尾煤泥施用的重金屬安全性及其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和燕麥生長(zhǎng)的影響

武俊英，趙寶平，劉景輝，楊 進(jìn)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

尾煤泥施用的重金屬安全性及其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和燕麥生長(zhǎng)的影響

武俊英，趙寶平，劉景輝，楊 進(jìn)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

為促進(jìn)煤炭洗選加工廢棄物尾煤泥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的科學(xué)利用，以裸燕麥品種草莜1號(hào)和蒙農(nóng)大燕1號(hào)為研究對(duì)象，尾煤泥基施量0 (CK)、7 500、15 000、22 500 kg·hm-2，在砂壤土田間進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，并對(duì)尾煤泥、土壤、燕麥莖葉的重金屬和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，尾煤泥中的重金屬鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)含量低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)(CJ/T 309-2009)中的規(guī)定限量；尾煤泥顯著(P<0.01)提高了土壤與燕麥的氮(N)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)等養(yǎng)分含量及燕麥產(chǎn)量；兩個(gè)燕麥品種對(duì)尾煤泥效應(yīng)趨勢(shì)一致；燕麥莖葉K含量與干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)分別為0.446 8和0.571 1。綜上所述，工業(yè)廢棄物尾煤泥營(yíng)養(yǎng)成分較高，可在土壤中安全施用，在燕麥種植中以15 000 kg·hm-2直接基施為宜，可提高砂壤土的容重10.48%，提高保水性(含水量提高16.84%)，燕麥干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量?jī)赡昶骄岣?2.79%和17.63%。

燕麥；尾煤泥；重金屬；礦物質(zhì)

尾煤泥是洗選煤企業(yè)的尾礦資源，一般占原煤的3%～5%，是通過孔徑0.045～0.075 mm濾布的煤炭洗選加工廢棄物，由微細(xì)粒煤、粉化矸石和水組成的黏稠物，無燃燒利用價(jià)值[1-2]，具有高水分、高黏性、高持水性和低熱值等諸多不利條件。隨著煤炭加工的快速發(fā)展，尾煤泥存量不斷增長(zhǎng)，70%以上的尾煤泥采用就地排放或堆放的形式貯存，成為環(huán)境污染源之一，綜合利用已成為迫切需要解決的問題[3]。農(nóng)業(yè)利用尾煤泥的高碳含量，制備緩釋肥、生態(tài)復(fù)合肥是可行的[4-5]。尾煤泥與城市固體廢棄物污泥(CJ/T 309-2009)比較，主要成份有一定的相似性[6]。燕麥?zhǔn)莾?nèi)蒙古的特色作物，極具保健功能，可糧飼兼用[7]，具有耐貧瘠和抗逆性強(qiáng)的特點(diǎn)。內(nèi)蒙古地區(qū)干旱少雨，該地區(qū)土壤以砂壤土為主，砂壤土保水性差、養(yǎng)分含量低。將尾煤泥以有機(jī)肥的參考用量進(jìn)行大田施用，對(duì)其施用的安全性及礦物質(zhì)養(yǎng)分對(duì)燕麥營(yíng)養(yǎng)吸收和產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，可為燕麥的高產(chǎn)栽培和尾煤泥的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為裸燕麥品種草莜1號(hào)(糧飼兼用型)和蒙農(nóng)大燕1號(hào)(高品質(zhì)型)，由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心提供。

尾煤泥是經(jīng)過洗選之后的煤炭企業(yè)廢棄物，其特性為，微粒的粒徑0.045 mm以下(在生產(chǎn)實(shí)際中，一般在0.045～0.075 mm)；持水性強(qiáng)，含水量20%～30%；含有黏土礦物，黏性較大，具有一定的流動(dòng)性。尾煤泥的營(yíng)養(yǎng)成分與重金屬含量受地理環(huán)境及煤炭質(zhì)量的影響較小。本研究的尾煤泥來源于內(nèi)蒙古包頭市土右旗廣源煤炭有限責(zé)任公司，成分及含量見表1，其pH值為7.64。

