煤矸石的大规模资源化利用迫在眉睫。本研究提出将煤矸石作为改良剂用于盐碱土壤改良，并结合原位形成层状双金属氢氧化物(LDH)的技术。研究人员通过土壤培养、实验室模拟植物生长实验和淋溶测试评估了该方案的可行性与有效性。煤矸石富含营养物质和黄铁矿，其化学风化作用可提供养分，且黄铁矿的氧化可降低土壤碱度。通过物理掺入煤矸石，土壤有机碳从7.10 g/kg增加至51.48 g/kg。以CaO和Fe(NO3)3·9H2O作为矿化剂，增强超稳矿化过程中的煤矸石化学风化，释放出有效养分，提高了水溶性有机碳的生物有效性，并使速效钾含量从290.44 mg/kg提升至350.78 mg/kg。此外，原位形成的层状双金属氢氧化物(LDHs)固定了OH–、CO32–和SO42–离子，降低了土壤盐渍化程度。同时，层状双金属氢氧化物(LDHs)的超稳矿化作用降低了重金属含量及其迁移性，从而减轻了污染。玉米栽培实验和大田试验验证了上述结果，证明战略性地应用煤矸石和矿化剂能够有效改善盐碱土壤，为煤矸石的大规模资源化利用提供了一条安全且可持续的途径。
一、研究背景与意义
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的含碳量较低的副产品，在中国作为最大的工业固体废物，其累积量已超过70亿吨。大规模的露天堆放不仅占用土地资源，还会引发自燃、重金属污染及土壤恶化等严重环境危害。尽管现有的利用途径包括低价值的回填和高价值的功能材料合成，但受限于技术复杂性和高昂成本，难以实现大规模消纳。与此同时，全球约有9.54亿公顷的土地受到土壤盐渍化的影响，传统的物理修复方法往往耗费大量淡水和劳动力，生物修复则耗时较长且依赖气候。因此，开发一种低成本、高效率的化学修复策略成为迫切需求。煤矸石因其丰富的有机质、大孔结构和黏土矿物成分，显示出改善土壤肥力和通气的巨大潜力，但其稳定的化学结构和潜在的重金属释放风险限制了直接应用。基于此，研究人员开展了利用超稳矿化技术结合煤矸石改良盐碱土壤的研究，旨在打破煤矸石溶解平衡，原位形成层状双金属氢氧化物(LDH)，在实现盐碱土壤生态修复的同时，完成煤矸石的大规模资源化利用。
二、关键技术方法
研究人员选取内蒙古鄂尔多斯市乌审旗的典型氯化物-硫酸盐型盐碱土，以及附近煤矿的中硫煤矸石作为研究对象。关键技术方法主要包括三个层面：一是土壤培养实验，通过将煤矸石与盐碱土按不同质量比混合，并添加硝酸铁和氧化钙作为矿化剂，在人工气候箱中培养90天以监测土壤理化性质的动态变化；二是植物毒性与生长评估，采用实验室气候室模拟与大田试验相结合的方式，以当地主要作物玉米为模型，测定发芽率、生物量及抗氧化酶活性等指标；三是综合表征与计算，利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等技术表征矿物结构演变，并结合密度泛函理论(DFT)计算验证层状双金属氢氧化物(LDH)形成的热力学可行性。
三、研究结果
3.1 煤矸石与矿化剂对盐碱土壤的改良作用
3.1.1 盐碱土壤盐分与碱度指标
研究结果表明，单独添加煤矸石已能显著降低土壤pH值和电导率(EC)。加入矿化剂后，由于Fe3+催化黄铁矿氧化产生H+中和碱性，土壤pH进一步降低。同时，矿化剂提供的Ca2+和Fe3+与煤矸石溶解释放的Mg2+、Al3+反应，在原位形成层状双金属氢氧化物(LDH)，将CO32–和SO42–固定在层间，显著降低了土壤中的碳酸根和硫酸根离子浓度。此外，Ca2+置换了土壤胶体上的Na+，使钠离子吸附比(SAR)和交换性钠百分比(ESP)大幅下降，有效改善了土壤结构，孔隙度增加，容重降低，Zeta电位上升，表明土壤团聚体稳定性增强。
3.1.2 土壤速效钾
初始阶段，煤矸石的加入导致土壤速效钾因伊利石的固持作用而降低。然而，经过90天的培养，添加矿化剂的组别表现出最高的速效钾含量。这归因于矿化剂加速了煤矸石的风化，促进了钾离子从矿物基质中释放，同时较高的水溶性钙离子浓度促使黏土矿物结构膨胀，释放了非交换性钾，且pH值的降低削弱了钾离子的固定效应。
