吕春娟，毕如田，陈卫国，秦俊梅，王 瑾



土壤结构调理剂PAM对复垦铁尾矿砂物理性状的影响

吕春娟1，毕如田1，陈卫国2，秦俊梅1，王 瑾1

（1. 山西农业大学资源环境学院，太谷 030801； 2. 山西农业大学生命科学学院，太谷 030801）

聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是一种常见的土壤结构调理剂，但在尾矿复垦中却少有应用。该文通过室内土柱模拟试验，采用干混法在铁尾矿砂中加入PAM，设置0%（对照）、0.05%、0.10%和0.20%共4种质量浓度PAM，观测PAM对铁尾矿砂物理性状的影响。结果表明：1）除总孔隙度之外，对照与混合PAM尾矿砂的容重、毛管孔度和毛管持水量差异显著（<0.05）。2）随着尾矿砂毛管水上升高度增加，PAM质量浓度越大，含水率下降的趋势越缓慢，但含水率的变异性却越大，变异系数从1.22%（10 cm）增大到7.13%（40 cm）。3）PAM会极显著抑制尾矿砂毛管水上升高度（<0.01）但PAM质量浓度不同，抑制程度不同。据此可将上升曲线分为3个阶段：第1阶段，0～5 min，上升高度相似阶段；第2阶段6～25 min，上升高度分异阶段；第3阶段30～420 min，上升高度变化规律相对稳定阶段。毛管水上升高度随时间变化呈现幂函数增加趋势，上升速率随时间变化呈现幂函数减小趋势。4）在自然通风状态下，72小时内不同PAM质量浓度尾矿砂的含水率均持续降低，纯尾矿砂含水率的降低幅度最大，从37.53%减少到35.60%；PAM质量浓度为0.20%的尾矿砂含水率降低幅度最小，从37.40%减少到36.67%。因此，PAM的合理使用能够有效改善尾矿砂的物理性状和水分运移，为无土区的植被恢复创造适宜的生长条件。

土壤；孔隙度；土壤改良剂；聚丙烯酰胺；复垦铁尾矿砂；保水性；毛管水运移

0 引 言

据金属尾矿综合利用专项规划（2010－2015年），中国现有尾矿库12 718座，其中在建尾矿库为1 526座，占总数的12%，已经闭库的尾矿库1 024座，占总数的8%，铁尾矿堆存量占全部尾矿堆存总量的近1/3。由于中国铁矿资源总体上属于贫铁矿，采掘量大，排弃量多，综合利用率低，不足7%，与中国尾矿的综合利用率10%有一定的差距，更是远远低于世界尾矿平均利用率60%[1-2]。生态修复是一个矿区持续发展的重要管理措施[3]，中国的土地复垦面临着“旧账未还、新账又欠”的严峻形势，及时重建生存空间，是实现产业转型的环境基础[4]。

铁尾矿砂昼夜温差大，颗粒凝聚力弱，持水力差，湿时粘重，透气性不良，干时板结紧实，严重地抑制了植物根系的生长。聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）作为一种已经发现和广泛应用的土壤结构调理剂，水溶性好，无毒，具有良好的絮凝性，与土壤颗粒有效结合，减少径流侵蚀中泥沙的沉积[5]，缓解土壤表层结皮形成[6-7]，使土壤能够保持良好的通透性，增加土壤团聚体数量[8-10]，提高土壤渗透率[11]，增加土壤的临界抗剪切强度[12]，减少土壤侵蚀[13-15]，抑制土壤水分蒸发[16]，而在微咸水入渗条件下，PAM能够降低土壤入渗速率，增加土壤保水性能[17]。也有部分学者研究PAM与磷石膏（hosphogypsum，PG）或者多糖（polysaccharide，PS）[6,18]混合使用对坡面径流侵蚀的抑制效果，但是这些研究主要基于PAM对原地貌土壤的结构改良或者灌溉条件下或者自然降雨条件下由于土壤封闭或者地表结皮而引起的径流侵蚀[5,7,14]。而从矿区复垦基质改善的角度研究很少，特别是PAM改善铁矿尾矿库的研究尚未见报道。不同的土壤类型或者复垦基质对于PAM的应用效果都会产生很大影响[7-8]。本文基于山西垣曲县的铁尾矿砂生态恢复基地，初次尝试将PAM与铁尾矿砂混合后，从尾矿砂的物理性状变化、水分运移和保水性等方面，研究PAM对铁矿砂物理性状的改善效应，以便为矿区植被恢复特别是无土复垦提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料主要有铁尾矿砂（S）和土壤结构调理剂聚丙烯酰胺（PAM）。