表1 尾煤泥營(yíng)養(yǎng)元素及重金屬含量

Table 1 Contents of nutrient element and heavy metal of coal tailing

營(yíng)養(yǎng)元素 Nutrientelement含量 Content重金屬 Heavymetal含量 Content/(mg·kg-1)氮N/(mg·kg-1)46．65±8．15鎳Ni13．03±4．28磷P/(mg·kg-1)3．99±1．13銅Cu51．02±7．16鉀K/(g·kg-1)8．09±1．47鋅Zn337．01±10．68碳C/(g·kg-1)480．48±9．14鉛Pb70．86±7．55鈣Ca/(mg·kg-1)1．00±0．02鉻Cr25．07±6．37鎂Mg/(mg·kg-1)5．00±0．64鎘Cd0．54±0．03鐵Fe/(mg·kg-1)1．27±0．51汞Hg0．51±0．42--砷As6．71±0．84

1.2 試點(diǎn)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2014年和2015年在內(nèi)蒙古包頭市土右旗薩拉齊鎮(zhèn)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)進(jìn)行，該區(qū)是典型的大青山洪積平原向土默川沖積平原過渡帶，地下水位較高，變動(dòng)在0.8～1.5 m，位于東經(jīng)110°28＇，北緯40°36＇，海拔993.5 m，年均日照3 056.3 h，年均氣溫7.1 ℃，年降雨量339.8 mm，無霜期132 d，土質(zhì)為砂壤土，耕層土壤中有機(jī)質(zhì)含量48.65 g·kg-1，速效氮含量162.10 mg·kg-1，速效磷含量79.50 mg·kg-1，速效鉀含量82.94 mg·kg-1，pH 8.32。

本試驗(yàn)采取二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，2個(gè)品種為主區(qū)(草莜1號(hào)和蒙農(nóng)大燕1號(hào)分別用C和M表示)，4個(gè)尾煤泥施用量為副區(qū)(設(shè)0、7 500、15 000和22 500 kg·hm-2四個(gè)水平)，共8個(gè)處理(分別用C0、C5、C10、C15、M0、M5、M10和M15表示)，小區(qū)面積20 m2，隨機(jī)排列，重復(fù)3次。尾煤泥均以基肥方式施入土壤。于每年4月21日人工播種，行距25 cm，播量為150 kg·hm-2，播深2 cm。試驗(yàn)期間不施種肥和追肥，分小區(qū)灌溉。其他田間管理水平一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

燕麥種植前(CK)和收獲時(shí)測(cè)定耕層20 cm土壤容重(環(huán)刀法)、有機(jī)質(zhì)含量(重鉻酸鉀容量法)、pH值(pH酸度計(jì)，電位測(cè)定法)、N含量(重鉻酸鉀-硫酸消化，凱氏定氮法)、P含量(硫酸-高氯酸消煮，鉬銻抗比色法)及K、Ca、Mg、Fe含量(原子吸收分光光度法[8])。

燕麥?zhǔn)斋@時(shí)測(cè)定莖葉生物量、干重(80 ℃干燥恒溫箱中烘8～12 h至恒重)、N含量(半微量蒸餾法)、P含量(釩鉬黃吸光光度法)及K、Ca、Mg、Fe含量(原子吸收分光光度法[8])。每小區(qū)去2行邊行后測(cè)定燕麥干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003和DPS 9.50進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾煤泥施用對(duì)燕麥土壤養(yǎng)分含量的影響

尾煤泥的重金屬含量見表1，參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)(CJ/T 309-2009)A級(jí)和B級(jí)的限量值計(jì)算超標(biāo)率。尾煤泥中的8個(gè)重金屬元素含量，是標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 309-2009中限量值的1/4～1/20，超標(biāo)率為0。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量以C最高，其次是N。

由表2可知，尾煤泥施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響較大。兩品種一致表現(xiàn)為尾煤泥施用量越大，土壤容重和含水量越高，說明土壤緊實(shí)度和保水性提高。有機(jī)質(zhì)、N、K、Ca、Mg含量基本上隨尾煤泥施用量的增加而升高，P含量除M15外其余均低于CK，F(xiàn)e含量除M10外其余均低于CK。整體上，蒙農(nóng)大燕1號(hào)品種土壤中的養(yǎng)分含量高于草莜1號(hào)。

