保水劑和有機肥配施對露天煤礦排土場土壤持水性的影響

王桂林, 宮鶴憶, 商侃侃,3,4, 達良俊,4

（1. 國能準(zhǔn)能集團有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300; 2. 華東師范大學(xué) 上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室, 上海 200241; 3. 上海辰山植物園, 上海 201602;4. 西安建筑科技大學(xué) 交叉創(chuàng)新研究院, 西安 710055）

0 引言

露天煤礦多位于西北地區(qū)的典型風(fēng)蝕水蝕地帶, 年降水量少且降水集中, 易導(dǎo)致嚴(yán)重的地表徑流和水土沖刷[1]. 煤礦排土場是一個巨型松散巖土的堆積體, 存在層序紊亂、物質(zhì)松散、地表非均勻沉降和水土流失嚴(yán)重等問題, 改變了土壤的原有結(jié)構(gòu)、自身的營養(yǎng)條件和區(qū)域水文條件[2]. 排土場的土壤十分貧瘠, 普遍存在質(zhì)地差、滲透性差、有效水分含量低、有機質(zhì)含量低等問題, 不利于新構(gòu)建土體的植被復(fù)墾[3-4]. 因此, 如何提高排土場的土壤持水性成為當(dāng)前礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中最為緊迫的任務(wù).

保水劑是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型高分子材料, 能吸收相當(dāng)于自身重量幾百倍的水分并可緩慢釋放, 具有反復(fù)吸收和釋放水分的功能, 同時兼具保土、保肥、調(diào)節(jié)土壤溫度以及促進植物生長發(fā)育等功能, 在提高土壤保水保肥能力方面發(fā)揮重要作用[5-6]. 有機肥富含腐殖質(zhì)及微生物活體, 能夠改善土壤理化性質(zhì), 可有效減少地表徑流, 提高土壤中有效水的含量, 增強降水入滲并減少水分蒸發(fā)[7]. 由于單一施用有機肥或保水劑改良效果不全面, 近年來有機質(zhì)和保水劑配合施用引起較多學(xué)者關(guān)注[8-10]. 王榮等[11]發(fā)現(xiàn), 使用了保水劑和有機肥的組與使用傳統(tǒng)水溶肥的對照組相比, 0 ～ 20 cm 土壤的電導(dǎo)率和養(yǎng)分含量有明顯提高, 土壤酸堿度降低. 蔣美佳等[10]發(fā)現(xiàn), 單施有機肥和有機肥配施保水劑均降低了水分入滲速率, 可有效減少氮素的淋失. 李想等[7,9]在廢棄鐵尾礦中使用了保水劑和有機肥, 發(fā)現(xiàn)也是在0 ～ 20 cm層的土壤性質(zhì)得到了明顯改善, 但是有機肥單獨使用并不能達到這種效果.

針對露天礦排土場土壤保水蓄水能力差的特征, 開展保水劑與有機肥配施對土壤持水性能的影響研究. 通過測定保水劑的抗蒸發(fā)能力和配制土壤的含水量, 確定保水劑及有機肥配合施加對土壤持水能力的改良作用, 篩選保水劑與有機肥最優(yōu)配比, 為提高排土場土壤修復(fù)水平提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗土壤取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天煤礦排土場, 該場地是2020年新形成的標(biāo)高為1330 m處的排土場. 土樣經(jīng)自然風(fēng)干后, 過1 mm篩, 采用比重計法測定土壤顆粒組成 (粒徑分布). 所取土壤顆粒中黏粒組成占12.3% ～ 18.3%, 砂粒組成占34.9% ～ 45.0%, 粉砂礫組成占42.7% ～46.8%, 質(zhì)地屬于土壤類型中的“壤土”. 保水劑選用不同功能成分的旱地寶、聚谷氨酸粉劑Ⅰ型和法國愛森3個品牌的保水劑, 其主要成分和來源見表1. 精制有機肥為上海禾笑有機肥有限公司提供的酒糟、牛糞等原料配制而成, 其總養(yǎng)分≥5%、有機質(zhì)含量≥45% (表1).

