煤矸石充填復(fù)墾土壤水分含量與作物有效性的研究

黃凱

摘要通過室內(nèi)煤矸石充填復(fù)墾土壤盆栽試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)有無地下水補(bǔ)給和不同覆土厚度處理的表層土壤含水量、小麥出芽率與地上部生物量等指標(biāo)，研究煤矸石充填復(fù)墾土壤水分的作物有效性。結(jié)果表明：表層土壤含水量在有地下水補(bǔ)給時(shí)相對(duì)較高，且覆土厚度影響小麥出芽率；當(dāng)無地下水補(bǔ)給時(shí)，表土含水量受覆土厚度的影響較明顯，3種處理中覆土厚度為10 cm時(shí)表土含水量最高，小麥出芽率受土壤含水量的影響較小。在拔節(jié)前期，地上部小麥生物量與出芽率呈顯著地正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞復(fù)墾土壤；煤矸石；土壤含水量；小麥出芽率；生物量

中圖分類號(hào)S156文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2014）06-01598-02

Abstract Topsoil moisture content， bud ratio and aboveground biomass of wheat were measured by the pot experiments of reclaimed soils filled coal gaugue， setting different groundwater table and topsoil thickness to study the crop validation of water content. The results show that soil moisture content is relatively high under the groundwater table， and bud ratio of wheat is affected on topsoil thickness. Under no groundwater， topsoil thickness will affect on soil moisture content， and moisture content of topsoil thickness 10 cm is highest form three different experimental treatments， which bud ratio of wheat is less affected on topsoil water contents. At the early stage of wheat growth， the correlation between aboveground biomass and bud ratio of wheat is positively remarkable.

Key words Reclaimed soil； Coal gaugue； Soil water content； Bud ratio of wheat； Biomass

煤炭是我國最重要的能源，占全國一次能源總量的74%左右[1]。1989年我國煤炭產(chǎn)量突破10億t大關(guān)，成為世界第一產(chǎn)煤大國，到2010年煤炭產(chǎn)量突破30億t[2]。我國煤炭開采主要采用井工開采，導(dǎo)致大面積的地表塌陷[3]。目前，我國采煤塌陷造成的土地破壞總量已超過400萬hm2，并且每年仍以3.3萬～4.7萬hm2的速度增加[1]。煤炭開采不僅破壞大量土地，而且產(chǎn)生大量的煤矸石。煤矸石是排放量最大的工業(yè)固體廢棄物。2000年我國排放量達(dá)到1.3億，約占當(dāng)前煤炭產(chǎn)量的10%[4]。然而，煤矸石不僅可以作為復(fù)墾造田的原材料，而且可以作為煤炭塌陷區(qū)充填復(fù)墾的填充物與發(fā)電原料。為了落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、合理利用資源、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想等國家策略，目前國內(nèi)對(duì)煤矸石的利用進(jìn)行了大量的研究。

謝英奇等[5]研究指出，在煤炭開采時(shí)會(huì)有煤粒混入煤矸石中，致使煤矸石中全氮含量高，其氮大多屬于地質(zhì)態(tài)氮，堿解氮含量只有19 mg/kg，有效氮含量較少，不能為植物生長所利用。在接菌種植牧草后，固氮酶活性和固氮能力提高，使得煤矸石中全氮和速效氮含量均有不同程度的提高。牟守國等[6]研究指出，煤矸石充填復(fù)墾場(chǎng)地的土壤生物活性要好于用粉煤灰充填場(chǎng)地的土壤生物活性。董霽紅等[7]研究指出，充填復(fù)墾地小麥根系中Cd含量高于比照?qǐng)龅兀勖夯覉?chǎng)地中Pb、Cr含量高于比照?qǐng)龅兀喉肥瘓?chǎng)地中Pb、Cr含量低于比照?qǐng)龅兀⑶覐?fù)墾地植物根系中重金屬含量與煤矸石、粉煤灰中重金屬含量不呈正比。煤矸石充填復(fù)墾土地中上覆表土厚度不同將引起土壤生產(chǎn)能力差異。董霽紅等[8]研究指出，由于粉煤灰結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充填復(fù)墾土地土壤水分含量偏高，風(fēng)干水分偏低，而煤矸石充填復(fù)墾土地0～40 cm土壤含水量變化劇烈。劉會(huì)平等[9]研究指出，煤矸石充填復(fù)墾土地上覆土壤40～70 cm，隨著覆土厚度的增加土壤養(yǎng)分呈增長趨勢(shì)，而復(fù)墾土壤肥力總體太差。

盡管如此，目前國內(nèi)對(duì)于不同覆土厚度的煤矸石充填復(fù)墾土壤表土含水量變化、影響因素以及作物有效性研究的報(bào)道并不多見。筆者通過實(shí)驗(yàn)室盆栽試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)不同覆土厚度和地下水位處理?xiàng)l件下的表土含水量、小麥出芽率與生物量，探討復(fù)墾土壤水分含量及其對(duì)小麥生長的影響，為煤礦區(qū)復(fù)墾地田間管理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

