武冬梅 张建红 吕珊兰 赵景逵

提　要　围绕煤矸石缺乏有机活性物质及有效养分的问题，在矸石山复垦种植时，对施肥作了试验研究。结果表明，煤矸石风化物由于吸附性能低，保肥性差，所以施用化肥时一次用量不宜过大。并从降低复垦的投资与难度以及尽快建立一个可自我维持生长的植被出发，提出了矸石山复垦种植时化肥与污泥配合施用的施肥策略，并对污泥的施用效果做了研究。

关键词　煤矸石 矸石山 复垦种植 施肥策略 化肥 污泥

分　类　中图法 TD98 S158

1 煤矸石山概况

　　我国煤矸石的产生量约为原煤产量的 15% 或更多，目前煤矸石年排放量约为 1.5亿t^[1]。煤矸石在矿区主要以矸石山形式堆放，据统计，我国统配煤矿现有矸石山 1500 座左右，若以全国所有煤矿计，则有各种堆积场数万个。当前，煤矿开采过程中排放的矸石等固体废弃物累计已达 7.4×10⁹t，压占土地 8×10⁴hm^2[2]。山西是全国能源重化工基地，随着矿产资源的不断开发利用，煤矸石的排放和堆积将会越来越大。

　　煤矸石堆积在矿区，不仅压占土地，破坏了矿区的自然景观，而且由于不合理的排放工艺，矸石山自燃释放出大量粉尘及 CO、SO₂、氮氧化物等有毒有害气体，严重污染着矿区的大气环境。目前虽有一部分煤矸石可被再利用为建材、燃料，但工业综合利用率还不到 5%。在当前耕地日益减少，土地复垦逐步得到重视的前提下，对煤矸石最彻底的治理应是农业治理即复垦种植，使其逐步变成可利用的资源，并改善矿区生态环境。

　　煤矸石风化物由于颗粒粗且养分含量少，大部分矿山又无力在其上大面积覆土后复垦种植，只能小面积覆土或直接复垦种植，这就给复垦种植带来一定的难度。

　　据文献报道^[3]及我们所做的生物试验^[4]表明，煤矸石中有效氮素极贫乏，是限制植物生长的首要养分因子，而且其有机活性物质也极贫乏，因此，复垦种植时必须施肥。近年来，通过在阳泉三矿 8 ^＃、9 ^＃矸石山上及实验室盆栽试验研究，在施肥方面取得了一些研究成果，可为矿区生态环境的改善及矸石山良好生态系统的建立提供一些理论依据及实践指导。

2 煤矸石风化物中化肥的适宜施用

2.1 煤矸石风化物的保肥性能

　　阳离子代换量代表着土壤对养分离子的吸附与保存能力。据作者测定，煤矸石 (1mm) 阳离子代换量仅为 8.6ml/100g, 而黄土母质 (1mm) 为 12.5ml/100g，塿土 (1mm) 为 32.5ml/100g。比较中壤质褐土 (1mm) 与煤矸石 (1mm) 对 (NH4)₂SO₄ 的吸附量，前者对于 NH+4 的吸附量为 8.214ml/100g，而煤矸石只有 4.084ml/100g，由此可推测，煤矸石对养分的吸附性能要小于土壤。

2.2 煤矸石风化物中化肥的适宜施用

　　在有效养分缺乏的煤矸石山，无论是造林还是种草，适当施用化肥均可使树木、牧草生长，使矸石山较快得到覆盖，生态环境得到改善^[5]。但由于煤矸石风化物本身对养分的吸附、缓冲性能低，故化肥一次施用量不宜过高。据我们在煤矸石风化物上种植苜蓿与鸭茅的试验表明，高 N 水平时，不利于作物生长，且养分淋失也
较多^[6]。

