白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长及重金属淋溶影响.pdf

摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长及重金属淋溶影响刘元生,陈祖拥,刘摇 方,卜通达,杨摇 丽(贵州大学环境与资源研究所,550025,贵阳)摘要:煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废弃物。植被恢复是减少煤矸石堆场重金属淋溶迁移的主要途径,而露天煤矸石基质改良是植被恢复的基础。通过盆栽和野外堆场小区黑麦草种植试验以及淋溶试验,探究白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长和重金属淋溶的调控效应。结果表明:在添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质上黑麦草的地上部生物量和叶绿素含量均出现显著的增加,黑麦草植株对氮和磷的吸收量也明显的增加。同时,添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态 Mn、Cd 和 Zn 质量分数均出现显著性降低,且煤矸石基质渗透水中Fe、Mn、Cd 和 Zn 质量分数也出现显著性的下降;特别是煤矸石中添加 20%30%白云岩砂时,煤矸石基质中有效态 Fe 和 Mn 质量分数及其渗透水 Fe 和 Mn 质量浓度均出现明显的降低。在煤矸石中添加适量白云岩砂有利于降低煤矸石基质中重金属的生物有效性和水溶态重金属的质量浓度,从而明显减少煤矸石基质中 Fe、Mn 淋溶迁移对水环境质量的影响。关键词:煤矸石;白云岩砂,黑麦草;生长状况;重金属;淋溶;养分吸收中图分类号:S153;X171郾 5文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2023)05鄄0138鄄08DOI:10.16843/j.sswc.2023.05.016收稿日期:2021 01 28摇 修回日期:2021 04 22项目名称:国家自然科学基金“煤矿废弃地煤矸石 水界面锰迁移的生态规律与调控机制冶(41661094);贵州省科技计划项目(黔科合平台人才20175788 号)第一作者简介:刘元生(1969),男,硕士,副教授。主要研究方向:土壤资源利用与改良。E鄄mail:506059067 Effect of dolomite sand鄄improved coal gangue substrate onryegrass growth and heavy metal leachingLIU Yuansheng,CHEN Zuyong,LIU Fang,BU Tongda,YANG Li(Environment and Resource Institute of Guizhou University,550025,Guiyang,China)Abstract:Background Coal gangue is a solid waste generated in the process of coal production,theleaching and migration of heavy metal elements such as Fe and Mn in the coal gangue piled in the openair will cause obvious pollution to the surrounding water body of the storage yard.Vegetation restoration isthe main way to reduce the leaching and migration of heavy metals in coal gangue dumps,but theimprovement of open gangue substrate is the basis of vegetation restoration.Methods This studyselected the closed coal mining area in the central region of Guizhou province as the research object,4treatment plots were set up in the abandoned open鄄air gangue yard for many