CREST | 昆士兰大学Haynes团队：人造土壤的配制和使用——有机和无机废物的主要用途

导读

 

澳大利亚昆士兰大学Richard J. Haynes团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“人造土壤的配制和使用——有机和无机废物的主要用途（Formulation and use of manufactured soils: A major use for organic and inorganic wastes; 2022, 52(22): 4113-4133）”的综述。
人造土壤（Manufactured soils）是作为表层土壤的替代品而产生的，是有机废物（如绿色废物、树皮和锯末）和无机材料（如沙子或碎石）的混合物。它们大量应用于景观美化和荒地、棕地和矿区的恢复。人造土壤的特定用途包括用于盆栽植物的无土栽培基质以及玻璃温室蔬菜作物的袋培和盆培。在大多数人造土壤中，有机和无机组分之间的相互作用很少，使用更大比例的具有化学反应表面的废弃无机材料，如高炉渣、钢渣、铝矾土渣、粉煤灰和水处理残渣等可能会加强组分之间的联系，更好地聚集成新的材料，并使有机组分更加稳定。如果需要持续长期的使用人造土壤材料（例如，在景观美化和修复中），并且需要在该领域进行未来的研究，这种做法是十分可取的。尽管人造土壤用途广泛，目前还没有一篇综述文章对其制造和使用中的现有做法进行评价，并对该主题的研究和发展进行审视，或对未来的研究需求进行规划。因此，在本篇综述中，概述了人造土壤的主要有机和无机成分，并讨论了人造土壤的主要用途。此外，还将天然土壤与人造土壤的特性进行了比较，并讨论了未来的研究需求，特别是在城市环境中大量使用人造土壤进行景观美化的需求。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

人造土壤的主要有机成分包括绿色废弃物堆肥、泥炭、老化的树皮、木制基质、椰壳以及其他的有机材料如榛子壳、纸废料等。近年来，生物炭也被认为是无土介质的一种可能组分，虽然生物炭已经在有些试验中得到使用，但其结果是在变化的，因此它目前并不是一个广泛可用的产品。人造土壤的主要无机成分包括沙子、砾石以及其他的无机组分如沸石和由粘土、粉煤灰和页岩在内的各种材料在高温下烧制(煅烧)形成的聚集体等。此外还有一些同时含有大量有机和无机成分的材料包括天然底土/表土、疏浚沉积物和生物固体。

人造土壤主要用于：

（1）园林绿化土壤。一般的园林绿化中使用的大多数土壤都是以有机堆肥为基础的，其中添加了一些矿物成分（如底土、沙土、碎石粉尘及粉煤灰等）。用表土、底土、河砂、铸造砂、岩石破碎砂/砂砾、粉煤灰和水处理污泥等对绿色废物堆肥进行改良，成功地生产了人工土壤。来自各行业的废料被用来制造土壤意味着这些废料正在被回收发挥作用。生物固体和疏浚沉积物也被用作制造土壤的基础，来自湖泊和河流底部的疏浚沉积物（以及来自海洋环境的淋滤沉积物）已被用于配制人工土壤，但是一个主要问题是它们可能携带无机和有机污染物。在污染较少的地方，它们可以与绿色废物共同堆肥来生产人造土壤产品。

（2）城市环境中的结构性土壤。结构性土壤可以为人行道、广场、停车场和街道提供结构支撑，同时也可以为乔木和灌木提供生根空间。可供根系生长和养分吸收的土壤体积较低往往是导致城市树木徒长的重要原因。结构性土壤的设计是通过创建一个石块基质，将荷载从表面转移到底土中，从而允许根系在承重土壤中生长。如图2所示，承载石晶格通过石头与石头之间的接触提供稳定性，同时为根部渗透提供互连空隙。选择较窄的石料粒度分布，以便在压实后提供高孔隙率的均匀系统，这类土壤通常采用粒径（如直径20~40 mm，或者更大的直径60~150 mm）相近的粗团聚体（碎石、膨胀页岩或板岩）配制，常添加少量（约20% v/v）矿物土。

