山西潞安礦區(qū)矸石風(fēng)化物基質(zhì)改良研究

張婷婷，吳祥云，孫允聰，李廣芬

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

煤炭的開采和利用引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，煤礦區(qū)已經(jīng)成為典型的嚴重受損生態(tài)系統(tǒng)[1]。礦山開采極大地改變了原生景觀生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)退化與環(huán)境污染。其主要表現(xiàn)為地表景觀破壞、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、水文干擾與水質(zhì)污染、大氣污染與微氣候擾動、土地資源破壞與占用、土壤退化與污染、水土流失加劇、生物多樣性損失等，影響最深刻的是礦區(qū)的土壤環(huán)境[2]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)與生物多樣性的載體，是礦區(qū)土地恢復(fù)與生態(tài)重建的基礎(chǔ)，有研究表明，極端pH值、基質(zhì)養(yǎng)分貧瘠和持水能力差等都是矸石廢棄地植被恢復(fù)的重要限制因素[3-5]。因此，要想成功地修復(fù)矸石山環(huán)境，必須首先解決土壤問題[6]。

針對矸石廢棄地基質(zhì)改良，國內(nèi)外已經(jīng)展開了一系列研究。通過施用化學(xué)物質(zhì)、表土覆蓋[7-8]、施用有機肥料[9-10]以及引入微生物[11]等方式進行改良，均取得了一定效果。但是由于土源缺乏、投資過大、技術(shù)難度較高等原因，造成這些方式的推廣、使用受限。

本研究選擇利用農(nóng)田耕層黃土和有機肥作為基質(zhì)改良的添加劑，可以合理改善基質(zhì)理化性質(zhì)，有效降低改良成本，提高植被恢復(fù)速度，為當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟和生態(tài)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

以山西省長治市潞安煤礦矸石山為研究對象。潞安礦區(qū)位于山西省東南部，太行山中段西側(cè)、長治盆地西部，地理坐標(biāo)東經(jīng)112°32′53″～113°16′35″，北緯 35°50′9″～36°33′49″，南北平均長約65km，東西平均寬約60km，總面積4 015 km2。從地形地貌上來說，潞安礦區(qū)東南部和西南部地形多為低山、丘陵，中東部為河谷、平原。潞安礦區(qū)地處內(nèi)陸，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶檯^(qū)，為暖溫帶大陸性氣候；年平均氣溫8～9℃，年平均蒸發(fā)量為1 731.84 mm，年平均降雨量583.9 mm（夏季占50%～60%）。潞安礦區(qū)的主風(fēng)向為西北風(fēng)，最大風(fēng)速為14～16 m/s。潞安礦區(qū)土壤主要有棕壤、褐土、草甸土和水稻土4個種類，有機質(zhì)含量在0.7%～1.6%之間。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 基質(zhì)改良盆栽試驗所用矸石風(fēng)化物取自山西省潞安集團王莊煤礦北矸石山，農(nóng)田耕層黃土、有機肥來源于礦區(qū)周邊農(nóng)田和農(nóng)田間堆砌放置的農(nóng)家糞肥。將采集樣品帶回實驗室，進行通風(fēng)陰干，研磨，按照不同比例混合配成基質(zhì)改良劑，裝入容器內(nèi)。

1.2.2 基質(zhì)配比 以100%矸石表層風(fēng)化物作為對照，將耕層黃土、有機肥和矸石風(fēng)化物按設(shè)計比例（體積比例）混合成4種不同配比的基質(zhì)改良方案。即A.100%矸石風(fēng)化物（CK）；B.70%矸石風(fēng)化物＋30%黃土；C.70%矸石風(fēng)化物＋20%黃土＋10%有機肥；D.70%矸石風(fēng)化物＋10%黃土＋20%有機肥；E.70%矸石風(fēng)化物＋15%黃土＋15%有機肥。

1.2.3 盆栽試驗設(shè)計 將風(fēng)干后的樣品按設(shè)計比例混合后裝盆。所選擇容器規(guī)格為：盆高11 cm、直徑8 cm的硬質(zhì)塑料花盆，每個處理設(shè)10個重復(fù)，選取紫穗槐進行盆栽試驗，共有50盆。每盆按隨機方式在試驗場地放置。采用播種育苗方式種植，每盆播種5粒，苗木長出真葉后每盆定苗2株。

