煤矸石是煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的廢棄物，按照來源分類主要包括掘進矸石,、開采矸石和洗選矸石,。目前，我國煤矸石累計堆存50億ｔ以上,，而且每年在以煤炭產(chǎn)量的10％15％ 增加,。作為排放和堆存量最大的工業(yè)固體廢棄物，煤矸石的堆存對環(huán)境影響極大,，其主要導致土地資源浪費,，煤矸石的風化和淋溶對土壤和水造成了污染，煤矸石自燃產(chǎn)生的有害氣體以及揚塵還對大氣造成了污染,。因此,，十分有必要實現(xiàn)煤矸石的減量化和資源化利用。

目前,，煤矸石已廣泛用于發(fā)電,、建材,、化工、回填和農(nóng)業(yè),。鑒于煤矸石來源于地層,，與土壤具有同源性，煤矸石進入土壤作為農(nóng)用產(chǎn)品,，無疑是其有效利用的最佳途徑之一,。尤其是針對開采毀損場地、煤矸石山場地的修復與復墾,，除了需要相應的治理修復材料以外,，還需要各種大量的肥料。開發(fā)煤矸石肥料,，無疑在礦區(qū)毀損場地修復與復墾方面,，發(fā)揮著重要作用。盡管前期已經(jīng)做了許多工作,，但關(guān)于煤矸石肥料目前仍然存在不少問題,，比如煤矸石中有機質(zhì)的固化程度較高、分解轉(zhuǎn)化率不夠高,、碳源的有效性需要提高,；部分無機營養(yǎng)組分含量與作物需求匹配有待提高；煤矸石肥料除了提高作物產(chǎn)量以外,，在改良土壤,、控釋養(yǎng)分以及抗病蟲害等方面的效果均有待提高。針對這些問題,，筆者基于煤矸石性質(zhì)研究,，煤矸石制肥方法及效果進行綜述并提出制肥建議，為后續(xù)研究提供參考,。

１　煤矸石與土壤的組成對比

煤矸石與土壤在元素組成,、化學組成和礦物組成方面較為接近，這為煤矸石肥料在土壤利用方面奠定了良好的基礎,。

１.１　元素組成對比

煤矸石及土壤中大量元素,、中量元素和微量元素的組成及其含量參考值對比見表１至表３。

由表１至表３可以看出,，煤矸石含有作物必需的元素,。各元素對作物的主要生理作用如下。

（1）大量元素中,，植物通過光合作用將Ｃ,、Ｈ、Ｏ合成為蛋白質(zhì)、葡萄糖,、淀粉等物質(zhì),；Ｎ元素構(gòu)成蛋白質(zhì)、核酸,、葉綠素,、酶等生物大分子；Ｐ元素構(gòu)成磷脂,、核酸,、腺三磷等生物大分子，促進糖運轉(zhuǎn),，參與碳水化合物,、氮及脂肪代謝；Ｋ元素為酶的活化劑,，有利于氮素和碳水化合物代謝,、有利于光合作用，促進合成木質(zhì)素和纖維素,。

（2）中量元素中，Ca元素構(gòu)成細胞壁,、質(zhì)膜的重要元素,，酶的活化劑；Mg元素為葉綠素的組成部分,，酶的活化劑,；S元素為蛋白質(zhì)和酶的構(gòu)成成分，參與呼吸作用,、脂肪代謝,、氮代謝及淀粉合成。

（3）微量元素中,，F(xiàn)e元素合成葉綠素,，參與呼吸作用、核酸及蛋白質(zhì)代謝,，參與氧化還原反應及電子傳遞,；Mn元素與光合作用、呼吸作用以及硝酸還原作用都有密切關(guān)系,；No元素參與氮代謝,、光合作用和呼吸作用，促進維C合成,、有機含磷化合物合成,；Zn元素為某些酶的組成元素，有利于光合作用,，對于形成葉綠素和碳水化合物必不可少,，有利于蛋白質(zhì)代謝,，合成生長素，有利于發(fā)育生殖器官,；Cu元素為酶的活化劑,，參與氮代謝，參與氧化還原反應,；B元素可促進碳水化合物的正常代謝,；Cl元素有助于鉀、鈣,、鎂離子的運輸,，控制水分損失，是水光解酶的活化劑,、天然生長素的組分,。

此外，煤矸石中的Si和Al等元素也廣泛賦存于土壤中,。煤矸石中的Pb,、Hg、Cd,、Cr和As等有害微量組分的含量也較低,，基本上和土壤中同種組分的含量處于同一數(shù)量級。