years,and ryegrass wereplanted in the coal gangue with 0,20,40 and 60 kg/m2of dolomite sand in a depth of 20 cm and mixedevenly.In addition,the mixed samples of coal gangue(0-30 cm)on the surface of the gangue yardwere collected and brought back to the laboratory for pot experiments,and ryegrass(Lolium perenne)wasplanted on mixed substrates with dolomite sand content of 0,10%,20%and 30%,respectively.Results 1)The biomass and chlorophyll content of ryegrass on the coal gangue substrate added with摇摇 第 5 期刘元生等:白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长及重金属淋溶影响10%-30%dolomite sand significantly increased,and the absorption of N,P and K by ryegrass plantsalso increased significantly with the order of their effects was P N K.2)On the other hand,thecontents of available Mn,Cd,and Zn in the coal gangue matrix added with 10%-30%dolomite sandsignificantly reduced,especially,when 20%-30%dolomite sand was added to coal gangue,the contentof available Fe and Mn in the gangue matrix obviously reduced;this effect was closely related to thesignificant increase in pH of the gangue matrix after adding 20%-30%dolomite sand to the ganguematrix.3)At the same time,after the dolomite sand improved the gangue matrix,the leaching andmigration of heavy metal elements significantly reduced,and the concentration of Fe,Mn,Cd,and Zn inthe infiltration water of the coal gangue matrix with 10%to 30%dolomite sand decreased significantly;when the addition of dolomite sand reached 30%,the concentration of Cu and Pb in the infiltration waterof coal gangue matrix decreased significantly.Conclusions Adding an appropriate amount of dolomitesand to coal gangue was beneficial to reducing heavy metals bioavailability and the concentration of water鄄soluble heavy metals in the gangue matrix,thereby significantly lowering the impact of leaching andmigration of Fe and Mn in the gangue matrix on the quality of the water environment.Keywords:coal gangue;dolomite sand;ryegrass;growth status;heavy metal;leaching;nutrient ab鄄sorption摇 摇 贵州是中国南方煤炭资源最丰富的省区,含煤区域占全省总面积的 40%以上,煤矸石是贵州排放量最大、占地最多、污染环境较为严重的工业固体废物,露天堆放的煤矸石中 Fe、Mn 等重金属元素的淋溶迁移对堆场周边水体产生明显的污染1。