周楊，楊永剛

（1.山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

土壤持水性是土壤水源涵養(yǎng)功能最重要的因素之一，其制約著土壤對水的貯存與吸附，尤其是受損礦區(qū)，土壤水分是穩(wěn)定礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子［1］。采礦過程表土剝離，土體開挖、運(yùn)輸與煤矸石壓占致使礦區(qū)植被破壞嚴(yán)重、土壤結(jié)構(gòu)與水文性質(zhì)發(fā)生明顯改變。由于人為采礦活動(dòng)影響，受損礦區(qū)土壤容重被壓實(shí)增大，土壤持水能力差，土壤生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力低下，處于嚴(yán)重退化狀態(tài)［2］。受損土壤生態(tài)修復(fù)一直是礦區(qū)亟待解決的科學(xué)問題。重構(gòu)后的土壤條件決定著生態(tài)修復(fù)成敗與產(chǎn)生效益的高低，提高礦區(qū)土壤持水能力是土壤基質(zhì)重構(gòu)中重要的一環(huán)，通過土壤重構(gòu)措施恢復(fù)礦區(qū)被擾動(dòng)土壤的水文性質(zhì)，其對之后植被生長、溶質(zhì)運(yùn)移以及土壤環(huán)境的變化起著至關(guān)重要的作用［3］。根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有土壤基質(zhì)條件，將固體廢棄物煤矸石與保水劑列為重構(gòu)材料重新構(gòu)造土壤物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)，不僅減少煤矸石因無效利用堆積壓占對礦區(qū)土壤破壞，還可在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)和提高礦區(qū)土壤水文性質(zhì)，因此，確定土壤重構(gòu)方式在礦區(qū)土壤水文修復(fù)中不僅具有重大意義，還是土壤修復(fù)過程中的核心任務(wù)與研究重點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者多通過人為干預(yù)改善土壤環(huán)境進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究，研究工作多集中在采用不同試驗(yàn)方案（植物群落構(gòu)建，植物物種選配和提升土壤肥力等）改善礦區(qū)受損土壤環(huán)境［4-6］，一些學(xué)者注重植被群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，但效果并不理想。在北方半干旱地區(qū)，水土流失、土壤水分蓄存量不足一直是植物作物生長的制約因素。相比自然恢復(fù)，人工造林并不適宜加速土壤生態(tài)修復(fù)，還可能因?yàn)橥寥莱休d力不足造成植被退化。有些學(xué)者認(rèn)為土壤基質(zhì)恢復(fù)是決定生態(tài)修復(fù)成果的重要保證，因此需要不斷提升土壤肥力，進(jìn)而加快土壤理化性質(zhì)的修復(fù)進(jìn)程［7-8］，由于礦區(qū)土壤退化嚴(yán)重，植被破壞程度較大，上述方法需要數(shù)十年甚至更長時(shí)間才能恢復(fù)土壤水文環(huán)境。嚴(yán)重受損的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)需要與礦區(qū)采礦工藝、地質(zhì)條件、土地恢復(fù)方向相適應(yīng)，明確如何通過重構(gòu)礦區(qū)土壤提升持水性，為構(gòu)建適宜的植被群落以改善退化生態(tài)系統(tǒng)，使重構(gòu)土壤最終發(fā)育并具有較好組分構(gòu)造具有研究意義。王志剛等［9］通過對露天礦區(qū)排土場的土壤重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)黏土與表土進(jìn)行1∶2配比不僅提高了土壤生產(chǎn)力和土壤持水性，在后期種植植物試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)重構(gòu)土壤種植下的三葉草可以提高生物量以及對氮、磷、鉀的吸收。Dunsford等［10］考慮了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)工藝可能造成的固體廢棄物影響，將硫化鐵礦中的泥炭作為重構(gòu)土壤成分，發(fā)現(xiàn)能夠提高荒地的土壤肥力和持水性能。礦區(qū)土壤水文性質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且大多煤礦區(qū)受損極其嚴(yán)重，探究不同土壤重構(gòu)方式對礦區(qū)土壤水文的影響，對改善礦區(qū)土壤生態(tài)水文環(huán)境及其對后期植物群落構(gòu)建具有指導(dǎo)作用。

