煤泥特性及其对砂性土物理性质的影响

刘 誉，索全义，刘 巍，赵才毅，余晓雯，蔺方春，张 鹏，钟 磊

（1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院/内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古呼和浩特 010011；2.内蒙古茂元腐殖酸科技有限公司，内蒙古 德岭山镇 015300；3.兴安盟农牧技术推广中心，内蒙古 乌兰浩特 137400；4.内蒙古自治区农畜产品质量安全中心 内蒙古呼和浩特 010020）

煤泥泛指煤粉含水形成的半固体物，是煤炭生产过程中的一种产物[1]。由于煤泥具有高水分、高黏性、高持水性和低热值等诸多不利条件，在工业应用方面，很难与煤炭竞争[2-3]。据统计，2017年我国共产生了近3亿t的煤泥，而同年的一般工业固体废物利用率仅为54.6%。这意味着2017年有1.4亿t左右的煤泥并未被合理利用，且多处于露天粗放式堆放状态。煤泥的粗放式处理不仅浪费了资源，更造成了严重的环境问题[4]。因此，寻找煤泥利用的有效途径是值得关注的问题。

土地沙化是表土失去细粒（粉粒、黏粒）而逐渐沙质化或流沙（泥沙）入侵导致土地生产力下降甚至丧失的过程[5]。我国沙区每年因风蚀损失的土壤有机质及氮、磷、钾等达5 590万t[6]，加剧了土壤贫瘠，甚至导致部分土壤失去农、牧业生产能力，对农业生产的发展、农民生活均有严重的影响。

近年来，人们致力于寻找煤基固体废弃物等多向的利用方式，希望减轻因其所带来的环境污染。研究表明，污泥施用能够改善土壤的理化性质，给土壤带来有机质和氮、磷、钾等营养元素，增加土壤的孔隙度和阳离子交换量，提高土壤的稳定性和保水保肥能力[7-8]。熊江波等[9]采用室内模拟降水试验，发现随污泥施用量的增加，沙土中总氮和总磷含量明显增加，污泥施用量为1.5 g/cm3时，沙土中各项重金属含量均远小于土壤环境三级标准，具有较好的安全性。赵亮等[10]进行了粉煤灰对沙质土壤物理特性的改良试验，发现施用粉煤灰能有效地增大沙质土壤容重，降低沙质土壤的孔隙度，显著减弱沙质土壤沙性，增强沙质土壤水分利用效率。赵红艳等[11]通过盆栽试验研究了不同用量泥炭对沙土的改良效果，发现泥炭能提高混合沙土的持水能力，降低沙土的pH值和容重，增加沙土的有机质、速效氮和腐殖酸含量，且与CK相比，施入泥炭对盆栽白菜的生长和生物量均有促进作用。郭继光等[12]分析了矿区覆盖土与煤泥的理化性质，通过观察植物生长状况及分析种植后不同处理的覆盖土性质，发现煤泥作为覆盖土改良剂可降低覆盖土的密度、增加田间持水量。

通过应用固体废弃物改良土壤，一方面可以提高资源利用率，另一方面也可以扩大有效耕地面积，对保障粮食安全有重要意义。因此，本试验在探索煤泥特性的基础上，进行了煤泥不同用量对砂性土物理性质影响的研究，旨在了解煤泥对砂性土的改良效应，为探寻煤泥在农业上的有效利用途径奠定基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

煤泥：内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗浩翔洗煤厂。

试验用砂性土：内蒙古自治区鄂尔多斯市库布齐沙漠东北边缘。

1.2 试验设计

试验设5个处理，分别为：砂性土（CK）、低量煤泥处理（L-1，15 t/hm2）、中量煤泥处理（L-2，45 t/hm2）、高量煤泥处理（L-3，75 t/hm2）和超高量煤泥处理（L-4，135 t/hm2），重复 3 次。

采用无植物模拟培养试验，将采集到的砂性土风干、充分混合，过2 mm筛，依据试验设计方案和煤泥充分混合后，装入直径5.5 cm，高30 cm且上部1 cm左右的位置有通气孔的塑料培养盆，上端封口避免水分过量蒸发并埋入土中。整个试验过程采用人工补水，维持田间持水量的70%左右。

1.3 样品采集

在培养150 d后取样（内蒙古无霜期为150 d左右，模拟作物1个生育期），取0～20 cm土样混合均匀后风干、过2 mm筛，用于土壤物理性质的测定。煤泥为内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗浩翔洗煤厂多日煤泥产物混合样品。

