粉煤灰與煤矸石配比對苜蓿植株生長及其修復效果的影響

李 俠，裴瑤琛，韓志平，楊俊霞，高志慧，甄莉娜，呂 雪

(山西大同大學 生命科學學院/設施農業(yè)技術研發(fā)中心，山西 大同 037009)

粉煤灰與煤矸石配比對苜蓿植株生長及其修復效果的影響

李 俠，裴瑤琛，韓志平*，楊俊霞，高志慧，甄莉娜，呂 雪

(山西大同大學 生命科學學院/設施農業(yè)技術研發(fā)中心，山西 大同 037009)

為探明苜蓿對煤矸石和粉煤灰栽培基質的修復效果，采用盆栽法，研究了粉煤灰與煤矸石不同配比對紫花苜蓿生長及基質pH值和電導率(EC)的影響。結果表明：T4∶6處理(下標數字表示粉煤灰與煤矸石質量比，下同)的苜蓿地上部、根系干質量最大，分別是T2∶8、T3∶7、T5∶5處理的1.24～2.73倍、1.30～1.98倍，植株地上部吸收N、P量也明顯高于T2∶8、T3∶7、T5∶5處理，分別是其他處理的1.33～3.23倍、1.16～3.66倍；粉煤比對苜蓿地上部銅(Cu)、鎘(Cd)吸收量有顯著影響，T3∶7、T4∶6、T5∶5處理的Cu、Cd吸收量分別是T2∶8處理的2.47～3.42倍、1.75～2.46倍；T4∶6處理基質pH值接近中性，EC值較小，鹽化程度較低，植物修復效果較好。研究表明，修復效果最佳的粉煤比為4∶6。

粉煤灰； 煤矸石； 苜蓿； 植物修復； pH值； 電導率

煤矸石是煤炭開采、洗選、利用過程中產生的廢棄物。據報道，截止2011年我國煤矸石積存達50億t[1]，而且以年排放量1.5～2.0億t的速度增長。煤矸石堆積不僅占用大量土地和耕地，還污染空氣、水體、土壤，誘發(fā)滑坡、泥石流、矸石山爆炸等自然災害，是礦區(qū)環(huán)境污染和生態(tài)惡化的主要原因之一[2]。粉煤灰是火力發(fā)電時產生的主要固體廢棄物，其顆粒細小，主要以飛灰形式造成污染[3]。因此，對煤矸石、粉煤灰等廢棄物的治理和利用是煤礦區(qū)亟需解決的一大難題。

植物修復是廢棄物治理的一種重要方式，是一種成本低廉、修復效果較好的原位修復，近年來已經成為治理礦區(qū)廢棄物的新技術[4]。胡振琪等[5]研究了煤矸石的植物修復，發(fā)現植被能減小矸石山孔隙度，提高矸石山保水、持水的能力。張坤英等[6]研究了白茅、白三葉、蕨對粉煤灰堆場土體理化性質的影響，發(fā)現3種草本植物均可改善堆場粉煤灰基質的水分、pH值、電導率(EC)等理化性狀，優(yōu)化堆場土體的生物生存環(huán)境。但目前關于礦區(qū)植物修復效果研究大多集中于單一固體廢棄物的改良。有研究表明，將煤矸石和粉煤灰摻混后進行復墾或將兩者作為煤礦沉陷區(qū)的充填材料，可實現廢棄物循環(huán)利用，降低復墾成本[7]。但有關植物對粉煤灰和煤矸石混合后修復效果的報道較少。鑒于此，將粉煤灰和煤矸石以不同比例混合后種植紫花苜蓿，研究了不同配比對紫花苜蓿生長及其修復效果的影響，以期為我國北方礦區(qū)土地復墾提供理論依據和技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年3月15在山西大同大學生命科學實驗中心進行。供試植物為紫花苜蓿(Medicagosativa)，選取籽粒飽滿、大小均一的種子用10% H2O2浸泡消毒10 min，再用蒸餾水洗凈備用。供試基質為大同煤礦集團公司晉華宮礦排放的煤矸石、大同第二發(fā)電廠排放的粉煤灰、山西大同大學北校區(qū)的土壤。將煤矸石粉粹后，與粉煤灰、土壤分別過2 mm篩后備用。供試基質基本理化性質見表1。