目前關(guān)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究多集中于單因素或多因素對原有土壤水文系統(tǒng)的影響，通過重構(gòu)土壤水文性質(zhì)來改善礦區(qū)土壤水文環(huán)境方面研究相對較少。本研究將山西古交煤礦區(qū)表土、煤矸石以及保水劑作為重構(gòu)試驗(yàn)材料，通過表土、煤矸石、保水劑室內(nèi)環(huán)刀充填實(shí)驗(yàn)，闡明不同重構(gòu)方式下土壤持水性的差異規(guī)律，揭示土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量與重構(gòu)土壤持水能力之間的關(guān)系，以期尋求最佳土壤重構(gòu)模式，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)土壤基質(zhì)重構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省古交礦區(qū)，地處112°03′30″—112°06′12″E，37°56′35″—37°59′3″N，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.6℃，年平均降水量426.1 mm，降雨集中在7—9月，年平均蒸發(fā)量2 093.8 mm。地形以山地為主，山地丘陵面積占全區(qū)面積的95.8%。研究區(qū)煤炭資源豐富且分布廣泛，占總面積的47.6%。目前研究區(qū)正在進(jìn)行矸石山削坡、覆土治理，進(jìn)行擋矸墻、防洪排水建設(shè)以及生態(tài)綠化與周邊矸石清理等工程，并種植油松、刺槐、沙棘等苗木進(jìn)行植被修復(fù)。

1.2 樣品采集與重構(gòu)方案

2019年5月至2019年8月在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行樣品采集，清除土壤表面覆蓋物，采集0～30 cm表土與礦區(qū)堆積的小粒徑煤矸石，表土與煤矸石樣品裝入鋁盒后封裝，運(yùn)回山西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在烘箱105℃條件下烘干12 h，確保表土與煤矸石內(nèi)無殘留水分，隨后將表土和煤矸石使用粉碎機(jī)進(jìn)行打碎研磨，煤矸石過5 mm孔徑網(wǎng)篩選取小粒徑進(jìn)行試驗(yàn)，選用煤矸石粒徑為0～5 mm，重構(gòu)土壤所用的保水劑為北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供的BJ-2101S型號，白色顆粒狀，粒徑大小為0.1 mm～0.25 mm，是經(jīng)過脫鈉處理的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂材料。

表1 重構(gòu)土壤基質(zhì)理化性質(zhì)Table 1 Physical properties of reconstructed soil

表2 重構(gòu)土壤基質(zhì)土壤質(zhì)地Table 2 Soil texture of reconstructed soil matrix

于2019年8月至9月用100 cm3環(huán)刀進(jìn)行土壤重構(gòu)填裝試驗(yàn)，在環(huán)刀內(nèi)通過控制煤矸石土壤復(fù)配總量分層充填，進(jìn)行不同容重（1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3），不同煤矸石土壤復(fù)配比（1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5），不同保水劑添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.5%、1.0%）進(jìn)行試驗(yàn)，為三因素不同水平完全組合實(shí)驗(yàn)，共設(shè)置60組不同土壤重構(gòu)方式，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，共180個(gè)土樣。重構(gòu)土壤采用千分之一天平按照設(shè)計(jì)配比，將過篩的煤矸石、表土基質(zhì)以及保水劑稱重，充分均勻混合后充填到環(huán)刀內(nèi)（以容重1.3 g/cm3、煤矸石土壤復(fù)配比1∶9，保水劑添加量0.1%為例，稱量13.0 g煤矸石、117.0 g表土基質(zhì)以及0.13 g保水劑進(jìn)行100 cm3環(huán)刀充填）。本實(shí)驗(yàn)采用分層壓實(shí)法進(jìn)行充填，每2 cm充填一層，并采用與環(huán)刀橫截面積相同的夯土器壓實(shí)土樣，壓實(shí)后用毛刷將表層刷成粗糙狀。測定180個(gè)土樣的毛管持水量、15 d重構(gòu)土壤表面蒸發(fā)量。

