申海玉， 張浩， 吳子龍， 韓超*， 宋煒， 馬曉斐

（1.邯鄲學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北省高校冀南太行山區(qū)野生資源植物應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，邯鄲市生態(tài)環(huán)境修復(fù)重點實驗室，河北 邯鄲 056005； 2.河北省煤田地質(zhì)局環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(chǎn)生的固體廢棄物，其排放量相當(dāng)于煤炭總產(chǎn)量的12%左右[1]。在我國煤炭開采區(qū)，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(jìn)入環(huán)境介質(zhì)，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(zhì)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(zhì)（風(fēng)化層）主要以風(fēng)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(jié)構(gòu)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(gòu)建新土體是進(jìn)行植被恢復(fù)的基質(zhì)保證，但因為新土體物理結(jié)構(gòu)不良而導(dǎo)致保水性差，植被重建效果不理想，成為制約礦區(qū)生態(tài)重建的關(guān)鍵障礙因子[3]。決定基質(zhì)水分有效性的根本因子是基質(zhì)的孔隙性和結(jié)構(gòu)性?；|(zhì)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(zhì)保水的主要形式。毛管孔隙水分達(dá)到飽和時的含水量為田間持水量，是基質(zhì)有效水含量的上限。結(jié)構(gòu)良好的基質(zhì)，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(zhì)的結(jié)構(gòu)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(guān)重要。

研究表明，生物炭和保水劑在改良基質(zhì)物理特性方面應(yīng)用普遍且價格低廉，可改善基質(zhì)孔隙性，改良煤矸石基質(zhì)的水分特征，提高其含水率[5]。其中，生物炭是在低氧高溫環(huán)境下由各種有機(jī)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(yīng)用于土壤后可通過降低土壤容重、改變孔隙結(jié)構(gòu)等物理機(jī)制提高其持水性能[6-7]。保水劑是一種高分子材料，分子結(jié)構(gòu)中含有大量的親水性基團(tuán)，能吸收自身重量幾百倍的水分，具有反復(fù)吸水釋水的功能[8]。與生物炭和保水劑相比，有機(jī)改良劑應(yīng)用于煤矸石基質(zhì)水分改良的研究較少[9]，生物菌肥作為有機(jī)改良劑，富含有機(jī)質(zhì)和微生物，具有用量低、能夠改良基質(zhì)微生物菌群和改善基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的作用，從而可間接影響基質(zhì)保水性，具體效果有待驗證。近年來，單一物理改良劑應(yīng)用于煤矸石基質(zhì)改良的研究逐漸增多，但做不到對基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)和保水性的根本改良?；诖耍狙芯窟x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(zhì)保水性能及狗尾草萌發(fā)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(qū)煤矸石山；狗尾草（Setaria viridis(L.) Beauv.）種子采自峰峰礦區(qū)野外生境，經(jīng)人工室內(nèi)挑選發(fā)育飽滿、大小一致的種子為供試材料，做預(yù)發(fā)芽測試，發(fā)芽率85%以上；土壤取自峰峰礦區(qū)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(fù)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(shù)達(dá)到2.0億·g-1。

1.2 試驗方法

1.2.1 煤矸石基質(zhì)制備 從供試煤矸石中選取大顆粒的矸石，用破碎機(jī)人工破碎后混合均勻，過2 mm尼龍篩作為供試的矸石基質(zhì)材料。矸石基質(zhì)pH 7.45，容重1.73 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)、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(shè)計 采用四因素三水平正交設(shè)計L（34）進(jìn)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(guān)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(chǔ)上進(jìn)行正交試驗因子的水平設(shè)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(shè)計如表1所示。

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

將不同水平的改良劑與供試矸石基質(zhì)進(jìn)行配比，混合均勻，設(shè)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(fù)6盆，其中3盆用于基質(zhì)水分性質(zhì)的測定；3盆用于栽種狗尾草。將各處理混合基質(zhì)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(zhì)與改良劑混合培養(yǎng)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(jìn)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(nèi)，定期定量澆蒸餾水，保持室溫25 ℃、空氣濕度50%～60%，狗尾草萌發(fā)后采用生物補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，光照8 h·d-1。

