煤矿废弃钻井泥浆改善风沙土理化性质及苜蓿 (Medicago sativa L.) 生长指标：利用采矿废弃物改良沙质土壤

《Journal of Environmental Sciences》：Coal mine abandoned drilling mud improves the physicochemical properties of aeolian sand and the alfalfa ( Medicago sativa L .) growth indicators:Improving sandy soils with mining waste

　　

•CMADM的添加显著改善了风沙的物理化学性质，降低了渗透性和蒸散量，同时提高了内聚力和养分含量。•10%的CMADM混合比可最大化紫花苜蓿的生长，使株高、鲜重和叶绿素含量提升最高达456.92%。•多层CMADM结构比单层施用更有效地促进根系和叶片发育。•CMADM处理显著增强了对风蚀和水蚀的抗力，有助于土壤保持和生态修复。•本研究展示了一种可持续的"废物利用废物"策略，用于荒漠治理和资源利用。引言土壤退化和不当废物处置是全球重大环境问题。开发协同解决方案，将废物转化为资源以修复退化生态系统，已成为环境土壤科学和可持续农业领域的重要研究方向（Meena等，2019；Xiong等，2025）。风沙广泛分布于干旱和半干旱地区，其固有的物理化学性质较差。这包括极低的粉砂和黏土含量、有限的养分有效性（尤其是氮、磷和有机质）、薄弱的水保持能力以及松散无结构的物理状态。这些特性严重阻碍了植物的定殖和生长，导致生态系统脆弱且难以自然恢复（Ai等，2025；Wu等，2024）。传统上，风沙的管理策略主要涉及施用化肥和有机肥以提高养分状况和物理结构，这些方法在生态修复项目中得到了广泛应用（Han等，2021；Acar等，2025）。然而，这些传统方法存在显著缺陷，包括长期效果有限且不稳定，以及持续施用肥料带来的高成本，这使它们在大规模干预中的可持续性受到制约（Han等，2021；Acar等，2025）。因此，迫切需要开发新的、经济且可持续的土壤改良替代材料。为此，本研究引入了一种煤矿废弃钻井泥浆（CMADM）改良技术，有望实现废物资源利用和风沙生态系统修复的双重目标。在采矿作业过程中会产生大量CMADM，其安全处置面临着巨大的环境挑战（Zhai等，2021）。CMADM是一种由钻井液经过多次无害化处理产生的复杂副产物，由基液、重晶石、黏土矿物（主要是膨润土）以及各种有机聚合物添加剂组成，包括木质素和生物聚合物（Deville, 2022）。这种成分使CMADM具有高pH值、较高的可溶性盐含量（电导率值）、残留烃类和潜在的微量元素（Kannan等，2021）。因此，将CMADM有效处理和转化为资源不仅具有环境优势，也具有经济效益。因此，研究越来越集中在其在土壤管理中的应用，遵循因地制宜的原则。CMADM的某些被认为有害的特性，由于其独特的成分，实际上可能对改善高度沙质土壤的质量有益。CMADM中的细粒黏土材料能够填充风沙中的大孔隙，降低饱和水力传导率，从而提高土壤的持水能力和抗旱性（Tawornpruek等，2021；Ai等，2026）。此外，多聚阴离子纤维素和部分水解聚丙烯酰胺等有机聚合物可作为天然土壤结构改良剂，通过促进沙粒团聚形成更稳定的土壤结构（Li等，2025）。CMADM还提供了植物生长所需的磷和铍等必需养分（Ajuna等，2025）。然而，利用CMADM的主要挑战在于平衡其效益与生态风险。其高盐碱性和潜在有害物质如杀菌剂和重金属可能引发植物的生理胁迫。这种胁迫会抑制种子萌发、根系发育和幼苗生长，可能导致土壤改良努力失败（Arif等，2020）。虽然一些研究考察了CMADM用于土壤改良的潜力（Zha等，2018），但往往缺乏系统性分析，特别是在评估"改良剂-土壤-植物"系统内的综合效应方面。这一研究空白阻碍了明确安全阈值的建立，并限制了为实际应用提供理论指导。鉴于CMADM修复相关的这些生态风险，必须关注以CMADM与植物在土壤改良过程中的协同作用为核心的响应和适应机制的开发。先锋植物的选择对于退化生态系统的修复至关重要（Calleja-Satrustegui等，2025；Meng等，2025；Pedrinho等，2024）。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是一种深根多年生豆科植物，以其高生物量产量著称，在生态修复中尤为宝贵。