煤矸石粒径结构对充填复垦重构土壤理化性质及农作物生理生态性质的影响

徐良骥，黄璨，李青青，朱小美，刘曙光安徽理工大学测绘学院，安徽 淮南 23200



煤矸石粒径结构对充填复垦重构土壤理化性质及农作物生理生态性质的影响

徐良骥1，黄璨1，李青青1，朱小美1，刘曙光1
安徽理工大学测绘学院，安徽 淮南 232001

摘要：为了研究自然煤矸石充填复垦地和不同覆土厚度条件下不同颗粒级配煤矸石充填复垦地重构土壤理化性质及在其之上生长的玉米（Zea mays L.）的生理生态特性，以淮南创大“煤矸石充填复垦示范基地”为研究区域，通过分区分层采集实验区范围内土壤样品，检测并分析其主要营养元素及重金属含量，监测实验区内玉米各生理生态指标变化情况及其植株各部分的重金属含量，探究以不同颗粒级配煤矸石作为填充基质对其充填区域农作物的影响。实验结果表明：经过分选后的煤矸石作为填充基质比自然状态下的煤矸石填充基质具有较好的保水保肥性和透气性，尤其以70%～100%粒径为＜80 cm的煤矸石作为填充基质的重构土壤培育的玉米，其各项生理生态指标均表现良好，说明该复垦方案更有利于玉米的生长。但两种以煤矸石作为主要填充基质的复垦方案都面临土壤中部分重金属含量超标和向植物体迁移的问题。如何降低重构土壤中重金属含量，减少土壤中重金属向植物体内的迁移将成为今后研究的重点。

关键词：不同颗粒级配煤矸石；充填复垦；玉米生理生态特性；重金属含量

XU liangji,HUANG Can,LI Qingqing,ZHU Xiaomei,LIU Shuguang.Study on the Physical-chemical Properties of Reconstructed Soil in Filling Area Affected by the Substrate Made of Coal Gangue with Different Particle Size Distribution and the Crop Effect [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):141-148.

煤矸石是淮南矿区煤炭开采和加工利用过程中排放量最大的固体废弃物，其排放量约占原煤的10%～20%，淮南市煤炭生产排放的煤矸石堆存量达2000多万吨，占地93.15 hm2，每年排放的煤矸石400万吨左右（陈永春等，2011）。大量煤矸石的排放导致土地压占和生态环境的破坏，利用煤矸石充填复垦造地不仅能恢复开采沉陷区的土地资源，而且能处理消化煤矸石，经济环境效益显著。

目前国内外有关利用煤矸石充填复垦的研究集中在复垦地重构土壤理化性质、环境效应及生产力等方面，主要包括：不同充填复垦年限的复垦地土壤理化性质变化（徐良骥等，2014a；王金满等，2012）；煤矸石充填复垦的环境效应（秦俊梅等，2013；董霁红等，2010）；煤矸石充填复垦土壤污染的潜在风险评价（王兴明等，2012；董霁红等，2012）；充填复垦土地生产力评价（Rodionov et al.，2012）。而对于煤矸石基质粒径结构对充填重构土壤的持水保肥能力的影响方面很少有研究。本文结合前期研究成果，通过田间小区试验和室内测试分析，综合考虑重构土壤水分、养分、作物长势产量等各项因素，分析煤矸石基质的粒径结构对充填复垦重构土壤理化性质及作物生理生态性质的影响，以期为优化煤矸石充填复垦施工工艺和提高复垦地生产力提供一定的理论依据。同时对复垦地土壤及作物中的重金属进行监测，评价煤矸石充填复垦的安全性。

1　研究区域概况

田间试验小区于2013年12月建成，总面积为300 m2，位于淮南矿区潘北矿南部，平均地下水深度为1.5 m。试验小区平均分隔为10 m×10 m的试验地块，共3块。以取自淮南朱集矿和潘北矿的不同粒径掘进矸石或二洗矸作为填充基质，并根据大于80 mm粒径和小于80 mm粒径的煤矸石构成比例不同依次标注为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号地块，上覆50 cm黄土。各试验地块之间及试验小区与外界田地间均用隔水土工布分隔。各试验地块内重构土壤结构及煤矸石粒径构成详细情况见表1。

