劉元生,陳祖擁,劉 方,卜通達(dá),楊 麗

(貴州大學(xué)環(huán)境與資源研究所,550025,貴陽(yáng))

貴州是中國(guó)南方煤炭資源最豐富的省區(qū),含煤區(qū)域占全省總面積的40%以上,煤矸石是貴州排放量最大、占地最多、污染環(huán)境較為嚴(yán)重的工業(yè)固體廢物,露天堆放的煤矸石中Fe、Mn等重金屬元素的淋溶遷移對(duì)堆場(chǎng)周邊水體產(chǎn)生明顯的污染[1]。由于煤矸石基質(zhì)酸度大、結(jié)構(gòu)疏松、養(yǎng)分缺乏,植物不易萌發(fā)和生長(zhǎng),造成煤矸石堆場(chǎng)及周邊環(huán)境生態(tài)恢復(fù)困難[2-3]。近年來(lái),貴州遺棄小煤窯礦區(qū)煤矸石堆場(chǎng)植被出現(xiàn)一定程度的自然恢復(fù),主要有馬尾松(Pinusmassoniana)、光皮樺(Betulaluminifera)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)及毛果金星蕨(Parathelypterischinensis)等植物的生長(zhǎng),但是這些植物生長(zhǎng)緩慢,生態(tài)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),植被覆蓋度低,產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)弱。而多年生黑麥草(Loliumperenne)是我國(guó)常用的優(yōu)良草坪草,生長(zhǎng)迅速,分蘗眾多,根系發(fā)達(dá),對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的抗性和富集能力,是極具潛力的環(huán)境修復(fù)植物,具有廣泛的應(yīng)用前景[4-6]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)位于貴陽(yáng)市花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng),屬低中山地貌及亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。貴陽(yáng)市花溪煤礦區(qū)主要分布在三疊系與龍?zhí)睹合档貙?由石灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)白云巖與泥頁(yè)巖等組成,煤系地層分布廣,可采煤層4～5 層,白云巖資源較豐富,煤礦附近有白云巖地層出露。就近利用廢棄煤礦區(qū)堆場(chǎng)附近的白云巖粉碎成白云巖砂(過(guò)2 mm篩孔的白云巖粉碎物,Ca、Mg和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.90%、11.05%和0.85%,P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為130.2 mg/kg;主要重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1)。通過(guò)在研究區(qū)對(duì)8～10 a廢棄的露天煤矸石堆場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查,選擇煤矸石堆場(chǎng)表面僅有部分苔蘚覆被的表層煤矸石 (0～30 cm)開(kāi)展混合樣品采集,在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干、破碎后研磨過(guò)篩5 mm篩,供實(shí)驗(yàn)分析及盆栽試驗(yàn)用;同時(shí)選取堆場(chǎng)較平緩的相似立地條件地段設(shè)置野外小區(qū)試驗(yàn)。該堆場(chǎng)表層大部分煤矸石已出現(xiàn)風(fēng)化成粉末狀基質(zhì)(pH 3.68、有機(jī)碳20.56 g、堿解氮30.62 mg、有效磷0.43 mg、速效鉀45.16 mg),初步具有草本植物生長(zhǎng)的土壤養(yǎng)分條件。

表1 白云巖砂、煤矸石中主要重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[16]在煤矸石基質(zhì)中添加污泥、粉煤灰、木屑進(jìn)行基質(zhì)改良的最佳方案(污泥、粉煤灰、木屑、煤矸石質(zhì)量比例為100∶125∶50∶1 000;污泥、粉煤灰、木屑總比例占25.0%);同時(shí)參考文獻(xiàn)[17]以煤礦區(qū)生活污泥、煤矸石、粉煤灰為原料,按照不同的配比添加至土壤中進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)的優(yōu)選方案(污泥、粉煤灰、煤矸石與土壤質(zhì)量配比為5%∶20%∶15%∶60%),對(duì)本研究白云巖砂添加量控制在10%～30%。通過(guò)野外調(diào)查后選擇多年開(kāi)采廢棄的露天堆放煤矸石堆場(chǎng)較平緩的地段設(shè)置小區(qū)試驗(yàn),野外小區(qū)試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理,即分別在深度為20 cm煤矸石中添加0、40和60 kg/m2白云巖砂(用量比例分別為0、10%、20%和30%),基質(zhì)混合均勻后種植黑麥草,每小區(qū)面積為10 m2(5 m×2 m),小區(qū)之間用薄層水泥板隔離。每小區(qū)處理設(shè)置3次重復(fù)。同時(shí),采集該堆場(chǎng)表層煤矸石 (0～30 cm) 混合樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)自然風(fēng)干、破碎、并研磨過(guò)篩5 mm篩,供實(shí)驗(yàn)分析及盆栽試驗(yàn)用。

