添加粉煤灰对煤矸石基质性质和植物生长的影响

范秋运,张超英,耿玉清,韩秀娜,陈 琳

(北京林业大学林学院，100083，北京)

西北干旱荒漠区是重要的煤炭能源供给基地。随着经济的发展，大规模高强度的开发使该区域自然生态系统变得更加脆弱[1]。煤矸石是在采煤和洗煤过程中排放出的固体废弃物，大量煤矸石长期堆积形成的煤矸石山，加剧了水土流失和生态功能的进一步退化[2]。植被恢复是矿区生态环境改善的重要措施[3]。然而，矿区周围适宜植物生长的土壤缺乏，且受运输成本的限制以及客土方法存在引起他区水土流失的风险使植被恢复的进程较为困难。煤矸石作为矿区采煤活动的副产物，因组成与土壤相似，并含有植物生长所需要的营养元素，常作为添加剂或基质成分以栽培植物[4]。然而，煤矸石结构性差和持水性低的特点在一定程度上影响了煤矸石的有效利用[5]。

粉煤灰是煤燃烧发电产生的微细颗粒。虽然粉煤灰碳氮养分贫瘠以及结构较为松散，但其比表面积大、活性基团较多且吸附能力较强，可以用作土壤改良剂促进植物的生长[6]。有研究表明，添加粉煤灰可降低土壤密度、增大总孔隙度，提高土壤的持水性能[7-8]。此外，在矿区新土体构建中，将煤矸石和粉煤灰的混合应用也引起广泛关注。况欣宇等[9]研究表土、煤矸石、粉煤灰及岩土剥离物作为适宜基质的配比。胡振琪等[10]研究风化煤、煤矸石及粉煤灰等煤基生物土的配比。研究结果表明，适宜的配比可改善土壤孔隙度、含水量和养分含量并促进植物生长。

矿区生态环境的改善依赖于植被恢复以及适宜的土体。因粉煤灰产生量巨大，研究粉煤灰的合理利用是消纳固体废弃物的重要途径之一[11]。此外，充分利用矿区废弃物资源构建新土体，使其满足植物生长的需求，是减少水土流失和进行矿区植被恢复的首要问题[12]。前人对添加粉煤灰的土壤性质研究主要集中在土壤理化性质和植物的生长，但对土壤微生物群落结构特征的影响还不清楚。笔者以煤矸石土壤混合基质为研究对象，添加不同比例的粉煤灰，通过盆栽培养实验，研究粉煤灰对矸石基质物理、化学和生物学性质的变化以及对植物生长的影响。研究结果可为矿区固体废弃物的利用以及矸石山新土体的构建提供数据支撑，同时对促进矿区植被恢复进程有一定的意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试煤矸石采自宁夏回族自治区灵武市羊场湾煤矿的排矸场，供试生土采自排矸场附近0～5 m土层深的自然土体。生土的质量分数颗粒组成为砂粒65.8%、粉粒27.5%和黏粒6.7%，密度为1.35 g/cm3。将生土和人工破碎的煤矸石过2 mm筛备用。粉煤灰之所以能改善土壤的性质，与其具有的粒细质轻、比表面积大和吸附能力较强的特征有关。基于取材的便利，供试粉煤灰取自内蒙古自治区乌海市海南区西来峰发电厂。受到燃料种类和燃烧方式的影响，粉煤灰中残留少量的碳[13]。试验所用材料的理化性质如表1所示。

表1 供试材料的主要理化性质

1.2 试验设计与基质培养

本研究设置煤矸石与土质量比为1∶1的矸石基质。将粉煤灰按照0、10%、30%、50%(分别表示为CK、F10、F30和F50)的质量比例分别添加到煤矸石基质中。混合均匀的粉煤灰矸石基质装入高13 cm，底部直径8 cm的塑料盆中，每盆盆栽基质的质量为2 kg。研究共设置4个处理，每个处理3个重复。

