趙 煒, 趙 舉, 魏占民, 尹春艷, 劉 虎, 朱 波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 資源環(huán)境與檢測技術(shù)研究所, 呼和浩特 010031;3.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020; 4.內(nèi)蒙古博大實(shí)地化學(xué)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

氣化渣包括粗渣和細(xì)渣，是煤化工生產(chǎn)中的固體廢棄物。隨著國家能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整，以煤氣化技術(shù)為龍頭的現(xiàn)代煤化工在氣化過程中產(chǎn)生大量的氣化渣[1]，處理方式為堆放和填埋為主，長期堆存既占用土地資源，又容易對周邊環(huán)境造成污染，每年處理還要耗費(fèi)大量人力物力，給當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和社會帶來沉重負(fù)擔(dān)，已經(jīng)成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要生態(tài)問題[2]。隨著國家對環(huán)保方面的壓力增大，提出了對固體廢物源頭減量和資源化利用的政策，這給政府與企業(yè)快速推進(jìn)氣化渣的綜合利用提出更高的要求[3]。

本文的研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗，研究區(qū)土地荒漠化嚴(yán)重，沙化土地的類型多，面積大，分布廣，改良應(yīng)用難度大，這嚴(yán)重影響和制約著當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也是另一個(gè)重要生態(tài)問題[4-5]。風(fēng)沙土是風(fēng)成沙性母質(zhì)上發(fā)育的土壤，其特征是成土作用經(jīng)常受到風(fēng)蝕和沙壓，很不穩(wěn)定，致使成土過程十分微弱，主要存在問題是質(zhì)地疏松、結(jié)構(gòu)性差、供給養(yǎng)分含量低、保水保肥能力差、改良應(yīng)用難度大，主要分布在中國北部的半干旱、干旱和極端干旱地區(qū)，是我國重要的后備耕地資源之一，對其進(jìn)行改良的重要性不言而喻[5-6]。利用氣化渣作為一種新的風(fēng)沙土改良技術(shù)，由于都是利用當(dāng)?shù)氐馁Y源，可以省時(shí)省工降低成本，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

氣化渣和粉煤灰的性質(zhì)相近，并且這些年諸多學(xué)者對粉煤灰應(yīng)用于土壤改良方面做了大量研究，說明了粉煤灰在土壤改良中的作用、問題及解決方法[7-8]，其中提及的首要考慮問題就是重金屬污染問題，因此首先對氣化渣進(jìn)行了前期的毒理學(xué)試驗(yàn)和淋溶試驗(yàn)，結(jié)果分析表明：氣化渣中重金屬含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)；施加氣化渣不會導(dǎo)致被試樣地土壤重金屬含量超標(biāo)；氣化渣淋溶液中的重金屬含量低于對人體健康造成危害的閾值，可以利用氣化渣對當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)沙土進(jìn)行改良。

基于上述分析，本文將風(fēng)沙土和水煤漿氣化渣(包括粗渣和細(xì)渣)按不同摻入量混合，通過對土壤粒徑組成、保水性能以及土壤水分特征曲線等土壤水分物理性質(zhì)的變化情況來探討氣化渣對風(fēng)沙土的改良效果，為當(dāng)?shù)厣郴瘏^(qū)氣化渣改良風(fēng)沙土提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究試驗(yàn)區(qū)位在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗(東經(jīng)108°17′36″—109°40′22″，北緯37°38′54″—39°23′50″)。烏審旗位于鄂爾多斯西南部、內(nèi)蒙古自治區(qū)最南端，地處毛烏素沙漠腹部，緯度較高，邊沿有山脈阻隔，氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳌５孛差愋痛蟛糠譃轱L(fēng)積地貌，“沙灘相間，沙甸結(jié)合”，呈現(xiàn)毛烏素沙地特有的自然景觀；土壤以風(fēng)沙土為主，地帶性植被屬于草原植被帶；多年平均降水量360.4 mm，年內(nèi)分配不均，冬春季降水稀少，夏秋季降水集中；水土流失的形式以風(fēng)力侵蝕為主[9-10]。