2.2 尾煤泥施用對(duì)燕麥莖葉養(yǎng)分含量的影響

由表3可知，燕麥莖葉中的N、P、K、Ca、Mg、Fe營(yíng)養(yǎng)元素含量較高，且不同品種各元素于處理間差異顯著。草莜1號(hào)莖葉中養(yǎng)分含量一致表現(xiàn)為，處理C10和C15基本上高于處理C5和C0；蒙農(nóng)大燕1號(hào)中，處理M5的P、K含量最高，M10的Ca、Mg、Fe含量最高，M15的N含量最高。綜合分析得出，草莜1號(hào)和蒙農(nóng)大燕1號(hào)的尾煤泥施用量為7 500～15 000 kg·hm-2(C10、M10)時(shí)可增加燕麥莖葉養(yǎng)分含量，是以秸桿為飼料進(jìn)行栽培的可選處理。

2.3 尾煤泥施用對(duì)燕麥產(chǎn)量的影響

燕麥品種在兩年間干草產(chǎn)量見圖1。2014年和2015年平均干草產(chǎn)量分別為12 230.1和11 573.3 kg·hm-2，比不施尾煤泥處理的干草產(chǎn)量分別高30.62%和41.37%。燕麥品種在兩年間一致表現(xiàn)為干草產(chǎn)量無顯著差異，兩年平均顯著高于C5與C0、M5與M0(P<0.05)，比C0和M0高36.61%、39.67%和48.98%、49.33%，說明施用尾煤泥15 000 kg·hm-2(C10和M10)是提高燕麥干草產(chǎn)量的適宜處理。

燕麥品種在兩年間籽粒產(chǎn)量見圖1。2014年和2015年平均籽粒產(chǎn)量為3 581.1 kg·hm-2和3 571.2 kg·hm-2，比不施尾煤泥處理的籽粒產(chǎn)量分別高11.28%和16.92%。當(dāng)尾煤泥施用量為15 000～22 500 kg·hm-2時(shí)，燕麥品種在兩年間一致表現(xiàn)為籽粒產(chǎn)量無顯著差異，與其他處理差異顯著(P<0.01)，分別比C0和M0增產(chǎn)17.87%和17.39%，說明施用尾煤泥可提高燕麥籽粒產(chǎn)量，最適宜的處理是尾煤泥施用量15 000 kg·hm-2。

表2 尾煤泥施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

Table 2 Effect on soil physicochemical properties with coal tailing application

處理Treatment容重Soilbulkdensity/(g·cm-3)含水量Wateercontent/%pH養(yǎng)分含量 Nutrientcontent/(mg·kg-1)有機(jī)質(zhì)OrganicmatterNPKCaMgFeCK1．03Bb13．25Ii7．8148．65DEde1．72De23．48Bb6．98Ii0．081Bb0．136Aa1．738AaC00．91Dd16．97Ee7．7247．90Ee1．56EFg10．27Fg8．98Ee0．080Bb0．139Aa1．656BCbcC50．98Cc19．00Cc7．7752．96Cc1．92Cc18．34Cd8．20Ff0．082Bb0．138Aa1．642BCcdC101．03Bb19．86Bb7．5954．97Bb1．76Dd18．58Cd9．76Cc0．088Aa0．135Bb1．680BbC151．11Aa20．42Aa7．7354．09BCb2．51Aa17．57De11．72Aa0．088Aa0．139Aa1．628CdM01．03Bb13．70Hh7．6749．27Dd1．52Fh16．52Ef7．42Hh0．078Bb0．134Bb1．488EfM51．10Aa14．87Gg7．6553．16Cc1．60Ef23．44Bb7．81Gg0．086Aa0．135Aa1．566DeM101．11Aa15．98Ff7．7358．46Aa2．43Bb23．04Bc9．37Dd0．089Aa0．138Aa1．762AaM151．11Aa17．45Dd7．5558．87Aa2．51Aa25．33Aa10．45Bb0．090Aa0．138Aa1．684Bb

數(shù)據(jù)后大、小寫字母不同分別表示處理間在0.01和0.05水平上差異顯著。

Different capital and lower-case letters following values mean significant difference at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

表3 不同處理下燕麥莖葉中的營(yíng)養(yǎng)元素含量

Table 3 Nutrient element content in stem and leaf of oats under different treatments

