水凝胶和有机修正案增加保水性Anthroposols土地复垦

文摘

利用工业废料活动建立anthroposols(土壤或被人类改变)可以提供土壤开垦,减少大量的材料储存在垃圾填埋场。矿山和其他大型工业干扰要求anthroposols通常有大量的有机废料持水量较低和大量的粗碎片。因此,持水量是一个关键属性构建成anthroposols再种植的所有方面强烈受土壤含水量的影响。本研究评估的有效性水凝胶和有机修正案增加水潴留在常见的用于构建anthroposols矿山废弃物回收三个温室实验。废料被压碎岩,湖床沉积物,金伯利岩处理,从一个钻石矿在加拿大北部。修正案是水凝胶、污水回收的土、泥炭。锅里满是材料和称重和饱和,紧随其后的是定期称重,直到重量接近常数。保水性一直最高加工金伯利岩,有或没有修改。水潴留增加大多数加工金伯利岩和压碎岩的水凝胶。水凝胶的应用程序方法影响了最初的保水性,但随着时间的推移,效果是有限的。 Water retention in lakebed sediment showed little difference relative to no amendment addition and had lowest increases relative to other substrates. Type of waste material and amendment, application rate, and application method impacted water retention and can be adapted to build anthroposols in the field using waste materials suitable for reclamation.

1。介绍

采矿和其他工业活动产生大量的浪费和干扰需要土地复垦的广大地区。一些废料必须限制由于其化学性质;其他人可以用于回收。土壤可以通过结合废料和添加修改改善植被建立和成长所需的限制属性(例如,1- - - - - -3])。这些anthroposols,人造或human-altered土壤(4),是重要的在土地复垦利用材料,否则需要浪费和可能局限于垃圾填埋场处理。

土壤持水量材料为土地复垦是一个重要考虑事项。合适的土壤含水量对种子萌发至关重要,返青,和植物生存作为干扰网站上的干燥是一个重要的风险,特别是在干旱环境中像北极5- - - - - -7]。持水量随材料属性如结构、孔隙大小、粒子大小、比例的粗糙的材料,和有机质含量(8,9]。粒度持水量(扮演着重要的角色8,9]。砂变形导致几大毛孔较大的微粒材料相对于粘土或粉土变形的材料,具有较小的颗粒和许多较小的毛孔,导致更大的持水量。粗碎片超过2毫米的比例显著影响的持水量产生大毛孔无法成立(8,9]。有机质增加持水量的改变粒子聚合和孔隙大小分布8,10]。

也许我浪费往往持水量低,因此,修正案是必不可少的在复垦土壤减少水的限制。提出了许多修正案增加持水量,主要有机修正案。另一种方法是水凝胶,丙烯酸聚合物吸收水和释放它随着时间的推移,可以与土壤或其他建筑材料混合,提高保水性,减少对植被水分胁迫(11- - - - - -14]。而众所周知,水凝胶和有机修正案可提高保水性,研究比较不同复垦土壤的保水性影响建筑材料是有限的。

本研究的目标是确定土壤保水性建筑材料(以下基质)改变了水凝胶的各种数量和应用方法,并选择有机的修正案和保水性是否改变补液的材料。我们假设基板将保留不同数量的水不管数量的修正案,修正案将改变水潴留不管衬底根据修正案和应用程序和方法。

2。材料和方法

2.1。基质和修改

三个主要的废料从戴维克钻石矿,西北地区,加拿大(纬度64°30′41”,东经110°17′23”),加工金伯利岩,湖床沉积物,压碎的岩石被用于实验。污水处理污泥(以下)和回收土壤(以下土壤)是来自戴维克钻石矿。泥炭(总理园艺Inc .)和土壤湿润从商业供应商购买。土壤水分是一个合成丙烯酸交联聚丙烯酰胺盐钾基(以下水凝胶),吸收水和慢慢地释放土壤干,可能减少浇水需要高达50% (JRM化工有限公司)15,16]。有微酸性中性pH值和钾盐基地,持续3 - 5年的土壤,广告是无毒的植物(15,16]。化学性质的材料(表的差异很大1)。