1.2　化學組成對比

煤矸石的化學組成主要包括SiO2,、Al2O3,、Fe2O3、CaO,、MgO,、K2O和Na2O等，這和土壤的化學組成和相應的含量十分接近,。含碳質(zhì)粘土巖類煤矸石的特點為中硅,、高鋁，主要含粘土礦物,，含碳較多,；砂巖、粉砂巖類煤矸石的特點為高硅,，主要含有石英,、長石、云母等,，粉砂巖的粒度一般為0.10~0.01ｍｍ,；鈣質(zhì)巖石煤矸石的特點為中低硅、高鈣，主要含方解石,、白云石,，此外常含菱鐵礦；高鋁質(zhì)煤矸石的特點為高鋁,、中高硅,、低鉀、低鈣,、低鎂,、低鐵、低鈉,，主要有富鋁礦物及少量粘土礦物,。煤矸石及土壤中的化學組成含量對比見表４。

1.3  礦物組成

許紅亮等研究人員通過XRD,、EDS以及紅外光譜分析了煤矸石的礦物組成后發(fā)現(xiàn),，煤矸石的礦物組成和土壤中的礦物組成較為相近，煤矸石及土壤中的礦物組成對比見表５,。

２　煤矸石制肥料的研究

煤矸石與土壤成分組成的相似性,，特別是煤矸石中豐富的有機質(zhì)及無機養(yǎng)分賦予煤矸石制肥的優(yōu)越性。此外,，煤矸石肥料本身的吸附性,、粘結(jié)性和離子交換性等性質(zhì)，有利于改良土壤結(jié)構(gòu),，提高土壤肥力,，減少重金屬危害,。然而,，煤矸石肥料的利用，更多的還是作為生物肥料載體和復混肥料配料,，很少單獨作為有機肥進行使用,。因為煤矸石雖然含有營養(yǎng)組分，但個別養(yǎng)分含量仍然偏低,。即便是煤矸石作為載體或配料,，也必須將其含有的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為作物能夠吸收的有效態(tài)。

2.1　煤矸石制肥的分解轉(zhuǎn)化方法

2.1.1　化學法制肥

20世紀90年代,，即煤矸石肥料發(fā)展早期,，學者們采用化學法制肥。張慶玲將煤矸石破碎后與過磷酸鈣按10∶1的比例混合攪拌,，之后堆漚活化7～10ｄ制成肥料,。煤矸石化學法制肥工藝流程如圖１所示。

化學活化法能使許多銨鹽、磷酸鹽在煤矸石中保持分子吸附狀態(tài),，易于作物吸收,，并且煤矸石的晶格中可以儲存多余養(yǎng)分，在養(yǎng)料缺乏時主動釋放,，具有緩釋長效的功能,。該方法存在的不足：一是有機質(zhì)腐殖化程度不夠高；二是僅僅由單一的煤矸石制肥而不添加其他復合物時,，肥料養(yǎng)分不夠全面,，含量也不夠理想。

2.1.2　微生物法制肥

21世紀以來,，學者們利用不同菌種研制煤矸石微生物肥,。微生物的作用機理是菌體利用煤矸石中的養(yǎng)料代謝，分泌多糖等產(chǎn)物,，多糖一方面粘附在煤矸石表面并逐漸形成生物膜,，另一方面使礦物分解轉(zhuǎn)化，形成的礦物離子不斷向外釋放,，其中,，作物需要的礦物離子成為肥料組分，菌種與煤矸石之間的相互作用機制如圖２所示,。

（1）利用芽孢桿菌制肥,。袁向芬等研究人員在高硫煤矸石中接種芽孢桿菌，所得肥料中有效N,、P,、K、Si,、S和Ga的含量分別比原料提高了26.84倍,、65.76倍、10.55倍,、1.07倍,、2.70倍和1.27倍；鐘艷等研究人員用芽孢桿菌處理低硫煤矸石,，產(chǎn)品中有效N,、P、K含量較原料分別提高1.27倍,、33.96倍和6.83倍,；程蓉等研究人員采用多粘類芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌聯(lián)合處理煤矸石，產(chǎn)品中有效Ｋ 和Ｐ的含量是原料的2.01倍和5.12倍,。研究發(fā)現(xiàn)多種細菌共同作用的效果比單種細菌要好,，多種細菌聯(lián)合可優(yōu)化處理效果,，還可拓寬礦物種類，增加養(yǎng)分種類,。

（2）利用硅酸鹽細菌制肥,。賈倩倩等研究人員利用硅酸鹽細菌處理煤矸石，制得肥料中的有效P和K含量比原料提高了395％和275％,，同時發(fā)現(xiàn),，細菌分解能力隨原料粒度的減小而增加。

（3）利用解磷細菌制肥,。李夏夏從90多株解磷細菌中篩選出解磷效果好的類香味細菌,，此細菌比巨大芽孢桿菌的解磷效果要好，并且還能解離低品位磷礦,；王應蘭從風化的煤矸石中分離出一種高效解磷菌－藤黃微球菌,，它處理煤矸石得到的堿解氮和有效磷含量比巨大芽孢桿菌更高，但是巨大芽孢桿菌分解得到的速效鉀含量相對較高,。