處理TreatmentN/(g·kg-1)P/(g·kg-1)K/(g·kg-1)Ca/(mg·kg-1)Mg/(mg·kg-1)Fe/(mg·kg-1)C08．197Gg3．396Cc37．393Cc209．799Gg112．564Ee14．312EFefC59．294Ee3．089Dd42．690Bb269．903Bb121．456Dd14．660DEdeC1011．769Cc5．624Aa47．860Aa247．245Dd132．347Cc16．966BbC1513．390Aa3．660Bb32．450De259．954Cc160．997ABb17．298ABbM08．827Ff1．395Gg25．592Gh233．298Ff158．534Bb14．947CDcdM510．519Dd2．580Ee33．591Dd237．691EFef158．558Bb13．908FfM1011．896Cc1．558Ff28．713Ef289．652Aa166．054Aa17．747AaM1512．375Bb1．233Hh26．987Fg243．250DEde162．265ABab15．294Cc

Grs 和Gri代表干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。

Grs and Gri represent hay yield and grain yield,respectively.

圖1 不同處理下燕麥干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量

Fig.1 Hay yield and grain yield of oats under different treatments

2.4 尾煤泥施用對(duì)燕麥莖葉養(yǎng)分含量與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度的影響

2014年和2015年，燕麥干草產(chǎn)量與莖葉養(yǎng)分含量的關(guān)聯(lián)系數(shù)排序?yàn)椋篕(0.446 8)>Ca(0.419 4)>Fe(0.400 2)>P(0.382 1)>N(0.323 7)>Mg(0.251 9)，說明莖葉中K、Ca、Fe營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)于干草產(chǎn)量的貢獻(xiàn)相對(duì)較大；籽粒產(chǎn)量與莖葉養(yǎng)分含量的關(guān)聯(lián)系數(shù)排序?yàn)椋篕(0.571 1)>P(0.354 2)>N(0.314 5)>Ca(0.299 3)>Fe(0.297 1)>Mg(0.204 4)，說明莖葉中K、P、N含量對(duì)于燕麥籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。

3 討 論

3.1 尾煤泥施用的安全性及對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

安全且結(jié)構(gòu)良好的土壤是植物健康生長(zhǎng)的前提。尾煤泥是煤炭工業(yè)的尾礦廢棄物，土壤施用與制作有機(jī)肥、緩釋材料、吸附劑等的資源化利用[9-10]，存在的關(guān)鍵問題是重金屬安全性。本試驗(yàn)中檢測(cè)了尾煤泥中8種主要的重金屬Ni、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As元素含量，均低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：農(nóng)用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)(CJ/T 309-2009)中的規(guī)定限量，為尾煤泥的土壤施用提供了理論參考。

尾煤泥是含碳量高的有機(jī)廢棄物。試驗(yàn)證實(shí)，施用尾煤泥15 000、225 000 kg·hm-2可增加燕麥地砂壤土的容重10.48%、14.87%，含水量提高16.84%、23.85%，即其保水保肥性能增強(qiáng)，與風(fēng)化煤能提高復(fù)墾土壤含水量的研究結(jié)果一致[11]，尾煤泥的這一特性，與土壤結(jié)構(gòu)改良劑提高燕麥水分利用率相同[12]；而對(duì)于土壤的緊實(shí)度，則有所差異，這與基礎(chǔ)土壤的質(zhì)地有關(guān)，由于尾煤泥有機(jī)碳含量高，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[5]，有機(jī)質(zhì)既是植物營(yíng)養(yǎng)的源泉，又是形成土壤良好結(jié)構(gòu)的有機(jī)膠結(jié)劑，有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力的重要指標(biāo)[13-14]，因此對(duì)砂壤土和土體結(jié)構(gòu)差的復(fù)墾土壤都有很好的改良效果。

3.2 尾煤泥施用對(duì)燕麥生長(zhǎng)的影響

據(jù)報(bào)道，速效鉀含量<90 mg·kg-1屬土壤肥力極低；速效鉀含量>450 mg·kg-1的土壤肥力極高[15]。本試驗(yàn)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分中速效鉀含量為82.94 mg·kg-1，屬缺鉀土壤；肥料是燕麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要保障，N、K配施，可以促進(jìn)燕麥生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量[16]。尾煤泥中N、P、K、Ca、Mg、Fe含量中，含量最高的是N，其次是K，因此施用尾煤泥可以使燕麥根系吸收大量的養(yǎng)分，并運(yùn)輸?shù)降厣喜?，表現(xiàn)為各處理莖葉養(yǎng)分含量均高于對(duì)照，元素含量總體表現(xiàn)為K>N>P>Ca>Mg>Fe，促進(jìn)了產(chǎn)量的形成。

