山西潞安矿区矸石风化物基质改良研究

张婷婷，吴祥云，孙允聪，李广芬

（辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新 123000）

煤炭的开采和利用引发了一系列的生态环境问题，煤矿区已经成为典型的严重受损生态系统[1]。矿山开采极大地改变了原生景观生态系统，导致矿区生态退化与环境污染。其主要表现为地表景观破坏、诱发地质灾害、水文干扰与水质污染、大气污染与微气候扰动、土地资源破坏与占用、土壤退化与污染、水土流失加剧、生物多样性损失等，影响最深刻的是矿区的土壤环境[2]。土壤是生态系统的基质与生物多样性的载体，是矿区土地恢复与生态重建的基础，有研究表明，极端pH值、基质养分贫瘠和持水能力差等都是矸石废弃地植被恢复的重要限制因素[3-5]。因此，要想成功地修复矸石山环境，必须首先解决土壤问题[6]。

针对矸石废弃地基质改良，国内外已经展开了一系列研究。通过施用化学物质、表土覆盖[7-8]、施用有机肥料[9-10]以及引入微生物[11]等方式进行改良，均取得了一定效果。但是由于土源缺乏、投资过大、技术难度较高等原因，造成这些方式的推广、使用受限。

本研究选择利用农田耕层黄土和有机肥作为基质改良的添加剂，可以合理改善基质理化性质，有效降低改良成本，提高植被恢复速度，为当地带来经济和生态效益，具有广阔的应用前景。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域概况

以山西省长治市潞安煤矿矸石山为研究对象。潞安矿区位于山西省东南部，太行山中段西侧、长治盆地西部，地理坐标东经112°32′53″～113°16′35″，北纬 35°50′9″～36°33′49″，南北平均长约65km，东西平均宽约60km，总面积4 015 km2。从地形地貌上来说，潞安矿区东南部和西南部地形多为低山、丘陵，中东部为河谷、平原。潞安矿区地处内陆，气候属暖温带半湿润区，为暖温带大陆性气候；年平均气温8～9℃，年平均蒸发量为1 731.84 mm，年平均降雨量583.9 mm（夏季占50%～60%）。潞安矿区的主风向为西北风，最大风速为14～16 m/s。潞安矿区土壤主要有棕壤、褐土、草甸土和水稻土4个种类，有机质含量在0.7%～1.6%之间。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 基质改良盆栽试验所用矸石风化物取自山西省潞安集团王庄煤矿北矸石山，农田耕层黄土、有机肥来源于矿区周边农田和农田间堆砌放置的农家粪肥。将采集样品带回实验室，进行通风阴干，研磨，按照不同比例混合配成基质改良剂，装入容器内。

1.2.2 基质配比 以100%矸石表层风化物作为对照，将耕层黄土、有机肥和矸石风化物按设计比例（体积比例）混合成4种不同配比的基质改良方案。即A.100%矸石风化物（CK）；B.70%矸石风化物＋30%黄土；C.70%矸石风化物＋20%黄土＋10%有机肥；D.70%矸石风化物＋10%黄土＋20%有机肥；E.70%矸石风化物＋15%黄土＋15%有机肥。

1.2.3 盆栽试验设计 将风干后的样品按设计比例混合后装盆。所选择容器规格为：盆高11 cm、直径8 cm的硬质塑料花盆，每个处理设10个重复，选取紫穗槐进行盆栽试验，共有50盆。每盆按随机方式在试验场地放置。采用播种育苗方式种植，每盆播种5粒，苗木长出真叶后每盆定苗2株。

1.2.4 种子处理与苗期管理 对试验所用种子进行选种、消毒、催芽及播种4步处理。播种后2周内每3 d浇水1次，使基质保持湿润。苗木长出真叶后进行间苗，每个容器保留2株健壮苗，定苗后及时浇水，每7 d浇水1次，以保证幼苗根系与土壤的紧密结合。

1.2.5 数据处理 利用Excel 2003和SPSS 18.0数学分析软件进行方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 基质改良对矸石风化物pH值的调节

土壤酸碱度是土壤重要的基本理化性质之一，是土壤形成过程和熟化培肥过程的一个指标。其对土壤中养分存在的形态和有效性，对土壤的理化性状、微生物活动以及植物生长发育都有着很大的影响[12-14]。由于大多数植物所必需的营养元素的有效性与pH值有关，所以，土壤pH值又是估计植物所需营养元素相对有效性的指标。不同基质改良措施的pH值测定结果如表1所示。