表1 供試基質基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，粉煤灰和煤矸石分別以質量比2∶8、3∶7、4∶6、5∶5混合裝盆，分別標識為T2∶8、T3∶7、T4∶6、T5∶5，每盆裝粉煤灰和煤矸石共200 g、土壤100 g，每組重復4次，共16盆。播種前在基質中按100、50、150 mg/kg用量分別施用N、P、K肥料，避免因基質缺乏營養(yǎng)使植株生長受到抑制，對試驗結果產生干擾。每盆均勻播種20粒種子，出苗后間苗，每盆留長勢均一的苗10株。采用生物鏑燈補充光照，保持室內溫度20～25 ℃、相對濕度約60%，稱質量法維持基質含水量在飽和持水量的60%左右。

1.3 測定項目及方法

出苗1個月時，測量株高并收割。將地上部和根部用去離子水洗凈擦干后，105 ℃下殺青30 min，70 ℃烘干，稱得干質量后將地上部磨碎過篩備用。植株樣品經H2SO4-H2O2消煮后，消煮液分別用凱氏定氮儀測量地上部氮(N)含量、鉬銻抗比色法測定地上部磷(P)含量；原子吸收分光光度計(火焰原子化法)測定地上部銅(Cu)含量，原子吸收分光光度計(石墨爐原子化法)測定地上部鎘(Cd)含量；基質pH值采用玻璃電極法測定，EC值采用電導法測定[8]。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2010進行處理，SPSS 22.0進行方差分析，Duncan氏法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 苜蓿植株生長狀況

由圖1可知，T3∶7、T4∶6、T5∶5處理苜蓿株高顯著高于T2∶8處理，而T3∶7、T4∶6、T5∶5處理間苜蓿株高差異不顯著；T2∶8、T3∶7、T4∶6處理植株根長顯著高于T5∶5處理，而T2∶8、T3∶7、T4∶6處理間植株根長差異不顯著。隨基質中粉煤灰所占比例增大，苜蓿地上部和根系干質量呈增加—減小的趨勢，在粉煤比為4∶6時達到最大值；T4∶6處理地上部干質量顯著高于其他處理，分別為T3∶7、T5∶5、T2∶8處理的1.24、1.47、2.73倍，T3∶7、T5∶5處理地上部干質量顯著高于T2∶8處理，分別為T2∶8處理的2.20、1.86倍；T4∶6處理根系干質量高于T2∶8、T3∶7、T5∶5處理，分別為T2∶8、T3∶7、T5∶5處理的1.98、1.30、1.45倍，但T3∶7處理根系干質量與T2∶8、T4∶6、T5∶5處理間差異均不顯著。說明不同粉煤比對苜蓿的株高、根長、地上部干質量、根系干質量有顯著的影響。

不同小寫字母表示各處理間差異達到顯著水平(P<0.05)，下同

2.2 苜蓿植株N、P營養(yǎng)狀況

由圖2可知，T5∶5處理植株地上部N含量顯著高于T2∶8處理，是T2∶8處理的1.23倍，T3∶7、T4∶6處理植株地上部N含量與T5∶5、T2∶8處理差異均不顯著；T3∶7、T5∶5處理植株地上部P含量顯著高于T2∶8處理，分別是T2∶8處理的1.44、1.56倍，T4∶6處理植株地上部P含量與T2∶8、T3∶7、T5∶5處理差異均不顯著。T4∶6處理植株地上部吸N量顯著高于其他處理，為其他處理的1.33～3.23倍，T3∶7、T5∶5處理植株地上部吸N量顯著高于T2∶8處理；T3∶7、T4∶6、T5∶5處理植株地上部吸P量顯著高于T2∶8處理，分別為T2∶8處理的3.16、3.66、 2.93倍，而T3∶7、T4∶6、T5∶5處理間植株地上部吸P量差異不顯著。隨粉煤灰所占比例增大，植株地上部吸N量和吸P量呈增加—減小的趨勢，在粉煤比為4∶6時達到最大值。說明不同粉煤比對植株地上部N、P含量及地上部N、P吸收量均有顯著影響。

