覆蓋煤矸石對礦區土壤養分及鹽分特征的影響

韓秀娜，董穎，耿玉清，李娜，張超英

北京林業大學林學院，北京 100083

覆蓋是農業生產實踐中被廣泛應用的技術措施之一，能夠有效節水保墑、提高土壤溫度以及抑制雜草生長等（Yimer，2020）。在覆蓋過程中，覆蓋材料能在水分的浸潤和淋溶作用下釋放多種營養元素從而影響土壤的化學特征，如增加土壤有機質和抑制土壤鹽漬化等（Dong et al.，2018）。目前常用的覆蓋材料主要有天然有機物、人工合成物以及天然無機物等（倪雪等，2017）。其中，礫石作為一種傳統的無機覆蓋材料，已有300余年的應用歷史（Qiu et al.，2014）。礫石一般指粒徑為2—64 mm的巖石碎屑物（Poesen et al.，1994）。研究表明礫石保蓄水分的效果與覆蓋厚度呈正相關，與粒徑呈負相關（Qiu et al.，2018）。覆蓋材料不同，其對土壤理化特征的影響也不同。

煤矸石是礦區常見的固體廢棄物，它是一種低碳的灰黑色硬質巖石混合體（嚴家平等，2017）。煤矸石中含有植物生長所需的多種礦質元素，在水分浸潤下能夠釋放多種養分和鹽基離子，且這種釋放作用受到煤矸石粒徑大小的影響（余健等，2018；趙麗等，2020）。煤矸石與土壤或秸稈等摻混形成的混配基質能為植物生長提供較好的理化環境（Du et al.，2020；張宇航等，2021）。作為巖石碎屑物的一種，當煤矸石在土壤表層時能夠促進土壤水分入滲（黨宏宇等，2012）。此外，覆蓋不同厚度和不同粒徑的煤矸石能夠有效促進土壤水分入滲并抑制蒸發（Han et al.，2021）。

煤礦開采嚴重破壞了礦區植被和土壤的原有屬性（楊勤學等，2015），植被恢復是礦區生態修復所面臨的關鍵問題。水分和養分是植物生長的必要因素，鹽分含量的高低則直接影響到植物對水分和養分的吸收（張治國等，2018）。綜上，煤矸石能夠影響土壤的理化特征，且已有研究表明將煤矸石作為覆蓋材料能夠改善土壤的水分狀況。然而，覆蓋煤矸石對土壤養分及鹽分特征的影響還未見報道。因此，本試驗通過測定覆蓋不同厚度及不同粒徑煤矸石后礦區土壤的 pH、養分和鹽分特征指標，闡明覆蓋煤矸石對礦區土壤化學特征的影響，以期為煤矸石的資源化利用及礦區植被恢復提供數據參考和理論依據。

1 試驗設計及研究方法

1.1 試驗材料

供試土壤和煤矸石均取自寧夏靈武羊場灣排矸場，并于2018年11月被運至北京林業大學三頃園苗圃。土壤在自然條件下風干后，過5 mm土篩備用。用鐵錘將煤矸石進行人工破碎并混合均勻后，再用不同直徑的不銹鋼篩將煤矸石篩分成4組直徑范圍備用（P1、P2、P3和P4），分別為0 cm＜P1≤0.5 cm、0.5 cm＜P2≤1 cm、1 cm＜P3≤2 cm和 2 cm＜P4≤4 cm。為避免煤矸石風化對其養分及鹽分特征的影響，本試驗所選用的煤矸石均為顏色黑亮，未風化的新鮮矸石。

