陜北礦區沙土及高羊茅對煤氣化渣堆肥基質的響應研究

摘 要：為了探究陜北礦區沙土及高羊茅對煤氣化渣堆肥基質的響應機理，本試驗將煤氣化渣和雞糞好氧堆肥基質作為土壤調理劑，分析不同堆肥配比對土壤理化性質、土壤微生物群落結構及高羊茅生長的影響，旨在為礦區生態修復提供理論依據。試驗結果表明：配施煤氣化渣堆肥基質可有效調節沙土pH，提升土壤養分，與沙土對照相比，PM2-M（雞糞+秸稈+10%煤氣化渣）處理組有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀分別提升了101.49%、92.94%、188.53%、132.55%。配施煤氣化渣堆肥基質可顯著提高細菌群落的多樣性，PM2-M處理組假單胞菌屬、Devosia屬、芽孢桿菌屬相對豐度分別提高了35.8倍、1.56倍、9.47倍，可積極推動土壤中養分的轉化效率，且pH值、有機質、堿解氮是影響細菌群落改變的主要因素。煤氣化渣堆肥基質對礦區土壤改良效果較好，其中PM2-M處理組效果最佳，提升了土壤養分、微生物群落多樣性，促進了高羊茅生長。

關鍵詞：煤氣化渣；堆肥；生態修復；微生物群落

中圖分類號：X705" 文獻標識碼：A" 文章編號：0488-5368（2024）10-0076-07

收稿日期：2023-12-08 修回日期：2024-01-04

基金項目：陜西省教育廳重點科學研究計劃項目煤氣化渣生物土壤改良劑研發與應用（21JS044）；陜西省科技廳陜西省創新能力支撐計劃陜西省土壤改良劑技術集成和中試共享服務平臺（2022PT-13）。

第一作者簡介：張 鑫（1991-）男，碩士研究生，研究方向為礦區生態修復與固廢資源化利用。

通信作者：張凱煜。

Response of Physical and Chemical Properties of Festuca arundinacea "and Sandy Soil in Northern Shaanxi Mining Area to Coal Gasification "Residue Compost Substrate

ZHANG Xin1， KANG Furen1， ZHANG Kaiyu1， TIAN Qiaoyan2， LIU Yongbing3， ZHANG Yan3

（1. School of Life Sciences， Yulin University， Yulin，Shaanxi 719000， China;

2. Key Laboratory of Ecological Restoration of Shaanbei Mining Area，Yulin， Shaanxi 719000， China;

3. Yulin Rural Revitalization Planning and Development Guidance Center， Yulin， Shaanxi 719000，China）

Abstract： In order to explore the response mechanism of sandy soil and 'Festuca arundinacea' to coal gasification residue compost substrate in the northern Shaanxi mining area， coal gasification residue and chicken manure aerobic compost substrate were used as soil conditioners to analyze the effects of different compost ratios on soil physical and chemical properties， soil microbial community structure， and 'Festuca arundinacea' growth." This study aims to provide a theoretical basis for the ecological restoration of mining areas. The results showed that the coal gasification residue compost substrate was able to effectively adjust the pH of sandy soil and improve soil nutrient content. Compared with the sandy soil control， the organic matter， alkali-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus， and available potassium in the PM2-M （a treatment group consisting of chicken manure， straw， and 10% coal gasification residue） increased by 101.49%， 92.94%， 188.53%， and 132.55%， respectively.The coal gasification residue compost substrate significantly improved the diversity of the bacterial community， with the relative abundance of Pseudomonas， Devosia， and Bacillus in the PM2-M treatment group increasing by 35.8 times， 1.56 times， and 9.47 times， respectively. These bacteria actively promoted the nutrient conversion efficiency in the soil. pH， organic matter， and alkali-hydrolyzable nitrogen were the main factors affecting the changes in the bacterial community. The coal gasification residue compost substrate showed promising effects on soil improvement in the mining area， with the PM2-M treatment group yielding the best results， improving soil nutrients， microbial community diversity， and promoting the growth of Festuca arundinacea.