室內(nèi)盆栽試驗(yàn)的盆體為聚乙烯材料制作，底部有小孔。盆體底部直徑為20 cm，盆口直徑為25 cm，高20 cm。充填材料煤矸石采自安徽省淮北礦區(qū)某礦井矸石堆。供試土壤采自安徽省淮南市郊區(qū)，質(zhì)地為黏壤土。

1.2試驗(yàn)方法分2組進(jìn)行，一組盆栽底部有恒定地下水位持續(xù)供給地下水（G），另一組沒有地下水供給（N）。每組試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別是對(duì)照組（沒有煤矸石充填）和覆土厚度15、10和5 cm，編號(hào)分別為GC、GE1、GE2和GE3；NC、NE1、NE2和NE3。每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)30 d后，測(cè)定表層土壤含水量、小麥出芽率和地上部分生物量。土壤含水量用105 ℃烘干8 h稱重獲得，直接統(tǒng)計(jì)小麥出芽率。小麥地上部生物量應(yīng)用收獲法，80 ℃下烘干4 h稱重計(jì)算。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

有地下水補(bǔ)給的試驗(yàn)組表層土壤含水量在0.05水平顯著高于無地下水補(bǔ)給的試驗(yàn)組，且有地下水補(bǔ)給的試驗(yàn)組中表土含水量最小值大于無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組中的最大值。有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組表土含水量不具有顯著性差異，其中對(duì)照組（GC）表土含水量最大，GE2表土含水量大于GE1和GE3處理，GE3處理的土壤含水量最小。無地下水區(qū)補(bǔ)給的試驗(yàn)組表土含水量差異性比較大，其中NE2處理表土含水量大于對(duì)照組（NC），且NE1處理小于NE2和NE3處理，NE2處理土壤含水量最大。因此，在煤矸石充填復(fù)墾盆栽試驗(yàn)中地下水位會(huì)影響表土含水量，并且在無地下水條件下覆土厚度將影響表土含水量。

2.2小麥出芽率由圖2可知，無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組的小麥出芽率要大于有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組。在有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組中，對(duì)照處理（GC）小麥出芽率最低，GE2處理最高，GE1處理小于GE3處理。在無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組中，小麥發(fā)芽率沒有顯著差異，其中對(duì)照處理（NC）小麥出芽率最高，NE3處理最低。NE2處理小麥出芽率高于NE1。由此可知，充填復(fù)墾土壤的地下水補(bǔ)給將影響小麥的出芽率，并且覆土厚度在有地下水補(bǔ)給條件下會(huì)影響小麥出芽。

2.3生物量由圖3可知，

無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組小麥地上部生物量平均值大于有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組。在有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組中，GE1處理小麥生物量最小，GE2處理最大。對(duì)照處理（GC）小麥生物量小于GE2、GE3處理。無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組中各處理小麥生物量間差異不顯著，且NE1處理生物量最小，NE3處理最大。因此，地下水會(huì)影響煤矸石充填復(fù)墾地小麥生物量，且覆土厚度在有地下水補(bǔ)給條件下會(huì)影響小麥生物量。

3結(jié)論與討論

研究表明，地下水補(bǔ)給將影響煤矸石充填復(fù)墾地表土含水量，在有地下水補(bǔ)給條件下土壤含水量較高。覆土厚度也會(huì)影響充填復(fù)墾地表層土壤含水量，且當(dāng)覆土厚度為10 cm時(shí)，表土含水量較適宜。當(dāng)無地下水補(bǔ)給時(shí)，盆栽的小麥出芽率沒有明顯變化，而有地下水補(bǔ)給條件下覆土厚度將影響小麥出芽率。當(dāng)覆土厚度為10 cm時(shí)，小麥出芽率最高。在小麥拔節(jié)前，出芽率與地上部生物量呈005水平顯著正相關(guān)關(guān)系。

范亞輝[10]指出，裸露煤矸石的非毛管孔隙度大，毛管孔隙度小，煤矸石土壤結(jié)構(gòu)較差，大空隙較多，持水能力較差。胡振琪等[11]指出，煤矸石結(jié)構(gòu)性差，大孔隙多，毛管孔隙少，土壤保水、保肥能力極差。煤矸石充填復(fù)墾會(huì)使其上覆土壤含水量小于未充填對(duì)照組。土壤是一個(gè)時(shí)空變異連續(xù)體，其特性在不同空間位置上存在明顯的差異[12]。段永紅等[13]指出，黃土相對(duì)于覆土的風(fēng)化表層矸石累計(jì)蒸發(fā)量大，在降雨過后矸石水分損失遠(yuǎn)高于裸露矸石。在旱季裸露矸石、覆土矸石和鄰近黃土地在0～30 cm內(nèi)不同層次有效含水量依次減少，矸石山薄層覆土越薄，剖面相應(yīng)各層水分蒸發(fā)損失越少。馮慧敏等[14]在室內(nèi)模擬煤矸石充填復(fù)墾研究中認(rèn)為，隨著煤矸石上覆土壤厚度的增加，煤矸石的穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率迅速減小。該研究表明，煤矸石充填復(fù)墾會(huì)使其上覆土壤含水量小于未充填對(duì)照組土壤含水量。在無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組，NE2處理上覆土壤含水量大于NE1、NE3處理，其中NE1處理含水量最少；在有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組，由于地下水的作用以及土壤的時(shí)空變異性，土壤含水量有一個(gè)明顯的變化趨勢(shì)，對(duì)照處理土壤含水量大于NE1、NE2和NE3處理。