1.2 試驗設計

本試驗采用模擬土柱法（李卓瑞等，2016）。將處理好的土壤填裝到高為50 cm、內徑為15 cm的PVC管中，土柱填裝高度設計為30 cm。PVC管底部均勻分布6個直徑為1 cm的小孔，用于排水和通氣。在PVC管內底部墊有濾紙和紗布，以防止土壤顆粒漏出。裝土前在 PVC管內壁均勻涂抹凡士林以消除壁面優勢流的影響。分層填裝土壤，通過裝入土壤的質量和柱體體積將容重控制在 1.4 g·cm-3。每填裝完一層土壤后，用玻璃棒在土壤表面輕微攪動進行打毛，使土壤孔隙相連。

土壤填裝完成后，再將4種不同粒徑范圍的煤矸石分別按照4 cm（T1）和16 cm（T2）的厚度均勻地覆蓋到土壤表面，同時設置不覆蓋煤矸石的土柱作為對照試驗（CK）。本試驗共有9個處理、每個處理3次重復。土柱填裝全部完成后，加入1 L去離子水使煤矸石充分浸潤，之后每5天澆一次去離子水，每次1 L。培養90 d后，將覆蓋在土壤表層的煤矸石小心地取出，采集土壤樣品以測定其pH、養分及鹽分特征的相關指標。

1.3 測定指標及方法

土壤 pH采用酸度計（中國上海雷磁 PHS-3E型）測定。土壤有機碳含量采用硫酸-重鉻酸鉀容量法進行測定；全氮含量采用凱氏定氮法進行測定；水溶性碳和水溶性氮含量利用碳氮分析儀（德國耶拿Multi N/C 3100 analyzer）測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法進行測定；速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法進行測定。以水土比為5∶1浸提土壤水溶性鹽，總鹽量為以下 8個水溶性鹽分離子含量的總和。K+和Na+采用火焰光度法測定；Ca2+和Mg2+采用EDTA絡合滴定法測定；CO32-和HCO3-采用雙指示劑滴定法測定；Cl-采用AgNO3滴定法測定；SO42-采用EDTA間接滴定法測定。

1.4 數據處理

采用 Excel 2016進行數據處理。采用 SPASS 23.0統計分析軟件，利用One-way ANOVA的方法分析不同處理條件下土壤養分特征的變化，多重比較選用最小顯著性差異法（LSD）；利用Two-way ANOVA法分析覆蓋煤矸石厚度、粒徑及二者的交互作用對土壤pH、養分及鹽分特征的影響。不同處理條件下土壤pH柱狀圖和各鹽分離子占比餅圖采用Origin 2018軟件繪制。根據測得的指標，利用系統聚類法，選用平方歐式距離得到聚類譜系圖，并將特征值相似的處理合并為一類。

2 結果與分析

2.1 土壤pH的變化

當覆蓋煤矸石厚度為T1時，各處理的pH顯著低于CK；當覆蓋煤矸石厚度為T2時，各處理的pH則顯著高于CK（圖1）。T1覆蓋厚度下土壤pH的范圍為7.81—8.38，T2覆蓋厚度下土壤pH的范圍為9.08—9.11。

圖1 覆蓋不同厚度及不同粒徑煤矸石處理下土壤pH的變化Fig. 1 Changes of soil pH under the mulching treatments of coal gangue with different thicknesses and particle sizes

2.2 土壤養分特征的變化

覆蓋煤矸石條件下土壤的有機碳、水溶性碳、全氮、水溶性氮和速效鉀含量均顯著高于 CK，而有效磷含量則顯著低于CK（表1）。在所有覆蓋處理中，T1P1的有機碳含量和水溶性碳含量均為最高，T2P2的全氮含量最高。就有效磷而言，不同的覆蓋厚度處理下 P1粒徑處理的有效磷含量均為最低。當覆蓋厚度為 T2時，有效磷含量隨煤矸石粒徑的增大而顯著降低。所有覆蓋處理中，T1P1的有效磷含量最低，較CK降低了83.66%。

表1 覆蓋不同厚度及不同粒徑煤矸石處理下土壤養分特征的變化Table 1 Changes of soil nutrient characteristics under the mulching treatments of coal gangue with different thicknesses and particle sizes