铁尾矿砂采自山西省运城市垣曲县国泰矿业有限公司泉子沟干排尾矿库，为野外铁矿干排尾矿砂定位生态恢复试验基地，供试尾矿砂取回后，放置阴凉处自然风干，备用。尾矿砂颗粒均小于2 mm，根据土工试验规程首先对所取尾矿砂300 g进行基本的颗粒分析试验，尾矿砂试样分别通过1、0.5、0.25和0.075 mm的标准筛进行筛分，多组试验测试，颗粒筛分试验结果如表1，>0.075 mm的颗粒质量超过总质量的50%，因此该尾矿砂为尾粉砂。铁尾矿砂密度测定值为2.75 g/cm³。

表1 铁尾矿砂的颗粒组成

据研究[19]，阳离子网状PAM，吸水性强，一般用作土壤保水剂。阴离子线型PAM，分子链较长，一般用作土壤结构调理剂，改善土壤结构，控制侵蚀。本试验中铁尾矿库区缺土，坡度陡，降水量相对较丰富，复垦过程中主要的问题是铁尾矿砂的结构不良导致的坡面水土流失，因此选择分子量1 000万的阴离子型聚合物聚丙烯酰胺，由河南巩义市福泰净水材料有限公司生产，是一种水溶性线型高分子聚合物，其单体为丙烯酰胺。外观上是一种白色细沙状粉末（2.36～3.35 mm），水溶性良好，不易溶于大多数的有机溶剂，具有良好的絮凝性。

1.2 试验设计及测定方法

为了便于在铁尾矿复垦中应用，采用干混法，将聚丙烯酰胺PAM与尾矿砂以0%、0.05%、0.10%、0.20%共4种质量浓度混合均匀后，按照尾矿砂的原容重1.65 g/cm3，分层（5 cm）装入有机玻璃圆柱形模拟柱内，装土设计高度为40 cm。每个处理3个重复。采用室内土柱模拟法测定不同PAM质量浓度下铁尾矿砂毛管水运移规律、保水性及容重和孔隙度的变化情况。

根据水利部发布的《土工试验规程SL237-1999》[20]，采用正水头作用的方法测定毛细管水上升高度。有机玻璃模拟柱壁厚5 mm、直径10 cm、高100 cm；圆柱底部均匀分布直径1 mm小孔，便于均匀吸收水分；玻璃柱外壁贴有刻度尺，记录毛管水运移高度。装土时先在玻璃柱底部装入2 cm高的石英砂，在石英砂上垫一张同样直径的滤纸，然后分层装土，并用捣棒轻轻捣实，相邻2层之间要刮毛，直至装土高度达到设计高度。将装好的土柱竖直放入水槽中，注水，使水槽中水面刚好接触土柱底部土层，用马氏瓶供水，保持水槽中水位不变。毛管水上升高度采用先密后疏的时间记录方法，开始计时前20 min，每1 min记录1次毛管水上升高度（高度从槽中水面算起）；20 min后每5 min记录1次；40 min后每10 min测1次；210 min后，每0.5 h测1次，一直观测到420 min，上升速率稳定为止。待土柱中的毛管水上升至设计高度后利用称质量法测定毛管持水量，并用水分测定仪测定土柱不同高度的体积含水率。随后增加水槽水位至略低于40 cm，使玻璃柱中的土柱达到饱和含水率，观察土柱中尾矿砂体积变化，根据常规方法测定尾矿砂的容重和孔隙度[21]，分析PAM对容重和孔隙度的影响。之后排除水槽中的水，在自然状态下每24 h记录土柱质量变化，分析PAM的保水性。