3 煤矸石风化物中化肥与有机肥的配合施用

3.1 矸石山有机 N 库建立的重要性

　　复垦种植的目的是维持植被的长期自然生长，据 Dancer,Roberts 等人研究，在煤矿废弃物上至少要积累 N 750kg/hm²，一个自我维持的不依赖于外部氮源的生态系统才能建成^[7、8]。施入肥料和豆科植物的共生固氮是生态系统中氮输入的两个主要途径。Bradshaw,Bloomfield 和 Handley 在煤矿废弃物上试验推断：要想建立 750kg/hm² 的有机 N 库，需连续施用肥料 15 年^[9]。而 Dancer,Handley 和 Bradshaw 的试验表明，豆科植物在煤矿废弃物上可以积累 N100kg/hm²·a，他们推断需要 50 年共生固氮才可积累够 N 750kg/hm^2[10]。施用氮肥和种植豆科植物虽然都可以改善矸石山氮素营养，但对矸石山有机 N 库的形成速度则很缓慢，在缓慢建立氮营养库期间，矸石风化物必然会被大量风蚀、水蚀，这会加重建立氮营养库的难度，严重时因矸石山无植物而形成严重的沟蚀甚至滑坡等事故。所以，矸石山的复垦种植关键是复垦初期如何能尽快建成一个有机 N 库，以促进植物生长。

3.2 污泥的施用效果

　　在复垦种植初期，要使植被快速形成，必须施用化肥，而少量多次施肥无疑又增加了复垦种植的难度，故我们尝试了污泥与化肥同时配合施用于煤矸石上，效果很显著。

3.2.1 可以促进牧草的快速生长，提高其干物质

　　试验选用的是太原市杨家堡污水处理厂的生活污泥，其重金属含量不超标，试验共设 4 种处理，5 次重复，全部以 P、K 作底肥，污泥的 3 个用量分别为
45t/hm²，90t/hm²，135t/hm²，4 种处理分别称之为 CK、污泥 1、污泥 2、污泥 3。污泥及煤矸石风化物的基础养分浓度（状况）见表 1。

表 1 供试煤矸石风化物及污泥的基础养分
Table 1 Basic nutrients from gangue weathering matter and sludge

　　苇状羊茅生长 150d 后，对各处理进行了产量统计（表 2）。施用污泥处理比对照产量提高 3 倍左右。由于种植时间短，经 LSD 检验，三种污泥用量之间差异不显著，但肥力的提高差异很大。

表 2 各处理苇状羊茅产量 (X＋CV 干重 g/盆 )
Table 2 Yield of tall fescue in each treatment

3.2.2 可增加矸石中的有机物质及有效养分

　　合理的施肥措施不仅应体现在植物产量上，而且还应有助于改善土壤性状，在复垦种植初期，培肥煤矸石特别重要。施肥种植后，矸石风化物的有机 C、碱解 N、全 N 均有不同程度的提高，且随污泥用量的加大而增加（表 3）。

表 3 施用污泥种植后矸石风化物的肥力性状
Table 3 Fertility properties of gangue weathering matter after applying sludge

注：三大微生物指细菌、真菌和放线菌。

3.2.3 提高了煤矸石风化物的 CEC 及微生物活性

　　污泥富含有机活性物质，施用于煤矸石上，不仅是氮源，更重要的是有机质库和微生物库。施用污泥复垦种植后，各处理 CEC 较种植前提高了 3%～36%，CEC 的提高标志着矸石保肥性能的提高。

　　Tate 认为复垦的成功及其稳定性取决于对生物地质化学循环过程做出贡献的活性、多样性的微生物区系的发展^[11]，据测定，新出坑矸石微生物总数仅为
1.6×10³ 个/g，复垦种植 4 年后，为 2.03×10⁶ 个/g，未复垦区为
1.58×10⁵ 个/g^[5]，施用污泥处理后矸石中微生物总数可达 2.39×10⁷ 个/g。