1.4 测定项目与方法

粒级组成使用AntonPaarPSA1190激光粒级分析仪，容重、孔隙度﹑保水性能测定采用环刀法[13]，非毛管孔隙度比例为总孔隙度与毛管孔隙度之差，铅、镉含量测定采用石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997），砷含量测定采用原子荧光光谱法（GB/T 22105.2—2008），汞含量测定采用Y原子荧光光谱法（GB/T 22105.1—2008），铬含量测定采用原子吸收分光光度法（GB/T 23349—2009），煤泥主要成分相对含量测定采用X射线荧光光谱分析法，煤泥轻组有机碳、重组有机碳测定采用相对密度分组法[14]。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2016软件计算数据及绘制图表，SPSS 20.0统计学软件对试验数据进行方差分析和显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 煤泥特性

2.1.1 煤泥重金属含量

由表1可知，试验材料煤泥重金属汞含量为0.30 mg/kg，占标准规定值的11.55%。铬含量为的3.20 mg/kg，占标准规定值 0.32%。镉、汞、铅、铬、砷5类重金属含量较低，仅占《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》（GB/T 24600—2009）[15]标准规定值的0.32%～11.55%，作为土壤改良剂施用具有较高的安全性，不会引起土壤重金属污染。

表1 煤泥重金属含量Table 1 Coal slime heavy metal content

2.1.2 煤泥的粒级组成

依据土壤粒级分析标准[16]将煤泥粒级进行分类（表2）。由表2可知，煤泥的粒径组成共分为黏粒、粉粒、砂粒3种，黏粒共占7.70%，其中，细黏粒占3.02%、粗黏粒占4.68%；粉粒共占65.74%，其中，细粉粒占11.88%、中粉粒占12.30%、粗粉粒占41.56%；砂粒共占26.57%，其中，细砂粒占26.57%、粗砂粒为0。黏粒、粉粒都具有较强的保水性能，其含量高达73.43%，为煤泥增加砂性土持水量以及保水性能提供了可能性。

表2 煤泥粒级分布Table 2 Coal slime particle size distribution

2.1.3 煤泥的元素组成

由表3可知，煤泥中SiO2相对含量最高（为48.94%），Al2O3相对含量次之（为 22.23%）。Si2+和Al3+均为有益元素对提高作物产量方面有积极作用，相对含量共占71.17%；K2O和P2O5是钾肥和磷肥的有效成分，相对含量共2.02%；含植物必需中量元素CaO、SO3、MgO，相对含量共 18.00%；含植物必需的微量元素 Fe2O3、MnO、ZnO、CuO、NiO，相对含量共6.73%；其他物质总相对含量不足5.00%，对土壤以及植物影响较小。因此，煤泥在砂性土中施用会为植物的生长提供更全面的营养元素，可能具有促进植物生长、增加产量的作用。

表3 煤泥主要成分的相对含量Table 3 Relative content of coal slime main components 单位：%

2.1.4 煤泥有机质含量

煤泥的总有机碳含量较高，为240.5 g/kg。其中，轻组有机碳含量为52.5 g/kg，占总有机碳的21.8%；重组有机碳为188.0 g/kg，占总有机碳的78.2%。轻组、重组有机碳比约为1∶4，较为稳定的重组有机碳占比较大。

2.2 煤泥对砂性土物理性质的影响

2.2.1 煤泥对砂性土粒级组成的影响

由表4可知，砂性土（CK）砂粒、粉粒、黏粒分别占79.68%、18.51%、1.82%。其中，细砂粒含量最高，为77.45%；细黏粒最低，为0.60%。煤泥砂粒、粉粒、黏粒分别占26.57%、65.74%、7.70%。其中，粗粉粒含量最高，为41.56%；粗砂粒最低，为0。煤泥粉粒和黏粒的含量分别是砂性土的3.55倍和4.23倍，砂性土因缺失粒径较小的黏粒和粉粒而保水性能极差，煤泥内小于50 μm的黏粒和粉粒含量高达73.43%。添加煤泥，砂性土的黏粒和粉粒含量均有增加，L-1～L-4 处理，粉粒分别增加了 2.30、1.01、2.32、4.95个百分点，黏粒分别增加了0.21、0.25、0.55、0.71个百分点 。L-1和L-2处理增加了砂性土内细黏粒、粗黏粒、细粉粒、中粉粒和粗粉粒含量，但只有L-1处理显著增加了粗粉粒含量（P<0.05）；L-3和L-4处理，即煤泥添加量达到75 t/hm2之上，对于砂性土内细黏粒、粗黏粒、细粉粒、中粉粒和粗粉粒含量的增加效果均呈现显著差异（P<0.05）。土壤内黏粒和粉粒的增加会改变土壤的粒级组成，改善土壤的质地，为提高砂性土的保肥保水性能提供了的可能性，为砂性土内形成良好结构提供了原料。

