尾煤泥施用的重金属安全性及其对土壤结构和燕麦生长的影响

武俊英，赵宝平，刘景辉，杨 进

(内蒙古农业大学, 内蒙古呼和浩特 010019)

尾煤泥施用的重金属安全性及其对土壤结构和燕麦生长的影响

武俊英，赵宝平，刘景辉，杨 进

(内蒙古农业大学, 内蒙古呼和浩特 010019)

为促进煤炭洗选加工废弃物尾煤泥在农业生产中的科学利用，以裸燕麦品种草莜1号和蒙农大燕1号为研究对象，尾煤泥基施量0 (CK)、7 500、15 000、22 500 kg·hm-2，在砂壤土田间进行随机试验，并对尾煤泥、土壤、燕麦茎叶的重金属和矿质营养成分进行了分析。结果表明，尾煤泥中的重金属镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)含量低于《城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质》标准(CJ/T 309-2009)中的规定限量；尾煤泥显著(P<0.01)提高了土壤与燕麦的氮(N)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)等养分含量及燕麦产量；两个燕麦品种对尾煤泥效应趋势一致；燕麦茎叶K含量与干草产量和籽粒产量的相关性最大，相关系数分别为0.446 8和0.571 1。综上所述，工业废弃物尾煤泥营养成分较高，可在土壤中安全施用，在燕麦种植中以15 000 kg·hm-2直接基施为宜，可提高砂壤土的容重10.48%，提高保水性(含水量提高16.84%)，燕麦干草产量和籽粒产量两年平均提高42.79%和17.63%。

燕麦；尾煤泥；重金属；矿物质

尾煤泥是洗选煤企业的尾矿资源，一般占原煤的3%～5%，是通过孔径0.045～0.075 mm滤布的煤炭洗选加工废弃物，由微细粒煤、粉化矸石和水组成的黏稠物，无燃烧利用价值[1-2]，具有高水分、高黏性、高持水性和低热值等诸多不利条件。随着煤炭加工的快速发展，尾煤泥存量不断增长，70%以上的尾煤泥采用就地排放或堆放的形式贮存，成为环境污染源之一，综合利用已成为迫切需要解决的问题[3]。农业利用尾煤泥的高碳含量，制备缓释肥、生态复合肥是可行的[4-5]。尾煤泥与城市固体废弃物污泥(CJ/T 309-2009)比较，主要成份有一定的相似性[6]。燕麦是内蒙古的特色作物，极具保健功能，可粮饲兼用[7]，具有耐贫瘠和抗逆性强的特点。内蒙古地区干旱少雨，该地区土壤以砂壤土为主，砂壤土保水性差、养分含量低。将尾煤泥以有机肥的参考用量进行大田施用，对其施用的安全性及矿物质养分对燕麦营养吸收和产量的影响进行研究，可为燕麦的高产栽培和尾煤泥的资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为裸燕麦品种草莜1号(粮饲兼用型)和蒙农大燕1号(高品质型)，由内蒙古农牧业科学院和内蒙古农业大学燕麦产业研究中心提供。

尾煤泥是经过洗选之后的煤炭企业废弃物，其特性为，微粒的粒径0.045 mm以下(在生产实际中，一般在0.045～0.075 mm)；持水性强，含水量20%～30%；含有黏土矿物，黏性较大，具有一定的流动性。尾煤泥的营养成分与重金属含量受地理环境及煤炭质量的影响较小。本研究的尾煤泥来源于内蒙古包头市土右旗广源煤炭有限责任公司，成分及含量见表1，其pH值为7.64。

表1 尾煤泥营养元素及重金属含量

Table 1 Contents of nutrient element and heavy metal of coal tailing

营养元素 Nutrientelement含量 Content重金属 Heavymetal含量 Content/(mg·kg-1)氮N/(mg·kg-1)46．65±8．15镍Ni13．03±4．28磷P/(mg·kg-1)3．99±1．13铜Cu51．02±7．16钾K/(g·kg-1)8．09±1．47锌Zn337．01±10．68碳C/(g·kg-1)480．48±9．14铅Pb70．86±7．55钙Ca/(mg·kg-1)1．00±0．02铬Cr25．07±6．37镁Mg/(mg·kg-1)5．00±0．64镉Cd0．54±0．03铁Fe/(mg·kg-1)1．27±0．51汞Hg0．51±0．42--砷As6．71±0．84

1.2 试点概况及试验设计

本试验于2014年和2015年在内蒙古包头市土右旗萨拉齐镇内蒙古农业大学科技园区进行，该区是典型的大青山洪积平原向土默川冲积平原过渡带，地下水位较高，变动在0.8～1.5 m，位于东经110°28＇，北纬40°36＇，海拔993.5 m，年均日照3 056.3 h，年均气温7.1 ℃，年降雨量339.8 mm，无霜期132 d，土质为砂壤土，耕层土壤中有机质含量48.65 g·kg-1，速效氮含量162.10 mg·kg-1，速效磷含量79.50 mg·kg-1，速效钾含量82.94 mg·kg-1，pH 8.32。

