基于干旱区煤矿废弃物利用的土壤配置及其对苏丹草生长的影响

李昊宇，王 梦，李 阳，时 威，麻 浩，王文全

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.国网能源哈密煤电有限公司大南湖二矿，新疆 哈密 839000；3. 兰州生多荒漠保护研究院，甘肃 兰州 730000)

在露天煤矿开采利用过程中，一方面因形成大面积裸露面和大体量的松散堆体，极易成为当地风沙天气的物质源头，造成水土流失，导致生态系统进一步恶化；另一方面煤矿及其附属发电厂产生的废弃物粉煤灰、火烧石等不仅侵占农田，同时这些废弃物也会产生扬尘，污染空气；若排入水系统中，会造成河流的阻塞，其中还可能含有毒有害化学物质，会对人体造成伤害。

国内外一些学者将粉煤灰与土壤混合配置，如Jayasinghe等[11]用粉煤灰改良日本冲绳县灰土，提高了当地油菜的产量。王海辉等[2]施用粉煤灰多元复混肥种植水稻，结果表明粉煤灰多元复混肥能增加土壤养分，为水稻提供所需的多种营养元素，促进水稻生长发育，提高水稻产量及经济效益。孙克刚等[3]证实，用混料法生产的粉煤灰复混肥使氮、磷、钾利用率提高，流失率减小。陈孝杨等[4]研究发现粉煤灰和砂壤土混合后，提高了砂壤土的饱和含水量、田间含水量，以及植物有效水含量。这些研究多为粉煤灰和土壤的混合配置，以改善土壤性质、提高作物产量。而新疆戈壁露天煤矿多且面积大，试验区哈密大南湖煤矿及其附属火力发电厂主要的废弃物有粉煤灰(煤炭燃烧后产物)、火烧石(一种页岩，煤矿的伴生产物)、煤矸石等，侵占了大量的土地。项目试验区为寸草不生的荒漠戈壁，极度干旱，夏季地表温度极高，土壤重度盐碱。本研究利用矿区废弃物粉煤灰、火烧石结合当地荒漠土设置配方，以期改善土壤理化性质、降低夏季地表温度、减轻“日灼”现象，进而提高土壤的保水性能，为植物生长构筑较优的微环境。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区哈密大南湖二矿位于哈密市南约84 km的荒漠戈壁内，属典型的温带大陆性干旱气候，干燥少雨，晴天多，年平均气温9.8℃，年降水量33.8 mm，年蒸发量3 300 mm，无霜期182 d。春季多风、冷暖多变；夏季酷热、蒸发强；秋季晴朗、降温迅速；冬季寒冷、低空气层稳定。日照充足，全年日照时数为3 300～3 500 h[5]。土壤为碱性土壤，盐分组成为氯化物-硫酸盐。

试验区寸草不生，植物生长面临极其恶劣的环境条件：极度干旱；夏季极端最高气温43℃，地表温度近70℃，冬季极端最低气温-32℃；土壤重度盐碱，氮、磷等营养元素极度匮乏；沙尘暴频发，瞬间风力可达11级。

1.2 试验材料

供试材料粉煤灰、火烧石、荒漠土(为0～20 cm的土壤)均采自哈密大南湖二矿及其附属的火力发电厂，采样时间为2018年5月8日。以FEI Quanta TM FEG场发射环境扫描电子显微镜(美国FEI公司)及D8 Advance型粉末X射线衍射仪(Bruker公司)测得粉煤灰电镜、XRD图谱，见图1。荒漠土和粉煤灰基本理化性质见表1。

表1 样品基本理化性质

1.3 试验设计

1.3.1 配置土硬度试验

将粉煤灰(F)过60目筛，已过筛的粉煤灰为细粉煤灰(FF)，未通过的为粗粉煤灰(CF)，不做过筛处理的粉煤灰为原粉煤灰(UF)。

试验采用荒漠土(D)+40%粉煤灰(即荒漠土∶粉煤灰(质量比)=60∶40)、荒漠土+20%粉煤灰、荒漠土+10%粉煤灰、荒漠土+5%粉煤灰共4组；各组中，粉煤灰又分为粗粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰，共计12个处理，每处理重复3次。各处理及其编号为：荒漠土+40%原粉煤灰(DUF40)、荒漠土+ 40%粗粉煤灰(DCF40)、荒漠土+40%细粉煤灰(DFF40)；荒漠土+20%原粉煤灰(DUF20)、荒漠土+20%粗粉煤灰(DCF20)、荒漠土+20%细粉煤灰(DFF20)；荒漠土+10%原粉煤灰(DUF10)、荒漠土+10%粗粉煤灰(DCF10)、荒漠土+10%细粉煤灰(DFF10)；荒漠土+5%原粉煤灰(DUF5)、荒漠土+5%粗粉煤灰(DCF5)、荒漠土+5%细粉煤灰(DFF5)。

