周杨，杨永刚

（1.山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006）

0 引言

土壤持水性是土壤水源涵养功能最重要的因素之一，其制约着土壤对水的贮存与吸附，尤其是受损矿区，土壤水分是稳定矿区生态系统的关键因子［1］。采矿过程表土剥离，土体开挖、运输与煤矸石压占致使矿区植被破坏严重、土壤结构与水文性质发生明显改变。由于人为采矿活动影响，受损矿区土壤容重被压实增大，土壤持水能力差，土壤生态环境恢复力低下，处于严重退化状态［2］。受损土壤生态修复一直是矿区亟待解决的科学问题。重构后的土壤条件决定着生态修复成败与产生效益的高低，提高矿区土壤持水能力是土壤基质重构中重要的一环，通过土壤重构措施恢复矿区被扰动土壤的水文性质，其对之后植被生长、溶质运移以及土壤环境的变化起着至关重要的作用［3］。根据当地现有土壤基质条件，将固体废弃物煤矸石与保水剂列为重构材料重新构造土壤物理结构性质，不仅减少煤矸石因无效利用堆积压占对矿区土壤破坏，还可在较短时间内恢复和提高矿区土壤水文性质，因此，确定土壤重构方式在矿区土壤水文修复中不仅具有重大意义，还是土壤修复过程中的核心任务与研究重点。

国内外学者多通过人为干预改善土壤环境进行矿区生态修复研究，研究工作多集中在采用不同试验方案（植物群落构建，植物物种选配和提升土壤肥力等）改善矿区受损土壤环境［4-6］，一些学者注重植被群落结构的恢复，但效果并不理想。在北方半干旱地区，水土流失、土壤水分蓄存量不足一直是植物作物生长的制约因素。相比自然恢复，人工造林并不适宜加速土壤生态修复，还可能因为土壤承载力不足造成植被退化。有些学者认为土壤基质恢复是决定生态修复成果的重要保证，因此需要不断提升土壤肥力，进而加快土壤理化性质的修复进程［7-8］，由于矿区土壤退化严重，植被破坏程度较大，上述方法需要数十年甚至更长时间才能恢复土壤水文环境。严重受损的生态系统修复需要与矿区采矿工艺、地质条件、土地恢复方向相适应，明确如何通过重构矿区土壤提升持水性，为构建适宜的植被群落以改善退化生态系统，使重构土壤最终发育并具有较好组分构造具有研究意义。王志刚等［9］通过对露天矿区排土场的土壤重构，发现黏土与表土进行1∶2配比不仅提高了土壤生产力和土壤持水性，在后期种植植物试验中发现重构土壤种植下的三叶草可以提高生物量以及对氮、磷、钾的吸收。Dunsford等［10］考虑了当地生产工艺可能造成的固体废弃物影响，将硫化铁矿中的泥炭作为重构土壤成分，发现能够提高荒地的土壤肥力和持水性能。矿区土壤水文性质及土壤结构复杂，且大多煤矿区受损极其严重，探究不同土壤重构方式对矿区土壤水文的影响，对改善矿区土壤生态水文环境及其对后期植物群落构建具有指导作用。

目前关于矿区生态修复研究多集中于单因素或多因素对原有土壤水文系统的影响，通过重构土壤水文性质来改善矿区土壤水文环境方面研究相对较少。本研究将山西古交煤矿区表土、煤矸石以及保水剂作为重构试验材料，通过表土、煤矸石、保水剂室内环刀充填实验，阐明不同重构方式下土壤持水性的差异规律，揭示土壤容重、煤矸石土壤复配比、保水剂添加量与重构土壤持水能力之间的关系，以期寻求最佳土壤重构模式，为矿区生态修复土壤基质重构提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省古交矿区，地处112°03′30″—112°06′12″E，37°56′35″—37°59′3″N，属温带大陆性气候，年平均气温9.6℃，年平均降水量426.1 mm，降雨集中在7—9月，年平均蒸发量2 093.8 mm。地形以山地为主，山地丘陵面积占全区面积的95.8%。研究区煤炭资源丰富且分布广泛，占总面积的47.6%。目前研究区正在进行矸石山削坡、覆土治理，进行挡矸墙、防洪排水建设以及生态绿化与周边矸石清理等工程，并种植油松、刺槐、沙棘等苗木进行植被修复。