段永紅等[13]指出，厚層覆土?xí)怪参锔党尸F(xiàn)畸形生長，不利于水分的利用，不覆土的矸石因深色易吸熱升溫而難以保證種子出苗率，而薄層覆土兼具二者之優(yōu)。王晨陽[15]指出，土壤水分是小麥生長獲得水分的主要來源，是土壤肥力的重要標(biāo)志。土壤水分的不足或過多都會(huì)對(duì)小麥正常生長起到抑制作用。文彬等[16]研究指出，土壤水分條件對(duì)種子的出芽率有重要的影響，坡壘種子萌發(fā)所需適宜土壤含水量為30%～50%，當(dāng)土壤含水量為30%～40%時(shí)發(fā)芽率最高，并且當(dāng)土壤含水量偏離最適條件時(shí)種子出芽率受到限制。王晨陽[15]認(rèn)為，在拔節(jié)前小麥地上部干物質(zhì)積累量增長緩慢，當(dāng)SRWC低于70%時(shí)，小麥地上部干物質(zhì)積累量明顯減少，并且在干旱條件下，地上部生長首先受到限制。該研究表明，無地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組小麥出芽率沒有明顯的差異，是因?yàn)橥寥篮刻幵谛←溕L適應(yīng)范圍，而其他養(yǎng)分足夠供應(yīng)小麥的生長發(fā)育。有地下水補(bǔ)給試驗(yàn)組小麥出芽

率明顯受到影響。這是因?yàn)橛械叵滤畷r(shí)土壤含水量較高。

覆土厚度也會(huì)影響小麥出芽率。在小麥拔節(jié)前，地上部小麥生物量能夠反映小麥的出芽情況，與小麥出芽率具有相同的變化趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]

王巧妮，陳新生， 張智光.采煤塌陷地復(fù)墾研究綜述[J].中國國土資源經(jīng)濟(jì)，2009，22（6）：23-24.

[2] 黎煒.煤礦充填復(fù)墾區(qū)土壤肥力質(zhì)量變化與地下水重金屬污染研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2011：3-5.

[3] 王巧妮，陳新生， 張智光.我國采煤塌陷地復(fù)墾的現(xiàn)狀、問題和原因分析[J].能源環(huán)境保護(hù)，2008，22（5）：49-53.

[4] 趙金凱，苑立清.關(guān)于煤矸石資源的利用問題[J].煤炭技術(shù)，2009，28（7）：163-164.

[5] 謝英荷，洪堅(jiān)平，王鑌，等.煤矸石復(fù)墾中的氮素積累途徑[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2002，8（2）：215-218.

[6] 牟守國，董霽紅，王輝，等.采煤塌陷地充填復(fù)墾土壤呼吸的研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（5）：663-668.

[7] 董霽紅，卞正富，王賀封.礦山充填復(fù)墾場(chǎng)地重金屬含量對(duì)比研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（4）：531-536.

[8] 董霽紅，王瑩.煤礦塌陷區(qū)廢碴充填復(fù)墾土壤理化性質(zhì)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28（1）：68-70.

[9] 劉會(huì)平，嚴(yán)家平，樊雯.不同覆土厚度的煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)[J].能源環(huán)境保護(hù)，2010，24（1）：52-56.

[10] 范亞輝.煤矸石廢棄地植被恢復(fù)效應(yīng)研究——以常村礦煤矸石山為例[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012：23-25.

[11] 胡振琪，張光燦，魏忠義，等.煤研石山的植物種群生長及其對(duì)土壤理化特性的影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（5）：491-495.

[12] 雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988：20-28.

[13] 段永紅，白中科，趙景逵.陽泉煤矸石山淺層矸石風(fēng)化物水分特性初探[J].煤炭學(xué)報(bào)，1999，24（5）：533-537.

[14] 馮慧敏，胡振華，王電龍，等.煤矸石垂直入滲規(guī)律模擬研究[J].山西水土保持科技，2009（1）：11-13.

[15] 王晨陽.土壤水分脅迫對(duì)小麥形態(tài)及生理影響的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，26（1）：89-98.

[16] 文彬，蘭芹英，何惠英.光、溫度和土壤水分對(duì)坡壘種子萌發(fā)的影響[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，2002，10（3）：258-262.