重構(gòu)土壤填裝至環(huán)刀后，其下端置于裝有水的托盤內(nèi)，在托盤內(nèi)使水分與環(huán)刀等高，隔天將環(huán)刀取出，在環(huán)刀上方放置棉花塞防止其蒸發(fā)并稱重，此時(shí)為重構(gòu)土壤的飽和持水量。將測定飽和持水量后的環(huán)刀放置至干燥的砂石上，每隔1 h更換砂石并記錄重量，環(huán)刀下側(cè)用濾紙包裹。當(dāng)更換砂石時(shí)環(huán)刀與土壤總重不變時(shí)記錄其質(zhì)量即為重構(gòu)土壤毛管持水量；

式中：W為毛管持水量；M為濕土與環(huán)刀總重（g）；G為環(huán)刀重量（g）；ρ為土壤容重（g/cm3）；V為環(huán)刀體積（cm3）。

在浸水試驗(yàn)中，環(huán)刀一側(cè)由密封蓋密封，有孔隙一側(cè)的環(huán)刀蓋下用濾紙覆蓋，使重構(gòu)土壤在浸水后僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，總體積保持100 cm3不變。毛管持水量記錄完成后，維持恒溫25℃、恒濕40%條件下蒸發(fā)15 d，期間隨機(jī)更換不同環(huán)刀之間的位置以減少位置不同所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，每隔24 h記錄一次所有環(huán)刀的重量。蒸散發(fā)過程中土壤持水量采用逐日稱重記錄。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)分析確定毛管持水量、15 d土壤水分蒸發(fā)量、容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量等因子之間的關(guān)系；采用多元逐步回歸分析不同容重、不同煤矸石土壤復(fù)配比、不同保水劑添加量的土壤重構(gòu)方式下毛管持水量與此三因素的關(guān)系，對擬合的回歸方程根據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則AIC（Akaike Information Criterion）進(jìn)行篩選，使其擬合度最高，AIC值最小。數(shù)據(jù)分析處理及圖件制作均通過Origin Pro 2016、R studio及R 3.5.3進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分與各控制變量間關(guān)系

各組別之間土壤毛管持水量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。各個(gè)組別之間平均值差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，由試驗(yàn)結(jié)果來看，重構(gòu)土壤持水量與各控制變量間均有聯(lián)系并且密切相關(guān)。在相同吸水試驗(yàn)處理方式下，不同重構(gòu)方式重構(gòu)土壤毛管持水量具有顯著差異。重構(gòu)土壤毛管持水量整體趨勢隨著重構(gòu)土壤容重、煤矸石含量的增加而降低，重構(gòu)土壤毛管持水量隨保水劑添加量增加呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定甚至降低的趨勢。方差分析結(jié)果表明：土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量對重構(gòu)土壤持水量的影響均達(dá)到了顯著水平。

表3 不同重構(gòu)方式下重構(gòu)土壤毛管持水量Table 3 Soil capillary water-holding capacity of new structure under different reconstruction methods