1.2.4 煤矸石基質(zhì)改良效果監(jiān)測 ①狗尾草萌發(fā)和生長情況的統(tǒng)計 在播種后的14 d內(nèi)對狗尾草出苗數(shù)和出苗時間進(jìn)行統(tǒng)計；于試驗結(jié)束時對各處理狗尾草的株高進(jìn)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(zhì)容重的測定 采用環(huán)刀取樣-烘干法測定煤矸石基質(zhì)的容重，將環(huán)刀插入基質(zhì)中，待基質(zhì)充滿環(huán)刀且與環(huán)刀口齊平時取出環(huán)刀，將環(huán)刀內(nèi)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(zhì)累積入滲速率的測定 采用室內(nèi)環(huán)刀恒水頭法[3]測定煤矸石基質(zhì)的水分累積入滲速率。具體操作為：在裝有基質(zhì)的環(huán)刀上方再接1個空環(huán)刀，用膠帶密封兩環(huán)刀的連接處，用夾子和鐵三環(huán)將雙環(huán)刀固定在鐵架臺上，在裝有基質(zhì)的環(huán)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(huán)刀內(nèi)加水至與環(huán)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(yīng)燒杯中水的體積。測定過程中隨時加水，保持水的高度與環(huán)刀口齊平，累積入滲量統(tǒng)一取前60 min按照下列公式計算。

④煤矸石基質(zhì)田間持水量的測定 采用環(huán)刀法測定煤矸石基質(zhì)的田間持水量，將取樣后的環(huán)刀稱重后（m0，g）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)刀放置于石英砂上，控水8 h，此時基質(zhì)中的含水量即為田間持水量，對環(huán)刀進(jìn)行稱重（m1，g），最后將環(huán)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(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過對每一因子每個水平的觀測值進(jìn)行加和（K）及平均值（k）統(tǒng)計，對正交試驗結(jié)果進(jìn)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(jìn)行單因素方差分析，對正交試驗結(jié)果中不同改良劑的改良效應(yīng)進(jìn)行方差分析，計算各因子的顯著性水平（P），結(jié)合正交試驗的極差分析和方差分析結(jié)果推算煤矸石基質(zhì)水分改良最優(yōu)的改良劑組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對煤矸石基質(zhì)上狗尾草萌發(fā)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(fā)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(fā)率，但與對照（CK）相比，4種改良劑施用下狗尾草萌發(fā)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(zhì)上狗尾草的萌發(fā)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(biāo)影響越大，則其對應(yīng)的極差（R）越大，判定此因素為重要因素；反之，因素對指標(biāo)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(jié)合方差分析結(jié)果。由表3可知，4種改良劑施用對煤矸石基質(zhì)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(jié)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(fā)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(fā)數(shù)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(fā)情況最好，表現(xiàn)為開始萌發(fā)時間早、萌發(fā)數(shù)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(fā)最早，播種后7 d即開始萌動，萌發(fā)數(shù)也最高，為13株·盆-1，該處理的基質(zhì)上狗尾草干重最高，達(dá)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(fā)也較早，播種后8 d開始萌動，萌發(fā)數(shù)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(fā)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(zhì)上狗尾草的萌發(fā)，表現(xiàn)為萌發(fā)時間早于對照。生物菌肥顯著提高了煤矸石基質(zhì)上狗尾草的干重積累（P＜0.01），但其用量超過0.1%達(dá)到0.2%以后，3個處理中狗尾草均未萌發(fā)出苗。綜合看來，不同改良劑的施用促進(jìn)了狗尾草的萌發(fā)和早期生長，其中以處理2中狗尾草的萌發(fā)和生長最好，其次為處理1。

表3 正交試驗結(jié)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(xiàn)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(zhì)水分特征的影響

2.2.1 不同改良劑對煤矸石基質(zhì)水分特征影響的分析 不同改良劑對煤矸石基質(zhì)保水性能的影響結(jié)果見表4。與基質(zhì)保水性能的相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)相比[10]，煤矸石基質(zhì)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(jīng)過不同配比改良劑處理后煤矸石基質(zhì)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(jī)質(zhì)多且結(jié)構(gòu)好的土壤容重標(biāo)準(zhǔn)[10]；就累積入滲速率而言，CK的累積入滲速率最強(qiáng)，為10.20 mm·min-1，其次為處理7和8，三者均屬于入滲過強(qiáng)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(dá)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(zhì)的田間持水量均較CK顯著提高（P＜0.05），達(dá)到了輕壤土（20%～24%）或中壤土（22%～26%）的水平。

