煤泥特性及其對(duì)砂性土物理性質(zhì)的影響

劉 譽(yù)，索全義，劉 巍，趙才毅，余曉雯，藺方春，張 鵬，鐘 磊

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古茂元腐殖酸科技有限公司，內(nèi)蒙古 德嶺山鎮(zhèn) 015300；3.興安盟農(nóng)牧技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全中心 內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

煤泥泛指煤粉含水形成的半固體物，是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的一種產(chǎn)物[1]。由于煤泥具有高水分、高黏性、高持水性和低熱值等諸多不利條件，在工業(yè)應(yīng)用方面，很難與煤炭競(jìng)爭(zhēng)[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)共產(chǎn)生了近3億t的煤泥，而同年的一般工業(yè)固體廢物利用率僅為54.6%。這意味著2017年有1.4億t左右的煤泥并未被合理利用，且多處于露天粗放式堆放狀態(tài)。煤泥的粗放式處理不僅浪費(fèi)了資源，更造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[4]。因此，尋找煤泥利用的有效途徑是值得關(guān)注的問(wèn)題。

土地沙化是表土失去細(xì)粒（粉粒、黏粒）而逐漸沙質(zhì)化或流沙（泥沙）入侵導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降甚至喪失的過(guò)程[5]。我國(guó)沙區(qū)每年因風(fēng)蝕損失的土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀等達(dá)5 590萬(wàn)t[6]，加劇了土壤貧瘠，甚至導(dǎo)致部分土壤失去農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)能力，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、農(nóng)民生活均有嚴(yán)重的影響。

近年來(lái)，人們致力于尋找煤基固體廢棄物等多向的利用方式，希望減輕因其所帶來(lái)的環(huán)境污染。研究表明，污泥施用能夠改善土壤的理化性質(zhì)，給土壤帶來(lái)有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，增加土壤的孔隙度和陽(yáng)離子交換量，提高土壤的穩(wěn)定性和保水保肥能力[7-8]。熊江波等[9]采用室內(nèi)模擬降水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨污泥施用量的增加，沙土中總氮和總磷含量明顯增加，污泥施用量為1.5 g/cm3時(shí)，沙土中各項(xiàng)重金屬含量均遠(yuǎn)小于土壤環(huán)境三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的安全性。趙亮等[10]進(jìn)行了粉煤灰對(duì)沙質(zhì)土壤物理特性的改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施用粉煤灰能有效地增大沙質(zhì)土壤容重，降低沙質(zhì)土壤的孔隙度，顯著減弱沙質(zhì)土壤沙性，增強(qiáng)沙質(zhì)土壤水分利用效率。趙紅艷等[11]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了不同用量泥炭對(duì)沙土的改良效果，發(fā)現(xiàn)泥炭能提高混合沙土的持水能力，降低沙土的pH值和容重，增加沙土的有機(jī)質(zhì)、速效氮和腐殖酸含量，且與CK相比，施入泥炭對(duì)盆栽白菜的生長(zhǎng)和生物量均有促進(jìn)作用。郭繼光等[12]分析了礦區(qū)覆蓋土與煤泥的理化性質(zhì)，通過(guò)觀察植物生長(zhǎng)狀況及分析種植后不同處理的覆蓋土性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)煤泥作為覆蓋土改良劑可降低覆蓋土的密度、增加田間持水量。

通過(guò)應(yīng)用固體廢棄物改良土壤，一方面可以提高資源利用率，另一方面也可以擴(kuò)大有效耕地面積，對(duì)保障糧食安全有重要意義。因此，本試驗(yàn)在探索煤泥特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了煤泥不同用量對(duì)砂性土物理性質(zhì)影響的研究，旨在了解煤泥對(duì)砂性土的改良效應(yīng)，為探尋煤泥在農(nóng)業(yè)上的有效利用途徑奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

煤泥：內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗浩翔洗煤廠。

試驗(yàn)用砂性土：內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市庫(kù)布齊沙漠東北邊緣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，分別為：砂性土（CK）、低量煤泥處理（L-1，15 t/hm2）、中量煤泥處理（L-2，45 t/hm2）、高量煤泥處理（L-3，75 t/hm2）和超高量煤泥處理（L-4，135 t/hm2），重復(fù) 3 次。