试验小区各试验地块覆土均为黄壤土（yellow loam），厚度均为50 cm。其主要理化性质如表2所示。充填材料为朱集矿和潘北矿所产煤矸石，是介于岩石和黏土之间的特殊粗粒土。其化学组成如表3所示。

表1　各试验地块重构土壤结构Table 1　The reconstructed soil structure in different plots

表2　试验地块覆土的主要理化性质Table 2　Main physical-chemical properties of cover soil in experimental plot

表3　试验小区煤矸石基质矿物组分Table 3　Mineralogical composition of coal gangue substrate inexperimental field

该试验小区于2014年4月种植玉米（Zea mays L.）并进行土壤样品采集测试工作。为监测自然状态下的复垦区玉米长势，试验小区除在建设初期施以有机肥并定期灌溉外，其他田间管理与周边农田一致，在玉米生长期内不施任何肥料。

2　材料与方法

2.1材料准备

土壤样品采集时间分别为2014年6月19日、2014年7月3日和2014年6月起至7月止，采样时天气晴朗，非雨后，温度适宜。利用GPS定位，在各试验小区按照“梅花桩法”（张甘霖等，2012）布设采样点并进行分层采样，具体布设位置如图1所示。

图1　田间试验小区及采样点分布示意图Fig.1　Distribution of experiment plots and sample points

2.1.1土壤理化性质分析样品的采集

利用φ 50.24 mm×50 mm环刀分别采集各试验地块0～10 cm、＞10～50 cm土壤样品，各试验地块内布设5个采样点，各采样点各土壤层采集2个样品，共计60个样品。同样方法在对照地块采集样品20个。

2.1.2玉米生理生态特征样品及相关数据采集

自玉米出芽期至成熟收割期，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号试验地块和对照地块内随机抽取10株长势一致的玉米监测玉米株高、叶绿素浓度，检测玉米产量。每玉米植株测株高3次后取平均值作为每株株高，选取每植株上2片叶片测量叶绿素浓度10次后取平均值。将上述玉米植株的叶片、茎、根、苞叶和籽粒经过完全干燥、研磨后进行玉米植株重金属元素监测。

2.2检测方法

土壤监测指标包括：煤矸石粒径结构，表层覆土土壤含水量，煤矸石重金属含量，土壤速效N、P、K含量；玉米监测指标包括：玉米株高，叶绿素浓度，玉米产量，玉米叶片、茎、根、苞叶及籽粒重金属元素含量。具体的监测方法如表4所示。

表4　样品监测指标及方法Table 4　The indexes and test methods for different samples

2.3数据分析方法

本文主要选择CORREL函数作为分析函数，进行土壤含水量和不同养分含量间的相关性分析；采用相关性分析方法，对玉米不同部位各重金属元素含量进行分析。

3　结果与分析

3.1试验结果

3.1.1土壤含水量分析

试验地块和对照地块各土壤样品的含水量监测结果如图2所示。由图2可知，试验地块Ⅱ各土壤层在监测初期具有最高土壤含水量，随着时间推移，各地块底层土壤含水量逐渐高于表层土壤；试验地块Ⅲ平均土壤含水量最低。监测结果表明，试验地块Ⅱ重构土壤，即粒径＜80 mm的煤矸石级配为70%的填充基质在一定时间范围内能够有效保持土壤水分，分析原因是本试验中粒径＜80 mm的煤矸石质地多为黏土，化学成分以SiO2为主，其保水性较好（王宇等，2008），细粒径矸石作为填充基质，其压实度较好，土壤孔隙较小，利于土壤保持水分。但与对照地块相比，复垦地重构土壤水质量分数较低，建议采取相应措施改良其保水性。

图2　各时期不同粒径结构煤矸石充填复垦重构土壤含水量（质量百分比）Fig.2　Different water content of reconstructed soil in reclaimed filling area by different particle size

3.1.2土壤营养元素分析

不同试验地块土壤样品速效氮、速效磷和速效钾含量监测结果如表5、表6所示。

表5　各试验地块不同土壤层3种营养元素质量分数Table 5　Contents of three nutrients in different soil layers of the plots and the standard values　　　　　　　　　　　　mg·kg-1

表6　各试验地块不同土壤层3种营养元素含量与背景值差异显著性分析Table 6　Analysis about significance of difference between contents of three nutrients in different soil layers of the plots and background values

