添加粉煤灰對煤矸石基質(zhì)性質(zhì)和植物生長的影響

范秋運,張超英,耿玉清,韓秀娜,陳 琳

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京)

西北干旱荒漠區(qū)是重要的煤炭能源供給基地。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模高強(qiáng)度的開發(fā)使該區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)變得更加脆弱[1]。煤矸石是在采煤和洗煤過程中排放出的固體廢棄物，大量煤矸石長期堆積形成的煤矸石山，加劇了水土流失和生態(tài)功能的進(jìn)一步退化[2]。植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的重要措施[3]。然而，礦區(qū)周圍適宜植物生長的土壤缺乏，且受運輸成本的限制以及客土方法存在引起他區(qū)水土流失的風(fēng)險使植被恢復(fù)的進(jìn)程較為困難。煤矸石作為礦區(qū)采煤活動的副產(chǎn)物，因組成與土壤相似，并含有植物生長所需要的營養(yǎng)元素，常作為添加劑或基質(zhì)成分以栽培植物[4]。然而，煤矸石結(jié)構(gòu)性差和持水性低的特點在一定程度上影響了煤矸石的有效利用[5]。

粉煤灰是煤燃燒發(fā)電產(chǎn)生的微細(xì)顆粒。雖然粉煤灰碳氮養(yǎng)分貧瘠以及結(jié)構(gòu)較為松散，但其比表面積大、活性基團(tuán)較多且吸附能力較強(qiáng)，可以用作土壤改良劑促進(jìn)植物的生長[6]。有研究表明，添加粉煤灰可降低土壤密度、增大總孔隙度，提高土壤的持水性能[7-8]。此外，在礦區(qū)新土體構(gòu)建中，將煤矸石和粉煤灰的混合應(yīng)用也引起廣泛關(guān)注。況欣宇等[9]研究表土、煤矸石、粉煤灰及巖土剝離物作為適宜基質(zhì)的配比。胡振琪等[10]研究風(fēng)化煤、煤矸石及粉煤灰等煤基生物土的配比。研究結(jié)果表明，適宜的配比可改善土壤孔隙度、含水量和養(yǎng)分含量并促進(jìn)植物生長。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善依賴于植被恢復(fù)以及適宜的土體。因粉煤灰產(chǎn)生量巨大，研究粉煤灰的合理利用是消納固體廢棄物的重要途徑之一[11]。此外，充分利用礦區(qū)廢棄物資源構(gòu)建新土體，使其滿足植物生長的需求，是減少水土流失和進(jìn)行礦區(qū)植被恢復(fù)的首要問題[12]。前人對添加粉煤灰的土壤性質(zhì)研究主要集中在土壤理化性質(zhì)和植物的生長，但對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的影響還不清楚。筆者以煤矸石土壤混合基質(zhì)為研究對象，添加不同比例的粉煤灰，通過盆栽培養(yǎng)實驗，研究粉煤灰對矸石基質(zhì)物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化以及對植物生長的影響。研究結(jié)果可為礦區(qū)固體廢棄物的利用以及矸石山新土體的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐，同時對促進(jìn)礦區(qū)植被恢復(fù)進(jìn)程有一定的意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試煤矸石采自寧夏回族自治區(qū)靈武市羊場灣煤礦的排矸場，供試生土采自排矸場附近0～5 m土層深的自然土體。生土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顆粒組成為砂粒65.8%、粉粒27.5%和黏粒6.7%，密度為1.35 g/cm3。將生土和人工破碎的煤矸石過2 mm篩備用。粉煤灰之所以能改善土壤的性質(zhì)，與其具有的粒細(xì)質(zhì)輕、比表面積大和吸附能力較強(qiáng)的特征有關(guān)?；谌〔牡谋憷?，供試粉煤灰取自內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海南區(qū)西來峰發(fā)電廠。受到燃料種類和燃燒方式的影響，粉煤灰中殘留少量的碳[13]。試驗所用材料的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試材料的主要理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計與基質(zhì)培養(yǎng)

本研究設(shè)置煤矸石與土質(zhì)量比為1∶1的矸石基質(zhì)。將粉煤灰按照0、10%、30%、50%(分別表示為CK、F10、F30和F50)的質(zhì)量比例分別添加到煤矸石基質(zhì)中?；旌暇鶆虻姆勖夯翼肥|(zhì)裝入高13 cm，底部直徑8 cm的塑料盆中，每盆盆栽基質(zhì)的質(zhì)量為2 kg。研究共設(shè)置4個處理，每個處理3個重復(fù)。

