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.pdf
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1、摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023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,刘摇 方,卜通达,杨摇 丽(贵州大学环境与资源研究所,550025,贵阳)摘要:煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废弃物。植被恢复是减少煤矸石堆场重金属淋溶迁移的主要途径,而露天煤矸石基质改良是植被恢复的基础。通过盆栽和野外堆场小区黑麦草种植试验以及淋溶试验,探究白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长和重金属淋溶的调控效应。结果表明:在添加
2、10%30%白云岩砂的煤矸石基质上黑麦草的地上部生物量和叶绿素含量均出现显著的增加,黑麦草植株对氮和磷的吸收量也明显的增加。同时,添加 10%30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态 Mn、Cd 和 Zn 质量分数均出现显著性降低,且煤矸石基质渗透水中Fe、Mn、Cd 和 Zn 质量分数也出现显著性的下降;特别是煤矸石中添加 20%30%白云岩砂时,煤矸石基质中有效态 Fe 和 Mn 质量分数及其渗透水 Fe 和 Mn 质量浓度均出现明显的降低。在煤矸石中添加适量白云岩砂有利于降低煤矸石基质中重金属的生物有效性和水溶态重金属的质量浓度,从而明显减少煤矸石基质中 Fe、Mn 淋溶迁移对水环境质量的影响
3、。关键词:煤矸石;白云岩砂,黑麦草;生长状况;重金属;淋溶;养分吸收中图分类号:S153;X171郾 5文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2023)05鄄0138鄄08DOI:10.16843/j.sswc.2023.05.016收稿日期:2021 01 28摇 修回日期:2021 04 22项目名称:国家自然科学基金“煤矿废弃地煤矸石 水界面锰迁移的生态规律与调控机制冶(41661094);贵州省科技计划项目(黔科合平台人才20175788 号)第一作者简介:刘元生(1969),男,硕士,副教授。主要研究方向:土壤资源利用与改良。E鄄mail:506059067 Effect of
4、 dolomite sand鄄improved coal gangue substrate onryegrass growth and heavy metal leachingLIU Yuansheng,CHEN Zuyong,LIU Fang,BU Tongda,YANG Li(Environment and Resource Institute of Guizhou University,550025,Guiyang,China)Abstract:Background Coal gangue is a solid waste generated in the process of coal
5、 production,theleaching and migration of heavy metal elements such as Fe and Mn in the coal gangue piled in the openair will cause obvious pollution to the surrounding water body of the storage yard.Vegetation restoration isthe main way to reduce the leaching and migration of heavy metals in coal ga
6、ngue dumps,but theimprovement of open gangue substrate is the basis of vegetation restoration.Methods This studyselected the closed coal mining area in the central region of Guizhou province as the research object,4treatment plots were set up in the abandoned open鄄air gangue yard for many years,and
7、ryegrass wereplanted in the coal gangue with 0,20,40 and 60 kg/m2of dolomite sand in a depth of 20 cm and mixedevenly.In addition,the mixed samples of coal gangue(0-30 cm)on the surface of the gangue yardwere collected and brought back to the laboratory for pot experiments,and ryegrass(Lolium perenn
8、e)wasplanted on mixed substrates with dolomite sand content of 0,10%,20%and 30%,respectively.Results 1)The biomass and chlorophyll content of ryegrass on the coal gangue substrate added with摇摇 第 5 期刘元生等: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10%-30%dolomite sand significantly increased,and the absorption of N,P a
9、nd K by ryegrass plantsalso increased significantly with the order of their effects was P N K.2)On the other hand,thecontents of available Mn,Cd,and Zn in the coal gangue matrix added with 10%-30%dolomite sandsignificantly reduced,especially,when 20%-30%dolomite sand was added to coal gangue,the con
10、tentof available Fe and Mn in the gangue matrix obviously reduced;this effect was closely related to thesignificant increase in pH of the gangue matrix after adding 20%-30%dolomite sand to the ganguematrix.3)At the same time,after the dolomite sand improved the gangue matrix,the leaching andmigratio
11、n of heavy metal elements significantly reduced,and the concentration of Fe,Mn,Cd,and Zn inthe infiltration water of the coal gangue matrix with 10%to 30%dolomite sand decreased significantly;when the addition of dolomite sand reached 30%,the concentration of Cu and Pb in the infiltration waterof co
