改性煤矸石实现沙土修复与马铃薯安全生产的协同增效：作用效能与机制解析

本文创新性提出改性煤矸石（MCG）同步修复沙化土壤与保障马铃薯安全生产的“修复-生产协同”策略。研究证实MCG通过改善土壤结构（增强团聚稳定性）、提升有效硅（ASi）及激活抗氧化系统等机制，显著抑制重金属（Cr、Ni、Cd、Pb、As）向块茎迁移，使产量提升11.8倍且符合GB 2762-2022食品安全标准。技术经济分析显示其具备151%投资回报率与15.65 t CO2e/ha净碳减排效益，为工业固废资源化与全球生态安全提供高效清洁解决方案。

　　

Highlight

改性煤矸石（MCG）通过同步提升沙土肥力与阻断重金属迁移，实现安全马铃薯生产。低剂量MCG处理使马铃薯产量达对照组的11.8倍，块茎中淀粉与维生素C等营养物显著增加，且重金属含量符合中国食品安全标准GB 2762-2022。

材料表征

RCG与MCG的理化特性对比显示：MCG的全钾（TK）含量为RCG的7.53倍，有效硅（ASi）从0.676 g/kg激增至219.9 g/kg，轻有机质（LOM）从13.87 g/kg提升至37.95 g/kg。碱性水热过程促使石英与高岭石相分解，释放活性硅钾组分，并形成多孔结构（比表面积增加4.6倍），为重金属吸附提供位点。

土壤性质与微生物响应

MCG处理显著改善沙土持水性（提升98.4%）、团聚体稳定性及酶活性（脲酶和蔗糖酶分别增加2.1/1.8倍）。16S rRNA测序揭示MCG富集有益根际微生物（如链霉菌属Streptomyces），丛枝菌根真菌（AMF）定殖率提高2.3倍，而土传病原菌（镰刀菌Fusarium）丰度下降67%。

马铃薯产量与品质

MCG处理组块茎产量达45.67 t/ha，显著高于对照组（3.87 t/ha）。营养分析显示淀粉、维生素C及可溶性糖含量分别增加28.6%、33.2%和17.9%。重金属迁移抑制效应使块茎中Cd、Pb含量低于检测限，Cr、Ni、As仅为限量标准的12–38%。

重金属迁移与解毒机制

X射线吸收近边结构（XANES）分析证实硅介导共沉淀（Si–O–M复合物）在根际形成重金属屏障。同步辐射显微成像（μ-XRF）显示重金属被固定在根表皮与皮层细胞壁。分子机制研究表明，MCG激活马铃薯抗氧化系统（SOD、POD活性提升1.5–1.7倍），减轻氧化应激（MDA下降42%），并下调重金属转运蛋白基因（NRAMP3和HMA2）表达。

技术经济与碳减排效益

全生命周期分析表明，MCG应用可实现15.65 t CO₂e/ha净碳减排，投资回报率达151%，兼具环境与经济可持续性。

结论

本研究通过MCG实现沙化土壤修复与作物安全生产的协同，为煤基固废大规模资源化及全球粮食安全提供技术范式。