几种改良剂对煤矸石基质水分特征及狗尾草萌发的影响

申海玉， 张浩， 吴子龙， 韩超*， 宋炜， 马晓斐

（1.邯郸学院生命科学与工程学院，河北省高校冀南太行山区野生资源植物应用技术研发中心，邯郸市生态环境修复重点实验室，河北 邯郸 056005； 2.河北省煤田地质局环境地质调查院，石家庄 050091；3.河北冠卓检测科技股份有限公司，石家庄 051130）

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物，其排放量相当于煤炭总产量的12%左右[1]。在我国煤炭开采区，大量煤矸石露天堆放形成煤矸石山，若不加治理，其中的有害成分会通过扬尘和淋溶作用进入环境介质，直接或间接影响周围居民的身体健康。植被重建是煤矸石山治理的根本措施，基质水分是植物生存和生长过程中的限制因子，而煤矸石山基质（风化层）主要以风化颗粒为主，其粒径比土壤颗粒粗，类似于石、砂、粉砂等，与正常土壤相比，结构性差、容重较大，大孔隙多而毛管孔隙少、持水能力差，直接影响植物定居[2]。目前在煤矸石山的植被重建中，利用煤矸石和生土混合构建新土体是进行植被恢复的基质保证，但因为新土体物理结构不良而导致保水性差，植被重建效果不理想，成为制约矿区生态重建的关键障碍因子[3]。决定基质水分有效性的根本因子是基质的孔隙性和结构性。基质孔隙分为通气孔隙（大空隙）、毛管孔隙和非活性孔隙，其中通气孔隙和非活性孔隙中的水为无效水；毛管孔隙中的水为有效水，可以为植物根系所利用，为基质保水的主要形式。毛管孔隙水分达到饱和时的含水量为田间持水量，是基质有效水含量的上限。结构良好的基质，其大小孔隙分配合理，解决了通气性和保水性之间的矛盾[4]。因此，利用改良剂改善煤矸石基质的结构性和孔性，从而改善水分入渗性、提高保水性，对煤矸石山植被重建至关重要。

研究表明，生物炭和保水剂在改良基质物理特性方面应用普遍且价格低廉，可改善基质孔隙性，改良煤矸石基质的水分特征，提高其含水率[5]。其中，生物炭是在低氧高温环境下由各种有机物料热解炭化而形成的，具有巨大的比表面积且微小孔隙多，应用于土壤后可通过降低土壤容重、改变孔隙结构等物理机制提高其持水性能[6-7]。保水剂是一种高分子材料，分子结构中含有大量的亲水性基团，能吸收自身重量几百倍的水分，具有反复吸水释水的功能[8]。与生物炭和保水剂相比，有机改良剂应用于煤矸石基质水分改良的研究较少[9]，生物菌肥作为有机改良剂，富含有机质和微生物，具有用量低、能够改良基质微生物菌群和改善基质物理结构的作用，从而可间接影响基质保水性，具体效果有待验证。近年来，单一物理改良剂应用于煤矸石基质改良的研究逐渐增多，但做不到对基质物理结构和保水性的根本改良。基于此，本研究选用土壤、生物炭、保水剂和生物菌肥4种改良剂，研究其不同配比对煤矸石基质保水性能及狗尾草萌发的影响，旨在找出最佳的改良剂配方，为煤矸石山的植被重建提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

煤矸石取自邯郸市峰峰矿区煤矸石山；狗尾草（Setaria viridis(L.) Beauv.）种子采自峰峰矿区野外生境，经人工室内挑选发育饱满、大小一致的种子为供试材料，做预发芽测试，发芽率85%以上；土壤取自峰峰矿区野外生境；生物炭由玉米秸秆制备，裂解温度400 ℃，平均孔直径16.23 nm；保水剂主要成分是丙烯酰胺和丙烯酸钾的共聚物，粒径3～6 mm，具有高分子量和高负电荷，吸水倍率为265.82 g·g-1；生物菌肥为巨微生物磷钾肥，购自河北省巨微生物工程有限公司，所含菌种为巨大芽孢杆菌和胶冻样类芽孢杆菌，有效活菌数达到2.0亿·g-1。

1.2 试验方法

1.2.1 煤矸石基质制备 从供试煤矸石中选取大颗粒的矸石，用破碎机人工破碎后混合均匀，过2 mm尼龙筛作为供试的矸石基质材料。矸石基质pH 7.45，容重1.73 g·cm-3，有机质、全氮和全磷含 量 分 别 为（40.00±0.05）、（0.230±0.026）和（0.250±0.027） g·kg-1，速效磷和有效氮含量分别为（0.60±0.08）和（3.50±0.16） mg·kg-1。