Key words： Coal gasification residue; Compost; Ecological restoration; Microbial community

榆林礦產資源豐富，地處黃土高原與毛烏素沙漠過渡地帶，礦區土壤多為沙壤土，隨著礦產資源開發，土壤沙化程度愈加嚴重。土壤沙化不僅會導致土地生產能力下降甚至全部喪失，而且會降低土壤中水分、養分、肥力的含量，從而直接制約了植物的生長和發育，這嚴重影響了礦區生態環境的健康發展。現急需找到一種有效改善礦區沙地土壤的方法，從根本上提升礦區生態環境可持續發展能力[1～3]。有研究表明，榆林在煤炭開采過程中造成的礦區土壤破壞面積已達5 460 km2[4]，但礦區生態修復目前主要靠自然恢復。我國礦區生態修復率為25%左右，榆林地區則更低，而發達國家已達50%～70%[5]。煤氣化渣是榆林地區典型的煤基固廢之一，煤氣化渣累積量現已達1 600萬t，并仍以每年500萬t的產量持續增加，而我國煤氣化渣綜合利用率僅為8.12%[6]，由于煤氣化渣存在利用率低、成本高、規模化效應差等不足，堆存和填埋仍然是煤氣化渣的主要處置方式[7]。煤氣化渣當下的處置方式不僅會增加運輸成本，還會造成侵占土地、污染土壤、水體以及產生揚塵污染等環境問題與安全隱患[8]。在節能減排、雙碳目標的新時代背景下，煤氣化渣的綜合利用和礦區生態環境修復都迫在眉睫。

本研究通過盆栽試驗，將不同配比的煤氣化渣與雞糞進行好氧堆肥配施于礦區土壤中，以高羊茅為指標作物，研究土壤理化性質、微生物群落結構變化，以期利用固廢改善礦區脆弱生態環境下植物的生長環境，進而提高植物品質，達到固廢綜合利用與生態修復共贏的目的，為煤基固廢的綜合利用和荒漠化土壤的改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗地位于榆林學院陜北礦區生態修復重點實驗室。試驗材料玉米秸稈、雞糞、煤氣化渣、高羊茅種子均外購。盆栽試驗土壤為礦區沙壤土。試驗地位于榆林學院陜北礦區生態修復重點實驗室。本試驗供試煤氣化渣重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg含量分別為33.58 mg/kg、94.29 mg/kg、50.26 mg/kg、0.35 mg/kg、31.48 mg/kg、18.89 mg/kg、15.86 mg/kg、0.07" mg/kg，均低于土壤環境質量標準限值要求。盆栽試驗土壤取自榆林市農業科技示范園，pH為8.24、有機質含量4.16g/kg、堿解氮含量為6.18 mg/kg、有效磷含量為2.78 mg/kg、速效鉀含量為37.66 mg/kg。

試驗材料：玉米秸稈、雞糞、燒杯、量筒、試驗花盆內、外、底部直徑分別為29 cm、34 cm、19 cm，盆高為23 cm。

供試植物：高羊茅（Festuca arundinacea），為多年生草本植物，屬禾本科亞屬。所選的紅寶石（Roby）是一款配比型品種，葉片細長、生長密度大，根系十分發達，具有耐土壤貧瘠、低水肥需求以及耐寒等特性，同時具有超強的抗逆性和抗病性，在生態環境惡劣地區也可穩定生長。

1.2 試驗設計

本研究以煤氣化渣和雞糞好氧堆肥基質為肥料，將堆肥基質與沙土按照1∶4的質量比進行配比，設計了5個處理（表1），試驗時間為2021年7月23日～11月28日，種子播撒深度為2 cm，播種后定時澆水，每個處理3個重復，共種植15盆。收獲高羊茅后，從每盆中隨機選取10株植株取樣。本研究以煤氣化渣和雞糞堆肥基質為肥料，將堆肥基質與沙土按照1∶4的質量比進行配比，具體見表1。