1.3 数据处理

研究中的方差分析、回归统计等采用SPSS18.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 PAM对铁尾矿砂容重和孔隙度的影响

尾矿砂土柱饱和过程中发现纯铁尾矿砂在水分饱和前后体积并无明显变化，而加入了PAM的铁尾矿砂水分饱和后体积有了不同程度的变化，具体为：加入了0.05% PAM铁尾矿砂土柱高度增加了1.05 cm，加入了0.10% PAM的铁尾矿砂高度增加了1.88 cm，加入了0.20% PAM的铁尾矿砂土柱高度增加了3.16 cm。因此铁矿砂的物理性状发生了不同的变化（表2）。

表2 4种PAM质量浓度铁尾矿砂的容重和孔隙度

注：同一列中不同小写字母表示差异显著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters in same column refer to significant difference at 0.05 level.

尾矿砂容重为1.65 g/cm³，总孔隙度为40.0%，毛管孔隙度为23.43%，与一般的耕作土壤或者林地土壤相比，容重偏大，总孔隙度偏小，不利于作物根系的生长和土壤水分的运移。加入0.05%、0.10%和0.20% PAM后，随着PAM浓度的增大，容重依次比原尾矿砂减小1.82%，3.03%和4.85%；总孔隙度依次增加2.75%，4.50%和7.25%；毛管孔隙度依次增加13.39%，25.03%和27.54%。LSD多重比较结果表明，除添加0.05%PAM的总孔隙度外，添加PAM后，容重、毛管孔隙度和毛管持水量均比原尾矿砂显著改善（<0.05）（表2），说明PAM可以在一定程度上改善尾矿砂物理性状，促进植被的恢复。

2.2 PAM对毛管水垂直运移特征的影响

尾矿坝的毛细作用会改变坝体材料的物理力学特性，影响坝体的稳定和安全，但是对于干排尾矿库内的植被恢复，其毛细作用又是植被利用深层尾矿砂水分的重要途径。

图1为0%、0.05%、0.10%和0.20% 共4种PAM质量浓度尾矿砂含水率随毛管水上升高度的变化。可以看出毛管水上升高度10 cm处，4种PAM质量浓度尾矿砂的体积含水率差别不大，变化范围为28.2%～29.0%，变异系数仅为1.22%；在40 cm高度处，4种PAM质量浓度的含水率变化范围为19.8%～23.3%，变异系数增大为7.13%。结合图1不同高度体积含水率的变化可知40 cm处含水率变异系数增大的原因主要是纯尾矿砂的体积含水率显著减小，而添加了PAM的尾矿砂含水率却出现了差异性的变化，PAM质量浓度越高，毛管含水率也越高。随着毛管水上升高度的增加，4种质量浓度尾矿砂含水率均呈现下降的趋势，而且PAM质量浓度越大，含水率下降的趋势越缓慢。0%、0.05%、0.10%和0.20% 4种PAM质量浓度不同高度尾矿砂的平均体积含水率分别为21.05%、21.20%、22.05%和23.55%，变异系数为17.24%、16.84%、13.30%和11.32%。可以看出PAM质量浓度越大，不同高度平均体积含水率越高，变异系数越小，即毛管水上升的高度越高，越能凸显PAM提升水分运移的能力，结合表2毛管孔隙度的变化，充分说明PAM能够增加尾矿砂毛管水上升运移作用和持水能力。

2.3 PAM对毛管水上升高度及上升速率的影响

图2为0～420 min 4种PAM质量浓度尾矿砂毛管水上升高度随时间的变化情况，为了进一步观察毛管水上升初始阶段PAM的影响，将0～30 min内的变化提炼出来进一步分析。

