保水劑用量對(duì)排土場(chǎng)土壤持水性的影響

胡 楊，張俊嬌，史常青?，趙廷寧，劉小勇，吳 川，劉秉儒

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，生態(tài)系統(tǒng)建模及應(yīng)用國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，750021，銀川)

露天煤礦的大規(guī)模開(kāi)采產(chǎn)生大量排土場(chǎng)，嚴(yán)重破壞礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，易造成土壤退化和土壤侵蝕等水土流失現(xiàn)象[1]。排土場(chǎng)主要由煤矸石等多種土石混合介質(zhì)組成，是一種典型人工松散堆積體。排土場(chǎng)渣土級(jí)配不良，具有粗碎屑含量高、保水性能較差等特點(diǎn)，制約礦區(qū)利用植被進(jìn)行生態(tài)修復(fù)[2]；因此迫切需要對(duì)渣土進(jìn)行改良，以確保礦區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

保水劑是一種具有超高吸水、保水和緩釋能力的親水網(wǎng)絡(luò)聚合物[3]。保水劑施加于土壤中，能夠增加土壤的持水特性和改變土壤的結(jié)構(gòu)，從而減少土壤水流和養(yǎng)分的流失[4]；所以，保水劑被廣泛應(yīng)用于退化土地的生態(tài)修復(fù)中[5-6]。研究[7]表明，在粗砂土中加入保水劑后，持水能力提高17.1%～40.2%，同時(shí)保水劑能夠顯著改變土壤的孔隙度；但是，不同的保水劑施加方案可能對(duì)土壤的物理性質(zhì)的改良產(chǎn)生不同的影響[8-9]。

土壤水分特征曲線可定量研究土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移，是反映土壤水分保持及運(yùn)動(dòng)的基本曲線，可描述土壤體積含水量與吸力值的關(guān)系，并間接反映土壤孔隙大小的分布[10]。目前，擬合土壤水分特征曲線的模型主要有 Van Genuchten模型[11]及其修正模型[12]、Gardner模型[13]、Brooks-Corey模型[14]、Frdlund and Xing模型[15]等。

筆者選取寧夏汝箕溝大峰露天煤礦排土場(chǎng)的渣土作為試供材料，施加不同用量的保水劑，利用土壤高速離心機(jī)模擬含有保水劑的渣土的脫濕過(guò)程，結(jié)合Van Genuchten模型分析在脫濕過(guò)程中保水劑的不同用量對(duì)渣土的土壤水分特征曲線及參數(shù)、水分有效性和孔隙分布的影響，定量評(píng)估施加保水劑對(duì)煤礦渣土持水特性的影響，為礦區(qū)改良土壤、植被恢復(fù)等生態(tài)修復(fù)工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏石嘴山市汝箕溝大峰礦東外排土場(chǎng)(E 106°07′00″，N 39°04′00″)，屬大陸性干旱氣候，年最大降雨量238.2 mm，年最大蒸發(fā)量2 720.7 mm，年最高氣溫35.1 ℃，年最低氣溫-23.5 ℃，全年干旱少雨。開(kāi)采煤礦為無(wú)煙煤，資源儲(chǔ)量5 101.76萬(wàn)t，截至2014年底，動(dòng)用儲(chǔ)量1 154.54萬(wàn)t，煤巖層裸露地表，地面植被稀疏。常見(jiàn)本土植物有松葉豬毛菜(Salsolalaricifolia)、旱榆(Ulmusglaucescens)、荒漠錦雞兒(Caraganaroborovskyi)和狗尾草(Setariaviridis)等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

1)渣土：于2019年10月取自寧夏石嘴山市汝箕溝無(wú)煙煤煤礦大峰礦東外排土場(chǎng)，排土場(chǎng)上坡、中坡、下坡各設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)3次重復(fù)，采集0～20 cm渣土并混合，去除大石塊后過(guò)2 mm土壤篩，作為試驗(yàn)用土。按北京林業(yè)大學(xué)編制的《土壤學(xué)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》的方法，用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度，用Malvern 3000激光粒度分析儀測(cè)定土壤粒徑組成，渣土物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 渣土樣品的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of muck samples

