煤矸石粉在饱和柱条件下会延缓沙质土壤中氮的传输：来源与施用率的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Coal gangue powder delays nitrogen transport in sandy soils under saturated column conditions: Effects of source and application rate

　　

摘要

由于砂质土壤的粗糙质地和低养分保持能力，它们极易发生氮素淋失。我们使用洪留林（HLL）、三道沟（SDG）、郑州（ZZ）和大同（DT）的煤矸石粉（CGPs），在饱和土壤柱实验中以3%–15%（w/w）的比例进行测试，以天然黄土作为区域参考。增加CGP的添加量可以延缓NO₃^-和NH₄⁺的迁移，并降低在指定观测窗口内从出水中的累积质量。对于从出水中的累积NO₃^-质量，当添加量为7%时，HLL和SDG与区域黄土参考值没有显著差异；当添加量为10%时，ZZ和DT也没有显著差异；而对于NH₄⁺，四种CGP与区域黄土参考值在7%时均无显著差异。我们还对7%、10%和15%的处理条件下的传输参数进行了拟合。与未改良的砂质土壤相比，CGP将NO₃^-的扩散系数降低了39.44%–58.10%，孔隙水速度降低了23.47%–42.28%，并将NH₄⁺的滞留因子增加了42.97%–97.68%。探索性随机森林（RRF）和偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）分析表明，养分相关变化与氮素传输的阻碍之间存在最强的关联；PLS-SEM还显示出与饱和水力传导性和阳离子交换能力之间的显著关联，而与颗粒组成相关的关联相对较弱。在15%的添加量下，六种金属的估计总浓度均低于相应的土壤风险筛选值，其累积释放量占其估计总含量的不到0.8%。这些结果展示了在饱和柱条件下载氮传输的源和速率依赖性变化，尽管仍需进行野外验证。

引言

在表土稀缺的煤矿区，复垦土地主要由砂质土壤构成。这些土壤本质上具有粗糙的质地和低肥力，其保水及养分保持能力严重受损 [33]。因此，恢复这些砂质复垦土壤的生产力是一个紧迫的任务。虽然通常采用化学施肥来提供养分，但其效果受到砂质基质低保持能力的根本限制。简单地过度使用肥料而不解决这些物理和有机缺陷只会加剧环境风险 [29],[30]。在所有必需的大量营养素中，氮（N）决定了植物的主要生产力 [15]；然而，其主要的无机形式——硝酸盐（NO₃^-）和铵（NH₄⁺）在砂质土壤中仍易发生淋失，尽管它们的传输方式不同，因为NO₃^-的保持能力较弱，而NH₄⁺则受到阳离子交换的影响 [4]。与磷或碱性阳离子（如K、Ca和Mg）相比，溶解态氮更容易快速淋失 [27]。这种氮的损失降低了肥料使用效率，并导致地下水硝酸盐污染和土壤酸化 ([32], [7]; J. [19])。因此，除了科学的管理养分外，改善砂质土壤的结构和物理化学性质以减少氮的快速传输和淋失也是一种重要的策略。

大量研究表明，土壤氮损失受到多种因素的影响，包括土壤的物理化学性质 [9]、环境条件 [22] 和施肥方式 [23],[26]。考虑到成本和可行性，减少氮淋失的主要方法是通过添加热解生物炭或高纯度粘土矿物等改良剂来改善土壤结构 [F. [42], [14])。当适当应用时，这些特定材料可以显著改善土壤结构并增强氮的保持能力 [16],[39]。然而，需要注意的是，像生物炭这样的材料需要能量密集型的热解过程，而改性粘土则需要多组分混合。这些复杂的处理要求显著增加了成本，限制了大规模应用。因此，探索富含未加工的工业固体废物作为替代改良剂是一个当前研究的重点，因为这些废物本身具有类似粘土的结构和有机成分。

作为中国的主要能源，煤炭在经济发展中起着至关重要的作用，但大规模开采已严重破坏了当地生态系统 [13]。煤矸石（CG）是煤炭开采的主要副产品，由于利用率低，经常被就地倾倒，占用土地并污染周围环境 [21],[46]。根据2023年的煤炭行业发展年度报告，中国2023年生产了8.25亿吨CG。尽管报告的综合利用率为73.8%，但每年仍有约2亿吨新的CG堆放在场外，构成长期风险。因此，开发科学高效的CG管理和资源利用策略已成为一个关键问题。

煤矸石作为一种土壤改良剂具有潜力，因为其矿物和有机成分可以在不进行高成本、高能耗处理的情况下改善砂质土壤的质地和养分限制。目前关于CG在土壤中应用的研究主要集中在利用其丰富的有机物、微量元素和矿物质来增强肥力 (J. [18])。同时，有关潜在重金属风险的研究也探讨了在施用于土地之前的物理、化学或生物改良方法 ([41]; Y. [43], [20])。然而，大部分原始CG符合环境安全标准 ([37])。因此，直接应用符合标准的CG既可以利用废物资源，又可以减少生态压力，显著降低土壤改良成本。尽管现有研究已经调查了CG对结构较差土壤中水分渗透的影响 ([11])，但系统研究其在砂质土壤中对氮淋失的影响，并结合溶质传输模型评估仍较为有限。