2.2。实验的程序

三个温室实验采用完全随机设计,所有复制4次。水凝胶实验和再湿润水凝胶实验评估3基质×10水凝胶治疗(3×3的应用方法和应用利率控制每个基质没有水凝胶)。水凝胶应用利率制造商推荐(488公斤·哈⁻¹),一半推荐,推荐的两倍。应用方法代表势场方法干燥的底物和干燥水凝胶混合湿(干/干),干衬底和湿水凝胶混合湿(干/湿),然后分别基质和水凝胶湿混合,再湿(湿/湿)。修正案实验评估3基质×11治疗(5修正案×2应用程序率和控制每一个衬底没有修正案)。应用利率制造商推荐水凝胶和10%有机修正案和双水凝胶和20%有机修正案。10%(体积率被认为是潜在的可行的现场应用的回收。五个修正案干衬底和干燥水凝胶混合湿(干/干),干衬底和湿水凝胶混合湿(干/湿),泥炭、污水、和土壤。

对所有实验,7厘米高,8厘米直径圆锅。两层景观织物被放置在底部减少损失通过洞罐基础的材料。一致的干基板的重量涨跌互现需要修改实现目标体积比率,然后放在锅。干/湿处理,水凝胶被放置在盛有水的烧杯饱和24小时,消耗多余的水,然后用干混合基质。湿/湿处理,水凝胶是饱和如上所述和底物被放置在一个托盘饱和水24小时,然后混合。满锅的重量之前饱和度确定已知重量的基础上每个组件(衬底、修改、景观结构和锅)促进水肿的评估。

混合后,所有罐子被放置在一个托盘湿水24小时近似饱和。锅是重从水中去除,代表0小时或饱和重量。锅是重约一天两次的头两天,然后每天直到常数或接近恒重。对水凝胶再润湿实验中,锅被rewetted干燥后用同样的方法,考虑如上所述。

基质粒径决定通过筛筛分五复制的每个尺寸19.0,12.5,9.5,6.3,4.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.212,0.106,0.053,小于0.053毫米。所有的大岩石,大于约4厘米,被在这个实验中由于锅的大小无法容纳粒度。筛子被堆放在成堆的三个基于上面的顺序和材料放在最大的筛盘底部。堆栈感动顺利,一直用手1分钟。材料在每个重和通过筛入锅放在下一个堆栈的顶部的三个筛子,重复,直到所有筛子。

2.3。数据分析

保水性是由减去预先湿润重量的重量在每个评估和计算重量%的水。三个时间段为每个实验评估:0小时,接近饱和;48小时内,近似田间持水量;和附近干(77.2小时水凝胶实验,73.5小时可以为水凝胶实验,和修正实验124.6小时)。数据评估正常使用方差分析和方差的同质性,然后分析了连续数据。修正案实验日志的最后时间10转化为改善均匀性。图基HSD测试完成了先天的事后分析比较。使用了0.05的显著性水平。统计分析使用RStudio版本3.4.0 [18]。

3所示。结果

3.1。底物结构

基质粒径变化(表2)。粗糙的材料/ 2毫米压碎岩为主(58.5%),湖床沉积物(42.3%)(请记住大型岩石碎片被筛分前);金伯利岩湖床沉积物和处理包含大部分材料在212年μm,分别为17.9%和16.5%。

3.2。水凝胶实验

有重要的底物之间的相互作用和水凝胶治疗(应用程序方法和利率)(饱和 ;田间持水量 ;在干 )。

处理衬底的影响水潴留,金伯利岩持有更多的水比湖床沉积物和压碎岩饱和(100%的比较重要的),田间持水量(90%),和附近干(85%)。在田间持水量和干附近的湖床沉积物和加工金伯利岩没有差别时没有修改补充道。没有修正案之外,湖床沉积物举行更多的水比压碎岩,统计学在饱和度和田间持水量。以双应用利率,压碎岩水明显多于湖床沉积物虽然随着时间的推移影响的重要性下降。

应用程序方法作用有限压碎岩相对于湖床沉积物和加工金伯利岩(图1)。干/湿的应用程序往往最大的保水性和湿/湿最低,特别是在金伯利岩处理。在金伯利岩压碎岩和处理,通常应用利率上升导致水肿比低利率或任何修改(图1)。对湖床沉积物应用率几乎没有影响,利率之间或任何修改。