由表2及表5可知，种植作物前，试验地块覆土中的速效氮、速效磷和有效钾含量均符合背景值，对试验地块中作物的速效氮、速效磷和有效钾含量不构成直接影响。

由表5及表6可知，各试验地块的不同土壤层中，速效氮含量与背景值（64.30 mg·kg-1）有明显差异，表明各试验地块重构土壤中氮元素严重缺乏，应适当增加人工施肥补给土壤中缺失的氮素，以满足作物生长需要。Ⅰ号试验地块的50 cm以上土层的速效磷含量与背景值（15.31 mg·kg-1）差异明显，其余各试验地块不同土壤层速效磷含量均与标准值无显著差别，表明试验地块重构土壤磷元素缺乏现象不明显；试验地块Ⅱ和Ⅲ的有效钾含量均低于标准值。

试验地块以煤矸石为基质，其重构土壤颗粒间孔隙较大，各营养元素受淋溶作用易流失（徐良骥等，2014b），故试验地块土壤各营养元素含量均低于安徽省土壤背景值。

3.1.3相关性分析

本文选择CORREL函数作为分析函数，进行土壤含水量和不同养分含量间的相关性分析，结果如表7所示。分析结果表明，（1）土壤不同养分含量间呈正相关，说明各试验地块各土壤养分分异特征一致，即同时间段内随土壤含水量的增加或减少而具有类似的变化，但低于安徽省土壤背景值。（2）6月份各试验地块土壤含水量与速效磷、速效钾含量之间呈正相关，7月下旬各试验地块土壤含水量与各营养元素则成负相关，分析原因为玉米在灌浆至成熟期内需要土壤提供大量水分和养分，在收割期则不需要从土壤中吸收大量水分和养分（陈雨海，2011）。

根据表7和《相关系数显著性检验表》可知，当自由度为60时，P＜0.05水平上的相关系数呈显著性的界定值为0.250，故速效氮、速效磷和速效钾呈显著性相关。土壤含水量监测初期（2014-06-19），各试验地块土壤含水量与土壤速效氮含量呈不显著负相关，说明此阶段土壤含水量与土壤速效氮含量没有必然联系；土壤含水量与土壤速效磷和速效钾含量呈显著正相关，说明土壤含水量直接影响土壤速效磷和速效钾含量。在土壤含水量监测中期（2014-07-03），土壤含水量与土壤速效氮和速效钾含量呈显著正相关，与土壤速效磷含量呈显著负相关，说明此阶段土壤含水量的高低对土壤速效氮和速效钾含量有较大影响。在土壤含水量监测后期（2014-07-03），土壤含水量与土壤速效氮、速效磷和速效钾含量均呈显著负相关，说明在玉米成熟期，土壤速效氮、速效磷和速效钾的含量不会随着土壤含水量的增加而增加。

表7　各试验地块土壤营养组分间的相关系数Table 7　Correlation between different nutrients contents in various experimental plots

3.2玉米生理生态性质分析

3.2.1玉米株高分析

由图3可知，在玉米出芽至拔节期（2014年4月下旬），各试验地块玉米平均株高无明显差别；随时间推移，各地块玉米平均株高均有所增加，其中各试验地块玉米平均株高增长量为试验地块Ⅲ＜试验地块Ⅰ＜试验地块Ⅱ；玉米成熟至凋萎期，各试验地块玉米植株平均株高均有所下降；玉米出芽期阶段，各试验地块的玉米株高与对照地块无明显差别，随时间推移，差异逐渐显著，且各试验地块玉米株高均小于对照地块。

图3　各时期不同粒径结构煤矸石充填复垦区玉米株高Fig.3　Maize height of different reclaimed area filled by coal gangue in different particle size distribution and cover soil during various of period

3.2.2叶绿素浓度分析

由图4可知，在玉米成熟期，各试验地块玉米叶片叶绿素浓度试验地块Ⅰ＜试验地块Ⅲ＜试验地块Ⅱ；试验地块Ⅱ的玉米叶绿素浓度略高于对照地块，其余各试验地块玉米叶片叶绿素浓度均低于对照地块。在玉米拔节期、大喇叭口期至抽雄期阶段（孟磊等，2008），试验地块Ⅱ玉米叶片叶绿素浓度最高值为30.48 spad，即粒径＜80 mm的煤矸石所占比例为70%的充填复垦地玉米叶片叶绿素浓度最高，表明该种粒径级配的煤矸石基质孔隙度较高，使土壤在有效保持土壤水分养分的同时保持较好的透气性，能够为玉米的生长发育提供良好的生长环境（邵明安等，2006）。