2)保水劑：主要成分為聚丙烯酸鹽和聚丙烯酰胺共聚體，白色顆粒狀，粒徑0.3～1.0 mm，吸水倍率為200～400倍，品牌為法國(guó)愛(ài)森，型號(hào)為MP3005KM，由北京金元易生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)股份有限公司提供。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將保水劑與渣土按照保水劑用量分別為0、0.2%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的比例混勻靜置，使二者充分結(jié)合后，將樣品放入100 cm3的離心機(jī)配套環(huán)刀中，使用真空飽和法飽和試樣，使其充分吸水，隨后將其放入型號(hào)為H-1400PF的離心機(jī)中，設(shè)定不同梯度的轉(zhuǎn)速(500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000和7 000 r/min)，每次離心60 min后取出，分別使用電子天平和游標(biāo)卡尺測(cè)定樣品含水量(%)及下沉高度(mm)[16]，各處理重復(fù)3次。

由于保水劑吸水膨脹，為防止樣品吸水膨脹后體積超過(guò)環(huán)刀體積，因此通過(guò)預(yù)試驗(yàn)得到不同比例時(shí)應(yīng)稱取的渣土質(zhì)量(表2)。

表2 不同保水劑用量的保水劑及渣土質(zhì)量Tab.2 Amounts of water-retaining agent and muck with different water-retaining agent content

為便于試驗(yàn)分析，根據(jù)式(1)[17]計(jì)算土壤水吸力h(cm)，且1 kPa≈10.2 cm水柱，據(jù)此對(duì)土壤水吸力進(jìn)行單位換算，以便土壤水分有效性計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 離心機(jī)轉(zhuǎn)速與土壤水吸力的換算Tab.3 Conversion of centrifuge speed and soil water suction

(1)

式中：h為土壤水吸力，cm；s為離心機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；L為環(huán)刀高度1/2，cm；r為基準(zhǔn)水面的旋轉(zhuǎn)半徑，cm，即離心機(jī)軸心到離心環(huán)刀最遠(yuǎn)處的距離。

2.3 模型擬合

結(jié)合土壤高速離心機(jī)脫濕條件下獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以Van Genuchten模型[11]表示脫濕條件下吸力水頭和含水量的關(guān)系。

Van Genuchten模型:

(2)

式中：θ為體積含水量，%；θr為剩余含水量，%；θs為飽和含水量，%；α為與土壤初始排水有關(guān)的參數(shù)，數(shù)值等于進(jìn)氣壓力值的倒數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，量綱為1。

2.4 土壤水分有效性計(jì)算

依據(jù)土壤水分常數(shù)可計(jì)算土壤的有效水分含量。根據(jù)植物吸收水分的難易程度，全有效水(total available water)分為速效水(easy available water)、遲效水(slow available water)、無(wú)效水(unavailable water)。結(jié)合Van Genuchten模型推導(dǎo)所述含水量，全有效水為水吸力≥10～1 500 kPa之間的水分含量，速效水為≥10～600 kPa之間的含水量，遲效水為≥600～1 500 kPa之間的含水量，無(wú)效水為1 500 kPa時(shí)的含水量[18]。

2.5 土壤孔隙分布計(jì)算

根據(jù)土壤毛管理論[15,19]，對(duì)于非飽和的水土系統(tǒng)，土壤水吸力是由土壤中某一范圍孔徑的圓形毛管的毛管力作用的結(jié)果，其與毛管孔徑即當(dāng)量孔徑有以下關(guān)系：

(3)

式中：δ為水的表面張力系數(shù)，常溫下δ=7.5×10-4N/cm；D為當(dāng)量孔徑，mm。

根據(jù)土壤孔隙的劃分[20-21]，結(jié)合本研究實(shí)驗(yàn)情況，將孔隙分為中孔隙(當(dāng)量孔徑≥0.03～0.3 mm)、微孔隙(當(dāng)量孔徑≥0.005～0.03 mm)及超微孔隙(當(dāng)量孔徑<0.005 mm)。中孔隙對(duì)土壤通氣和迅速排水起主要作用；微孔隙主要貯存水分供給植物生長(zhǎng)；超微孔隙直徑較小，植物無(wú)法利用。