表1 實驗材料主要成分及來源信息Tab. 1 Description of experimental materials

1.2 實驗處理

1.2.1 保水劑的抗蒸發(fā)能力

根據(jù)中國天氣網(wǎng)的資料顯示, 鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗平均最熱的月份為7月, 最高氣溫能達到30℃左右. 實驗設(shè)置烘箱在45℃的條件下, 進行不同狀態(tài) (干燥、凝膠) 和埋深 (5 cm、10 cm) 保水劑的抗蒸發(fā)能力測試 (表2). 根據(jù)田間持水量設(shè)定初始土壤含水量為24%, 靜置使水分完全滲入土壤后再稱重, 后置于烘箱中恒溫烘干, 每間隔12 h 稱重1 次并記錄, 直到重量恒定不變?yōu)橹?

表2 保水劑抗蒸發(fā)能力實驗設(shè)計Tab. 2 Experimental design for measuring anti-evaporation capacity of water-retaining agents

1.2.2 配制土壤的持水能力

在控制土壤容重為1.27 g/cm3的條件下裝入相同的圓柱形聚丙烯管, 每盆裝干土0.565 kg. 3種保水劑均設(shè)置了占土壤干質(zhì)量的0、1‰、3‰和5‰共4個使用量梯度, 有機肥設(shè)置了占土壤干質(zhì)量的0、10%、20%和30%共4個使用量梯度, 均勻混入土中備用. 實驗一共有40組處理, 每組3個重復(fù).

環(huán)刀法 (100 cm3) 測定土壤最大持水量和毛管持水量. 過篩后的土壤以1.27 g/cm3的干密度裝入環(huán)刀, 放在水中浸泡 (粗濾紙和有孔底蓋朝下, 水面與刀口齊平), 水分飽和恒重 (約24 h) 后去掉濾紙和底蓋并吸干多余水分稱量, 然后放入(105 ± 2)℃的恒溫干燥箱中烘干、稱重, 計算土壤最大持水量. 土壤前處理同最大持水量, 將浸泡容器換成只盛有2 ～ 3 mm水層的托盤 (粗濾紙和有孔底蓋朝下), 讓土壤毛管吸水. 恒重后 (4 ～ 6 h) 取出, 烘干并稱重, 計算公式均與最大持水量相同.

稱量法測定土壤持水性. 以每次100 mL、共500 mL的水澆入土盆中, 最后一次澆水24 h時的含水量作為初始含水量. 用1/100的電子天平每隔48 h稱量1次, 計算土壤含水量.

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用Excel 2007軟件進行, 擬合相關(guān)曲線方程. 利用SPSS 17.0軟件進行方差分析和多重比較, 采用LSD (least significant difference)法檢驗相同有機肥用量下不同保水劑處理間和相同保水劑處理下不同有機肥用量間的差異顯著性 (p<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤保水劑的抗蒸發(fā)能力比較

不同埋深和不同狀態(tài)的3種保水劑含水量隨時間推移呈指數(shù)或者對數(shù)下降, 相同時間段凝膠狀態(tài)含水量明顯高于干燥狀態(tài), 但均高于對照處理 (圖1). 在埋深5 cm情況下, 36 h和72 h時除了Sj5處理的含水量分別保持在78.91%和57.68%, 其他6組處理的含水量分別降低至19.03% ～ 35.35%和4.47% ～ 12.78%, 以Hj5、Sz5和Jj5處理的含水量相對較高; Sj5處理的含水量至192 h和216 h才分別降低至22.64%和12.12%. 在埋深10 cm情況下, 36 h和72 h時除了Sj5處理的含水量分別保持在103.52%和37.29%, 其他6組處理的含水量分別降低至22.71% ～ 60.77%和7.91% ～ 16.07%, 以Hj10、Sz10和Jj10處理的含水量相對較高; Sj10處理的含水量至84 h和144 h才分別降低至22.29%和10.60%. 結(jié)果說明了3種保水劑材料在凝膠狀態(tài)下抗蒸發(fā)效果好, 其中法國愛森保水劑 >旱地寶 > 聚谷氨酸粉劑Ⅰ型; 添加法國愛森保水劑的土壤抗蒸發(fā)能力以埋深5 cm效果最佳, 凝膠狀態(tài)的處理效果可以持續(xù)8 d以上, 而埋深10 cm效果僅維持3 ～ 5 d.

