陜西澄合礦區(qū)煤矸石綠化基質(zhì)研究

胡恬　張琨

摘要：為研究煤炭礦區(qū)廢棄地環(huán)境污染提升煤矸石利用率，選取陜西省澄合礦區(qū)為研究區(qū)域，對煤炭礦區(qū)廢棄地進(jìn)行基質(zhì)改良和生態(tài)恢復(fù)研究。以煤矸石的粉碎物作為綠化基質(zhì)的主要組成部分，通過添加土壤、保水劑、緩釋肥和菌肥來進(jìn)行基質(zhì)改良，并利用改良后的基質(zhì)進(jìn)行了高羊茅的種植。結(jié)果表明：自制保水劑（CADX）的交聯(lián)互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（IPN）明顯提升了基質(zhì)的保水效果，降低了基質(zhì)水分蒸發(fā)量，并且能有效富集土壤中的微量元素;當(dāng)普通保水劑和CADX保水劑的比例為1∶1時，在有效控制成本的同時能夠獲得較好的試驗結(jié)果，且通過對高羊茅生長指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)綠化基質(zhì)組成部分對成苗率影響的主次順序是土壤>保水劑>緩釋肥>菌劑，認(rèn)為煤矸石與土壤質(zhì)量比為400∶600，添加15 g/kg保水劑、3.5 g/kg緩釋肥及10 g/kg菌肥的基質(zhì)是適宜于高羊茅生長的最優(yōu)類型，同時根據(jù)正交試驗結(jié)果可知緩釋肥和菌肥這2種因素對高羊茅的生長的貢獻(xiàn)率較低。研究結(jié)果為煤炭礦區(qū)廢棄地植物正常生長以及礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)提供一定參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤炭礦區(qū)廢棄地;煤矸石;澄合煤礦;綠化基質(zhì);生態(tài)恢復(fù)

中圖分類號：TS 731.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）04-0709-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0410

Research on greening substrates of coal Gangue in

Chenghe mining area of Shaanxi ProvinceHU Tian ZHANG Kun

（1.College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Geotechnical Engineering Test Teaching Center，Xian 710600，China）Abstract：In order to study the environmental pollution of abandoned land in coal mining area and improve the utilization rate of coal gangue，Chenghe mining area in Shaanxi Province was selected as a research area，and the matrix improvement and ecological restoration of coal gangue wasteland were examined.The experiment took the comminution of coal gangue as the main component of green matrix and made the improvement of matrix by adding soil，water retaining agent，slow-release fertilizer and bacterial manure.Then? the tall fescue was grown in the modified matrix.The? experiment showed that the cross-linked interpenetrating network structure（IPN）of self-made water retaining agent（CADX）significantly improved the water retention effect of the matrix，reduced the water evaporation of the matrix，and effectively enriched the trace elements in the soil.When the proportion of ordinary water retaining agent and CADX water retaining agent was 1∶1，the results of experiments were with the costs under control.Through the index analysis on the growth of tall fescue，it was found that the order of the effect of the components of the green matrix on the seedling percentage is as follows：soil>super absorbent polymer>slow-release fertilizer>bacterial manure.The optimum type of Festuca arundinacea L.for growth was the weight ratio of gangue/soil? 400∶600，with 15 g/kg super absorbent polymer，3.5 g/kg slow-release fertilizer and 10 g/kg bacterial manure.According to the results of orthogonal test，the contribution rate of slow-release fertilizer and bacterial fertilizer to the growth of tall fescue is low.The results provide certain reference for normal plant growth and ecological restoration of coal mining wasteland.

Key words：abandoned land of coal mining area;coal gangue;Chenghe mining area;green matrix;ecological restoration

0引言

作為世界最早利用煤的國家，煤炭一直是中國生產(chǎn)、生活的主要能源來源之一，在其快速推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，煤礦開采過程中排出了大量固體廢棄物如煤矸石，目前在中國僅有極少部分的煤矸石能夠進(jìn)行二次利用，剩余的多直接在礦井周圍隨意堆置，形成了煤矸石廢棄地，不僅嚴(yán)重的侵占了土地，引發(fā)的土壤和地下水污染甚至煤矸石的自燃還會造成大氣污染，對周圍居民的人身安全、乃至社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1-2]。中國煤矸石產(chǎn)生量約占煤炭開采量的10%～15%，目前已形成1 500座矸石山，貯存煤矸石超過30億t、占地近30萬畝[3]。因此，對煤矸石廢棄地進(jìn)行有效的生態(tài)恢復(fù)，就成為了當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4]。