由于煤矸石基质酸度大、结构疏松、养分缺乏,植物不易萌发和生长,造成煤矸石堆场及周边环境生态恢复困难2 3。近年来,贵州遗弃小煤窑矿区煤矸石堆场植被出现一定程度的自然恢复,主要有马尾松(Pinus massoniana)、光皮桦(Betula luminifera)、类芦(Neyraudia reynaudiana)及毛果金星蕨(Parathe鄄lypteris chinensis)等植物的生长,但是这些植物生长缓慢,生态恢复时间长,植被覆盖度低,产生的生态效应弱。而多年生黑麦草(Lolium perenne)是我国常用的优良草坪草,生长迅速,分蘖众多,根系发达,对重金属具有较强的抗性和富集能力,是极具潜力的环境修复植物,具有广泛的应用前景4 6。关于煤矸石堆场植被恢复技术及植物修复效果等方面的研究较多7 12。由于不同地区自然条件的差异,因地制宜的煤矿山植被修复技术及模式需要深入探究。贵州山区煤矿废弃地的植被恢复是减少煤矸石堆场 Fe、Mn 等重金属元素淋溶迁移的重要途径13。露天煤矸石基质改良是植被恢复的基础,一些研究14 17表明:利用粉煤灰、污泥、生物质炭、作物秸秆和木屑等材料改良煤矸石基质可以促进植物生长及减少污染物淋溶迁移;此外,在煤矸石中添加纯碳酸钙以及白云石、方解石等 3 种天然碳酸盐矿物均能显著抑制 Fe、Mn、Cu、Zn 和 SO2-4等多种特征污染物的溶出12。贵州山区煤系地层多分布在碳酸盐岩及砂页岩交互区,白云岩分布地层厚度达几百米以上,白云岩砂来源广泛,当地多利用白云岩砂作为混凝土骨料或砂料来使用18。由于白云岩化学成分为CaMg(CO3)2,白云岩砂呈碱性,利用白云岩砂改良煤矸石基质对污染物迁移具有良好的调控效果12。但在白云石砂改良煤矸石基质的生态效应方面还缺乏深入研究。因此,笔者选择贵州省中部山区关闭的煤矿区为研究对象,针对煤矸石基质酸度大造成植物不易生长的问题,探讨白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长的影响,同时研究白云岩砂改良煤矸石基质中重金属淋溶迁移的减控效应,旨为煤矸石堆场的生态环境治理及生态修复提供科学依据。1摇 材料与方法1郾 1摇 试验设计研究区位于贵阳市花溪区麦坪乡,属低中山地貌及亚热带季风性湿润气候。贵阳市花溪煤矿区主要分布在三叠系与龙潭煤系地层,由石灰岩、白云岩、泥质白云岩与泥页岩等组成,煤系地层分布广,可采煤层 4 5 层,白云岩资源较丰富,煤矿附近有白云岩地层出露。就近利用废弃煤矿区堆场附近的白云岩粉碎成白云岩砂(过 2 mm 筛孔的白云岩粉碎物,Ca、Mg 和 K 质 量 分 数 分 别 为 18郾 90%、11郾 05%和0郾 85%,P 质量分数为130郾 2 mg/kg;主要931摇中国水土保持科学2023 年重金属元素质量分数见表1)。通过在研究区对8 10 a 废弃的露天煤矸石堆场进行调查,选择煤矸石堆场表面仅有部分苔藓覆被的表层煤矸石(0 30 cm)开展混合样品采集,在实验室经自然风干、破碎后研磨过筛 5 mm 筛,供实验分析及盆栽试验用;同时选取堆场较平缓的相似立地条件地段设置野外小区试验。该堆场表层大部分煤矸石已出现风化成粉末状基质(pH 3郾 68、有机碳 20郾 56 g、碱解氮30郾 62 mg、有效磷 0郾 43 mg、速效钾 45郾 16 mg),初步具有草本植物生长的土壤养分条件。表 1摇 白云岩砂、煤矸石中主要重金属质量分数Tab.1摇 Contents of heavy metals in the dolomite sand and coal gangue材料 MaterialFe/(g kg-1)Mn/(mg kg-1)Cr/(mg kg-1)Cu/(mg kg-1)Zn/(mg kg-1)Cd/(mg kg-1)Pb/(mg kg-1)pH(H2O)煤矸石 Coal gangue49郾 04280郾 7155郾 930郾 3175郾 52郾 95124郾 83郾 57白云岩砂 Dolomite sand7郾 06131郾 3013郾 704郾 1016郾 000郾 023郾 307郾 79摇 摇 本研究试验设计参考文献16在煤矸石基质中添加污泥、粉煤灰、木屑进行基质改良的最佳方案(污泥、粉煤灰、木屑、煤矸石质量比例为 100颐 125颐50颐 1 000;污泥、粉煤灰、木屑总比例占 25郾 0%);同时参考文献17以煤矿区生活污泥、煤矸石、粉煤灰为原料,按照不同的配比添加至土壤中进行盆栽实验的优选方案(污泥、粉煤灰、煤矸石与土壤质量配比为 5%颐 20%颐 15%颐 60%),对本研究白云岩砂添加量控制在 10%30%。