1、第32卷第3期 2014年5月 干旱地区农业研究 dtural Research in the Arid Areas Vo132 No3 Mav 2014 煤矸石主要物理特性及在栽培基质中 应用的可行性分析 唐升引，蒋永吉，陈 静，王鑫鹏，王益权 (西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100) 摘要：针对煤矿区煤矸石堆积，污染环境，堵塞河道，易造成地质安全等问题，谋求将煤矸石用于栽培基质 的主要物料和低产土壤的改良剂。基于煤矸石在栽培基质中应用的可行性为主要研究目标，分别以采自陕西彬 县、神木煤矸石为材料，研究了煤矸石的比重、斥水特性及改良措施与效果，结果表明：彬县和神木两地的煤矸石比
2、 重分别为189 gcmI3和206 gcmI3；神木煤矸石具有轻微斥水性，掺混63l以上的农田耕层土壤就能达到消除 斥水性的目的；而彬县煤矸石具有严重斥水性，需用02的湿润剂溶液喷洒煤矸石，就能达到消除斥水性的障碍， 且效果较为持久。由此得出结论是，就煤矸石的物理性状而言，尽管存在着不同的斥水性障碍，但通过一定的改 良，就可具备在栽培基质中使用的可行性。 关键词：煤矸石；比重；斥水性；栽培基质；可行性 中图分类号：$316；X752 文献标志码：A 文章编号：1000-7601(2014)03-020905 Major physical characteristics of gangue a
3、nd feasible analysis for the application in cultivation matrix TANG Sheng-yin，JIANG Yong-ji，CHEN Jing，WANG Xin-peng，WLNG Yi-quan (College ofResources and Natural Environment，Northwest A&F University，Yangling，Shoanxi 712100，China) Abstract：In view of the problems of gangue stacking，environmental poll
4、ution，blocking rivers and causing geologi cal safety，explored the gangue for the main material of cultivation matrix and lowyield soil amendmentBased on the main research goal of the feasibility for gangue being used in cultivation matrix，collected gangue from Binxian and Shen mu as for materials，ha
5、s researched the specific gravity，water repellency，improving technology and effect for the gangueThe resulshowed that：The specific gravity were 189 gam一。and 205 g am一。，respectively，for the gangue from Binxian and ShenmuThe Shenmu gangue had slight water repellency，and the waterepeHency could be elim
6、inated by mixed more than 631cultivated soilHowever，the Binxian gangue had serious water repellency，and needed mix ing 02wetting agent solution，the water-repellence could be eliminated，also had a longed lasting improving effect Accordingly，as for the physical characteristics of gangue，it had feasibi