圖1 不同狀態(tài)與不同埋深條件下保水劑的抗蒸發(fā)效果Fig. 1 The anti-evaporation effect of water-retaining agents at different depths and conditions

2.2 不同配比土壤的含水量比較

不同土壤保水劑和有機肥用量組合對土壤毛管持水量和最大持水量的影響存在顯著差異 (p<0.05,表3和表4). 在未添加保水劑土壤中, 隨著有機肥用量增加, 土壤毛管持水量和最大持水量均顯著增加. 在同一保水劑用量處理下, 除3‰旱地寶和5‰法國愛森保水劑用量與10%有機肥用量、3‰法國愛森保水劑用量和20%有機肥用量處理下土壤含水率最高外, 其他各處處理的土壤毛管持水量和最大持水量隨著有機肥用量增加而增加. 在相同的有機肥用量下, 法國愛森保水劑處理下土壤毛管持水量和最大持水量顯著高于旱地寶保水劑和聚谷氨酸粉劑Ⅰ型保水劑處理; 土壤毛管持水量和最大持水量隨著法國愛森保水劑和旱地寶保水劑添加量增加而增加, 以5‰用量效果最佳, 聚谷氨酸粉劑Ⅰ型保水劑3‰添加量的毛管持水量最佳.

表3 不同配比土壤的毛管持水量比較Tab. 3 Soil capillary water capacity for different combinations of water-retaining agents and organic fertilizers

表4 不同配比土壤的最大持水量比較Tab. 4 Maximum soil water capacity in different combinations

土壤最大持水量和毛管持水量達到最大的均是法國愛森保水劑5‰用量與有機肥10%用量的組合. 按土壤毛管持水量和最大持水量排名前五名均是法國愛森保水劑5‰+有機肥10% > 法國愛森保水劑5‰ > 法國愛森保水劑5‰+有機肥20% > 法國愛森保水劑3‰+有機肥20% > 法國愛森保水劑5‰+有機肥30%, 說明法國愛森保水劑能夠最大限度地提升土壤的毛管持水量和最大持水量,且用量越高效果越顯著; 當(dāng)使用劑量達到5‰時, 添加10%有機肥能最顯著提升土壤最大持水量, 但是20%和30%的添加量均顯著降低土壤最大持水量.

2.3 不同配比土壤的保水時間比較

法國愛森保水劑和有機肥配制土壤含水量隨著持續(xù)時間呈二項式相關(guān)關(guān)系, 呈現(xiàn)先快速降低后變緩慢的趨勢, 法國愛森保水劑5‰+有機肥10%處理保水效果最好 (圖2和表5). 分析持續(xù)40 d時間內(nèi)土壤含水量的變化, 發(fā)現(xiàn), 對照組處理在14 d和22 d時分別降至20.68%和10.94%, 至40 d時僅為2.48%; 而14 d時其他處理土壤含水量大小順序為法國愛森保水劑5‰+有機肥10% (40.13%) >法國愛森保水劑3‰+有機肥20% (36.81%) > 法國愛森保水劑5‰+有機肥20% (36.78%) > 法國愛森保水劑5‰+有機肥30% (36.01%) > 法國愛森保水劑3‰+有機肥10% (31.65%) > 法國愛森保水劑1‰+有機肥30% (28.05%) > 法國愛森保水劑1‰+有機肥20% (25.24%) > 法國愛森保水劑1‰+有機肥10% (24.23%). 至第40 d時, 其他處理土壤含水量仍高于10%的處理有法國愛森保水劑3‰+有機肥20% (13.65%) > 法國愛森保水劑5‰+有機肥10% (12.67%) > 法國愛森保水劑5‰+有機肥20% (11.31%) > 法國愛森保水劑5‰+有機肥30% (10.99%). 說明法國愛森保水劑的添加量越多, 土壤含水量持續(xù)時間越長, 以法國愛森保水劑3‰+有機肥20%或者法國愛森保水劑5‰+有機肥10%持續(xù)效果最佳, 兩者分別在28 d和32 d時土壤含水量降至約20%.