1.3 測定項目與方法

植物樣品：株高（標尺法）、生物量（樣方法）。土壤理化指標：pH（pH計）、有機質（重鉻酸鉀外加熱法）、堿解氮（堿解擴散法測定）、有效磷（NaHCO-3浸提一鉬銻抗比色法）、速效鉀（火焰光度法測定）、重金屬使用AA-7000原子吸收分光光度計測得土壤中銅、鋅、鉛、鎘全量、使用島津等離子發射光譜儀（ICPE-9820）測定土壤中銅、鋅、鉛、鎘有效態含量。微生物測定采用16SrRNA高通量測序法。

1.4 數據分析

采用IBM SPSS Statistics 23對數據進行單因素ANOVA以及相關性分析，在%P%＜0.05下進行顯著性檢驗，圖表分析繪制用origin2020和Canoco 4.5。

2 結果與分析

2.1 煤氣化渣堆肥基質對土壤理化性質的影響

煤氣化渣堆肥基質對土壤理化性質的影響見圖1。

由圖1a可知，所有處理組土壤中有機質含量均高于沙土對照組PSCK-M。配施煤氣化渣堆肥基質的3個處理組中PM2-M有機質含量最高，提高率為38.80%～101.49%。從圖1b、1c可以看出，配施煤氣化渣堆肥基質處理組的土壤中堿解氮含量和有效磷分別提高了54.73%～92.94%和146.18%～188.53%，隨著煤氣化渣添加比例增大，土壤堿解氮和有效磷含量均呈現先增大后減小的趨勢。從圖1d可知，配施煤氣化渣堆肥基質能顯著提高土壤速效鉀含量，提升幅度為90.52%～132.55%，其中PM2-M處理組效果最佳。圖1e可知，土壤pH值總體基本維持在8左右，呈現堿性，不同煤氣化渣堆肥基質處理下土壤pH具有顯著差異（%p%＜0.05）。通過比較種植前后土壤pH數據可知，PM2-M處理組中pH值降幅最大，降低了10.86%。

圖1a顯示，所有處理組土壤中有機質含量均高于沙土對照組PSCK-M。配施煤氣化渣堆肥基質的3個處理組中PM2-M有機質含量最高，提高率為38.80%～101.49%。從圖1b、1c可以看出，配施煤氣化渣堆肥基質處理組的土壤中堿解氮含量和有效磷分別提高了54.73%～92.94%和146.18%～188.53%，隨著煤氣化渣添加比例增大，土壤堿解氮和有效磷含量均呈現先增大后減小的趨勢。從圖1d可知，配施煤氣化渣堆肥基質能顯著提高土壤速效鉀含量，提升幅度為90.52%～132.55%，其中PM2-M處理組效果最佳。圖1e可知，土壤pH值總體基本維持在8左右，呈現堿性，不同煤氣化渣堆肥基質處理下土壤pH具有顯著差異（%p%＜0.05）。通過比較種植前后土壤pH數據可知，PM2-M處理組中pH值降幅最大，降低了10.86%。

2.2 煤氣化渣堆肥基質對土壤微生物群落結構的影響

本試驗采用RDP classifier貝葉斯算法對測序所得OTU代表序列進行分類學分析，樣本所得271 695個序列分屬于36門、98綱、235目、330科、530屬、381種。不同處理下土壤樣品中共檢測到36個細菌門類，按照相對豐度排序，排名前十名的細菌門類及其對應相對豐度值分別是：變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、芽單胞菌門、厚壁菌門、綠彎菌門、酸桿菌門、粘球菌門、副桿菌門、疣微菌門。本研究著重對屬水平下微生物群落結構變化分析，結果見圖2。配施煤氣化渣堆肥基質處理組與沙土對照相比，土壤中鞘脂單胞菌屬、溶桿菌屬、假節桿菌屬相對豐度均下降，而Chryseolinea、熱裂藻屬、黃單胞菌屬、芽孢桿菌屬、熱桿菌屬、溶桿菌屬、假單胞菌屬相對豐度均上升。根據測序數據，配施煤氣化渣堆肥基質對假單胞菌屬相對豐度顯著提高了19.8～35.8倍，對Devosia屬和芽孢桿菌屬相對豐度分別提高了0.73～1.56倍和6.67～9.47倍。