1.2.2 不同改良剂施用的四因素三水平L（34）正交试验设计 采用四因素三水平正交设计L（34）进行不同改良剂的配比试验，其中，改良剂选用4种：土壤（土矸比，A）、保水剂（B）、生物炭（C）和生物菌肥（D）。在正交试验开始前，参考相关研究并通过单因子试验，确定各改良剂的适宜水平，在此基础上进行正交试验因子的水平设置，其中，土矸比的3个水平（A1、A2和A3）分别为2∶1、1∶1和1∶2；保水剂3个用量水平（B1、B2和B3）分别为0.0%、0.1%和0.2%；生物炭3个用量水平（C1、C2和C3）分别为0%、1%和2%；生物菌肥3个用量水平（D1、D2和D3）分别为0%、1%和2%。正交试验具体设计如表1所示。

表1 L（34）正交试验设计Table 1 L（34） orthogonal design

将不同水平的改良剂与供试矸石基质进行配比，混合均匀，设9个处理，以不加任何改良剂为对照（CK），共10个处理，每个处理重复6盆，其中3盆用于基质水分性质的测定；3盆用于栽种狗尾草。将各处理混合基质装盆，每盆500 g，定量浇蒸馏水，处理时间为6个月。

1.2.3 狗尾草播种与日常管理 待煤矸石基质与改良剂混合培养6个月后，播种狗尾草。将狗尾草种子于清水中浸泡水选，弃去水面漂浮的种子，将沉入水底的种子于3%过氧化氢溶液中进行表面消毒，之后于大张滤纸上吸干水分，每盆播种1 g，覆土，浇透水。整个试验期内，定期定量浇蒸馏水，保持室温25 ℃、空气湿度50%～60%，狗尾草萌发后采用生物补光灯进行补光，光照8 h·d-1。

1.2.4 煤矸石基质改良效果监测 ①狗尾草萌发和生长情况的统计 在播种后的14 d内对狗尾草出苗数和出苗时间进行统计；于试验结束时对各处理狗尾草的株高进行测量；最后将狗尾草收获，流水冲洗干净，用滤纸吸干水分后于烘箱中105 ℃烘至恒重，称取干重。

②煤矸石基质容重的测定 采用环刀取样-烘干法测定煤矸石基质的容重，将环刀插入基质中，待基质充满环刀且与环刀口齐平时取出环刀，将环刀内土壤烘干至恒重，称重，按照下面公式计算容重。

③煤矸石基质累积入渗速率的测定 采用室内环刀恒水头法[3]测定煤矸石基质的水分累积入渗速率。具体操作为：在装有基质的环刀上方再接1个空环刀，用胶带密封两环刀的连接处，用夹子和铁三环将双环刀固定在铁架台上，在装有基质的环刀下方放置漏斗，漏斗下方放置烧杯用于收集下渗的水分。在试验过程中，首先向空环刀内加水至与环刀顶部齐平，待漏斗滴出第1滴水时开始计时。前3 min 每隔1 min更换1次烧杯，之后每隔5 min更换1次烧杯，分别测量相应烧杯中水的体积。测定过程中随时加水，保持水的高度与环刀口齐平，累积入渗量统一取前60 min按照下列公式计算。

④煤矸石基质田间持水量的测定 采用环刀法测定煤矸石基质的田间持水量，将取样后的环刀称重后（m0，g）放到平底托盘中加水至环刀上缘，待其吸水24 h后进行称重。然后再将环刀放置于石英砂上，控水8 h，此时基质中的含水量即为田间持水量，对环刀进行称重（m1，g），最后将环刀放入105 ℃烘箱烘干至恒重，并再次称重（m2，g），田间持水量参照下列公式计算。

1.3 数据处理

采用Excel软件对数据进行整理，通过对每一因子每个水平的观测值进行加和（K）及平均值（k）统计，对正交试验结果进行极差（R）的计算与分析，采用IBM SPSS Statistics 19.0软件对10个处理进行单因素方差分析，对正交试验结果中不同改良剂的改良效应进行方差分析，计算各因子的显著性水平（P），结合正交试验的极差分析和方差分析结果推算煤矸石基质水分改良最优的改良剂组合。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对煤矸石基质上狗尾草萌发和早期生长的影响

由表2可知，不同改良剂配比施用下，狗尾草萌发和早期生长情况差异明显。虽然改良剂施用没有明显提高狗尾草的萌发率，但与对照（CK）相比，4种改良剂施用下狗尾草萌发时间明显提前，且狗尾草早期生长的生物量积累显著提高（P＜0.05）。

表2 施用不同改良剂的煤矸石基质上狗尾草的萌发和生长情况Table 2 Germination and growth of Setaria viridis （L.） Beauv. on gangue matrix with different amendment