以上介紹了煤矸石分解轉(zhuǎn)化的常用方法,，由于單一使用煤矸石制肥時，產(chǎn)品的養(yǎng)分組成不理想,，為了實現(xiàn)各類原料優(yōu)勢互補,，應研制煤矸石復合肥。

復合肥是將２種或２種以上的制肥原料復合,，且各原料應是含有機質(zhì)或無機養(yǎng)分或兩者兼具的物料,。

2.2　煤矸石復合肥

2.2.1　煤矸石與化肥復合

20世紀90年代，崔樹軍等研究人員將煤矸石粉碎,、改性,、陳化之后，適量摻入N,、P,、K等主要營養(yǎng)元素和植物所需的微量元素制成煤矸石全養(yǎng)分復合肥，田間試驗發(fā)現(xiàn),，蘋果及西瓜等經(jīng)濟作物一般能增產(chǎn)15%~20%,。這種方法盡管可以靈活加入所需的營養(yǎng)元素,，并且兼具緩釋長效作用,，但仍存在煤矸石中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化程度不高的問題。

煤矸石中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)非常重要,。腐殖質(zhì)中含量最多的腐植酸有著非常重要的作用,，一是能負載營養(yǎng)元素并緩釋養(yǎng)分、保水保肥,；二是作為有機膠體,，可以改善土壤團粒結(jié)構(gòu),；三是吸附重金屬和有害物，抗病,、抗低溫,、抗鹽堿。腐植酸作用示意圖如圖３所示,。

腐植酸之所以具有上述這些重要作用,，是因為其大分子結(jié)構(gòu)及羧基、羥基等官能團,，可與土壤中的離子發(fā)生交換,、吸附、絡合,、螯合等反應,，Stevenson的腐植酸模型如圖４所示。

2.2.2　煤矸石與無機礦物復合

為了補充煤矸石中鉀,、磷等營養(yǎng)組分,，可以將鉀礦石或磷礦石與煤矸石復合制肥。

一是煤矸石與鉀礦石復合,。楊艷梅利用巨大芽孢桿菌處理鉀礦石及煤矸石混合物,，所得產(chǎn)品中有效的N、P,、K比原料分別增加了10.55倍,、21.90倍和1.94倍；利用硅酸鹽細菌處理二者混合物,，產(chǎn)品中的N,、P、K比原料分別增加了2.30倍,、37.66倍和1.29倍,；利用以上２種細菌聯(lián)合處理的混合物，產(chǎn)品中的N,、P,、K比原料分別增加了5.60倍、73.07倍和2.10倍,。

二是煤矸石與磷礦石復合,。程帆等研究人員利用巨大芽孢桿菌處理煤矸石與磷礦的混合物，肥料產(chǎn)品中有效硅占全硅比例由0.039%提高到61.5%,，有效磷占全磷比例由5.65% 提高到70.9％,。

2.23　煤矸石與糞便復合

張殿云等研究人員將煤矸石和雞糞混合發(fā)酵，經(jīng)粉碎后加入速效肥等添加劑,，造粒并烘干,，根據(jù)作物需要,，額外添加菌劑和微量元素等，添加的菌種主要包括固氮菌,、解磷菌和抗生菌等,，再進行二次造粒生產(chǎn)的成品，通過檢查性篩分將不合規(guī)的篩下物返回到造粒設備進行修整,，最終合格產(chǎn)品包裝出售,。煤矸石與雞糞復合肥生產(chǎn)工藝流程如圖５所示。

糞便類肥含有豐富的腐植酸,，但也有不足之處,，例如含鹽分較高，易使土壤鹽化,，含病菌,、蟲卵等有害物。因此,，使用糞便類肥一定要提前腐熟,，從而使有害蟲卵、雜草種子大部分死亡,，營養(yǎng)成分更利于植物吸收,，還能避免燒苗燒根現(xiàn)象。

2.24　煤矸石與污泥的復合

武冬梅等研究人員發(fā)現(xiàn)污泥和化肥配合使用能增加煤矸石風化物中微生物的總量,，增加營養(yǎng)元素含量,，但污泥量并不是越多越好，在重金屬含量不超標的條件下,，污泥添加量應在６％左右,。使用污泥必須經(jīng)過腐熟才能消除有害微生物，必須控制用量以免有害物質(zhì)積聚,。

煤矸石復合肥的養(yǎng)分較全面,、平衡，生產(chǎn)工藝更靈活,，與單一煤矸石制肥相比效果要好,。當然，煤矸石除了可生產(chǎn)復合肥外,，還可根據(jù)某種營養(yǎng)元素含量較高而生產(chǎn)該元素的單質(zhì)營養(yǎng)肥,，例如硅肥、富硒肥,。

