華北地區(qū)煤矸石綠化基質(zhì)配比試驗研究

黃棟學，黃灝峰，王禮旺，南海龍，鄒大林，朱建剛，賈劍波

(1.廣西泰能工程咨詢有限公司，530023，南寧;2.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京;3.北京金五環(huán)風景園林工程有限公司，100022，北京;4.北京市首都公路發(fā)展集團有限公司，100161，北京;5.北京市園林綠化國際合作項目管理辦公室，100013，北京)

煤矸石是煤炭開采、洗選及加工過程中排放的廢物，約占煤炭產(chǎn)量的15%。目前我國煤矸石的綜合利用率僅為30%，除少部分被生產(chǎn)建筑材料或用其供熱發(fā)電利用外，更多的煤矸石堆置于礦井周圍，而且以每年約1.5億～2.0億t的速度遞增，所占耕地面積以每年300萬 ～400萬 m2的速度遞增［1］。煤矸石以Si、Al為主要元素，這是發(fā)生火山灰反應的基本條件，但其具體的化學組成與煤形成的年代地區(qū)和條件有關(guān)［2］;所以，煤矸石的化學組成波動范圍較大［3］。長期堆放后表面部分被風化，被雨水淋洗后，產(chǎn)生酸性廢水并攜帶重金屬離子滲入地下，煤矸石中還有其他物化反應發(fā)生以及氟、氨等成分析出，都會對土壤和地下水造成污染，同時煤矸石表面容易吸熱，造成煤矸石表面溫度升高，導致植被恢復困難［4-5］。煤矸石山的自燃帶來更加嚴重的環(huán)境污染，并對人的生命及財產(chǎn)造成嚴重的危害。煤矸石已成為我國各種工業(yè)廢渣中排放量最大、占地最多、污染較嚴重的固體廢物［6］;因此，煤矸石廢棄地的生態(tài)治理，不僅是珍惜和合理利用土地資源的需要，更是環(huán)境保護的要求。

在煤矸石山生態(tài)植被重建過程中，基質(zhì)改良是主要問題，也是煤矸石廢棄地生態(tài)恢復中的核心問題。目前用到的基質(zhì)改良方法主要以物理、化學和生物改良法為主。物理改良方法指在煤矸石山表面覆蓋土壤、粉煤灰或淤泥等，以隔離煤矸石毒性的上升，為植物根系的生長提供良好的環(huán)境?；瘜W改良法主要是針對煤矸石山的強酸或強堿性，施加酸性或堿性物中和，一般添加的有FeSO4、CaCO3等。生物改良法指在煤矸石山表面直接種植豆科 (Leguminosae sp.)類草本或栽植喬灌木，通過植物根系固氮作用達到改良煤矸石山基質(zhì)的目的［7-10］。但是，目前使用的基質(zhì)改良方法都存在不宜大面積推廣的缺點:物理改良法中覆蓋基質(zhì)不易獲取，而且在工程實施中需要耗費大量的人力和物力，綠化成本高，同時會對取土區(qū)的環(huán)境造成嚴重的破壞;化學改良法僅適合強酸或強堿的煤矸石山，如處理不當還會造成新的污染;而生物改良法對基質(zhì)改良的效果緩慢，需要幾十年的時間，通過植被恢復達到改良基質(zhì)、改善植生環(huán)境的目的。

本試驗中以粉碎的煤矸石粉粒為基質(zhì)，針對粉碎煤矸石對植物生長的不利特性，添加土壤、保水機等材料，改善粉碎煤矸石的物理化學特性，然后在基質(zhì)中播種紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)，通過對比紫穗槐的出苗率和長勢判斷基質(zhì)的優(yōu)劣。試驗的目的是基質(zhì)在滿足植物正常生長的前提下，降低煤矸石山基質(zhì)改良的成本，并使這種方法具有普遍意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 基質(zhì)材料 煤矸石取自北京市門頭溝區(qū)上辛房，其礦物組成如表1，化學特性如表2。將煤矸石粉碎后得到最大粒徑為40 mm，中值粒徑為2 mm的煤矸石粉粒，其中粒徑＜0.1 mm的粉末狀煤矸石占總體積的0.86%。

表1 煤矸石的礦物組成Tab．1 Mineral composition of coal wastes %

從表1可以看出，研究區(qū)煤矸石的組成成分中Si02和Al2O3的質(zhì)量分數(shù)高出全國的平均水平［11］，F(xiàn)e3O4的質(zhì)量分數(shù)相對較低，其余幾類氧化物的質(zhì)量分數(shù)處于中等水平。同一般土壤相比較，煤矸石中養(yǎng)分離子的質(zhì)量分數(shù)較低，缺乏植物所必須的養(yǎng)分元素，pH值較高，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低，微量元素質(zhì)量分數(shù)較高(表2)。