圖2 愛森保水劑與有機肥組合的配方土壤含水量變化Fig. 2 Water content variation in different combinations of water-retaining agents and organic fertilizers

表5 愛森保水劑和有機肥組合的配方土壤含水量與保水時間的關(guān)系Tab. 5 Relationship between soil water content and holding time for different combinations of water-retaining agents and organic fertilizers

3 討論與結(jié)論

保水劑具有保水保肥、改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、增加土壤通透性及持水性等作用[12-14]. 本研究中, 旱地寶、聚谷氨酸粉劑Ⅰ型和法國愛森3種保水劑在不同土壤埋深表現(xiàn)出抗蒸發(fā)能力存在顯著差別, 以埋深5 cm的法國愛森效果最佳, 凝膠狀態(tài)的抗蒸發(fā)效果可以持續(xù)8 d以上, 而埋深10 cm效果僅維持3 ～ 5 d, 這與保水劑類型及其與土壤間吸水速率快慢差異有關(guān)[15-17]. 在與土壤混合并灌水后, 法國愛森保水劑可以快速獲取水分并利用親水性基團保持住水分[18], 凝膠狀態(tài)下的吸水速度慢于干燥土壤.

施用有機肥可有效減少地表徑流, 提高土壤中有效水的含量, 協(xié)調(diào)土壤供水與作物蓄水之間的矛盾[7,10], 但單一施用有機肥或保水劑改良效果不全面, 甚至?xí)斐刹煌潭鹊呢撁嬗绊慬19-20]. 蔣美佳等[10]研究發(fā)現(xiàn)有機肥和保水劑配施的保水效果優(yōu)于單施有機肥; 而李想等[7]則發(fā)現(xiàn)單施有機肥較單施保水劑更利于尾礦表層理化性質(zhì)的改良, 有機肥與保水劑配施效果更好. 在本實驗發(fā)現(xiàn)配制土壤的保水能力隨著保水劑用量或有機肥用量增加而提高, 但當(dāng)添加5‰法國愛森保水劑時, 10%有機肥用量能夠提高土壤的最大持水能力, 20%和30%的用量卻會減弱保水劑的持水能力, 這與有機物對保水劑的影響機理不同有關(guān)[10,21]. 施用有機肥的土壤具有高孔隙度和低容重的特性, 主要成分腐殖質(zhì)是能有效吸附水分的高分子聚合物, 可作為土壤的良好膠結(jié)劑, 導(dǎo)水性和緩沖性較好[21]; 保水劑可吸收自身重量上百倍的水分, 在土壤中通過吸水形成凝膠狀態(tài), 堵塞土壤大孔隙, 減少水分淋溶損失, 增強土壤的保水性[10]. 調(diào)查表明, 黑岱溝自然恢復(fù)下的排土場土壤飽和含水量、毛管持水量和田間持水量分別為23.88%、21.61%和20.58%[22]. 本研究發(fā)現(xiàn)14 d內(nèi)對照樣地的土壤含水量降低至20.68%, 而保水劑和有機肥配施可以有效延長保水持水能力, 當(dāng)土壤含水量降至約20%, 愛森保水劑和有機肥配施的保水時間可延長1倍以上.

因此, 從保水劑種類選擇及其與有機肥配施保水效果來看, 選擇主要成分為聚丙烯酸鹽和聚丙烯酰胺共聚體的法國愛森保水劑為保水材料, 最優(yōu)配方為法國愛森保水劑3‰ + 有機肥20%或者法國愛森保水劑5‰ + 有機肥10%, 可以增強土壤持水性能, 但其對植物生長作用效果有待驗證.