圖2 粉煤灰與煤矸石不同配比對苜蓿植株N、P營養(yǎng)狀況的影響

2.3 苜蓿植株Cu、Cd含量和吸收量

由圖3可知，T3∶7、T4∶6、T5∶5處理植株地上部Cu含量顯著高于T2∶8處理，分別為T2∶8處理的1.20、1.26、1.28倍，而T3∶7、T4∶6、T5∶5處理間無顯著差異；不同處理間植株地上部Cd含量無顯著差異。隨粉煤灰所占比例增大，地上部吸Cu量和吸Cd量均呈增加—減小的趨勢，分別在T4∶6、T3∶7處理時達到最大值；T3∶7、T4∶6、T5∶5處理植株地上部吸Cu量顯著高于T2∶8處理，分別為T2∶8處理的2.67、3.42、2.47倍，T3∶7、T4∶6、T5∶5處理植株地上部吸Cd量分別為T2∶8處理的2.46、2.23、1.75倍，但T5∶5與T2∶8處理間差異不顯著，且T3∶7、T4∶6、T5∶5處理間植株地上部吸Cu量和吸Cd量差異均不顯著。說明粉煤比對苜蓿地上部Cu、Cd含量影響不大，但對地上部Cu、Cd吸收量有顯著影響。

圖3 粉煤灰與煤矸石不同配比對苜蓿植株地上部Cu、Cd含量和吸收量的影響

2.4 栽培基質pH值、EC值的變化

由圖4可知，種植苜蓿后，T3∶7、T4∶6、T5∶5處理基質pH值較T2∶8處理低約0.2個單位，而T3∶7、T4∶6、T5∶5處理間pH值差異不顯著，接近中性，更適宜植物的生長；T2∶8、T5∶5處理基質EC值顯著高于T3∶7、T4∶6處理，分別為T3∶7、T4∶6處理的1.15～1.38倍，而T5∶5與T2∶8處理間、T3∶7與T4∶6處理間基質EC值差異不顯著。說明粉煤比對種植后基質的pH值和EC值有顯著影響。

圖4 粉煤灰與煤矸石不同配比對基質pH值和EC值的影響

3 結論與討論

煤矸石風化物顆粒粗，無結構性，保水、保肥作用弱，營養(yǎng)元素含量低，植物難以利用[9]。粉煤灰顆粒細小，與煤矸石混合，可優(yōu)化土壤結構，提高土壤保水保肥能力[10]；此外，植株還可以從粉煤灰中吸收鉀(K)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、硼(B)等營養(yǎng)元素以供生長利用[11]。安林萍[12]研究發(fā)現，大豆種植在粉煤灰與煤矸石混合基質上比在單純的煤矸石上好，出苗率、成活率、生物量均隨粉煤灰添加比例增大而升高。本研究中，粉煤灰與煤矸石的混合比例對于植物的生長具有顯著影響，其中粉煤比4∶6時苜蓿地上部和根系干質量均顯著高于其他處理，株高、根長也較大，說明粉煤比4∶6是苜蓿生長的最佳配比。