通过野外调查后选择多年开采废弃的露天堆放煤矸石堆场较平缓的地段设置小区试验,野外小区试验设 4 个处理,即分别在深度为 20 cm 煤矸石中添加 0、40 和 60 kg/m2白云岩砂(用量比例分别为 0、10%、20%和 30%),基质混合均匀后种植黑麦草,每小区面积为10 m2(5 m 伊2 m),小区之间用薄层水泥板隔离。每小区处理设置 3 次重复。同时,采集该堆场表层煤矸石(0 30 cm)混合样品带回实验室,经自然风干、破碎、并研磨过筛 5 mm 筛,供实验分析及盆栽试验用。盆栽试验设 4 个处理,每盆钵中装入 5 kg 煤矸石和不同用量的白云岩砂,即白云岩砂的用量比例分别为 0、10%、20%和 30%;每个处理重复 3 次。盆栽试验及野外堆场小区试验于 2019 年 4 月上旬8 月下旬进行,试验种植植物为多年生黑麦草,供试黑麦草经催芽后播种,播种 90 d 后收割。1郾 2摇 测定指标与方法1)黑麦草生长指标。植物主要测定株高、生物量及植株 N、P、K 和叶绿素质量分数。栽培90 d 后,用大剪刀刈割地上部分,剪下的草用电子天平称取鲜质量,烘干后测定干质量并粉碎为植物样品。植株 N、P 和 K 质量分数采用常规方法测定,叶绿素质量分数采用 95%乙醇提取,分别于波长 470、649 和665 nm 下测定吸光度并计算光合色素的质量分数。2)煤矸石有效态重金属。在第 90 d 测定黑麦草地上生物量后,对堆场试验小区、盆栽钵的表层煤矸石基质(0 20 cm)进行混合样品采集,采样后的煤矸石经自然风干、破碎、并研磨过 60 目筛供测试分析用。pH 采用酸度计法(固液比 1颐 2郾 5)测定。煤矸石样品有效态重金属质量分数的测定采用0郾 1 mol/L 的 HCl 为浸提剂,按固液比 1颐 5进行浸提,振荡 1郾 5 h,离心、过滤,采用火焰 原子吸收分光光度计(Fe、Mn、Cu 和 Zn)和电感耦合等离子体质谱仪(Cd、Cr 和 Pb)对滤液重金属元素含进行测定。3)盆栽条件下煤矸石渗透水。在盆栽塑料桶底部设置煤矸石基质渗透水收集装置,根据自然降雨情况,隔 4 周左右收集 1 次渗透水样品,在 68月共采集 3 次渗透水样品。每次量取 150 mL 的渗透水用 0郾 45 滋m 滤膜过滤,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定水样中 Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、Cd和 Pb 的质量浓度。实验数据统计分析采用 DPS 软件进行方差分析(LSD 多重比较)。2摇 结果与分析2郾 1摇 对黑麦草生长及养分吸收的影响从表 2 看出,在未添加白云岩砂的煤矸石基质上黑麦草生长受到一定影响,利用白云岩砂改良煤矸石基质能明显地促进黑麦草生长。在添加10%30%白云岩砂的煤矸石基质上,盆栽试验、野外堆场试验的黑麦草平均株高分别比未添加白云岩砂的对照 处 理 提 高 43郾 61%92郾 48%、16郾 88%53郾 90%,而黑麦草地上部分生物量则分别比对照处理增加 1郾 77 7郾 32 倍、0郾 66 2郾 36 倍。多重比较结果表明:无论是盆栽条件还是野外堆场条件,在煤041摇摇 第 5 期刘元生等:白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长及重金属淋溶影响摇 摇表 2摇 不同白云岩砂处理下黑麦草的株高、生物量、叶绿素和氮、磷、钾的质量分数Tab.2摇 Plant height,biomass,chlorophyll,nitrogen,phosphorus,and potassium contents of ryegrass underdifferent dolomite sand treatments试验类型Experimenttype施用比例Proportion/%株高Plant height/cm地上部生物量Biomass#叶绿素Chlorophyll/(g kg-1)氮N/(g kg-1)磷P/(g kg-1)钾K/(g kg-1)013郾 3 依2郾 2a2郾 04 依0郾 47a1郾 15 依0郾 10a3郾 