2.2 重構(gòu)土壤持水性變化

土壤持水量隨時(shí)間變化關(guān)系見圖1，土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量影響著重構(gòu)土壤持水能力。在不考慮深層滲漏的情況下，土壤蒸發(fā)是土壤失水的主要形式，本研究測定了不同重構(gòu)方式下土壤15 d的土壤水分含量變化過程。蒸發(fā)試驗(yàn)組在15 d數(shù)據(jù)記錄后3 d土壤水分含量幾乎已不發(fā)生變化，且其他試驗(yàn)組在此期間水分含量變化趨勢不明顯，因此，確定測定重構(gòu)土壤持水時(shí)長為15 d。圖1表明，隨時(shí)間增長，土壤含水率均呈遞減趨勢。在相同煤矸石土壤復(fù)配比、相同保水劑添加量條件下，重構(gòu)土壤容重增大時(shí)，重構(gòu)土壤水分含量逐漸變小。在相同容重、相同配比條件下，保水劑添加量增加時(shí)，重構(gòu)土壤中的毛管持水量大于保水劑添加量相對小的重構(gòu)土壤，土壤水分到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間也相對延長。在相同容重、相同保水劑添加量下，當(dāng)土壤水分達(dá)到飽和時(shí)，除重構(gòu)土壤（容重1.4 g/cm3，保水劑添加量0.2%）不同復(fù)配比例土壤持水量呈現(xiàn) 2∶8＞1∶9＞3∶7＞4∶6＞5∶5，其他重構(gòu)土壤持水量均顯示 1∶9＞2∶8＞3∶7＞4∶6＞5∶5，前項(xiàng)結(jié)果的出現(xiàn)可能是由于重構(gòu)土壤容重對土壤持水量影響小于煤矸石土壤復(fù)配比對其的影響。15 d自然狀態(tài)蒸發(fā)后，重構(gòu)土壤（保水劑添加量0.5%、1.0%）持水量都處于5%～10%范圍區(qū)間內(nèi)，重構(gòu)土壤（保水劑添加量0.1%、0.2%）持水量都在0～5%范圍區(qū)間內(nèi)。在此后的試驗(yàn)中，重構(gòu)土壤（保水劑添加量0.5%）水分蒸發(fā)達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為20 d～25 d，重構(gòu)土壤（保水劑添加量1.0%）水分蒸發(fā)達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間大于30 d。

圖1 不同重構(gòu)類型土壤持水量與蒸發(fā)天數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationships between soil water contents and evaporation days under different reconstructed types

2.3 持水量與影響因素關(guān)系分析

以重構(gòu)土壤毛管持水量（Y）作為因變量，以控制因子土壤容重（X1）、煤矸石土壤復(fù)配比（X2）、保水劑添加量（X3）作為自變量，建立多項(xiàng)式回歸方程：

重構(gòu)土壤保水劑添加量確定時(shí)，容重越接近 1.3 g/cm3（1.3 g/cm3～1.5 g/cm3范圍內(nèi)），煤矸石土壤重構(gòu)比例越接近 1∶9（1∶9～5∶5范圍內(nèi)），重構(gòu)土壤毛管持水量越大；在土壤容重和煤矸石土壤復(fù)配比例確定時(shí)，根據(jù)拋物線函數(shù)求極值可知保水劑添加量處于0.1%～0.86%范圍內(nèi)時(shí)，保水劑添加量越高，土壤持水量就越高；保水劑添加量為0.86%～1.0%時(shí)，保水劑添加量越高，重構(gòu)土壤持水量則越低。不同重構(gòu)方式下土壤毛管持水量見圖2。

圖2 不同重構(gòu)方式土壤持水量與控制因子間的關(guān)系Fig.2 Relationships between soil water contents and control factors under different reconstructed types