图4　玉米成熟期叶片叶绿素浓度Fig.4　The chlorophyll concentration of maize leaves during the maturity

3.2.3玉米产量分析

由图5可知，试验地块Ⅱ玉米产量较高，为18350 kg·hm-2，略小于对照地块玉米产量18463 kg·hm-2，试验地块Ⅲ玉米产量次之，试验地块Ⅰ玉米产量最低。试验结果表明，粒径＜80 mm的煤矸石所占比例为70%的充填复垦地具有较高的玉米产量，原因为以细粒径煤矸石为主的填充基质的持水保肥性能较好，且具有较好的透气性，能够满足玉米根系在发育过程中对水、肥和氧气的需求。

图5　各试验地块玉米产量Fig.5　Production of maize in various of experimental fields

3.3重构土壤及玉米各部位中重金属含量分析

由表8可知，朱集矿和潘北矿煤矸石及试验地块上覆土壤的Hg、Pb质量分数均分别低于国家标准值及淮南土壤背景值外，煤矸石As含量低于国家标准及淮南土壤背景值，处于安全水平；试验地块上覆土壤As质量分数为14.15 mg·kg-1，高于淮南土壤背景值10.5 mg·kg-1，应重视其对重构土壤构成的潜在污染威胁；试验地块上覆土壤Cu质量分数为25.63 mg·kg-1，低于国家标准值但高于淮南土壤背景值24.2 mg·kg-1，易在农作物中出现富集现象；潘北矿煤矸石Cd含量为0.245 mg·kg-1，高于国家一级标准值0.2 mg·kg-1，极易出现富集现象，应予以重视。各地块玉米不同部位的重金属含量如表9所示。

表8　试验地块重构土壤重金属含量及淮南背景值（杨晓勇等，1997）Table 8　Heavy metal content of reconstructed soil in experimental field and background values of Huainan

表9　不同地块玉米各部位重金属质量分数Table 9　Different heavy metal mass fraction in different maize part in various of plots

由表9及表10可知，各试验地块玉米茎、苞叶和籽粒中As质量分数均低于重金属质量分数限值，处于安全水平；各试验地块玉米根部As质量分数均超标，其中试验地块Ⅰ的玉米根部As质量分数为2.21 mg·kg-1，高于标准值1.46倍。

表10　玉米中重金属含量限值（杨晓勇等，1997）344-347Table 10　Limit values of heavy metal content in maize

各试验地块玉米叶片、根部Hg质量分数均高于标准值（0.02 mg·kg-1）；试验地块地块Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ玉米苞叶以及试验地块Ⅱ和Ⅲ玉米籽粒中Hg质量分数均高于标准值，其中试验地块Ⅰ玉米苞叶中Hg含量最高，为0.09 mg·kg-1。

各试验地块玉米茎、苞叶和籽粒中Cu质量分数均低于限值（10 mg·kg-1），试验地块Ⅲ玉米叶部，各试验地块玉米根部Cu质量分数超标，试验地块Ⅰ玉米根部Cu质量分数为最高值（16.63 mg·kg-1）。

各试验地块玉米叶片、根和苞叶部Pb质量分数均高于标准值（0.4 mg·kg-1），试验地块I、III茎部、试验地块Ⅲ玉米籽粒中Pb质量分数高于标准值，其中试验地块Ⅲ玉米叶片Pb含量最高，为2.53 mg·kg-1。

各试验地块玉米各部位Cd含量均低于标准值（0.05 mg·kg-1），处于安全水平。

根据试验结果和相关研究成果（周振民，2010）可知：（1）试验小区土壤中Pb质量分数平均值为16.84 mg·kg-1，远低于土壤一级标准（自然背景值35.00 mg·kg-1）；玉米中Pb质量分数最大值为1.5 mg·kg-1，远高于玉米重金属质量分数限值0.4 mg·kg-1（NY861─2004），但仍远低于土壤中Pb质量分数；（2）玉米根部含有大量微生物（赵仁鑫，2013），有助于根部吸收和固定重金属元素，但根部所吸收的重金属向上输送较困难，因此各地块玉米根部的重金属含量高于其它部位。Ⅲ号地块玉米重金属超标的部位、种类与数量明显高于其他两试验地块，表明细粒径结构的煤矸石基质较好的保水持肥性能，在利于玉米吸收土壤水分的同时，也增大了土壤中重金属随土壤水的毛细作用向玉米植株迁移的量。