試驗于2020年7月在北京輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)試驗基地進(jìn)行。先澆水培養(yǎng)盆栽基質(zhì)1個月，然后將高羊茅(Festucaelata)種子均勻撒播于盆栽基質(zhì)中。盆栽基質(zhì)培養(yǎng)3個月后，測量高羊茅的生長高度，同時取原狀盆栽基質(zhì)和植物分析樣品。取50 g左右盆栽基質(zhì)樣品置于4 ℃冰箱保存，用于測定盆栽基質(zhì)水溶性碳含量；20 g送科學(xué)指南針(https:∥www.shiyanjia.com)測定微生物磷脂脂肪酸；剩余部分經(jīng)風(fēng)干后用于化學(xué)性質(zhì)的測定。

1.3 基質(zhì)理化性質(zhì)和植物生長量及養(yǎng)分的測定

盆栽基質(zhì)密度和田間持水量采用環(huán)刀法測定；盆栽基質(zhì)砂粒、粉粒和黏粒含量用吸管法測定；盆栽基質(zhì)pH用酸度計測定；盆栽基質(zhì)電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測定；盆栽基質(zhì)有機(jī)碳用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化水合熱法測定；盆栽基質(zhì)水溶性有機(jī)碳用總有機(jī)碳/氮分析儀測定[14]；盆栽基質(zhì)堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定；盆栽基質(zhì)有效磷用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗顯色法測定；盆栽基質(zhì)速效鉀用醋酸銨浸提，火焰光度計測定。

采用烘干法測定植物地上和地下生物量。植物樣品用H2SO4—H2O2法消煮。消煮后用全自動凱氏定氮儀測定全氮，用鉬銻抗顯色法測定全磷，用火焰光度計測定全鉀。

1.4 微生物磷脂脂肪酸的提取和測定

稱取冷凍干燥土樣5.0 g，用Bligh-Dyer提取液多次振蕩提取脂類，用氯仿和丙酮洗去樣品中的中性脂和糖脂，再用甲醇分離收集磷脂脂肪酸，然后用甲醇甲苯混合液甲酯化已經(jīng)分離得到的磷脂脂肪酸，最后用氮氣吹干得到磷脂脂肪酸甲酯。利用帶有MIDI鑒定系統(tǒng)的氣象色譜儀(N6890，安捷倫，美國)分析各種脂肪酸甲酯含量，采用Frostegard法[15]進(jìn)行脂肪酸命名。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]將所測得磷脂脂肪酸的生物表征分為細(xì)菌、真菌和放線菌。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 21.0和Canoco 5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用CanoDraw作圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同處理間盆栽基質(zhì)的理化性質(zhì)以及微生物群落特征，用最小差異法(LSD)比較差異的顯著性。采用冗余分析(RDA)探討盆栽基質(zhì)性質(zhì)與植物生物量和養(yǎng)分之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 對盆栽基質(zhì)物理性質(zhì)的影響

不同處理間盆栽基質(zhì)的物理性質(zhì)有一定差異(表2)。隨著粉煤灰添加量的增加，盆栽基質(zhì)的密度和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，田間持水量和粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。其中，F(xiàn)30和F50處理的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比CK降低11.86%和25.75%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加54.92%和107.58%，田間持水量分別增加25.00%和79.45%。這說明添加粉煤灰可影響盆栽基質(zhì)的顆粒組成，使粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。由于細(xì)顆粒的增加，導(dǎo)致盆栽基質(zhì)的保水能力增強(qiáng)。

表2 不同粉煤灰添加量盆栽基質(zhì)的物理性質(zhì)

2.2 對盆栽基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響

粉煤灰的添加降低盆栽基質(zhì)的pH值，而F10、F30和F50處理之間差異不顯著(表3)。盆栽基質(zhì)的電導(dǎo)率隨著粉煤灰添加的提高而增加，F(xiàn)50處理的電導(dǎo)率最高，為1.92dS/m。與CK相比，添加10%和30%的粉煤灰沒有顯著降低盆栽基質(zhì)的有機(jī)碳含量，而添加50%的粉煤灰與CK相比顯著降低21.59%。但添加粉煤灰增加了盆栽基質(zhì)水溶性有機(jī)碳的含量，其中F50處理增加17.39%，這表明粉煤灰增加水溶性有機(jī)碳的能力較弱。就有效磷而言，CK為4.16 mg/kg，F(xiàn)10、F30和F50處理分別增加36.30%、70.19%和119.23%。F30和F50處理的速效鉀含量顯著高于CK。表明較高比例的粉煤灰添加量可以增加盆栽基質(zhì)中有效磷和速效鉀含量。

表3 不同粉煤灰添加量盆栽基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)