采用無(wú)植物模擬培養(yǎng)試驗(yàn)，將采集到的砂性土風(fēng)干、充分混合，過(guò)2 mm篩，依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和煤泥充分混合后，裝入直徑5.5 cm，高30 cm且上部1 cm左右的位置有通氣孔的塑料培養(yǎng)盆，上端封口避免水分過(guò)量蒸發(fā)并埋入土中。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采用人工補(bǔ)水，維持田間持水量的70%左右。

1.3 樣品采集

在培養(yǎng)150 d后取樣（內(nèi)蒙古無(wú)霜期為150 d左右，模擬作物1個(gè)生育期），取0～20 cm土樣混合均勻后風(fēng)干、過(guò)2 mm篩，用于土壤物理性質(zhì)的測(cè)定。煤泥為內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗浩翔洗煤廠多日煤泥產(chǎn)物混合樣品。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

粒級(jí)組成使用AntonPaarPSA1190激光粒級(jí)分析儀，容重、孔隙度﹑保水性能測(cè)定采用環(huán)刀法[13]，非毛管孔隙度比例為總孔隙度與毛管孔隙度之差，鉛、鎘含量測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997），砷含量測(cè)定采用原子熒光光譜法（GB/T 22105.2—2008），汞含量測(cè)定采用Y原子熒光光譜法（GB/T 22105.1—2008），鉻含量測(cè)定采用原子吸收分光光度法（GB/T 23349—2009），煤泥主要成分相對(duì)含量測(cè)定采用X射線(xiàn)熒光光譜分析法，煤泥輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳測(cè)定采用相對(duì)密度分組法[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016軟件計(jì)算數(shù)據(jù)及繪制圖表，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤泥特性

2.1.1 煤泥重金屬含量

由表1可知，試驗(yàn)材料煤泥重金屬汞含量為0.30 mg/kg，占標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的11.55%。鉻含量為的3.20 mg/kg，占標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值 0.32%。鎘、汞、鉛、鉻、砷5類(lèi)重金屬含量較低，僅占《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 土地改良用泥質(zhì)》（GB/T 24600—2009）[15]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的0.32%～11.55%，作為土壤改良劑施用具有較高的安全性，不會(huì)引起土壤重金屬污染。

表1 煤泥重金屬含量Table 1 Coal slime heavy metal content

2.1.2 煤泥的粒級(jí)組成

依據(jù)土壤粒級(jí)分析標(biāo)準(zhǔn)[16]將煤泥粒級(jí)進(jìn)行分類(lèi)（表2）。由表2可知，煤泥的粒徑組成共分為黏粒、粉粒、砂粒3種，黏粒共占7.70%，其中，細(xì)黏粒占3.02%、粗黏粒占4.68%；粉粒共占65.74%，其中，細(xì)粉粒占11.88%、中粉粒占12.30%、粗粉粒占41.56%；砂粒共占26.57%，其中，細(xì)砂粒占26.57%、粗砂粒為0。黏粒、粉粒都具有較強(qiáng)的保水性能，其含量高達(dá)73.43%，為煤泥增加砂性土持水量以及保水性能提供了可能性。

表2 煤泥粒級(jí)分布Table 2 Coal slime particle size distribution

2.1.3 煤泥的元素組成

由表3可知，煤泥中SiO2相對(duì)含量最高（為48.94%），Al2O3相對(duì)含量次之（為 22.23%）。Si2+和Al3+均為有益元素對(duì)提高作物產(chǎn)量方面有積極作用，相對(duì)含量共占71.17%；K2O和P2O5是鉀肥和磷肥的有效成分，相對(duì)含量共2.02%；含植物必需中量元素CaO、SO3、MgO，相對(duì)含量共 18.00%；含植物必需的微量元素 Fe2O3、MnO、ZnO、CuO、NiO，相對(duì)含量共6.73%；其他物質(zhì)總相對(duì)含量不足5.00%，對(duì)土壤以及植物影響較小。因此，煤泥在砂性土中施用會(huì)為植物的生長(zhǎng)提供更全面的營(yíng)養(yǎng)元素，可能具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增加產(chǎn)量的作用。