1.2.4 種子處理與苗期管理 對試驗所用種子進行選種、消毒、催芽及播種4步處理。播種后2周內(nèi)每3 d澆水1次，使基質(zhì)保持濕潤。苗木長出真葉后進行間苗，每個容器保留2株健壯苗，定苗后及時澆水，每7 d澆水1次，以保證幼苗根系與土壤的緊密結(jié)合。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2003和SPSS 18.0數(shù)學(xué)分析軟件進行方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)改良對矸石風(fēng)化物pH值的調(diào)節(jié)

土壤酸堿度是土壤重要的基本理化性質(zhì)之一，是土壤形成過程和熟化培肥過程的一個指標(biāo)。其對土壤中養(yǎng)分存在的形態(tài)和有效性，對土壤的理化性狀、微生物活動以及植物生長發(fā)育都有著很大的影響[12-14]。由于大多數(shù)植物所必需的營養(yǎng)元素的有效性與pH值有關(guān)，所以，土壤pH值又是估計植物所需營養(yǎng)元素相對有效性的指標(biāo)。不同基質(zhì)改良措施的pH值測定結(jié)果如表1所示。

表1 不同基質(zhì)處理的pH值

從表1可以看出，矸石風(fēng)化物基質(zhì)pH值為6.23，為弱酸性，對植物的穩(wěn)定生長有一定的抑制作用。pH值接近中性的黃土和偏堿性的有機肥的混合添加，有效地提高了矸石風(fēng)化物的pH值，使改良基質(zhì)的pH值基本都接近中性，有利于植物的穩(wěn)定生長。

2.2 基質(zhì)改良對矸石風(fēng)化物養(yǎng)分狀況的影響

全效性養(yǎng)分測定結(jié)果（表2）表明，矸石風(fēng)化物基質(zhì)中全氮含量為0.072%，低于土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)的4級標(biāo)準(zhǔn)[12]（表3），缺乏；全磷含量為0.019%，低于養(yǎng)分分級的最低標(biāo)準(zhǔn)，極度缺乏；全鉀含量為1.94%，屬于土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)的3級正常標(biāo)準(zhǔn)。由于矸石風(fēng)化物自身組成元素包括碳、氫、氧、硫、氮、磷、灰分等高分子化合物難以被植物直接利用，這會對測定結(jié)果造成干擾，因此，測定結(jié)果顯示的矸石風(fēng)化物基質(zhì)中的全量養(yǎng)分值并不一定代表其實際狀況。有機肥中所含有的全量養(yǎng)分元素基本上都處于土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)2級標(biāo)準(zhǔn)的全效性養(yǎng)分含量，含量豐富或極豐富且能夠直接被植物吸收利用；有機肥中含有的高全氮含量，添加后對矸石風(fēng)化物基質(zhì)中全量養(yǎng)分具有極強的補充作用。

改良后基質(zhì)全效性養(yǎng)分含量普遍有所提高，全氮、全磷、全鉀含量平均值分別為0.108%，0.047%，2.175%，分別達到土壤養(yǎng)分分級的3級、5級和3級標(biāo)準(zhǔn)。全氮、全磷、全鉀含量的均值分別達到對照矸石風(fēng)化物的1.50，2.47，1.12倍，最高值分別達到對照矸石風(fēng)化物的1.96，2.95，1.42倍?；|(zhì)B至基質(zhì)E處理的全效性養(yǎng)分狀況改善效果明顯，與對照100%矸石風(fēng)化物相比差異顯著。其中，基質(zhì)E的養(yǎng)分含量改良效果最明顯。

速效性養(yǎng)分測定結(jié)果（表2）表明，按照土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)（表3），從速效性養(yǎng)分含量分析，矸石風(fēng)化物中速效氮含量為8.96 mg/kg，遠低于最低標(biāo)準(zhǔn)（極度缺乏）；速效磷含量為3.22 mg/kg，屬于5級標(biāo)準(zhǔn)（嚴重缺乏）；速效鉀含量達到148.59 mg/kg，屬于2級標(biāo)準(zhǔn)（豐富）。速效氮和速效磷的嚴重缺乏對矸石風(fēng)化物基質(zhì)的植被生長造成影響。黃土和有機肥的速效氮含量分別達到矸石風(fēng)化物的6.02，16.03倍，速效磷含量分別達到4.29，7.53倍，速效鉀含量也較高。添加有機肥后，養(yǎng)分改善效果極其顯著，改良后基質(zhì)的速效氮、速效磷、速效鉀含量最高值分別為41.36，10.25，458.01 mg/kg，分別達到土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)的5級、3級和1級標(biāo)準(zhǔn)，速效氮、速效磷和速效鉀含量最高，分別達對照矸石風(fēng)化物的4.62，3.18，3.08倍，與對照100%矸石風(fēng)化物相比，差異顯著。改良劑的添加顯著改善了矸石風(fēng)化物基質(zhì)速效氮和速效磷嚴重缺乏的狀況，使速效性養(yǎng)分達到平衡狀態(tài)，有利于促進植物的生長。其中，基質(zhì)D的養(yǎng)分含量改良效果最明顯。