2.3 土壤鹽分特征的變化

將相同覆蓋煤矸石厚度下不同粒徑處理的水溶性鹽分離子含量做加權平均值，從而得出不同覆蓋厚度處理下土壤水溶性鹽分離子的占比（圖2）。CK不含CO32-，T2的CO32-占比是T1的2.06倍。所有處理的陽離子均以Na+為主，陰離子均以SO42-為主。

圖2 覆蓋不同厚度煤矸石處理下土壤水溶性鹽分離子的占比Fig. 2 Proportion of soil water-soluble salt ions under the mulching treatments of coal gangue with different thicknesses

2.4 雙因素方差分析結果

雙因素方差分析結果表明，覆蓋煤矸石的厚度、粒徑及其交互作用均能顯著影響土壤的pH及養分特征，但覆蓋厚度對土壤鹽分特征的影響不顯著（表2）。根據F值，覆蓋厚度對pH、水溶性碳、全氮、水溶性氮和速效鉀含量的影響程度最大，而粒徑對有機碳、有效磷和全鹽含量的影響程度最大。就覆蓋厚度而言，有機碳、全氮和速效鉀的含量均隨厚度的增加顯著增大，而有效磷含量則顯著減小。隨煤矸石粒徑的增大，有機碳和水溶性碳含量顯著減小，而有效磷含量則顯著增加。

表2 覆蓋不同厚度及不同粒徑煤矸石處理下土壤化學特征的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis for soil chemical characteristics under the mulching treatments of coal gangue with different thicknesses and particle sizes

2.5 聚類分析結果

為探究不同處理方式下土壤化學特征的相似性和差異性，對9個處理的pH、養分和鹽分特征指標進行系統聚類分析，得到聚類譜系圖（圖 3）。根據平方歐式距離為5，所有處理被分為3個類別。類別Ⅰ包括T1P2、T1P3、T1P4和CK共4種處理。類別Ⅱ包括2種處理，即T2P1和T2P2。類別Ⅲ僅包括3種處理，分別為T1P1，T2P4和T2P3。

圖3 覆蓋不同厚度及不同粒徑煤矸石處理下土壤化學特征的聚類譜系圖Fig. 3 Cluster pedigree map for soil chemical characteristics under the mulching treatments of coal gangue with different thicknesses and particle sizes

將各類別所包含處理的特征指標做平均值，結果表明類別Ⅰ的有效磷含量顯著高于類別Ⅱ，而類別Ⅰ的其余指標則顯著低于類別Ⅱ和類別Ⅲ（表3）。類別Ⅱ和類別Ⅲ的pH以及有機碳、有效磷、速效鉀含量和總鹽量無顯著差異，而類別Ⅱ的水溶性碳、全氮和水溶性氮含量顯著高于類別Ⅲ。類別Ⅲ的有機碳、水溶性碳、全氮、水溶性氮和速效鉀含量的均值較CK分別提高了124.42%、142.01%、66.67%、99.58%和49.12%。

表3 聚類分析的統計結果Table 3 The statistical results of cluster analysis

3 討論

3.1 覆蓋煤矸石對礦區土壤pH的影響

本研究結果表明覆蓋厚度對土壤 pH值的影響遠大于其粒徑的影響（表2）。其中，較小覆蓋厚度（T1）處理的土壤pH顯著低于CK，而較大覆蓋厚度（T2）處理的pH顯著高于CK。有研究表明煤矸石淋溶液的 pH與礦物溶解有關，原因是在淋溶過程中煤矸石中的硫化礦物溶解產生SO42-和H+，而K、Na、Ca和 Mg等堿金屬礦物的溶解則消耗 H+（Song et al.，2021）。這支持了本文的結果，因為較CK而言，T1處理的SO42-含量相對增加而Na+含量相對減少，故pH顯著降低；T2處理的SO42-含量相對減少而Na+含量相對增多，故pH顯著增加。