本试验采取二因素裂区设计，2个品种为主区(草莜1号和蒙农大燕1号分别用C和M表示)，4个尾煤泥施用量为副区(设0、7 500、15 000和22 500 kg·hm-2四个水平)，共8个处理(分别用C0、C5、C10、C15、M0、M5、M10和M15表示)，小区面积20 m2，随机排列，重复3次。尾煤泥均以基肥方式施入土壤。于每年4月21日人工播种，行距25 cm，播量为150 kg·hm-2，播深2 cm。试验期间不施种肥和追肥，分小区灌溉。其他田间管理水平一致。

1.3 测定项目及方法

燕麦种植前(CK)和收获时测定耕层20 cm土壤容重(环刀法)、有机质含量(重铬酸钾容量法)、pH值(pH酸度计，电位测定法)、N含量(重铬酸钾-硫酸消化，凯氏定氮法)、P含量(硫酸-高氯酸消煮，钼锑抗比色法)及K、Ca、Mg、Fe含量(原子吸收分光光度法[8])。

燕麦收获时测定茎叶生物量、干重(80 ℃干燥恒温箱中烘8～12 h至恒重)、N含量(半微量蒸馏法)、P含量(钒钼黄吸光光度法)及K、Ca、Mg、Fe含量(原子吸收分光光度法[8])。每小区去2行边行后测定燕麦干草产量和籽粒产量。

1.4 数据处理

用Excel 2003和DPS 9.50进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 尾煤泥施用对燕麦土壤养分含量的影响

尾煤泥的重金属含量见表1，参照《城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质》标准(CJ/T 309-2009)A级和B级的限量值计算超标率。尾煤泥中的8个重金属元素含量，是标准CJ/T 309-2009中限量值的1/4～1/20，超标率为0。营养物质的含量以C最高，其次是N。

由表2可知，尾煤泥施用对土壤理化性质的影响较大。两品种一致表现为尾煤泥施用量越大，土壤容重和含水量越高，说明土壤紧实度和保水性提高。有机质、N、K、Ca、Mg含量基本上随尾煤泥施用量的增加而升高，P含量除M15外其余均低于CK，Fe含量除M10外其余均低于CK。整体上，蒙农大燕1号品种土壤中的养分含量高于草莜1号。

2.2 尾煤泥施用对燕麦茎叶养分含量的影响

由表3可知，燕麦茎叶中的N、P、K、Ca、Mg、Fe营养元素含量较高，且不同品种各元素于处理间差异显著。草莜1号茎叶中养分含量一致表现为，处理C10和C15基本上高于处理C5和C0；蒙农大燕1号中，处理M5的P、K含量最高，M10的Ca、Mg、Fe含量最高，M15的N含量最高。综合分析得出，草莜1号和蒙农大燕1号的尾煤泥施用量为7 500～15 000 kg·hm-2(C10、M10)时可增加燕麦茎叶养分含量，是以秸杆为饲料进行栽培的可选处理。

2.3 尾煤泥施用对燕麦产量的影响

燕麦品种在两年间干草产量见图1。2014年和2015年平均干草产量分别为12 230.1和11 573.3 kg·hm-2，比不施尾煤泥处理的干草产量分别高30.62%和41.37%。燕麦品种在两年间一致表现为干草产量无显著差异，两年平均显著高于C5与C0、M5与M0(P<0.05)，比C0和M0高36.61%、39.67%和48.98%、49.33%，说明施用尾煤泥15 000 kg·hm-2(C10和M10)是提高燕麦干草产量的适宜处理。

燕麦品种在两年间籽粒产量见图1。2014年和2015年平均籽粒产量为3 581.1 kg·hm-2和3 571.2 kg·hm-2，比不施尾煤泥处理的籽粒产量分别高11.28%和16.92%。当尾煤泥施用量为15 000～22 500 kg·hm-2时，燕麦品种在两年间一致表现为籽粒产量无显著差异，与其他处理差异显著(P<0.01)，分别比C0和M0增产17.87%和17.39%，说明施用尾煤泥可提高燕麦籽粒产量，最适宜的处理是尾煤泥施用量15 000 kg·hm-2。