3.3。再湿润水凝胶实验

有重要的底物之间的相互作用和水凝胶治疗(应用程序方法和利率)(饱和 ;田间持水量 ;在干 )。在再湿润水肿一般低于初始饱和度。

基质影响保水材料rewetted时特别是在饱和度和田间持水量。处理金伯利岩举行更多的水比湖床沉积物和压碎岩饱和(统计比较的100%)和田间持水量(95%)。在接近干,效果下降(70%)尽管加工金伯利岩继续保水性最高,特别是当水凝胶应用干/湿和推荐率。当应用于高附近干燥、压碎岩往往是统计类似处理金伯利岩;在低利率,湖床沉积物是类似于金伯利岩处理。在田间持水量和干附近的湖床沉积物和加工金伯利岩没有任何修改添加时,差异也没有压碎岩附近的金伯利岩处理干燥。压碎岩,湖床沉积物几乎没有显著差异(30%的比较在不同饱和度和10%田间持水量和干附近)。一般来说,压碎岩往往有更大的水潴留在更高的应用程序率和湖床沉积物较低或任何应用程序。

再湿润后,应用程序处理方法有限效果除了金伯利岩湿/湿倾向于保留最低(图2)。应用利率上升导致更大的水潴留在金伯利岩压碎岩和处理(图2)。添加水凝胶至少倾向于增加保水性相对于任何修改但意义不同。率对湖床沉积物的影响有限。

3.4。修正案实验

有明显的底物之间的相互作用和治疗(修正案和利率)(饱和 ;田间持水量 ;在干 )。

基质水肿影响加工金伯利岩有保留高于压碎岩湖床沉积物和饱和度(统计比较的100%)和田间持水量(95%,任何修改没有不同于湖床沉积物)。当底物接近附近的干燥、加工金伯利岩和湖床沉积物之间的差异变得不那么重要的(统计比较的36%),而加工金伯利岩仍大于压碎岩(82%)。金伯利岩处理与所有修正案除了举行更多的水比压碎岩/干干,而只持有超过湖床沉积物在干/湿和污水。水凝胶,压碎岩往往有更大的比湖床沉积物水潴留,尽管统计显著性降低随着时间的推移,只有干/湿双重重大跨三个时期。保留湖床沉积物往往大于压碎岩有机修正案和任何修改,除了污水,尽管在附近干涸,只有土壤和泥炭推荐和任何修改明显更大。

修正案选择改变保水性基质(图之间的不同3)。水凝胶通常导致更大的保水性压碎岩和加工金伯利岩相比,有机修正案(加工金伯利岩中的泥炭除外)。在湖床沉积物、水潴留显示一致性影响修正案,虽然泥炭往往最大的保水性。申请率是重要的水凝胶治疗特别是在金伯利岩压碎岩和处理,减少变异在有机修正案(图3)。一般来说,添加修改无论如何增加保水性压碎岩和加工金伯利岩相对于任何修改,而在湖床沉积物,增加修正案很少增加保水性比任何修改。

4所示。讨论

开发的方法来增加保水性的anthroposols由矿山废料对复垦成功至关重要。从这个研究显示一些明确的趋势出现了衬底的重要性,修正案,水凝胶的应用方法,修改应用程序速度改变对复垦anthroposols水潴留。

4.1。底物

基质的变化在水潴留尽管修正案,应用速度和修正案清楚显示其重要性对anthroposol建筑类型。使用这个研究的结果,好的选择可以使用衬底材料单独或混合,有或没有修改。

更大的水潴留在加工金伯利岩相对于压碎岩湖床沉积物是由于其组成的粒子在2毫米。在饱和,也许处理金伯利岩举行大约25%按重量显示高水潴留即使没有修改。大量的粗片段在我浪费是常见的由于提取和爆破,母质和治疗的浪费(9]。粗片段创建不能装水的大毛孔,减少持水量;大石块占用体积,2毫米以下的土壤矿物组成,主要是成立(8,9,19),如碎岩石和湖床沉积物。湖床沉积物细纹理的材料比压碎岩,导致更大的孔隙空间和面积(20.),导致水潴留高于也许时压碎岩。然而,在这个领域,细纹理的湖床沉积物可能产生负面影响水潴留,高比例的微粒会导致贫穷的结构,创建一个硬,表面光滑,可以减少渗透(9,21,22]。