3.1.3 土壤有机碳(SOC)与水溶性有机碳(WSOC)
未改良的盐碱土中有机碳易分解流失，而煤矸石的添加显著增加了外源有机碳输入。矿化剂的加入通过形成阳离子桥增强了有机碳的初始稳定性。随着培养进行，矿化剂加速了煤矸石风化并协同提高微生物活性，驱动土壤有机碳(SOC)分解为具有生物可利用性的水溶性有机碳(WSOC)。质谱分析显示，矿化剂促进了含硫有机物分子的富集，并显著增加了分子量小于500 Da的低碳分子丰度，证明了有机碳生物有效性的提升。
3.1.4 土壤重金属
尽管煤矸石中含有微量重金属，但矿化剂的应用显著降低了重金属的生物有效性和迁移性。这主要得益于三种机制：一是形成的铁氢氧化物通过吸附作用固定重金属；二是碳酸钙沉淀增强了物理包裹和共沉淀作用；三是层状双金属氢氧化物(LDH)通过同晶置换将金属阳离子纳入其晶格中，实现了超稳固定。BCR形态分析也证实重金属由可移动态向残渣态转化。
3.2 植物生长促进效果
在未改良的对照组中，玉米幼苗因高盐碱胁迫最终死亡。而添加煤矸石及矿化剂的处理组，玉米发芽率均达到100%，发芽系数显著提升。矿化剂处理组的植株在株高、根长及生物量上均表现最佳。生理指标显示，处理组玉米叶片中的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性增强，过氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量下降，表明氧化损伤得到有效缓解。同时，矿化剂抑制了重金属从根部向地上部的转运，生物富集系数(BCF)和转运因子(TF)均维持在安全水平。大田试验进一步验证了该技术的可行性，改良后的地块玉米产量达到12.23吨/公顷，且籽粒重金属含量严格符合国家安全标准。
3.3 土壤理化性质与玉米生长的相关性
斯皮尔曼相关性分析揭示，土壤盐碱度指标与植物生长呈显著负相关，而交换性钙(Caex)、速效钾和Zeta电位与植物生长呈显著正相关。这表明该技术通过减轻离子毒害、缓解氧化应激以及增强土壤结构稳定性，直接促进了作物的恢复与生长。
3.4 土壤改良机理
XRD和FTIR结果证实了原位层状双金属氢氧化物(LDH)的成功形成，特征峰位置与理论计算相符。SEM图像显示其呈典型的六边形片状形貌，元素映射证实Mg、Ca、Al、C、O、S均匀分布。DFT计算表明，形成的含碳酸根和硫酸根的层状双金属氢氧化物(LDH)吉布斯自由能为负值，溶度积常数(Ksp)极低，热力学性质极其稳定。这种超稳矿化过程不仅固定了阴离子，还打破了煤矸石的溶解平衡，加速了化学风化，从而实现了养分释放与结构改良的协同。
四、讨论与结论
讨论部分总结
研究人员指出，尽管本研究展示了该技术的显著成效，但仍存在一些局限性。当前的重金属淋溶评估主要依赖单一提取法，未来需通过动态土柱淋溶实验来验证长期稳定性。此外，矿化剂对土壤生物特性与碳库相互作用的影响尚不明确，后续应探究微生物群落如何驱动水溶性有机碳(WSOC)的动态变化。同时，本研究仅使用了中硫煤矸石，未来需评估该技术对不同类型煤矸石的普适性，并通过生命周期评价(LCA)精确评估其碳足迹与经济可行性。
结论部分翻译
本研究通过培养实验、植物生长实验、淋溶测试和田间试验，全面评估了煤矸石应用结合原位超稳矿化技术改良盐碱土的效果。煤矸石与矿化剂的协同应用通过减轻盐碱胁迫、促进煤矸石养分释放以及辅助重金属滞留，显著增强了盐碱土壤的改良效果。原位形成的具有超低溶度积常数(Ksp)的层状双金属氢氧化物(LDH)有效固定了OH–、CO32–和SO42–，降低了其溶解度，同时固定了重金属，减少了其生物有效性。层状双金属氢氧化物(LDH)形成过程中煤矸石化学风化的增强，伴随着黄铁矿氧化产生了H+，释放出有效养分。该技术为黏土型和中硫煤矸石的资源化利用提供了一种新颖、可规模化、环境友好且资源高效的途径，同时改善了盐碱土壤以支持全球粮食安全。