表2 不同基質(zhì)改良方式的養(yǎng)分變化狀況

表3 土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[15]

2.3 基質(zhì)改良措施對植物生長狀況的影響

本試驗測定了紫穗槐苗木幼苗期的生長指標(biāo)：苗高、地徑、高徑比、冠幅、主根長、根幅、根冠比、葉綠素含量（表4）。

表4 不同基質(zhì)處理的紫穗槐生長指標(biāo)測定結(jié)果

每個處理的各個生長形態(tài)指標(biāo)分別隨機抽取10個數(shù)據(jù)，用Excel 2003數(shù)學(xué)軟件進行了方差分析，其結(jié)果列于表5。

從表5可以看出，不同基質(zhì)改良措施對紫穗槐苗木幼苗期的地徑、冠幅、主根長、葉綠素含量的影響差異達顯著水平，而對苗高、高徑比、根幅的影響差異不顯著。

表5 不同基質(zhì)處理紫穗槐生長指標(biāo)測定結(jié)果的方差分析

進一步對地徑、冠幅、主根長、葉綠素含量利用SPSS18.0數(shù)學(xué)分析軟件進行多重比較。

由表6可知，不同基質(zhì)改良措施的紫穗槐苗木地徑由大到小的順序為基質(zhì)B＞基質(zhì)E＞基質(zhì)D＞基質(zhì)C＞基質(zhì)A。其中，基質(zhì)B，D，E顯著大于基質(zhì)A和基質(zhì)C；同時基質(zhì)C又顯著大于基質(zhì)A；基質(zhì)E與基質(zhì)B，D之間存在極顯著差異。

從表7可以看出，對于紫穗槐冠幅，基質(zhì)E極顯著大于基質(zhì)A，顯著大于基質(zhì)D，同時基質(zhì)D和基質(zhì)A又顯著大于基質(zhì)B，基質(zhì)C顯著大于基質(zhì)A?；|(zhì)A與D之間差異不顯著，基質(zhì)B，C和基質(zhì)E兩兩之間差異不顯著。

表6 不同基質(zhì)紫穗槐苗木地徑的多重比較（LSD法）

表7 不同基質(zhì)紫穗槐苗木冠幅的多重比較（LSD法）

由表8可知，紫穗槐的主根長在不同基質(zhì)改良措施中由大到小的順序為：基質(zhì)E＞基質(zhì)C＞基質(zhì)D＞基質(zhì)B＞基質(zhì)A。通過多重比較得出，基質(zhì)E，C，D和基質(zhì)B均顯著大于基質(zhì)A；基質(zhì)E，C，D顯著大于基質(zhì)B；同時基質(zhì)E顯著大于基質(zhì)D，C，但基質(zhì)C和D之間沒有顯著性差異。

表8 不同基質(zhì)紫穗槐苗木主根長的多重比較（LSD法）

從表9可以看出，不同基質(zhì)處理紫穗槐苗木的葉綠素含量由大到小的順序為：基質(zhì)E＞基質(zhì)C＞基質(zhì)B＞基質(zhì)D＞基質(zhì)A。多重比較的結(jié)果為：基質(zhì)E極顯著大于基質(zhì)A，顯著大于基質(zhì)D，與其他基質(zhì)間沒有顯著性差異。

表9 不同基質(zhì)紫穗槐苗木葉綠素含量的多重比較（LSD法）

由以上分析可知，5種不同基質(zhì)對紫穗槐苗木形態(tài)指標(biāo)的影響表現(xiàn)為：地徑、冠幅、葉綠素含量均達到顯著差異水平，主根長則達到極顯著差異水平，而對于苗高、高徑比和根幅的影響不顯著。對于冠幅和葉綠素含量來說，基質(zhì)E最好，這與基質(zhì)E的速效氮含量相對偏高有一定的關(guān)系，因為氮元素是葉綠素形成和植物生長的必需元素。對于地徑來說，基質(zhì)B的生長狀況最好，基質(zhì)E的生長狀況次之，可能是由于基質(zhì)B和E處理接受光照時間比較長，比較有利于植物在速生期的生物量增加迅速，有利于地徑的生長。對于紫穗槐的主根長，依然是基質(zhì)E效果最好，主要由于基質(zhì)E的各項指標(biāo)均表現(xiàn)較好，有利于植物的生長。