PAM质量浓度为0%、0.05%、0.10%和0.20%的尾矿砂在420 min毛管水上升高度分别为25、14.3、14.5和14.4 cm，差异极显著（<0.01）。但上升过程中不同PAM质量浓度对毛管水抑制作用存在一定的变化，据此将上升曲线分为3个阶段（图2）：第1阶段，0～5 min，上升高度相似阶段。4种质量浓度曲线没有显著差异（=0.837），即PAM在毛管水刚开始上升的5 min内对毛管水上升高度影响不显著；第2阶段6～25 min，上升高度分异阶段。在这个阶段，可以看到4种PAM质量浓度的尾矿砂毛管水同一时间上升高度开始出现差别，并且差别越来越大，方差分析差异极显著（<0.01），毛管水上升高度从大到小整体表现为0%、0.05%、0.20%、0.10% PAM；第3阶段30～420 min，上升高度变化规律相对稳定阶段。30 min后，PAM质量浓度为0.20% 的尾矿砂毛管水上升高度逐渐超过0.05%，一直到420 min试验结束，毛管水上升高度从大到小均表现为0%、0.20%、0.05%、0.10% PAM，且差异极显著（<0.01）。在整个上升过程中，任意时间点也是纯尾矿砂中的毛管水上升高度最大，充分说明添加PAM后，抑制了尾矿砂中毛管水的运移速率。

表3 4种质量浓度PAM尾矿砂毛管水上升高度、上升速率与时间的最佳方程

注：为尾矿砂毛管水上升高度，cm；为铁尾矿砂毛管水上升速率，cm·min-1；为毛管水上升时间，min。

Note:is the rising height of capillary water of tailings, cm;is the rising rate of capillary water of tailings; cm·min-1;is the rising time of capillary water, min.

4种PAM质量浓度尾矿砂的毛细带中毛管水上升高度随浸润时间延长均呈现增加的趋势（图2），经回归方程拟合优度检验、回归方程显著性检验和回归系数显著性检验的三重检验，二者的最佳函数关系为幂函数关系（表3）。其他研究中因土壤类型、土粒粗细、压实度、初始含水率等因素的影响，具体的变化过程不尽相同，二者的关系具体体现为幂函数或者对数函数[22]，或者对数坐标下的二次多项式[23]，或者分段函数[24]，但变化趋势与本研究结果类似。

对毛管水上升高度与时间的拟合方程求导数，得出4种PAM质量浓度尾矿砂毛管水的上升速率函数（表3）。可以看出4种质量浓度尾矿砂毛管水上升速率随时间延长呈现幂函数降低趋势。0%、0.05%、0.10%和0.20% PAM质量浓度的尾矿砂毛管水上升速率范围为0.008 3～0.865 6 cm/min，平均上升速率分别为0.16、0.10、0.08和0.11 cm/min。单因素方差分析不同质量浓度间上升速率差异显著（<0.05），进一步LSD多重比较表明，对照和添加了PAM 3种尾矿砂毛管水的上升速率差异显著（<0.05），但3种PAM质量浓度间差异不显著（>0.05）。

2.4 PAM对尾矿砂保水性的影响

在前期近2 a的盆栽试验中发现铁尾砂的保水性非常差，同样灌水的条件下，尾矿砂的水分散失比其他复垦基质要快得多，因此在毛管水上升试验结束后，将土柱充分饱和后放置于室温下，自然通风，利用称质量法测定其PAM对水分的保持能力。

4种PAM质量浓度的尾矿砂水分饱和后，在自然通风状态下连续测定72 h（图3），可以发现不同PAM质量浓度尾矿砂的含水率均持续降低，但降低的幅度不同，纯尾矿砂从37.53%减少到35.60%，水分损失率最大，为5.14%；PAM质量浓度为0.05%和0.10%的尾矿砂含水率的变化幅度相近，分别从38.07%、37.93%减少到36.60%和36.73%；PAM质量浓度为0.20%的尾矿砂从37.40%减少到36.67%，水分损失率最小，为1.96%。说明在相同的外界条件下PAM具有抑制水分散失的能力，表现为质量浓度越大，保水性越强（图3）。

