煤矸石作无土栽培基质的可行性研究

煤矸石作无土栽培基质的可行性研究

何俊瑜1， 任艳芳1， 李亚灵2， 温祥珍2
（1.贵州大学农学院，贵州贵阳550025； 2.山西农业大学园艺学院，山西太谷030801）

煤矸石是煤炭开采、洗选及加工过程中排放的废物，约占煤炭产量的15%或更多。据不完全统计，我国每年排放煤矸石约1.5~2.0 亿吨，历年堆积量达35 亿吨，占地面积约2.2×105hm2。煤矸石的堆积占用了大量土地，引发矿地矛盾；风化后的煤矸石山极易发生扬尘、水土流失、泥石流等灾害[1]；煤矸石中含有硫、炭、黄铁矿（FeS2）等物质，极易发生氧化自燃，产生SO2、H2S 和CO 等有害气体，导致附近居民慢性气管炎和气喘、周围树木落叶、庄稼减产等。据统计我国现有1500 座煤矸石山，其中1/3 已发生或者正在自燃，严重污染矿区的大气环境和水环境，并使土壤酸化，严重限制植物的成活和生长，破坏了当地的生态环境，导致严重的社会和环境问题[2-3]。世界各国对煤矸石的利用和改造都非常重视，如：煤矸石的再选、改良土壤、发电、作为路基和采煤塌陷区的充填材料、作为工业原料、制砖原料等[1]。国外煤矸石的综合化利用率可达到60%左右。我国是从20 世纪70 年代起开始研究煤矸石的综合利用，目前利用率不到30%。在当前耕地日益减少，无土栽培技术日趋成熟并广泛应用的前提下，对煤矸石进行改造、处理，作为无土栽培栽培基质，对于充分利用资源、改善矿区生态环境，具有十分重要的意义。针对煤矸石中含硫高不利于作物生长的特点，采用脱硫剂对其进行脱硫处理[4]，用经过脱硫处理后的煤矸石进行小白菜栽培，并对其生长状况、产量品质进行分析，旨在为煤矸石的再利用和无土栽培的发展、特别是基质的开发提供一些理论依据及实践指导。

1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验所用煤矸石来自山西省灵石县高硫矿，经粉碎清洗后进行脱硫处理。脱硫剂的组成为MnO2、FeCl3、EDTA。供试作物是小白菜，品种为飘儿白。
1.2 试验方法
1.2.1 煤矸石的脱硫方法
根据无土栽培固体基质粒径选择的原则[5]，在煤矸石脱硫处理前，先筛选粒径为0.1~0.5cm 的煤矸石，应用组成为MnO2： FeCl3： EDTA （100： 100： 1）的脱硫剂进行脱硫处理[4， 6]，处理方法为煤矸石和脱硫剂的用量比为500： 1（质量比），脱硫后加水清洗、过滤，晒干备用，同时测定其农化性质。
1.2.2 试验处理与栽培床设计
试验以脱硫处理过的煤矸石为栽培基质，栽培床，规格（内径）长2m，宽1m，深度0.18m；栽培床南北延长，床内铺1.4m 幅宽的塑料膜两层。共铺设12 个床，每床所铺基质厚度为0.16m。
1.2.3 蔬菜作物育苗及定植
采用营养土育苗，选取长势一致、苗龄为21d（4 片真叶） 的小白菜幼苗定植于各栽培床中，株行距20cm×20cm。所用营养液配方参照[7]。收获时测定其产量、维生素C、硝酸盐、可溶性糖、重金属含量。
1.2.4 测试方法
基质的农化性质测定参照土壤农化分析[8]。电导度用DDS-11A 型电导仪。土壤中的重金属含量用HNO3-HCl-HClO4 三酸消化浸提，植物中的重金属用HNO3-HClO4 消煮，原子吸收分光光度计测定[7]。叶片硝酸盐含量测定采用对氨基苯磺酸-盐酸-α 萘胺显色比色法测定[9]。维生素C 含量的测定采用2，6-二氯靛酚滴定法[10]，可溶性糖的测定采用蒽酮比色法[10]。

2 结果与分析
2.1 煤矸石基质的物理性质
煤矸石的比重、容重、孔隙度等物理性质分析见1。从表1 可以看出，煤矸石的容重、孔隙度、气水比均与炉渣相差不大。但与菜园土相比，容重小，仅为菜园土的63.6%；总孔隙度大，气水比例大，分别是菜园土的1.20、1.77 倍，说明其容纳水分和空气的能力强，有利于根系的生长、发育。
2.2 煤矸石基质的农化性质
煤矸石的农化性质和重金属含量见表2 和表3。