盆栽試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理,每盆缽中裝入5 kg煤矸石和不同用量的白云巖砂,即白云巖砂的用量比例分別為0、10%、20%和30%;每個(gè)處理重復(fù)3次。盆栽試驗(yàn)及野外堆場(chǎng)小區(qū)試驗(yàn)于2019年4月上旬—8月下旬進(jìn)行,試驗(yàn)種植植物為多年生黑麥草,供試黑麥草經(jīng)催芽后播種,播種90 d后收割。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1)黑麥草生長(zhǎng)指標(biāo)。植物主要測(cè)定株高、生物量及植株N、P、K和葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。栽培90 d后,用大剪刀刈割地上部分,剪下的草用電子天平稱取鮮質(zhì)量,烘干后測(cè)定干質(zhì)量并粉碎為植物樣品。植株N、P和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用常規(guī)方法測(cè)定,葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用95%乙醇提取,分別于波長(zhǎng)470、649和665 nm下測(cè)定吸光度并計(jì)算光合色素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2)煤矸石有效態(tài)重金屬。在第90 d測(cè)定黑麥草地上生物量后,對(duì)堆場(chǎng)試驗(yàn)小區(qū)、盆栽缽的表層煤矸石基質(zhì)(0～20 cm)進(jìn)行混合樣品采集,采樣后的煤矸石經(jīng)自然風(fēng)干、破碎、并研磨過(guò)60目篩供測(cè)試分析用。pH采用酸度計(jì)法(固液比1∶2.5)測(cè)定。煤矸石樣品有效態(tài)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用 0.1 mol/L 的HCl為浸提劑,按固液比1∶5進(jìn)行浸提,振蕩1.5 h,離心、過(guò)濾,采用火焰-原子吸收分光光度計(jì)(Fe、Mn、Cu和Zn)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Cd、Cr和Pb)對(duì)濾液重金屬元素含進(jìn)行測(cè)定。

3)盆栽條件下煤矸石滲透水。在盆栽塑料桶底部設(shè)置煤矸石基質(zhì)滲透水收集裝置,根據(jù)自然降雨情況,隔4周左右收集1次滲透水樣品,在6—8月共采集3次滲透水樣品。每次量取150 mL的滲透水用0.45 μm濾膜過(guò)濾,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定水樣中Fe、Mn、Zn、Cr、Cu、Cd和Pb的質(zhì)量濃度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用DPS軟件進(jìn)行方差分析(LSD多重比較)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)黑麥草生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收的影響

從表2看出,在未添加白云巖砂的煤矸石基質(zhì)上黑麥草生長(zhǎng)受到一定影響,利用白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)能明顯地促進(jìn)黑麥草生長(zhǎng)。在添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)上,盆栽試驗(yàn)、野外堆場(chǎng)試驗(yàn)的黑麥草平均株高分別比未添加白云巖砂的對(duì)照處理提高43.61%～92.48%、16.88%～53.90%,而黑麥草地上部分生物量則分別比對(duì)照處理增加1.77～7.32倍、0.66～2.36倍。多重比較結(jié)果表明:無(wú)論是盆栽條件還是野外堆場(chǎng)條件,在煤矸石添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草株高、地上部分生物量均與未添加白云巖砂處理之間存在顯著性的差異。

表2 不同白云巖砂處理下黑麥草的株高、生物量、葉綠素和氮、磷、鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從黑麥草植株中N、P和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化來(lái)看,盆栽條件下添加10%～30%白云巖砂處理黑麥草葉片中N、P和K的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比不添加白云巖砂的對(duì)照處理增加30.53%～185.67%、90.38%～353.85%和32.98%～188.17%。在野外堆場(chǎng)條件下添加10%～30%白云巖砂處理黑麥草葉片中N、P和K的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比不添加白云巖砂的對(duì)照處理增加89.87%～134.99%、83.84%～151.52%和66.95%～157.26%。多重比較結(jié)果表明:無(wú)論是盆栽條件還是野外堆場(chǎng)條件,在煤矸石添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草葉片中N和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與未添加白云巖砂處理之間存在顯著性的差異,當(dāng)白云巖砂添加量達(dá)20%～30%時(shí),黑麥草葉片中K質(zhì)量分?jǐn)?shù)才與未添加白云巖砂處理存在顯著性的差別。經(jīng)表2計(jì)算表明,盆栽條件下煤矸石添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草地上部吸收N、P和K的量比對(duì)照處理平均增加1.92、2.91和2.13倍;野外堆場(chǎng)條件下煤矸石中添加10%、20%和30%白云巖砂的處理上黑麥草地上部吸收N、P和K的量比對(duì)照處理平均增加2.09、2.23和2.03倍。說(shuō)明添加白云巖砂可以明顯提高黑麥草對(duì)N、P和K的吸收量,綜合其作用的大小順序是P>N>K。

