幾種改良劑對煤矸石基質水分特征及狗尾草萌發的影響

申海玉， 張浩， 吳子龍， 韓超*， 宋煒， 馬曉斐

（1.邯鄲學院生命科學與工程學院，河北省高校冀南太行山區野生資源植物應用技術研發中心，邯鄲市生態環境修復重點實驗室，河北 邯鄲 056005； 2.河北省煤田地質局環境地質調查院，石家莊 050091；3.河北冠卓檢測科技股份有限公司，石家莊 051130）

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中產生的固體廢棄物，其排放量相當于煤炭總產量的12%左右[1]。在我國煤炭開采區，大量煤矸石露天堆放形成煤矸石山，若不加治理，其中的有害成分會通過揚塵和淋溶作用進入環境介質，直接或間接影響周圍居民的身體健康。植被重建是煤矸石山治理的根本措施，基質水分是植物生存和生長過程中的限制因子，而煤矸石山基質（風化層）主要以風化顆粒為主，其粒徑比土壤顆粒粗，類似于石、砂、粉砂等，與正常土壤相比，結構性差、容重較大，大孔隙多而毛管孔隙少、持水能力差，直接影響植物定居[2]。目前在煤矸石山的植被重建中，利用煤矸石和生土混合構建新土體是進行植被恢復的基質保證，但因為新土體物理結構不良而導致保水性差，植被重建效果不理想，成為制約礦區生態重建的關鍵障礙因子[3]。決定基質水分有效性的根本因子是基質的孔隙性和結構性。基質孔隙分為通氣孔隙（大空隙）、毛管孔隙和非活性孔隙，其中通氣孔隙和非活性孔隙中的水為無效水；毛管孔隙中的水為有效水，可以為植物根系所利用，為基質保水的主要形式。毛管孔隙水分達到飽和時的含水量為田間持水量，是基質有效水含量的上限。結構良好的基質，其大小孔隙分配合理，解決了通氣性和保水性之間的矛盾[4]。因此，利用改良劑改善煤矸石基質的結構性和孔性，從而改善水分入滲性、提高保水性，對煤矸石山植被重建至關重要。

研究表明，生物炭和保水劑在改良基質物理特性方面應用普遍且價格低廉，可改善基質孔隙性，改良煤矸石基質的水分特征，提高其含水率[5]。其中，生物炭是在低氧高溫環境下由各種有機物料熱解炭化而形成的，具有巨大的比表面積且微小孔隙多，應用于土壤后可通過降低土壤容重、改變孔隙結構等物理機制提高其持水性能[6-7]。保水劑是一種高分子材料，分子結構中含有大量的親水性基團，能吸收自身重量幾百倍的水分，具有反復吸水釋水的功能[8]。與生物炭和保水劑相比，有機改良劑應用于煤矸石基質水分改良的研究較少[9]，生物菌肥作為有機改良劑，富含有機質和微生物，具有用量低、能夠改良基質微生物菌群和改善基質物理結構的作用，從而可間接影響基質保水性，具體效果有待驗證。近年來，單一物理改良劑應用于煤矸石基質改良的研究逐漸增多，但做不到對基質物理結構和保水性的根本改良。基于此，本研究選用土壤、生物炭、保水劑和生物菌肥4種改良劑，研究其不同配比對煤矸石基質保水性能及狗尾草萌發的影響，旨在找出最佳的改良劑配方，為煤矸石山的植被重建提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

煤矸石取自邯鄲市峰峰礦區煤矸石山；狗尾草（Setaria viridis(L.) Beauv.）種子采自峰峰礦區野外生境，經人工室內挑選發育飽滿、大小一致的種子為供試材料，做預發芽測試，發芽率85%以上；土壤取自峰峰礦區野外生境；生物炭由玉米秸稈制備，裂解溫度400 ℃，平均孔直徑16.23 nm；保水劑主要成分是丙烯酰胺和丙烯酸鉀的共聚物，粒徑3～6 mm，具有高分子量和高負電荷，吸水倍率為265.82 g·g-1；生物菌肥為巨微生物磷鉀肥，購自河北省巨微生物工程有限公司，所含菌種為巨大芽孢桿菌和膠凍樣類芽孢桿菌，有效活菌數達到2.0億·g-1。

1.2 試驗方法

1.2.1 煤矸石基質制備 從供試煤矸石中選取大顆粒的矸石，用破碎機人工破碎后混合均勻，過2 mm尼龍篩作為供試的矸石基質材料。矸石基質pH 7.45，容重1.73 g·cm-3，有機質、全氮和全磷含 量 分 別 為（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別為（0.60±0.08）和（3.50±0.16） mg·kg-1。