栽培基質主要通過植物的營養(yǎng)狀況以及基質中的有害成分對植物生長產生影響[2,11]。本研究中，粉煤比為4∶6時植物生物量最大，這可能與地上部的營養(yǎng)元素N、P吸收量多，而對植物有毒害作用的Cd含量較低有關，具體機制有待進一步研究。有研究發(fā)現，銅川市三里洞煤矸石廢棄地土壤中Cd為強度污染，土壤上生長的草本植物中Cu、Cd、鎳(Ni)元素均超出國家標準[13]。貴州水城地區(qū)煤矸石風化物中Cu、Cd、鋅(Zn)、鉛(Pb)等重金屬有明顯積累，抑制了植物對營養(yǎng)元素的吸收及根系的生長[14-15]。本研究中，苜蓿地上部Cu含量為72.65～92.79 mg/kg，Cd含量為0.74～1.01 mg/kg，遠高于國家衛(wèi)生標準(Cu 10 mg/kg、Cd 0.2 mg/kg)[15]，其中粉煤比為4∶6時苜蓿地上部吸收的Cu、Cd量較多，植物修復效果較好，適宜后續(xù)植物的生長。復墾后基質的物理性狀、營養(yǎng)狀況、重金屬狀況會影響后續(xù)植被的生長，進而影響礦區(qū)植被的恢復。煤矸石和粉煤灰通常具有過高或過低的pH值，植物很難生長。煤矸石成分不同，pH值不同，河南平頂山煤矸石pH值呈堿性，寧夏、貴州花溪區(qū)煤矸石pH值卻呈酸性[16-17]。礦區(qū)固體廢棄物屬于中鹽化土壤，加之礦區(qū)大多水分條件惡劣，隨著植物的生長鹽化程度有逐漸加重的趨勢，因此鹽堿化也是限制礦區(qū)植物生長的因素之一。EC值是基質溶液中鹽離子濃度的反映，EC值越高，基質中鹽離子濃度越大。本研究中，粉煤比為4∶6的基質種植苜蓿后，pH值更接近中性，EC值較小，鹽化程度較低，對后續(xù)植物的生長更有利。

總之，粉煤灰與煤矸石配比為4∶6時苜蓿生長勢顯著優(yōu)于其他處理，種植苜蓿后栽培基質的pH值更接近中性，EC值較小，且地上部吸收的Cu、Cd量較多，更有利于后續(xù)植物的生長，具備良好的土壤改良、植物修復潛力。但本研究的盆栽試驗結果能否用于礦區(qū)土地復墾，需要進行下一步野外試驗研究。

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Effects of Different Proportion of Coal Ash and Gangue on Plant Growth and Bioremediation Effect of Medicago sativa

LI Xia,PEI Yaochen,HAN Zhiping*,YANG Junxia,GAO Zhihui,ZHEN Lina,Lü Xue

(School of Life Science/Protected Agricultural Technology Development Center,Shanxi Datong University,Datong 037009,China)

To explore the effects of phytoremediation on gangue and coal ash resulted from coal mining and using waste,the effects of different ratios of coal ash and coal gangue mixed substrates on the growth of alfalfa(Medicagosativa) and pH,EC of substrates after planting in pot were studied.The results showed that the growth of alfalfa of T4∶6(subscript numbers represented the mass ratio of coal ash to gangue,the same below) treatment was the best,and the aerial part and root dry weights of plants were significantly higher than T2∶8,T3∶7,T5∶5treatments,and reached 1.24—2.73 times and 1.30—1.98 times that of other treatments,respectively.Shoot nitrogen and phosphorus contents of T4∶6treatment were also significantly higher than other treatments,and reached 1.33—3.23 times and 1.16—3.66 times that of other treatments,respectively.The ratio of coal ash to gangue had significant effects on the uptake of Cu and Cd by the aerial part of alfalfa,and the amount of Cu and Cd absorbed by T3∶7,T4∶6and T5:5treatments were 2.47—3.42 times and 1.75—2.46 times that of T2∶8treatment,respectively.The pH of the T4∶6treatment substrate after planting alfalfa was close to neutralization,and EC was smaller,indicating that its phytoremediation effect was better.Therefore,the substrate in the ratio of 4∶6 was more helpful for the growth ofMedicagosativa,and it could be the optimal ratio in phytoremediation of coal gangue and coal ash.

coal ash; coal gangue;Medicagosativa; phytoremediation; pH; EC

S551+.7;X752

A

1004-3268(2017)11-0069-05

2017-05-02

大同市科技攻關項目(2015099)；山西大同大學科研項目(2011K9)；山西大同大學大學生創(chuàng)新項目(2015-XDC2015141)；國家自然科學基金項目(31400479)；山西省科技攻關項目(20150311010-1)；大同市基礎研究項目(2015106)

李 俠(1981-)，女，山西稷山人，講師，碩士，主要從事環(huán)境生態(tài)過程與調控研究。E-mail:lixia810504@163.com

*通訊作者：韓志平(1976-)，男，山西盂縣人，副教授，博士，主要從事植物逆境生理研究。

E-mail:hanzhiping0215@163.com