1.2 样品采集与重构方案

2019年5月至2019年8月在试验区进行样品采集，清除土壤表面覆盖物，采集0～30 cm表土与矿区堆积的小粒径煤矸石，表土与煤矸石样品装入铝盒后封装，运回山西大学实验室内，在烘箱105℃条件下烘干12 h，确保表土与煤矸石内无残留水分，随后将表土和煤矸石使用粉碎机进行打碎研磨，煤矸石过5 mm孔径网筛选取小粒径进行试验，选用煤矸石粒径为0～5 mm，重构土壤所用的保水剂为北京汉力淼新技术有限公司提供的BJ-2101S型号，白色颗粒状，粒径大小为0.1 mm～0.25 mm，是经过脱钠处理的聚丙烯酸钠高吸水性树脂材料。

表1 重构土壤基质理化性质Table 1 Physical properties of reconstructed soil

表2 重构土壤基质土壤质地Table 2 Soil texture of reconstructed soil matrix

于2019年8月至9月用100 cm3环刀进行土壤重构填装试验，在环刀内通过控制煤矸石土壤复配总量分层充填，进行不同容重（1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3），不同煤矸石土壤复配比（1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5），不同保水剂添加量（质量分数为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%）进行试验，为三因素不同水平完全组合实验，共设置60组不同土壤重构方式，每组试验重复3次，共180个土样。重构土壤采用千分之一天平按照设计配比，将过筛的煤矸石、表土基质以及保水剂称重，充分均匀混合后充填到环刀内（以容重1.3 g/cm3、煤矸石土壤复配比1∶9，保水剂添加量0.1%为例，称量13.0 g煤矸石、117.0 g表土基质以及0.13 g保水剂进行100 cm3环刀充填）。本实验采用分层压实法进行充填，每2 cm充填一层，并采用与环刀横截面积相同的夯土器压实土样，压实后用毛刷将表层刷成粗糙状。测定180个土样的毛管持水量、15 d重构土壤表面蒸发量。

重构土壤填装至环刀后，其下端置于装有水的托盘内，在托盘内使水分与环刀等高，隔天将环刀取出，在环刀上方放置棉花塞防止其蒸发并称重，此时为重构土壤的饱和持水量。将测定饱和持水量后的环刀放置至干燥的砂石上，每隔1 h更换砂石并记录重量，环刀下侧用滤纸包裹。当更换砂石时环刀与土壤总重不变时记录其质量即为重构土壤毛管持水量；

式中：W为毛管持水量；M为湿土与环刀总重（g）；G为环刀重量（g）；ρ为土壤容重（g/cm3）；V为环刀体积（cm3）。

在浸水试验中，环刀一侧由密封盖密封，有孔隙一侧的环刀盖下用滤纸覆盖，使重构土壤在浸水后仅内部结构发生变化，总体积保持100 cm3不变。毛管持水量记录完成后，维持恒温25℃、恒湿40%条件下蒸发15 d，期间随机更换不同环刀之间的位置以减少位置不同所带来的实验误差，每隔24 h记录一次所有环刀的重量。蒸散发过程中土壤持水量采用逐日称重记录。

1.3 数据分析处理

运用描述性统计分析确定毛管持水量、15 d土壤水分蒸发量、容重、煤矸石土壤复配比、保水剂添加量等因子之间的关系；采用多元逐步回归分析不同容重、不同煤矸石土壤复配比、不同保水剂添加量的土壤重构方式下毛管持水量与此三因素的关系，对拟合的回归方程根据赤池信息量准则AIC（Akaike Information Criterion）进行筛选，使其拟合度最高，AIC值最小。数据分析处理及图件制作均通过Origin Pro 2016、R studio及R 3.5.3进行。

2 结果与分析

2.1 土壤水分与各控制变量间关系

各组别之间土壤毛管持水量的平均值和标准差如表3所示。各个组别之间平均值差别具有统计学意义，由试验结果来看，重构土壤持水量与各控制变量间均有联系并且密切相关。在相同吸水试验处理方式下，不同重构方式重构土壤毛管持水量具有显著差异。重构土壤毛管持水量整体趋势随着重构土壤容重、煤矸石含量的增加而降低，重构土壤毛管持水量随保水剂添加量增加呈现先增加后稳定甚至降低的趋势。方差分析结果表明：土壤容重、煤矸石土壤复配比、保水剂添加量对重构土壤持水量的影响均达到了显著水平。