1.2.2 不同改良劑施用的四因素三水平L（34）正交試驗設計 采用四因素三水平正交設計L（34）進行不同改良劑的配比試驗，其中，改良劑選用4種：土壤（土矸比，A）、保水劑（B）、生物炭（C）和生物菌肥（D）。在正交試驗開始前，參考相關研究并通過單因子試驗，確定各改良劑的適宜水平，在此基礎上進行正交試驗因子的水平設置，其中，土矸比的3個水平（A1、A2和A3）分別為2∶1、1∶1和1∶2；保水劑3個用量水平（B1、B2和B3）分別為0.0%、0.1%和0.2%；生物炭3個用量水平（C1、C2和C3）分別為0%、1%和2%；生物菌肥3個用量水平（D1、D2和D3）分別為0%、1%和2%。正交試驗具體設計如表1所示。

表1 L（34）正交試驗設計Table 1 L（34） orthogonal design

將不同水平的改良劑與供試矸石基質進行配比，混合均勻，設9個處理，以不加任何改良劑為對照（CK），共10個處理，每個處理重復6盆，其中3盆用于基質水分性質的測定；3盆用于栽種狗尾草。將各處理混合基質裝盆，每盆500 g，定量澆蒸餾水，處理時間為6個月。

1.2.3 狗尾草播種與日常管理 待煤矸石基質與改良劑混合培養6個月后，播種狗尾草。將狗尾草種子于清水中浸泡水選，棄去水面漂浮的種子，將沉入水底的種子于3%過氧化氫溶液中進行表面消毒，之后于大張濾紙上吸干水分，每盆播種1 g，覆土，澆透水。整個試驗期內，定期定量澆蒸餾水，保持室溫25 ℃、空氣濕度50%～60%，狗尾草萌發后采用生物補光燈進行補光，光照8 h·d-1。

1.2.4 煤矸石基質改良效果監測 ①狗尾草萌發和生長情況的統計 在播種后的14 d內對狗尾草出苗數和出苗時間進行統計；于試驗結束時對各處理狗尾草的株高進行測量；最后將狗尾草收獲，流水沖洗干凈，用濾紙吸干水分后于烘箱中105 ℃烘至恒重，稱取干重。

②煤矸石基質容重的測定 采用環刀取樣-烘干法測定煤矸石基質的容重，將環刀插入基質中，待基質充滿環刀且與環刀口齊平時取出環刀，將環刀內土壤烘干至恒重，稱重，按照下面公式計算容重。

③煤矸石基質累積入滲速率的測定 采用室內環刀恒水頭法[3]測定煤矸石基質的水分累積入滲速率。具體操作為：在裝有基質的環刀上方再接1個空環刀，用膠帶密封兩環刀的連接處，用夾子和鐵三環將雙環刀固定在鐵架臺上，在裝有基質的環刀下方放置漏斗，漏斗下方放置燒杯用于收集下滲的水分。在試驗過程中，首先向空環刀內加水至與環刀頂部齊平，待漏斗滴出第1滴水時開始計時。前3 min 每隔1 min更換1次燒杯，之后每隔5 min更換1次燒杯，分別測量相應燒杯中水的體積。測定過程中隨時加水，保持水的高度與環刀口齊平，累積入滲量統一取前60 min按照下列公式計算。

④煤矸石基質田間持水量的測定 采用環刀法測定煤矸石基質的田間持水量，將取樣后的環刀稱重后（m0，g）放到平底托盤中加水至環刀上緣，待其吸水24 h后進行稱重。然后再將環刀放置于石英砂上，控水8 h，此時基質中的含水量即為田間持水量，對環刀進行稱重（m1，g），最后將環刀放入105 ℃烘箱烘干至恒重，并再次稱重（m2，g），田間持水量參照下列公式計算。

1.3 數據處理

采用Excel軟件對數據進行整理，通過對每一因子每個水平的觀測值進行加和（K）及平均值（k）統計，對正交試驗結果進行極差（R）的計算與分析，采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件對10個處理進行單因素方差分析，對正交試驗結果中不同改良劑的改良效應進行方差分析，計算各因子的顯著性水平（P），結合正交試驗的極差分析和方差分析結果推算煤矸石基質水分改良最優的改良劑組合。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對煤矸石基質上狗尾草萌發和早期生長的影響

由表2可知，不同改良劑配比施用下，狗尾草萌發和早期生長情況差異明顯。雖然改良劑施用沒有明顯提高狗尾草的萌發率，但與對照（CK）相比，4種改良劑施用下狗尾草萌發時間明顯提前，且狗尾草早期生長的生物量積累顯著提高（P＜0.05）。

表2 施用不同改良劑的煤矸石基質上狗尾草的萌發和生長情況Table 2 Germination and growth of Setaria viridis （L.） Beauv. on gangue matrix with different amendment