2.3 對盆栽基質(zhì)生物學(xué)性質(zhì)的影響

粉煤灰添加顯著影響盆栽基質(zhì)磷脂脂肪酸(PLFAs)的含量(表4)。與CK相比，添加30%和50%的粉煤灰顯著提高盆栽基質(zhì)總磷脂脂肪酸(TotPLFAs)和細(xì)菌PLFAs的含量。F30處理的細(xì)菌PLFAs含量比CK增加47.75%。F50處理的總PLFAs含量和真菌PLFAs含量比CK分別增加43.04%和159.40%。整體而言，添加高含量的粉煤灰提高盆栽基質(zhì)總磷脂脂肪酸和細(xì)菌磷脂脂肪酸含量。此外，F(xiàn)50處理的真菌/細(xì)菌比值(F∶B)顯著高于CK，而CK、F10、F30處理之間差異不顯著。

表4 不同粉煤灰添加量盆栽基質(zhì)生物學(xué)性質(zhì)

2.4 對植物的生長狀況及養(yǎng)分含量的影響

不同盆栽基質(zhì)間植物的生物量和養(yǎng)分含量差異顯著(表5)。隨著粉煤灰添加比例的提高，高羊茅株高、地上和地下生物量逐步增加，當(dāng)粉煤灰添加量為50%時達(dá)到最高。地上和地下生物量較CK分別增加132.26%和96.87%。就植物的養(yǎng)分含量而言，添加粉煤灰顯著提高高羊茅的葉片養(yǎng)分含量，當(dāng)添加量為50%時，植物全氮、全磷和全鉀分別比CK增加了43.11%、117%和80.33%。由此可見，在煤矸石基質(zhì)中加入較高比例的粉煤灰有利于植物的生長和養(yǎng)分的積累。

表5 不同粉煤灰添加量植物生長狀況及養(yǎng)分含量

2.5 植物生物量和養(yǎng)分含量與盆栽基質(zhì)性質(zhì)之間的相關(guān)性

植物生物量和養(yǎng)分含量與盆栽基質(zhì)性質(zhì)的冗余分析結(jié)果顯示(圖1)，第一軸(RDA1)和第二軸(RDA2)分別解釋94.5%和0.4%。盆栽基質(zhì)田間持水量、粉粒含量、電導(dǎo)率、水溶性有機(jī)碳、有效磷、速效鉀和微生物PLFAs與植物生物量和養(yǎng)分含量呈正相關(guān)，其中粉粒含量、有效磷和田間持水量的解釋比例在80%以上；盆栽基質(zhì)密度、砂粒含量、黏粒含量和有機(jī)碳與植物生物量和養(yǎng)分含量呈負(fù)相關(guān)。

BD為密度；FC為田間持水量；SA為砂粒；SI為粉粒；CL為黏粒；EC為電導(dǎo)率；SOC為有機(jī)碳；DOC為水溶性有機(jī)碳；AN為堿解氮；AP為有效磷；AK為速效鉀；TotPLFAs為總磷脂脂肪酸；BAC為細(xì)菌磷脂脂肪酸；FUN為真菌磷脂脂肪酸；ACT為放線菌磷脂脂肪酸； PLH為株高；AB為地上部生物量；UB為地下部生物量；PTN為植物樣全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；PTP為植物樣全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；PTP為植物樣全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。BD, bulk density; FC, field capacity; SA, sand; SI, silt; CL, clay; EC, electrical conductivity; SOC, soil organic carbon; DOC, dissolved organic carbon; AN, alkali hydrolyzable nitrogen; AP, available phosphorus; AK, available potassium; TotPLFAs, total phospholipid fatty acids; BAC, bacterial PLFAs; FUN, fungi PLFAs; ACT, actinomyces PLFAs; PLH, plant height; AB, aboveground biomass; UB, underground biomass; PTN, plant total nitrogen; PTP, plant total phosphorus; PTP, plant total potassium. 圖1 植物生物量和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與盆栽基質(zhì)性質(zhì)之間的冗余分析Fig.1 Redundancy analysis between plant biomass and nutrient contents and properties of potting substrates

3 討論

3.1 對煤矸石基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響

一般認(rèn)為，粉煤灰呈堿性，將其加入酸性土壤中可提高土壤的pH值。但也有研究發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)中添加粉煤灰比例的增加，pH值隨之降低[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加粉煤灰可降低盆栽基質(zhì)的pH值。基質(zhì)pH值的降低可能與多種原因有關(guān)。比如煤矸石中活性物質(zhì)的浸出[19]和粉煤灰中活性SiO2和Al2O3的水化作用[20]。然而添加10%、30%和50%粉煤灰盆栽基質(zhì)的pH值之間并無顯著差別。這可能與粉煤灰的緩沖性能有關(guān)[21]，關(guān)于這一點還需要進(jìn)行深入研究。土壤導(dǎo)電率值的大小取決于土壤中離子濃度的大小。本研究中隨粉煤灰添加量的增加盆栽基質(zhì)的導(dǎo)電率值增加，這與粉煤灰中含有大量的可溶性鹽分離子有關(guān)[22]。