表1 不同基质处理的pH值

从表1可以看出，矸石风化物基质pH值为6.23，为弱酸性，对植物的稳定生长有一定的抑制作用。pH值接近中性的黄土和偏碱性的有机肥的混合添加，有效地提高了矸石风化物的pH值，使改良基质的pH值基本都接近中性，有利于植物的稳定生长。

2.2 基质改良对矸石风化物养分状况的影响

全效性养分测定结果（表2）表明，矸石风化物基质中全氮含量为0.072%，低于土壤养分分级标准的4级标准[12]（表3），缺乏；全磷含量为0.019%，低于养分分级的最低标准，极度缺乏；全钾含量为1.94%，属于土壤养分分级标准的3级正常标准。由于矸石风化物自身组成元素包括碳、氢、氧、硫、氮、磷、灰分等高分子化合物难以被植物直接利用，这会对测定结果造成干扰，因此，测定结果显示的矸石风化物基质中的全量养分值并不一定代表其实际状况。有机肥中所含有的全量养分元素基本上都处于土壤养分分级标准2级标准的全效性养分含量，含量丰富或极丰富且能够直接被植物吸收利用；有机肥中含有的高全氮含量，添加后对矸石风化物基质中全量养分具有极强的补充作用。

改良后基质全效性养分含量普遍有所提高，全氮、全磷、全钾含量平均值分别为0.108%，0.047%，2.175%，分别达到土壤养分分级的3级、5级和3级标准。全氮、全磷、全钾含量的均值分别达到对照矸石风化物的1.50，2.47，1.12倍，最高值分别达到对照矸石风化物的1.96，2.95，1.42倍。基质B至基质E处理的全效性养分状况改善效果明显，与对照100%矸石风化物相比差异显著。其中，基质E的养分含量改良效果最明显。

速效性养分测定结果（表2）表明，按照土壤养分分级标准（表3），从速效性养分含量分析，矸石风化物中速效氮含量为8.96 mg/kg，远低于最低标准（极度缺乏）；速效磷含量为3.22 mg/kg，属于5级标准（严重缺乏）；速效钾含量达到148.59 mg/kg，属于2级标准（丰富）。速效氮和速效磷的严重缺乏对矸石风化物基质的植被生长造成影响。黄土和有机肥的速效氮含量分别达到矸石风化物的6.02，16.03倍，速效磷含量分别达到4.29，7.53倍，速效钾含量也较高。添加有机肥后，养分改善效果极其显著，改良后基质的速效氮、速效磷、速效钾含量最高值分别为41.36，10.25，458.01 mg/kg，分别达到土壤养分分级标准的5级、3级和1级标准，速效氮、速效磷和速效钾含量最高，分别达对照矸石风化物的4.62，3.18，3.08倍，与对照100%矸石风化物相比，差异显著。改良剂的添加显著改善了矸石风化物基质速效氮和速效磷严重缺乏的状况，使速效性养分达到平衡状态，有利于促进植物的生长。其中，基质D的养分含量改良效果最明显。

表2 不同基质改良方式的养分变化状况

表3 土壤养分含量分级标准[15]

2.3 基质改良措施对植物生长状况的影响

本试验测定了紫穗槐苗木幼苗期的生长指标：苗高、地径、高径比、冠幅、主根长、根幅、根冠比、叶绿素含量（表4）。

表4 不同基质处理的紫穗槐生长指标测定结果

每个处理的各个生长形态指标分别随机抽取10个数据，用Excel 2003数学软件进行了方差分析，其结果列于表5。

从表5可以看出，不同基质改良措施对紫穗槐苗木幼苗期的地径、冠幅、主根长、叶绿素含量的影响差异达显著水平，而对苗高、高径比、根幅的影响差异不显著。

表5 不同基质处理紫穗槐生长指标测定结果的方差分析

进一步对地径、冠幅、主根长、叶绿素含量利用SPSS18.0数学分析软件进行多重比较。

由表6可知，不同基质改良措施的紫穗槐苗木地径由大到小的顺序为基质B＞基质E＞基质D＞基质C＞基质A。其中，基质B，D，E显著大于基质A和基质C；同时基质C又显著大于基质A；基质E与基质B，D之间存在极显著差异。

从表7可以看出，对于紫穗槐冠幅，基质E极显著大于基质A，显著大于基质D，同时基质D和基质A又显著大于基质B，基质C显著大于基质A。基质A与D之间差异不显著，基质B，C和基质E两两之间差异不显著。

表6 不同基质紫穗槐苗木地径的多重比较（LSD法）

表7 不同基质紫穗槐苗木冠幅的多重比较（LSD法）

由表8可知，紫穗槐的主根长在不同基质改良措施中由大到小的顺序为：基质E＞基质C＞基质D＞基质B＞基质A。通过多重比较得出，基质E，C，D和基质B均显著大于基质A；基质E，C，D显著大于基质B；同时基质E显著大于基质D，C，但基质C和D之间没有显著性差异。