表3 煤泥主要成分的相對(duì)含量Table 3 Relative content of coal slime main components 單位：%

2.1.4 煤泥有機(jī)質(zhì)含量

煤泥的總有機(jī)碳含量較高，為240.5 g/kg。其中，輕組有機(jī)碳含量為52.5 g/kg，占總有機(jī)碳的21.8%；重組有機(jī)碳為188.0 g/kg，占總有機(jī)碳的78.2%。輕組、重組有機(jī)碳比約為1∶4，較為穩(wěn)定的重組有機(jī)碳占比較大。

2.2 煤泥對(duì)砂性土物理性質(zhì)的影響

2.2.1 煤泥對(duì)砂性土粒級(jí)組成的影響

由表4可知，砂性土（CK）砂粒、粉粒、黏粒分別占79.68%、18.51%、1.82%。其中，細(xì)砂粒含量最高，為77.45%；細(xì)黏粒最低，為0.60%。煤泥砂粒、粉粒、黏粒分別占26.57%、65.74%、7.70%。其中，粗粉粒含量最高，為41.56%；粗砂粒最低，為0。煤泥粉粒和黏粒的含量分別是砂性土的3.55倍和4.23倍，砂性土因缺失粒徑較小的黏粒和粉粒而保水性能極差，煤泥內(nèi)小于50 μm的黏粒和粉粒含量高達(dá)73.43%。添加煤泥，砂性土的黏粒和粉粒含量均有增加，L-1～L-4 處理，粉粒分別增加了 2.30、1.01、2.32、4.95個(gè)百分點(diǎn)，黏粒分別增加了0.21、0.25、0.55、0.71個(gè)百分點(diǎn) 。L-1和L-2處理增加了砂性土內(nèi)細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒、中粉粒和粗粉粒含量，但只有L-1處理顯著增加了粗粉粒含量（P<0.05）；L-3和L-4處理，即煤泥添加量達(dá)到75 t/hm2之上，對(duì)于砂性土內(nèi)細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒、中粉粒和粗粉粒含量的增加效果均呈現(xiàn)顯著差異（P<0.05）。土壤內(nèi)黏粒和粉粒的增加會(huì)改變土壤的粒級(jí)組成，改善土壤的質(zhì)地，為提高砂性土的保肥保水性能提供了的可能性，為砂性土內(nèi)形成良好結(jié)構(gòu)提供了原料。

表4 土壤粒級(jí)分布Table 4 Soil particle size distribution 單位：%

2.2.2 煤泥對(duì)砂性土容重、孔隙度的影響

由表5可知，隨煤泥添加量增多，土壤容重有下降趨勢(shì)，L-4處理土壤容重最低，為1.52 g/cm3。與CK相比，L-1 處理無(wú)差異（P>0.05），L-2、L-3、L-4 處理分別顯著降低土壤容重 1.29%、1.29%、1.94%（P<0.05），但L-2、L-3、L-4處理間差異不顯著（P>0.05）。土壤毛管孔隙比例隨煤泥添加量增多呈先增加后下降趨勢(shì)，土壤非毛管孔隙比例反之，L-3處理土壤毛管孔隙比例最高，為24.90%，土壤非毛管孔隙比例最低，為6.31%；與CK相比，L-1～L-4處理分別顯著增加土壤毛管孔隙比例 2.29%、9.64%、16.46%、10.48%（P<0.05），且各處理間差異顯著（P<0.05）；與CK相比，土壤非毛管孔隙比例L-1處理降低1.12%，但差異不顯著（P>0.05），L-2～L-4處理分別顯著降低土壤非毛管孔隙比例 21.62%、45.41、32.27%（P<0.05），且L-1～L-4處理間差異顯著（P<0.05）。

表5 煤泥對(duì)砂性土容重及孔隙的影響Table 5 The effect of coal slime on bulk density and porosity of sandy soil