2 材料與方法

2.1 供試材料

試驗(yàn)供試土壤取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗表層50 cm風(fēng)沙土土壤，供試氣化渣來自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗博大實(shí)地化學(xué)有限公司。試驗(yàn)區(qū)土壤的土壤與氣化渣基本性質(zhì)表1。

表1 試驗(yàn)土壤與氣化渣基本性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

風(fēng)沙土土壤中顆粒間孔隙大，毛細(xì)管作用弱，土壤質(zhì)地疏松，通透性好，由此導(dǎo)致沙質(zhì)土壤保水性差、蓄水力弱。由基礎(chǔ)性質(zhì)表可知，氣化粗渣的粒徑組成與風(fēng)沙土的相差不大，所以氣化粗渣比例不宜定太高，而氣化細(xì)渣的粉粒含量為51.95%，要遠(yuǎn)高于風(fēng)沙土的粉粒含量，并且氣化細(xì)渣的養(yǎng)分含量要高于氣化粗渣和風(fēng)沙土的養(yǎng)分含量，因此對風(fēng)沙土改良主要以細(xì)渣和沙土的搭配為主。試驗(yàn)選擇氣化細(xì)渣和氣化粗渣兩因素，共9種處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。具體處理方案見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) g/cm3

2.3 測試指標(biāo)及方法

土壤粒徑組成的測定采用激光粒度儀法。簡要操作方法為，將土壤和氣化渣放置陰涼處晾干，用木攆充分碾壓，再用1 mm篩子進(jìn)行篩分，將篩好的各處理土壤樣品放入激光粒度分析儀進(jìn)行測定，并用粒徑分析軟件Talwin處理數(shù)據(jù)，確定粒徑組成及土壤質(zhì)地。

保水性能的測定：采用環(huán)刀法進(jìn)行測定。簡要操作方法為，將裝有各處理土壤樣品的環(huán)刀稱重后放到平底托盤中加水至環(huán)刀上緣，待其吸水24 h后進(jìn)行稱重。然后再將環(huán)刀放置于干砂上，待2 h和24 h后，分別稱重。最后在105℃條件下將環(huán)刀烘干并再次稱重。根據(jù)上述稱重的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算求得各處理的飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度[11]。

土壤水分特征曲線的測定：采用壓力膜儀法測定改良后土壤水分特征曲線。簡要操作方法為，將裝有各處理土壤樣品的環(huán)刀放到平底托盤中加水放置至完全飽和后稱重，放入壓力鍋中加壓，待水流不再流出達(dá)到平衡后取出稱重，再放回壓力鍋中，提高壓力值繼續(xù)加壓至平衡后稱重，重復(fù)上述過程，得到一系列土壤水吸力和對應(yīng)的土壤含水量，從而繪制土壤水分特征曲線[12]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法(顯著p<0.05，極顯著p<0.01)；采用單因素方差分析( ANOVA)比較不同處理間的保水性能的差異，用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；采用 RETC軟件進(jìn)行土壤水分特征曲線擬合；用主成分分析對各處理的改良效果進(jìn)行評價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 摻入氣化渣對風(fēng)沙土土壤粒徑組成的影響