从图3可以看出，特别是0.20% PAM质量浓度的尾矿砂初始含水率最低，但是72 h含水率却接近最高，进一步说明时间越长，PAM的保水性越能体现出来。如果这种水分是植物可利用的有效水分，复垦尾矿砂中加入PAM将是解决土石山区尾矿砂复垦植被水分缺乏的一个有效途径。杨永辉等[25]研究也证实在一定的土壤含水率下施加PAM能够抑制土壤水分的蒸发，其主要原因在于它改善了铁尾矿砂粒的孔隙组成，增加了毛管孔隙，同时根据PAM的化学组成结构可以发现PAM含有亲水基团，可以吸附水分子使其不易挥发。当然在尾矿砂中这种质量浓度限值，还需要进一步的试验。

3 讨 论

3.1 PAM改善尾矿砂物理性状的浓度限值

PAM对土壤的物理性状有一定的改善作用，但并不是浓度越大改善效果越好，韩凤朋等[26]在黄土高原自然坡面上撒施0～3 g/m2PAM，发现PAM浓度在0～2 g/m2范围内可以减小土壤体积质量，增加土壤饱和导水率，但当用量超过2 g/m2后土壤体积质量开始增加，饱和导水率开始降低。本研究中发现PAM对尾矿砂中毛管水上升速率的抑制作用并不是随质量浓度增大而持续增大的，而是有一定的浓度范围限制，0.10%尾矿砂对毛管水的抑制作用最强，其次为0.05%，而PAM质量浓度最高的0.20%尾矿砂，反而抑制作用最弱，但是方差分析差异并不显著；在容重和孔隙度、抑制水分散失方面都未发现浓度限值，因此还需要进一步增加PAM浓度梯度研究。

3.2 PAM与尾矿砂水分接触时间对毛管水上升速率的影响

不同质量浓度PAM尾矿砂毛管水上升过程中，其相对速率大小会发生变化，即不同质量浓度PAM对尾矿砂毛管水上升高度的抑制程度会发生变化（图2），可能是因为PAM在与水分接触过程中其结构不断发生变化所致，本试验中使用的PAM是白色细沙状粉末，相关研究表明[27]，这种PAM遇水溶解后由颗粒状变为多枝纤维状，与分散的尾矿粒相互吸附，相互交织，充当了尾矿砂中胶结剂的作用。在PAM与水分接触的过程中，其体积膨胀的程度不同，而且PAM质量浓度不同，和尾矿砂粒形成的空间结构体可能也有差异，这些因素都可能会改变尾矿砂的孔隙组成，从而影响水分在尾矿砂中的运行。这需要对其结构体显微观测来进一步验证。

3.3 PAM改善土壤物理性状的其他影响因素

除本试验中涉及的PAM浓度和与水分接触时间会影响PAM的改良效果，PAM形态与施用方法也会对PAM 效果的产生影响[28]，目前大多数研究PAM采用溶于灌溉水[29]或者PAM溶解于水后喷施[5,30]或者撒施[26]于土壤表面，本试验中考虑到铁尾矿砂的实际情况，没有灌溉条件和节约人工，采用干粉混施的方法，便于实施。PAM的类型和分子量大小也会影响其作为土壤结构调理剂的效果[19]。因此根据土壤改良目的，选择适宜的PAM非常重要。