图2 铺路下方结构性土壤性质示意图

（3）运动场和果岭用土壤。虽然许多运动场都建于天然土壤上，但越来越多的沙地根区开始用于专业运动。以自然土壤为基础的土地的主要限制因素是它们无法应对潮湿的条件，在干燥的条件下，它们表面会变得过于坚硬，在高含水量条件下，表面可能会变得泥泞，容易出现表面车辙和痕迹。在使用频率和强度较高的地方，基于砂的根部区域构造性能更好。砂基运动场具有透水性高、透气性好、抗压实等一系列优点。沙质剖面的缺点主要有表面稳定性差、水和养分保持能力差以及维护成本高。沙粒的粒度很重要，因为较细的颗粒会压实，而较大的颗粒会形成不稳定的运动表面。一般来说，建议60%~80%的颗粒粒径在0.5~1.0mm的粗沙和0.25~0.5mm的中沙范围内。砂层通常建造在底层砾石层（通常为直径为10~20 mm粒级）之上（图3），可以排水，防止表面积水。砂和砾石之间的界面阻碍了非积水（非饱和）条件下的排水，并有效地增加了沙根区的持水能力。

图3 沙基运动场的典型结构示意图

一个使用频率高的高尔夫球场每天可容纳多达400轮高尔夫球。由于如此多的人流量和每周五到七次的割草计划，压实果岭的可能性非常高。虽然天然壤土最初可以作为一种良好的绿化介质，但压实会导致这些绿化迅速恶化。沙子或改良后的沙子被认为是推杆果岭最合适的介质，沙地推杆果岭通常以类似于沙地运动场的方式建造。

（4）植被恢复与场地重建。棕地地区、大型工业和垃圾填埋场的恢复和植被重建可能会涉及到很多公顷土地。在原地表土不适合修复（如压实、有机质含量低、污染等）的地方，可以用从外部引进的有机物料在现场（原位）制造新的表土。有时底土层可能含有拆建材料，如废弃混凝土，这会产生对植物根系生长有害的条件（例如，由于pH值高达11~12）。因此，制造的土壤材料需要放置在剖面的顶部。虽然也使用了生物固体和疏浚沉积物，但堆肥绿色废物通常是主要投入物。土壤制造已成功地应用于一系列场地的植被恢复，包括早期的工厂（焦化厂和钢铁厂）、垃圾填埋场、露天矿、煤矿和棕地。对于粉煤灰和许多类型的矿物尾矿（其特征是缺乏有机物质）的植被重建，通常在地表10cm掺入有机残留物（例如堆肥、生物固体和动物粪便）以改善其化学、物理和生物特性，这已被证明可以改善无机废物的植被恢复效果。

（5）盆栽植株。植物在小而浅的容器中生长会产生两个物理问题。首先，与大田作物可用的水量相比，每种植物可用的基质和水量都很小。其次容器的底部为向下的水流动创造了一个障碍，形成了一个潜水位。这就影响了正常的排水，从而使植物在每次灌溉后都会出现通气不足的情况。因此，通常使用具有大颗粒和大孔隙的材料（例如泥炭、树皮堆肥）。一般建议基质的总孔隙空间为85%，空气填充孔隙率约为15%~25%。虽然泥炭在历史上是无土栽培基质的主要成分，但软木树皮堆肥现在是许多地方使用的主要成分。树皮堆肥一般具有高空气填充孔隙度和低持水能力，向树皮混合物中添加椰壳纤维粉尘（15%~20% v/v）或细砂之后可以提高保水能力。在磨碎的树皮供应稀少的地方，可以用堆肥绿色废物代替，人们已在使用堆肥绿色废物过程中发现了植物良好的生长状况。