因素之间极差(R)的大小，反映正交试验中每个因素的作用大小。如果某个因素对指标影响越大，则其对应的极差（R）越大，判定此因素为重要因素；反之，因素对指标影响小，则极差（R）小，可以直观地判定此因素为不重要因素，但最终判定要结合方差分析结果。由表3可知，4种改良剂施用对煤矸石基质上狗尾草干重积累影响的大小依次为生物菌肥＞土壤用量（土∶矸）＞生物炭＞保水剂，方差分析结果显示，生物菌肥和土壤的影响极显著（P＜0.01），而保水剂和生物炭的影响不显著。狗尾草萌发和早期生长受土壤掺入比例影响较大，随土壤用量比例的增加，狗尾草萌发数和早期生物量积累显著提高（P＜0.01），土矸比2∶1的3个处理中，狗尾草萌发情况最好，表现为开始萌发时间早、萌发数多，狗尾草干重高，其中，2号处理（土矸比2∶1+保水剂0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%）中狗尾草萌发最早，播种后7 d即开始萌动，萌发数也最高，为13株·盆-1，该处理的基质上狗尾草干重最高，达到了71.2 mg·盆-1，比对照（CK）高2.61倍；其次，1号处理（土矸比2∶1+保水剂0%+生物炭0%+生物菌肥0%）中狗尾草萌发也较早，播种后8 d开始萌动，萌发数为11株·盆-1，干重为60.5 mg·盆-1，显著高于对照（P＜0.05）。随着土壤用量比例的降低，狗尾草的萌发和早期生长均明显受抑。保水剂、生物炭和生物菌肥的施用均有助于矸石基质上狗尾草的萌发，表现为萌发时间早于对照。生物菌肥显著提高了煤矸石基质上狗尾草的干重积累（P＜0.01），但其用量超过0.1%达到0.2%以后，3个处理中狗尾草均未萌发出苗。综合看来，不同改良剂的施用促进了狗尾草的萌发和早期生长，其中以处理2中狗尾草的萌发和生长最好，其次为处理1。

表3 正交试验结果的直观比较和方差分析Table 3 Intuitive comparison and variance analysis of orthogonal test results

对于4个处理因子而言，狗尾草干重累积最高量出现在A1、B2、C1和D2水平上（表3），但是生物炭对干重累积的影响不显著，故C1（0%）和C2（1%）均列为推荐施用量，因此初步判定最佳改良剂配合比例为土矸比2∶1+保水剂0.1%+生物炭1%或0%+生物菌肥1%。

2.2 不同改良剂对煤矸石基质水分特征的影响

2.2.1 不同改良剂对煤矸石基质水分特征影响的分析 不同改良剂对煤矸石基质保水性能的影响结果见表4。与基质保水性能的相关判定标准相比[10]，煤矸石基质容重较高，为 1.73 g·cm-3，接近沙土容重，大孔隙多而毛管孔隙少，保水性差，经过不同配比改良剂处理后煤矸石基质的容重与CK相比均有不同程度的降低，但所有处理中只有处理2、3下的容重在1.1～1.4 g·cm-3之间，符合含有机质多且结构好的土壤容重标准[10]；就累积入渗速率而言，CK的累积入渗速率最强，为10.20 mm·min-1，其次为处理7和8，三者均属于入渗过强水平，而处理1~6和处理9均在2.50～8.33 mm·min-1之间，较CK显著降低（P＜0.05），达到了中等或良好的入渗水平；CK的田间持水量最低，为19.01 %，属于沙壤土水平（16%～20%），改良剂施用后煤矸石基质的田间持水量均较CK显著提高（P＜0.05），达到了轻壤土（20%～24%）或中壤土（22%～26%）的水平。

表4 正交试验结果Table 4 Result of orthogonal experiment

综合而言，改良剂的不同配比施用，降低了煤矸石基质的容重，对其孔隙性有一定的改良作用，在一定程度上降低了基质的累积入渗速率，有利于提高煤矸石基质的保水性，改良剂施用下煤矸石基质的田间持水量增加，说明其有效水含量有所提高。

2.2.2 不同改良剂配合比例的确定 由表5可知，土壤用量、保水剂和生物炭对煤矸石基质容重、累积入渗速率和田间持水量影响显著，而生物菌肥仅对田间持水量影响显著，4种改良剂对煤矸石基质影响的大小顺序均为：土壤用量＞保水剂＞生物炭＞生物菌肥，可以看出土壤用量、保水剂和生物炭是影响煤矸石基质保水性的主要因子。随土壤用量、保水剂和生物炭用量的增加，煤矸石基质的容重和累积入渗速率降低，而田间持水量增加，且在施用量超过第2个水平后影响趋于平缓；生物菌肥对煤矸石基质田间持水量有促进作用，但方差显著性P值接近临界。