试验于2020年7月在北京轻工业环境保护研究所生态修复试验基地进行。先浇水培养盆栽基质1个月，然后将高羊茅(Festucaelata)种子均匀撒播于盆栽基质中。盆栽基质培养3个月后，测量高羊茅的生长高度，同时取原状盆栽基质和植物分析样品。取50 g左右盆栽基质样品置于4 ℃冰箱保存，用于测定盆栽基质水溶性碳含量；20 g送科学指南针(https:∥www.shiyanjia.com)测定微生物磷脂脂肪酸；剩余部分经风干后用于化学性质的测定。

1.3 基质理化性质和植物生长量及养分的测定

盆栽基质密度和田间持水量采用环刀法测定；盆栽基质砂粒、粉粒和黏粒含量用吸管法测定；盆栽基质pH用酸度计测定；盆栽基质电导率用电导率仪测定；盆栽基质有机碳用浓硫酸-重铬酸钾氧化水合热法测定；盆栽基质水溶性有机碳用总有机碳/氮分析仪测定[14]；盆栽基质碱解氮用碱解扩散法测定；盆栽基质有效磷用碳酸氢钠浸提，钼锑抗显色法测定；盆栽基质速效钾用醋酸铵浸提，火焰光度计测定。

采用烘干法测定植物地上和地下生物量。植物样品用H2SO4—H2O2法消煮。消煮后用全自动凯氏定氮仪测定全氮，用钼锑抗显色法测定全磷，用火焰光度计测定全钾。

1.4 微生物磷脂脂肪酸的提取和测定

称取冷冻干燥土样5.0 g，用Bligh-Dyer提取液多次振荡提取脂类，用氯仿和丙酮洗去样品中的中性脂和糖脂，再用甲醇分离收集磷脂脂肪酸，然后用甲醇甲苯混合液甲酯化已经分离得到的磷脂脂肪酸，最后用氮气吹干得到磷脂脂肪酸甲酯。利用带有MIDI鉴定系统的气象色谱仪(N6890，安捷伦，美国)分析各种脂肪酸甲酯含量，采用Frostegard法[15]进行脂肪酸命名。依据相关文献[16-17]将所测得磷脂脂肪酸的生物表征分为细菌、真菌和放线菌。

1.5 数据处理

使用SPSS 21.0和Canoco 5.0进行数据分析，采用CanoDraw作图。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较不同处理间盆栽基质的理化性质以及微生物群落特征，用最小差异法(LSD)比较差异的显著性。采用冗余分析(RDA)探讨盆栽基质性质与植物生物量和养分之间的关系。

2 结果与分析

2.1 对盆栽基质物理性质的影响

不同处理间盆栽基质的物理性质有一定差异(表2)。随着粉煤灰添加量的增加，盆栽基质的密度和砂粒质量分数逐渐降低，田间持水量和粉粒质量分数逐渐增加。其中，F30和F50处理的砂粒质量分数分别比CK降低11.86%和25.75%，粉粒质量分数分别增加54.92%和107.58%，田间持水量分别增加25.00%和79.45%。这说明添加粉煤灰可影响盆栽基质的颗粒组成，使粉粒质量分数增加，砂粒质量分数减少。由于细颗粒的增加，导致盆栽基质的保水能力增强。

表2 不同粉煤灰添加量盆栽基质的物理性质

2.2 对盆栽基质化学性质的影响

粉煤灰的添加降低盆栽基质的pH值，而F10、F30和F50处理之间差异不显著(表3)。盆栽基质的电导率随着粉煤灰添加的提高而增加，F50处理的电导率最高，为1.92dS/m。与CK相比，添加10%和30%的粉煤灰没有显著降低盆栽基质的有机碳含量，而添加50%的粉煤灰与CK相比显著降低21.59%。但添加粉煤灰增加了盆栽基质水溶性有机碳的含量，其中F50处理增加17.39%，这表明粉煤灰增加水溶性有机碳的能力较弱。就有效磷而言，CK为4.16 mg/kg，F10、F30和F50处理分别增加36.30%、70.19%和119.23%。F30和F50处理的速效钾含量显著高于CK。表明较高比例的粉煤灰添加量可以增加盆栽基质中有效磷和速效钾含量。