從表3可以看出，摻入氣化渣后，土壤容重、砂粒含量及非毛管孔隙度均呈現(xiàn)減小趨勢，降低幅度分別為7.75%～55.5%，8.82%～35.8%，1.11%～13.41%；黏粒含量、粉粒含量及毛管孔隙度均呈現(xiàn)升高趨勢，提高幅度分別為0.89%～2.92%，7.94%～32.88%，2.44%～18.99%。容重、非毛管孔隙度與砂粒含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(r>0，p<0.05)，與粉粒、黏粒含量均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(r<0，p<0.05)；毛管孔隙度與砂粒含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(r<0，p<0.05)，與粉粒、黏粒含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(r>0，p<0.05)，說明隨著粗渣和細(xì)渣的摻入量增加，黏粒和粉粒所占比例不斷增高，并且填充到風(fēng)沙土的大孔隙間，使內(nèi)部大孔隙減少，小孔隙增多，因而土壤的容重逐漸降低，改善了風(fēng)沙土的質(zhì)地疏松、孔隙大的缺點(diǎn)。而且根據(jù)土壤質(zhì)地分級來看，在隨著氣化粗渣和細(xì)渣摻入比例不斷提高之后，重構(gòu)土壤的土壤質(zhì)地從砂土逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿蕾|(zhì)沙土進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)樯百|(zhì)壤土，改善了風(fēng)沙土土壤質(zhì)地。土壤改良中，由于壤土的結(jié)構(gòu)性好，容重小，因此土壤改良的實(shí)質(zhì)就是將各種極端劣質(zhì)土壤向壤土方向改良。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，對風(fēng)沙土的改良方案的方向符合一般規(guī)律。由此可見，氣化渣的添加可以起到降低土壤容重的作用，有助于改善風(fēng)沙土土壤粒徑及孔隙結(jié)構(gòu)，對沙土的粒徑改良效果顯著。

表3 風(fēng)沙土粒徑試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2 摻入氣化渣對風(fēng)沙土保水性能的影響

由圖1可以看出，在摻入氣化粗渣和細(xì)渣之后，隨著摻入比例不斷提高，對風(fēng)沙土土壤保水性能均有所提高。飽和含水率呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(p<0.05)，CK<處理1<處理2<處理3<處理4<處理5<處理6<處理7<處理8，并且變化趨勢線的斜率明顯越來越大，說明增長的幅度也逐漸增大，提高幅度為13.53%～158.93%，處理1—8的飽和含水量與CK呈顯著性差異(p<0.05)，其中處理5—8與CK的飽和含水量達(dá)到了極顯著性差異(p<0.01)。毛管持水量呈現(xiàn)上升的趨勢，其規(guī)律為：CK<處理1<處理2<處理3<處理4<處理5<處理6<處理7<處理8，并且變化趨勢線的斜率明顯越來越大，說明增長的幅度逐漸增大，因此土壤毛管持水量隨著風(fēng)沙土中氣化渣施用量的增加而增大；提高幅度為7.12%～126.95%；處理1—2的毛管持水量與CK無顯著性差異，處理3—8的毛管持水量與CK呈顯著性差異(p<0.05)，其中處理7—8與CK的毛管持水量達(dá)到了極顯著性差異(p<0.01)。田間持水量也呈現(xiàn)上升的趨勢，其規(guī)律為：CK<處理1<處理2<處理3<處理4<處理5<處理6<處理7<處理8，因此隨著風(fēng)沙土中氣化渣施用量的增加，土壤田間持水量有所提高，提高幅度為23.19%～252.47%；處理1—2的田間持水量與CK差異性不顯著，處理3—8的田間持水量與CK呈顯著性差異(p<0.05)，其中處理6—8與CK的田間持水量達(dá)到了極顯著性差異(p<0.01)。飽和含水量、毛管持水量和田間持水量均與砂粒含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(r<0，p<0.05)，與粉粒、黏粒含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(r>0，p<0.05)，與由此可見，增加氣化渣的用量，可以提高風(fēng)沙土土壤的保水性能。

