物理化学和矿物学因素对煤矿废弃物生态修复的制约

《Plant and Soil》：Physicochemical and mineralogical constraints on the ecological rehabilitation of coal mine waste

煤矸石生态修复的关键理化与矿物特征分析，通过对比矿区新鲜与老化煤矸石及植被土壤的pH、EC、TOC、TN等指标，发现煤矸石盐分高（2840 μS cm?1）、重金属富集且有机碳低，矿物组成以原生矿物为主逐渐风化为次生矿物，揭示其生态修复的制约因素及土壤基质形成路径。

　　

摘要

研究目的

全球每天产生超过两百万吨的煤矸石，这导致了广泛的土地利用变化和土壤退化。尽管面临这些挑战，但关于限制煤矿土地复垦因素的综合性研究仍然很少。因此，我们的目的是描述正在进行生态修复的煤矿场地中的关键物理化学和矿物学特征，这可以为煤矿场地的成功生态修复提供指导。

研究方法

我们对中国西部一个典型的煤矿区域内，新鲜煤矸石（CG1和CG2）、老化煤矸石（AG1和AG2）、植被恢复土壤（RS1和RS2）以及参考土壤（RefS1和RefS2）的物理化学性质（如pH值、电导率（EC）、总有机碳（TOC）和总氮（TN）以及矿物学性质（如矿物组成、含铁矿物相和形态）和有机质（OM）组分进行了分析。植被恢复是通过在尾矿坝上覆盖表土，并利用矿场内的退化土壤（DS）资源来实现的。

研究结果

研究结果表明，煤矸石的盐分含量明显高于植被恢复土壤和参考土壤，其中老化煤矸石1（AG1）的盐分含量最高，达到了2840 μS cm^?1。煤矸石还含有高浓度的金属类物质，如Cr、Cu、Ni和Pb。相比之下，煤矸石中的溶解有机碳（DOC）含量相对较低（约5 mg kg?¹），而参考土壤1（RefS1）的DOC浓度为8.62 mg kg?¹，参考土壤2（RefS2）的DOC浓度为6.93 mg kg?¹。煤矸石中缺乏微聚体和富氮有机质，尤其是与矿物相关的有机质。在表土覆盖和植被恢复过程中，下层的煤矸石限制了土壤结构的发展。煤矸石富含黑云母等原生矿物，这些矿物随着时间的推移逐渐风化成伊利石和针铁矿等次生矿物，而参考土壤则富含铁氧化物和伊利石。

结论

这些发现揭示了煤矸石在实现可持续修复过程中的关键生物地球化学和矿物学限制。基于此，我们提出了一种生态工程方法，利用煤矸石作为类似土壤的基质材料，以实现可持续植被恢复。需要进一步的研究来验证这种方法，重点关注生物和非生物因素驱动的矿物风化、有机质稳定、土壤团聚体形成以及金属类物质的减轻，以促进大规模煤矿场地的生态修复。

图形摘要

研究目的

全球每天产生超过两百万吨的煤矸石，这导致了广泛的土地利用变化和土壤退化。尽管面临这些挑战，但关于限制煤矿土地复垦因素的综合性研究仍然很少。因此，我们的目的是描述正在进行生态修复的煤矿场地中的关键物理化学和矿物学特征，这可以为煤矿场地的成功生态修复提供指导。

研究方法

我们对中国西部一个典型的煤矿区域内，新鲜煤矸石（CG1和CG2）、老化煤矸石（AG1和AG2）、植被恢复土壤（RS1和RS2）以及参考土壤（RefS1和RefS2）的物理化学性质（如pH值、电导率（EC）、总有机碳（TOC）和总氮（TN）以及矿物学性质（如矿物组成、含铁矿物相和形态）和有机质（OM）组分进行了分析。植被恢复是通过在尾矿坝上覆盖表土，并利用矿场内的退化土壤（DS）资源来实现的。

研究结果

研究结果表明，煤矸石的盐分含量明显高于植被恢复土壤和参考土壤，其中老化煤矸石1（AG1）的盐分含量最高，达到了2840 μS cm^?1。煤矸石还含有高浓度的金属类物质，如Cr、Cu、Ni和Pb。相比之下，煤矸石中的溶解有机碳（DOC）含量相对较低（约5 mg kg?¹），而参考土壤1（RefS1）的DOC浓度为8.62 mg kg?¹，参考土壤2（RefS2）的DOC浓度为6.93 mg kg?¹。煤矸石中缺乏微聚体和富氮有机质，尤其是与矿物相关的有机质。在表土覆盖和植被恢复过程中，下层的煤矸石限制了土壤结构的发展。煤矸石富含黑云母等原生矿物，这些矿物随着时间的推移逐渐风化成伊利石和针铁矿等次生矿物，而参考土壤则富含铁氧化物和伊利石。

结论

这些发现揭示了煤矸石在实现可持续修复过程中的关键生物地球化学和矿物学限制。基于此，我们提出了一种生态工程方法，利用煤矸石作为类似土壤的基质材料，以实现可持续植被恢复。需要进一步的研究来验证这种方法，重点关注生物和非生物因素驱动的矿物风化、有机质稳定、土壤团聚体形成以及金属类物质的减轻，以促进大规模煤矿场地的生态修复。

图形摘要