李朋輝等通過對煤矸石性質(zhì)的分析，提出了一種對含Si、 Al等物質(zhì)進(jìn)行分級提取和高值利用的研究思路[3];袁向芬等利用硅酸鹽細(xì)菌和芽孢桿菌處理高硫煤矸石并生產(chǎn)煤矸石肥料，研究了2種細(xì)菌的混合比例等因素對制備煤矸石肥料的影響[5];閆欽運(yùn)以礦綠化矸石山和裸露矸石山為研究對象，研究了植被恢復(fù)對矸石山生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響[6];王偉等對山西省陽泉市煤矸石山小氣候特征、地形條件、煤矸石理化性質(zhì)、水分和生物特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查分析，提出了地表溫度、侵蝕狀況、pH值和含水量是影響植物生長的主要因子[7];汪家銘提出了以新型肥料改善肥料品質(zhì)和性質(zhì)及提高肥料的利用率的觀點(diǎn)[8]。由于不同研究區(qū)地質(zhì)因素及煤矸石成分的差異，煤矸石基質(zhì)改良機(jī)理與改良過程亟需進(jìn)一步研究。

選取陜西澄合煤礦的煤矸石廢棄地為研究對象，將煤矸石進(jìn)行粉碎，向其中添加自制的具有保水與固定雙重功效的CADX保水劑、土壤、緩釋肥和菌肥等材料，通過進(jìn)行相關(guān)配比試驗和植物生長試驗[9-10]，得到了能夠應(yīng)用于當(dāng)?shù)孛喉肥瘡U棄地生態(tài)恢復(fù)的改良綠化基質(zhì)。

1區(qū)域地質(zhì)概況

澄合礦區(qū)地處陜西省澄城、合陽兩縣境內(nèi)，西與洛河相連，和蒲白礦區(qū)相接，東臨黃河，東北部以北良-龍亭為界，北與韓城礦區(qū)相鄰，東西長約60 km，南起煤系地層露頭，寬約15 km[11]（圖1）。

由于地處陜西，礦區(qū)夏季較長，最高溫度甚至可達(dá)39.3 ℃，煤矸石廢棄地存在有自燃、煤矸石山爆炸的危險性。由于大量煤矸石長期的堆積，伴隨雨水淋溶，會產(chǎn)生酸性廢水并攜帶重金屬離子，進(jìn)而會污染地下水和土壤[12-14]。

2實(shí)驗

2.1試驗儀器及材料

1）試驗用煤矸石：對試驗所用煤矸石進(jìn)行理化分析（表1，表2），得到煤矸石礦物組成成分和化學(xué)性質(zhì)。

從表1，表2中可以看出，澄合礦區(qū)的煤矸石硅、鋁氧化物含量較高，氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉的百分含量占到了總量的20%左右，而植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷、鉀含量較低，這樣的成分配比不利于后續(xù)進(jìn)行植被重建的過程。因此，研究中向粉碎的煤矸石中添加了自制的保水劑、市售的肥料等材料，以獲得適應(yīng)植物生長的綠化基質(zhì)[15-19]。

2）試驗用土：以澄合礦區(qū)周邊土壤為種植基質(zhì)，土壤主要為黃綿土，底土仍顯黃土母質(zhì)特征，黃綿土的顆粒組成和黃土近似，主要由0.25 mm粒徑以下顆粒組成，并以細(xì)砂粒和粉砂粒為主，土質(zhì)疏松、通氣透水性較好，土壤養(yǎng)分組成及化學(xué)性質(zhì)見表3。

3）保水劑：采用市售的普通保水劑（西安鴻森農(nóng)業(yè)生態(tài)科技股份有限公司生產(chǎn)，簡稱P）和自制保水劑（CADX保水固沙劑[8]，簡稱CADX）進(jìn)行試驗。

4）菌肥、緩釋肥：采用西安德龍生物科技有限公司生產(chǎn)的生物菌肥、西安匯昌農(nóng)資有限公司生產(chǎn)的緩釋肥。

5）試驗草種：以高羊茅作為試驗植物種，從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院購買，純度為100%，發(fā)芽率為95%。