此外,從表2也看出,在盆栽條件和野外堆場(chǎng)條件下,添加10%、20%和30%白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)上黑麥草葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比未添加白云巖砂的對(duì)照處理增加37.30%～46.09%、92.86%～99.13%和128.57%～164.35%,添加白云巖砂的煤矸石基質(zhì)處理上黑麥草葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著地高于對(duì)照處理,而且在白云巖砂添加量為10%、20%和30%的煤矸石基質(zhì)處理之間黑麥草葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也出現(xiàn)顯著的差別?？梢?jiàn),添加白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)能顯著改善黑麥草生長(zhǎng)狀況,促進(jìn)黑麥草對(duì)養(yǎng)分的吸收,提高黑麥草產(chǎn)量及質(zhì)量。

2.2 對(duì)有效態(tài)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

從表1看出,煤矸石中除Cd外,Cr、Cu、Zn和Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 5618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》)中篩選值,而白云巖砂中Cd、Cr、Cu、Zn和Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于煤矸石,在煤矸石中添加白云巖砂時(shí),關(guān)注煤矸石基質(zhì)有效態(tài)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化更有意義。從表3看出,盆栽條件下添加10%、20%和30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)中有效態(tài)Mn、Zn和Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)顯著性降低,其有效態(tài)Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比不添加白云巖砂的對(duì)照降低44.64%、77.76%和83.44%,有效態(tài)Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照減少41.09%、52.02%和66.03%;而有效態(tài)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照降低36.92%、41.54%和70.77%;但是,白云巖砂添加量達(dá)20%、30%時(shí),煤矸石有效態(tài)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)才出現(xiàn)顯著性降低,其比對(duì)照分別減少19.59%、27.76%。在野外堆場(chǎng)條件下也看出(表3),添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)中Mn、Zn和Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著性降低,其中有效態(tài)Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比不添加白云巖砂的對(duì)照降低21.45%、48.94%和67.20%,有效態(tài)Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照減少24.01%、45.92%和57.34%;而有效態(tài)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照降低16.00%、37.33%和58.67%;煤矸石添加20%～30%白云巖砂時(shí),有效態(tài)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)才出現(xiàn)明顯的下降,其比對(duì)照分別減少12.19%、25.95%。然而,無(wú)論是盆栽條件還是堆場(chǎng)條件,添加30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)有效態(tài)Cu和Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)才出現(xiàn)較明顯的降低,利用白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)對(duì)有效態(tài)Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化沒(méi)有明顯的影響?？梢?jiàn),添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)中有效態(tài)Mn、Zn和Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著性降低,而添加20%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)中有效態(tài)Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)才出現(xiàn)顯著地下降。這種作用效果與煤矸石基質(zhì)添加20%～30%白云巖砂后,煤矸石基質(zhì)pH值顯著大于對(duì)照的煤矸石基質(zhì)有密切的關(guān)聯(lián)性(表3)。

表3 白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)中有效性重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.3 對(duì)煤矸石基質(zhì)重金屬淋溶的影響

從盆栽條件下煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe、Mn、Cr、Cu、Zn、Cd和Pb質(zhì)量濃度變化可看出(表4),煤矸石添加10%～30%的白云巖砂改良基質(zhì)滲透水中重金屬質(zhì)量濃度出現(xiàn)不同程度降低,添加10%～30%的白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)中Fe和Mn質(zhì)量濃度出現(xiàn)顯著性降低,煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe的平均質(zhì)量濃度比對(duì)照降低17.88%～94.81%,而Mn的平均質(zhì)量濃度比對(duì)照減少32.40%～93.67%;其次是煤矸石基質(zhì)滲透水中Cd、Zn質(zhì)量濃度也出現(xiàn)顯著性下降,Cd質(zhì)量濃度比對(duì)照減少38.46%～81.48%,Zn的平均質(zhì)量濃度比對(duì)照分別減少3.34%～92.65%。添加20%～30%白云巖砂改良基質(zhì)滲透水中Cu質(zhì)量濃度出現(xiàn)顯著性下降,Cu的平均質(zhì)量濃度比對(duì)照降低21.31%～63.75%;添加30%白云巖處理煤矸石基質(zhì)滲透水中Pb質(zhì)量濃度才出現(xiàn)顯著性降低,Pb的平均質(zhì)量濃度比對(duì)照減少56.72%～76.42%;但利用白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)對(duì)滲透水中Cr質(zhì)量濃度沒(méi)有明顯的影響。

