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 方,卜通达,杨 丽

(贵州大学环境与资源研究所,550025,贵阳)

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(Pinusmassoniana)、光皮桦(Betulaluminifera)、类芦(Neyraudiareynaudiana)及毛果金星蕨(Parathelypterischinensis)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(Loliumperenne)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]。

1 材料与方法

1.1 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18.90%、11.05%和0.85%,P质量分数为130.2 mg/kg;主要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 3.68、有机碳20.56 g、碱解氮30.62 mg、有效磷0.43 mg、速效钾45.16 mg),初步具有草本植物生长的土壤养分条件。

表1 白云岩砂、煤矸石中主要重金属质量分数

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∶125∶50∶1 000;污泥、粉煤灰、木屑总比例占25.0%);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%∶20%∶15%∶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×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。

1.2 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∶2.5)测定。煤矸石样品有效态重金属质量分数的测定采用 0.1 mol/L 的HCl为浸提剂,按固液比1∶5进行浸提,振荡1.5 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6—8月共采集3次渗透水样品。每次量取150 mL的渗透水用0.45 μm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 结果与分析

2.1 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43.61%～92.48%、16.88%～53.90%,而黑麦草地上部分生物量则分别比对照处理增加1.77～7.32倍、0.66～2.36倍。多重比较结果表明:无论是盆栽条件还是野外堆场条件,在煤矸石添加10%、20%和30%白云岩砂的处理上黑麦草株高、地上部分生物量均与未添加白云岩砂处理之间存在显著性的差异。

表2 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

从黑麦草植株中N、P和K质量分数变化来看,盆栽条件下添加10%～30%白云岩砂处理黑麦草叶片中N、P和K的平均质量分数分别比不添加白云岩砂的对照处理增加30.53%～185.67%、90.38%～353.85%和32.98%～188.17%。在野外堆场条件下添加10%～30%白云岩砂处理黑麦草叶片中N、P和K的平均质量分数分别比不添加白云岩砂的对照处理增加89.87%～134.99%、83.84%～151.52%和66.95%～157.26%。多重比较结果表明:无论是盆栽条件还是野外堆场条件,在煤矸石添加10%、20%和30%白云岩砂的处理上黑麦草叶片中N和P质量分数均与未添加白云岩砂处理之间存在显著性的差异,当白云岩砂添加量达20%～30%时,黑麦草叶片中K质量分数才与未添加白云岩砂处理存在显著性的差别。经表2计算表明,盆栽条件下煤矸石添加10%、20%和30%白云岩砂的处理上黑麦草地上部吸收N、P和K的量比对照处理平均增加1.92、2.91和2.13倍;野外堆场条件下煤矸石中添加10%、20%和30%白云岩砂的处理上黑麦草地上部吸收N、P和K的量比对照处理平均增加2.09、2.23和2.03倍。说明添加白云岩砂可以明显提高黑麦草对N、P和K的吸收量,综合其作用的大小顺序是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37.30%～46.09%、92.86%～99.13%和128.57%～164.35%,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。

2.2 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 5618—2018《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44.64%、77.76%和83.44%,有效态Zn质量分数比对照减少41.09%、52.02%和66.03%;而有效态Cd质量分数比对照降低36.92%、41.54%和70.77%;但是,白云岩砂添加量达20%、30%时,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19.59%、27.76%。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21.45%、48.94%和67.20%,有效态Zn质量分数比对照减少24.01%、45.92%和57.34%;而有效态Cd质量分数比对照降低16.00%、37.33%和58.67%;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12.19%、25.95%。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)。

表3 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

2.3 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%～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17.88%～94.81%,而Mn的平均质量浓度比对照减少32.40%～93.67%;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38.46%～81.48%,Zn的平均质量浓度比对照分别减少3.34%～92.65%。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21.31%～63.75%;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56.72%～76.42%;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。

表4 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

通过对各处理3组重复的3次全部采样数据与GB 3838—2002《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0.061～2.463和0.018～1.275 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(7—8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0.061～0.399 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0.018～0.076 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 0.061～0.498和0.018～0.099 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 讨论

3.1 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

3.2 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130.2 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 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质量分数均出现显著性下降,白云岩砂施用比例达30%时,煤矸石基质有效态Cu和Cr质量分数才出现较明显的降低。

3) 白云岩砂改良煤矸石基质后重金属元素的淋溶迁移量出现明显的减少,在添加10%～30%白云岩砂的煤矸石基质渗透水中Fe、Mn、Cd和Zn质量浓度出现显著性下降,当白云岩砂添加量达30%时煤矸石基质渗透水中Cu和Pb质量浓度出现显著性降低,特别是煤矸石基质Fe和Mn淋溶迁移量的明显减少,有利于改善煤矿区水环境质量。