植物生长与有机物质改良共同作用对煤矸石转化为类土壤基质的影响

煤矸石风化机制与土壤化转变研究：通过盆栽实验及地球化学、矿物相、微观结构及微生物群落分析，揭示了植物定植与有机质改良协同作用下的煤矸石风化机制。结果表明，植物根系促进物理破碎，有机质增强矿物与有机质相互作用，优化配比（30%有机质）显著提升土壤化进程。

　　

张书辉|邱月琴|沈志辉|张晓武

贵州大学矿业学院，贵州贵阳550025

摘要

煤矸石（CG）的土壤化利用是实现其大规模和环境可持续处置的重要策略。然而，关于植物生长和有机质（OM）改良如何共同调控CG风化和土壤化转化的机制理解仍然有限。本研究通过盆栽实验结合地球化学特征分析、矿物相分析、微观结构观察和微生物群落分析，阐明了有机质改良增强下的植物介导的CG风化过程。结果表明，根系生长导致粗粒CG颗粒的机械破碎，从而降低了体积密度，增加了孔隙度，并促进了团聚体的形成。根系分泌物驱动的根际酸化促进了粘土矿物的转化，伴随着分阶段的碳酸盐沉淀和再溶解，表明在早期土壤化过程中矿物发生了动态变化。有机质改良显著改善了植物生长，增加了总有机碳（TOC）和阳离子交换容量（CEC），并加强了有机-矿物相互作用。值得注意的是，30%的改良剂量产生了最有利的结果，表现为较低的电导率、较高的CEC、增强的团聚体形成和加速的风化作用。与花生相比，黑麦草在促进颗粒分解和结构重组方面表现出更强的效果，反映了不同物种之间的根际效应差异。微生物分析进一步揭示了从以可溶性盐和易分解碳为主导的系统向更类似土壤的阶段的转变，这一转变得益于交换位点的发育和孔隙结构的演变。总体而言，植物生长通过根系驱动的物理过程和根际作用启动了煤矸石的风化，而有机质改良通过改善有机-矿物相互作用和环境缓冲作用增强了这些效果，共同加速了向类似土壤基质的转化。

引言

煤矸石（CG）作为煤炭开采和洗选过程中产生的主要固体废物，长期以来一直备受关注，尤其是在资源利用和处置方面。随着中国煤炭工业的快速发展，CG的年产量持续增加，目前累计堆存量已超过70亿吨，年增长率为8.3%（Du等人，2025年）。这些CG堆不仅占用了大量土地资源，还对周围生态环境构成了严重威胁，包括土壤污染、水污染和生态退化（Li等人，2020年；Li和Wang，2019年；Stracher和Taylor，2004年；Querol等人，2008年）。目前CG的环境友好型处置和资源利用规模和能力尚不足以满足新形势下生态保护和清洁高效利用煤炭的需求。深入研究CG的基本性质并开发高效、低成本的回收技术对于大规模环境友好型处置CG和煤炭产业的绿色发展具有重要的实际意义。

CG的当前利用主要分为大规模利用和高价值利用。大规模利用主要包括采空区回填、燃烧发电和生产建筑材料。高价值利用仍处于起步阶段，包括提取稀有金属、生产肥料和制备土壤改良剂（Ma等人，2019年；Zheng等人，2024年）。通过CG燃烧发电的潜力取决于其碳含量和热值，但这种方法面临燃烧效率低、经济可行性差、飞灰过多以及重大环境问题等挑战（Du等人，2025年）。在回填方面，D. Ma等人（Ma等人，2021年）开发了一种利用地下废石分选技术和多源固体回填材料的协同原位回填采矿模型。Xu等人（Xu等人，2012年）使用CG作为唯一原料生产了烧结砖，表现出优异的吸水性和抗压强度。Wang等人（Wang等人，2022年）研究了CG煅烧和机械活化对水泥性能和水化机制的影响。Zhang等人（Yang等人，2020年）通过CG的机械化学活化制备了用于吸附重金属离子和溶解氨氮的吸附剂。其他研究探讨了有机质、保水剂、微生物和飞灰等外源材料对CG-土壤复合材料性质的影响（Motesharezadeh等人，2017年）。尽管这些方法都有助于CG的资源利用，但在实现大规模环境友好型处置方面仍面临挑战。

