,增强土体保水能力,即泥浆的加入使得风积沙土具有了“海绵吸水效应”,并同时起到了“锁住”风积沙水分的良好效果;同时提高土体无机盐含量,为植株生长提供养分,改善土体理化性质;钻井泥浆的加入对促进植株生长起到正面效果,相对于对照组,试验组种植得到的植株在各项指标上均有更优秀的数据。

    (3)钻井泥浆含量与对植株的促进效果并非呈现完全正相关关系,10%钻井泥浆含量相对于15%钻井泥浆含量在存进植株生长方面更有优势,即研究区泥浆改良矿山风积沙土壤的最优掺入比为10%。

  • 图  1   研究区位置图(据申艳军,2022修改)

    a. 矿区风积沙土壤;b. 矿区塌陷灾害

    Figure  1.   Location map of the research area

    图  2   试验材料

    a. 风积沙;b. 钻井泥浆;c. 紫花苜蓿种子

    Figure  2.   Sampling in the study area

    图  3   试验样品

    Figure  3.   Test sample

    图  4   渗透性试验仪器

    a. 渗透管;CK. 试样;Z1. 试样;Z2. 试样;Z3. 试样

    Figure  4.   Penetration test instrument

    图  5   蒸散试验仪器

    a. 烘箱;CK. 试样;Z1.试样;Z2. 试样;Z3. 试样

    Figure  5.   Evapotranspiration test instrument

    图  6   有效磷、速效钾试验过程

    a. 试剂;b.试样;c. 浸取样品;d. 分光计

    Figure  6.   Experimental process of available phosphorus and potassium

    图  7   盆栽试样播种后

    Figure  7.   Potted plant samples

    图  8   试验90 d盆栽试样

    CK. 试样;Z1.试样;Z2. 试样;Z3. 试样

    Figure  8.   Harvest potted samples after 90 days of experiment

    图  9   叶绿素试验仪

    a. 试样;b. 丙酮;c. 乙醇;d 分光仪

    Figure  9.   Chlorophyll tester

    图  10   样品渗透系数对比图

    Figure  10.   Comparison of permeability coefficients

    图  11   样品颗分对比图

    Figure  11.   Comparison of particle size

    图  12   蒸散率折线图

    Figure  12.   Line chart of evapotranspiration rate

    图  13   样品速效钾、有效磷含量对比图

    Figure  13.   Comparison of quick acting potassium and available phosphorus content

    图  14   株高测量

    Figure  14.   Measurement of plant height

    图  15   株高对比图

    Figure  15.   Comparison of plant height

    图  16   根径测量

    Figure  16.   Root diameter measurement

    图  17   根长测量

    Figure  17.   Measurement of root length

    图  18   根径、根长对比图

    Figure  18.   Comparison of root diameter and root length

    图  19   叶片长、宽对比图

    Figure  19.   Comparison of blade length and width

    图  20   叶绿素a、b含量对比图

    Figure  20.   Comparison of chlorophyll content

    图  21   鲜重称量

    Figure  21.   Fresh weight weighing

    图  22   鲜重对比图

    Figure  22.   Comparison of fresh weight

    图  23   改良机理

    Figure  23.   Improvement mechanism diagram

    表  1   风积沙基本参数

    Table  1   Physical and chemical properties of undisturbed soil

    渗透系数
    (cm/s)
    颗粒度(mm) 元素含量
    (mg/kg)
    0.5~0.25 0.25~0.075 <0.075 有效磷 速效钾
    0.2772 86.9 8.0 1.8 19.15 110.24
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图(23)  /  表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-14
  • 修回日期:  2024-11-20
  • 录用日期:  2024-11-21
  • 网络出版日期:  2025-02-26
  • 刊出日期:  2025-04-19

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