保水剂用量对排土场土壤持水性的影响

胡 杨，张俊娇，史常青†，赵廷宁，刘小勇，吴 川，刘秉儒

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.北方民族大学生物科学与工程学院，生态系统建模及应用国家民委重点实验室，750021，银川)

露天煤矿的大规模开采产生大量排土场，严重破坏矿区的生态环境，易造成土壤退化和土壤侵蚀等水土流失现象[1]。排土场主要由煤矸石等多种土石混合介质组成，是一种典型人工松散堆积体。排土场渣土级配不良，具有粗碎屑含量高、保水性能较差等特点，制约矿区利用植被进行生态修复[2]；因此迫切需要对渣土进行改良，以确保矿区的社会经济和生态的可持续发展。

保水剂是一种具有超高吸水、保水和缓释能力的亲水网络聚合物[3]。保水剂施加于土壤中，能够增加土壤的持水特性和改变土壤的结构，从而减少土壤水流和养分的流失[4]；所以，保水剂被广泛应用于退化土地的生态修复中[5-6]。研究[7]表明，在粗砂土中加入保水剂后，持水能力提高17.1%～40.2%，同时保水剂能够显著改变土壤的孔隙度；但是，不同的保水剂施加方案可能对土壤的物理性质的改良产生不同的影响[8-9]。

土壤水分特征曲线可定量研究土壤水分运动和溶质迁移，是反映土壤水分保持及运动的基本曲线，可描述土壤体积含水量与吸力值的关系，并间接反映土壤孔隙大小的分布[10]。目前，拟合土壤水分特征曲线的模型主要有 Van Genuchten模型[11]及其修正模型[12]、Gardner模型[13]、Brooks-Corey模型[14]、Frdlund and Xing模型[15]等。

笔者选取宁夏汝箕沟大峰露天煤矿排土场的渣土作为试供材料，施加不同用量的保水剂，利用土壤高速离心机模拟含有保水剂的渣土的脱湿过程，结合Van Genuchten模型分析在脱湿过程中保水剂的不同用量对渣土的土壤水分特征曲线及参数、水分有效性和孔隙分布的影响，定量评估施加保水剂对煤矿渣土持水特性的影响，为矿区改良土壤、植被恢复等生态修复工作提供依据。

1 研究区概况

研究区位于宁夏石嘴山市汝箕沟大峰矿东外排土场(E 106°07′00″，N 39°04′00″)，属大陆性干旱气候，年最大降雨量238.2 mm，年最大蒸发量2 720.7 mm，年最高气温35.1 ℃，年最低气温-23.5 ℃，全年干旱少雨。开采煤矿为无烟煤，资源储量5 101.76万t，截至2014年底，动用储量1 154.54万t，煤岩层裸露地表，地面植被稀疏。常见本土植物有松叶猪毛菜(Salsolalaricifolia)、旱榆(Ulmusglaucescens)、荒漠锦鸡儿(Caraganaroborovskyi)和狗尾草(Setariaviridis)等。

2 材料与方法

2.1 试验材料

1)渣土：于2019年10月取自宁夏石嘴山市汝箕沟无烟煤煤矿大峰矿东外排土场，排土场上坡、中坡、下坡各设置3个取样点，每个点3次重复，采集0～20 cm渣土并混合，去除大石块后过2 mm土壤筛，作为试验用土。按北京林业大学编制的《土壤学实习实验指导书》的方法，用环刀法测定土壤密度，用Malvern 3000激光粒度分析仪测定土壤粒径组成，渣土物理性质见表1。

表1 渣土样品的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of muck samples

2)保水剂：主要成分为聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺共聚体，白色颗粒状，粒径0.3～1.0 mm，吸水倍率为200～400倍，品牌为法国爱森，型号为MP3005KM，由北京金元易生态环境产业股份有限公司提供。

2.2 试验设计

将保水剂与渣土按照保水剂用量分别为0、0.2%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的比例混匀静置，使二者充分结合后，将样品放入100 cm3的离心机配套环刀中，使用真空饱和法饱和试样，使其充分吸水，随后将其放入型号为H-1400PF的离心机中，设定不同梯度的转速(500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000和7 000 r/min)，每次离心60 min后取出，分别使用电子天平和游标卡尺测定样品含水量(%)及下沉高度(mm)[16]，各处理重复3次。