21 依0郾 41a0郾 52 依0郾 14a7郾 61 依2郾 44a盆栽 Potted1019郾 1 依1郾 6b5郾 66 依0郾 84b1郾 68 依0郾 12b4郾 19 依0郾 27b0郾 99 依0郾 10b10郾 12 依1郾 66a2021郾 3 依1郾 3b12郾 83 依1郾 32c2郾 29 依0郾 20c5郾 25 依0郾 53bc1郾 19 依0郾 19b16郾 62 依3郾 67b3025郾 6 依1郾 3c16郾 98 依1郾 69d3郾 04 依0郾 09d9郾 17 依0郾 70c2郾 36 依0郾 41c21郾 93 依2郾 01c015郾 4 依0郾 7a2郾 17 依0郾 31a1郾 26 依0郾 09a5郾 43 依0郾 86a0郾 99 依0郾 06a10郾 74 依2郾 10a堆场1018郾 0 依0郾 5b3郾 61 依0郾 59b1郾 73 依0郾 21b10郾 31 依0郾 37b1郾 82 依0郾 13b17郾 93 依1郾 25bStorage yard2020郾 1 依1郾 0c5郾 12 依0郾 86bc2郾 43 依0郾 31c10郾 95 依0郾 98b2郾 30 依0郾 02c19郾 87 依2郾 10b3023郾 7 依1郾 3d7郾 30 依1郾 19c2郾 88 依0郾 24d12郾 76 依0郾 86c2郾 49 依0郾 04d27郾 63 依2郾 96c摇 注:#盆栽试验地上生物量单位为 g/盆、堆场试验地上生物量单位为 kg/m2。表中数据为每个处理 3 个重复的平均值 依 标准差。同列不同小写字母之间表示差异达到显著水平(P 0郾 05)。下同。Notes:The unit of biomass in the pot experiment is g/pot,and the unit of biomass in the stor鄄age yard field experiment is kg/m2.The data in the table is the average 依 standard deviation of 3 replicates for each treatment.Different lowercase lettersin the same column indicate that the difference has reached a significant level(P N K。此外,从表 2 也看出,在盆栽条件和野外堆场条件下,添加 10%、20%和 30%白云岩砂改良煤矸石基质上黑麦草叶片中叶绿素质量分数分别比未添加白云岩砂的对照处 理 增 加 37郾 30%46郾 09%、92郾 86%99郾 13%和 128郾 57%164郾 35%,添加白云岩砂的煤矸石基质处理上黑麦草叶片中叶绿素质量分数均显著地高于对照处理,而且在白云岩砂添加量为10%、20%和 30%的煤矸石基质处理之间黑麦草叶绿素质量分数也出现显著的差别。可见,添加白云岩砂改良煤矸石基质能显著改善黑麦草生长状况,促进黑麦草对养分的吸收,提高黑麦草产量及质量。2郾 2摇 对有效态重金属质量分数的影响从表 1 看出,煤矸石中除 Cd 外,Cr、Cu、Zn 和Pb 质 量 分 数 低 于 农 用 地 土 壤 环 境 质 量 标 准(GB 56182018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)中筛选值,而白云岩砂中 Cd、Cr、Cu、Zn 和 Pb 质量分数远低于煤矸石,在煤矸石中添加白云岩砂时,关注煤矸石基质有效态重金属质量分数的变化更有意义。从表 3 看出,盆栽条件下添加 10%、20%和 30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态 Mn、Zn 和 Cd 质量分数均出现显著性降低,其有效态 Mn 质量分数分别比不添加白云岩砂的对照降低 44郾 64%、77郾 76%和 83郾 44%,有效态 Zn 质量分数比对照减少 41郾 09%、52郾 02%和 66郾 03%;而有效态 Cd 质量分数比对照降低 36郾 92%、41郾 54%和 70郾 77%;但是,白云岩砂添加量达 20%、30%时,141摇中国水土保持科学2023 年摇 摇表 3摇 白云岩砂改良煤矸石基质中有效性重金属质量分数的变化Tab.3摇 Changes in the contents of available heavy metals in the modified coal gangue matrix