綜合上述紫穗槐形態(tài)指標(biāo)的分析結(jié)果，同時結(jié)合苗木生長期間的環(huán)境條件差異和一些人為因素的影響，不同基質(zhì)改良措施對紫穗槐苗木形態(tài)指標(biāo)的影響可以總結(jié)為，基質(zhì)E處理最利于紫穗槐的生長，基質(zhì)C處理的效果僅次于基質(zhì)E，對照處理基質(zhì)A苗木的生長狀況最不理想，而基質(zhì)B和D改良措施對紫穗槐苗木形態(tài)指標(biāo)的影響接近。

3 結(jié)論

將農(nóng)田耕層黃土、有機肥和矸石風(fēng)化物按設(shè)計比例配比進行矸石風(fēng)化物基質(zhì)改良，可改善矸石風(fēng)化物基質(zhì)的pH值、養(yǎng)分缺乏狀況，通過合理調(diào)整矸石風(fēng)化物基質(zhì)的養(yǎng)分結(jié)構(gòu)，對植物的生長有不同程度促進作用。

基質(zhì)C和E的綜合改良效果表現(xiàn)突出，但綜合分析認為，采用基質(zhì)E（70%矸石風(fēng)化物＋15%黃土＋15%有機肥）進行矸石山植被恢復(fù)更具有較廣泛的適用性，更有利于實際生產(chǎn)中應(yīng)用，便于推廣和普及，能有效地促進矸石山植被的穩(wěn)定生長。

［1］楊本志，卞正富.淺議我國東部礦區(qū)的生態(tài)重建技術(shù)[J].煤礦環(huán)境保護，2000，14（3）：7-10.

［2］楊主泉，胡振琪，王金葉，等.煤矸石山復(fù)墾的恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究[J].中國水土保持，2007，28（6）：35-37.

［3］范英宏，陸兆華，程建龍，等.中國煤礦區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問題及生態(tài)重建技術(shù)[J].生態(tài)學(xué)報，2003，23（10）：2144-2151.

［4］王曉春，蔡體久，谷金鋒.雞西煤礦矸石山植被自然恢復(fù)規(guī)律及其環(huán)境解釋[J].生態(tài)學(xué)報，2007，27（9）：3744-3751.

［5］胡振琪.山西省煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建的機遇和挑戰(zhàn)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（1）：42-45.

［6］BradshawA D，Huttl R F.Future minesite restoration involves a broader approach[J].Ecological Engineering，2001，17（2/3）：87-90.

［7］Holmes P M.Shrubland restoration following woody alien invasion and mining:effect of top soil depth，seed source and fertilizer addition[J].Restoration Ecology，2001，9（10）：71-84.

［8］田勝尼，孫慶業(yè).銅陵銅尾礦廢棄地定居植物及基質(zhì)理化性質(zhì)的變化[J].長江流域資源與環(huán)境，2005，14（1）：88-93.

［9］茹淑華，張國印，蘇德純，等.禽糞有機肥對土壤鋅積累特征及其生物有效性的影響 [J].華北農(nóng)學(xué)報，2011，26（2）：186-191.

［10］茹淑華，張國印，孫世友，等.氮磷鉀與鋅肥配合施用對土壤和植株養(yǎng)分含量的影響[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，15（6）：35-39.

［11］范軍富，劉志斌.海州露天煤礦排土場土壤理化特性及改良措施的研究[J].露天采礦技術(shù)，2005（5）：75-77.

［12］柴仲平，王雪梅，孫霞，等.氮、磷、鉀施肥配比對紅棗植株養(yǎng)分含量的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，17（3）：32-35．

［13］張書芬，朱家成，王建平，等.河南省油菜產(chǎn)區(qū)土壤中微量元素及有機質(zhì)狀況分析 [J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（7）：63-66．

［14］張立坤，段洪曉.通遼地區(qū)各類土壤農(nóng)田養(yǎng)分狀況與配方施肥[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2011（5）：71-74.

［15］黃昌勇.土壤學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.