王桂林, 宮鶴憶, 商侃侃,3,4, 達(dá)良俊,4

（1. 國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)是一個(gè)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(yíng)養(yǎng)條件和區(qū)域水文條件[2]. 排土場(chǎng)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(jī)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(chǎng)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(shí)兼具保土、保肥、調(diào)節(jié)土壤溫度以及促進(jìn)植物生長(zhǎng)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(jī)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(qiáng)降水入滲并減少水分蒸發(fā)[7]. 由于單一施用有機(jī)肥或保水劑改良效果不全面, 近年來有機(jī)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(jī)肥的組與使用傳統(tǒng)水溶肥的對(duì)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(jī)肥和有機(jī)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(jī)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(jī)肥單獨(dú)使用并不能達(dá)到這種效果.

針對(duì)露天礦排土場(chǎng)土壤保水蓄水能力差的特征, 開展保水劑與有機(jī)肥配施對(duì)土壤持水性能的影響研究. 通過測(cè)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(jī)肥配合施加對(duì)土壤持水能力的改良作用, 篩選保水劑與有機(jī)肥最優(yōu)配比, 為提高排土場(chǎng)土壤修復(fù)水平提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)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(chǎng), 該場(chǎng)地是2020 年新形成的標(biāo)高為1 330 m 處的排土場(chǎng). 土樣經(jīng)自然風(fēng)干后, 過1 mm 篩, 采用比重計(jì)法測(cè)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(guó)愛森3 個(gè)品牌的保水劑, 其主要成分和來源見表1. 精制有機(jī)肥為上海禾笑有機(jī)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(jī)質(zhì)含量≥45% (表1).

表1 實(shí)驗(yàn)材料主要成分及來源信息Tab. 1 Description of experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

1.2.1 保水劑的抗蒸發(fā)能力

根據(jù)中國(guó)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(dá)到30℃左右. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置烘箱在45℃的條件下, 進(jìn)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(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(gè)使用量梯度, 有機(jī)肥設(shè)置了占土壤干質(zhì)量的0、10%、20%和30%共4 個(gè)使用量梯度, 均勻混入土中備用. 實(shí)驗(yàn)一共有40 組處理, 每組3 個(gè)重復(fù).

環(huán)刀法 (100 cm3) 測(cè)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(jì)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(jì)算公式均與最大持水量相同.

稱量法測(cè)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(shí)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(jì)算土壤含水量.

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007 軟件進(jìn)行, 擬合相關(guān)曲線方程. 利用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行方差分析和多重比較, 采用LSD (least significant difference)法檢驗(yàn)相同有機(jī)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(jī)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(shí)間推移呈指數(shù)或者對(duì)數(shù)下降, 相同時(shí)間段凝膠狀態(tài)含水量明顯高于干燥狀態(tài), 但均高于對(duì)照處理 (圖1). 在埋深5 cm 情況下, 36 h 和72 h 時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(guó)愛森保水劑 ＞旱地寶 ＞ 聚谷氨酸粉劑Ⅰ型; 添加法國(guó)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(jī)肥用量組合對(duì)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(jī)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(guó)愛森保水劑用量與10%有機(jī)肥用量、3‰法國(guó)愛森保水劑用量和20%有機(jī)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(jī)肥用量增加而增加. 在相同的有機(jī)肥用量下, 法國(guó)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(guó)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

土壤最大持水量和毛管持水量達(dá)到最大的均是法國(guó)愛森保水劑5‰用量與有機(jī)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(guó)愛森保水劑5‰+有機(jī)肥10% ＞ 法國(guó)愛森保水劑5‰ ＞ 法國(guó)愛森保水劑5‰+有機(jī)肥20% ＞ 法國(guó)愛森保水劑3‰+有機(jī)肥20% ＞ 法國(guó)愛森保水劑5‰+有機(jī)肥30%, 說明法國(guó)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(dá)到5‰時(shí), 添加10%有機(jī)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(shí)間比較

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

圖2 愛森保水劑與有機(jī)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(jī)肥組合的配方土壤含水量與保水時(shí)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(tuán)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(guó)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(guó)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(guó)愛森保水劑可以快速獲取水分并利用親水性基團(tuán)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(jī)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(jī)肥或保水劑改良效果不全面, 甚至?xí)斐刹煌潭鹊呢?fù)面影響[19-20]. 蔣美佳等[10]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥和保水劑配施的保水效果優(yōu)于單施有機(jī)肥; 而李想等[7]則發(fā)現(xiàn)單施有機(jī)肥較單施保水劑更利于尾礦表層理化性質(zhì)的改良, 有機(jī)肥與保水劑配施效果更好. 在本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)配制土壤的保水能力隨著保水劑用量或有機(jī)肥用量增加而提高, 但當(dāng)添加5‰法國(guó)愛森保水劑時(shí), 10%有機(jī)肥用量能夠提高土壤的最大持水能力, 20%和30%的用量卻會(huì)減弱保水劑的持水能力, 這與有機(jī)物對(duì)保水劑的影響機(jī)理不同有關(guān)[10,21]. 施用有機(jī)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(qiáng)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(chǎng)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(duì)照樣地的土壤含水量降低至20.68%, 而保水劑和有機(jī)肥配施可以有效延長(zhǎng)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(jī)肥配施的保水時(shí)間可延長(zhǎng)1 倍以上.

因此, 從保水劑種類選擇及其與有機(jī)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(guó)愛森保水劑為保水材料, 最優(yōu)配方為法國(guó)愛森保水劑3‰ + 有機(jī)肥20%或者法國(guó)愛森保水劑5‰ + 有機(jī)肥10%, 可以增強(qiáng)土壤持水性能, 但其對(duì)植物生長(zhǎng)作用效果有待驗(yàn)證.