将300 g配置土装入大小相同的恒重后的无孔杯中，加入100 ml蒸馏水，放置7 d后，用硬度计(TYD-2，浙江托普仪器农科技有限公司)测量其硬度。

1.3.2 配置土保水性试验 根据土壤硬度试验结果，下述试验材料均为荒漠土和原粉煤灰(即未进行过筛处理，下文称为粉煤灰)。采用荒漠土+40%粉煤灰(DF40)、荒漠土+20%粉煤灰(DF20)、荒漠土+10%粉煤灰(DF10)、荒漠土+5%粉煤灰(DF5)4个处理，以高8 cm、直径9 cm的无孔杯盛装配置土，每杯混合后的样品重为300 g。为了分析在荒漠土表面覆盖火烧石是否能有效降低土壤中水分的蒸发，另设4个处理是在前述4个处理的配置土表面覆盖火烧石(即DF40S、DF20S、DF10S、DF5S)，共8个处理。所覆火烧石厚约3 cm，面积约15～20 cm2，覆盖面积达无孔杯杯口总面积的80%。每处理重复3次。用分析天平进行称量，先将300 g配置土装入恒重后的无孔杯中，测量杯重；再加入蒸馏水达配置土最大饱和含水量，记录杯重，得出加水质量。随后每24 h用分析天平测量1次杯重，直至杯重不发生明显变化为止，共计11 d，通过计算得出每日失水量。失水量及总失水率计算公式如下：

当日累计失水量(g)

=首日加水后的杯重(g)-当日杯重(g)。

总失水率%

选择总失水率及当日累计失水量较低的2组进行层析柱试验。将配置土样品填入高60 cm、直径为5 cm的层析柱中，填充750 g配置土并压实，自层析柱顶端加入400 ml蒸馏水，记录通过层析柱流出的蒸馏水体积及所消耗的时间。

1.3.3 小区试验 为了验证配土方案的合理性和有效性，2019年4—8月在大南湖二矿生活区进行小区试验。挖掘长1.5 m、宽1 m、深0.3 m的土坑12个，用配置土填埋土坑，即为种植坑。4个处理分别是荒漠土(CK)、荒漠土+覆石(DS)、荒漠土+10%粉煤灰(DF10)、荒漠土+10%粉煤灰+覆石(DF10S)。每处理重复3次。所覆火烧石为大南湖煤矿伴生矿石，选择的单个火烧石规格为厚3～5 cm、面积约300～500 cm2，覆盖面积为小区面积的80%。

2019年5月1日种植苏丹草(Sorghumsudanense(Piper) Stapf.),未覆石处理组采用条播方式，覆石处理组采用撒播方式，先覆石后种草，将种子撒播在石缝中，每个种植坑播种300粒。每小区每次浇水量相同，均为5 L，间隔3～12 d，每月浇水4～5次。灌溉水为大南湖二矿生活污水处理厂生产的中水。灌溉后连续4 d在6∶30及15∶30测定各小区土壤含水率和地表温度。2019年8月4日收割苏丹草，测定株高及地上和地下部分生物质量(干质量)。

1.4 测定指标及方法

土壤含水率用顺科达TR-6D土壤水分测定仪测定；地表温度用福禄克红外测温仪测定；土壤硬度用托普TYD-2数显土壤硬度计测定；碱解氮采用碱解扩散法[6]、速效磷采用碳酸氢钠浸提-硫酸钼锑抗比色法[6]、有机质采用重铬酸钾外加热法[6]、土壤容重采用环刀法[6]，测定方法均参考《土壤农化分析》[6]。

1.5 统计方法

用Microsoft Excel 2016软件，SPSS 19.0软件、Origin 2017软件进行分析、画图。

2 结果与分析

2.1 配置土的硬度

荒漠土与不同比例粉煤灰混合处理硬度结果见图2。未混合处理的各物质硬度从大到小的顺序是荒漠土>细粉煤灰>原粉煤灰>粗粉煤灰。荒漠土硬度最大，与粉煤灰差异显著(p<0.05)；原粉煤灰、粗粉煤灰、细粉煤灰其硬度相对较小，且不同粒径粉煤灰之间硬度差异不显著(p>0.05)。