由于保水剂吸水膨胀，为防止样品吸水膨胀后体积超过环刀体积，因此通过预试验得到不同比例时应称取的渣土质量(表2)。

表2 不同保水剂用量的保水剂及渣土质量Tab.2 Amounts of water-retaining agent and muck with different water-retaining agent content

为便于试验分析，根据式(1)[17]计算土壤水吸力h(cm)，且1 kPa≈10.2 cm水柱，据此对土壤水吸力进行单位换算，以便土壤水分有效性计算，结果如表3所示。

表3 离心机转速与土壤水吸力的换算Tab.3 Conversion of centrifuge speed and soil water suction

(1)

式中：h为土壤水吸力，cm；s为离心机转速，r/min；L为环刀高度1/2，cm；r为基准水面的旋转半径，cm，即离心机轴心到离心环刀最远处的距离。

2.3 模型拟合

结合土壤高速离心机脱湿条件下获取的实验数据，以Van Genuchten模型[11]表示脱湿条件下吸力水头和含水量的关系。

Van Genuchten模型:

(2)

式中：θ为体积含水量，%；θr为剩余含水量，%；θs为饱和含水量，%；α为与土壤初始排水有关的参数，数值等于进气压力值的倒数，n为经验拟合参数，量纲为1。

2.4 土壤水分有效性计算

依据土壤水分常数可计算土壤的有效水分含量。根据植物吸收水分的难易程度，全有效水(total available water)分为速效水(easy available water)、迟效水(slow available water)、无效水(unavailable water)。结合Van Genuchten模型推导所述含水量，全有效水为水吸力≥10～1 500 kPa之间的水分含量，速效水为≥10～600 kPa之间的含水量，迟效水为≥600～1 500 kPa之间的含水量，无效水为1 500 kPa时的含水量[18]。

2.5 土壤孔隙分布计算

根据土壤毛管理论[15,19]，对于非饱和的水土系统，土壤水吸力是由土壤中某一范围孔径的圆形毛管的毛管力作用的结果，其与毛管孔径即当量孔径有以下关系：

(3)

式中：δ为水的表面张力系数，常温下δ=7.5×10-4N/cm；D为当量孔径，mm。

根据土壤孔隙的划分[20-21]，结合本研究实验情况，将孔隙分为中孔隙(当量孔径≥0.03～0.3 mm)、微孔隙(当量孔径≥0.005～0.03 mm)及超微孔隙(当量孔径<0.005 mm)。中孔隙对土壤通气和迅速排水起主要作用；微孔隙主要贮存水分供给植物生长；超微孔隙直径较小，植物无法利用。

2.6 数据处理

应用Excel 2011进行数据的基本统计，应用Origin 2019绘制图，应用IBM SPSS Statistics 21对数据进行单因素分析，应用RETC软件求解VG模型参数。

3 结果与分析

3.1 对渣土土壤水分特征曲线的影响

土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与土壤水吸力之间的关系曲线,反映土壤水能量与土壤水含量的函数关系,是表示土壤基本水力特性的重要指标,对土壤持水性能评价有一定的作用[19]。由图1所示，在低吸力段(≥0～100 kPa)[22]，随着土壤水吸力的增加，渣土含水量急剧下降，曲线走势较陡，保水剂用量为1.0%、1.5%、2.0%处理的体积含水量与0、0.2%、0.5%处理差异显著(P<0.05)，渣土持水能力随保水剂用量的增加而增加。在中吸力段(≥100～500 kPa)[22]，随着土壤水吸力增加，渣土含水量下降趋势变缓。在高吸力阶段(≥500～1 500 kPa)，各处理差异不显著(P>0.05)。土壤水份特征曲线的最大特征在于完整表征各吸力段土壤的持水特性及持水机理，其陡降段对应的土壤水吸力范围与优势孔隙对应的吸力范围有较好的对应关系[23],一般土体先失去大孔隙和中孔隙(包括一部分毛管孔隙)中的水，此时低吸力段土壤水分保持主要依靠毛管孔隙状况，当渣土失去优势孔隙范围内的水时，因为该范围内的孔隙较多，明显的失水导致土壤水分特征曲线走势出现较陡的现象，同时说明在低吸力段，保水剂对渣土毛管孔隙影响显著(P<0.05)，说明保水剂用量的增加可导致渣土毛管孔隙保水能力增强，与前人的研究结果[24]一致，即在低吸力段时，土壤持水能力的增加随着土壤保水剂用量的增加而增加。在高吸力段土壤水分保持是受到颗粒表面分子吸附力的作用，体现土壤质地特征和比表面的影响[25]，说明保水剂对表面分子吸附力无显著影响，不能改变其电荷吸附更多水分，保水剂在高吸力阶段对渣土无保持水分的能力。可见，保水剂对渣土的保水作用主要为通过改善其毛管孔隙状况，增强渣土持水能力；同时减少易排水的大孔隙数量[26]，改良土壤性质[27-28]，与蔡典雄等[29]研究结论一致。