2.3 煤氣化渣堆肥基質對高羊茅生長的影響

不同煤氣化渣堆肥基質處理下高羊茅株高和生物量見圖3。可知，配施煤氣化渣堆肥基質的各處理組中高羊茅的株高明顯高于沙土對照PSCK-M（%p%＜0.05），其中株高最高的是PM2-M處理組59.67cm，最低的是沙土對照48.45 cm。從圖3可知，配施煤氣化渣堆肥基質的三個處理中，高羊茅生物量隨著煤氣化渣比例的增加先增大后減小。與沙土對照相比，配施煤氣化渣堆肥基質使得高羊茅株高提高了14.36%～23.16%，生物量提高了76.68%～138.98%。此外，配施煤氣化渣堆肥基質的三個處理組的株高都高于堆肥對照組PCK-M和沙土對照組PSCK-M。PM2-M處理下高羊茅生物量為7.48 g/10株，而沙土對照組中高羊茅生物量為3.13 g/10株，增長率為138.98%。不同煤氣化渣堆肥基質處理下高羊茅株高和生物量見圖。可知，配施煤氣化渣堆肥基質的各處理組中高羊茅的株高明顯高于沙土對照PSCK-M（%p%＜0.05），其中株高最高的是PM2-M處理組59.67 cm，最低的是沙土對照48.45 cm。從圖3b可知，配施煤氣化渣堆肥基質的三個處理中，高羊茅生物量隨著煤氣化渣比例的增加先增大后減小。與沙土對照相比，配施煤氣化渣堆肥基質使得高羊茅株高提高了14.36%～23.16%，生物量提高了76.68%～138.98%。此外，配施煤氣化渣堆肥基質的三個處理組的株高都高于堆肥對照組PCK-M和沙土對照組PSCK-M。PM2-M處理下高羊茅生物量為7.48 g/10株，而沙土對照組中高羊茅生物量為3.13 g/10株，增長率為138.98%。

2.4 微生物群落與環境因子的相關性分析

為進一步明確細菌群落與環境因子相互影響關系，選取門水平下前10細菌群落相對豐度數據與環境因子進行RDA分析（圖4），包括pH、有機質（OM）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）。

由圖4可知，煤氣化渣堆肥基質處理下細菌群落與土壤理化性質相關，選取的5個環境因子一共解釋了87.1%的細菌群落變化，其中RDA1軸解釋了78.2%，RDA2軸解釋了8.9%。對環境因子進行排序，發現pH、有機質、堿解氮是影響細菌群落形成的主要因素。

從圖4可以看出，PSCK-M處理處于第四象限，距離其它4個處理樣本距離較遠，沙土對照與其他處理組細菌群落結構差異較大，說明煤氣化渣的添加影響了細菌群落結構。PM1-M處理中細菌群落主要與AP、OM有關，處理PM2-M、PM3-M中細菌群落形成主要與AN、AK有關。門水平下排名前4的細菌群落均處于第三象限中，變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteriota）、擬桿菌門（Bacteroidota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）與堿解氮、速效鉀顯著相關（%p%＜0.05），這是由于細菌群落結構組成中這些細菌群落可有效促進氮素循環及養分轉化。有機質是土壤養分的主要來源，特別是土壤中氮素、磷素的重要供給方。從圖中也可以看出有機質與AN、AP顯著正相關，煤氣化渣堆肥基質原料中煤氣化渣和雞糞有機質含量均較高，好氧堆肥后基質富含有機質，對土壤養分有極大的提升作用，從而影響土壤中AN、AP含量，這一研究結果也與其他學者的研究成果相一致[9]。