各配置土样硬度从大到小顺序为：5%粉煤灰+荒漠土>10%粉煤灰+荒漠土>20%粉煤灰+荒漠土>40%粉煤灰+荒漠土，可见在土壤中添加粉煤灰越多，土壤硬度越小。荒漠土+40%原粉煤灰硬度最小，且与5%、10%粉煤灰的处理差异显著(p<0.05)。但是，在荒漠土中添加10%、20%原粉煤灰与荒漠土相比也可显著降低荒漠土的硬度(p<0.05)。

在混合处理中，每组处理的硬度的顺序都相同，即粗粉煤灰+荒漠土>细粉煤灰+荒漠土>原粉煤灰+荒漠土。原粉煤灰+荒漠土硬度最小。鉴于此，下述试验所用粉煤灰均未进行过筛处理。

2.2 配置土的保水性

配置土保水性结果见图3。未覆石处理组中荒漠土+20%粉煤灰、荒漠土+10%粉煤灰2个处理的当日累计失水量最低，且相差不大；在覆石处理组中荒漠土+10%粉煤灰处理当日累计失水量最低。覆石处理组当日累计失水量均低于未覆石处理组。

图4为配置土表面覆石与未覆石处理组总失水率。由图4可以看出，无论在荒漠土中添加粉煤灰的量为多少，覆石处理均显著降低土壤的总失水率(p<0.05)。覆石处理组失水率仅为未覆石处理组的43.8%～58.8%，其中荒漠土+10%粉煤灰+覆石总失水率最低。可见土壤表面覆盖火烧石对土壤保水起改良作用，这是因为表面覆盖火烧石可以显著降低土壤中水分的蒸发。

由表2可知，从流出体积来看，层析柱试验中荒漠土+10%粉煤灰和荒漠土+20%粉煤灰的配置土差异不大，均多于荒漠土(CK)，但是其流出时间显著高于荒漠土(CK)，流出速率显著低于荒漠土(CK)(p<0.05)。这可能是因为粉煤灰的添加降低了荒漠土的容重，增加了其孔隙度，从而改变了荒漠土的导水、保水性。

表2 层析柱试验结果

适宜的土壤紧实度有利于种子萌发、植物生长，但由于试验地地处荒漠戈壁滩，沙尘暴频发，土壤硬度过小易使表层土成为沙暴的来源。因荒漠土本身为碱性，pH为8.62，而粉煤灰碱性更强，pH为9.63，粉煤灰添加量多会加剧土壤的碱性。因此尽管荒漠土+40%粉煤灰土壤硬度最小，但并非最佳选择。荒漠土+10%粉煤灰的处理可以显著降低荒漠土硬度；荒漠土+10%粉煤灰+覆石处理可显著降低土壤失水率。综上所述，小区试验选择的是“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”处理方式。

2.3 配置土对苏丹草生长的影响

为了验证上述土壤配置方案的有效性，2019年4—8月在大南湖二矿生活区进行了小区试验，种植了苏丹草。对“荒漠土”小区和“荒漠土+10%粉煤灰”小区表层土(0～20 cm)进行采样，分析其理化性质。

从表3可知，“荒漠土+10%粉煤灰”小区的土壤硬度显著低于荒漠土(CK)，降低5.94 kg·cm-2。粉煤灰的添加增大了土壤孔隙度，使“荒漠土+10%粉煤灰”小区土壤容重显著低于荒漠土(CK)。由于粉煤灰pH值高于荒漠土，添加10%粉煤灰显著增加小区土壤的pH；碱解氮显著降低；速效磷显著增加(p<0.05)，其增加量为5.19 mg·kg-1；有机质含量高于荒漠土，但未达到显著水平(p>0.05)。

表3 小区配置土理化性质

表4显示了2019年 5月1日 灌溉后连续4 d土壤含水率变化。从表4可知，随着时间的推移，由于土壤水分的蒸发，土壤含水率持续降低，未经任何处理的荒漠土(CK)含水率在第4天清晨仅为2.93%。“荒漠土+10%粉煤灰”小区在灌溉后第1天土壤含水率低于CK，但从第2天下午起略高于CK，至第4天清晨仅为4.23%，但是高于CK；土壤表面覆石后显著提高了土壤含水率，特别是“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”处理，石缝中在第4天清晨土壤含水率仍有10.17%，与CK相比含水率增加5.93%～10.84%。可见在荒漠土添加10%粉煤灰并且进行覆石处理在保水方面效果显著。