图1 不同保水剂用量下的渣土土壤水分特征曲线Fig.1 Soil water characteristic curve of muck with different water-retaining agent content

3.2 对渣土土壤水分特征曲线参数的影响

进一步分析保水剂对渣土土壤水分特征曲线参数的影响，可进一步探索保水剂对土壤持水特征的影响机理，同时量化保水剂用量对土壤持水的作用程度。如表4所示，各处理VG模型拟合参数(R2)范围在0.985～0.999之间，达到极显著水平，说明该模型适用于添加保水剂的渣土。

土壤的饱和含水量(θs)反映土壤的持水总孔隙度[11]，表4显示：随着保水剂用量的增加，θs明显递增，说明施用保水剂后可增加土壤持水孔隙度，提高土壤的持水性能[26]。残余含水量(θr)表示当吸力无限增大时，土壤所能保持的含水量，其值与土壤颗粒表面性状有关，是土壤表面分子持水特征的指标[11]，如表4所示，各处理的θr差别很小，说明保水剂不能改变渣土(砂壤土)比表面积，而Dorraji等[30]曾在不同盐分条件下用保水剂对砂壤土进行持水性能的研究，结果表明其比表面积出现差异，这是因为阳离子尤其是二价阳离子会影响保水剂的水合作用[31-33]，增加黏粒的分散性，使得比表面积变大，形成了扩散电双层影响土壤团聚体的稳定性，进而改变土壤持水能力[34-35]。

α为土壤水分特征曲线进气压力值的倒数[11]，表4显示：0处理的α值显著大于其他处理，这是由于未施用保水剂的渣土内部孔隙较大，初始排水时渣土中的水容易被释放[18，36]。随着保水剂用量的增加(0.2%～1.0%)，α值逐渐增大，保水剂用量超过1.0%之后，随着用量增加，α值逐渐降低，由于α仅表征初始排水时的状态[18]，不表征失水过程，说明保水剂改变渣土失水过程的起始失水能力，因此不可仅用α值量化保水剂用量对渣土孔隙的改良程度，而研究土壤质地如土壤粒径分形维数对保水剂的持水响应才应注重α值的变化[27，36]，舒凯民[37]发现表明黏粒含量、干密度均对α值有显著影响，也验证这一观点。一般，参数n一定程度上可表征曲线坡度，n值越大，曲线越陡，土壤含水量随土壤水吸力增加的变化越快[38]。笔者发现，各保水剂处理曲线陡度排序为：2.0%>1.5%>1.0%>0.5%>0.2%>0，而n值大小排序为：2.0%>0.2%>1.5%>0.5%>1%>0，仅2.0%、0.5%及0处理排序符合，前人对塔里木沙漠公路土壤、古尔班通古特沙漠土壤以n值也无法完全正确描述土壤水分特征曲线的持水特性[22,39]，因此，以参数n表示持水曲线减湿率仍需进一步探索。

表4 不同保水剂用量下的渣土土壤水分特征曲线参数Tab.4 Parameters of soil water characteristic curve with different water-retaining agent content