2.2保水劑配比試驗

2.2.1CADX的制備

取500 mL錐形瓶一只，加入75份（質(zhì)量份，下同）的丙烯酸和24份氫氧化鈉固體，攪拌至中和pH值調(diào)整為7，加入300份蒸餾水并混勻，再加入0.03份過硫酸銨，在N₂保護(hù)恒溫40 ℃的條件下，進(jìn)行聚合反應(yīng)，得到反應(yīng)溶液A。

取一只500 mL的燒杯，加入羧甲基纖維素鈉100份，再加入600份蒸餾水，在加熱條件下使羧甲基纖維素鈉充分溶解，冷卻至室溫后，得到反應(yīng)溶液B。將A，B反應(yīng)溶液混合，置入反應(yīng)器內(nèi)，在60 ℃的條件下，加入安息香乙醚和甘油混合物（1∶2）0.8份及改性劑A 0.1份，攪拌30 min，之后將攪拌均勻的反應(yīng)液放置在紫外燈下照射25 s后，再向其中加入改性劑B0.3份，放入微波輻射活化器中進(jìn)行微波活化15s，得到透明的膠狀物質(zhì)，將其過濾，用95%的乙醇進(jìn)行洗滌，洗去雜質(zhì)后，放入烘箱，在180 ℃的溫度下干燥2～3 h，粉碎后即得到成品CADX[6]（圖2）。

自制的CADX，通過改性劑的促進(jìn)作用以及微波輻射活化作用，形成了一種交聯(lián)網(wǎng)狀的立體組織結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)可以促使CADX在能夠有效吸水保水的同時，利用分子間作用力將顆粒物質(zhì)進(jìn)行緊密的粘結(jié)，達(dá)到固定基質(zhì)的作用，選擇CADX作為綠化基質(zhì)的一個組成部分，通過試驗來判定其在基質(zhì)中的最佳配比。

2.2.2試驗分組

采用市售普通保水劑（簡稱P）和自制保水劑（CADX）2種保水劑進(jìn)行試驗（表4）。

2.2.3試驗過程

將試驗土壤置于干燥箱中以70 ℃溫度烘干至恒重;等量土樣分別裝入試驗圓盤;按設(shè)計水平稱出保水劑用量（倒入基質(zhì)均勻混合后平鋪）;用細(xì)噴霧器在每一圓盤的土壤中加入150 mL水;放置在室內(nèi)讓其自然蒸發(fā)，記錄溫濕度，每隔24 h記錄一次，連續(xù)觀測20 d;保水性能測定結(jié)束后，使用土壤硬度計進(jìn)行測定。

2.3基質(zhì)配比試驗

應(yīng)用正交試驗法對試驗中土壤、保水劑、混合肥、菌肥的配比及組成進(jìn)行設(shè)置，選擇四因素四水平來設(shè)計，對各基質(zhì)的日蒸發(fā)量作比較，觀察基質(zhì)的保水性能，并對高羊茅的生物量進(jìn)行分析[11]，以此來判斷高羊茅對試驗基質(zhì)的適宜性。

2.3.1試驗分組

試驗的各因素均設(shè)4個水平，各水平的設(shè)置用量參照了實(shí)際生產(chǎn)過程及產(chǎn)品說明中的用量（煤矸石基質(zhì)中的土壤用量采用質(zhì)量百分比來表示，保水劑、緩釋肥及菌肥的使用量均為每kg煤矸石基質(zhì)中的使用量）（表5），在土壤中播種高羊茅進(jìn)行植物生長試驗（表6）。

2.3.2播種方法

將配置好的各種基質(zhì)裝入花盆，每盆中依次撒入100粒高羊茅種子，高羊茅開始出苗，兩周后高羊茅的出苗數(shù)基本穩(wěn)定。

2.4結(jié)果與分析

2.4.1保水劑配比

改變保水劑配比，對土壤的水分蒸發(fā)量進(jìn)行了考察。隨著時間的增加，各壤土試樣的水分蒸發(fā)量趨勢逐漸減少，最后基本維持在一條水平線上。保水劑P在添加了不同比例的CADX保水劑后，保水性能有了較明顯的提升，并且添加CADX的比例越高，獲得的保水效果越好（圖3）。