12、al gangue matrix decreased significantly.Conclusions Adding an appropriate amount of dolomitesand to coal gangue was beneficial to reducing heavy metals bioavailability and the concentration of water鄄soluble heavy metals in the gangue matrix,thereby significantly lowering the impact of leaching andm
13、igration of Fe and Mn in the gangue matrix on the quality of the water environment.Keywords:coal gangue;dolomite sand;ryegrass;growth status;heavy metal;leaching;nutrient ab鄄sorption摇 摇 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
14、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(Pinus massoniana)、光皮桦(Betula luminifera)、类芦(Neyraudia reynaudiana)及毛果金星蕨(Parathe鄄lypteris chinensis)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(Lolium perenne)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
15、极具潜力的环境修复植物,具有广泛的应用前景4 6。关于煤矸石堆场植被恢复技术及植物修复效果等方面的研究较多7 12。由于不同地区自然条件的差异,因地制宜的煤矿山植被修复技术及模式需要深入探究。贵州山区煤矿废弃地的植被恢复是减少煤矸石堆场 Fe、Mn 等重金属元素淋溶迁移的重要途径13。露天煤矸石基质改良是植被恢复的基础,一些研究14 17表明:利用粉煤灰、污泥、生物质炭、作物秸秆和木屑等材料改良煤矸石基质可以促进植物生长及减少污染物淋溶迁移;此外,在煤矸石中添加纯碳酸钙以及白云石、方解石等 3 种天然碳酸盐矿物均能显著抑制 Fe、Mn、Cu、Zn 和 SO2-4等多种特征污染物的溶出12。贵州
16、山区煤系地层多分布在碳酸盐岩及砂页岩交互区,白云岩分布地层厚度达几百米以上,白云岩砂来源广泛,当地多利用白云岩砂作为混凝土骨料或砂料来使用18。由于白云岩化学成分为CaMg(CO3)2,白云岩砂呈碱性,利用白云岩砂改良煤矸石基质对污染物迁移具有良好的调控效果12。但在白云石砂改良煤矸石基质的生态效应方面还缺乏深入研究。因此,笔者选择贵州省中部山区关闭的煤矿区为研究对象,针对煤矸石基质酸度大造成植物不易生长的问题,探讨白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长的影响,同时研究白云岩砂改良煤矸石基质中重金属淋溶迁移的减控效应,旨为煤矸石堆场的生态环境治理及生态修复提供科学依据。1摇 材料与方法1郾 1摇
17、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郾 90%、11郾 05%和0郾 85%,P 质量分数为130郾 2 mg/kg;主要931摇中国水土保持科学2023 年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
18、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郾 68、有机碳 20郾 56 g、碱解氮30郾 62 mg、有效磷 0郾 43 mg、速效钾 45郾 16 mg),初步具有草本植物生长的土壤养分条件。表 1摇 白云岩砂、煤矸石中主要重金属质量分数Tab.1摇 Contents of heavy metals in the dolomite sand and coal gangue材料 M
19、aterialFe/(g kg-1)Mn/(mg kg-1)Cr/(mg kg-1)Cu/(mg kg-1)Zn/(mg kg-1)Cd/(mg kg-1)Pb/(mg kg-1)pH(H2O)煤矸石 Coal gangue49郾 04280郾 7155郾 930郾 3175郾 52郾 95124郾 83郾 57白云岩砂 Dolomite sand7郾 06131郾 3013郾 704郾 1016郾 000郾 023郾 307郾 79摇 摇 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颐 125颐50颐 1
20、000;污泥、粉煤灰、木屑总比例占 25郾 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%颐 20%颐 15%颐 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 伊2 m),小区之间用薄层水泥
21、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郾 2摇 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
22、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颐 2郾 5)测定。煤矸石样品有效态重金属质量分数的测定采用0郾 1 mol/L 的 HCl 为浸提剂,按固液比 1颐
23、 5进行浸提,振荡 1郾 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 68月共采集 3 次渗透水样品。每次量取 150 mL 的渗透水用 0郾 45 滋m 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摇 结果与
24、分析2郾 1摇 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郾 61%92郾 48%、16郾 88%53郾 90%,而黑麦草地上部分生物量则分别比对照处理增加 1郾 77 7郾 32 倍、0郾 66 2郾 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041摇摇 第 5 期刘元生等: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摇 摇表 2摇
25、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Tab.2摇 Plant height,biomass,chlorophyll,nitrogen,phosphorus,and potassium contents of ryegrass underdifferent dolomite sand treatments试验类型Experimenttype施用比例Proportion/%株高Plant height/cm地上部生物量Biomass#叶绿素Chlorophyll/(g kg-1)氮N/(g kg-1)磷P/(g kg-1)钾K/(g kg-1)013郾 3 依2郾
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