3 討論

3.1 不同重構(gòu)方式對土壤持水性的影響

提升土壤持水能力是礦區(qū)受損土壤恢復(fù)的重要路徑之一。通過土壤重構(gòu)方式能改變土壤水文性質(zhì)，提高土壤持水性能，并減少煤矸石堆積產(chǎn)生的一系列環(huán)境問題。土壤容重是土壤礦物、土壤有機(jī)質(zhì)、空氣與水孔隙等組分密度的加權(quán)平均值［11］。重構(gòu)土壤通過填充煤矸石實(shí)現(xiàn)廢物利用并且改善土壤環(huán)境；添加保水劑能夠根據(jù)其保水特性改善土壤貯存水分的方式，改良土壤結(jié)構(gòu)，使土壤獲得更好的持水能力。本研究結(jié)果表明：重構(gòu)土壤煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量相同時(shí)，重構(gòu)土壤容重增加，土壤毛管持水量降低，這是因?yàn)殡S著土壤容重的增加，重構(gòu)土壤內(nèi)部固相比例增高，氣相與液相比例下降，由于空間限制貯存在土壤中的液態(tài)水比例降低。當(dāng)重構(gòu)土壤容重、保水劑添加量相同時(shí)，煤矸石在重構(gòu)土壤中含量越高土壤持水量越低，這是由煤矸石不吸水的性質(zhì)所決定；重構(gòu)土壤中煤矸石不具備貯存水分的能力，煤矸石含量越多，重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)越松散，土壤持水性能越低。當(dāng)重構(gòu)土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比相同時(shí)，毛管持水量由于保水劑添加量不同出現(xiàn)差異，保水劑吸水后膨脹并將水分貯存在重構(gòu)土壤內(nèi)部，但添加量過多會導(dǎo)致保水劑吸水不充分，從而產(chǎn)生一定的間隙降低土壤持水性能。與表土基質(zhì)相比，煤矸石粒徑較大，為保水劑吸水膨脹提供了較大的孔隙，使保水劑吸水后具有較大空間用于儲存水分，因此，在重構(gòu)土壤中添加保水劑有利于改善土壤水文性質(zhì)，彌補(bǔ)了重構(gòu)土壤中煤矸石不吸水的問題，提高了土壤水分含量，并且保水劑緩釋水分的特性為減緩?fù)寥浪稚⑹в兄匾饔谩?/p>

重構(gòu)土壤中煤矸石含量越高，土壤持水量越低，同時(shí)土壤水分蒸發(fā)速率也會降低，在蒸發(fā)過程中達(dá)到緩慢釋水的效果；煤矸石質(zhì)量含量越低，在保水劑水分散失后土壤會形成更多孔隙，增加了空氣與重構(gòu)土壤的接觸面積，土壤水分蒸發(fā)過程中水分散失速率加快，15 d后土壤水分都趨近于零。保水劑添加量在達(dá)峰值前（0.86%），雖然重構(gòu)土壤持水量會隨保水劑添加量增加而提高，但并不會降低土壤水分蒸發(fā)速率，這是由于保水劑釋水后會縮小體積，土壤表面更多裸露在空氣中，水分隨空氣流動(dòng)散失。

諸多研究表明土壤持水量與保水劑添加量關(guān)系呈一定比例增長［12］，也有研究表明保水劑的施用量過多會制約保水性能，反而加快土壤表層水分的蒸發(fā)［13］。添加保水劑能夠有效吸附進(jìn)入土壤的水分，并在長時(shí)間內(nèi)保持快速吸水并緩慢釋水特性。尋找最佳保水劑添加量，是為植物生長提供有利水文條件，為礦區(qū)生態(tài)水文修復(fù)提供解決方法的有效途徑。本研究結(jié)果表明：當(dāng)保水劑用量增加到一定比例后，土壤毛管持水量并不會隨著保水劑添加量的增加而增加，甚至降低，這是由于保水劑添加過量時(shí)土壤過于密實(shí)，缺乏足夠的孔隙供以保水劑吸水膨脹。因此，保水劑吸水膨脹的特性和煤矸石土壤重構(gòu)提高土壤孔隙度具有良好的因果關(guān)系。

