白云巖砂改良煤矸石基質對黑麥草生長及重金屬淋溶影響

劉元生,陳祖擁,劉 方,卜通達,楊 麗

(貴州大學環(huán)境與資源研究所,550025,貴陽)

貴州是中國南方煤炭資源最豐富的省區(qū),含煤區(qū)域占全省總面積的40%以上,煤矸石是貴州排放量最大、占地最多、污染環(huán)境較為嚴重的工業(yè)固體廢物,露天堆放的煤矸石中Fe、Mn等重金屬元素的淋溶遷移對堆場周邊水體產(chǎn)生明顯的污染[1]。由于煤矸石基質酸度大、結構疏松、養(yǎng)分缺乏,植物不易萌發(fā)和生長,造成煤矸石堆場及周邊環(huán)境生態(tài)恢復困難[2-3]。近年來,貴州遺棄小煤窯礦區(qū)煤矸石堆場植被出現(xiàn)一定程度的自然恢復,主要有馬尾松(Pinusmassoniana)、光皮樺(Betulaluminifera)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)及毛果金星蕨(Parathelypterischinensis)等植物的生長,但是這些植物生長緩慢,生態(tài)恢復時間長,植被覆蓋度低,產(chǎn)生的生態(tài)效應弱。而多年生黑麥草(Loliumperenne)是我國常用的優(yōu)良草坪草,生長迅速,分蘗眾多,根系發(fā)達,對重金屬具有較強的抗性和富集能力,是極具潛力的環(huán)境修復植物,具有廣泛的應用前景[4-6]。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

研究區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng),屬低中山地貌及亞熱帶季風性濕潤氣候。貴陽市花溪煤礦區(qū)主要分布在三疊系與龍?zhí)睹合档貙?由石灰?guī)r、白云巖、泥質白云巖與泥頁巖等組成,煤系地層分布廣,可采煤層4～5 層,白云巖資源較豐富,煤礦附近有白云巖地層出露。就近利用廢棄煤礦區(qū)堆場附近的白云巖粉碎成白云巖砂(過2 mm篩孔的白云巖粉碎物,Ca、Mg和K質量分數(shù)分別為18.90%、11.05%和0.85%,P質量分數(shù)為130.2 mg/kg;主要重金屬元素質量分數(shù)見表1)。通過在研究區(qū)對8～10 a廢棄的露天煤矸石堆場進行調查,選擇煤矸石堆場表面僅有部分苔蘚覆被的表層煤矸石 (0～30 cm)開展混合樣品采集,在實驗室經(jīng)自然風干、破碎后研磨過篩5 mm篩,供實驗分析及盆栽試驗用;同時選取堆場較平緩的相似立地條件地段設置野外小區(qū)試驗。該堆場表層大部分煤矸石已出現(xiàn)風化成粉末狀基質(pH 3.68、有機碳20.56 g、堿解氮30.62 mg、有效磷0.43 mg、速效鉀45.16 mg),初步具有草本植物生長的土壤養(yǎng)分條件。

表1 白云巖砂、煤矸石中主要重金屬質量分數(shù)

本研究試驗設計參考文獻[16]在煤矸石基質中添加污泥、粉煤灰、木屑進行基質改良的最佳方案(污泥、粉煤灰、木屑、煤矸石質量比例為100∶125∶50∶1 000;污泥、粉煤灰、木屑總比例占25.0%);同時參考文獻[17]以煤礦區(qū)生活污泥、煤矸石、粉煤灰為原料,按照不同的配比添加至土壤中進行盆栽實驗的優(yōu)選方案(污泥、粉煤灰、煤矸石與土壤質量配比為5%∶20%∶15%∶60%),對本研究白云巖砂添加量控制在10%～30%。通過野外調查后選擇多年開采廢棄的露天堆放煤矸石堆場較平緩的地段設置小區(qū)試驗,野外小區(qū)試驗設4個處理,即分別在深度為20 cm煤矸石中添加0、40和60 kg/m2白云巖砂(用量比例分別為0、10%、20%和30%),基質混合均勻后種植黑麥草,每小區(qū)面積為10 m2(5 m×2 m),小區(qū)之間用薄層水泥板隔離。每小區(qū)處理設置3次重復。同時,采集該堆場表層煤矸石 (0～30 cm) 混合樣品帶回實驗室,經(jīng)自然風干、破碎、并研磨過篩5 mm篩,供實驗分析及盆栽試驗用。