這是因為，試驗材料中使用的CADX保水劑的專利技術(shù)使其具備了雙重功效，通過一系列化學(xué)改性作用最終在基質(zhì)中能夠形成一種特殊的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，滲透性良好并具有一定的耐壓性，能夠在對較為松散的煤矸石進(jìn)行固定的同時，對周圍環(huán)境提供的微量水分可以進(jìn)行超強(qiáng)鎖定，并且材料中含有大量親水性基團(tuán)，可吸收富集基質(zhì)周圍植物生長所需的Ca²⁺，Mg²⁺，K⁺，NO^-₃，NH⁺₄，SO^2-₄，PO^3-₄等，有利于植物的生長發(fā)育。但CADX保水劑生產(chǎn)成本較高，因此，為了有效降低成本，根據(jù)試驗結(jié)果，選擇保水劑的適宜配比為CADX∶P=1∶1，能夠保證良好保水效果的同時有效控制成本。

2.4.2播種初期基質(zhì)內(nèi)水分蒸發(fā)分析

在基質(zhì)中播種完成后，需要人工澆水，確?；|(zhì)中含有充足的水分來滿足種子發(fā)芽的生長需要，但是在北方干旱半干旱地區(qū)，降雨較少，如果長期采用人工灌溉方式將會加大種植成本[20-23]，因此，需要考察添加保水劑后基質(zhì)內(nèi)的水分蒸發(fā)情況。

通過4組試驗對比，可以看出，添加了CADX保水劑后，基質(zhì)的日蒸發(fā)量顯著降低，但是降低趨勢和保水劑的增加之間沒有明顯的相關(guān)性，因此在實(shí)際操作時可選擇最適添加量。4組試驗中土壤含量不同，而CADX保水劑添加量相同時，基質(zhì)的水分蒸發(fā)量變化沒有和土壤的變化產(chǎn)生明顯關(guān)聯(lián)（圖4），每一組基質(zhì)的水分蒸發(fā)量并沒有跟隨著保水劑用量的增加而減少，而當(dāng)基質(zhì)中添加保水劑的質(zhì)量為15g時，蒸發(fā)量較小。對4組基質(zhì)中各組蒸發(fā)量的總和進(jìn)行對比，蒸發(fā)量最少的為第1組，而蒸發(fā)量最大的是第4組[24-26]。由圖5可以看出，在土壤體積條件一樣的情況下，有保水劑基質(zhì)的水分蒸發(fā)量明顯減小。

2.4.3植物生長狀況分析

一般情況下，高羊茅的出苗數(shù)在播種兩周后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，3個月后高羊茅的生長情況基本結(jié)束，對其進(jìn)行成苗率的統(tǒng)計分析，并結(jié)合因素水平進(jìn)行極差分析。

對高羊茅的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表8，可以看出基質(zhì)中各因素對成苗率影響的主次順序是土壤>保水劑>緩釋肥>菌劑，各基質(zhì)配比中的最優(yōu)組合為A₄B₄C₂D₃，考慮到保水劑添加量為15 g時基質(zhì)水分蒸發(fā)量最少，可將最優(yōu)組合調(diào)整為A₄B₃C₂D₃，在后續(xù)的試驗中可進(jìn)一步對此方案進(jìn)行優(yōu)化。

3結(jié)論

1）基質(zhì)在添加CADX保水劑后，保水效果較普通保水劑明顯提升，且隨著用量的增加，保水效果呈增大趨勢，可有效增加土壤保水容量，并且能有效富集土壤中的微量元素。但由于CADX保水劑成本高于普通保水劑，因此隨著用量的增加，成本在逐漸提高。經(jīng)過多組試驗對比，選用普通保水劑和CADX保水劑的比例為1∶1時，在成本較低的情況下可保證較好的試驗效果。

2）自制的CADX保水劑具有良好的保水性能和獨(dú)特的交聯(lián)網(wǎng)狀互穿結(jié)構(gòu)，在添加保水劑后的15 d中，根據(jù)試驗觀測，發(fā)現(xiàn)添加保水劑的基質(zhì)水分蒸發(fā)量顯著降低。

3）煤矸石與土壤質(zhì)量比為400∶600、添加15 g/kg保水劑、3.5 g/kg緩釋肥及10 g/kg菌肥時，可以得到最優(yōu)的基質(zhì)配比方案。根據(jù)正交試驗結(jié)果可知緩釋肥和菌肥這2種因素對高羊茅的生長的貢獻(xiàn)率較低，在進(jìn)行實(shí)際種植時可根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行酌量增減。

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