表3 不同粉煤灰添加量盆栽基质的化学性质

2.3 对盆栽基质生物学性质的影响

粉煤灰添加显著影响盆栽基质磷脂脂肪酸(PLFAs)的含量(表4)。与CK相比，添加30%和50%的粉煤灰显著提高盆栽基质总磷脂脂肪酸(TotPLFAs)和细菌PLFAs的含量。F30处理的细菌PLFAs含量比CK增加47.75%。F50处理的总PLFAs含量和真菌PLFAs含量比CK分别增加43.04%和159.40%。整体而言，添加高含量的粉煤灰提高盆栽基质总磷脂脂肪酸和细菌磷脂脂肪酸含量。此外，F50处理的真菌/细菌比值(F∶B)显著高于CK，而CK、F10、F30处理之间差异不显著。

表4 不同粉煤灰添加量盆栽基质生物学性质

2.4 对植物的生长状况及养分含量的影响

不同盆栽基质间植物的生物量和养分含量差异显著(表5)。随着粉煤灰添加比例的提高，高羊茅株高、地上和地下生物量逐步增加，当粉煤灰添加量为50%时达到最高。地上和地下生物量较CK分别增加132.26%和96.87%。就植物的养分含量而言，添加粉煤灰显著提高高羊茅的叶片养分含量，当添加量为50%时，植物全氮、全磷和全钾分别比CK增加了43.11%、117%和80.33%。由此可见，在煤矸石基质中加入较高比例的粉煤灰有利于植物的生长和养分的积累。

表5 不同粉煤灰添加量植物生长状况及养分含量

2.5 植物生物量和养分含量与盆栽基质性质之间的相关性

植物生物量和养分含量与盆栽基质性质的冗余分析结果显示(图1)，第一轴(RDA1)和第二轴(RDA2)分别解释94.5%和0.4%。盆栽基质田间持水量、粉粒含量、电导率、水溶性有机碳、有效磷、速效钾和微生物PLFAs与植物生物量和养分含量呈正相关，其中粉粒含量、有效磷和田间持水量的解释比例在80%以上；盆栽基质密度、砂粒含量、黏粒含量和有机碳与植物生物量和养分含量呈负相关。

BD为密度；FC为田间持水量；SA为砂粒；SI为粉粒；CL为黏粒；EC为电导率；SOC为有机碳；DOC为水溶性有机碳；AN为碱解氮；AP为有效磷；AK为速效钾；TotPLFAs为总磷脂脂肪酸；BAC为细菌磷脂脂肪酸；FUN为真菌磷脂脂肪酸；ACT为放线菌磷脂脂肪酸； PLH为株高；AB为地上部生物量；UB为地下部生物量；PTN为植物样全氮质量分数；PTP为植物样全磷质量分数；PTP为植物样全钾质量分数。BD, bulk density; FC, field capacity; SA, sand; SI, silt; CL, clay; EC, electrical conductivity; SOC, soil organic carbon; DOC, dissolved organic carbon; AN, alkali hydrolyzable nitrogen; AP, available phosphorus; AK, available potassium; TotPLFAs, total phospholipid fatty acids; BAC, bacterial PLFAs; FUN, fungi PLFAs; ACT, actinomyces PLFAs; PLH, plant height; AB, aboveground biomass; UB, underground biomass; PTN, plant total nitrogen; PTP, plant total phosphorus; PTP, plant total potassium. 图1 植物生物量和养分质量分数与盆栽基质性质之间的冗余分析Fig.1 Redundancy analysis between plant biomass and nutrient contents and properties of potting substrates

3 讨论

3.1 对煤矸石基质化学性质的影响

一般认为，粉煤灰呈碱性，将其加入酸性土壤中可提高土壤的pH值。但也有研究发现随着基质中添加粉煤灰比例的增加，pH值随之降低[18]。本研究发现，添加粉煤灰可降低盆栽基质的pH值。基质pH值的降低可能与多种原因有关。比如煤矸石中活性物质的浸出[19]和粉煤灰中活性SiO2和Al2O3的水化作用[20]。然而添加10%、30%和50%粉煤灰盆栽基质的pH值之间并无显著差别。这可能与粉煤灰的缓冲性能有关[21]，关于这一点还需要进行深入研究。土壤导电率值的大小取决于土壤中离子浓度的大小。本研究中随粉煤灰添加量的增加盆栽基质的导电率值增加，这与粉煤灰中含有大量的可溶性盐分离子有关[22]。