盆栽試驗設4個處理,每盆缽中裝入5 kg煤矸石和不同用量的白云巖砂,即白云巖砂的用量比例分別為0、10%、20%和30%;每個處理重復3次。盆栽試驗及野外堆場小區(qū)試驗于2019年4月上旬—8月下旬進行,試驗種植植物為多年生黑麥草,供試黑麥草經(jīng)催芽后播種,播種90 d后收割。

1.2 測定指標與方法

1)黑麥草生長指標。植物主要測定株高、生物量及植株N、P、K和葉綠素質量分數(shù)。栽培90 d后,用大剪刀刈割地上部分,剪下的草用電子天平稱取鮮質量,烘干后測定干質量并粉碎為植物樣品。植株N、P和K質量分數(shù)采用常規(guī)方法測定,葉綠素質量分數(shù)采用95%乙醇提取,分別于波長470、649和665 nm下測定吸光度并計算光合色素的質量分數(shù)。

2)煤矸石有效態(tài)重金屬。在第90 d測定黑麥草地上生物量后,對堆場試驗小區(qū)、盆栽缽的表層煤矸石基質(0～20 cm)進行混合樣品采集,采樣后的煤矸石經(jīng)自然風干、破碎、并研磨過60目篩供測試分析用。pH采用酸度計法(固液比1∶2.5)測定。煤矸石樣品有效態(tài)重金屬質量分數(shù)的測定采用 0.1 mol/L 的HCl為浸提劑,按固液比1∶5進行浸提,振蕩1.5 h,離心、過濾,采用火焰-原子吸收分光光度計(Fe、Mn、Cu和Zn)和電感耦合等離子體質譜儀(Cd、Cr和Pb)對濾液重金屬元素含進行測定。

3)盆栽條件下煤矸石滲透水。在盆栽塑料桶底部設置煤矸石基質滲透水收集裝置,根據(jù)自然降雨情況,隔4周左右收集1次滲透水樣品,在6—8月共采集3次滲透水樣品。每次量取150 mL的滲透水用0.45 μm濾膜過濾,采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定水樣中Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、Cd和Pb的質量濃度。

實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用DPS軟件進行方差分析(LSD多重比較)。

2 結果與分析

2.1 對黑麥草生長及養(yǎng)分吸收的影響

從表2看出,在未添加白云巖砂的煤矸石基質上黑麥草生長受到一定影響,利用白云巖砂改良煤矸石基質能明顯地促進黑麥草生長。在添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質上,盆栽試驗、野外堆場試驗的黑麥草平均株高分別比未添加白云巖砂的對照處理提高43.61%～92.48%、16.88%～53.90%,而黑麥草地上部分生物量則分別比對照處理增加1.77～7.32倍、0.66～2.36倍。多重比較結果表明:無論是盆栽條件還是野外堆場條件,在煤矸石添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草株高、地上部分生物量均與未添加白云巖砂處理之間存在顯著性的差異。

表2 不同白云巖砂處理下黑麥草的株高、生物量、葉綠素和氮、磷、鉀的質量分數(shù)

從黑麥草植株中N、P和K質量分數(shù)變化來看,盆栽條件下添加10%～30%白云巖砂處理黑麥草葉片中N、P和K的平均質量分數(shù)分別比不添加白云巖砂的對照處理增加30.53%～185.67%、90.38%～353.85%和32.98%～188.17%。在野外堆場條件下添加10%～30%白云巖砂處理黑麥草葉片中N、P和K的平均質量分數(shù)分別比不添加白云巖砂的對照處理增加89.87%～134.99%、83.84%～151.52%和66.95%～157.26%。多重比較結果表明:無論是盆栽條件還是野外堆場條件,在煤矸石添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草葉片中N和P質量分數(shù)均與未添加白云巖砂處理之間存在顯著性的差異,當白云巖砂添加量達20%～30%時,黑麥草葉片中K質量分數(shù)才與未添加白云巖砂處理存在顯著性的差別。經(jīng)表2計算表明,盆栽條件下煤矸石添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草地上部吸收N、P和K的量比對照處理平均增加1.92、2.91和2.13倍;野外堆場條件下煤矸石中添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草地上部吸收N、P和K的量比對照處理平均增加2.09、2.23和2.03倍。說明添加白云巖砂可以明顯提高黑麥草對N、P和K的吸收量,綜合其作用的大小順序是P>N>K。

此外,從表2也看出,在盆栽條件和野外堆場條件下,添加10%、20%和30%白云巖砂改良煤矸石基質上黑麥草葉片中葉綠素質量分數(shù)分別比未添加白云巖砂的對照處理增加37.30%～46.09%、92.86%～99.13%和128.57%～164.35%,添加白云巖砂的煤矸石基質處理上黑麥草葉片中葉綠素質量分數(shù)均顯著地高于對照處理,而且在白云巖砂添加量為10%、20%和30%的煤矸石基質處理之間黑麥草葉綠素質量分數(shù)也出現(xiàn)顯著的差別。可見,添加白云巖砂改良煤矸石基質能顯著改善黑麥草生長狀況,促進黑麥草對養(yǎng)分的吸收,提高黑麥草產(chǎn)量及質量。