与水凝胶保水性压碎岩可以大于在湖床沉积物。最大的水凝胶可以放入大毛孔扩张,更多的水。高比例的沙子和大孔在加工金伯利岩还允许水凝胶的扩张。扩张对长期成功至关重要的领域应用程序需要通过自然降水rewetted水凝胶。成功在野外条件下可能会减少在压碎岩水凝胶晶体可能滑入石头之间的缝隙,不容易被植物根系14]。微粒在湖床沉积物可能限制扩张的水凝胶,减少水潴留和有效性的衬底。Abedi-Koupai et al。11]相比的影响水凝胶应用水潴留在砂壤土,壤土、粘土,找到最高含水量增加砂壤土,至少在粘土,可能由于减少了水凝胶的膨胀。盐水条件可以减少水吸收的水凝胶(12,湖床沉积物基质电导率最高。

小湖床沉积物中增加修正案之外可能太小的实用领域,尤其是相对于更大的增加保水性压碎岩和加工金伯利岩的修正案。anthroposol建设一个更有前途的方法可能是把湖床沉积物和压碎岩或加工金伯利岩获得最好的从每个基质。

4.2。水凝胶的应用方法

而基质本质上不同的持水量,方法增加保水性是必不可少的使用浪费材料受多种因素的影响除了持水量,包括养分含量、金属和盐,可用性和监管要求。水凝胶的应用研究主要集中在干燥的应用程序(11- - - - - -13而本研究测试了三种策略。与最初的润湿,干/湿以来最成功的应用程序预先润湿水凝胶允许晶体扩大底物没有阻碍他们的最大大小。

湿/湿的应用程序是不太成功的可能损失的材料由于挑战和混合水凝胶迁移到锅的表面,特别是在湖床沉积物,减少晶体扩张与水时缺乏与底物接触。压碎岩的粗糙和形状不规则的碎片可能会阻碍水凝胶迁移。湿/湿应用程序很难扩大规模的工业水平,限制其有效性大扰动;干/湿可能类似的挑战。的成功干/应用程序相对于干/湿可能是由于水凝胶基质内扩张,可能限制了全面扩张。

再湿润水凝胶证明可能有一个有限的影响应用程序的方法。虽然干/湿仍往往是最成功的方法,差异小于初始润湿。随着锅被允许干再湿润之前,所有的治疗开始。微小的差异,尤其是湿/湿保水性低,可能是由于最初定居在锅的水凝胶,限制了其有效性。总的来说,水凝胶的应用方法的影响有限意味着方法可以决定什么是工业上可行的,可能干/干燥应用程序。

4.3。修正案的选择

添加有机修正案的保水性的影响相对于水凝胶对回收很重要,尤其是知道有效性随基质。越大增加与水凝胶保水性,特别是干/湿,在压碎岩和加工金伯利岩湖床沉积物可能是由于粗纹理基质可能允许水凝胶扩大,持有更多的水(11]。水凝胶可以容纳40到500倍重量的水,根据类型,大小和化学组成(11- - - - - -13),增加可用水资源的主要目标和作为热源。

有机的修正通常添加到土壤或基质解决物理,化学,和生物的限制,而不是单一的持水量低的问题。有机物质增加了土壤水分和养分含量,水和营养的能力,和阳离子交换量;改善土壤质地和pH值;,为微生物提供能源(1,23- - - - - -25]。有机修正案,如泥炭,占用物理空间,而水凝胶已经扩大,这可能会导致更大的水潴留在湖床沉积物,尽管从水凝胶泥炭显示有限的统计差异,指出所有修正案在湖床沉积物可怜的成功。泥炭持水量增加,在许多实验(24- - - - - -27),导致最大的增加相对于其他有机修正案在这个研究。有限的水潴留增加污水可能导致其形式。脱水后的污水收集涉及两带之间紧迫去除多余的水分。污水仍然非常潮湿,因此可能有能力减少占用大量的额外的水。有限的增加保水性的土壤可能是由于其有机碳含量较低,相对于泥炭和污水和沙子的比例高(粗碎片28.9%;砂泥岩74.3%,20.7%,粘土4.9%)。