7、lity to use gangue in the cultivation matrix by a certain improvement although it had various degree of water repellency Keywords：gangue；specific gravity；water repellency；cultivation matrix；feasibility 煤炭作为我国的主要能源，在其开采过程中产 生了大量的煤矸石。在矿区煤矸石堆积，压占土地， 污染环境，堵塞河流，诱发地质灾害等1。一般情况 下煤矸石的产出量几乎占到煤炭产量的15左右， 按此推算陕西
8、省各煤矿每年会有12001500万t的 煤矸石露天堆放_2 J。所以，开展煤矸石的合理有效 利用研究显得极为必要。煤矸石同样是一种自然资 源，人们利用酸浸法从煤矸石中获得了各类无机高 分子絮凝剂材料_3_3；利用煤矸石提取腐殖酸，制取肥 料添加剂以及各类抗旱剂等_4 ；用煤矸石生产水泥、 混凝土轻质骨料、耐火瓷砖等建筑材料等_5_5。尽管 煤矸石已开发的利用途径很多，但利用量仍极为有 限，需进一步开发更广泛的利用途径。 现代设施农业快速发展以及以降低城市热岛效 收稿日期：20131030 基金项目：大学生创新创业训练项目“煤矸石在人造土壤与低产土壤改良中应用研究”(1210712067) 作者
9、简介：唐升引(1993一)，女，陕西安康人，在读本科生，研究方向为矿产资源开发与应用研究。E-mail：1286363175qqcon。 *通信作者：王益权(1957一)，男，陕西旬邑人，教授，博导，从事土壤物理与土壤改良研究。E-mail：439073528qqcon。 21O 干旱地区农业研究 第32卷 应为主要目标的城市立体绿化、美化工程蓬勃兴起， 需要大量能够满足作物生长的人造栽培基质。然 而，以工农业及生活废弃物为主料的栽培基质极为 有限，难以满足设施栽培及城市美化的巨大需求量。 煤矸石是一种天然的有机矿藏资源，富含有机物质 和活性腐殖酸，能增加基质的蓄水保墒能力，刺激作 物生长，满
10、足栽培基质的需求l6 J。继续深入探求煤 矸石在栽培基质以及土壤改良中的利用途径及效 应，对于获得现代栽培基质的替代品，充分利用矿区 资源、改善矿区生态环境具有十分重要的现实意义。 本文初步以煤矸石的比重、水分物理特性研究为切 入点，探求煤矸石在栽培基质中利用的可行性，并依 据其存在的问题探求校正措施，为在栽培基质中大 量开发利用煤矸石提供科学依据。 1材料与方法 供试煤矸石于2012年7月分别采自陕西省彬 县和神木两地的煤矿，依据土壤颗粒基本组成，将煤 矸石样品用不锈钢粉碎机粉碎，并过1 mm筛后备 用。 试验所用土样采自关中蝼土农田耕层0 20 cm，土样经风干后磨细过1 mill筛备用，
11、土壤质地属 于重壤质。试验所用湿润剂属于表面活性剂类。 从物理特性出发，笔者认为煤矸石在栽培基中 应用的可行性主要涉及比重和水分物理特性，尤其 是其斥水性。为此，采用比重瓶法测定煤矸石的比 重；采用重铬酸钾容量法外加热法测定煤矸石 的有机质；采用滴水穿透时间法(wDfrr)_7 J测定煤矸 石的斥水性。 2结果与讨论 21煤矸石的比重 比重是物质组成的函数，它的大小一方面反映 了各地煤矸石的矿物特征以及有机物含量；另一方 面在现代屋顶美化的栽培基质中，基质的比重是计 算房屋及地基承载量以及基质稳定性的重要参数。 比重过大的物质会增大房屋及地基的承载量，而比 重过小的物质在屋顶易发生风蚀，不利于
12、基质稳定。 在设施栽培中比重小的基质不利于固定根系，支撑 植株直立等。供试的彬县煤矸石的比重及基本组成 测定结果见表1，显示出彬县煤矸石比重小于神木 煤矸石，且两地煤矸石的比重均小于一般土壤比重 的平均值265 gam，这既表明煤矸石中有机物含 量占有的份额相对较高，符合选择栽培基质物料的 基本要求，同时，也体现着不同煤矸石在产地间的差 异性。仅从比重而言，两地煤矸石均符合栽培基质 的需求，从有机物料看彬县煤矸石作为栽培基质要 好于神木。本实验所获得的两地煤矸石比重值将作 为屋顶栽培基质设计时的主要技术参数之一，配合 其它轻体材料，将构成理想比重的栽培基质。 表1煤矸石的比重及基本组成 Tab