3.2 重構(gòu)土壤持水影響因素分析

土壤重構(gòu)在時(shí)間尺度上不僅能夠有效且快速提高固體廢棄物的再利用，而且可以恢復(fù)和提高重構(gòu)土壤的生產(chǎn)力，改善土壤水文條件，相對于自然恢復(fù)所需要的數(shù)十年時(shí)間，土壤重構(gòu)能夠大大縮短生態(tài)恢復(fù)時(shí)間。因此，生態(tài)恢復(fù)重建初期土壤重構(gòu)能夠達(dá)到“邊開采，邊治理”的恢復(fù)效果。在土壤重構(gòu)修復(fù)過程中，土壤是否能夠長時(shí)間蓄持水分是對土壤修復(fù)效果評價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。土壤重構(gòu)可以提高其表層的持水保水性能，并減少降雨沖刷對表層土的破壞，穩(wěn)固區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)。保水劑顆粒在充分吸水后，改變了水分蒸發(fā)時(shí)所需的熱量，水分散失所需熱量變高進(jìn)而達(dá)到持水效果。呂國華等［14］分析了保水劑顆粒在完全吸水飽和后在干土中的保水效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)保水劑吸附的水分能夠完全緩慢釋放給干旱條件下的土壤，增長水分在土壤中的保留時(shí)長。楊浩等［15］認(rèn)為保水劑添加量高于0.75%時(shí)，土壤水分狀況與保水劑添加量低于0.75%時(shí)具有顯著差異。本研究結(jié)果與該文章類似，本研究得出當(dāng)容重、煤矸石土壤復(fù)配比統(tǒng)一時(shí)，保水劑添加量為重構(gòu)土壤總重的0.86%時(shí)保水性與其余添加量相比最具有保水性，短期時(shí)間內(nèi)能夠減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)速率，提高土壤持蓄水能力，這對干旱半干旱礦區(qū)生態(tài)修復(fù)非常重要。

Cao等［16］研究表明以0.25%～2.0%的重量混合比將保水劑添加到土壤中，與未添加保水劑的土壤相比土壤持水量提高19.2%～33.5%，并發(fā)現(xiàn)保水劑在夏季可降低土壤溫度以減少水分蒸發(fā)散失；Li等［12］研究表明保水劑更能夠延長土壤持水時(shí)長，且隨保水劑用量的增大而變長，這是由保水劑的特性所決定的［13］，這與本研究結(jié)論一致。本研究結(jié)果表明：隨著保水劑添加量增加，土壤持水量不能明顯增加，甚至當(dāng)保水劑添加量增加過多時(shí)還會使得持水量下降，這是由于所選取的保水劑為小顆粒狀，吸水后以球狀漲大，保水劑添加量過多時(shí)吸水膨脹后相互擠壓導(dǎo)致每粒保水劑小球間留有更大的孔隙，保水劑添加量雖然高；但是每粒保水劑由于相互擠壓并不能充分吸水漲大，穩(wěn)定留存在重構(gòu)土壤中的水分并不會因?yàn)楸Ｋ畡┨砑恿康脑黾佣掷m(xù)增加。當(dāng)保水劑添加量為1.0%、0.5%的重構(gòu)土壤在15 d自然條件下蒸發(fā)，土壤持水量始終高于保水劑添加量為0.2%、0.1%的重構(gòu)土壤，增加保水劑添加量可有效減緩重構(gòu)土壤的水分散失速率。

3.3 土壤持水性與重構(gòu)因子間關(guān)系分析

對于受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)，一些學(xué)者強(qiáng)調(diào)土壤基質(zhì)是決定生態(tài)修復(fù)成果的重要保證［17］。本研究認(rèn)為植被生長雖然對土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有良好效果，但由于礦區(qū)土壤損毀嚴(yán)重，需通過土壤基質(zhì)重構(gòu)修復(fù)改善土壤水文條件，使重構(gòu)土壤水文條件適合植物生長需要。確定重構(gòu)土壤的容重、煤矸石土壤復(fù)配比與保水劑添加量不僅能夠減少礦區(qū)矸石堆積產(chǎn)生的環(huán)境問題，還可以改良土壤蓄持水分的能力。不同的容重、煤矸石土壤復(fù)配比及保水劑添加量能夠有效改變土壤的毛管持水量。重構(gòu)土壤中，毛管持水量隨煤矸石含量減少，保水劑添加量增高而增高，煤矸石占比過低會導(dǎo)致土壤蒸發(fā)速率提高，重構(gòu)土壤水分散失過程加快，所以在選擇重構(gòu)土壤的容重、煤矸石土壤復(fù)配比和保水劑添加量時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤辍⑼寥浪盅a(bǔ)充來源等來確定。