表4 小区土壤含水率分析/%

从表5可知，“荒漠土+覆石”小区石缝中地表温度与荒漠土(CK)裸地温度相比存在温度差。在第1～4天的清晨6∶30，石缝中地表温度略高于裸地温度，其温度差约为2℃～3℃；而在下午15∶30，则显著低于裸地温度，两者相差2.37℃～11.57℃。从第2天起，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小区石缝中地表温度均显著低于荒漠土(CK)裸地温度，且随着灌溉后时间的推移，下降程度更加显著。特别是7月3日(D3)15∶30“荒漠土+10%粉煤灰”小区，当裸地表温度达到60.27℃时，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小区石缝里温度仅为46.80℃，降低了13.47℃。总体看来，在第1～3d的下午15∶30 ，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小区石缝中地表温度与荒漠土(CK)裸地温度相比下降2.07℃～12.57℃。

表5 小区土壤地表温度分析(7月1日—4日)/℃

另一方面，覆石小区昼夜温差小于未覆石小区。以D3为例，“荒漠土+10%粉煤灰”小区6∶30与15∶30地表温差高达35.60℃，而“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小区石缝处地表温差为20.53℃，两者相差15.07℃。“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小区与荒漠土(CK)相比，昼夜温差减少了4.54℃～14.17℃。

各处理小区苏丹草出苗率和长势分析见表6。从出苗率来看，添加10%粉煤灰以及土壤表面覆石均提高了苏丹草的出苗率，但与荒漠土(CK)相比差异不显著。这可能与该处理方式降低了土壤硬度、提高了土壤含水率有关。

表6 各处理小区苏丹草出苗率和长势分析表

植物株高分析结果显示：荒漠土+10%粉煤灰+覆石>荒漠土+10%粉煤灰>荒漠土+覆石 >荒漠土(CK)；地上部生物量分析结果显示：荒漠土+10%粉煤灰+覆石>荒漠土+覆石>荒漠土+10%粉煤灰>荒漠土(CK)，并且均差异显著(p<0.05)。其中，荒漠土+10%粉煤灰+覆石是株高和地上部生物量最大的处理，显著高于荒漠土(CK)，其株高是CK的1.9倍，地上生物量是CK的5.9倍。从地下生物量来看，荒漠土+10%粉煤灰+覆石≈荒漠土+覆石>荒漠土+10%粉煤灰>荒漠土(CK)，覆石处理均显著高于未覆石处理(p<0.05)，其地下部生物量是CK的2.7倍。

图5显示了各处理小区苏丹草长势，照片摄于2019年7月2日。图5A是荒漠土上苏丹草长势，可见植株稀疏、矮小，部分植株已经枯萎；土壤盐渍化严重。长势最好的是荒漠土+10%粉煤灰+覆石(图5D)，不仅出苗率较高，而且植株生长旺盛，土壤表面盐渍斑较少，与CK相比优势显著。可见“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”是有效的保水配方。这是因为添加粉煤灰提高了速效磷和有机质含量，覆石处理有效涵养了土壤水分。由于苏丹草的种子播撒在石缝里，植株生长于石缝中，在试验地夏季极端高温干旱的环境条件下，石缝构成的微环境温度显著低于裸地温度且土壤含水量较高，植株生长条件显著好于裸地；昼夜温差较小，避免了温度骤升骤降给植物带来的伤害。

3 讨 论

本试验旨在通过干旱区煤矿及其煤电厂废弃物粉煤灰、火烧石配合当地荒漠土，为植物生长构筑优于其原生态的微环境。粉煤灰粒细质轻、多孔松散、比表面积大、活性基团较多且吸附能力较强[7]，能够促进土壤颗粒的团聚作用。荒漠土在未经改良的情况下，硬度较大，其有机质含量较低。在粉煤灰和荒漠土混合过后，改变了土壤容重，使土壤结构疏松，粉煤灰所占的比例越大，其土壤硬度越小[8-10]，说明粉煤灰对于土壤的硬度有着明显的改善。