表3 不同重构方式下重构土壤毛管持水量Table 3 Soil capillary water-holding capacity of new structure under different reconstruction methods

2.2 重构土壤持水性变化

土壤持水量随时间变化关系见图1，土壤容重、煤矸石土壤复配比、保水剂添加量影响着重构土壤持水能力。在不考虑深层渗漏的情况下，土壤蒸发是土壤失水的主要形式，本研究测定了不同重构方式下土壤15 d的土壤水分含量变化过程。蒸发试验组在15 d数据记录后3 d土壤水分含量几乎已不发生变化，且其他试验组在此期间水分含量变化趋势不明显，因此，确定测定重构土壤持水时长为15 d。图1表明，随时间增长，土壤含水率均呈递减趋势。在相同煤矸石土壤复配比、相同保水剂添加量条件下，重构土壤容重增大时，重构土壤水分含量逐渐变小。在相同容重、相同配比条件下，保水剂添加量增加时，重构土壤中的毛管持水量大于保水剂添加量相对小的重构土壤，土壤水分到达平稳状态的时间也相对延长。在相同容重、相同保水剂添加量下，当土壤水分达到饱和时，除重构土壤（容重1.4 g/cm3，保水剂添加量0.2%）不同复配比例土壤持水量呈现 2∶8＞1∶9＞3∶7＞4∶6＞5∶5，其他重构土壤持水量均显示 1∶9＞2∶8＞3∶7＞4∶6＞5∶5，前项结果的出现可能是由于重构土壤容重对土壤持水量影响小于煤矸石土壤复配比对其的影响。15 d自然状态蒸发后，重构土壤（保水剂添加量0.5%、1.0%）持水量都处于5%～10%范围区间内，重构土壤（保水剂添加量0.1%、0.2%）持水量都在0～5%范围区间内。在此后的试验中，重构土壤（保水剂添加量0.5%）水分蒸发达到平衡稳定状态的时间为20 d～25 d，重构土壤（保水剂添加量1.0%）水分蒸发达到平衡稳定状态的时间大于30 d。

图1 不同重构类型土壤持水量与蒸发天数的关系Fig.1 Relationships between soil water contents and evaporation days under different reconstructed types

2.3 持水量与影响因素关系分析

以重构土壤毛管持水量（Y）作为因变量，以控制因子土壤容重（X1）、煤矸石土壤复配比（X2）、保水剂添加量（X3）作为自变量，建立多项式回归方程：

重构土壤保水剂添加量确定时，容重越接近 1.3 g/cm3（1.3 g/cm3～1.5 g/cm3范围内），煤矸石土壤重构比例越接近 1∶9（1∶9～5∶5范围内），重构土壤毛管持水量越大；在土壤容重和煤矸石土壤复配比例确定时，根据抛物线函数求极值可知保水剂添加量处于0.1%～0.86%范围内时，保水剂添加量越高，土壤持水量就越高；保水剂添加量为0.86%～1.0%时，保水剂添加量越高，重构土壤持水量则越低。不同重构方式下土壤毛管持水量见图2。

图2 不同重构方式土壤持水量与控制因子间的关系Fig.2 Relationships between soil water contents and control factors under different reconstructed types

3 讨论

3.1 不同重构方式对土壤持水性的影响

提升土壤持水能力是矿区受损土壤恢复的重要路径之一。通过土壤重构方式能改变土壤水文性质，提高土壤持水性能，并减少煤矸石堆积产生的一系列环境问题。土壤容重是土壤矿物、土壤有机质、空气与水孔隙等组分密度的加权平均值［11］。重构土壤通过填充煤矸石实现废物利用并且改善土壤环境；添加保水剂能够根据其保水特性改善土壤贮存水分的方式，改良土壤结构，使土壤获得更好的持水能力。本研究结果表明：重构土壤煤矸石土壤复配比、保水剂添加量相同时，重构土壤容重增加，土壤毛管持水量降低，这是因为随着土壤容重的增加，重构土壤内部固相比例增高，气相与液相比例下降，由于空间限制贮存在土壤中的液态水比例降低。当重构土壤容重、保水剂添加量相同时，煤矸石在重构土壤中含量越高土壤持水量越低，这是由煤矸石不吸水的性质所决定；重构土壤中煤矸石不具备贮存水分的能力，煤矸石含量越多，重构土壤结构越松散，土壤持水性能越低。当重构土壤容重、煤矸石土壤复配比相同时，毛管持水量由于保水剂添加量不同出现差异，保水剂吸水后膨胀并将水分贮存在重构土壤内部，但添加量过多会导致保水剂吸水不充分，从而产生一定的间隙降低土壤持水性能。与表土基质相比，煤矸石粒径较大，为保水剂吸水膨胀提供了较大的孔隙，使保水剂吸水后具有较大空间用于储存水分，因此，在重构土壤中添加保水剂有利于改善土壤水文性质，弥补了重构土壤中煤矸石不吸水的问题，提高了土壤水分含量，并且保水剂缓释水分的特性为减缓土壤水分散失有重要作用。