土壤转化利用不仅解决了土地占用问题，还实现了“将黑色山脉转化为绿色景观”的目标，被认为是CG大规模环境友好型处置的最有前景的途径（Du等人，2025年）。植物修复作为一种高效、经济且环保的生态恢复技术，通过引入先锋植物、有机质、功能性微生物及其他非生物和生物因素，将有害尾矿转化为类似土壤的基质（Yan等人，2020年；Chen等人，2021年）。该技术已广泛应用于红泥和铁尾矿的处理。Wu等人（Wu等人，2019a）证明植物在促进初级矿物的生物风化中起着关键作用，特别是促进了含Fe(II)层状硅酸盐和非晶态Fe(III)次级矿物的形成。Santibá?ez等人（Santibá?ez等人，2008年）发现，将生物质与铜-锡尾矿共热解后种植多年生黑麦草，显著提高了修复效率，增加了养分含量，并加速了尾矿向土壤的转化过程。研究表明，植物修复的效果取决于尾矿特性和所选植物种类。

关于将植物修复技术应用于CG的研究取得了一些有希望的成果。Du等人（Luo等人，2024年）通过添加玉米秸秆、飞灰和保水剂改善了CG-土壤混合基质的物理化学性质，并确定了CG与土壤的最佳比例（1:1）、玉米秸秆（50公斤/公斤）和飞灰（37公斤/公斤）。Luo等人（Du等人，2020年）研究了将CG与污泥和锯末一起作为堆肥材料的可行性，发现20%的污泥比例产生了最佳的堆肥效果。Zhu等人（Zhu等人，2023年）分离出了Stenotrophomonas maltophilia菌株YZ1，证明了其溶解CG中养分元素的能力。他们的研究表明，YZ1可以通过这种细菌的代谢副产物——有机酸来溶解针铁矿（CaHPO?）、白云母和灰褐色矿物。磷酸盐矿物的溶解机制涉及有机酸的质子释放和钙螯合，表明这是一种环保的煤矸石修复方法。同样，研究观察到植物生长后CG中的重金属和硫含量下降，浅层土壤中的微生物数量显著增加，深层土壤的生态功能也得到了整体改善。此外，链霉菌和鞘氨醇单胞菌被确定为该地区土壤修复的关键贡献者。然而，目前针对CG这种固体废物的具体应用研究仍不够充分（Bai等人，2022年）。当前研究主要集中在改良后CG的物理化学性质和养分状态的变化，以及调控养分迁移和潜在有害成分转化的微生物机制上。相比之下，对于植物生长和改良添加对CG本身风化的影响，特别是相关的地球化学行为和风化过程中的矿物学演变，关注较少。

因此，关于在植物生长和有机质改良的共同作用下煤矸石风化和土壤化转化的机制理解仍然不足。我们进行了盆栽实验，并结合XRD、FT-IR和SEM分析以及微生物群落分析，系统评估了植物生长和改良剂量如何调控CG的物理化学性质和矿物组合的演变。本研究旨在阐明在植物-改良共同作用下的CG土壤化转化机制，从而为CG的生态恢复和资源利用提供理论基础。

实验材料

CG取自贵州省毕节市的一个煤矿。使用X射线荧光光谱仪（XRF）进行了多元素含量分析，结果如表1所示。表1表明，煤矸石主要含有SiO?和Al?O?，含量分别为35.94%和24.67%。此外，矿石还含有粘土矿物中常见的基本元素，包括CaO、MgO和TiO?，浓度分别为0.53%、0.47%和4.17%。CG的相分析...

对pH值和电导率（EC）的影响

图3显示了植物生长前后pH值和EC值的变化。如图3a所示，原始CG的pH值为7.40，添加改良剂后pH值变化不大，不同剂量下的pH值仍约为7.35。未经改良的情况下，黑麦草和花生的种植分别将CGS的pH值降低到3.83和4.30。添加改良剂后，黑麦草生长前后的pH值变化不大，而花生种植导致pH值略有下降...

结论

植物生长通过共同改变CGS的结构、化学成分和生物组成，加速了其早期土壤化转化。种植降低了体积密度，增加了孔隙度，并使颗粒从粗粒重新分布为中等细粒，表明了根系驱动的物理破碎和团聚体的形成。种植还重塑了根际化学环境，尤其是在未改良的CGS中表现为强烈的酸化...

作者贡献声明

张书辉：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法学设计、研究实施、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。邱月琴：监督、软件使用、资源调配、项目管理、方法学设计、研究实施、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。沈志辉：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了贵州能源局科学技术计划（项目编号[2025]01）的资助。