黄栋学，黄灏峰，王礼旺，南海龙，邹大林，朱建刚，贾剑波

(1.广西泰能工程咨询有限公司，530023，南宁;2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;3.北京金五环风景园林工程有限公司，100022，北京;4.北京市首都公路发展集团有限公司，100161，北京;5.北京市园林绿化国际合作项目管理办公室，100013，北京)

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%。目前我国煤矸石的综合利用率仅为30%，除少部分被生产建筑材料或用其供热发电利用外，更多的煤矸石堆置于矿井周围，而且以每年约1.5亿～2.0亿t的速度递增，所占耕地面积以每年300万 ～400万 m2的速度递增［1］。煤矸石以Si、Al为主要元素，这是发生火山灰反应的基本条件，但其具体的化学组成与煤形成的年代地区和条件有关［2］;所以，煤矸石的化学组成波动范围较大［3］。长期堆放后表面部分被风化，被雨水淋洗后，产生酸性废水并携带重金属离子渗入地下，煤矸石中还有其他物化反应发生以及氟、氨等成分析出，都会对土壤和地下水造成污染，同时煤矸石表面容易吸热，造成煤矸石表面温度升高，导致植被恢复困难［4-5］。煤矸石山的自燃带来更加严重的环境污染，并对人的生命及财产造成严重的危害。煤矸石已成为我国各种工业废渣中排放量最大、占地最多、污染较严重的固体废物［6］;因此，煤矸石废弃地的生态治理，不仅是珍惜和合理利用土地资源的需要，更是环境保护的要求。

在煤矸石山生态植被重建过程中，基质改良是主要问题，也是煤矸石废弃地生态恢复中的核心问题。目前用到的基质改良方法主要以物理、化学和生物改良法为主。物理改良方法指在煤矸石山表面覆盖土壤、粉煤灰或淤泥等，以隔离煤矸石毒性的上升，为植物根系的生长提供良好的环境。化学改良法主要是针对煤矸石山的强酸或强碱性，施加酸性或碱性物中和，一般添加的有FeSO4、CaCO3等。生物改良法指在煤矸石山表面直接种植豆科 (Leguminosae sp.)类草本或栽植乔灌木，通过植物根系固氮作用达到改良煤矸石山基质的目的［7-10］。但是，目前使用的基质改良方法都存在不宜大面积推广的缺点:物理改良法中覆盖基质不易获取，而且在工程实施中需要耗费大量的人力和物力，绿化成本高，同时会对取土区的环境造成严重的破坏;化学改良法仅适合强酸或强碱的煤矸石山，如处理不当还会造成新的污染;而生物改良法对基质改良的效果缓慢，需要几十年的时间，通过植被恢复达到改良基质、改善植生环境的目的。

本试验中以粉碎的煤矸石粉粒为基质，针对粉碎煤矸石对植物生长的不利特性，添加土壤、保水机等材料，改善粉碎煤矸石的物理化学特性，然后在基质中播种紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)，通过对比紫穗槐的出苗率和长势判断基质的优劣。试验的目的是基质在满足植物正常生长的前提下，降低煤矸石山基质改良的成本，并使这种方法具有普遍意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 基质材料 煤矸石取自北京市门头沟区上辛房，其矿物组成如表1，化学特性如表2。将煤矸石粉碎后得到最大粒径为40 mm，中值粒径为2 mm的煤矸石粉粒，其中粒径＜0.1 mm的粉末状煤矸石占总体积的0.86%。

表1 煤矸石的矿物组成Tab．1 Mineral composition of coal wastes %

从表1可以看出，研究区煤矸石的组成成分中Si02和Al2O3的质量分数高出全国的平均水平［11］，Fe3O4的质量分数相对较低，其余几类氧化物的质量分数处于中等水平。同一般土壤相比较，煤矸石中养分离子的质量分数较低，缺乏植物所必须的养分元素，pH值较高，有机质质量分数低，微量元素质量分数较高(表2)。

