陜西澄合礦區(qū)煤矸石綠化基質(zhì)研究

胡 恬，張 琨

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省巖土工程試驗(yàn)教學(xué)中心，陜西 西安 710600)

0 引 言

作為世界最早利用煤的國(guó)家，煤炭一直是中國(guó)生產(chǎn)、生活的主要能源來(lái)源之一，在其快速推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，煤礦開(kāi)采過(guò)程中排出了大量固體廢棄物如煤矸石，目前在中國(guó)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(huì)造成大氣污染，對(duì)周圍居民的人身安全、乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1-2]。中國(guó)煤矸石產(chǎn)生量約占煤炭開(kāi)采量的10%～15%，目前已形成1 500座矸石山，貯存煤矸石超過(guò)30億t、占地近30萬(wàn)畝[3]。因此，對(duì)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4]。

李朋輝等通過(guò)對(duì)煤矸石性質(zhì)的分析，提出了一種對(duì)含Si、 Al等物質(zhì)進(jìn)行分級(jí)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(duì)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(duì)象，研究了植被恢復(fù)對(duì)矸石山生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響[6]；王偉等對(duì)山西省陽(yáng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)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(guò)進(jìn)行相關(guān)配比試驗(yàn)和植物生長(zhǎng)試驗(yàn)[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(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(xiǎn)性。由于大量煤矸石長(zhǎng)期的堆積，伴隨雨水淋溶，會(huì)產(chǎn)生酸性廢水并攜帶重金屬離子，進(jìn)而會(huì)污染地下水和土壤[12-14]。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及材料

1)試驗(yàn)用煤矸石：對(duì)試驗(yàn)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(zhǎng)所需的營(yíng)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(guò)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(zhǎng)的綠化基質(zhì)[15-19]。

表2 澄合礦區(qū)煤矸石化學(xué)性質(zhì)表

2)試驗(yàn)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(jiàn)表3。

表3 澄合礦區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)表

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(jiǎn)稱P)和自制保水劑(CADX保水固沙劑[8]，簡(jiǎn)稱CADX)進(jìn)行試驗(yàn)。

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(yàn)草種：以高羊茅作為試驗(yàn)植物種，從中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院購(gòu)買，純度為100%，發(fā)芽率為95%。

2.2 保水劑配比試驗(yàn)

2.2.1 CADX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(guò)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(guò)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)。

圖2 自制保水劑CADX制備流程Fig.2 Preparation process of CADX

自制的CADX，通過(guò)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(shí)，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(gè)組成部分，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)判定其在基質(zhì)中的最佳配比。

2.2.2 試驗(yàn)分組

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

表4 保水劑配比分組

2.2.3 試驗(yàn)過(guò)程

將試驗(yàn)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(yàn)圓盤；按設(shè)計(jì)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(cè)20 d；保水性能測(cè)定結(jié)束后，使用土壤硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

2.3 基質(zhì)配比試驗(yàn)

應(yīng)用正交試驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)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(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)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(duì)高羊茅的生物量進(jìn)行分析[11]，以此來(lái)判斷高羊茅對(duì)試驗(yàn)基質(zhì)的適宜性。

2.3.1 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)的各因素均設(shè)4個(gè)水平，各水平的設(shè)置用量參照了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品說(shuō)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(lái)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(zhǎng)試驗(yàn)(表6)。

表5 因素水平表

表6 正交試驗(yàn)表

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(kāi)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(duì)土壤的水分蒸發(fā)量進(jìn)行了考察。隨著時(shí)間的增加，各壤土試樣的水分蒸發(fā)量趨勢(shì)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)。

圖3 不同配比的保水劑對(duì)土壤水分蒸發(fā)量的影響Fig.3 Effects of different ratios of water retaining agent on soil water evaporation

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(lái)滿足種子發(fā)芽的生長(zhǎng)需要，但是在北方干旱半干旱地區(qū)，降雨較少，如果長(zhǎng)期采用人工灌溉方式將會(huì)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(guò)4組試驗(yàn)對(duì)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(shì)和保水劑的增加之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，因此在實(shí)際操作時(shí)可選擇最適添加量。4組試驗(yàn)中土壤含量不同，而CADX保水劑添加量相同時(shí)，基質(zhì)的水分蒸發(fā)量變化沒(méi)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(méi)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(shí)，蒸發(fā)量較小。對(duì)4組基質(zhì)中各組蒸發(fā)量的總和進(jìn)行對(duì)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。

圖4 基質(zhì)水分日蒸發(fā)量曲線Fig.4 Daily water evaporation curves of matrix

圖5 基質(zhì)水分總蒸發(fā)量Fig.5 Total water evaporation of matrix

2.4.3 植物生長(zhǎng)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(gè)月后高羊茅的生長(zhǎng)情況基本結(jié)束，對(duì)其進(jìn)行成苗率的統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合因素水平進(jìn)行極差分析。

對(duì)高羊茅的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表8，可以看出基質(zhì)中各因素對(duì)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(shí)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(yàn)中可進(jìn)一步對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化。

表8 極差分析表

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(shì)，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(guò)多組試驗(yàn)對(duì)比，選用普通保水劑和CADX保水劑的比例為1∶1時(shí)，在成本較低的情況下可保證較好的試驗(yàn)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(yàn)觀測(cè)，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(shí)，可以得到最優(yōu)的基質(zhì)配比方案。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可知緩釋肥和菌肥這2種因素對(duì)高羊茅的生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率較低，在進(jìn)行實(shí)際種植時(shí)可根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行酌量增減。