表4 土壤粒级分布Table 4 Soil particle size distribution 单位：%

2.2.2 煤泥对砂性土容重、孔隙度的影响

由表5可知，随煤泥添加量增多，土壤容重有下降趋势，L-4处理土壤容重最低，为1.52 g/cm3。与CK相比，L-1 处理无差异（P>0.05），L-2、L-3、L-4 处理分别显著降低土壤容重 1.29%、1.29%、1.94%（P<0.05），但L-2、L-3、L-4处理间差异不显著（P>0.05）。土壤毛管孔隙比例随煤泥添加量增多呈先增加后下降趋势，土壤非毛管孔隙比例反之，L-3处理土壤毛管孔隙比例最高，为24.90%，土壤非毛管孔隙比例最低，为6.31%；与CK相比，L-1～L-4处理分别显著增加土壤毛管孔隙比例 2.29%、9.64%、16.46%、10.48%（P<0.05），且各处理间差异显著（P<0.05）；与CK相比，土壤非毛管孔隙比例L-1处理降低1.12%，但差异不显著（P>0.05），L-2～L-4处理分别显著降低土壤非毛管孔隙比例 21.62%、45.41、32.27%（P<0.05），且L-1～L-4处理间差异显著（P<0.05）。

表5 煤泥对砂性土容重及孔隙的影响Table 5 The effect of coal slime on bulk density and porosity of sandy soil

2.2.3 煤泥对砂性土保水性能的影响

由图1可知，达到饱和含水量的土壤第1天失去的是重力水，受重力影响迅速失去，植物难以利用，CK和L-1处理重力水较高，L-3和L-4处理较低。之后所有处理的失水曲线均有两个拐点，所有处理从第1天到第2个拐点失去的是可被植物吸收利用的有效水，受粒级组成影响较大。第3天附近所有处理间几乎同时达到第1个拐点，失水的速率由快速转为较慢，该阶段的是可被植物快速利用的速效水，各处理的保持效果并无较大差异。第4天左右CK和L-1处理达到第2个拐点，第5～7天L-2～L-4处理达到了第2个拐点，该阶段失去的是可缓慢被植物吸收利用的迟效水，添加煤泥所带入的黏粒对于水分的保持作用明显，所以L-2～L-4处理即煤泥添加量大于15 t/hm2对于水分的保持效果较CK有明显的增强，第2个拐点明显延后。达到第2个拐点后失水量几乎不在增加，处于近乎稳定的状态。总失水量CK>L-1>L-2>L-3>L-4，砂性土保水能力随煤泥添加量增加呈现增强的趋势。

图1 煤泥对砂性土保水性能的影响Figure 1 The effect of coal slime on water retention of sandy soil

土壤有效水是土壤水分中可被植物利用的部分，能够清楚地反映土壤水分的真实情况，CK、L-1、L-2、L-3、L-4处理有效水分别占各处理总失水量的63.31%、63.97%、70.82%、75.27%、73.95%，L-3处理有效水含量最高。与CK相比，L-1～L-4处理砂性土有效水含量分别增加了1.04%、11.86%、18.89%、16.81%，呈现出随煤泥添加量增加而先升高而后降低的趋势。

3 讨论

试验所使用煤泥镉、汞、铅、铬、砷重金属含量低，符合改良土壤的国家标准（GB/T 24600—2009）[15]，该结果与武俊英等[17]研究煤泥改良沙土种植燕麦不会污染土壤的结果一致，说明煤泥作为土壤改良材料的应用是安全的。