by dolomite sand试验类型Experimenttype施用比例Proportion/%Fe/(mg kg-1)Mn/(mg kg-1)Cr/(mg kg-1)Cu/(mg kg-1)Zn/(mg kg-1)Cd/(mg kg-1)Pb/(mg kg-1)pH(H2O)0297郾 6 依25郾 6a61郾 6 依13郾 6a1郾 58 依0郾 32a21郾 2 依3郾 8a4郾 21 依1郾 44a0郾 65 依0郾 15a12郾 1 依3郾 4a3郾 51 依0郾 08a盆栽 Potted10273郾 9 依10郾 7a34郾 1 依6郾 2b1郾 31 依0郾 11a19郾 2 依1郾 8ab2郾 48 依0郾 25b0郾 41 依0郾 06b11郾 6 依2郾 5a3郾 76 依0郾 14a20239郾 3 依22郾 8b13郾 7 依2郾 7c1郾 47 依0郾 22a19郾 4 依1郾 7ab2郾 02 依0郾 34b0郾 38 依0郾 04b11郾 1 依3郾 2a4郾 87 依0郾 38b30215郾 0 依7郾 7b10郾 2 依1郾 3c1郾 34 依0郾 07a14郾 6 依2郾 3b1郾 43 依0郾 37b0郾 19 依0郾 04c9郾 3 依3郾 5a5郾 37 依0郾 41b0272郾 4 依20郾 9a56郾 4 依5郾 2a1郾 92 依0郾 17a23郾 4 依4郾 2a4郾 29 依0郾 37a0郾 75 依0郾 07a15郾 2 依1郾 5a3郾 50 依0郾 23a堆场 Storage yard10265郾 8 依28郾 7a44郾 3 依10郾 2b1郾 76 依0郾 18ab22郾 9 依2郾 2a3郾 26 依0郾 37b0郾 63 依0郾 09a15郾 4 依0郾 6a3郾 85 依0郾 19b20239郾 2 依25郾 8ab28郾 8 依1郾 5c1郾 61 依0郾 19bc20郾 0 依3郾 4a2郾 32 依0郾 26c0郾 47 依0郾 12b13郾 9 依0郾 7a4郾 52 依0郾 35c30201郾 7 依4郾 9b18郾 5 依3郾 4c1郾 53 依0郾 10c16郾 7 依1郾 6a1郾 83 依0郾 27c0郾 31 依0郾 06c8郾 5 依0郾 9b5郾 04 依0郾 13c煤矸石有效态 Fe 质量分数才出现显著性降低,其比对照分别减少 19郾 59%、27郾 76%。在野外堆场条件下也看出(表 3),添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质中 Mn、Zn 和 Cd 质量分数出现显著性降低,其中有效态 Mn 质量分数分别比不添加白云岩砂的对照降低 21郾 45%、48郾 94%和 67郾 20%,有效态 Zn质量分数比对照减少 24郾 01%、45郾 92%和 57郾 34%;而有 效 态 Cd 质 量 分 数 比 对 照 降 低 16郾 00%、37郾 33%和 58郾 67%;煤矸石添加 20%30%白云岩砂时,有效态 Fe 质量分数才出现明显的下降,其比对照分别减少 12郾 19%、25郾 95%。然而,无论是盆栽条件还是堆场条件,添加 30%白云岩砂的煤矸石基质有效态 Cu 和 Cr 质量分数才出现较明显的降摇 摇 摇低,利用白云岩砂改良煤矸石基质对有效态 Pb 质量分数变化没有明显的影响。可见,添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态 Mn、Zn 和 Cd 质量分数出现显著性降低,而添加 20%30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态 Fe 质量分数才出现显著地下降。这种作用效果与煤矸石基质添加 20%30%白云岩砂后,煤矸石基质 pH 值显著大于对照的煤矸石基质有密切的关联性(表 3)。