（6）温室蔬菜生产。在温室蔬菜生产中，植物一般生长在无土栽培基质中而不是种植到土壤中，这通常通过袋培养来实现，袋是在温室地板上形成的由耐紫外线聚乙烯（50~70 L容量）制成的含有生长介质的圆柱形袋。蔬菜通过上表面的孔种植到袋子里，通过袋子底部附近的狭缝排水。其他系统使用的是含有培养基的大盆，营养混合液的滴灌（施肥）使用通向每个植物的毛细管进行。袋子中使用了多种无土介质，岩棉是许多人首选的生根材料，因为它本质上是惰性的，而且可以自由排水，同样的也经常使用珍珠岩。在火山地区，浮石可用作惰性生长介质。有机培养基也常用于袋培养，泥炭已经成为袋式培养广泛使用的一种培养基。人造土壤的具体要求、特性及组分在表1中列出。

表1 人造土壤的主要用途、要求、特性和典型成分

天然和人造土壤之间的比较是很重要的，虽然这两种类型的土壤都能为植物生长提供合适的介质，但它们的性质却有很大的不同。创造一种性质更像天然土壤的材料，对于在野外条件下长期可持续地使用人造土壤具有重要意义。

与自然农田土壤的情况相反，很大一部分人造土壤是由城市绿色废物堆制而成，较小的一部分是树皮或锯末。人造土壤和自然土壤中某些有机质的性质是相似的，但是在人造土壤中，大部分材料通常是部分分解的木材和树皮，随着时间的推移他们会缓慢分解，而在天然土壤中，大部分材料是无机的。虽然人造土壤可以代替表土，但它们大部分是有机和无机材料的混合物，各组分之间很少发生反应或结合，形成具有自身特性和结构的新材料。添加具有化学活性表面的无机材料可以促进制造材料的无机和有机成分之间的化学相互作用，这种连接的形成以及由此形成的聚集体结构将倾向于保护有机物不被分解，从而降低材料随着时间而体积显著缩小的可能性。所使用的无机材料除了具有活性表面外，其数量也应该充足（最好是废料），并具有合适的物理和化学性质，这样的材料才能用于制造土壤。

总结与展望

随着用于覆盖大面积园林绿化和/或退化场地修复的优质表土的供应不断减少，对人造土壤的需求将逐步增长。因此，目前工业上大量使用的无机（如岩石破碎粉尘、高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、铝土矿渣和水处理残渣等）和有机（绿色废料、树皮、锯末、椰壳）废料具有很大的潜力用于土壤制造。同时也会在土壤生产中使用无机和有机材料的混合物（如生物固体、疏浚底泥等）。重要的是这类材料不含有不可接受的高含量污染物。这种材料的回收利用将减少进入废物倾倒场的材料数量，实现更可持续的资源管理。

大多数人造土壤的主要主要由有机成分（如70%~90%的绿化废弃物堆肥）组成，由于其主要的无机成分如沙子和破碎的岩石等不具有显著的永久或可变电荷的表面，因此其有机和无机成分之间几乎没有相互作用。使用更大比例的无机材料（即大约50%或更大而不是20%），以及使用具有化学反应电荷表面的无机材料（高炉渣、钢渣、粉煤灰、铝矾土渣及水处理残渣），可以使无机材料与有机废弃物材料的活性电荷表面相连接，从而形成更"土状"的材料。然而，必须注意确保这些材料不含有不可接受的重金属等污染物，并可以为植物生长提供合适的物理和化学条件。

作者简介

第一兼通讯作者简介：

Richard J. Haynes，澳大利亚昆士兰大学农业与食品科学学院教授、首席研究员（Principal Research Fellow）。研究方向是土壤与环境科学，目前的研究兴趣是矿山尾矿的恢复和植被重建、利用人工湿地处理尾矿储存区的排水以及硅在作物生产中的作用。工作经历丰富，曾担任过应用研究科学家和大学教授，并曾在新西兰、南非和澳大利亚工作。在国际期刊上发表了190多篇原创研究论文，25篇综述论文，曾受邀在许多国际会议上发表主旨演讲，并曾任4种学术期刊的编委。

|供稿：邱丽雪

|编排：曾镜羽

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