由废弃矿渣衍生的介孔材料在沙质土壤修复中发挥关键作用：实现水分保持、植物生长和微生物群落协同增效的机制

《Journal of Environmental Management》：Waste gangue-derived mesoporous materials drive sandy soil remediation: synergistic enhancement mechanism of water retention-plant growth-microbial community

煤矸石发泡-胶凝复合改性制备的多孔材料CG-Pm显著提升沙质土壤保水、养分及植物生长性能，促进有益微生物增殖并抑制病原菌，同时有效固定重金属，TEA显示投入产出比达191.81%，证实其环境友好和经济可行。

　　

吴新娟|朱涛|杨新宇

中国矿业大学（北京）内蒙古研究院，鄂尔多斯，017001，中国

摘要

露天矿的废石堆扰动了深层岩层，形成了大面积的粗粒砂质土壤。这些土壤结构松散，失去了保水能力和养分保持能力，严重阻碍了植被恢复和碳循环。本研究开发了一种新型介孔材料（CG-Pm），采用泡沫化和胶凝技术相结合的改性方法制备。该材料具有明确的介孔结构，BET比表面积为64.9783 m² g^?1。黑麦草栽培实验表明，CG-Pm增强了土壤的保水能力、养分有效性以及植物生长表现，同时丰富了有益微生物种群并抑制了病原菌。在淋溶条件下，CG-Pm能有效保持水分和养分，为植物提供更稳定的生长环境。此外，该材料还表现出较强的重金属固定能力，有助于降低生态风险，显示出土壤修复的潜力。技术经济评估（TEA）显示投入产出比为191.81%，表明其具有很强的经济可行性。机理研究表明，CG-Pm改善了砂质土壤的物理化学性质，促进了养分吸附和沉积，并为土壤微生物创造了有利生存环境，从而增强了微生物多样性并稳定了土壤微生态系统。总之，本研究为煤矸石的大规模利用、砂质土壤的生态修复以及实现碳中和目标提供了可行的可持续途径。

引言

砂壤是一种分布广泛的土壤类型，其特点是粘土矿物含量低、质地松散，导致渗透速度快、保水能力差、养分保持能力有限。这些特性使得砂壤容易失去养分并逐渐退化。近年来，研究人员探索了利用矿物材料和工业固体废物（如污泥和粉煤灰）来改善土壤。例如，由污泥和棉秆热解产生的生物炭已被证明可以增加土壤氮含量并促进作物生长（Qu等人，2023年）；然而，由于可能释放硝酸盐和重金属，这可能会带来环境风险（Bertoncini等人，2005年）。粉煤灰也被证明可以有效提高土壤肥力和保持作物产量（Ou等人，2020年、2022年），但其应用受到微量重金属存在的限制，这些重金属可能污染地下水。虽然粉煤灰和磷石膏的联合使用可以减少磷的损失（Lee等人，2008年），但磷石膏中的放射性元素限制了其广泛应用（Zhang等人，2024b年、2024c年）。总体而言，尽管实验室试验结果令人鼓舞，但许多现有的土壤改良方法仍面临成本、环境安全性和适应不同生态条件方面的挑战。因此，开发成本低廉、环境可持续且适用范围广的土壤改良技术仍然是砂质土壤修复的关键目标（Busscher等人，2010年；Grossman等人，2010年；Karami等人，2012年）。

在这种背景下，煤矸石作为一种工业固体废物，具有与天然土壤相似的稳定化学成分和矿物组成，在砂质土壤修复方面展现出越来越大的潜力（Tang等人，2014年）。由于其与土壤的物理化学性质相似，煤矸石可以有效地调节土壤结构并增强其功能特性（Kang等人，2024年；Nan等人，2023年）。特别是煤矸石与富含粘土矿物的煤泥的联合应用，已被发现可以改善砂质土壤的物理和化学性质（Xiulin等人，2025年）。此外，煤矸石的应用还可以调节土壤容重、优化孔结构（Zhao等人，2023年），并为土壤微生物创造有利栖息地，从而促进土壤生态恢复和植物生长（He等人，2016年）。然而，未经改性的煤矸石直接使用受到其缓慢的养分释放速率和次优孔隙特性的限制，这影响了其在土壤改良中的效果。因此，适当改性煤矸石以提高其土壤兼容性和功能性能具有重要意义。

研究表明，碱性水热改性煤矸石可以同时激活硅、钾和有机物，同时有效稳定重金属。这一过程提高了煤矸石作为硅基肥料的养分有效性和环境安全性（Jin等人，2022年）。加热结合酸浸可以高效提取铝、镓和锂等元素，剩余材料仍适合作为硅肥料使用（Shao等人，2022年）。流化床煅烧（700°C，15分钟）进一步优化了其孔结构并改善了物理性质（Zhang等人，2024a年）。然而，尽管传统改性方法有效，但它们的大规模应用受到高能耗和工艺复杂性的限制。在“双碳”目标的推动下，超细研磨、微波处理和机械化学方法等低能耗物理活化技术成为高效低碳利用煤矸石的新途径。这些技术可以在不需要高温处理的情况下提高煤矸石的反应性和养分释放能力。

基于此，本研究旨在开发一种低能耗、低成本、高性能的煤矸石衍生土壤修复材料，促进其在土壤修复中的高效和绿色应用。以煤矸石为主要原料，通过以泡沫技术和胶凝结合为核心的改性过程成功合成了一种新型介孔材料（CG-Pm）。详细研究了该材料的基本性质和孔结构。此外，将材料与砂质土壤混合，并进行了盆栽实验以评估植物生长和土壤性质的变化。还对比分析了土壤微生物群落的演变。本研究为煤矸石的创造性利用和砂质土壤的可持续改良提供了坚实的科学基础。

材料制备与表征

材料的制备与表征

CG-Pm以煤矸石、粉煤灰和水泥为主要原料合成，其成分和粒径分布详见表1。首先，通过将粉煤灰与商用硅酸盐水泥混合制备凝胶剂。然后将煤矸石粉末与凝胶剂、发泡剂和水按精确比例混合，倒入模具中并热固化生成泡沫块。脱模后，将块体干燥、破碎并筛分，得到最终的CG-Pm。

CG-Pm的制备与表征

土壤、煤矸石和CG-Pm的物理化学性质总结见表2。土壤主要由沙子组成，含有少量粉粒，属于砂壤类型。与煤矸石相比，CG-Pm的氮（N）、磷（P）和钾（K）含量略高，这归因于这些元素在煤矸石、粉煤灰和水泥中的天然存在。此外，固化过程中形成的多孔结构有助于离子吸附和富集。

结论

本研究提出了一种创新的土壤修复策略，利用CG-Pm改善砂质土壤的孔结构和整体肥力。CG-Pm增强了土壤的物理性质，提高了必需养分的有效性，并促进了有益根际微生物的增殖。同时，它有效固定了重金属，其残留浓度符合“农业用地污染风险土壤环境质量标准”。

作者贡献声明

吴新娟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法论，概念构思。朱涛：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。杨新宇：撰写 – 审稿与编辑，资源准备，调查，数据分析。

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的研究结果。

致谢

本工作得到了鄂尔多斯重点研发计划（编号YF20240008）的支持。