2郾 3摇 对煤矸石基质重金属淋溶的影响从盆栽条件下煤矸石基质渗透水中 Fe、Mn、Cr、Cu、Zn、Cd 和 Pb 质量浓度变化可看出(表 4),煤矸石添加 10%30%的白云岩砂改良基质渗透水中重金属质量浓度出现不同程度降低,添加 10%摇 摇表 4摇 白云岩砂改良煤矸石基质渗透水中重金属质量浓度的变化Tab.4摇 Changes of heavy metal contents in the infiltration water of dolomite sand鄄improved coal gangue matrix月份Month施用比例Proportion/%Fe/(mg L-1)Mn/(mg L-1)Cr/(滋g L-1)Cu/(滋g L-1)Zn/(滋g L-1)Cd/(滋g L-1)Pb/(滋g L-1)02郾 74 依0郾 16a1郾 79 依0郾 34a15郾 2 依1郾 3a14郾 3 依1郾 9a23郾 3 依0郾 8a0郾 27 依0郾 09a2郾 83 依0郾 67a6102郾 25 依0郾 21b1郾 21 依0郾 06b17郾 8 依1郾 9a8郾 0 依2郾 4b22郾 5 依1郾 1a0郾 11 依0郾 04b2郾 34 依0郾 43a201郾 29 依0郾 37c0郾 95 依0郾 28b16郾 7 依0郾 8a6郾 5 依2郾 1b16郾 4 依4郾 5b0郾 08 依0郾 01b2郾 11 依0郾 49ab300郾 60 依0郾 17d0郾 31 依0郾 29c15郾 8 依0郾 9a5郾 7 依1郾 8b6郾 5 依2郾 3c0郾 05 依0郾 01b1郾 03 依0郾 27b02郾 24 依0郾 11a0郾 79 依0郾 03a14郾 3 依3郾 0a8郾 0 依3郾 5a21郾 3 依1郾 5a0郾 13 依0郾 03a2郾 12 依1郾 61a7100郾 86 依0郾 33b0郾 37 依0郾 12b11郾 3 依2郾 7ab5郾 2 依3郾 8a13郾 8 依3郾 1b0郾 08 依0郾 02ab1郾 14 依0郾 09ab200郾 27 依0郾 03c0郾 26 依0郾 19bc11郾 4 依1郾 1ab2郾 9 依0郾 8a6郾 3 依1郾 9c0郾 04 依0郾 01b0郾 75 依0郾 07ab300郾 15 依0郾 04c0郾 05 依0郾 03c8郾 7 依1郾 9b3郾 1 依2郾 2a3郾 1 依0郾 7c0郾 06 依0郾 02b0郾 50 依0郾 12b01郾 54 依0郾 36a0郾 33 依0郾 10a4郾 8 依0郾 4a6郾 1 依0郾 5a13郾 6 依3郾 8a0郾 10 依0郾 02a0郾 71 依0郾 27a8100郾 40 依0郾 09b0郾 07 依0郾 03b5郾 0 依0郾 7a5郾 9 依0郾 5a7郾 7 依1郾 4b0郾 04 依0郾 01b0郾 62 依0郾 09a200郾 34 依0郾 06bc0郾 06 依0郾 01b5郾 4 依0郾 7a4郾 8 依0郾 7b2郾 5 依1郾 1c0郾 07 依0郾 02bc0郾 54 依0郾 11ab300郾 08 依0郾 02c0郾 03 依0郾 01b5郾 0 依0郾 6a4郾 4 依0郾 4b1郾 0 依0郾 3c0郾 05 依0郾 01c0郾 20 依0郾 08b芋类水体限值Class III water limit value臆0郾 3臆0郾 1臆0郾 05臆1郾 0臆1郾 0臆0郾 005臆0郾 05241摇摇 第 5 期刘元生等:白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长及重金属淋溶影响30%的白云岩砂改良煤矸石基质中 Fe 和 Mn 质量浓度出现显著性降低,煤矸石基质渗透水中 Fe 的平均质量浓度比对照降低 17郾 88%94郾 81%,而 Mn的平均质量浓度比对照减少 32郾 40%93郾 67%;其次是煤矸石基质渗透水中 Cd、Zn 质量浓度也出现显著性下降,Cd 质量浓度比对照减少 38郾 46%81郾 48%,Zn 的平均 质 量 浓 度 比 对 照 分 别 减 少3郾 34%92郾 65%。添加 20%30%白云岩砂改良基质渗透水中 Cu 质量浓度出现显著性下降,Cu 的平均质量浓度比对照降低 21郾 31%63郾 75%;添加30%白云岩处理煤矸石基质渗透水中 Pb 质量浓度才出现显著性降低,Pb 的平均质量浓度比对照减少56郾 72%76郾 42%;但利用白云岩砂改良煤矸石基质对渗透水中 Cr 质量浓度没有明显的影响。摇 摇 通过对各处理 3 组重复的 3 次全部采样数据与GB 38382002地表水环境质量标准中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值进行对比分析,白云岩砂改良煤矸石基质渗透水中 Fe 和 Mn 质量浓度变化范围分别为 0郾 061 2郾 463 和 0郾 018 1郾 275 mg/L,部分样品超过集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值。