土壤有机碳是表征土壤质量的重要指标之一。本研究表明，随着粉煤灰添加量的提高，盆栽基质的有机碳含量降低，这与粉煤灰中碳氮含量较低有关。水溶性碳是土壤的活性组成部分，粉煤灰的添加提高水溶性碳含量。一方面，这可能与煤矸石的风化过程中，有机物质的矿化释放有关[23]；另一方面，高羊茅生物量的提高，也可能导致盆栽基质有效态碳的增加。此外，随着粉煤灰添加量的增加，盆栽基质有效磷和速效钾的含量也随之增加，这与粉煤灰中含有大量的磷钾元素有关[10,24]。

3.2 对盆栽基质微生物的影响

添加粉煤灰改变了基质的理化性状，进一步影响到微生物群落的变化。前人研究发现，添加粉煤灰可显著增加土壤中细菌和放线菌含量[25]。但也有研究发现，添加10%的粉煤灰未影响微生物群落的变化[24]。而高比例的粉煤灰添加可导致土壤中真菌数量的减少[22]。由此看来，粉煤灰添加量对微生物群落影响有差异。本研究中发现添加少量粉煤灰没有影响盆栽基质中总PLFAs、细菌PLFAs和真菌PLFAs含量，而随粉煤灰比例的提高显著增加微生物PLFAs含量。这与添加粉煤灰使盆栽基质的田间持水量增加，从而增加微生物总量有关[26]。此外，土壤水溶性有机碳作为微生物可直接利用的碳源，其含量的增加可能导致盆栽基质微生物含量的增加[27]。

3.3 对植物生长的影响

水分是植物生长的必要条件，在煤矸石基质中加入粉煤灰可改善基质的机械组成，从而增加基质的保水性。赵智等[28]研究发现，粉煤灰的添加可以促进沙土中植物的生长并提高产量。Panda等[29]研究发现在土壤中添加50%的粉煤灰可以显著提高植物的生物量。本研究发现煤矸石基质中粉煤灰添加的比例越高，高羊茅的生物量越大，同时植物样品中的养分含量越高。原因可能是粉煤灰添加量的增加降低盆栽基质密度并增加田间持水量，为植物生长提供了更多水分。另一方面，粉煤灰中含有植物生长所需的磷钾等大量元素，在土壤中添加粉煤灰可以改善植物的生长状况，增加植株生物量和氮磷含量[6]。尽管从数学分析得出有机碳与植物生长是负相关关系，但水溶性有机碳呈增加趋势，且微生物并未受到影响。因此，添加粉煤灰引起的有机碳减少，并未引发植物生长不良的结果。

从本研究的结果来看，添加30%和50%粉煤灰的盆栽基质化学性质和微生物总量差异性较小，而添加50%粉煤灰相比于添加30%粉煤灰显著增加植物生物量。然而，添加50%粉煤灰显著提高盆栽基质F∶B值，促进盆栽基质中真菌的发育。但真菌中的一些致病菌可能不利于土壤生态系统的健康[30]。因此，在植被恢复中，并不是粉煤灰越多越好。应在一定范围内限制粉煤灰在煤矸石基质中的添加量。

4 结论

粉煤灰的添加降低煤矸石基质的密度，提高田间持水量，降低有机碳含量，提高盆栽基质的磷钾养分含量和总磷脂脂肪酸和细菌磷脂脂肪酸含量。在不同的粉煤灰添加量中，添加30%和50%粉煤灰的处理促进植物生物量的增加和养分的积累。因此将粉煤应用到煤矸石基质的改良中作为植物生长的基质，不仅有利于煤矸石废弃物的销纳也可以改善土壤质量。基于本研究结果，可选择在煤矸石基质中添加30%～50%的粉煤灰作为植物生长的基质。此外，由于此研究是在室内进行的控制实验，将粉煤灰与煤矸石基质混合后对植物的长期影响还需通过田间试验深入探究。