陕西澄合矿区煤矸石绿化基质研究

胡 恬，张 琨

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省岩土工程试验教学中心，陕西 西安 710600)

0 引 言

作为世界最早利用煤的国家，煤炭一直是中国生产、生活的主要能源来源之一，在其快速推进经济发展的同时，煤矿开采过程中排出了大量固体废弃物如煤矸石，目前在中国仅有极少部分的煤矸石能够进行二次利用，剩余的多直接在矿井周围随意堆置，形成了煤矸石废弃地，不仅严重的侵占了土地，引发的土壤和地下水污染甚至煤矸石的自燃还会造成大气污染，对周围居民的人身安全、乃至社会经济发展等产生严重影响[1-2]。中国煤矸石产生量约占煤炭开采量的10%～15%，目前已形成1 500座矸石山，贮存煤矸石超过30亿t、占地近30万亩[3]。因此，对煤矸石废弃地进行有效的生态恢复，就成为了当前国内外研究的热点[4]。

李朋辉等通过对煤矸石性质的分析，提出了一种对含Si、 Al等物质进行分级提取和高值利用的研究思路[3]；袁向芬等利用硅酸盐细菌和芽孢杆菌处理高硫煤矸石并生产煤矸石肥料，研究了2种细菌的混合比例等因素对制备煤矸石肥料的影响[5]；闫钦运以矿绿化矸石山和裸露矸石山为研究对象，研究了植被恢复对矸石山生态环境效应的影响[6]；王伟等对山西省阳泉市煤矸石山小气候特征、地形条件、煤矸石理化性质、水分和生物特点进行了调查分析，提出了地表温度、侵蚀状况、pH值和含水量是影响植物生长的主要因子[7]；汪家铭提出了以新型肥料改善肥料品质和性质及提高肥料的利用率的观点[8]。由于不同研究区地质因素及煤矸石成分的差异，煤矸石基质改良机理与改良过程亟需进一步研究。

选取陕西澄合煤矿的煤矸石废弃地为研究对象，将煤矸石进行粉碎，向其中添加自制的具有保水与固定双重功效的CADX保水剂、土壤、缓释肥和菌肥等材料，通过进行相关配比试验和植物生长试验[9-10]，得到了能够应用于当地煤矸石废弃地生态恢复的改良绿化基质。

1 区域地质概况

澄合矿区地处陕西省澄城、合阳两县境内，西与洛河相连，和蒲白矿区相接，东临黄河，东北部以北良-龙亭为界，北与韩城矿区相邻，东西长约60 km，南起煤系地层露头，宽约15 km[11](图1)。

由于地处陕西，矿区夏季较长，最高温度甚至可达39.3 ℃，煤矸石废弃地存在有自燃、煤矸石山爆炸的危险性。由于大量煤矸石长期的堆积，伴随雨水淋溶，会产生酸性废水并携带重金属离子，进而会污染地下水和土壤[12-14]。

2 实 验

2.1 试验仪器及材料

1)试验用煤矸石：对试验所用煤矸石进行理化分析(表1，表2)，得到煤矸石矿物组成成分和化学性质。

从表1，表2中可以看出，澄合矿区的煤矸石硅、铝氧化物含量较高，氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠的百分含量占到了总量的20%左右，而植物生长所需的营养物质如氮、磷、钾含量较低，这样的成分配比不利于后续进行植被重建的过程。因此，研究中向粉碎的煤矸石中添加了自制的保水剂、市售的肥料等材料，以获得适应植物生长的绿化基质[15-19]。

表2 澄合矿区煤矸石化学性质表

2)试验用土：以澄合矿区周边土壤为种植基质，土壤主要为黄绵土，底土仍显黄土母质特征，黄绵土的颗粒组成和黄土近似，主要由0.25 mm粒径以下颗粒组成，并以细砂粒和粉砂粒为主，土质疏松、通气透水性较好，土壤养分组成及化学性质见表3。

表3 澄合矿区土壤化学性质表

3)保水剂：采用市售的普通保水剂(西安鸿森农业生态科技股份有限公司生产，简称P)和自制保水剂(CADX保水固沙剂[8]，简称CADX)进行试验。

4)菌肥、缓释肥：采用西安德龙生物科技有限公司生产的生物菌肥、西安汇昌农资有限公司生产的缓释肥。

5)试验草种：以高羊茅作为试验植物种，从中国农业科学院购买，纯度为100%，发芽率为95%。

2.2 保水剂配比试验

2.2.1 CADX的制备

取500 mL锥形瓶一只，加入75份(质量份，下同)的丙烯酸和24份氢氧化钠固体，搅拌至中和pH值调整为7，加入300份蒸馏水并混匀，再加入0.03份过硫酸铵，在N2保护恒温40 ℃的条件下，进行聚合反应，得到反应溶液A。

取一只500 mL的烧杯，加入羧甲基纤维素钠100份，再加入600份蒸馏水，在加热条件下使羧甲基纤维素钠充分溶解，冷却至室温后，得到反应溶液B。将A，B反应溶液混合，置入反应器内，在60 ℃的条件下，加入安息香乙醚和甘油混合物(1∶2)0.8份及改性剂A 0.1份，搅拌30 min，之后将搅拌均匀的反应液放置在紫外灯下照射25 s后，再向其中加入改性剂B0.3份，放入微波辐射活化器中进行微波活化15s，得到透明的胶状物质，将其过滤，用95%的乙醇进行洗涤，洗去杂质后，放入烘箱，在180 ℃的温度下干燥2～3 h，粉碎后即得到成品CADX[6](图2)。