2.6 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2011進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用Origin 2019繪制圖，應(yīng)用IBM SPSS Statistics 21對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析，應(yīng)用RETC軟件求解VG模型參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)渣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含水量與土壤水吸力之間的關(guān)系曲線,反映土壤水能量與土壤水含量的函數(shù)關(guān)系,是表示土壤基本水力特性的重要指標(biāo),對(duì)土壤持水性能評(píng)價(jià)有一定的作用[19]。由圖1所示，在低吸力段(≥0～100 kPa)[22]，隨著土壤水吸力的增加，渣土含水量急劇下降，曲線走勢(shì)較陡，保水劑用量為1.0%、1.5%、2.0%處理的體積含水量與0、0.2%、0.5%處理差異顯著(P<0.05)，渣土持水能力隨保水劑用量的增加而增加。在中吸力段(≥100～500 kPa)[22]，隨著土壤水吸力增加，渣土含水量下降趨勢(shì)變緩。在高吸力階段(≥500～1 500 kPa)，各處理差異不顯著(P>0.05)。土壤水份特征曲線的最大特征在于完整表征各吸力段土壤的持水特性及持水機(jī)理，其陡降段對(duì)應(yīng)的土壤水吸力范圍與優(yōu)勢(shì)孔隙對(duì)應(yīng)的吸力范圍有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[23],一般土體先失去大孔隙和中孔隙(包括一部分毛管孔隙)中的水，此時(shí)低吸力段土壤水分保持主要依靠毛管孔隙狀況，當(dāng)渣土失去優(yōu)勢(shì)孔隙范圍內(nèi)的水時(shí)，因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)的孔隙較多，明顯的失水導(dǎo)致土壤水分特征曲線走勢(shì)出現(xiàn)較陡的現(xiàn)象，同時(shí)說(shuō)明在低吸力段，保水劑對(duì)渣土毛管孔隙影響顯著(P<0.05)，說(shuō)明保水劑用量的增加可導(dǎo)致渣土毛管孔隙保水能力增強(qiáng)，與前人的研究結(jié)果[24]一致，即在低吸力段時(shí)，土壤持水能力的增加隨著土壤保水劑用量的增加而增加。在高吸力段土壤水分保持是受到顆粒表面分子吸附力的作用，體現(xiàn)土壤質(zhì)地特征和比表面的影響[25]，說(shuō)明保水劑對(duì)表面分子吸附力無(wú)顯著影響，不能改變其電荷吸附更多水分，保水劑在高吸力階段對(duì)渣土無(wú)保持水分的能力?？梢?jiàn)，保水劑對(duì)渣土的保水作用主要為通過(guò)改善其毛管孔隙狀況，增強(qiáng)渣土持水能力；同時(shí)減少易排水的大孔隙數(shù)量[26]，改良土壤性質(zhì)[27-28]，與蔡典雄等[29]研究結(jié)論一致。

圖1 不同保水劑用量下的渣土土壤水分特征曲線Fig.1 Soil water characteristic curve of muck with different water-retaining agent content

3.2 對(duì)渣土土壤水分特征曲線參數(shù)的影響

進(jìn)一步分析保水劑對(duì)渣土土壤水分特征曲線參數(shù)的影響，可進(jìn)一步探索保水劑對(duì)土壤持水特征的影響機(jī)理，同時(shí)量化保水劑用量對(duì)土壤持水的作用程度。如表4所示，各處理VG模型擬合參數(shù)(R2)范圍在0.985～0.999之間，達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明該模型適用于添加保水劑的渣土。