但是,在黑麦草生长旺盛期(78 月),添加 20%30%的白云岩砂改良煤矸石基质渗透水中 Fe 质量浓度范围是0郾 061 0郾 399 mg/L,添加 30%的白云岩砂改良煤矸石基质渗透水中 Mn 质量浓度为 0郾 018 0郾 076 mg/L,未超过集中式生活饮用水地表地补充项目标准限值,特别是黑麦草成熟期(8 月),白云岩砂改良煤矸石基质渗透水中 Fe、Mn 质量浓度变化范围分别为0郾 061 0郾 498 和 0郾 018 0郾 099 mg/L。此外,煤矸石基质渗透水中 Zn、Cr、Cu、Cd 和 Pb 质量浓度均未超过集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值。3摇 讨论3郾 1摇 加入白云岩砂后煤矸石基质中重金属的有效性降低和淋溶迁移减少由于煤矸石基质酸度大、有效态养分缺乏,改良后煤矸石基质能否满足植物的正常生长是衡量基质改良效果的主要内容之一。白云岩砂 Ca 和 Mg 质量分数高(分别为 18郾 90%和 11郾 05%),呈微碱性(表 1),在煤矸石中加入 20%30%的白云岩砂,混合基质的 pH 显著地高于未添加白云岩砂的对照处理(表3),在改良的煤矸石基质中有效态 Mn、Cd、Zn 和 Fe 质量分数均出现显著性的降低,这种作用效果随着白云岩砂用量的增加而提高。王虎等12在风化煤矸石中添加纯品碳酸钙及白云石、方解石3 种天然碳酸盐矿物均能有效缓冲风化煤矸石的酸度,并显著抑制 Fe,Mn,Cu,Zn 和 SO2-4等多种特征污染物的溶出。本研究表明:添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质渗透水中 Fe、Mn、Cd 和 Zn 质量浓度均出现显著性降低,特别是煤矸石添加白云岩砂后 Fe 和 Mn 元素向水体的迁移量出现明显的下降。罗有发等7研究类芦植被参与对煤矸石中 Fe、Mn、Cu 和 Zn 的富集特征、空间分布以及生物有效性的影响,Mn、Fe 和 Cu、Zn 被类芦吸收后分别储存于地上部分(茎叶)和地下部分(根部),类芦植被的存在能够明显降低煤矸石中特征金属的生物有效性,并对煤矸石中 Mn、Zn 具有较大转运、富集能力。可见,白云岩砂和黑麦草的耦合作用减少了煤矸石基质中重金属向水体的淋溶迁移,有利于改善煤矸石堆场周边水环境质量。3郾 2摇 白云岩砂改良煤矸石后黑麦草生长量增加以及利于减少煤矸石污染物迁移的生态风险白云岩砂含有较多的矿质养分,K 和 P 质量分数分别为 8 500 和 130郾 2 mg/kg,在白云岩砂改良煤矸石基质上黑麦草地上部的生长量显著增加,利用白云岩砂改良煤矸石基质促进了黑麦草的生长,有利于减少煤矸石中污染物迁移的生态风险。刘方等13通过对贵州省中部废弃煤矿区不同植被条件下煤矸石堆场地表径流进行采样分析,植被自然恢复能显著地减少煤矸石堆场 Fe 和 Mn 向水体的迁移及改善废弃煤矿区地表水环境质量,植物生长对减少煤矸石中 Fe 向水体迁移产生的环境效应大于Mn。说明植物生长过程中通过植株吸收煤矸石基质的 Fe 和 Mn,可以明显减少煤矸石中 Fe 和 Mn 的淋溶迁移。此外,植物根系对重金属也具有拦截、过滤作用,植物生长后堆场基质表面抗冲和抗蚀能力增强,根系对煤矸石堆场 Fe、Mn 的淋溶迁移也有较大的调控作用。近期较多研究表明,在煤矸石山人工构建以植物为主的生态系统,利用植物改良和保持煤矸石及其风化物,达到吸附有害物质,减少地表侵蚀与冲刷,改善煤矸石山的生态环境及周边水环境的质量,从而减少煤矸石污染物迁移的生态风险8 11。因此,植物不仅通过吸收作用而固定煤矸石中 Fe 和 Mn,而且可以通过根系及覆盖作用,改变煤矸石基质的含水量及氧化还原环境,减少煤矸石中 Fe、Mn 淋溶迁移对水环境的影响19。然而,本研究仅对煤矸石添加白云岩砂基质种植黑麦草后重341摇中国水土保持科学2023 年金属有效性及其淋溶效应进行了研究,缺乏对改良基质的物理结构如密度、孔隙度、田间持水量等和肥力状况如有机质、养分指标,以及植物根际效应等方面开展系统性研究,这方面还需要进行深入的探讨,才能综合评价白云岩砂改良煤矸石基质的生态效应。4摇 结论1)利用白云岩砂改良煤矸石基质能提高黑麦草的生物量,在添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质上黑麦草株高、地上部生物量以及叶片 N 和 P质量分数、叶绿素质量分数均出现显著性增加,并随着白云岩砂添加量的加大而提高。2)白云岩砂改良的煤矸石基质中重金属的有效性出现不同程度的下降,在添加 20%30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态 Fe、Mn、Zn 和 Cd 质量