表2 門頭溝煤矸石的化學特性Tab．2 Chemical properties of coal wastes

土壤取自北京林業(yè)大學家屬樓后距地表30 cm左右處(地表是建筑垃圾)，為華北平原婁壚土，土質(zhì)黏重，通氣透水性不良，基本養(yǎng)分離子組成為全氮0.15%、速效磷46.68 mg/kg、速效鉀195.11 mg/kg、有機質(zhì)1.31%;土壤pH值為8.05(土水質(zhì)量比為1∶5)［12］。緩釋肥應用木質(zhì)素緩釋肥，保水劑應用清華綠保水肥營養(yǎng)緩釋劑。1.1.2 植物材料 選取豆科灌木種紫穗槐，其純度100%，發(fā)芽率85%。

1.2 試驗方法

1.2.1 正交試驗設(shè)計法 正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的又一種設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法，一般通過試驗指標值，分析因素的主次以及因素之間交互作用的關(guān)系，目的是選出較優(yōu)組合［13］。該試驗中的各因素及水平見表3，各水平的設(shè)置參照實際生產(chǎn)中的用量。將粉粒狀的煤矸石和土壤按照不同的體積比相混合，同時在二者的混合物中添加不同質(zhì)量的保水劑、緩釋肥和菌劑，混合后的體積與花盆(30 cm×24 cm)的體積相等，選用L16(44)正交表安排試驗并進行數(shù)據(jù)分析，每類基質(zhì)的組成及各種材料的添加量見表4。設(shè)置土壤基質(zhì)作為對照，試驗于2007年7—10月在北京林業(yè)大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室外進行，試驗設(shè)2次重復。

表3 因素水平表Tab．3 Levels and factors

表4 正交試驗的基質(zhì)組成Tab．4 Growing medium composition of orthogonal experiment

1.2.2 播種方法 將混合好的各基質(zhì)裝入花盆，種子在播前用60～70℃的溫水浸泡24 h，每盆中均勻撒播100粒紫穗槐種子，播后用基質(zhì)覆蓋，覆蓋厚度2 cm左右，澆透水，3 d后紫穗槐開始出苗，2周后出苗數(shù)基本穩(wěn)定。

1.2.3 植物觀測指標 出苗穩(wěn)定后統(tǒng)計成活的苗木數(shù)量，苗齡在2個月時，從每類基質(zhì)中隨機選取具有代表性的5株紫穗槐，測量其株高和地徑，再分別取紫穗槐的地上部分和地下部分，地上部分置于烘箱內(nèi)105℃殺青15 min，在75℃恒溫條件下烘48 h，稱其干質(zhì)量，地下部分從基質(zhì)中取出后洗凈然后在75℃恒溫條件下烘48 h，稱其干質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

通過測定紫穗槐的地上生長高度、地徑以及地上和地下生物量的干質(zhì)量，應用式(1)計算其壯苗指數(shù)，壯苗指數(shù)是一個廣泛應用于衡量幼苗生長狀況的指數(shù)，可以比較全面反映苗木的生長狀況，常用于苗木質(zhì)量的評價［14］;出苗率用式(2)計算，出苗率說明紫穗槐從發(fā)芽到出苗穩(wěn)定期間對基質(zhì)的適宜性［15］。壯苗指數(shù)和出苗率可以全面反映植物在基質(zhì)中生長的優(yōu)劣，通過這2個指標可以間接分析各基質(zhì)對植物生長的影響。計算結(jié)果見表5。

式中:I為壯苗指數(shù);mg為地下部干質(zhì)量，g;mu為地上部干質(zhì)量，g;Hg為莖粗，mm;H為株高，mm;m為全株干質(zhì)量，g;R為出苗率，%;A為成活數(shù);S為播種數(shù)。

表5 試驗結(jié)果Tab．5 Experimental results

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 極差分析 在出苗率作極差分析表(表6)中，比較各因素不同水平下對應的試驗指標和K值可以得出，因素A對應的第3個水平的試驗指指標和K3值最大，B因素對應的K3值最大，C因素對應的第4個水平的試驗指標和K4值最大，D因素對應的第2個水平的試驗指標和K2值最大，各基質(zhì)中的較優(yōu)組合為A3B3C4D2，同樣對比壯苗指數(shù)的K值，可以得出基質(zhì)的較優(yōu)組合為A3B3C4D2。因此在設(shè)置驗證性試驗時，應增加處理組合A3B3C4D2進行試驗，通過比較A3B3C4D2與A3B3C1D2的試驗結(jié)果確定試驗較優(yōu)的基質(zhì)類型，或通過方差分析判別緩釋肥對觀測指標是否具有顯著性影響，以確定較優(yōu)的基質(zhì)配方。

分析試驗結(jié)果，得到不同指標下各因素的極差值:一般情況極差越大，說明該因素的水平變化對指標的影響越大，因而這個因素越重要;反之，極差越小，說明這個因子越不重要。從表6極差分析結(jié)果可以看出，基質(zhì)中各因素對出苗率影響的主次順序即重要性依次為:A→B→C→D，即:土壤→保水劑→緩釋肥→菌劑。各因子對紫穗槐壯苗指數(shù)的影響順序由高到低依次為:A→D→B→C，即:土壤→菌劑→緩釋肥→保水劑。