表8 不同基质紫穗槐苗木主根长的多重比较（LSD法）

从表9可以看出，不同基质处理紫穗槐苗木的叶绿素含量由大到小的顺序为：基质E＞基质C＞基质B＞基质D＞基质A。多重比较的结果为：基质E极显著大于基质A，显著大于基质D，与其他基质间没有显著性差异。

表9 不同基质紫穗槐苗木叶绿素含量的多重比较（LSD法）

由以上分析可知，5种不同基质对紫穗槐苗木形态指标的影响表现为：地径、冠幅、叶绿素含量均达到显著差异水平，主根长则达到极显著差异水平，而对于苗高、高径比和根幅的影响不显著。对于冠幅和叶绿素含量来说，基质E最好，这与基质E的速效氮含量相对偏高有一定的关系，因为氮元素是叶绿素形成和植物生长的必需元素。对于地径来说，基质B的生长状况最好，基质E的生长状况次之，可能是由于基质B和E处理接受光照时间比较长，比较有利于植物在速生期的生物量增加迅速，有利于地径的生长。对于紫穗槐的主根长，依然是基质E效果最好，主要由于基质E的各项指标均表现较好，有利于植物的生长。

综合上述紫穗槐形态指标的分析结果，同时结合苗木生长期间的环境条件差异和一些人为因素的影响，不同基质改良措施对紫穗槐苗木形态指标的影响可以总结为，基质E处理最利于紫穗槐的生长，基质C处理的效果仅次于基质E，对照处理基质A苗木的生长状况最不理想，而基质B和D改良措施对紫穗槐苗木形态指标的影响接近。

3 结论

将农田耕层黄土、有机肥和矸石风化物按设计比例配比进行矸石风化物基质改良，可改善矸石风化物基质的pH值、养分缺乏状况，通过合理调整矸石风化物基质的养分结构，对植物的生长有不同程度促进作用。

基质C和E的综合改良效果表现突出，但综合分析认为，采用基质E（70%矸石风化物＋15%黄土＋15%有机肥）进行矸石山植被恢复更具有较广泛的适用性，更有利于实际生产中应用，便于推广和普及，能有效地促进矸石山植被的稳定生长。

［1］杨本志，卞正富.浅议我国东部矿区的生态重建技术[J].煤矿环境保护，2000，14（3）：7-10.

［2］杨主泉，胡振琪，王金叶，等.煤矸石山复垦的恢复生态学研究[J].中国水土保持，2007，28（6）：35-37.

［3］范英宏，陆兆华，程建龙，等.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术[J].生态学报，2003，23（10）：2144-2151.

［4］王晓春，蔡体久，谷金锋.鸡西煤矿矸石山植被自然恢复规律及其环境解释[J].生态学报，2007，27（9）：3744-3751.

［5］胡振琪.山西省煤矿区土地复垦与生态重建的机遇和挑战[J].山西农业科学，2010，38（1）：42-45.

［6］BradshawA D，Huttl R F.Future minesite restoration involves a broader approach[J].Ecological Engineering，2001，17（2/3）：87-90.

［7］Holmes P M.Shrubland restoration following woody alien invasion and mining:effect of top soil depth，seed source and fertilizer addition[J].Restoration Ecology，2001，9（10）：71-84.

［8］田胜尼，孙庆业.铜陵铜尾矿废弃地定居植物及基质理化性质的变化[J].长江流域资源与环境，2005，14（1）：88-93.

［9］茹淑华，张国印，苏德纯，等.禽粪有机肥对土壤锌积累特征及其生物有效性的影响 [J].华北农学报，2011，26（2）：186-191.

［10］茹淑华，张国印，孙世友，等.氮磷钾与锌肥配合施用对土壤和植株养分含量的影响[J].河北农业科学，2011，15（6）：35-39.

［11］范军富，刘志斌.海州露天煤矿排土场土壤理化特性及改良措施的研究[J].露天采矿技术，2005（5）：75-77.

［12］柴仲平，王雪梅，孙霞，等.氮、磷、钾施肥配比对红枣植株养分含量的影响[J].天津农业科学，2011，17（3）：32-35．

［13］张书芬，朱家成，王建平，等.河南省油菜产区土壤中微量元素及有机质状况分析 [J].河南农业科学，2011，40（7）：63-66．

［14］张立坤，段洪晓.通辽地区各类土壤农田养分状况与配方施肥[J].内蒙古农业科技，2011（5）：71-74.

［15］黄昌勇.土壤学[M].北京：中国农业出版社，2000.