在土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比確定的情況下，添加保水劑可提高土壤毛管持水量，進(jìn)而為植物生長創(chuàng)造良好環(huán)境［18］。土壤持水能力受土壤理化性質(zhì)以及氣象因素等影響，其容重、粒度等因素會改變土壤孔隙狀況。本試驗(yàn)以三元二次多項(xiàng)式擬合土壤容重（X1）、煤矸石土壤重構(gòu)比例（X2）、保水劑添加量（X3）與土壤毛管持水量（Y）的關(guān)系，通過逐步回歸分析，得到擬合度最優(yōu)方程為：Y=0.557-0.195X1-0.026X2+0.201X3-0.117X32，并 且 X1、X2、X3、X32均達(dá)到了極顯著水平（P＜ 0.01），說明土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比以及保水劑添加量對土壤毛管持水量的大小起關(guān)鍵作用，本模型的二次項(xiàng)系數(shù)小于零，說明保水劑添加量在施用時(shí)存在一個(gè)值，在添加量大于此值時(shí)反而會降低土壤的持水量。同時(shí)可知各變量之間的交互作用并不明顯，即當(dāng)不同重構(gòu)方式下自變量間的關(guān)系對土壤的持水量影響并不大。由此可以得出保水劑添加量需要在適宜的范圍內(nèi)施用，過少施用不會起到預(yù)期效果，過多施用不僅會增加重構(gòu)土壤構(gòu)成成本，還會因?yàn)橹貥?gòu)土壤氣相部分減少造成“濕害”，降低土壤的持水能力。在土壤重構(gòu)中，選取適當(dāng)?shù)耐寥廊葜?，有利于調(diào)整重構(gòu)土壤固、液、氣三相的比例關(guān)系；確定適宜的煤矸石土壤復(fù)配比，有助于減少礦區(qū)固體廢棄物的堆積，并且協(xié)助調(diào)整土壤液相、氣相大小；添加適量的保水劑，以求最大程度增加重構(gòu)土壤蓄持水能力。

4 結(jié)論

（1）從逐步回歸方程看，土壤重構(gòu)方式為容重1.3 g/cm3，煤矸石土壤復(fù)配比為1∶9，保水劑添加量為0.86%時(shí)，重構(gòu)土壤具有顯著于其他重構(gòu)方式的持水性能，有效增加了土壤的保水性。此外，土壤毛管持水量總體隨容重增大、煤矸石質(zhì)量含量比例增大而減小，但隨保水劑添加量增加呈現(xiàn)先增高后降低的變化。

（2）土壤持水能力受保水劑添加量影響極顯著（P＜0.01），保水劑在土壤中表現(xiàn)出良好的保水與釋水性能。根據(jù)模擬分析預(yù)測，重構(gòu)土壤毛管持水量隨保水劑添加量增大表現(xiàn)為先增大后減小，重構(gòu)土壤毛管持水量在保水劑添加量為0.86%時(shí)出現(xiàn)最大值。自然狀態(tài)下蒸發(fā)15 d后，保水劑添加量為0.1%，0.2%，0.5%和1.0%的重構(gòu)土壤持水量分別為1.4%，2.2%，6.3%和6.6%；在無外界水源補(bǔ)給的情況下，保水劑添加量為1.0%的重構(gòu)土壤水分達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)最長歷時(shí)30 d。氣候長期干燥無雨時(shí)，保水劑能夠有效從土壤中吸收水分，在無水源補(bǔ)給時(shí)減少土壤水分蒸發(fā)，繼而增加重構(gòu)土壤水分的貯存時(shí)間。