表6 極差分析結(jié)果Tab．6 Results of range calculation

2.2.2 方差分析 對試驗中除對照外的正交設(shè)計部分的出苗率和壯苗指數(shù)分別作方差分析，其結(jié)果如表7和表8。

根據(jù)出苗率方差(表7)分析，A(土壤)和B(保水劑)對出苗率有極顯著性影響，C(緩釋肥)和D(菌劑)對紫穗槐出苗率影響不顯著。由表8可以看出，A(土壤)和D(菌劑)對壯苗指數(shù)的影響達到極顯著水平，B(保水劑)和C(緩釋肥)對壯苗指數(shù)的影響不顯著。對觀測指標影響不顯著的因子，理論上可以在試驗允許的范圍內(nèi)選取任意水平。

表7 出苗率方差分析Tab．7 Variance analysis of emergence rate

表8 壯苗指數(shù)方差分析Tab．8 Variance analysis of healthy seedling index

2.2.3 綜合分析

1)由方差分析可知，緩釋肥對于出苗率和壯苗指數(shù)均沒有顯著影響，在理論上可以取任意水平，結(jié)合直觀分析的結(jié)果，試驗基質(zhì)A3B3C4D2應為較優(yōu)基質(zhì)，而緩釋肥對紫穗槐觀測指標的影響均不顯著;因此可以用試驗基質(zhì)A3B3C1D2代替，即11號試驗為較優(yōu)的基質(zhì)類型，其次從經(jīng)濟角度考慮，選取水平低的緩釋肥為佳。因此，可以確定最佳的試驗方案為11號試驗。這和最終的試驗結(jié)果一致。在11號試驗中出苗率和壯苗指數(shù)的平均值均最大，最佳基質(zhì)的試驗配方為土壤占基質(zhì)總體積的33%，即煤矸石粉粒和土壤的體積比為2∶1，添加保水劑、緩釋肥和菌劑的質(zhì)量分別為15、0和5 g。該基質(zhì)中紫穗槐的出苗率分別比1號試驗高15% ～17%、壯苗指數(shù)高1.96～2.11。

2)土壤對紫穗槐的各觀測指標均有非常顯著的影響，從試驗結(jié)果看，土壤體積比增大，紫穗槐生長狀況越好，出苗率提高。在1～8號試驗基質(zhì)中，土壤體積分數(shù)小于25%，紫穗槐的壯苗指數(shù)小于CK(對照)基質(zhì)中的壯苗指數(shù);在9～16號試驗中，土壤體積分數(shù)大于25%，紫穗槐的壯苗指數(shù)大于CK(對照)。CK(對照)中紫穗槐的出苗率最低，其原因主要是土壤質(zhì)地不良，澆水后易板結(jié)，而且透氣性差，導致部分種子沒有萌發(fā)或出苗后由于土壤質(zhì)地不良而逐漸死亡。但壯苗指數(shù)相對較高，成活的植株生長比較旺盛。

3)在溫度和氧氣適宜的條件下，水分成為限制種子萌發(fā)和生長的主要因子［16］。在苗木生長的初期，由于保水劑具有減緩蒸發(fā)、保持基質(zhì)中水分的作用;因此，保水劑對出苗率表現(xiàn)出非常顯著的影響，而保水劑對苗木的后期生長影響不顯著。

3 結(jié)論

較優(yōu)的基質(zhì)組合為A3B3C1D2，即煤矸石粉?！猛寥?2∶1，每m3的煤矸石粉粒和土壤中添加的保水劑和菌肥的質(zhì)量分別為2 kg和680 g，無須添加緩釋肥;但在實際生產(chǎn)中，施加一定量的緩釋肥后，植物在后期的生長加快，長勢較好［17］。緩釋肥的添加量和次數(shù)要根據(jù)實際情況確定。由于降雨和澆水等外界條件的影響，緩釋肥會有部分流失，因此植物在一段時期內(nèi)會由于缺乏養(yǎng)分離子而長勢變?nèi)跎踔了劳?。為了避免該情況的發(fā)生，緩釋肥的施用可以改用多次少施的施肥方法，同時為植物后期生長提供足夠的養(yǎng)分。根據(jù)試驗結(jié)果，菌肥對紫穗槐的后期生長有明顯的促進作用，因為微生物菌肥可以通過各種有益菌代謝作用產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)，促進土壤中難溶性養(yǎng)分的溶解和釋放，同時也促進土壤中微量元素銅、鐵、鎂、錳、鋅等的釋放及螯合［18］，為紫穗槐的生長提供了微量元素和更多的養(yǎng)分。

觀察發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)中煤矸石的粒徑大小也是紫穗槐成活的主要限制性因子。下一步試驗中，可將煤矸石的粒徑作為試驗因子進行對比研究，篩選不同粒徑煤矸石基質(zhì)中保水保肥能力最好的中值粒徑。

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