4 结 论

1）随着聚丙烯酰胺质量浓度增加，容重依次减小，总孔隙度和毛管孔隙度依次增加，但在本试验中尚未发现最佳的使用量。

2）4种聚丙烯酰胺质量浓度尾矿砂的含水率均随着垂直上升高度增加含水率减少，但聚丙烯酰胺质量浓度越大，减小的趋势越缓慢。

3）尾矿砂毛管水上升高度随时间变化呈现幂函数增加趋势，上升速率随时间变化呈现幂函数降低趋势；聚丙烯酰胺会显著（<0.05）抑制毛管水的运移速率。

4）聚丙烯酰胺具有抑制尾矿砂水分散失的能力，质量浓度越高，保水性越强。

5）采用干混法，在0%~0.20%范围内，0.20%聚丙烯酰胺质量浓度最利于尾矿砂的物理性状改善，保水性最强，但尾矿砂中聚丙烯酰胺的浓度限制还需要进一步的试验。

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Effect of soil structure conditioner PAM on physical properties of iron tailings in reclaiming

LüChunjuan1, Bi Rutian1, Chen Weiguo2, Qin Junmei1, Wang Jin1

(1.030801,;2.030801,)

Polyacrylamide (PAM) is a common soil structure conditioner, but it is seldom applied in the reclaiming of iron tailings. In order to study the improvement effect of PAM on dry iron tailings, and promote the vegetation restoration on soilless mining area, PAM was added to iron tailings to form 4 mass contents of 0% (control), 0.05%, 0.10% and 0.20% respectively using dry mixing method. The physical properties of mixture were observed and measured by simulating water transporting in soil columns with 10 cm diameter. The results showed: 1) The physical properties of iron tailings added with PAM had some improvement compared to the control, and in the order of PAM mass contents of 0.05%, 0.10% and 0.20%, the bulk density decreased by 1.82%, 3.03% and 4.85%, the total porosity increased by 2.75%, 4.50% and 7.25%, and the capillary porosity increased by 13.39%, 25.03% and 27.54%, respectively. There was significant difference (<0.05) between the control and the tailings added with PAM. 2) As capillary water rose from 0 to 40 cm in the soil column, the volumetric water content of iron tailings under 4 PAM concentrations all tended to decline. The higher the PAM mass content of iron tailings, the slower the declining trend of volumetric water content with rising height, but the variation coefficient of tailings volumetric water content under 4 PAM mass contents got bigger and bigger from 1.22% to 7.13% with the height rising from 10 to 40 cm. 3) The rising heights of capillary water under 4 PAM mass contents were 25, 14.3, 14.5, and 14.4 cm respectively after the test lasted for 420 min, among which the difference was extremely significant (<0.01). But in the rising process, the inhibition ability of different PAM mass contents on capillary water was changeable, so the rising process was divided into 3 stages: Stage 1 (0-5 min), similar rising height for different PAM mass contents; Stage 2 (6-25 min), the rising height under 4 PAM mass contents showed obvious difference in the same rising time; Stage 3 (30-420 min), relative stable change of rising height for different PAM mass content. In the whole rising process of capillary water, the rising rate of the control was significantly higher than that added with PAM, but the difference of rising rate under 3 PAM mass contents was not significant. The accumulative rising height of capillary water increased with the time following the power function; the rising rate of capillary water decreased with the time following the power function. 4) In the condition of natural ventilation, the water content of iron tailing under different PAM mass contents reduced continuously, but the extent of reduction was different; the water content change of the control was the sharpest, from 37.53% to 35.60%, and the water content change for 0.20% PAM was minimum, from 37.40% to 36.67%. Therefore, PAM can improve the physical properties of iron tailings, inhibit water loss and create appropriate growth environment for vegetation restoration. The reasonable use of PAM is very beneficial to soilless ecological rehabilitation and erosion control.

soil; porosity; soil conditioner; polyacrylamide; iron tailings of reclamation; water retention; capillary water movement

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.031

S156.2

A

1002-6819(2017)-06-0240-06

2016-09-05

2016-12-14

国家青年科学基金（41401619）；山西省自然科学基金（2014011034-1）；山西农业大学引进人才科研启动项目（2014ZZ07）；山西省科技厅惠民项目（2013121005）

吕春娟，副教授，博士，主要从事土壤侵蚀与土地整治的研究。太谷 山西农业大学资源环境学院，030801。Email：lcjcwg@126.com