土壤結構調理劑PAM對復墾鐵尾礦砂物理性狀的影響

呂春娟，畢如田，陳衛國，秦俊梅，王 瑾

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土壤結構調理劑PAM對復墾鐵尾礦砂物理性狀的影響

呂春娟1，畢如田1，陳衛國2，秦俊梅1，王 瑾1

（1. 山西農業大學資源環境學院，太谷 030801； 2. 山西農業大學生命科學學院，太谷 030801）

聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是一種常見的土壤結構調理劑，但在尾礦復墾中卻少有應用。該文通過室內土柱模擬試驗，采用干混法在鐵尾礦砂中加入PAM，設置0%（對照）、0.05%、0.10%和0.20%共4種質量濃度PAM，觀測PAM對鐵尾礦砂物理性狀的影響。結果表明：1）除總孔隙度之外，對照與混合PAM尾礦砂的容重、毛管孔度和毛管持水量差異顯著（<0.05）。2）隨著尾礦砂毛管水上升高度增加，PAM質量濃度越大，含水率下降的趨勢越緩慢，但含水率的變異性卻越大，變異系數從1.22%（10 cm）增大到7.13%（40 cm）。3）PAM會極顯著抑制尾礦砂毛管水上升高度（<0.01）但PAM質量濃度不同，抑制程度不同。據此可將上升曲線分為3個階段：第1階段，0～5 min，上升高度相似階段；第2階段6～25 min，上升高度分異階段；第3階段30～420 min，上升高度變化規律相對穩定階段。毛管水上升高度隨時間變化呈現冪函數增加趨勢，上升速率隨時間變化呈現冪函數減小趨勢。4）在自然通風狀態下，72小時內不同PAM質量濃度尾礦砂的含水率均持續降低，純尾礦砂含水率的降低幅度最大，從37.53%減少到35.60%；PAM質量濃度為0.20%的尾礦砂含水率降低幅度最小，從37.40%減少到36.67%。因此，PAM的合理使用能夠有效改善尾礦砂的物理性狀和水分運移，為無土區的植被恢復創造適宜的生長條件。

土壤；孔隙度；土壤改良劑；聚丙烯酰胺；復墾鐵尾礦砂；保水性；毛管水運移

0 引 言

據金屬尾礦綜合利用專項規劃（2010－2015年），中國現有尾礦庫12 718座，其中在建尾礦庫為1 526座，占總數的12%，已經閉庫的尾礦庫1 024座，占總數的8%，鐵尾礦堆存量占全部尾礦堆存總量的近1/3。由于中國鐵礦資源總體上屬于貧鐵礦，采掘量大，排棄量多，綜合利用率低，不足7%，與中國尾礦的綜合利用率10%有一定的差距，更是遠遠低于世界尾礦平均利用率60%[1-2]。生態修復是一個礦區持續發展的重要管理措施[3]，中國的土地復墾面臨著“舊賬未還、新賬又欠”的嚴峻形勢，及時重建生存空間，是實現產業轉型的環境基礎[4]。

鐵尾礦砂晝夜溫差大，顆粒凝聚力弱，持水力差，濕時粘重，透氣性不良，干時板結緊實，嚴重地抑制了植物根系的生長。聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）作為一種已經發現和廣泛應用的土壤結構調理劑，水溶性好，無毒，具有良好的絮凝性，與土壤顆粒有效結合，減少徑流侵蝕中泥沙的沉積[5]，緩解土壤表層結皮形成[6-7]，使土壤能夠保持良好的通透性，增加土壤團聚體數量[8-10]，提高土壤滲透率[11]，增加土壤的臨界抗剪切強度[12]，減少土壤侵蝕[13-15]，抑制土壤水分蒸發[16]，而在微咸水入滲條件下，PAM能夠降低土壤入滲速率，增加土壤保水性能[17]。也有部分學者研究PAM與磷石膏（hosphogypsum，PG）或者多糖（polysaccharide，PS）[6,18]混合使用對坡面徑流侵蝕的抑制效果，但是這些研究主要基于PAM對原地貌土壤的結構改良或者灌溉條件下或者自然降雨條件下由于土壤封閉或者地表結皮而引起的徑流侵蝕[5,7,14]。而從礦區復墾基質改善的角度研究很少，特別是PAM改善鐵礦尾礦庫的研究尚未見報道。不同的土壤類型或者復墾基質對于PAM的應用效果都會產生很大影響[7-8]。本文基于山西垣曲縣的鐵尾礦砂生態恢復基地，初次嘗試將PAM與鐵尾礦砂混合后，從尾礦砂的物理性狀變化、水分運移和保水性等方面，研究PAM對鐵礦砂物理性狀的改善效應，以便為礦區植被恢復特別是無土復墾提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料主要有鐵尾礦砂（S）和土壤結構調理劑聚丙烯酰胺（PAM）。