表5 正交试验结果的直观比较和方差分析Table 5 Intuitive comparison and variance analysis of orthogonal test results （water characteristic）

在土壤用量3个水平中只有A1水平下容重达标，A2水平下容重接近达标，狗尾草萌发和生长情况较好，显著高于对照，若从经济角度出发，土矸比1∶1也是可选水平；保水剂和生物炭用量超过第2个水平后作用趋缓，因此选择B2、C2这2个水平；从生物菌肥水平来看，3个水平之间容重、累积入渗率差异不显著，然而施用生物菌肥显著促进了煤矸石田间持水量的增加，但综合狗尾草萌发数据，D2水平下狗尾草萌发所需时间最短而数量和干重最多，而D3水平下狗尾草没有萌发，因而选用生物菌肥的D2水平。最终确定煤矸石基质保水性的最优改良剂组合为A1B2C2D2，即土矸比2∶1+保水剂0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%；其次为 A2B2C2D2，即土矸比 1∶1+保水剂0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%。

3 讨论

有关煤矸石基质改良的研究多建立在掺土的基础上，煤矸石与土壤混掺可以改善矸石风化物的孔隙结构，提高其持水能力，但对于掺土的比例报道不一[11-12]，董颖等[13]研究报道土矸比为1∶1和3∶1时矸石基质保水性能较高。本研究结果显示，在3个土矸比（1∶2、1∶1和2∶1）下，随土壤添加比例增加，煤矸石基质容重和累积入渗速率得到改善，田间持水量显著增加。目前关于煤矸石基质水分改良的研究多集中于单一物理性改良剂的应用。研究表明，施入保水剂能够改善土壤孔隙性，增加煤矸石基质的持水量，使其保水性能明显增强[14-15]；此外，生物炭通过改善基质结构和孔隙性，增强其保水能力[16-17]。本研究结果表明，保水剂和生物炭的施用提高了煤矸石基质的田间持水量且降低了基质容重，可以判断二者有助于基质毛细孔隙的形成，通过降低水分入渗速率增强煤矸石基质的保水性，但其用量水平与已有报道相比存在差异，分别在0.1%和1%时效果较好，用量超过这一水平增效不明显，这可能是由于不同地区煤矸石基质的基础理化性质不同导致，说明煤矸石基质改良需要区域化和针对性的措施。

良好的物理结构是保障基质持水性的根本原因，而有机质对于基质物理结构的长期维持具有重要作用，煤矸石山植被恢复重建是一个长期持续的过程，因此，单一物理性改良剂的应用存在一定的限制。在煤矸石基质改良中，有机物料的应用相对较少，且针对水分改良的研究还未见报道，张汝翀[9]采用玉米秸秆作为改良剂处理煤矸石基质，增强了其养分的有效性，降低了pH。生物菌肥不仅可以提高基质养分含量，还能有效改善其微生物群落结构，增强其有机质含量[18-19]，从而可能间接起到改良基质结构和土壤水分状态的作用，但是生物菌肥应用于煤矸石基质的改良作用还未见报道。本研究结果显示，生物菌肥的施用虽未对煤矸石基质的容重和累积入渗速率产生显著影响，但却提高了基质的田间持水量，可能是菌肥中富含有机质，且亲水基团较多，从而增强了土壤对水分的固持能力。本研究采用物理性和生物有机性物料配合改良煤矸石基质，可以充分发挥不同改良剂的协同作用，起到更好的改良效果，且4种改良剂取材方便、价格低廉、使用操作简便，对于煤矸石山基质改良具有一定的应用潜力。

植物的萌发和生长情况是煤矸石基质改良效果最直观的体现。据报道，随土壤占比及保水剂用量的增加，煤矸石基质上白三叶草的出苗率和生物量累积均呈上升趋势[12]，与本试验结果相似。在土矸比2∶1时，狗尾草萌发时间早、萌发数高且干重积累量高，保水剂和生物炭不同水平对狗尾草干重积累影响不显著，但施用后狗尾草干重显著高于对照，因此本研究推荐使用保水剂和生物炭的第2个施用水平，即0.1%的保水剂和1%的生物炭。此外，本试验中生物菌肥极显著地提高了狗尾草的干重积累量（P＜0.01），但是生物菌肥用量水平在1%时对狗尾草萌发和生长的促进作用最大，当用量达到2%时，虽对基质保水性未产生抑制作用，但狗尾草却没有萌发出苗，可能与菌肥施用过量造成基质水势降低有关，而菌肥用量还需要在1%～2%之间进行进一步试验，以得到更精确的结论。综合而言，在土矸比2∶1+保水剂0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%配比施用时，煤矸石基质保水性最好，狗尾草萌发和早期生长情况最好。