注：不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

3.3 摻入氣化渣對風(fēng)沙土土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線是描述土壤水吸力與土壤含水量的變化關(guān)系曲線，既可以說明土壤持水性和土壤水分的有效性，又能體現(xiàn)土壤水分的數(shù)量與能量的變化關(guān)系。由圖2可以看出，摻入氣化渣后對土壤特征曲線有影響，使土壤水分特征曲線較對照處理呈現(xiàn)整體上移，即相同PF值(土壤水吸力)下?lián)饺霘饣耐寥篮蚀笥诓粨饺霘饣奶幚?，并且隨著氣化渣摻入量的增大，相同PF值下土壤含水率越大，其主要原因是摻入氣化渣后，改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，減小了風(fēng)沙土土壤孔隙度，增強(qiáng)了保水性；在相同PF值下處理7和處理8土壤含水率比其他處理的含水量相差極大；在吸力段PF為100～200 kPa，相同PF值下處理4，5，6與對照組的土壤含水率相差不大，在其他吸力段內(nèi)，相同PF值下處理4，5，6與對照組的土壤含水率相差較大；相同PF值下處理1，2，3與對照組的土壤含水率相差不大?？梢?，摻入氣化渣能提高風(fēng)沙土的含水率，增強(qiáng)土壤保水性，并且氣化渣摻入量必須達(dá)到一定程度才會對土壤水分特征曲線具有明顯的影響，為定量分析氣化渣含量對土壤水分特征曲線的影響，采用Van Genuchten模型做進(jìn)一步分析。

在Van Genuchten模型中，由表4可知，決定系數(shù)R2在0.971～0.996，說明VG模型可以較好地模擬氣化渣含量對土壤水分特征曲線的影響。滯留含水率(θres)和飽和含水率(θsat)呈現(xiàn)上升的趨勢，其中CK的滯留含水率和飽和含水率均小于其他處理。a值是水分特征曲線接近飽和時(shí)拐點(diǎn)吸力值的倒數(shù)，a值越大說明土壤持水性越差，氣化渣的摻入使處理1—8的a值均低于CK；n為形狀系數(shù)，n的取值影響擬合水土特征曲線的彎曲程度，n值越小，擬合的水土特征曲線越平緩，而煤氣化渣摻入量的變化對形狀系數(shù)n值的影響無明顯規(guī)律。由此可知，氣化渣的添加明顯提高了風(fēng)沙土的土壤持水性能、增強(qiáng)了其保水性。

3.4 摻入氣化渣對風(fēng)沙土土壤保水性能影響的主成分分析

主成分分析方法可在復(fù)雜的指標(biāo)體系中篩選出若干個(gè)彼此不相關(guān)的綜合性指標(biāo)，進(jìn)行降維處理，這些綜合指標(biāo)能表明出原來全部指標(biāo)所提供的大部分信息。選取各處理的飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度5個(gè)因子，運(yùn)用SPSS中的因子分析進(jìn)一步求出矩陣的特征值、特征向量、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，見表5，根據(jù)特征值λ≥1的原則，提取了1個(gè)主成分，基本能說明土壤保水性能的基本信息。將5個(gè)因子原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)主成分得分系數(shù)(表5)計(jì)算保水性能綜合得分，綜合得分的IFI值越高表示保水能力越高；反之，則表示保水能力越低，結(jié)果見表6，得分排序?yàn)?配方8>配方7>配方6>配方5>配方4>配方3>配方2>配方1>CK，由此可見，隨著摻入比例的增大，保水能力越來越高。

圖2 氣化渣對風(fēng)沙土土壤水分特征曲線的影響

表4 土壤水分特征曲線模型參數(shù)