重构土壤中煤矸石含量越高，土壤持水量越低，同时土壤水分蒸发速率也会降低，在蒸发过程中达到缓慢释水的效果；煤矸石质量含量越低，在保水剂水分散失后土壤会形成更多孔隙，增加了空气与重构土壤的接触面积，土壤水分蒸发过程中水分散失速率加快，15 d后土壤水分都趋近于零。保水剂添加量在达峰值前（0.86%），虽然重构土壤持水量会随保水剂添加量增加而提高，但并不会降低土壤水分蒸发速率，这是由于保水剂释水后会缩小体积，土壤表面更多裸露在空气中，水分随空气流动散失。

诸多研究表明土壤持水量与保水剂添加量关系呈一定比例增长［12］，也有研究表明保水剂的施用量过多会制约保水性能，反而加快土壤表层水分的蒸发［13］。添加保水剂能够有效吸附进入土壤的水分，并在长时间内保持快速吸水并缓慢释水特性。寻找最佳保水剂添加量，是为植物生长提供有利水文条件，为矿区生态水文修复提供解决方法的有效途径。本研究结果表明：当保水剂用量增加到一定比例后，土壤毛管持水量并不会随着保水剂添加量的增加而增加，甚至降低，这是由于保水剂添加过量时土壤过于密实，缺乏足够的孔隙供以保水剂吸水膨胀。因此，保水剂吸水膨胀的特性和煤矸石土壤重构提高土壤孔隙度具有良好的因果关系。

3.2 重构土壤持水影响因素分析

土壤重构在时间尺度上不仅能够有效且快速提高固体废弃物的再利用，而且可以恢复和提高重构土壤的生产力，改善土壤水文条件，相对于自然恢复所需要的数十年时间，土壤重构能够大大缩短生态恢复时间。因此，生态恢复重建初期土壤重构能够达到“边开采，边治理”的恢复效果。在土壤重构修复过程中，土壤是否能够长时间蓄持水分是对土壤修复效果评价的重要标准之一。土壤重构可以提高其表层的持水保水性能，并减少降雨冲刷对表层土的破坏，稳固区域土壤结构。保水剂颗粒在充分吸水后，改变了水分蒸发时所需的热量，水分散失所需热量变高进而达到持水效果。吕国华等［14］分析了保水剂颗粒在完全吸水饱和后在干土中的保水效果，结果发现保水剂吸附的水分能够完全缓慢释放给干旱条件下的土壤，增长水分在土壤中的保留时长。杨浩等［15］认为保水剂添加量高于0.75%时，土壤水分状况与保水剂添加量低于0.75%时具有显著差异。本研究结果与该文章类似，本研究得出当容重、煤矸石土壤复配比统一时，保水剂添加量为重构土壤总重的0.86%时保水性与其余添加量相比最具有保水性，短期时间内能够减缓土壤水分的蒸发速率，提高土壤持蓄水能力，这对干旱半干旱矿区生态修复非常重要。

Cao等［16］研究表明以0.25%～2.0%的重量混合比将保水剂添加到土壤中，与未添加保水剂的土壤相比土壤持水量提高19.2%～33.5%，并发现保水剂在夏季可降低土壤温度以减少水分蒸发散失；Li等［12］研究表明保水剂更能够延长土壤持水时长，且随保水剂用量的增大而变长，这是由保水剂的特性所决定的［13］，这与本研究结论一致。本研究结果表明：随着保水剂添加量增加，土壤持水量不能明显增加，甚至当保水剂添加量增加过多时还会使得持水量下降，这是由于所选取的保水剂为小颗粒状，吸水后以球状涨大，保水剂添加量过多时吸水膨胀后相互挤压导致每粒保水剂小球间留有更大的孔隙，保水剂添加量虽然高；但是每粒保水剂由于相互挤压并不能充分吸水涨大，稳定留存在重构土壤中的水分并不会因为保水剂添加量的增加而持续增加。当保水剂添加量为1.0%、0.5%的重构土壤在15 d自然条件下蒸发，土壤持水量始终高于保水剂添加量为0.2%、0.1%的重构土壤，增加保水剂添加量可有效减缓重构土壤的水分散失速率。