2.2.3 煤泥對(duì)砂性土保水性能的影響

由圖1可知，達(dá)到飽和含水量的土壤第1天失去的是重力水，受重力影響迅速失去，植物難以利用，CK和L-1處理重力水較高，L-3和L-4處理較低。之后所有處理的失水曲線(xiàn)均有兩個(gè)拐點(diǎn)，所有處理從第1天到第2個(gè)拐點(diǎn)失去的是可被植物吸收利用的有效水，受粒級(jí)組成影響較大。第3天附近所有處理間幾乎同時(shí)達(dá)到第1個(gè)拐點(diǎn)，失水的速率由快速轉(zhuǎn)為較慢，該階段的是可被植物快速利用的速效水，各處理的保持效果并無(wú)較大差異。第4天左右CK和L-1處理達(dá)到第2個(gè)拐點(diǎn)，第5～7天L-2～L-4處理達(dá)到了第2個(gè)拐點(diǎn)，該階段失去的是可緩慢被植物吸收利用的遲效水，添加煤泥所帶入的黏粒對(duì)于水分的保持作用明顯，所以L-2～L-4處理即煤泥添加量大于15 t/hm2對(duì)于水分的保持效果較CK有明顯的增強(qiáng)，第2個(gè)拐點(diǎn)明顯延后。達(dá)到第2個(gè)拐點(diǎn)后失水量幾乎不在增加，處于近乎穩(wěn)定的狀態(tài)?？偸緾K>L-1>L-2>L-3>L-4，砂性土保水能力隨煤泥添加量增加呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖1 煤泥對(duì)砂性土保水性能的影響Figure 1 The effect of coal slime on water retention of sandy soil

土壤有效水是土壤水分中可被植物利用的部分，能夠清楚地反映土壤水分的真實(shí)情況，CK、L-1、L-2、L-3、L-4處理有效水分別占各處理總失水量的63.31%、63.97%、70.82%、75.27%、73.95%，L-3處理有效水含量最高。與CK相比，L-1～L-4處理砂性土有效水含量分別增加了1.04%、11.86%、18.89%、16.81%，呈現(xiàn)出隨煤泥添加量增加而先升高而后降低的趨勢(shì)。

3 討論

試驗(yàn)所使用煤泥鎘、汞、鉛、鉻、砷重金屬含量低，符合改良土壤的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24600—2009）[15]，該結(jié)果與武俊英等[17]研究煤泥改良沙土種植燕麥不會(huì)污染土壤的結(jié)果一致，說(shuō)明煤泥作為土壤改良材料的應(yīng)用是安全的。

砂性土顆粒礦物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、土壤孔隙大、土壤保水性能差、養(yǎng)分含量少、保肥供肥能力低下，屬于中低產(chǎn)土壤[18]。本試驗(yàn)煤泥的添加顯著增加了砂性土毛管孔隙，降低了容重，且添加量大于45 t/hm2時(shí)會(huì)顯著降低土壤容重。該結(jié)果與趙紅艷等[11]使用泥炭改良土壤顯著降低土壤容重的結(jié)果一致，與趙亮等[10]使用粉煤灰改良砂性土?xí)r增加了土壤的容重的結(jié)果不同。土壤容重受密度和孔隙度兩方面的影響，后者影響更大，土壤疏松多孔的容重小[19]。粉煤灰與煤泥對(duì)土壤容重的影響截然不同，可能是2種材料粒徑組成和物質(zhì)組成不同而造成的。粉煤灰以粉粒為主，占粉煤灰總量的72%，砂粒占27%，黏粒含量極少，而有機(jī)質(zhì)含量幾乎為零，趙亮等[10]研究認(rèn)為，粒級(jí)小的粉煤灰填充到了沙土的大孔隙中，單位體積的土壤顆粒增多會(huì)增大土壤的容重。煤泥黏粒含量達(dá)7.70%，有機(jī)碳含量高達(dá)240.5 g/kg，并含有多種植物生長(zhǎng)所需的大量、中量、微量及有益元素，黏粒本身具有巨大的比表面積和吸附能，在水分充足時(shí)會(huì)將土?；蛭⒛垠w黏結(jié)在一起；土壤內(nèi)有機(jī)碳的含量與團(tuán)聚體呈高度相關(guān)性；多價(jià)陽(yáng)離子會(huì)降低膠體表面的電位勢(shì)，會(huì)使得土粒間相互靠攏凝聚，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，增加土壤的總孔隙度。所以本試驗(yàn)呈現(xiàn)煤泥施用量越大，砂性土容重降低越明顯的趨勢(shì)。