土壤的飽和含水量(θs)反映土壤的持水總孔隙度[11]，表4顯示：隨著保水劑用量的增加，θs明顯遞增，說(shuō)明施用保水劑后可增加土壤持水孔隙度，提高土壤的持水性能[26]。殘余含水量(θr)表示當(dāng)吸力無(wú)限增大時(shí)，土壤所能保持的含水量，其值與土壤顆粒表面性狀有關(guān)，是土壤表面分子持水特征的指標(biāo)[11]，如表4所示，各處理的θr差別很小，說(shuō)明保水劑不能改變?cè)?砂壤土)比表面積，而Dorraji等[30]曾在不同鹽分條件下用保水劑對(duì)砂壤土進(jìn)行持水性能的研究，結(jié)果表明其比表面積出現(xiàn)差異，這是因?yàn)殛?yáng)離子尤其是二價(jià)陽(yáng)離子會(huì)影響保水劑的水合作用[31-33]，增加黏粒的分散性，使得比表面積變大，形成了擴(kuò)散電雙層影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，進(jìn)而改變土壤持水能力[34-35]。

α為土壤水分特征曲線進(jìn)氣壓力值的倒數(shù)[11]，表4顯示：0處理的α值顯著大于其他處理，這是由于未施用保水劑的渣土內(nèi)部孔隙較大，初始排水時(shí)渣土中的水容易被釋放[18，36]。隨著保水劑用量的增加(0.2%～1.0%)，α值逐漸增大，保水劑用量超過(guò)1.0%之后，隨著用量增加，α值逐漸降低，由于α僅表征初始排水時(shí)的狀態(tài)[18]，不表征失水過(guò)程，說(shuō)明保水劑改變?cè)潦^(guò)程的起始失水能力，因此不可僅用α值量化保水劑用量對(duì)渣土孔隙的改良程度，而研究土壤質(zhì)地如土壤粒徑分形維數(shù)對(duì)保水劑的持水響應(yīng)才應(yīng)注重α值的變化[27，36]，舒凱民[37]發(fā)現(xiàn)表明黏粒含量、干密度均對(duì)α值有顯著影響，也驗(yàn)證這一觀點(diǎn)。一般，參數(shù)n一定程度上可表征曲線坡度，n值越大，曲線越陡，土壤含水量隨土壤水吸力增加的變化越快[38]。筆者發(fā)現(xiàn)，各保水劑處理曲線陡度排序?yàn)椋?.0%>1.5%>1.0%>0.5%>0.2%>0，而n值大小排序?yàn)椋?.0%>0.2%>1.5%>0.5%>1%>0，僅2.0%、0.5%及0處理排序符合，前人對(duì)塔里木沙漠公路土壤、古爾班通古特沙漠土壤以n值也無(wú)法完全正確描述土壤水分特征曲線的持水特性[22,39]，因此，以參數(shù)n表示持水曲線減濕率仍需進(jìn)一步探索。

表4 不同保水劑用量下的渣土土壤水分特征曲線參數(shù)Tab.4 Parameters of soil water characteristic curve with different water-retaining agent content

3.3 對(duì)渣土水分有效性的影響

保水劑會(huì)影響土壤水分的吸收和釋放，進(jìn)而影響其水分有效性。通過(guò)擬合后的土壤水分特征曲線[18]，結(jié)合水分對(duì)植物有效性原理，得到不同保水劑用量下的全有效水、速效水、遲效水及無(wú)效水含量(圖2)及不同有效性含水量占全有效水含量的比例(表5)。圖2可知，隨著保水劑用量的增加，全有效水、速效水含量顯著增加(P<0.05)，較0處理，其分別提高1.12～3.31倍、1.11～3.29倍；遲效水含量在保水劑用量為0～0.5%處理時(shí)差異不顯著(P>0.05)，較0處理，1.0%～2.0%處理的遲效水含量顯著增加3.00～4.38倍(P<0.05)，無(wú)效水含量?jī)H在0.2%、0.5%處理顯著降低(P<0.05)，其余處理差異不顯著(P>0.05)。因此，保水劑用量的增加可顯著提高渣土全有效水、速效水含量[18]，但用量≥1.0%會(huì)導(dǎo)致渣土遲效水含量顯著增加，與低用量相比，反而會(huì)顯著提高無(wú)效水含量，與范富等[40]認(rèn)為的保水劑對(duì)土壤的持水效果并非保水劑用量越多越好的研究結(jié)論一致。表5可知，各處理的速效水、遲效水、無(wú)效水含量比例范圍分別為79.70%～85.79%、5.05%～13.24%、11.00%～38.96%，因此保水劑對(duì)渣土持水量的增加來(lái)源主要為速效水。保水劑中的水包括束縛水、半束縛水、自由水，其中自由水具有更高的流動(dòng)性，其蒸發(fā)后保水劑中的其他水分才緩慢釋放到土壤中[41]，即使保水劑提高渣土持水量，也無(wú)法具體量化供給植物的有效含水量[42]，鑒于此，表5顯示0.5%處理的此三者比例分別為84.75%、5.05%、14.90%，較施用保水劑的其余處理而言，其增加速效水比例、降低遲效水、無(wú)效水比例，這對(duì)植物供給效應(yīng)更有積極作用，因此0.5%是保水劑改善渣土水分有效性的最佳用量。