13、le 1 Specific gravity and basic composition of gangue 22煤矸石的斥水性 所谓斥水性(waterrepellence)是指水分不能或 很难湿润土壤颗粒表面的物理现象l_8 J，一般用滴水 穿透时间法(Water drop penetration time method，即 wDer)来表示斥水性大小。洒在干燥斥水土壤表面 上的水分，较长时间滞留在地表，不能或难以入渗， 或者只能在压力势作用下使水分人渗，也难以达到 均匀湿润。普遍认为斥水性是由于土壤中有机物质 造成的，如腐殖酸、富里酸和蜡质等。在一般园艺栽 培基质中常用的诸如草炭和树皮等有机
14、物料均属斥 水性物质，因为这类物质表面存在着蜡质疏水层_9 的缘故。具有斥水性的基质，对作物生长以及水肥 管理效率有严重影响。斥水性的存在，使浇灌水时 水分不能或很难均匀湿润整个栽培基质，在基质体 内常产生“干域”，影响种子发芽和作物根系生长，也 易使水分沿着盆钵边缘下渗，汇集在盆底而流失，造 成水、肥资源浪费l10。强斥水性基质内部易发生干 燥化，基质表面容易积水，增强土壤表面蒸发量，影 响栽培环境的空气湿度。因此，作为一种合格的人 工栽培基质应该是没有斥水性的(WDPT5 S)，这 样才有利用于植物从基质中吸收足够的水分和养 分。那么，煤矸石斥水性如何，至今无资料可以借 鉴。 从上述可知，
15、煤矸石作为有机矿藏资源，其斥水 性是直接影响作为栽培基质可行性的重要因素。供 试的彬县和神木两地煤矸石的斥水性测定结果详见 表2，显示彬县煤矸石具有严重斥水性(600 S WDPT3 600 s)、神木煤矸石具有轻微斥水性(5 S WDFI60 s)，从斥水性大小可知，彬县煤矸石又劣 于神木煤矸石。煤矸石的斥水性大小似乎与有机物 的含量成相关关系，验证了在有机矿物资源中，高含 第3期 唐升引等：煤矸石主要物理特性及在栽培基质中应用的可行性分析 21 1 量的有机物是造成斥水性的重要原因(参阅表1)。 供试煤矸石不同程度的斥水性成为作为栽培基质主 料的制约因素，在必须以煤矸石为主料，配置栽培基
16、质情况下，寻求斥水性的有效改良措施显得极为重要。 23煤矸石斥水性改良措施与效果 231神木煤矸石斥水性改良煤矸石是作为配 置栽培基质的主要成分，往往需和其它物料一起搭 配，粘土是常用的配料之一。利用粘土颗粒的吸附 性和亲水性原理，是否可以达到改善煤矸石斥水性 的目的。试验得出，对于具有轻微斥水性的神木煤 矸石而言，只需将煤矸石与一定量的耕层土壤掺混， 就可以降低煤矸石的斥水性，表3显示，只要掺土的 比例在75以上，就可J以使基质失去斥水性。 表2煤矸石斥水眭基本情况(滴水穿透时间法) Table 2 The basic information ofwater repellencyfor ga
17、ngue(water drop penetration time method) 表3掺混耕层土对神木煤矸石斥水性的改良 Table 3 Improvement of water repelleney by mixing cultivated soil for the Shetnu gangue 进一步分析掺土量与煤矸石斥水性的基本关 系，以便确定精确的掺土量。图1清楚地显示着 WDPT(Y)与所掺人耕层土壤量( )呈显著负线性关 系：Y=一02023x+63419。依据斥水性分级标准 (WDPT5 s)和该模型，不难得出，只需给煤矸石中 掺混入631以上的耕层土壤，就可以完全消除煤 矸石的斥
18、水性，符合栽培基质条件。 _ 0 50 00 50 00 50 00 50 OO 掺混耕层土百分LU Mixing topsoil parentage 图1掺混耕层土百分比与WDPT的相关关系 Fig1 Correlation between mixing cultivated soil and WDPT 232彬县煤矸石的斥水性改良对于具有较高 斥水性的彬县煤矸石而言，为了改良其斥水性，设置 了两种煤矸石的斥水性改良措施方案。 方案一：同样采用分别掺混5、10、15、 20的耕层土壤，其测定结果如表4所示，试验结果 表明，因彬县煤矸石表面的斥水性强烈，仅依靠掺人 少量耕层土壤的方法，只能有限