3.2.4 可使牧草品质提高，重金属含量正常

　　污泥在农业上受到限制使用的主要原因是其重金属含量，试验对苇状羊茅粗蛋白质含量及 Ni、Cr、Pb、Cd 元素含量测定结果（表 4）表明，牧草粗蛋白质含量随污泥用量增加而提高，比对照增加了 3～4.8 倍，而牧草中重金属并未随污泥用量提高而出现富集，而且低于五台山天然植被中元素含量^[12]。

表 4 苇状羊茅粗蛋白质及 Ni、Cr、Pb、Cd 含量
Table 4 Content of rawprotein and Ni, Cr, Pb, and Cd content

注：Cd 未检出，其检测极限为 0.02mg/kg。

3.3 煤矸石风化物复垦种植施肥策略

　　(1) 上述研究表明，在矸石山复垦种植时，要使植被快速形成，必须施用化肥，但由于煤矸石吸附保存养分能力低，故氮肥一次施用量不宜过大。

　　(2) 从复垦种植的最终目标——建成一个可自我维持生长的植被出发，矸石山复垦的关键在于能否尽快建成一个有机 N 库，以持续供应植物养分。从复垦的投资与难度考虑，矸石山复垦种植时应配合化肥施用有机肥料。目前矿区可能采用的有机肥料为矿区居民生活垃圾，或生活污水污泥。生活垃圾含塑料制品、玻璃、砖石等，其成分复杂，不经筛选不能直接施用，故最适合的有机肥源即城市污泥，其来源广且经济可行。据试验，其施用效果很显著，在重金属含量不超标情况下施用量以 135t/hm² 为宜。

　　(3) 污泥腐熟后卫生状况改善，肥效也会提高。在大规模推广种植时，也可在矸石山上腐熟，但需控制其病原菌的数量及其传播。生活污泥与腐熟污泥都可缓慢释放养分，施用时应配合化肥，以满足其异养微生物自身的同化需要。在试验中，由于所用污泥有效 N 含量很高，所以初期配合污泥只施用了 P、K 作底肥。

参考文献

1	孙绍先，李树志．我国煤矿土地复垦与塌陷区综合治理的技术途径．中国土地科学，1994(5)：41～46
2	韦朝阳等．我国煤矿区生态环境现状及综合对策．地理学报，1997,52(4)：300～307
3	赵景逵．矿区土地复垦技术与管理．北京：农业出版社，1993,116～127
4	吕珊兰等．煤矸石风化物有效养分含量的测试方法讨论．山西农业大学学报，1995,15(3)：80～81
5	周树理主编．矿区废地复垦与绿化．北京：中国林业出版社，1995,137～148
6	吕珊兰，武冬梅等．在煤矸石风化物中施肥对种植和矸石风化物的影响．山西农业大学学报增刊，1995(3)：76～78
7	Dancer W S et al. Nitrogen accumulation in kaolin mining wastes in cornwall 1. Natural cmmunities, Plant soil, 1977, 48：153～167
8	Roberts R D et al. Ecosystem development on naturally colonized China clay wastes I. vegetation changes and overall accumulation of organic matter and nutrients, Journal of Ecology, 1981,69：153～161
9	Bloomfield H E et al. Nutrient deficiencies and the aftercare of reclaimed derelict land. Jour Applied Ecol, 1982,19：151～159
10	Dancer W S et al. Nitrogen accumulation in Kaolin mining wastes in cornwall 2. Forage legumes. Plant Soil, 1977b,48：303～314
11	Fresquez P R et al. Microbial re-establishment and the diversity of fungal genera in reclaimed coal mine spoils and soils. Reclamation and Revegetation Research, 1986,4：245～258
12	樊文华等．五台山草甸自然保护区 11 种化学元素生物积累的研究．生态学报，1995,15(1)：28～31

第一作者简介

武冬梅，女，1969 年生，助教。1996 年毕业于山西农业大学作物营养与施肥专业，获农学硕士学位。现主要从事黄土高原水土流失的综合治理与开发方面的研究。已发表论文 5 篇。

*	山西省科委课题，1994 年通过鉴定，编号 (94) 晋科鉴字 022 号。