表4 正交試驗結(jié)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(zhì)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(zhì)的累積入滲速率，有利于提高煤矸石基質(zhì)的保水性，改良劑施用下煤矸石基質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)田間持水量有促進(jìn)作用，但方差顯著性P值接近臨界。

表5 正交試驗結(jié)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(dá)標(biāo)，A2水平下容重接近達(dá)標(biāo)，狗尾草萌發(fā)和生長情況較好，顯著高于對照，若從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，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(jìn)了煤矸石田間持水量的增加，但綜合狗尾草萌發(fā)數(shù)據(jù)，D2水平下狗尾草萌發(fā)所需時間最短而數(shù)量和干重最多，而D3水平下狗尾草沒有萌發(fā)，因而選用生物菌肥的D2水平。最終確定煤矸石基質(zhì)保水性的最優(yōu)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(guān)煤矸石基質(zhì)改良的研究多建立在摻土的基礎(chǔ)上，煤矸石與土壤混摻可以改善矸石風(fēng)化物的孔隙結(jié)構(gòu)，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(zhì)保水性能較高。本研究結(jié)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(zhì)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(guān)于煤矸石基質(zhì)水分改良的研究多集中于單一物理性改良劑的應(yīng)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(zhì)的持水量，使其保水性能明顯增強(qiáng)[14-15]；此外，生物炭通過改善基質(zhì)結(jié)構(gòu)和孔隙性，增強(qiáng)其保水能力[16-17]。本研究結(jié)果表明，保水劑和生物炭的施用提高了煤矸石基質(zhì)的田間持水量且降低了基質(zhì)容重，可以判斷二者有助于基質(zhì)毛細(xì)孔隙的形成，通過降低水分入滲速率增強(qiáng)煤矸石基質(zhì)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(qū)煤矸石基質(zhì)的基礎(chǔ)理化性質(zhì)不同導(dǎo)致，說明煤矸石基質(zhì)改良需要區(qū)域化和針對性的措施。

良好的物理結(jié)構(gòu)是保障基質(zhì)持水性的根本原因，而有機(jī)質(zhì)對于基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的長期維持具有重要作用，煤矸石山植被恢復(fù)重建是一個長期持續(xù)的過程，因此，單一物理性改良劑的應(yīng)用存在一定的限制。在煤矸石基質(zhì)改良中，有機(jī)物料的應(yīng)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(zhì)，增強(qiáng)了其養(yǎng)分的有效性，降低了pH。生物菌肥不僅可以提高基質(zhì)養(yǎng)分含量，還能有效改善其微生物群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其有機(jī)質(zhì)含量[18-19]，從而可能間接起到改良基質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤水分狀態(tài)的作用，但是生物菌肥應(yīng)用于煤矸石基質(zhì)的改良作用還未見報道。本研究結(jié)果顯示，生物菌肥的施用雖未對煤矸石基質(zhì)的容重和累積入滲速率產(chǎn)生顯著影響，但卻提高了基質(zhì)的田間持水量，可能是菌肥中富含有機(jī)質(zhì)，且親水基團(tuán)較多，從而增強(qiáng)了土壤對水分的固持能力。本研究采用物理性和生物有機(jī)性物料配合改良煤矸石基質(zhì)，可以充分發(fā)揮不同改良劑的協(xié)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(zhì)改良具有一定的應(yīng)用潛力。

植物的萌發(fā)和生長情況是煤矸石基質(zhì)改良效果最直觀的體現(xiàn)。據(jù)報道，隨土壤占比及保水劑用量的增加，煤矸石基質(zhì)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(jié)果相似。在土矸比2∶1時，狗尾草萌發(fā)時間早、萌發(fā)數(shù)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(fā)和生長的促進(jìn)作用最大，當(dāng)用量達(dá)到2%時，雖對基質(zhì)保水性未產(chǎn)生抑制作用，但狗尾草卻沒有萌發(fā)出苗，可能與菌肥施用過量造成基質(zhì)水勢降低有關(guān)，而菌肥用量還需要在1%～2%之間進(jìn)行進(jìn)一步試驗，以得到更精確的結(jié)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(zhì)保水性最好，狗尾草萌發(fā)和早期生長情況最好。