土壤有機(jī)碳是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。本研究表明，隨著粉煤灰添加量的提高，盆栽基質(zhì)的有機(jī)碳含量降低，這與粉煤灰中碳氮含量較低有關(guān)。水溶性碳是土壤的活性組成部分，粉煤灰的添加提高水溶性碳含量。一方面，這可能與煤矸石的風(fēng)化過程中，有機(jī)物質(zhì)的礦化釋放有關(guān)[23]；另一方面，高羊茅生物量的提高，也可能導(dǎo)致盆栽基質(zhì)有效態(tài)碳的增加。此外，隨著粉煤灰添加量的增加，盆栽基質(zhì)有效磷和速效鉀的含量也隨之增加，這與粉煤灰中含有大量的磷鉀元素有關(guān)[10,24]。

3.2 對盆栽基質(zhì)微生物的影響

添加粉煤灰改變了基質(zhì)的理化性狀，進(jìn)一步影響到微生物群落的變化。前人研究發(fā)現(xiàn)，添加粉煤灰可顯著增加土壤中細(xì)菌和放線菌含量[25]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，添加10%的粉煤灰未影響微生物群落的變化[24]。而高比例的粉煤灰添加可導(dǎo)致土壤中真菌數(shù)量的減少[22]。由此看來，粉煤灰添加量對微生物群落影響有差異。本研究中發(fā)現(xiàn)添加少量粉煤灰沒有影響盆栽基質(zhì)中總PLFAs、細(xì)菌PLFAs和真菌PLFAs含量，而隨粉煤灰比例的提高顯著增加微生物PLFAs含量。這與添加粉煤灰使盆栽基質(zhì)的田間持水量增加，從而增加微生物總量有關(guān)[26]。此外，土壤水溶性有機(jī)碳作為微生物可直接利用的碳源，其含量的增加可能導(dǎo)致盆栽基質(zhì)微生物含量的增加[27]。

3.3 對植物生長的影響

水分是植物生長的必要條件，在煤矸石基質(zhì)中加入粉煤灰可改善基質(zhì)的機(jī)械組成，從而增加基質(zhì)的保水性。趙智等[28]研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的添加可以促進(jìn)沙土中植物的生長并提高產(chǎn)量。Panda等[29]研究發(fā)現(xiàn)在土壤中添加50%的粉煤灰可以顯著提高植物的生物量。本研究發(fā)現(xiàn)煤矸石基質(zhì)中粉煤灰添加的比例越高，高羊茅的生物量越大，同時植物樣品中的養(yǎng)分含量越高。原因可能是粉煤灰添加量的增加降低盆栽基質(zhì)密度并增加田間持水量，為植物生長提供了更多水分。另一方面，粉煤灰中含有植物生長所需的磷鉀等大量元素，在土壤中添加粉煤灰可以改善植物的生長狀況，增加植株生物量和氮磷含量[6]。盡管從數(shù)學(xué)分析得出有機(jī)碳與植物生長是負(fù)相關(guān)關(guān)系，但水溶性有機(jī)碳呈增加趨勢，且微生物并未受到影響。因此，添加粉煤灰引起的有機(jī)碳減少，并未引發(fā)植物生長不良的結(jié)果。

從本研究的結(jié)果來看，添加30%和50%粉煤灰的盆栽基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)和微生物總量差異性較小，而添加50%粉煤灰相比于添加30%粉煤灰顯著增加植物生物量。然而，添加50%粉煤灰顯著提高盆栽基質(zhì)F∶B值，促進(jìn)盆栽基質(zhì)中真菌的發(fā)育。但真菌中的一些致病菌可能不利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康[30]。因此，在植被恢復(fù)中，并不是粉煤灰越多越好。應(yīng)在一定范圍內(nèi)限制粉煤灰在煤矸石基質(zhì)中的添加量。

4 結(jié)論

粉煤灰的添加降低煤矸石基質(zhì)的密度，提高田間持水量，降低有機(jī)碳含量，提高盆栽基質(zhì)的磷鉀養(yǎng)分含量和總磷脂脂肪酸和細(xì)菌磷脂脂肪酸含量。在不同的粉煤灰添加量中，添加30%和50%粉煤灰的處理促進(jìn)植物生物量的增加和養(yǎng)分的積累。因此將粉煤應(yīng)用到煤矸石基質(zhì)的改良中作為植物生長的基質(zhì)，不僅有利于煤矸石廢棄物的銷納也可以改善土壤質(zhì)量?；诒狙芯拷Y(jié)果，可選擇在煤矸石基質(zhì)中添加30%～50%的粉煤灰作為植物生長的基質(zhì)。此外，由于此研究是在室內(nèi)進(jìn)行的控制實驗，將粉煤灰與煤矸石基質(zhì)混合后對植物的長期影響還需通過田間試驗深入探究。