该试验小区旁有堆积4 a的大型煤矸石山（已覆绿），占地面积约5.67 hm2，平均高度约15 m。该矸石山由朱集矿和潘北矿的掘进矸石和选洗矸石组成，与本文试验小区的煤矸石填充基质来源一致。受降雨和人工灌溉的淋溶作用，煤矸石山的淋溶水汇聚至试验小区所在的塌陷水域，导致矸石山淋溶水中重金属迁移富集于塌陷水域（徐良骥等，2007）。试验小区覆土和玉米中的部分超标重金属元素来源于煤矸石基质或塌陷水域，需要进一步试验验证。

4　结论与讨论

4.1讨论

各复垦地块含水率低于对照地块，中粗煤矸石作为填充基质的复垦地块，其保水持肥性较好；各地块土壤养分含量、玉米株高、叶绿素浓度及产量均低于对照地块。结合复垦工艺，综合考虑本试验各复垦地块土壤理化性质及作物生理生态特征，中粗煤矸石基质复垦地块的各项指标均优于其他复垦地块，试验表明煤矸石基质粒径结构为(＞80 mm)∶(＜80 mm)=3∶7为最佳填充基质粒径结构。

4.2结论

对各地块进行分区分层采集土壤样品监测，结果显示：复垦地重金属元素有向上迁移并在作物体内富集的趋势，与其他部位相比，作物根部各重金属质量分数普遍较高；各复垦地块上覆土壤和煤矸石基质中Hg、Pb质量分数处于安全水平；上覆土壤中Cu质量分数高于淮南市土壤背景值，应予以重视；煤矸石基质中As质量分数高于国家一级标准值，已对复垦地土壤构成潜在污染威胁。

由于所建试验小区面积较小，煤矸石粒径结构差异对重构土壤及农作物的影响实验结果需持续监测分析进一步验证。

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Study on the Physical-chemical Properties of Reconstructed Soil in Filling Area Affected by the Substrate Made of Coal Gangue with Different Particle Size Distribution and the Crop Effect

XU liangji1,HUANG Can1,LI Qingqing1,ZHU Xiaomei1,LIU Shuguang1
1.Faculty of Surveying and Mapping,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China

Abstract:For studying the reconstruction soil and the eco-physiological characteristics on two kinds of filling reclamation that one is filling reclamation land with natural coal gangue and covered soil in different depths and the other one is filling reclamation land with the coal gangue in different particle size distribution and the top-soil of most suitable depth,this article treated the “Coal Gangue Filling Reclamation Demonstration Base” as the research area,used ways or ideas such as partition hierarchy collecting the soil samples within the experimental field,checking and analyzing main nutrition and heavy metal content as well as monitoring experimental eco-physiological indexes of maize in the region and its heavy metal content in various parts of the plant to explore the influence of using different particle size distribution of coal gangue as fill substrates on the crops in filling areas.The results shows that it is much better to use the coal gangue after filtering as fill substrate than the natural coal gangue because the former has better property of keeping water and nutrient and air permeability.What’s more,the land which has used 70%～100% of coal gangue in size of ＜ 80 cm as fill substrate can get the maize with good performance of eco-physiological characteristics,which shows that this reclamation plan can be more suitable for maize growth.However,both reclamation plans have to meet the problems that some heavy metals content in soil are beyond the standards and move into plants.Therefore,how to cut down heavy metal content and the movement from soil to plants should be the important point of further study.

Key words:different particle size distribution of coal gangue; filling reclamation; physiological characteristics of maize; heavy metal content

收稿日期：2015-10-09

作者简介：徐良骥（1978年生）男，教授，博士，研究方向为矿山开采沉陷与土地复垦。E-mail:ljxu@aust.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（41472323；42372369）；安徽省国土资源科技项目（2012-k-24）；安徽省自然科学基金项目（1208085QE91）

中图分类号：X705; X144

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）01-0141-08

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.021

引用格式：徐良骥,黄璨,李青青,朱小美,刘曙光.煤矸石粒径结构对充填复垦重构土壤理化性质及农作物生理生态性质的影响[J].生态环境学报,2016,25(1):141-148.