因素之間極差(R)的大小，反映正交試驗中每個因素的作用大小。如果某個因素對指標影響越大，則其對應的極差（R）越大，判定此因素為重要因素；反之，因素對指標影響小，則極差（R）小，可以直觀地判定此因素為不重要因素，但最終判定要結合方差分析結果。由表3可知，4種改良劑施用對煤矸石基質上狗尾草干重積累影響的大小依次為生物菌肥＞土壤用量（土∶矸）＞生物炭＞保水劑，方差分析結果顯示，生物菌肥和土壤的影響極顯著（P＜0.01），而保水劑和生物炭的影響不顯著。狗尾草萌發和早期生長受土壤摻入比例影響較大，隨土壤用量比例的增加，狗尾草萌發數和早期生物量積累顯著提高（P＜0.01），土矸比2∶1的3個處理中，狗尾草萌發情況最好，表現為開始萌發時間早、萌發數多，狗尾草干重高，其中，2號處理（土矸比2∶1+保水劑0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%）中狗尾草萌發最早，播種后7 d即開始萌動，萌發數也最高，為13株·盆-1，該處理的基質上狗尾草干重最高，達到了71.2 mg·盆-1，比對照（CK）高2.61倍；其次，1號處理（土矸比2∶1+保水劑0%+生物炭0%+生物菌肥0%）中狗尾草萌發也較早，播種后8 d開始萌動，萌發數為11株·盆-1，干重為60.5 mg·盆-1，顯著高于對照（P＜0.05）。隨著土壤用量比例的降低，狗尾草的萌發和早期生長均明顯受抑。保水劑、生物炭和生物菌肥的施用均有助于矸石基質上狗尾草的萌發，表現為萌發時間早于對照。生物菌肥顯著提高了煤矸石基質上狗尾草的干重積累（P＜0.01），但其用量超過0.1%達到0.2%以后，3個處理中狗尾草均未萌發出苗。綜合看來，不同改良劑的施用促進了狗尾草的萌發和早期生長，其中以處理2中狗尾草的萌發和生長最好，其次為處理1。

表3 正交試驗結果的直觀比較和方差分析Table 3 Intuitive comparison and variance analysis of orthogonal test results

對于4個處理因子而言，狗尾草干重累積最高量出現在A1、B2、C1和D2水平上（表3），但是生物炭對干重累積的影響不顯著，故C1（0%）和C2（1%）均列為推薦施用量，因此初步判定最佳改良劑配合比例為土矸比2∶1+保水劑0.1%+生物炭1%或0%+生物菌肥1%。

2.2 不同改良劑對煤矸石基質水分特征的影響

2.2.1 不同改良劑對煤矸石基質水分特征影響的分析 不同改良劑對煤矸石基質保水性能的影響結果見表4。與基質保水性能的相關判定標準相比[10]，煤矸石基質容重較高，為 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，經過不同配比改良劑處理后煤矸石基質的容重與CK相比均有不同程度的降低，但所有處理中只有處理2、3下的容重在1.1～1.4 g·cm-3之間，符合含有機質多且結構好的土壤容重標準[10]；就累積入滲速率而言，CK的累積入滲速率最強，為10.20 mm·min-1，其次為處理7和8，三者均屬于入滲過強水平，而處理1~6和處理9均在2.50～8.33 mm·min-1之間，較CK顯著降低（P＜0.05），達到了中等或良好的入滲水平；CK的田間持水量最低，為19.01 %，屬于沙壤土水平（16%～20%），改良劑施用后煤矸石基質的田間持水量均較CK顯著提高（P＜0.05），達到了輕壤土（20%～24%）或中壤土（22%～26%）的水平。

表4 正交試驗結果Table 4 Result of orthogonal experiment

綜合而言，改良劑的不同配比施用，降低了煤矸石基質的容重，對其孔隙性有一定的改良作用，在一定程度上降低了基質的累積入滲速率，有利于提高煤矸石基質的保水性，改良劑施用下煤矸石基質的田間持水量增加，說明其有效水含量有所提高。

2.2.2 不同改良劑配合比例的確定 由表5可知，土壤用量、保水劑和生物炭對煤矸石基質容重、累積入滲速率和田間持水量影響顯著，而生物菌肥僅對田間持水量影響顯著，4種改良劑對煤矸石基質影響的大小順序均為：土壤用量＞保水劑＞生物炭＞生物菌肥，可以看出土壤用量、保水劑和生物炭是影響煤矸石基質保水性的主要因子。隨土壤用量、保水劑和生物炭用量的增加，煤矸石基質的容重和累積入滲速率降低，而田間持水量增加，且在施用量超過第2個水平后影響趨于平緩；生物菌肥對煤矸石基質田間持水量有促進作用，但方差顯著性P值接近臨界。