表5 風(fēng)沙土土壤保水性能主成分分析的計(jì)算數(shù)值

表6 風(fēng)沙土土壤保水性能主成分分析的綜合得分

4 討 論

氣化渣包括粗渣和細(xì)渣。氣化粗渣是在氣化爐高溫高壓條件下經(jīng)熔融、激冷、凝結(jié)等流程，由氣化爐底部排出的渣類，粒徑集中分布在4 750～1 000 μm，其特性表現(xiàn)為粒徑組成中氣化粗渣中砂粒比重大，砂粒粒徑大，可以改善土壤的氣孔結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部孔隙增多，因而使土壤容重降低，土壤保水性增強(qiáng)；氣化細(xì)渣是氣化爐頂部由氣流攜出并經(jīng)初步洗滌凈化，沉淀得到的渣類，粒徑均小于1 000 μm，其特性表現(xiàn)為黏粒比重大，黏粒的表面積大，具有較強(qiáng)的吸附作用，與土壤混合，其可以填充在土壤的大孔隙間，改善土壤的質(zhì)地，提高了土壤的保水性[13]。由于風(fēng)沙土土壤中大粒徑顆粒所占比例大，形成了土壤中以大通氣孔隙為主的孔隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致土壤孔隙彎曲少、緊實(shí)性差，對土壤水運(yùn)移阻礙小，使土壤水傳導(dǎo)性高，使土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重。而氣化渣的施用改變了風(fēng)沙土的孔隙結(jié)構(gòu)，細(xì)小的氣化渣顆?？梢蕴畛涞缴惩恋拇罂紫吨?，有效地減少了大孔隙的比例，降低風(fēng)沙土水力傳導(dǎo)能力，有效地減弱了風(fēng)沙土的土壤滲透性，減緩了土壤水運(yùn)移，提高了土壤保水性。

在沙化干旱地區(qū)，土壤水分是影響植物生長的重要因子之一。土壤保水性能最為常見的指標(biāo)就是土壤飽和含水量、毛管持水量和田間持水量。已有研究表明在土壤中施用固體添加物可以提高土壤的總孔隙度，從而提高土壤的飽和體積含水量，明顯改善土壤的保水性能，比如粉煤灰和生物炭[14-15]，本研究表明氣化渣的摻入能提高風(fēng)沙土的飽和含水量、毛管持水量和田間持水量，提高風(fēng)沙土的持水性能，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[16-17]。通過研究氣化渣不同添加量對風(fēng)沙土土壤水分特征曲線的影響，發(fā)現(xiàn)隨著氣化渣的添加明顯提高了風(fēng)沙土的持水性和保水性，原因是由于煤氣化過程的高溫(800～1 300℃)和激冷作用，氣化渣呈現(xiàn)出比表面積大、多孔均孔特性[18-19]，使其可以吸附超過自身重量的水分，從而產(chǎn)生改善土壤結(jié)構(gòu)、增加團(tuán)聚體等的作用，提高土壤持水性和保水性。土壤持水性的提高不但可以防止水土流失及侵蝕而且還有利于農(nóng)作物生長[20]。雖然氣化渣的摻入提高了風(fēng)沙土土壤的持水性和保水性，但是這種作用所持續(xù)的時(shí)間及對作物的有效性及對養(yǎng)分、蒸發(fā)等的影響還需進(jìn)一步研究和探討。

5 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)結(jié)果表明氣化渣的添加可以起到降低風(fēng)沙土土壤容重的作用，隨著氣化渣量的添加風(fēng)沙土土壤質(zhì)地由砂土轉(zhuǎn)向砂質(zhì)壤土。因?yàn)橥寥廊葜亟档秃蜌饣某涮畲罂紫兜淖饔脤?dǎo)致風(fēng)沙土土壤孔隙增多，這極大的增加了風(fēng)沙土土壤中水分的有效性、減緩了土壤水分運(yùn)移速率，解決了風(fēng)沙土的持水能力和保水性能差的問題。

(2) 風(fēng)沙土土壤的保水性能隨氣化渣用量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，土壤飽和含水量、毛管持水量和田間持水量與砂粒含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒、黏粒含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，表明氣化渣摻入量增加對風(fēng)沙土保水性能提高顯著。

(3) Van Genuchten模型可以很好地?cái)M合氣化渣添加后風(fēng)沙土的土壤水分特征曲線，模型表明氣化渣的添加明顯提高了土壤持水性和保水性，而且對風(fēng)沙土土壤保水性能的主成分分析進(jìn)一步表明氣化渣添加量對風(fēng)沙土持水性和保水性具有顯著提高作用，對風(fēng)沙土的改良效果明顯。