3 討論

3.1 煤氣化渣堆肥基質對土壤理化性質的影響

土壤理化性質的改善是土壤改良的直接指示指標。煤氣化渣堆肥基質有助于中和土壤酸堿度，可提高土壤中養分含量，同時提高土壤中有機物的穩定性，是有效配施物料，這一研究結果與其他學者研究煤基固廢改良土壤的研究結果符合[9，10]。煤氣化渣的pH值較土壤低，隨著施用量的增加，其所中和的土壤表面負電荷越多，混合體系的pH值會越低[11]。Adhikari S研究發現，磷的有效性與土壤pH成反比，隨著pH值的升高土壤中磷素的有效性反而降低[12]，本次試驗也證實了配施煤氣化渣堆肥基質顯著降低土壤pH值，減弱了磷的固定作用，提高了土壤中磷酸鹽的轉化和植物的吸收利用率，Xu[13]、Born[14]等人再其他土壤改良試驗中也得出了相似結論。同時，煤氣化渣堆肥基質中煤氣化渣的多孔吸附特性對磷素有一定的吸持作用，可減弱磷素的溶解、流失，并在土壤中緩慢釋放磷素[15]，從而達到保肥效果，煤氣化渣通過影響微生物的活動增加了土壤中可被植物吸收利用的磷素比例也是可能因素之一[16]。此外，煤氣化渣基質中鉀素含量較高，對土壤中鉀素含量提升和提高速效鉀含量有直接作用，同時煤氣化渣多孔結構也有助于微生物的生長和酶活性的提高，促進了土壤中鉀素的轉化和利用。孫騰飛等[17]研究發現，煤基復混肥與同等施肥水平的化肥相比，煤基復混肥對土壤的有機質、全氮、全磷、全鉀有顯著的促進作用一致。

3.2 煤氣化渣堆肥基質對土壤微生物群落結構的影響

煤氣化渣的添加促進了假單胞菌屬、Devosia屬和芽孢桿菌屬的生長。假單胞菌屬可以將土壤中的鉀素轉化為可利用形式[18]，而Devosia屬則參與土壤氮素循環[19]。芽孢桿菌屬則對極端環境具有極強的抵抗力和耐受力[20，21]。煤氣化渣堆肥基質的配施顯著提高了這些有益菌的相對豐度，對土壤中微生物的抗性和對污染物降解能力的提升都具有積極作用。但煤氣化渣添加的比例超過一定閾值時會產生抑制作用，本研究中，煤氣化渣添加量為20%時最利于屬水平下有益菌的生長。

3.3 煤氣化渣堆肥基質對高羊茅生長的影響

本試驗結果表明配施煤氣化渣堆肥基質有利于高羊茅株高提高和生物量的積累。煤氣化渣堆肥基質本身富含有機碳、N、P、K等營養元素，加之其特有的磁性礦物水解反應和多孔均質結構，可以有效提高土壤的養分含量和有益菌的活性，從而提高植物株高和生物量的累積[9，22]。植物在生長過程中光合作用大于呼吸作用時，有利于營養物質的積累，本試驗中配施煤氣化渣堆肥基質處理組中高羊茅的生物量隨著煤氣化渣的添加比例先增大后減少，說明配施適量煤氣化渣堆肥基質可以促進高羊茅生長過程中的光合作用和呼吸作用，但施加量過大時則不利于植物的生長，故而要注意煤氣化渣的添加比例，這一研究結論也與楊猛[23]的研究結果相似。

4 結論

配施煤氣化渣堆肥基質可有效調節土壤pH，提升土壤肥力，顯著提高土壤中細菌群落的豐富度和多樣性指數，pH、有機質、堿解氮是菌群落結構發生變化的主要驅動因素，煤氣化渣添加量為20%（PM2-M處理組）的堆肥基質復配最佳。配施煤氣化渣堆肥基質可顯著提高高羊茅的株高和生物量，配施煤氣化渣添加量為20%（PM2-M處理組）的堆肥基質更加適合高羊茅的生長和發育。

綜上所述，煤氣化渣和雞糞好氧堆肥基質可有效改良土壤性質，提升土壤肥力，增加土壤微生物群落結構多樣性，促進高羊茅生長，添加煤氣化渣的三個處理組中PM2-M處理（添加20%煤氣化渣堆肥基質）效果最佳。下一步可考慮將該基質推廣在野外試驗，研究其對高羊茅生長發育過程及返青、越冬情況的影響，也可通過添加微生物菌劑、表面活性劑進一步研究，最終達到固廢綜合利用與生態修復共贏的目的，為礦區生態修復提供更多理論依據。

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