3.2 覆蓋煤矸石對礦區土壤養分特征的影響

煤矸石中含有碳、氮、磷和鉀等元素，在水分的浸潤下，這些養分物質不斷被淋出，使得土壤中養分含量發生變化（Li et al.，2019）。本研究中，雙因素方差分析表明覆蓋煤矸石能夠顯著增加土壤的有機碳、水溶性碳、全氮、水溶性氮和速效鉀含量，而有效磷含量則隨覆蓋厚度的增加顯著降低（表2）。煤矸石的溶解性有機碳和氮素能夠被水分淋出并進入周圍土壤（劉欽甫等，2010；鄭永紅等，2017）。余健等（2018）發現煤矸石在水分浸泡培養后，速效鉀的含量高于供試煤矸石初始值，而有效磷含量則低于初始值。這與本研究結果相似，覆蓋煤矸石厚度增加，意味著煤矸石用量的增大，淋出液的養分含量增多，所以土壤的養分含量就越多。有效磷含量降低則可能是因為煤矸石淋出液中含有鹽分離子，尤其是Ca2+容易與磷酸根離子形成難溶性磷酸鈣鹽，從而降低了磷的有效性（汪夢甜等，2017）。

除覆蓋厚度外，煤矸石的粒徑也顯著影響土壤的養分含量。雙因素方差分析表明較小粒徑處理的有機碳、水溶性碳、全氮、水溶性氮和速效鉀含量相對較高，而有效磷含量則隨煤矸石粒徑的增大顯著增大。這與前人研究結果一致，煤矸石中元素的浸出量隨其粒徑的減小而增大（鄭劉根等，2016）。這是因為煤矸石粒徑越小，比表面積越大，固液接觸面積越大，煤矸石中的養分元素就越容易被淋出。

3.3 覆蓋煤矸石對礦區土壤鹽分特征的影響

本研究中，覆蓋煤矸石處理與CK相同，鹽分組成特征均以Na2SO4為主（圖2）。這與張治國等（2018）的研究結果不同，因為煤矸石結構復雜，不同地區的煤矸石化學組成具有一定差異，淋出液中離子也有會所不同（Li et al.，2019）。

雙因素方差分析表明，覆蓋煤矸石處理下土壤的總鹽量顯著高于 CK，且較小粒徑煤矸石覆蓋處理下土壤的總鹽量顯著高于較大粒徑處理（表2）。這被前人的研究結果所支持，煤矸石中可溶性鹽分離子的淋出使得下層土壤的總鹽量增加，且煤矸石粒徑越小，單位面積淋出的鹽分離子含量越多，土壤總鹽量就越高（張治國等，2018）。

3.4 聚類分析

根據聚類分析的統計結果（表 3）和土壤鹽化分級標準，各類別處理的土壤總鹽量均值均小于 1 g·kg-1，屬于非鹽化土壤。這表明覆蓋煤矸石雖然增加了土壤總鹽量，但并未對土壤產生鹽害。此外，類別Ⅰ的養分含量顯著低于類別Ⅱ和類別Ⅲ，但類別Ⅱ的pH高達9.11，不利于礦區植被恢復，因此在實踐中應優先考慮類別Ⅲ。同時，考慮到煤矸石顆粒太細會增加礦區揚塵污染，所以在實際應用中不應優先考慮T1P1處理（圖3）。

4 結論

（1）覆蓋煤矸石的厚度、粒徑均能顯著影響土壤的化學特征。總體而言，覆蓋厚度越大、粒徑越小，煤矸石中各元素淋出的量越多。

（2）覆蓋煤矸石使得土壤的 SO42-占比明顯增加。供試土壤與煤矸石的鹽分組成特征均以Na2SO4為主。

（3）在實際應用中，應優先考慮覆蓋煤矸石厚度為16 cm、粒徑范圍為1—4 cm的處理。