土壤非毛管孔隙內(nèi)含的水分為植物無(wú)法利用的重力水和吸濕水[19]，而毛管孔隙中都為植物可吸收利用的有效水分，土壤有效水含量對(duì)植物及微生物的生存均有著重要的影響。與CK相比，L-1～L-4處理分別顯著增加土壤毛管孔隙比例2.29%、9.64%、16.46%、10.48%（P<0.05），不僅增加了容納根毛、真菌及大多數(shù)細(xì)菌生存的微孔隙，也提高了土壤有效水含量與持水效果，與霍曉君[20]配施粉煤灰等改良砂性土增加持水性能、趙智等[21]使用粉煤灰改良沙土增加土壤有效水的結(jié)果一致。煤泥高持水性的特點(diǎn)在砂性土改良中，可以呈現(xiàn)出與粉煤灰甚至PAM保水劑類(lèi)似的效果，且隨添加量的增加，土壤有效水的含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。

土壤有機(jī)碳是微生物體、動(dòng)植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)的總稱(chēng)，決定著土壤的物理、化學(xué)、生物性狀，它的固持對(duì)于改善土壤肥力、維持植物生產(chǎn)力和提升環(huán)境質(zhì)量具有重要作用[22～24]。煤泥有機(jī)碳含量高達(dá)240.5 g/kg，可被快速利用的輕組有機(jī)碳含量為52.5 g/kg，占總有機(jī)碳的21.8%；重組有機(jī)碳為188.0 g/kg，占總有機(jī)碳的78.2%。土壤礦物（例如黏粒和粉粒）化學(xué)或物理化學(xué)結(jié)合的有機(jī)碳會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，這類(lèi)有機(jī)-無(wú)機(jī)結(jié)合被認(rèn)為是土壤中碳貯量的控制因素[20，25]，即添加煤泥所帶入的大量黏粒、粉粒不僅會(huì)在改變土壤的質(zhì)地上起作用，也會(huì)間接地影響土壤有機(jī)碳的固存，為培肥土壤提供可能。

砂性土的改良應(yīng)用過(guò)程易因養(yǎng)分高而呈現(xiàn)鹽漬化[26]，本試驗(yàn)中，煤泥內(nèi) Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO 的相對(duì)含量分別為 22.23%、8.78%、6.57%、2.44%。Al3+、Fe3+、Mn2+都屬于土壤中常見(jiàn)的致酸離子[27]，進(jìn)入土壤后發(fā)生水解釋放H+，會(huì)引起土壤pH值的降低，而Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+均可以置換膠體中 Na+，并通過(guò)水流淋洗以降低或消除鹽漬化[28]。因此，煤泥具有改良土壤pH值以及鹽漬化等作用。

4 結(jié)論

煤泥作為砂性土改良劑，煤泥鎘、汞、鉛、鉻、砷重金屬含量低僅占標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的0.32%～11.55%，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》的安全指標(biāo)；黏粒和粉粒含量高達(dá)73.43%，具有極高的保水性能；富含促進(jìn)植物生長(zhǎng)的有益元素SiO2、Al2O3（相對(duì)含量共71.17%），含植物必需大量元素K2O和P2O5（相對(duì)含量共2.02%），含植物必需中量元素 CaO、SO3、MgO（相對(duì)含量共 18.00%），含植物必需的微量元素 Fe2O3、MnO、ZnO、CuO、NiO（相對(duì)含量共6.73%），極有利于植物的生長(zhǎng)；總有機(jī)碳含量較高，為240.5 g/kg，輕組、重組有機(jī)碳比約為1∶4，可提供充足的有機(jī)碳。對(duì)于砂性土的保水性能的提高、粒級(jí)組成的優(yōu)化，土壤質(zhì)地的改善都起到積極作用。

與CK相比，L-3和L-4處理均顯著增加砂性土內(nèi)黏粒、粉粒含量和顯著降低土壤容重（P<0.05）。L-3處理土壤毛管孔隙比例最高（為24.90%），土壤非毛管孔隙比例最低（為6.31%），土壤有效水占失水比例最高（為75.27%）。因此，煤泥對(duì)砂性土的物理性質(zhì)有較好的改善作用且在試驗(yàn)范圍內(nèi)施用煤泥量為75 t/hm2效果最佳。