山西潞安礦區矸石風化物基質改良研究

張婷婷，吳祥云，孫允聰，李廣芬

（遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧阜新 123000）

煤炭的開采和利用引發了一系列的生態環境問題，煤礦區已經成為典型的嚴重受損生態系統[1]。礦山開采極大地改變了原生景觀生態系統，導致礦區生態退化與環境污染。其主要表現為地表景觀破壞、誘發地質災害、水文干擾與水質污染、大氣污染與微氣候擾動、土地資源破壞與占用、土壤退化與污染、水土流失加劇、生物多樣性損失等，影響最深刻的是礦區的土壤環境[2]。土壤是生態系統的基質與生物多樣性的載體，是礦區土地恢復與生態重建的基礎，有研究表明，極端pH值、基質養分貧瘠和持水能力差等都是矸石廢棄地植被恢復的重要限制因素[3-5]。因此，要想成功地修復矸石山環境，必須首先解決土壤問題[6]。

針對矸石廢棄地基質改良，國內外已經展開了一系列研究。通過施用化學物質、表土覆蓋[7-8]、施用有機肥料[9-10]以及引入微生物[11]等方式進行改良，均取得了一定效果。但是由于土源缺乏、投資過大、技術難度較高等原因，造成這些方式的推廣、使用受限。

本研究選擇利用農田耕層黃土和有機肥作為基質改良的添加劑，可以合理改善基質理化性質，有效降低改良成本，提高植被恢復速度，為當地帶來經濟和生態效益，具有廣闊的應用前景。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區域概況

以山西省長治市潞安煤礦矸石山為研究對象。潞安礦區位于山西省東南部，太行山中段西側、長治盆地西部，地理坐標東經112°32′53″～113°16′35″，北緯 35°50′9″～36°33′49″，南北平均長約65km，東西平均寬約60km，總面積4 015 km2。從地形地貌上來說，潞安礦區東南部和西南部地形多為低山、丘陵，中東部為河谷、平原。潞安礦區地處內陸，氣候屬暖溫帶半濕潤區，為暖溫帶大陸性氣候；年平均氣溫8～9℃，年平均蒸發量為1 731.84 mm，年平均降雨量583.9 mm（夏季占50%～60%）。潞安礦區的主風向為西北風，最大風速為14～16 m/s。潞安礦區土壤主要有棕壤、褐土、草甸土和水稻土4個種類，有機質含量在0.7%～1.6%之間。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 基質改良盆栽試驗所用矸石風化物取自山西省潞安集團王莊煤礦北矸石山，農田耕層黃土、有機肥來源于礦區周邊農田和農田間堆砌放置的農家糞肥。將采集樣品帶回實驗室，進行通風陰干，研磨，按照不同比例混合配成基質改良劑，裝入容器內。

1.2.2 基質配比 以100%矸石表層風化物作為對照，將耕層黃土、有機肥和矸石風化物按設計比例（體積比例）混合成4種不同配比的基質改良方案。即A.100%矸石風化物（CK）；B.70%矸石風化物＋30%黃土；C.70%矸石風化物＋20%黃土＋10%有機肥；D.70%矸石風化物＋10%黃土＋20%有機肥；E.70%矸石風化物＋15%黃土＋15%有機肥。

1.2.3 盆栽試驗設計 將風干后的樣品按設計比例混合后裝盆。所選擇容器規格為：盆高11 cm、直徑8 cm的硬質塑料花盆，每個處理設10個重復，選取紫穗槐進行盆栽試驗，共有50盆。每盆按隨機方式在試驗場地放置。采用播種育苗方式種植，每盆播種5粒，苗木長出真葉后每盆定苗2株。

1.2.4 種子處理與苗期管理 對試驗所用種子進行選種、消毒、催芽及播種4步處理。播種后2周內每3 d澆水1次，使基質保持濕潤。苗木長出真葉后進行間苗，每個容器保留2株健壯苗，定苗后及時澆水，每7 d澆水1次，以保證幼苗根系與土壤的緊密結合。