表2 门头沟煤矸石的化学特性Tab．2 Chemical properties of coal wastes

土壤取自北京林业大学家属楼后距地表30 cm左右处(地表是建筑垃圾)，为华北平原娄垆土，土质黏重，通气透水性不良，基本养分离子组成为全氮0.15%、速效磷46.68 mg/kg、速效钾195.11 mg/kg、有机质1.31%;土壤pH值为8.05(土水质量比为1∶5)［12］。缓释肥应用木质素缓释肥，保水剂应用清华绿保水肥营养缓释剂。1.1.2 植物材料 选取豆科灌木种紫穗槐，其纯度100%，发芽率85%。

1.2 试验方法

1.2.1 正交试验设计法 正交试验设计是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法，一般通过试验指标值，分析因素的主次以及因素之间交互作用的关系，目的是选出较优组合［13］。该试验中的各因素及水平见表3，各水平的设置参照实际生产中的用量。将粉粒状的煤矸石和土壤按照不同的体积比相混合，同时在二者的混合物中添加不同质量的保水剂、缓释肥和菌剂，混合后的体积与花盆(30 cm×24 cm)的体积相等，选用L16(44)正交表安排试验并进行数据分析，每类基质的组成及各种材料的添加量见表4。设置土壤基质作为对照，试验于2007年7—10月在北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室外进行，试验设2次重复。

表3 因素水平表Tab．3 Levels and factors

表4 正交试验的基质组成Tab．4 Growing medium composition of orthogonal experiment

1.2.2 播种方法 将混合好的各基质装入花盆，种子在播前用60～70℃的温水浸泡24 h，每盆中均匀撒播100粒紫穗槐种子，播后用基质覆盖，覆盖厚度2 cm左右，浇透水，3 d后紫穗槐开始出苗，2周后出苗数基本稳定。

1.2.3 植物观测指标 出苗稳定后统计成活的苗木数量，苗龄在2个月时，从每类基质中随机选取具有代表性的5株紫穗槐，测量其株高和地径，再分别取紫穗槐的地上部分和地下部分，地上部分置于烘箱内105℃杀青15 min，在75℃恒温条件下烘48 h，称其干质量，地下部分从基质中取出后洗净然后在75℃恒温条件下烘48 h，称其干质量。

2 结果与分析

2.1 试验结果

通过测定紫穗槐的地上生长高度、地径以及地上和地下生物量的干质量，应用式(1)计算其壮苗指数，壮苗指数是一个广泛应用于衡量幼苗生长状况的指数，可以比较全面反映苗木的生长状况，常用于苗木质量的评价［14］;出苗率用式(2)计算，出苗率说明紫穗槐从发芽到出苗稳定期间对基质的适宜性［15］。壮苗指数和出苗率可以全面反映植物在基质中生长的优劣，通过这2个指标可以间接分析各基质对植物生长的影响。计算结果见表5。

式中:I为壮苗指数;mg为地下部干质量，g;mu为地上部干质量，g;Hg为茎粗，mm;H为株高，mm;m为全株干质量，g;R为出苗率，%;A为成活数;S为播种数。

表5 试验结果Tab．5 Experimental results

2.2 结果分析

2.2.1 极差分析 在出苗率作极差分析表(表6)中，比较各因素不同水平下对应的试验指标和K值可以得出，因素A对应的第3个水平的试验指指标和K3值最大，B因素对应的K3值最大，C因素对应的第4个水平的试验指标和K4值最大，D因素对应的第2个水平的试验指标和K2值最大，各基质中的较优组合为A3B3C4D2，同样对比壮苗指数的K值，可以得出基质的较优组合为A3B3C4D2。因此在设置验证性试验时，应增加处理组合A3B3C4D2进行试验，通过比较A3B3C4D2与A3B3C1D2的试验结果确定试验较优的基质类型，或通过方差分析判别缓释肥对观测指标是否具有显著性影响，以确定较优的基质配方。

分析试验结果，得到不同指标下各因素的极差值:一般情况极差越大，说明该因素的水平变化对指标的影响越大，因而这个因素越重要;反之，极差越小，说明这个因子越不重要。从表6极差分析结果可以看出，基质中各因素对出苗率影响的主次顺序即重要性依次为:A→B→C→D，即:土壤→保水剂→缓释肥→菌剂。各因子对紫穗槐壮苗指数的影响顺序由高到低依次为:A→D→B→C，即:土壤→菌剂→缓释肥→保水剂。