其发达的根系不仅能固定沙粒、防止风蚀，还能通过生物固氮将大气氮转化为铵态氮来提高土壤肥力，从而促进其他物种的演替（Wang等，2023）。因此，系统评估紫花苜蓿在CMADM改良基质中的生长状态（包括生物量和根系结构）以及其生理适应性（如叶绿素合成），对于评估这种修复策略的成功性至关重要。土壤抗蚀性能的演变是一个至关重要但研究不足的研究维度。在易受严重风蚀和水蚀影响的地区，土壤基质的机械稳定性直接影响生态修复努力的成功（Kumar等，2024；Lu等，2025）。土壤抗蚀性能是表征土壤抵抗外力破坏能力的关键机械指标（Devrani等，2021）。以往的研究主要集中在有机和无机改良剂对土壤水分和养分性质的影响上，往往忽视了由此产生的机械性能变化。CMADM中的黏土矿物和有机聚合物很可能通过胶结和桥接效应增强沙粒之间的内聚力，从而提高基质的整体稳定性并减少侵蚀（Buls等，2024）。这种潜在的机械效益可能是CMADM在改良风沙方面的一个额外的显著优势，超越了其物理化学增强效果。然而，目前尚无研究定量验证这一假设。本研究假设最佳比例的CMADM可以同时改善风沙的物理化学性质。通过缓解水分和养分胁迫并改善基质稳定性，它可以显著支持紫花苜蓿的定殖和生长，实现废物资源利用和荒漠化控制的双重目标。为验证这一假设，本研究将：(1)系统评估不同CMADM剂量对风沙物理化学性质及紫花苜蓿生长的影响；(2)通过主成分分析（PCA）阐明土壤指标与植物生长之间的关系；(3)设计具有不同夹层土壤配置的土壤柱模拟实验，以确定最佳的风沙改良方法；(4)在种植箱中进行侵蚀模型试验，以检验风和降雨条件下的护坡效果。研究结果将为CMADM的有效利用提供基于自然的解决方案，并为干旱和半干旱地区的沙地管理和快速植被恢复提供关键的理论和指导。摘要材料实验地点位于中国陕西省榆林市榆阳区小纪汗乡，坐标为东经109°10′24"，北纬38°36′05"。该地区属于温带大陆性半干旱气候，特征包括干旱、降雨稀少和显著的昼夜温差。CMADM是钻井液初次现场处理的副产物，来源于钻井完成后完成的固液分离和pH值调节等工艺。土壤物理化学性质图1a展示了CMADM增强风沙的渗透性变化。结果显示渗透性持续降低。未处理的风沙与添加不同CMADM剂量的样品相比，初始平均渗透系数为0.30 cm/s。将CMADM剂量增加到5%时，系数降至0.18 cm/s，降幅为36.67%。在10%剂量下，系数进一步降至0.12 cm/s，降幅为63.33%。渗透系数和容重CMADM颗粒的尺寸较小，能够堵塞沙质土壤中的孔隙，从而阻断渗流通道并引发局部淤积（Yin等，2024）。此外，黏土颗粒在土壤基质中形成低渗透区域并附着在沙粒表面，从而缩小有效渗流路径（Yang等，2025）。CMADM中的黏土通过胶结促进沙粒重新排列，导致更紧密的堆积和增加的容重。结论本研究探讨了CMADM的资源利用，通过一系列室内试验评估其对风沙的物理、化学和机械性质影响。室内盆栽实验评估了CMADM对植物生长的影响，而土壤柱实验则研究了该过程中土壤剖面的影响。此外，还进行了涉及室外植物根土的抗蚀试验以评估增强效果。主要数据可用性支持本研究结果的数据将在向通讯作者提出合理请求后共享。作者贡献声明Zihan Ai：写作–审阅与编辑、可视化、验证。Xingang Wang：写作–审阅与编辑、监督、经费获取。Yanjun Li：验证、方法论。Jinyu Li：写作–初稿、方法论、调查研究、概念化。Yanqiu Qi：资源。Zongjin Wang：资源。Haoyu Wang：验证、方法论。Chaoying Gu：资源。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到国家自然科学基金（编号42672382和42677200）、陕西省自然科学基金基础研究计划（编号2026JC-JCQN-044）和黄土科学国家重点实验室开放基金（编号SKLLQG2508）的支持。我们衷心感谢西北大学朱晓莉教授的专家指导和指导。特别感谢西北大学硕士生于杰和西北大学硕士生任志忠的Zihan Ai | Xingang Wang | Yanjun Li | Jinyu Li | Yanqiu Qi | Zongjin Wang | Haoyu Wang | Chaoying Gu