2.3　煤矸石單質(zhì)營養(yǎng)肥

2.3.1　煤矸石制硅肥

王生全等研究人員將煤矸石煅燒制成硅肥,，產(chǎn)品中有效硅含量達21.04％,，符合國家硅肥標準,。該方法的機理是將煤矸石中的硅酸鹽轉(zhuǎn)化為原硅酸鹽,，其中高嶺石轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X石并與助劑發(fā)生反應生成原硅酸鈣、硅酸鈉等容易被作物吸收的成分,，以使硅活化,。煤矸石煅燒制硅肥工藝流程如圖６所示。

煤矸石,、作物秸稈制備含硅有機復合肥,。秸稈中含有K、Ca鈣等無機營養(yǎng)元素及有機物,，孫洪賓以煤矸石和秸稈為原料制成含硅有機復合肥,，肥效優(yōu)良。

2.3.2　煤矸石制富硒肥

劉信平等研究人員用Na2CO3將富硒煤矸石活化后,，硒的活化率達到81.24％,，再將煤矸石硒肥與糞肥按2:1混合后，極大地提高了作物對硒的吸收率,。

３　煤矸石肥料的重金屬問題

煤矸石含有重金屬元素,，即便其含量符合標準要求，但長期使用造成重金屬積累進而威脅作物生長,。因此,，有必要降低重金屬危害。目前采取的方法有固化重金屬,，減少活躍的有效態(tài)重金屬,；采用離子交換性強的材料吸附重金屬；生成重金屬沉淀等化學性質(zhì)穩(wěn)定的新產(chǎn)物等,。此外,，重金屬在酸性環(huán)境下更易溶出，需要及時改善土壤環(huán)境的酸堿性,，控制重金屬研究實例如下所述,。

（1）利用粉煤灰及馬糞抑制重金屬。張明亮發(fā)現(xiàn)粉煤灰中的堿性組分不僅可以改善酸性環(huán)境,，還能通過重金屬共沉淀及吸附作用,，調(diào)節(jié)重金屬濃度；馬糞堆肥也能通過離子交換吸附控制重金屬,。

（2）石灰降低重金屬含量,。關(guān)禹發(fā)現(xiàn)石灰可減少肥料中有效態(tài)重金屬的含量，但是過多的石灰會提高堿性,，不利于作物生長,。實驗表明，石灰添加量宜為3~9g/kg,，并且應在播種前5~6周添加為宜,。

４　關(guān)于煤矸石制肥料的建議

（1）深入研究煤矸石等原料的性質(zhì),，尋求離子交換性強、保水保肥并能改善土壤理化性質(zhì)的配料,，探索新的生產(chǎn)工藝,，在活化煤矸石激發(fā)養(yǎng)分的同時，實現(xiàn)原料改性,，達到供肥,、降低有害元素及改良土壤的多重效果。

（2）重視煤矸石復合肥的綜合效果,，開發(fā)煤矸石全養(yǎng)分肥,，達到速效、長效,、增效復合效果,，實現(xiàn)長效緩釋時能較精準控釋以及供肥、促生,、抗病復合功能,。

（3）不僅關(guān)注肥料對作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響，還要重視其對土壤結(jié)構(gòu)和肥力等性質(zhì)影響的研究,。

５　結(jié)論

（1）煤矸石制備肥料前,，要充分分析原料性質(zhì)，靈活選擇生產(chǎn)方式,。如果煤矸石原料中N,、P、K含量不高,，可摻入N,、P、K 含量高的無機物混合制肥,，也可摻入農(nóng)肥,，在提高N、P,、K的同時提高有機物的含量和引入微生物,；煤矸石中有機質(zhì)含量不夠高時，可摻入農(nóng)肥,、污泥等,，但同時要注意消除有害生物的影響；通過摻入酸性或堿性物料調(diào)整煤矸石原料的酸堿度,，進而改善肥料及土壤的pH值,；對于某一營養(yǎng)元素含量較高的煤矸石，可選擇制備單質(zhì)營養(yǎng)肥等等。當然,，不同性質(zhì)的煤矸石所需配料,、輔助物的選擇與研發(fā)還需要進一步研究。

（２）研制煤矸肥過程中,，將煤矸石中固化的營養(yǎng)元素分解轉(zhuǎn)化為作物能直接吸收的有效營養(yǎng)很重要,，有效態(tài)的有機質(zhì)和無機養(yǎng)分的含量對產(chǎn)品肥效的好壞造成直接影響,。此外,，目前采用的分解轉(zhuǎn)化方法在養(yǎng)分分解釋放方面起到主要作用，但對于原料改性進而改良土壤方面的作用不夠理想,。

（３）制得煤矸肥產(chǎn)品后,，應對其肥效進行全面評價，包括對作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響評價,，以及對土壤改良的影響評價,。