在这项研究中，设计了3%至15%（w/w）的应用梯度来评估氮传输的速率依赖性变化。选择15%的应用水平是为了捕捉砂质土壤在大量添加CGP情况下的响应，而没有考虑更高的应用比例，因为过高的细颗粒富集可能会降低大孔隙度并损害土壤通气性 [3]。此外，据报道，原始CG的较高应用比例（≥10%）会增加金属积累的可能性 [34]，这进一步支持了不将筛选范围扩展到15%以上的决定。

为了解决这些知识空白，我们从中国的主要产煤区（陕西、山西和河南）购买了四种CG材料 (J. [18])，并将其加工成煤矸石粉（CGP）。选择这些材料是为了代表不同的矿物组成，包括粘土矿物存在的差异，以及有机物和总氮含量的显著变化。这种选择使得能够比较不同来源CGP的性能，并研究与氮传输相关的材料性质。同时，应用对流-扩散方程（CDE）、双区域模型（TRM）和双站点模型（TSM）来量化在受控柱条件下NO₃^-的流体动力学传输和NH₄⁺的滞留特性。基于现有研究，使用该生态脆弱区域具有代表性的天然黄土土壤作为区域参考，以探讨CGP改良砂质土壤的氮传输响应。我们进行了土壤柱实验来验证两个假设：（1）CGP的添加会延缓砂质土壤中的氮传输；（2）具有不同物理化学性质的CGP来源之间的氮传输响应会有所不同。具体目标是：（1）比较CGP对NO3?和NH4+传输的源和速率依赖性影响；（2）使用CDE、TRM和TSM量化溶质传输响应，并利用随机森林和偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）探讨颗粒组成相关性质、养分相关性质、饱和水力传导性和阳离子交换能力与氮传输之间的关联。

部分内容

土壤和CGP材料

CGP材料来自中国三个主要产煤省的四个煤矿：陕西省神木市的洪留林煤矿（110°25′E, 38°56′N; HLL）、陕西省富平市的三道沟煤矿（110°25′E, 39°05′N; SDG）、河南省郑州市的大峪沟煤矿（113°06′E, 34°43′N; ZZ）以及山西省大同市的大同煤矿（113°11′E, 40°02′N; DT）。通过X射线衍射（XRD；图S1和表1）和物理化学分析（图1）显示

CGP和土壤的物理化学性质

将四种煤矸石粉（CGPs）的粒径分布与砂质土壤和黄土土壤进行了比较（表4）。砂质土壤中的粘土和粉砂含量最低，分别为2.58%和3.33%。与砂质土壤相比，所有CGPs的粘土含量显著增加（增加708.53%–1169.38%），粉砂含量也显著增加（增加1271.77%–1592.19%）（P<0.05）。与黄土相比，CGPs的粘土含量也显著增加（增加119.35%–244.37%），粉砂含量也显著增加（增加59.61%–96.89%）（P<0.05）。

CGP添加率对氮传输的影响

NO₃^-通常被带负电的土壤颗粒弱吸附 [38]，因此在砂质土壤中的传输主要受对流流动和流体动力学扩散的控制。在本研究中，增加CGP的添加量会提高改良后砂质土壤中的粘土和粉砂比例，同时降低了砂的比例（图S4a–c），而饱和水力传导性（Ks）在7%–15%的添加范围内逐渐降低（图S4h）。相应地，CDE得出的

结论

本研究展示了在饱和柱条件下，向砂质土壤添加CGP后氮传输的源和速率依赖性变化。增加CGP的添加量逐渐延缓了NO₃^-和NH₄⁺的迁移，并降低了在指定观测窗口内从出水中的累积质量。对于从出水中的累积NO3?质量，当添加量为7%时，HLL和SDG与区域黄土参考值没有显著差异；当添加量为10%时，ZZ也没有显著差异

未引用的参考文献

[17]

CRediT作者贡献声明

Jiyong Zheng: 写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。Xiaoyu Yang: 可视化，验证，监督。Qing Zhen: 验证，监督。Shenshen Xing: 可视化，监督，调查。Min Zhao: 验证，监督，调查。Jincheng Jiao: 写作 – 审稿与编辑，初稿写作，可视化，方法学，调查，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFF1308003）的财政支持。

Jincheng Jiao|Shenshen Xing|Min Zhao|Xiaoyu Yang|Qing Zhen|Jiyong Zheng西北农林科技大学自然资源与环境学院，中国陕西省杨凌市，712100