表4 白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)滲透水中重金屬質(zhì)量濃度的變化

通過(guò)對(duì)各處理3組重復(fù)的3次全部采樣數(shù)據(jù)與GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對(duì)比分析,白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe和Mn質(zhì)量濃度變化范圍分別為0.061～2.463和0.018～1.275 mg/L,部分樣品超過(guò)集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值。但是,在黑麥草生長(zhǎng)旺盛期(7—8月),添加20%～30%的白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe質(zhì)量濃度范圍是0.061～0.399 mg/L,添加30%的白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)滲透水中Mn質(zhì)量濃度為0.018～0.076 mg/L,未超過(guò)集中式生活飲用水地表地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值,特別是黑麥草成熟期(8月),白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe、Mn質(zhì)量濃度變化范圍分別為 0.061～0.498和0.018～0.099 mg/L。此外,煤矸石基質(zhì)滲透水中Zn、Cr、Cu、Cd和Pb質(zhì)量濃度均未超過(guò)集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 討論

3.1 加入白云巖砂后煤矸石基質(zhì)中重金屬的有效性降低和淋溶遷移減少

3.2 白云巖砂改良煤矸石后黑麥草生長(zhǎng)量增加以及利于減少煤矸石污染物遷移的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

白云巖砂含有較多的礦質(zhì)養(yǎng)分,K和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8 500和130.2 mg/kg,在白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)上黑麥草地上部的生長(zhǎng)量顯著增加,利用白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)促進(jìn)了黑麥草的生長(zhǎng),有利于減少煤矸石中污染物遷移的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。劉方等[13]通過(guò)對(duì)貴州省中部廢棄煤礦區(qū)不同植被條件下煤矸石堆場(chǎng)地表徑流進(jìn)行采樣分析,植被自然恢復(fù)能顯著地減少煤矸石堆場(chǎng)Fe和Mn向水體的遷移及改善廢棄煤礦區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量,植物生長(zhǎng)對(duì)減少煤矸石中Fe向水體遷移產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)大于Mn。說(shuō)明植物生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)植株吸收煤矸石基質(zhì)的Fe和Mn,可以明顯減少煤矸石中Fe和Mn的淋溶遷移。此外,植物根系對(duì)重金屬也具有攔截、過(guò)濾作用,植物生長(zhǎng)后堆場(chǎng)基質(zhì)表面抗沖和抗蝕能力增強(qiáng),根系對(duì)煤矸石堆場(chǎng)Fe、Mn的淋溶遷移也有較大的調(diào)控作用。近期較多研究表明,在煤矸石山人工構(gòu)建以植物為主的生態(tài)系統(tǒng),利用植物改良和保持煤矸石及其風(fēng)化物,達(dá)到吸附有害物質(zhì),減少地表侵蝕與沖刷,改善煤矸石山的生態(tài)環(huán)境及周邊水環(huán)境的質(zhì)量,從而減少煤矸石污染物遷移的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[8-11]。因此,植物不僅通過(guò)吸收作用而固定煤矸石中Fe和Mn,而且可以通過(guò)根系及覆蓋作用,改變煤矸石基質(zhì)的含水量及氧化還原環(huán)境,減少煤矸石中Fe、Mn淋溶遷移對(duì)水環(huán)境的影響[19]。然而,本研究?jī)H對(duì)煤矸石添加白云巖砂基質(zhì)種植黑麥草后重金屬有效性及其淋溶效應(yīng)進(jìn)行了研究,缺乏對(duì)改良基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)如密度、孔隙度、田間持水量等和肥力狀況如有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分指標(biāo),以及植物根際效應(yīng)等方面開(kāi)展系統(tǒng)性研究,這方面還需要進(jìn)行深入的探討,才能綜合評(píng)價(jià)白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)的生態(tài)效應(yīng)。

4 結(jié)論

1) 利用白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)能提高黑麥草的生物量,在添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)上黑麥草株高、地上部生物量以及葉片N和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)顯著性增加,并隨著白云巖砂添加量的加大而提高。

2) 白云巖砂改良的煤矸石基質(zhì)中重金屬的有效性出現(xiàn)不同程度的下降,在添加20%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)中有效態(tài)Fe、Mn、Zn和Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)顯著性下降,白云巖砂施用比例達(dá)30%時(shí),煤矸石基質(zhì)有效態(tài)Cu和Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)才出現(xiàn)較明顯的降低。

3) 白云巖砂改良煤矸石基質(zhì)后重金屬元素的淋溶遷移量出現(xiàn)明顯的減少,在添加10%～30%白云巖砂的煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe、Mn、Cd和Zn質(zhì)量濃度出現(xiàn)顯著性下降,當(dāng)白云巖砂添加量達(dá)30%時(shí)煤矸石基質(zhì)滲透水中Cu和Pb質(zhì)量濃度出現(xiàn)顯著性降低,特別是煤矸石基質(zhì)Fe和Mn淋溶遷移量的明顯減少,有利于改善煤礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量。