砂性土颗粒矿物结构简单、土壤孔隙大、土壤保水性能差、养分含量少、保肥供肥能力低下，属于中低产土壤[18]。本试验煤泥的添加显著增加了砂性土毛管孔隙，降低了容重，且添加量大于45 t/hm2时会显著降低土壤容重。该结果与赵红艳等[11]使用泥炭改良土壤显著降低土壤容重的结果一致，与赵亮等[10]使用粉煤灰改良砂性土时增加了土壤的容重的结果不同。土壤容重受密度和孔隙度两方面的影响，后者影响更大，土壤疏松多孔的容重小[19]。粉煤灰与煤泥对土壤容重的影响截然不同，可能是2种材料粒径组成和物质组成不同而造成的。粉煤灰以粉粒为主，占粉煤灰总量的72%，砂粒占27%，黏粒含量极少，而有机质含量几乎为零，赵亮等[10]研究认为，粒级小的粉煤灰填充到了沙土的大孔隙中，单位体积的土壤颗粒增多会增大土壤的容重。煤泥黏粒含量达7.70%，有机碳含量高达240.5 g/kg，并含有多种植物生长所需的大量、中量、微量及有益元素，黏粒本身具有巨大的比表面积和吸附能，在水分充足时会将土粒或微凝聚体黏结在一起；土壤内有机碳的含量与团聚体呈高度相关性；多价阳离子会降低胶体表面的电位势，会使得土粒间相互靠拢凝聚，促进团聚体的形成，增加土壤的总孔隙度。所以本试验呈现煤泥施用量越大，砂性土容重降低越明显的趋势。

土壤非毛管孔隙内含的水分为植物无法利用的重力水和吸湿水[19]，而毛管孔隙中都为植物可吸收利用的有效水分，土壤有效水含量对植物及微生物的生存均有着重要的影响。与CK相比，L-1～L-4处理分别显著增加土壤毛管孔隙比例2.29%、9.64%、16.46%、10.48%（P<0.05），不仅增加了容纳根毛、真菌及大多数细菌生存的微孔隙，也提高了土壤有效水含量与持水效果，与霍晓君[20]配施粉煤灰等改良砂性土增加持水性能、赵智等[21]使用粉煤灰改良沙土增加土壤有效水的结果一致。煤泥高持水性的特点在砂性土改良中，可以呈现出与粉煤灰甚至PAM保水剂类似的效果，且随添加量的增加，土壤有效水的含量呈现出先增加后降低的趋势。

土壤有机碳是微生物体、动植物残体、腐殖质的总称，决定着土壤的物理、化学、生物性状，它的固持对于改善土壤肥力、维持植物生产力和提升环境质量具有重要作用[22～24]。煤泥有机碳含量高达240.5 g/kg，可被快速利用的轻组有机碳含量为52.5 g/kg，占总有机碳的21.8%；重组有机碳为188.0 g/kg，占总有机碳的78.2%。土壤矿物（例如黏粒和粉粒）化学或物理化学结合的有机碳会表现出很强的化学稳定性，这类有机-无机结合被认为是土壤中碳贮量的控制因素[20，25]，即添加煤泥所带入的大量黏粒、粉粒不仅会在改变土壤的质地上起作用，也会间接地影响土壤有机碳的固存，为培肥土壤提供可能。

砂性土的改良应用过程易因养分高而呈现盐渍化[26]，本试验中，煤泥内 Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO 的相对含量分别为 22.23%、8.78%、6.57%、2.44%。Al3+、Fe3+、Mn2+都属于土壤中常见的致酸离子[27]，进入土壤后发生水解释放H+，会引起土壤pH值的降低，而Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+均可以置换胶体中 Na+，并通过水流淋洗以降低或消除盐渍化[28]。因此，煤泥具有改良土壤pH值以及盐渍化等作用。

4 结论

煤泥作为砂性土改良剂，煤泥镉、汞、铅、铬、砷重金属含量低仅占标准规定值的0.32%～11.55%，符合《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》的安全指标；黏粒和粉粒含量高达73.43%，具有极高的保水性能；富含促进植物生长的有益元素SiO2、Al2O3（相对含量共71.17%），含植物必需大量元素K2O和P2O5（相对含量共2.02%），含植物必需中量元素 CaO、SO3、MgO（相对含量共 18.00%），含植物必需的微量元素 Fe2O3、MnO、ZnO、CuO、NiO（相对含量共6.73%），极有利于植物的生长；总有机碳含量较高，为240.5 g/kg，轻组、重组有机碳比约为1∶4，可提供充足的有机碳。对于砂性土的保水性能的提高、粒级组成的优化，土壤质地的改善都起到积极作用。

与CK相比，L-3和L-4处理均显著增加砂性土内黏粒、粉粒含量和显著降低土壤容重（P<0.05）。L-3处理土壤毛管孔隙比例最高（为24.90%），土壤非毛管孔隙比例最低（为6.31%），土壤有效水占失水比例最高（为75.27%）。因此，煤泥对砂性土的物理性质有较好的改善作用且在试验范围内施用煤泥量为75 t/hm2效果最佳。