表5 正交試驗結果的直觀比較和方差分析Table 5 Intuitive comparison and variance analysis of orthogonal test results （water characteristic）

在土壤用量3個水平中只有A1水平下容重達標，A2水平下容重接近達標，狗尾草萌發和生長情況較好，顯著高于對照，若從經濟角度出發，土矸比1∶1也是可選水平；保水劑和生物炭用量超過第2個水平后作用趨緩，因此選擇B2、C2這2個水平；從生物菌肥水平來看，3個水平之間容重、累積入滲率差異不顯著，然而施用生物菌肥顯著促進了煤矸石田間持水量的增加，但綜合狗尾草萌發數據，D2水平下狗尾草萌發所需時間最短而數量和干重最多，而D3水平下狗尾草沒有萌發，因而選用生物菌肥的D2水平。最終確定煤矸石基質保水性的最優改良劑組合為A1B2C2D2，即土矸比2∶1+保水劑0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%；其次為 A2B2C2D2，即土矸比 1∶1+保水劑0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%。

3 討論

有關煤矸石基質改良的研究多建立在摻土的基礎上，煤矸石與土壤混摻可以改善矸石風化物的孔隙結構，提高其持水能力，但對于摻土的比例報道不一[11-12]，董穎等[13]研究報道土矸比為1∶1和3∶1時矸石基質保水性能較高。本研究結果顯示，在3個土矸比（1∶2、1∶1和2∶1）下，隨土壤添加比例增加，煤矸石基質容重和累積入滲速率得到改善，田間持水量顯著增加。目前關于煤矸石基質水分改良的研究多集中于單一物理性改良劑的應用。研究表明，施入保水劑能夠改善土壤孔隙性，增加煤矸石基質的持水量，使其保水性能明顯增強[14-15]；此外，生物炭通過改善基質結構和孔隙性，增強其保水能力[16-17]。本研究結果表明，保水劑和生物炭的施用提高了煤矸石基質的田間持水量且降低了基質容重，可以判斷二者有助于基質毛細孔隙的形成，通過降低水分入滲速率增強煤矸石基質的保水性，但其用量水平與已有報道相比存在差異，分別在0.1%和1%時效果較好，用量超過這一水平增效不明顯，這可能是由于不同地區煤矸石基質的基礎理化性質不同導致，說明煤矸石基質改良需要區域化和針對性的措施。

良好的物理結構是保障基質持水性的根本原因，而有機質對于基質物理結構的長期維持具有重要作用，煤矸石山植被恢復重建是一個長期持續的過程，因此，單一物理性改良劑的應用存在一定的限制。在煤矸石基質改良中，有機物料的應用相對較少，且針對水分改良的研究還未見報道，張汝翀[9]采用玉米秸稈作為改良劑處理煤矸石基質，增強了其養分的有效性，降低了pH。生物菌肥不僅可以提高基質養分含量，還能有效改善其微生物群落結構，增強其有機質含量[18-19]，從而可能間接起到改良基質結構和土壤水分狀態的作用，但是生物菌肥應用于煤矸石基質的改良作用還未見報道。本研究結果顯示，生物菌肥的施用雖未對煤矸石基質的容重和累積入滲速率產生顯著影響，但卻提高了基質的田間持水量，可能是菌肥中富含有機質，且親水基團較多，從而增強了土壤對水分的固持能力。本研究采用物理性和生物有機性物料配合改良煤矸石基質，可以充分發揮不同改良劑的協同作用，起到更好的改良效果，且4種改良劑取材方便、價格低廉、使用操作簡便，對于煤矸石山基質改良具有一定的應用潛力。

植物的萌發和生長情況是煤矸石基質改良效果最直觀的體現。據報道，隨土壤占比及保水劑用量的增加，煤矸石基質上白三葉草的出苗率和生物量累積均呈上升趨勢[12]，與本試驗結果相似。在土矸比2∶1時，狗尾草萌發時間早、萌發數高且干重積累量高，保水劑和生物炭不同水平對狗尾草干重積累影響不顯著，但施用后狗尾草干重顯著高于對照，因此本研究推薦使用保水劑和生物炭的第2個施用水平，即0.1%的保水劑和1%的生物炭。此外，本試驗中生物菌肥極顯著地提高了狗尾草的干重積累量（P＜0.01），但是生物菌肥用量水平在1%時對狗尾草萌發和生長的促進作用最大，當用量達到2%時，雖對基質保水性未產生抑制作用，但狗尾草卻沒有萌發出苗，可能與菌肥施用過量造成基質水勢降低有關，而菌肥用量還需要在1%～2%之間進行進一步試驗，以得到更精確的結論。綜合而言，在土矸比2∶1+保水劑0.1%+生物炭1%+生物菌肥1%配比施用時，煤矸石基質保水性最好，狗尾草萌發和早期生長情況最好。