粉煤灰与荒漠土混合后，能够改善土壤的孔隙状况，增大了土壤的吸水性。Malaya和赵亮等[11-12]发现，由于粉煤灰的添加改变了荒漠土孔隙分布状况，造成总孔隙度减少和毛管孔隙比例升高，而孔隙分布状况的变化又致使土壤毛管力增强和重力作用减弱，因而造成土壤交界面上下层土壤对水分吸持能力明显不同，土壤水分可以更加有效地贮存在交界面上层的粉煤灰改良层。刘莉等[13]研究也提到：正因为粉煤灰的特殊形态和微观结构，粉煤灰具有良好持水和蓄水功能，水多时孔洞可以蓄水，水分少时由于其连通性、毛细管作用，储存的水又可以释放出来，因而其保水性具有持续性。尽管粉煤灰主要为玻璃质，但从炉膛出来的原灰表面有大量的 Si-O-Si键，经与水作用后，颗粒表面将出现大量的羟基，使其具有明显的亲水性。二者按照适当比例混合后可以提高土壤保水性能，同时保证其透气性，有助于作物生长[14]。

有学者发现粉煤灰成分中含有较多的有机质，从而在量上增加了土壤有机质含量，使得土壤结构得到改善，有效地提高土壤自身的氮、磷、钾 等微量元素含量[15-19]。粉煤灰也同时影响农作物的氮化作用和硝化作用，粉煤灰掺入耕作层使植物中氮含量增加[20]。王长磊[21]利用粉煤灰改良土壤，以不同覆土厚度下的小麦生物量为研究指标，发现粉煤灰的添加可以补充土壤微量元素，增加土壤营养成分，达到农作物增产的效果，其营养状况在0～38 cm的土层处有显著改善。本试验结果证实，添加10%粉煤灰使得土壤速效磷显著增加(p<0.05)，有机质含量高于荒漠土，植物长势较好。

在同等灌溉条件下，以3种配置土处理方式种植苏丹草，从出苗率、株高、地上生物量、地下生物量等方面看，均优于不加处理的荒漠土(CK)，特别是“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”处理，长势显著好于其他处理及CK。通过地表温度、土壤含水率测定结果发现，土壤表面覆盖火烧石有效地减少了水分蒸发量。这是因为土壤温度变化小，有利于根系生长，降低蒸腾效率，减少覆盖区内水分无效损耗。孙颖等[22]的研究也验证了覆石能降低土壤表层和深层温度，但愈接近表层降温效果愈显著。火烧石覆盖的作用在于调节土壤温度和水分、促进养分分解，并有效地保护植物根部，减轻阳光直射而产生“日灼”伤害，减轻沙暴对植株根部的侵蚀。对比传统的保墒促苗方式如覆盖农膜、覆盖草帘等[23-25]，覆石法更适于在干旱、高温、多风的地区用于绿化。其优势在于：一是取材方便，粉煤灰和火烧石均为干旱区煤矿及其发电厂的废弃物，成本极低；二是火烧石是天然的石材，不会像地膜那样对环境产生二次污染[26]；三是利于抵御大风等恶劣天气条件。

由此可见，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”实为一种有效的保水、促苗配土方式，且实施方式简便易行。但在实施过程中，由于喷灌和滴灌等灌溉方式不可避免地会将水分淋在火烧石表面而造成水分损失，建议采用渗灌的方式，将水管埋入覆石层地下10～15 cm处，并注意控制灌溉水量，以浸润土壤为度，这样既可提供植物所需水分，也不会对土壤表层以下的盐壳层造成淋溶破坏，从而避免土层坍塌的现象出现。栽种的植物以耐旱耐盐碱植物为宜。

4 结 论

1)在荒漠土中添加粉煤灰可降低土壤的硬度。“荒漠土+40%粉煤灰”的配置土硬度最小，但“荒漠土+10%粉煤灰”、“荒漠土+20%粉煤灰”也可显著降低荒漠土的硬度(p<0.05)。

2)土壤表面覆盖火烧石能够防止水分的蒸发，显著降低了土壤的失水率。各处理中以“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”保水性能最佳。

3)通过小区试验种植苏丹草，结果表明：“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小区，由石缝构成了苏丹草生长的微环境，在浇水后第4天6∶30土壤含水率仍有10.17%，是荒漠土(CK)含水率的3.46倍；15∶30时地表温度显著低于裸地温度，昼夜温差小。苏丹草长势显著好于荒漠土(CK)，其株高是CK的1.9倍，地上生物量是CK的5.9倍，地下生物量是CK的2.7倍。

综上所述，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”处理为植物生长构筑了优于其原生态的微环境，是一种有效的保水、促苗配土方式。