19、地改善煤矸石的斥 水性，达不到理想栽培基质要求，如掺土量过大，不 符合有机栽培基质需求。可见，依靠掺加少量耕层 土壤，不是改良彬县煤矸石斥水性的有效方法。 方案二：向彬县煤矸石中按比例添加表面活性 型湿润剂，改变煤矸石表面遇水的亲和性。试验结 果表明，使用湿润剂可以有效地改良彬县煤矸石的 斥水性。掺混的方法分为将湿润粉剂与煤矸石干混 和将湿润剂溶解施人两种，其结果分别见表5和表 6。 表5显示，使用少量湿润剂对煤矸石的斥水性 具有明显的改良效果。改良后各处理的斥水性测定 结果(WDPT)值仍在2 S以上，这是因为少量颗粒状 的湿润剂与煤矸石不能充分昆合均匀，也表明用采 用干混法加入湿润剂，因难
20、以与煤矸石混合均匀的 缘故，达不到最佳改良斥水性的效果。 212 干旱地区农业研究 第32卷 表5掺混湿润剂对彬县煤矸石斥水性的改良(干混法) Table 5 Improvements of water repeUency by mixing wetting agent on Binxian gangue(dry-mixing method) 表6掺混湿润剂对彬县煤矸石斥水性的改良(湿混法) Table 6 Improvements of water repellency by mixing wetting agent on Binxian gangue(wet mixing method)
21、由表6可知，以溶液的形式，采用湿混法加入湿 润剂，对煤矸石斥水性的改良效果明显优于干混法。 由湿混法获得结果，水滴人渗时间(WDPr)的极差均 在1 s以内，表明了湿混法使湿润剂与煤矸石能够 充分混合均匀，且只需喷洒02的湿润剂溶液就 可以明显地消除煤矸石的斥水性，极大地节约了湿 润剂的用量。 用湿润剂改良煤矸石的斥水性，必须考虑其效 果的持久性。结合基质栽培期间反复灌溉，可能会 影响到湿润剂的改良效果，为此，对改良后的煤矸石 采用浇灌水量为3倍于煤矸石的灌溉方法，多次淋 洗，将经淋洗后的煤矸石再于105C下烘干，同样采 用滴水穿透法，测定不同次数淋洗后煤矸石的斥水 性变化情况，其结果如表7所
22、示。 由表7中显示，湿润剂改良彬县煤矸石的斥水 性在经过不同次数淋洗过程中，均具有较为持久的 稳定性，其湿润效果不会因为给基质浇水而消失，证 明所选用的湿润剂既可以有效地消除煤矸石的斥水 性，而且具有持久性，为彬县煤矸石在基质栽培中的 应用消除了基本的障碍因素。 综上分析可知：神木煤矸石具有轻微斥水性，掺 混一定量的耕层土壤即可有效消除其斥水性。彬县 煤矸石虽具有严重斥水性，但喷洒少量湿润剂溶液， 就能达到持久改良其斥水性的目的，从而消除在栽 培基质中应用的障碍。 第3期 唐升引等：煤矸石主要物理特性及在栽培基质中应用的可行性分析 213 3结论 1)供试的两地煤矸石比重分别是，彬县煤矸石 平
23、均为189 gcm。，神木煤矸石的比重平均为206 gcm，均小于一般土壤颗粒比重。 2)供试两种煤矸石均存在着程度不同的斥水 性，其中神木煤矸石具有轻微斥水性，只需掺混 631以上耕层土壤就可以基本消除斥水性。彬县 煤矸石具有强的斥水性，需要使用湿润剂才能达到 有效改良斥水性的目的，其中用02的湿润剂溶 液喷洒煤矸石，较使用干粉湿润剂能够显著节约湿 润剂使用量，实现了改良斥水性，消除应用障碍的目 的。同时，改良后的煤矸石不会因灌水而恢复斥水 性，即改良效果较为持久。 参考文献： 1王淑霞，鲁孟胜，邱法林，等固体废弃物的生态环境效应分析 以兖济滕矿区煤矸石为例J煤炭企业管理，2oo9，21(9
24、)： 4954 2赵生茂，达生裕煤矸石一一可利用的资源J煤炭企业管理， 20o5，(2)：53 3王春华煤矸石制备无机高分子絮凝剂的分析J选煤技术 2005，(1)：1819 4许旭旦黄腐酸(FA)研究的意义与成就J腐植酸1996，(1)： 3234 5朱宝忠，谢承卫煤矸石综合利用的研究进展J贵州大学学 报(自然科学版)，2OO7，24(5)：520525 6何俊瑜，任艳芳，李亚灵，等煤矸石作无土栽培基质的可行性 研究J环境科学与技术，2010，33(11)：163166 7吴延磊，李子忠，龚元石两种常用方法测定土壤斥水性结果的 相关性研究J农业工程学报，2007，23(7)：8-13 8杨邦杰土壤斥水性引起的土地退化、调查方法与改良措施研 究J环境科学，1993，15(4)：8890 9郭世荣固体栽培基质研究、开发现状及发展趋势J农业工 程学报2005，21(12)：1-4 10崔敏，宁召民，张志国斥水性生长介质中湿润剂的使用 J北方园艺2007，(6)：7273