1.2.5 數據處理 利用Excel 2003和SPSS 18.0數學分析軟件進行方差分析及多重比較。

2 結果與分析

2.1 基質改良對矸石風化物pH值的調節

土壤酸堿度是土壤重要的基本理化性質之一，是土壤形成過程和熟化培肥過程的一個指標。其對土壤中養分存在的形態和有效性，對土壤的理化性狀、微生物活動以及植物生長發育都有著很大的影響[12-14]。由于大多數植物所必需的營養元素的有效性與pH值有關，所以，土壤pH值又是估計植物所需營養元素相對有效性的指標。不同基質改良措施的pH值測定結果如表1所示。

表1 不同基質處理的pH值

從表1可以看出，矸石風化物基質pH值為6.23，為弱酸性，對植物的穩定生長有一定的抑制作用。pH值接近中性的黃土和偏堿性的有機肥的混合添加，有效地提高了矸石風化物的pH值，使改良基質的pH值基本都接近中性，有利于植物的穩定生長。

2.2 基質改良對矸石風化物養分狀況的影響

全效性養分測定結果（表2）表明，矸石風化物基質中全氮含量為0.072%，低于土壤養分分級標準的4級標準[12]（表3），缺乏；全磷含量為0.019%，低于養分分級的最低標準，極度缺乏；全鉀含量為1.94%，屬于土壤養分分級標準的3級正常標準。由于矸石風化物自身組成元素包括碳、氫、氧、硫、氮、磷、灰分等高分子化合物難以被植物直接利用，這會對測定結果造成干擾，因此，測定結果顯示的矸石風化物基質中的全量養分值并不一定代表其實際狀況。有機肥中所含有的全量養分元素基本上都處于土壤養分分級標準2級標準的全效性養分含量，含量豐富或極豐富且能夠直接被植物吸收利用；有機肥中含有的高全氮含量，添加后對矸石風化物基質中全量養分具有極強的補充作用。

改良后基質全效性養分含量普遍有所提高，全氮、全磷、全鉀含量平均值分別為0.108%，0.047%，2.175%，分別達到土壤養分分級的3級、5級和3級標準。全氮、全磷、全鉀含量的均值分別達到對照矸石風化物的1.50，2.47，1.12倍，最高值分別達到對照矸石風化物的1.96，2.95，1.42倍。基質B至基質E處理的全效性養分狀況改善效果明顯，與對照100%矸石風化物相比差異顯著。其中，基質E的養分含量改良效果最明顯。

速效性養分測定結果（表2）表明，按照土壤養分分級標準（表3），從速效性養分含量分析，矸石風化物中速效氮含量為8.96 mg/kg，遠低于最低標準（極度缺乏）；速效磷含量為3.22 mg/kg，屬于5級標準（嚴重缺乏）；速效鉀含量達到148.59 mg/kg，屬于2級標準（豐富）。速效氮和速效磷的嚴重缺乏對矸石風化物基質的植被生長造成影響。黃土和有機肥的速效氮含量分別達到矸石風化物的6.02，16.03倍，速效磷含量分別達到4.29，7.53倍，速效鉀含量也較高。添加有機肥后，養分改善效果極其顯著，改良后基質的速效氮、速效磷、速效鉀含量最高值分別為41.36，10.25，458.01 mg/kg，分別達到土壤養分分級標準的5級、3級和1級標準，速效氮、速效磷和速效鉀含量最高，分別達對照矸石風化物的4.62，3.18，3.08倍，與對照100%矸石風化物相比，差異顯著。改良劑的添加顯著改善了矸石風化物基質速效氮和速效磷嚴重缺乏的狀況，使速效性養分達到平衡狀態，有利于促進植物的生長。其中，基質D的養分含量改良效果最明顯。

表2 不同基質改良方式的養分變化狀況

表3 土壤養分含量分級標準[15]