表2 尾煤泥施用对土壤理化性质的影响

Table 2 Effect on soil physicochemical properties with coal tailing application

处理Treatment容重Soilbulkdensity/(g·cm-3)含水量Wateercontent/%pH养分含量 Nutrientcontent/(mg·kg-1)有机质OrganicmatterNPKCaMgFeCK1．03Bb13．25Ii7．8148．65DEde1．72De23．48Bb6．98Ii0．081Bb0．136Aa1．738AaC00．91Dd16．97Ee7．7247．90Ee1．56EFg10．27Fg8．98Ee0．080Bb0．139Aa1．656BCbcC50．98Cc19．00Cc7．7752．96Cc1．92Cc18．34Cd8．20Ff0．082Bb0．138Aa1．642BCcdC101．03Bb19．86Bb7．5954．97Bb1．76Dd18．58Cd9．76Cc0．088Aa0．135Bb1．680BbC151．11Aa20．42Aa7．7354．09BCb2．51Aa17．57De11．72Aa0．088Aa0．139Aa1．628CdM01．03Bb13．70Hh7．6749．27Dd1．52Fh16．52Ef7．42Hh0．078Bb0．134Bb1．488EfM51．10Aa14．87Gg7．6553．16Cc1．60Ef23．44Bb7．81Gg0．086Aa0．135Aa1．566DeM101．11Aa15．98Ff7．7358．46Aa2．43Bb23．04Bc9．37Dd0．089Aa0．138Aa1．762AaM151．11Aa17．45Dd7．5558．87Aa2．51Aa25．33Aa10．45Bb0．090Aa0．138Aa1．684Bb

数据后大、小写字母不同分别表示处理间在0.01和0.05水平上差异显著。

Different capital and lower-case letters following values mean significant difference at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

表3 不同处理下燕麦茎叶中的营养元素含量

Table 3 Nutrient element content in stem and leaf of oats under different treatments

处理TreatmentN/(g·kg-1)P/(g·kg-1)K/(g·kg-1)Ca/(mg·kg-1)Mg/(mg·kg-1)Fe/(mg·kg-1)C08．197Gg3．396Cc37．393Cc209．799Gg112．564Ee14．312EFefC59．294Ee3．089Dd42．690Bb269．903Bb121．456Dd14．660DEdeC1011．769Cc5．624Aa47．860Aa247．245Dd132．347Cc16．966BbC1513．390Aa3．660Bb32．450De259．954Cc160．997ABb17．298ABbM08．827Ff1．395Gg25．592Gh233．298Ff158．534Bb14．947CDcdM510．519Dd2．580Ee33．591Dd237．691EFef158．558Bb13．908FfM1011．896Cc1．558Ff28．713Ef289．652Aa166．054Aa17．747AaM1512．375Bb1．233Hh26．987Fg243．250DEde162．265ABab15．294Cc

Grs 和Gri代表干草产量和籽粒产量。

Grs and Gri represent hay yield and grain yield,respectively.

图1 不同处理下燕麦干草产量和籽粒产量

Fig.1 Hay yield and grain yield of oats under different treatments

2.4 尾煤泥施用对燕麦茎叶养分含量与产量关联度的影响

2014年和2015年，燕麦干草产量与茎叶养分含量的关联系数排序为：K(0.446 8)>Ca(0.419 4)>Fe(0.400 2)>P(0.382 1)>N(0.323 7)>Mg(0.251 9)，说明茎叶中K、Ca、Fe营养元素对于干草产量的贡献相对较大；籽粒产量与茎叶养分含量的关联系数排序为：K(0.571 1)>P(0.354 2)>N(0.314 5)>Ca(0.299 3)>Fe(0.297 1)>Mg(0.204 4)，说明茎叶中K、P、N含量对于燕麦籽粒产量的贡献相对较大。

3 讨 论

3.1 尾煤泥施用的安全性及对土壤结构的影响

安全且结构良好的土壤是植物健康生长的前提。尾煤泥是煤炭工业的尾矿废弃物，土壤施用与制作有机肥、缓释材料、吸附剂等的资源化利用[9-10]，存在的关键问题是重金属安全性。本试验中检测了尾煤泥中8种主要的重金属Ni、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As元素含量，均低于《城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质》标准(CJ/T 309-2009)中的规定限量，为尾煤泥的土壤施用提供了理论参考。

尾煤泥是含碳量高的有机废弃物。试验证实，施用尾煤泥15 000、225 000 kg·hm-2可增加燕麦地砂壤土的容重10.48%、14.87%，含水量提高16.84%、23.85%，即其保水保肥性能增强，与风化煤能提高复垦土壤含水量的研究结果一致[11]，尾煤泥的这一特性，与土壤结构改良剂提高燕麦水分利用率相同[12]；而对于土壤的紧实度，则有所差异，这与基础土壤的质地有关，由于尾煤泥有机碳含量高，增加了土壤有机质含量[5]，有机质既是植物营养的源泉，又是形成土壤良好结构的有机胶结剂，有机质含量是土壤肥力的重要指标[13-14]，因此对砂壤土和土体结构差的复垦土壤都有很好的改良效果。