虽然有机修正案成立,他们最大的影响持水量的基质会影响结构和聚合(25]。微生物分解有机物,产品帮助形成聚集,增加水的容量和提高渗透和渗透9,25]。因此,有机修改可能会有更大的影响从长远来看比水凝胶。而水凝胶显示在短期内大量增加保水性的实验,其长期效果更少。水凝胶减少效果随着时间的推移,在其他的研究中由于退化从环境暴露12,14]。罗等。14)发现了一个减少85%水42个月后举行。在这项研究中,所有治疗举行略低于水之间的初始润湿水凝胶和随后再湿润。然而,增加水潴留在最初几个关键生长季节可能会导致更大的植物生长,随着时间的推移会增加有机质含量是植物死亡和分解,改善土壤结构。

4.4。应用程序的速度

应用程序比应用程序的更重要的是影响水凝胶的方法,特别是在金伯利岩压碎岩和处理,对复垦anthroposol大楼很重要。在其他的研究中,提高水凝胶的数量也增加了持有的水量(11,12)与金伯利岩压碎岩和处理。关系不太清楚在湖床沉积物水潴留是高,即使在没有修正案应用,尽管利率通常更高的应用程序稍微增加保水性。低潮的原因保留干/湿水凝胶应用于双率在湖床沉积物与其他治疗方法相比在湖床沉积物修正案实验是未知的;然而,它展示了相关的不确定性所使用的水凝胶在湖床沉积物模式尚不清楚。

确定适当的应用程序速度受到几个因素的影响,包括材料成本,可用数量,混合深度和衬底。许多回收站点是远程,创造挑战经济运输大量的材料。使用现场的材料,如污水、表层土,或粪便(根据网站),降低了运输成本,但为复垦提供可能有限。水凝胶是一种选择远程站点很容易运输和小体积和重量,但它可能有一个高成本取决于有机材料的来源。

4.5。突出的问题和建议

这项研究开始地址增加保水性的挑战在我的废料用于土壤。进一步的研究重点突出问题将进一步成功的复垦所需的知识。这些实验被完成在温室,他们暴露于环境条件有限。水凝胶预计持续3到5年的土壤(JRM化工有限公司,2012);然而,矿山废料可能化学和物理性质,导致更快的水凝胶分解。恶劣的环境条件,包括短暂的夏天,寒冷的冬天,冻融循环,和扩展光周期,可能影响水凝胶(减少持有水分解的能力)和有机修正案(缓慢分解限制对土壤结构的影响)。基质可能不会饱和,常常由于短降雨事件可能影响修正的有效性。罗等。14)发现他们的水凝胶在30分钟内从无水到满负荷暴露在被水饱和。然而,修改,特别是水凝胶,不得扩大到全部能力部分饱和的条件。增加保水性也只代表一个因子构建成功所需anthroposols再生长。研究需要比较植物对水凝胶和有机修正案在这些基质。

5。结论

水凝胶和有机修正案建筑anthroposols复垦潜力只需对保水性的影响。水潴留增加与修改和随衬底材料的使用。处理金伯利岩通常举行最水,没有修改。双重应用速率对水凝胶和有机修改导致的水潴留增幅最大。应用湿水凝胶干燥基质导致最大的初始水量增加,但是随着时间的推移,只有微小的差异。干水凝胶会容易在工业规模应用。基板之间的差异表明,水凝胶导致最大的增加保水性压碎岩和加工金伯利岩,而湖床沉积物显示小增加修正案之外,特别是水凝胶,并与泥炭仅略大。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

资金来源没有影响研究设计、收集、分析和解释数据,写报告,或者发布的决定。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这项研究。

确认

这项工作得到了资助博士从戴维克米安妮Naeth钻石矿,Helmholtz-Alberta倡议,和土地复垦国际研究生,通过NSERC创建程序和通过一个NSERC亚历山大·格雷厄姆·贝尔加拿大研究生奖学金,瓦莱丽·米勒。我们感激地承认大卫·Chanasyk博士的帮助下,斯泰西·坎贝尔法院,莎拉•威尔金森和环境部门的戴维克钻石矿。实物支持戴维克提供的钻石矿。

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