2.3 基質改良措施對植物生長狀況的影響

本試驗測定了紫穗槐苗木幼苗期的生長指標：苗高、地徑、高徑比、冠幅、主根長、根幅、根冠比、葉綠素含量（表4）。

表4 不同基質處理的紫穗槐生長指標測定結果

每個處理的各個生長形態指標分別隨機抽取10個數據，用Excel 2003數學軟件進行了方差分析，其結果列于表5。

從表5可以看出，不同基質改良措施對紫穗槐苗木幼苗期的地徑、冠幅、主根長、葉綠素含量的影響差異達顯著水平，而對苗高、高徑比、根幅的影響差異不顯著。

表5 不同基質處理紫穗槐生長指標測定結果的方差分析

進一步對地徑、冠幅、主根長、葉綠素含量利用SPSS18.0數學分析軟件進行多重比較。

由表6可知，不同基質改良措施的紫穗槐苗木地徑由大到小的順序為基質B＞基質E＞基質D＞基質C＞基質A。其中，基質B，D，E顯著大于基質A和基質C；同時基質C又顯著大于基質A；基質E與基質B，D之間存在極顯著差異。

從表7可以看出，對于紫穗槐冠幅，基質E極顯著大于基質A，顯著大于基質D，同時基質D和基質A又顯著大于基質B，基質C顯著大于基質A?；|A與D之間差異不顯著，基質B，C和基質E兩兩之間差異不顯著。

表6 不同基質紫穗槐苗木地徑的多重比較（LSD法）

表7 不同基質紫穗槐苗木冠幅的多重比較（LSD法）

由表8可知，紫穗槐的主根長在不同基質改良措施中由大到小的順序為：基質E＞基質C＞基質D＞基質B＞基質A。通過多重比較得出，基質E，C，D和基質B均顯著大于基質A；基質E，C，D顯著大于基質B；同時基質E顯著大于基質D，C，但基質C和D之間沒有顯著性差異。

表8 不同基質紫穗槐苗木主根長的多重比較（LSD法）

從表9可以看出，不同基質處理紫穗槐苗木的葉綠素含量由大到小的順序為：基質E＞基質C＞基質B＞基質D＞基質A。多重比較的結果為：基質E極顯著大于基質A，顯著大于基質D，與其他基質間沒有顯著性差異。

表9 不同基質紫穗槐苗木葉綠素含量的多重比較（LSD法）

由以上分析可知，5種不同基質對紫穗槐苗木形態指標的影響表現為：地徑、冠幅、葉綠素含量均達到顯著差異水平，主根長則達到極顯著差異水平，而對于苗高、高徑比和根幅的影響不顯著。對于冠幅和葉綠素含量來說，基質E最好，這與基質E的速效氮含量相對偏高有一定的關系，因為氮元素是葉綠素形成和植物生長的必需元素。對于地徑來說，基質B的生長狀況最好，基質E的生長狀況次之，可能是由于基質B和E處理接受光照時間比較長，比較有利于植物在速生期的生物量增加迅速，有利于地徑的生長。對于紫穗槐的主根長，依然是基質E效果最好，主要由于基質E的各項指標均表現較好，有利于植物的生長。

綜合上述紫穗槐形態指標的分析結果，同時結合苗木生長期間的環境條件差異和一些人為因素的影響，不同基質改良措施對紫穗槐苗木形態指標的影響可以總結為，基質E處理最利于紫穗槐的生長，基質C處理的效果僅次于基質E，對照處理基質A苗木的生長狀況最不理想，而基質B和D改良措施對紫穗槐苗木形態指標的影響接近。

3 結論

將農田耕層黃土、有機肥和矸石風化物按設計比例配比進行矸石風化物基質改良，可改善矸石風化物基質的pH值、養分缺乏狀況，通過合理調整矸石風化物基質的養分結構，對植物的生長有不同程度促進作用。

基質C和E的綜合改良效果表現突出，但綜合分析認為，采用基質E（70%矸石風化物＋15%黃土＋15%有機肥）進行矸石山植被恢復更具有較廣泛的適用性，更有利于實際生產中應用，便于推廣和普及，能有效地促進矸石山植被的穩定生長。

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