3.3 土壤持水性与重构因子间关系分析

对于受损生态系统的修复，一些学者强调土壤基质是决定生态修复成果的重要保证［17］。本研究认为植被生长虽然对土壤结构的优化具有良好效果，但由于矿区土壤损毁严重，需通过土壤基质重构修复改善土壤水文条件，使重构土壤水文条件适合植物生长需要。确定重构土壤的容重、煤矸石土壤复配比与保水剂添加量不仅能够减少矿区矸石堆积产生的环境问题，还可以改良土壤蓄持水分的能力。不同的容重、煤矸石土壤复配比及保水剂添加量能够有效改变土壤的毛管持水量。重构土壤中，毛管持水量随煤矸石含量减少，保水剂添加量增高而增高，煤矸石占比过低会导致土壤蒸发速率提高，重构土壤水分散失过程加快，所以在选择重构土壤的容重、煤矸石土壤复配比和保水剂添加量时，应当结合当地降雨、土壤水分补充来源等来确定。

在土壤容重、煤矸石土壤复配比确定的情况下，添加保水剂可提高土壤毛管持水量，进而为植物生长创造良好环境［18］。土壤持水能力受土壤理化性质以及气象因素等影响，其容重、粒度等因素会改变土壤孔隙状况。本试验以三元二次多项式拟合土壤容重（X1）、煤矸石土壤重构比例（X2）、保水剂添加量（X3）与土壤毛管持水量（Y）的关系，通过逐步回归分析，得到拟合度最优方程为：Y=0.557-0.195X1-0.026X2+0.201X3-0.117X32，并 且 X1、X2、X3、X32均达到了极显著水平（P＜ 0.01），说明土壤容重、煤矸石土壤复配比以及保水剂添加量对土壤毛管持水量的大小起关键作用，本模型的二次项系数小于零，说明保水剂添加量在施用时存在一个值，在添加量大于此值时反而会降低土壤的持水量。同时可知各变量之间的交互作用并不明显，即当不同重构方式下自变量间的关系对土壤的持水量影响并不大。由此可以得出保水剂添加量需要在适宜的范围内施用，过少施用不会起到预期效果，过多施用不仅会增加重构土壤构成成本，还会因为重构土壤气相部分减少造成“湿害”，降低土壤的持水能力。在土壤重构中，选取适当的土壤容重，有利于调整重构土壤固、液、气三相的比例关系；确定适宜的煤矸石土壤复配比，有助于减少矿区固体废弃物的堆积，并且协助调整土壤液相、气相大小；添加适量的保水剂，以求最大程度增加重构土壤蓄持水能力。

4 结论

（1）从逐步回归方程看，土壤重构方式为容重1.3 g/cm3，煤矸石土壤复配比为1∶9，保水剂添加量为0.86%时，重构土壤具有显著于其他重构方式的持水性能，有效增加了土壤的保水性。此外，土壤毛管持水量总体随容重增大、煤矸石质量含量比例增大而减小，但随保水剂添加量增加呈现先增高后降低的变化。

（2）土壤持水能力受保水剂添加量影响极显著（P＜0.01），保水剂在土壤中表现出良好的保水与释水性能。根据模拟分析预测，重构土壤毛管持水量随保水剂添加量增大表现为先增大后减小，重构土壤毛管持水量在保水剂添加量为0.86%时出现最大值。自然状态下蒸发15 d后，保水剂添加量为0.1%，0.2%，0.5%和1.0%的重构土壤持水量分别为1.4%，2.2%，6.3%和6.6%；在无外界水源补给的情况下，保水剂添加量为1.0%的重构土壤水分达到平稳状态最长历时30 d。气候长期干燥无雨时，保水剂能够有效从土壤中吸收水分，在无水源补给时减少土壤水分蒸发，继而增加重构土壤水分的贮存时间。