图2 自制保水剂CADX制备流程Fig.2 Preparation process of CADX

自制的CADX，通过改性剂的促进作用以及微波辐射活化作用，形成了一种交联网状的立体组织结构，这种特殊的结构可以促使CADX在能够有效吸水保水的同时，利用分子间作用力将颗粒物质进行紧密的粘结，达到固定基质的作用，选择CADX作为绿化基质的一个组成部分，通过试验来判定其在基质中的最佳配比。

2.2.2 试验分组

采用市售普通保水剂(简称P)和自制保水剂(CADX)2种保水剂进行试验(表4)。

表4 保水剂配比分组

2.2.3 试验过程

将试验土壤置于干燥箱中以70 ℃温度烘干至恒重；等量土样分别装入试验圆盘；按设计水平称出保水剂用量(倒入基质均匀混合后平铺)；用细喷雾器在每一圆盘的土壤中加入150 mL水；放置在室内让其自然蒸发，记录温湿度，每隔24 h记录一次，连续观测20 d；保水性能测定结束后，使用土壤硬度计进行测定。

2.3 基质配比试验

应用正交试验法对试验中土壤、保水剂、混合肥、菌肥的配比及组成进行设置，选择四因素四水平来设计，对各基质的日蒸发量作比较，观察基质的保水性能，并对高羊茅的生物量进行分析[11]，以此来判断高羊茅对试验基质的适宜性。

2.3.1 试验分组

试验的各因素均设4个水平，各水平的设置用量参照了实际生产过程及产品说明中的用量(煤矸石基质中的土壤用量采用质量百分比来表示，保水剂、缓释肥及菌肥的使用量均为每kg煤矸石基质中的使用量)(表5)，在土壤中播种高羊茅进行植物生长试验(表6)。

表5 因素水平表

表6 正交试验表

2.3.2 播种方法

将配置好的各种基质装入花盆，每盆中依次撒入100粒高羊茅种子，高羊茅开始出苗，两周后高羊茅的出苗数基本稳定。

2.4 结果与分析

2.4.1 保水剂配比

改变保水剂配比，对土壤的水分蒸发量进行了考察。随着时间的增加，各壤土试样的水分蒸发量趋势逐渐减少，最后基本维持在一条水平线上。保水剂P在添加了不同比例的CADX保水剂后，保水性能有了较明显的提升，并且添加CADX的比例越高，获得的保水效果越好(图3)。

图3 不同配比的保水剂对土壤水分蒸发量的影响Fig.3 Effects of different ratios of water retaining agent on soil water evaporation

2.4.2 播种初期基质内水分蒸发分析

在基质中播种完成后，需要人工浇水，确保基质中含有充足的水分来满足种子发芽的生长需要，但是在北方干旱半干旱地区，降雨较少，如果长期采用人工灌溉方式将会加大种植成本[20-23]，因此，需要考察添加保水剂后基质内的水分蒸发情况。

通过4组试验对比，可以看出，添加了CADX保水剂后，基质的日蒸发量显著降低，但是降低趋势和保水剂的增加之间没有明显的相关性，因此在实际操作时可选择最适添加量。4组试验中土壤含量不同，而CADX保水剂添加量相同时，基质的水分蒸发量变化没有和土壤的变化产生明显关联(图4)，每一组基质的水分蒸发量并没有跟随着保水剂用量的增加而减少，而当基质中添加保水剂的质量为15g时，蒸发量较小。对4组基质中各组蒸发量的总和进行对比，蒸发量最少的为第1组，而蒸发量最大的是第4组[24-26]。由图5可以看出，在土壤体积条件一样的情况下，有保水剂基质的水分蒸发量明显减小。

图4 基质水分日蒸发量曲线Fig.4 Daily water evaporation curves of matrix

图5 基质水分总蒸发量Fig.5 Total water evaporation of matrix

2.4.3 植物生长状况分析

一般情况下，高羊茅的出苗数在播种两周后达到稳定状态，3个月后高羊茅的生长情况基本结束，对其进行成苗率的统计分析，并结合因素水平进行极差分析。

对高羊茅的观测数据进行极差分析，结果见表8，可以看出基质中各因素对成苗率影响的主次顺序是土壤>保水剂>缓释肥>菌剂，各基质配比中的最优组合为A4B4C2D3，考虑到保水剂添加量为15 g时基质水分蒸发量最少，可将最优组合调整为A4B3C2D3，在后续的试验中可进一步对此方案进行优化。

表8 极差分析表

3 结 论

1)基质在添加CADX保水剂后，保水效果较普通保水剂明显提升，且随着用量的增加，保水效果呈增大趋势，可有效增加土壤保水容量，并且能有效富集土壤中的微量元素。但由于CADX保水剂成本高于普通保水剂，因此随着用量的增加，成本在逐渐提高。经过多组试验对比，选用普通保水剂和CADX保水剂的比例为1∶1时，在成本较低的情况下可保证较好的试验效果。

2)自制的CADX保水剂具有良好的保水性能和独特的交联网状互穿结构，在添加保水剂后的15 d中，根据试验观测，发现添加保水剂的基质水分蒸发量显著降低。

3)煤矸石与土壤质量比为400∶600、添加15 g/kg保水剂、3.5 g/kg缓释肥及10 g/kg菌肥时，可以得到最优的基质配比方案。根据正交试验结果可知缓释肥和菌肥这2种因素对高羊茅的生长的贡献率较低，在进行实际种植时可根据当地情况进行酌量增减。