煤矸石基质含有一定量的碱解氮、速效磷和有效钾（表2），这对作物生长是有利的，且其重金属含量低于我国土壤质量二级标准（全铅250mg/kg，全镉0.3mg/kg，全铜50mg/kg，全锌200mg/kg）（表3），但其含硫量较高全硫含量达3.53%，有效硫含量为0.83%，pH值过低，不利于作物生长，一般作物含硫2.3 煤矸石基质对小白菜产量和品质的影响量约0.25%[11]，所以有必要在利用之前对其进行脱硫处理。从脱硫效果来看，采用脱硫剂，全硫和有效硫脱除率分别可达86.12%、89.16%，pH 值也明显上升。此外，虽然脱硫煤矸石中有效氮、速效磷、有效钾的含量有所降低，但这些营养元素可以通过施肥来补充。

2.3 煤矸石基质对小白菜产量和品质的影响
通过对不同基质中栽培小白菜的产量和品质进行测定，试验结果表明（表4），不同基质中小白菜产量间存在明显的差异，脱硫煤矸石处理小白菜比土壤提高了11.1%。从品质上看，脱硫煤矸石处理中植株的维生素C和可溶性糖含量分别比土壤中提高了23.98%、23.61%，差异达显著水平。此外，脱硫煤矸石中油菜叶内的NO3-含量明显低土壤中，降低了14.48%。无论是哪种基质，四种重金属元素均未超过国家卫生标准。煤矸石与炉渣相比，各项指标相差不大。

3 讨论
关于煤矸石的脱硫，国内外报道较少。吴代赦等研究认为，在自然状态下，煤矸石山经过雨水淋洗，可淋洗出SO42-，且煤矸石的颗粒大小对淋出的硫浓度有一定的影响[12]。我们前期采用高温、碱液浸泡等方法表明其脱硫效果不是很理想[4]。近年来微生物脱硫研究相对较多，毕银丽等用氧化硫硫杆菌对煤矸石的微生物脱硫的试验表明煤矸石的脱硫率达84.5%[13]。尽管生物脱硫技术条件较温和、处理效率高，我国在此新工艺方面较落后，菌种的多样性利用也很局限，微生物脱硫还处于实验阶段。本试验中对煤矸石采用复合脱硫剂的脱硫效果较好，全硫和有效硫脱除率分别可达86.12%、89.16%，pH 值也明显上升（表2）。煤矸石中含有多种重金属元素，许多研究表明煤矸石能造成土壤、水体、大气污染，但各位学者所研究的结果不尽相同[14]。根据土壤环境质量标准，从我们的结果可知，矸石中所调查的重金属含量未达到污染水平，所以小白菜中重金属含量也未超过卫生标准，与我们所用的矸石的风化程度及地域有关，可能是新鲜的矸石有机质质量比高，风化后的矸石中重金属质量比所占比例大。这与葛银堂对山西统配煤矿煤矸石的调查结果一致[15]。

蔬菜作物比较理想的基质容重为100~800g/L，总孔隙度大于55%，大小孔隙比在0.5~0.6 之间，酸碱度接近中性[5]。从煤矸石的性质看，其容重适中，总孔隙度较高，大小孔隙比基本符合栽培基质要求，但其略偏酸性，总的来说符合基质的要求。从本试验的结果来看，脱硫煤矸石栽培油菜在产量和品质方面优于土壤，可能与其良好的通气性有关。良好的通气状况为根系提供更多的氧气，有利用矿质元素的吸收，促进根系的生长发育，提高了根系吸水吸肥的能力，从而导致地上部的良好生长发育，叶面积大，光合速率高，另外基质通透性的提高，使气孔导度下降，影响了光合速率，气孔关闭，减少水分的消耗，使水分利用率得到提高，光合产物积累增加，为获得高产奠定了基础。史春余等研究在甘薯上的研究结果也表明，容重小、通气好，根系干重高，有利于养分吸收，产量高[16]。实践证明，在作物生长发育和产量形成过程中，根系越来越显示出重要作用，它除支持作物地上部和吸收水分养分外，并能合成氨基酸、核酸、某些激素类物质，这与宋勇等对生菜不同基质无土栽培增产效果的分析一致[17]。维生素C 含量的提高和NO3-含量的减少可能是因为良好的基质也有利于养分在植株内的转化和利用，周艳丽等也认为复配基质栽培番茄品质提高的原因在于此[18]。目前，我国对复配基质的研究较多。陈贵林等认为单一物质作为无土栽培基质存在某些不足[19]。对于煤矸石与其它基质的配比方面还需进一步研究。

4 结论
（1）从理化性质来说，煤矸石基质容重小、气水比大，通气性好，但其含硫量过高，所以通过脱硫处理后可以作为无土栽培基质。
（2）经过脱硫处理的煤矸石作为无土栽培基质栽培，其产量和品质均优于土壤栽培，且无重金属污染，其中增产11.1%。