3.2 尾煤泥施用对燕麦生长的影响

据报道，速效钾含量<90 mg·kg-1属土壤肥力极低；速效钾含量>450 mg·kg-1的土壤肥力极高[15]。本试验土壤基础养分中速效钾含量为82.94 mg·kg-1，属缺钾土壤；肥料是燕麦产量和品质的重要保障，N、K配施，可以促进燕麦生长、提高产量[16]。尾煤泥中N、P、K、Ca、Mg、Fe含量中，含量最高的是N，其次是K，因此施用尾煤泥可以使燕麦根系吸收大量的养分，并运输到地上部，表现为各处理茎叶养分含量均高于对照，元素含量总体表现为K>N>P>Ca>Mg>Fe，促进了产量的形成。

燕麦干草营养价值较高，可作为饲料之用。燕麦茎叶中的N、P、K、Ca、Mg、Fe元素含量与产量的相关性分析得出，与干草产量关联系数较高的是K、Ca、Fe含量；各营养元素与籽粒产量关联系数较高的是K、P、N含量。说明对于形成干草产量贡献最大的元素是K、Ca、Fe含量，形成籽粒产量贡献最大的元素是K、P、N含量。K是提高干草产量与籽粒产量的首要元素[17-18]，可能与供试土壤K素水平低有关，符合植物营养最小养分率的理论观点。

多数研究证实，燕麦品种间产量存在着较大差异[19-20]，施用尾煤泥处理的草莜1号品种产量高于蒙农大燕1号。两品种一致表现为，以尾煤泥施用量为15 000 kg·hm-2左右可获得较高干草产量和籽粒产量，粮饲兼用型草莜1号品种，可适量多施；而品质相对较高的蒙农大燕1号品种，则应适量少施。

4 结 论

煤炭工业废弃物尾煤泥中的重金属Ni、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As含量低于标准CJ/T 309-2009)中的规定限量。施用尾煤泥15 000 kg·hm-2可增加砂壤土的容重10.48%，提高保水性能(土壤含水量提高16.84%)，保持土壤养分含量，有利于土壤培肥，对砂壤土有改良作用。

施用尾煤泥显著增加燕麦茎叶中N、P、K、Ca、Mg、Fe含量，是形成干草产量的基础，因此，施用尾煤泥的土壤可以生产营养丰富的燕麦干草饲料。尾煤泥中较高的K含量是形成燕麦产量的主要因素之一。尾煤泥施用15 000 kg·hm-2左右，两年平均提高燕麦干草产量和籽粒产量42.79%和17.63%，是尾煤泥直接用于土壤施用的最佳用量。

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Heavy Metals Security of Coal Tailing Application and Its Effect on the Soil Structure and Oats Growth

WU Junying, ZHAO Baoping, LIU Jinghui, YANG Jin

(Inner Mongolia Agricultural University,Hhhot,Inner Mongolia 010019,China)

In order to promote the application of coal tailing, a waste of coal processing, in agricultural soils, two varieties(Caoyou 1 and MNDY 1) with strong adaptability were selected as materials. A field trail was conducted on sandy soil with different application of coal tailing of 7 500 kg·hm-2, 15 000 kg·hm-2, and 22 500 kg·hm-2, with no application as control. The heavy metals and nutritional composition in coal tailing, soil and oat stem and leaf were analysed. The results showed that, the contents of heavy metals, such as Ni, Cu, Zn, Pb, Cr, Cd,Hg and As, in coal tailing were lower than the limit amount listed in the standard of “Urban sewage treatment plant sludge disposal:Agricultural muddy”(CJ/T309-2009). The coal tailing significantly(P<0.01) improved the nutritional composition of the soil and oats. The influence of coal trailing on the two oat varieties showed consistent trend. The K content in oat stem and leaf was highly correlated with hay yield and grain yield, with the correlation coefficients of 0.446 8 and 0.571 1, respectively. To conclude, the industrial waste coal tailing has great nutrients and could be safely used in soil. The optimum application amount was suggested as 15 000 kg·hm-2for oat planting, which could increase bulk density of sandy loam soil and water content by 10.48% and 16.84%, and increase yield of oat hay and grain by 42.79% and 17.63% in two years.

Oats; Coal tailing; Heavy metals; Minerals

时间：2017-03-07

2016-09-17

2016-12-26

现代农业产业技术体系建设项目(CARS-08)；内蒙科技计划项目(201501037)

E-mail：nmbtwjy@163.com

刘景辉(E-mail：cauljh@163.com)

S512.6；S311

A

1009-1041(2017)03-0414-06

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170307.1639.044.html