圖2 不同保水劑用量下的含水量Fig.2 Water content with different water-retaining agent content

表5 不同保水劑用量下的含水量比例Tab.5 Proportion of water content with different water-retaining agent content %

3.4 對(duì)渣土孔隙分布的影響

土壤孔隙分布能更直接反映土壤孔隙結(jié)構(gòu)和通氣情況[43]，由前文知保水劑對(duì)渣土的持水作用取決于毛管孔隙，毛管孔隙是指當(dāng)量孔徑在0.06～0.002 mm之間的所有孔隙的總稱[18]，由此引入包含毛管孔隙且具有植物供水補(bǔ)給參考意義的中孔隙(當(dāng)量孔徑≥0.03～0.3 mm)、微孔隙(當(dāng)量孔徑≥0.005～0.03 mm)及超微孔隙(當(dāng)量孔徑<0.005 mm)，利用VG模型數(shù)據(jù)得到渣土孔隙分布(圖3)?？梢?jiàn)，較0處理，隨著保水劑用量的增加(0.5%～2.0%處理)，渣土的中孔隙比例顯著增加1.2～2.6倍(P<0.05)，這是因?yàn)楸Ｋ畡┦┯昧吭酱螅蛎浟吭酱骩44]，中孔隙數(shù)量增多，對(duì)渣土迅速排水能力增強(qiáng)[21]。除0.2%處理以外，較0處理，其余處理的微孔隙比例隨用量的增加顯著增加1.8～3.8倍(P<0.05)，說(shuō)明保水劑的施用可改善植物的供水環(huán)境，貯存水分供給植物生長(zhǎng)[21]。超微孔隙直徑較小，植物無(wú)法利用[21]，較0處理，0.2%、0.5%處理的超微孔隙比例顯著提高1.2、1.5倍(P<0.05)，1.0%～2.0%顯著提高2.1～4.7倍(P<0.05)，說(shuō)明保水劑不僅會(huì)顯著提高渣土的有利于植物生長(zhǎng)的孔隙比例，同時(shí)也會(huì)顯著提高植物無(wú)法利用的孔隙比例，因此結(jié)合超微孔隙選擇保水劑的用量，對(duì)于礦山的植被恢復(fù)具有十分重要的意義。

圖3 不同保水劑用量下渣土孔隙分布Fig.3 Pore size distribution of muck with different water-retaining agent content

綜上，保水劑用量≥1.0%會(huì)造成渣土形成不利于植被生長(zhǎng)的孔隙環(huán)境，0.2%用量對(duì)于改善供給水分植物生長(zhǎng)的作用不大，0.5%用量可顯著改善渣土的通氣能力、貯水能力，且不會(huì)造成過(guò)高的超微孔隙比例限制植物生長(zhǎng)，是改善渣土孔隙分布且有利于植物生長(zhǎng)的最佳保水劑用量。

4 結(jié)論

1)保水劑對(duì)渣土的持水性在低吸力段主要依靠其毛管孔隙狀況改善渣土的持水能力；其用量的增加可顯著提高渣土的全有效水含量、速效水含量、中孔隙比例、微孔隙比例、超微孔隙比例；與不施保水劑相比，低用量(0.2%、0.5%)可顯著降低其無(wú)效水含量，高用量(1.0%、1.5%、2.0%)會(huì)顯著增加渣土的遲效水含量。

2)0.5%是保水劑改善渣土水分有效性、改善渣土孔隙分布且有利于植物生長(zhǎng)的最佳用量。