表6 极差分析结果Tab．6 Results of range calculation

2.2.2 方差分析 对试验中除对照外的正交设计部分的出苗率和壮苗指数分别作方差分析，其结果如表7和表8。

根据出苗率方差(表7)分析，A(土壤)和B(保水剂)对出苗率有极显著性影响，C(缓释肥)和D(菌剂)对紫穗槐出苗率影响不显著。由表8可以看出，A(土壤)和D(菌剂)对壮苗指数的影响达到极显著水平，B(保水剂)和C(缓释肥)对壮苗指数的影响不显著。对观测指标影响不显著的因子，理论上可以在试验允许的范围内选取任意水平。

表7 出苗率方差分析Tab．7 Variance analysis of emergence rate

表8 壮苗指数方差分析Tab．8 Variance analysis of healthy seedling index

2.2.3 综合分析

1)由方差分析可知，缓释肥对于出苗率和壮苗指数均没有显著影响，在理论上可以取任意水平，结合直观分析的结果，试验基质A3B3C4D2应为较优基质，而缓释肥对紫穗槐观测指标的影响均不显著;因此可以用试验基质A3B3C1D2代替，即11号试验为较优的基质类型，其次从经济角度考虑，选取水平低的缓释肥为佳。因此，可以确定最佳的试验方案为11号试验。这和最终的试验结果一致。在11号试验中出苗率和壮苗指数的平均值均最大，最佳基质的试验配方为土壤占基质总体积的33%，即煤矸石粉粒和土壤的体积比为2∶1，添加保水剂、缓释肥和菌剂的质量分别为15、0和5 g。该基质中紫穗槐的出苗率分别比1号试验高15% ～17%、壮苗指数高1.96～2.11。

2)土壤对紫穗槐的各观测指标均有非常显著的影响，从试验结果看，土壤体积比增大，紫穗槐生长状况越好，出苗率提高。在1～8号试验基质中，土壤体积分数小于25%，紫穗槐的壮苗指数小于CK(对照)基质中的壮苗指数;在9～16号试验中，土壤体积分数大于25%，紫穗槐的壮苗指数大于CK(对照)。CK(对照)中紫穗槐的出苗率最低，其原因主要是土壤质地不良，浇水后易板结，而且透气性差，导致部分种子没有萌发或出苗后由于土壤质地不良而逐渐死亡。但壮苗指数相对较高，成活的植株生长比较旺盛。

3)在温度和氧气适宜的条件下，水分成为限制种子萌发和生长的主要因子［16］。在苗木生长的初期，由于保水剂具有减缓蒸发、保持基质中水分的作用;因此，保水剂对出苗率表现出非常显著的影响，而保水剂对苗木的后期生长影响不显著。

3 结论

较优的基质组合为A3B3C1D2，即煤矸石粉粒∶土壤=2∶1，每m3的煤矸石粉粒和土壤中添加的保水剂和菌肥的质量分别为2 kg和680 g，无须添加缓释肥;但在实际生产中，施加一定量的缓释肥后，植物在后期的生长加快，长势较好［17］。缓释肥的添加量和次数要根据实际情况确定。由于降雨和浇水等外界条件的影响，缓释肥会有部分流失，因此植物在一段时期内会由于缺乏养分离子而长势变弱甚至死亡。为了避免该情况的发生，缓释肥的施用可以改用多次少施的施肥方法，同时为植物后期生长提供足够的养分。根据试验结果，菌肥对紫穗槐的后期生长有明显的促进作用，因为微生物菌肥可以通过各种有益菌代谢作用产生大量酸性物质，促进土壤中难溶性养分的溶解和释放，同时也促进土壤中微量元素铜、铁、镁、锰、锌等的释放及螯合［18］，为紫穗槐的生长提供了微量元素和更多的养分。

观察发现，基质中煤矸石的粒径大小也是紫穗槐成活的主要限制性因子。下一步试验中，可将煤矸石的粒径作为试验因子进行对比研究，筛选不同粒径煤矸石基质中保水保肥能力最好的中值粒径。

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