2.2 對有效態(tài)重金屬質量分數(shù)的影響

從表1看出,煤矸石中除Cd外,Cr、Cu、Zn和Pb質量分數(shù)低于農用地土壤環(huán)境質量標準(GB 5618—2018《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》)中篩選值,而白云巖砂中Cd、Cr、Cu、Zn和Pb質量分數(shù)遠低于煤矸石,在煤矸石中添加白云巖砂時,關注煤矸石基質有效態(tài)重金屬質量分數(shù)的變化更有意義。從表3看出,盆栽條件下添加10%、20%和30%白云巖砂的煤矸石基質中有效態(tài)Mn、Zn和Cd質量分數(shù)均出現(xiàn)顯著性降低,其有效態(tài)Mn質量分數(shù)分別比不添加白云巖砂的對照降低44.64%、77.76%和83.44%,有效態(tài)Zn質量分數(shù)比對照減少41.09%、52.02%和66.03%;而有效態(tài)Cd質量分數(shù)比對照降低36.92%、41.54%和70.77%;但是,白云巖砂添加量達20%、30%時,煤矸石有效態(tài)Fe質量分數(shù)才出現(xiàn)顯著性降低,其比對照分別減少19.59%、27.76%。在野外堆場條件下也看出(表3),添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質中Mn、Zn和Cd質量分數(shù)出現(xiàn)顯著性降低,其中有效態(tài)Mn質量分數(shù)分別比不添加白云巖砂的對照降低21.45%、48.94%和67.20%,有效態(tài)Zn質量分數(shù)比對照減少24.01%、45.92%和57.34%;而有效態(tài)Cd質量分數(shù)比對照降低16.00%、37.33%和58.67%;煤矸石添加20%～30%白云巖砂時,有效態(tài)Fe質量分數(shù)才出現(xiàn)明顯的下降,其比對照分別減少12.19%、25.95%。然而,無論是盆栽條件還是堆場條件,添加30%白云巖砂的煤矸石基質有效態(tài)Cu和Cr質量分數(shù)才出現(xiàn)較明顯的降低,利用白云巖砂改良煤矸石基質對有效態(tài)Pb質量分數(shù)變化沒有明顯的影響。可見,添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質中有效態(tài)Mn、Zn和Cd質量分數(shù)出現(xiàn)顯著性降低,而添加20%～30%白云巖砂的煤矸石基質中有效態(tài)Fe質量分數(shù)才出現(xiàn)顯著地下降。這種作用效果與煤矸石基質添加20%～30%白云巖砂后,煤矸石基質pH值顯著大于對照的煤矸石基質有密切的關聯(lián)性(表3)。

表3 白云巖砂改良煤矸石基質中有效性重金屬質量分數(shù)的變化

2.3 對煤矸石基質重金屬淋溶的影響

從盆栽條件下煤矸石基質滲透水中Fe、Mn、Cr、Cu、Zn、Cd和Pb質量濃度變化可看出(表4),煤矸石添加10%～30%的白云巖砂改良基質滲透水中重金屬質量濃度出現(xiàn)不同程度降低,添加10%～30%的白云巖砂改良煤矸石基質中Fe和Mn質量濃度出現(xiàn)顯著性降低,煤矸石基質滲透水中Fe的平均質量濃度比對照降低17.88%～94.81%,而Mn的平均質量濃度比對照減少32.40%～93.67%;其次是煤矸石基質滲透水中Cd、Zn質量濃度也出現(xiàn)顯著性下降,Cd質量濃度比對照減少38.46%～81.48%,Zn的平均質量濃度比對照分別減少3.34%～92.65%。添加20%～30%白云巖砂改良基質滲透水中Cu質量濃度出現(xiàn)顯著性下降,Cu的平均質量濃度比對照降低21.31%～63.75%;添加30%白云巖處理煤矸石基質滲透水中Pb質量濃度才出現(xiàn)顯著性降低,Pb的平均質量濃度比對照減少56.72%～76.42%;但利用白云巖砂改良煤矸石基質對滲透水中Cr質量濃度沒有明顯的影響。