燕麥干草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，可作為飼料之用。燕麥莖葉中的N、P、K、Ca、Mg、Fe元素含量與產(chǎn)量的相關(guān)性分析得出，與干草產(chǎn)量關(guān)聯(lián)系數(shù)較高的是K、Ca、Fe含量；各營(yíng)養(yǎng)元素與籽粒產(chǎn)量關(guān)聯(lián)系數(shù)較高的是K、P、N含量。說明對(duì)于形成干草產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的元素是K、Ca、Fe含量，形成籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的元素是K、P、N含量。K是提高干草產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量的首要元素[17-18]，可能與供試土壤K素水平低有關(guān)，符合植物營(yíng)養(yǎng)最小養(yǎng)分率的理論觀點(diǎn)。

多數(shù)研究證實(shí)，燕麥品種間產(chǎn)量存在著較大差異[19-20]，施用尾煤泥處理的草莜1號(hào)品種產(chǎn)量高于蒙農(nóng)大燕1號(hào)。兩品種一致表現(xiàn)為，以尾煤泥施用量為15 000 kg·hm-2左右可獲得較高干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量，糧飼兼用型草莜1號(hào)品種，可適量多施；而品質(zhì)相對(duì)較高的蒙農(nóng)大燕1號(hào)品種，則應(yīng)適量少施。

4 結(jié) 論

煤炭工業(yè)廢棄物尾煤泥中的重金屬Ni、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As含量低于標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 309-2009)中的規(guī)定限量。施用尾煤泥15 000 kg·hm-2可增加砂壤土的容重10.48%，提高保水性能(土壤含水量提高16.84%)，保持土壤養(yǎng)分含量，有利于土壤培肥，對(duì)砂壤土有改良作用。

施用尾煤泥顯著增加燕麥莖葉中N、P、K、Ca、Mg、Fe含量，是形成干草產(chǎn)量的基礎(chǔ)，因此，施用尾煤泥的土壤可以生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)豐富的燕麥干草飼料。尾煤泥中較高的K含量是形成燕麥產(chǎn)量的主要因素之一。尾煤泥施用15 000 kg·hm-2左右，兩年平均提高燕麥干草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量42.79%和17.63%，是尾煤泥直接用于土壤施用的最佳用量。

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Heavy Metals Security of Coal Tailing Application and Its Effect on the Soil Structure and Oats Growth

WU Junying, ZHAO Baoping, LIU Jinghui, YANG Jin

(Inner Mongolia Agricultural University,Hhhot,Inner Mongolia 010019,China)

In order to promote the application of coal tailing, a waste of coal processing, in agricultural soils, two varieties(Caoyou 1 and MNDY 1) with strong adaptability were selected as materials. A field trail was conducted on sandy soil with different application of coal tailing of 7 500 kg·hm-2, 15 000 kg·hm-2, and 22 500 kg·hm-2, with no application as control. The heavy metals and nutritional composition in coal tailing, soil and oat stem and leaf were analysed. The results showed that, the contents of heavy metals, such as Ni, Cu, Zn, Pb, Cr, Cd,Hg and As, in coal tailing were lower than the limit amount listed in the standard of “Urban sewage treatment plant sludge disposal:Agricultural muddy”(CJ/T309-2009). The coal tailing significantly(P<0.01) improved the nutritional composition of the soil and oats. The influence of coal trailing on the two oat varieties showed consistent trend. The K content in oat stem and leaf was highly correlated with hay yield and grain yield, with the correlation coefficients of 0.446 8 and 0.571 1, respectively. To conclude, the industrial waste coal tailing has great nutrients and could be safely used in soil. The optimum application amount was suggested as 15 000 kg·hm-2for oat planting, which could increase bulk density of sandy loam soil and water content by 10.48% and 16.84%, and increase yield of oat hay and grain by 42.79% and 17.63% in two years.

Oats; Coal tailing; Heavy metals; Minerals

時(shí)間：2017-03-07

2016-09-17

2016-12-26

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(CARS-08)；內(nèi)蒙科技計(jì)劃項(xiàng)目(201501037)

E-mail：nmbtwjy@163.com

劉景輝(E-mail：cauljh@163.com)

S512.6；S311

A

1009-1041(2017)03-0414-06

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