3.3 对渣土水分有效性的影响

保水剂会影响土壤水分的吸收和释放，进而影响其水分有效性。通过拟合后的土壤水分特征曲线[18]，结合水分对植物有效性原理，得到不同保水剂用量下的全有效水、速效水、迟效水及无效水含量(图2)及不同有效性含水量占全有效水含量的比例(表5)。图2可知，随着保水剂用量的增加，全有效水、速效水含量显著增加(P<0.05)，较0处理，其分别提高1.12～3.31倍、1.11～3.29倍；迟效水含量在保水剂用量为0～0.5%处理时差异不显著(P>0.05)，较0处理，1.0%～2.0%处理的迟效水含量显著增加3.00～4.38倍(P<0.05)，无效水含量仅在0.2%、0.5%处理显著降低(P<0.05)，其余处理差异不显著(P>0.05)。因此，保水剂用量的增加可显著提高渣土全有效水、速效水含量[18]，但用量≥1.0%会导致渣土迟效水含量显著增加，与低用量相比，反而会显著提高无效水含量，与范富等[40]认为的保水剂对土壤的持水效果并非保水剂用量越多越好的研究结论一致。表5可知，各处理的速效水、迟效水、无效水含量比例范围分别为79.70%～85.79%、5.05%～13.24%、11.00%～38.96%，因此保水剂对渣土持水量的增加来源主要为速效水。保水剂中的水包括束缚水、半束缚水、自由水，其中自由水具有更高的流动性，其蒸发后保水剂中的其他水分才缓慢释放到土壤中[41]，即使保水剂提高渣土持水量，也无法具体量化供给植物的有效含水量[42]，鉴于此，表5显示0.5%处理的此三者比例分别为84.75%、5.05%、14.90%，较施用保水剂的其余处理而言，其增加速效水比例、降低迟效水、无效水比例，这对植物供给效应更有积极作用，因此0.5%是保水剂改善渣土水分有效性的最佳用量。

图2 不同保水剂用量下的含水量Fig.2 Water content with different water-retaining agent content

表5 不同保水剂用量下的含水量比例Tab.5 Proportion of water content with different water-retaining agent content %

3.4 对渣土孔隙分布的影响

土壤孔隙分布能更直接反映土壤孔隙结构和通气情况[43]，由前文知保水剂对渣土的持水作用取决于毛管孔隙，毛管孔隙是指当量孔径在0.06～0.002 mm之间的所有孔隙的总称[18]，由此引入包含毛管孔隙且具有植物供水补给参考意义的中孔隙(当量孔径≥0.03～0.3 mm)、微孔隙(当量孔径≥0.005～0.03 mm)及超微孔隙(当量孔径<0.005 mm)，利用VG模型数据得到渣土孔隙分布(图3)。可见，较0处理，随着保水剂用量的增加(0.5%～2.0%处理)，渣土的中孔隙比例显著增加1.2～2.6倍(P<0.05)，这是因为保水剂施用量越大，膨胀量越大[44]，中孔隙数量增多，对渣土迅速排水能力增强[21]。除0.2%处理以外，较0处理，其余处理的微孔隙比例随用量的增加显著增加1.8～3.8倍(P<0.05)，说明保水剂的施用可改善植物的供水环境，贮存水分供给植物生长[21]。超微孔隙直径较小，植物无法利用[21]，较0处理，0.2%、0.5%处理的超微孔隙比例显著提高1.2、1.5倍(P<0.05)，1.0%～2.0%显著提高2.1～4.7倍(P<0.05)，说明保水剂不仅会显著提高渣土的有利于植物生长的孔隙比例，同时也会显著提高植物无法利用的孔隙比例，因此结合超微孔隙选择保水剂的用量，对于矿山的植被恢复具有十分重要的意义。

图3 不同保水剂用量下渣土孔隙分布Fig.3 Pore size distribution of muck with different water-retaining agent content

综上，保水剂用量≥1.0%会造成渣土形成不利于植被生长的孔隙环境，0.2%用量对于改善供给水分植物生长的作用不大，0.5%用量可显著改善渣土的通气能力、贮水能力，且不会造成过高的超微孔隙比例限制植物生长，是改善渣土孔隙分布且有利于植物生长的最佳保水剂用量。

4 结论

1)保水剂对渣土的持水性在低吸力段主要依靠其毛管孔隙状况改善渣土的持水能力；其用量的增加可显著提高渣土的全有效水含量、速效水含量、中孔隙比例、微孔隙比例、超微孔隙比例；与不施保水剂相比，低用量(0.2%、0.5%)可显著降低其无效水含量，高用量(1.0%、1.5%、2.0%)会显著增加渣土的迟效水含量。

2)0.5%是保水剂改善渣土水分有效性、改善渣土孔隙分布且有利于植物生长的最佳用量。