表4 白云巖砂改良煤矸石基質滲透水中重金屬質量濃度的變化

通過對各處理3組重復的3次全部采樣數(shù)據(jù)與GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值進行對比分析,白云巖砂改良煤矸石基質滲透水中Fe和Mn質量濃度變化范圍分別為0.061～2.463和0.018～1.275 mg/L,部分樣品超過集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值。但是,在黑麥草生長旺盛期(7—8月),添加20%～30%的白云巖砂改良煤矸石基質滲透水中Fe質量濃度范圍是0.061～0.399 mg/L,添加30%的白云巖砂改良煤矸石基質滲透水中Mn質量濃度為0.018～0.076 mg/L,未超過集中式生活飲用水地表地補充項目標準限值,特別是黑麥草成熟期(8月),白云巖砂改良煤矸石基質滲透水中Fe、Mn質量濃度變化范圍分別為 0.061～0.498和0.018～0.099 mg/L。此外,煤矸石基質滲透水中Zn、Cr、Cu、Cd和Pb質量濃度均未超過集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值。

3 討論

3.1 加入白云巖砂后煤矸石基質中重金屬的有效性降低和淋溶遷移減少

3.2 白云巖砂改良煤矸石后黑麥草生長量增加以及利于減少煤矸石污染物遷移的生態(tài)風險

白云巖砂含有較多的礦質養(yǎng)分,K和P質量分數(shù)分別為8 500和130.2 mg/kg,在白云巖砂改良煤矸石基質上黑麥草地上部的生長量顯著增加,利用白云巖砂改良煤矸石基質促進了黑麥草的生長,有利于減少煤矸石中污染物遷移的生態(tài)風險。劉方等[13]通過對貴州省中部廢棄煤礦區(qū)不同植被條件下煤矸石堆場地表徑流進行采樣分析,植被自然恢復能顯著地減少煤矸石堆場Fe和Mn向水體的遷移及改善廢棄煤礦區(qū)地表水環(huán)境質量,植物生長對減少煤矸石中Fe向水體遷移產(chǎn)生的環(huán)境效應大于Mn。說明植物生長過程中通過植株吸收煤矸石基質的Fe和Mn,可以明顯減少煤矸石中Fe和Mn的淋溶遷移。此外,植物根系對重金屬也具有攔截、過濾作用,植物生長后堆場基質表面抗沖和抗蝕能力增強,根系對煤矸石堆場Fe、Mn的淋溶遷移也有較大的調控作用。近期較多研究表明,在煤矸石山人工構建以植物為主的生態(tài)系統(tǒng),利用植物改良和保持煤矸石及其風化物,達到吸附有害物質,減少地表侵蝕與沖刷,改善煤矸石山的生態(tài)環(huán)境及周邊水環(huán)境的質量,從而減少煤矸石污染物遷移的生態(tài)風險[8-11]。因此,植物不僅通過吸收作用而固定煤矸石中Fe和Mn,而且可以通過根系及覆蓋作用,改變煤矸石基質的含水量及氧化還原環(huán)境,減少煤矸石中Fe、Mn淋溶遷移對水環(huán)境的影響[19]。然而,本研究僅對煤矸石添加白云巖砂基質種植黑麥草后重金屬有效性及其淋溶效應進行了研究,缺乏對改良基質的物理結構如密度、孔隙度、田間持水量等和肥力狀況如有機質、養(yǎng)分指標,以及植物根際效應等方面開展系統(tǒng)性研究,這方面還需要進行深入的探討,才能綜合評價白云巖砂改良煤矸石基質的生態(tài)效應。

4 結論

1) 利用白云巖砂改良煤矸石基質能提高黑麥草的生物量,在添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質上黑麥草株高、地上部生物量以及葉片N和P質量分數(shù)、葉綠素質量分數(shù)均出現(xiàn)顯著性增加,并隨著白云巖砂添加量的加大而提高。

2) 白云巖砂改良的煤矸石基質中重金屬的有效性出現(xiàn)不同程度的下降,在添加20%～30%白云巖砂的煤矸石基質中有效態(tài)Fe、Mn、Zn和Cd質量分數(shù)均出現(xiàn)顯著性下降,白云巖砂施用比例達30%時,煤矸石基質有效態(tài)Cu和Cr質量分數(shù)才出現(xiàn)較明顯的降低。

3) 白云巖砂改良煤矸石基質后重金屬元素的淋溶遷移量出現(xiàn)明顯的減少,在添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質滲透水中Fe、Mn、Cd和Zn質量濃度出現(xiàn)顯著性下降,當白云巖砂添加量達30%時煤矸石基質滲透水中Cu和Pb質量濃度出現(xiàn)顯著性降低,特別是煤矸石基質Fe和Mn淋溶遷移量的明顯減少,有利于改善煤礦區(qū)水環(huán)境質量。