鐵尾礦砂采自山西省運城市垣曲縣國泰礦業有限公司泉子溝干排尾礦庫，為野外鐵礦干排尾礦砂定位生態恢復試驗基地，供試尾礦砂取回后，放置陰涼處自然風干，備用。尾礦砂顆粒均小于2 mm，根據土工試驗規程首先對所取尾礦砂300 g進行基本的顆粒分析試驗，尾礦砂試樣分別通過1、0.5、0.25和0.075 mm的標準篩進行篩分，多組試驗測試，顆粒篩分試驗結果如表1，>0.075 mm的顆粒質量超過總質量的50%，因此該尾礦砂為尾粉砂。鐵尾礦砂密度測定值為2.75 g/cm3。

表1 鐵尾礦砂的顆粒組成

據研究[19]，陽離子網狀PAM，吸水性強，一般用作土壤保水劑。陰離子線型PAM，分子鏈較長，一般用作土壤結構調理劑，改善土壤結構，控制侵蝕。本試驗中鐵尾礦庫區缺土，坡度陡，降水量相對較豐富，復墾過程中主要的問題是鐵尾礦砂的結構不良導致的坡面水土流失，因此選擇分子量1 000萬的陰離子型聚合物聚丙烯酰胺，由河南鞏義市福泰凈水材料有限公司生產，是一種水溶性線型高分子聚合物，其單體為丙烯酰胺。外觀上是一種白色細沙狀粉末（2.36～3.35 mm），水溶性良好，不易溶于大多數的有機溶劑，具有良好的絮凝性。

1.2 試驗設計及測定方法

為了便于在鐵尾礦復墾中應用，采用干混法，將聚丙烯酰胺PAM與尾礦砂以0%、0.05%、0.10%、0.20%共4種質量濃度混合均勻后，按照尾礦砂的原容重1.65 g/cm3，分層（5 cm）裝入有機玻璃圓柱形模擬柱內，裝土設計高度為40 cm。每個處理3個重復。采用室內土柱模擬法測定不同PAM質量濃度下鐵尾礦砂毛管水運移規律、保水性及容重和孔隙度的變化情況。

根據水利部發布的《土工試驗規程SL237-1999》[20]，采用正水頭作用的方法測定毛細管水上升高度。有機玻璃模擬柱壁厚5 mm、直徑10 cm、高100 cm；圓柱底部均勻分布直徑1 mm小孔，便于均勻吸收水分；玻璃柱外壁貼有刻度尺，記錄毛管水運移高度。裝土時先在玻璃柱底部裝入2 cm高的石英砂，在石英砂上墊一張同樣直徑的濾紙，然后分層裝土，并用搗棒輕輕搗實，相鄰2層之間要刮毛，直至裝土高度達到設計高度。將裝好的土柱豎直放入水槽中，注水，使水槽中水面剛好接觸土柱底部土層，用馬氏瓶供水，保持水槽中水位不變。毛管水上升高度采用先密后疏的時間記錄方法，開始計時前20 min，每1 min記錄1次毛管水上升高度（高度從槽中水面算起）；20 min后每5 min記錄1次；40 min后每10 min測1次；210 min后，每0.5 h測1次，一直觀測到420 min，上升速率穩定為止。待土柱中的毛管水上升至設計高度后利用稱質量法測定毛管持水量，并用水分測定儀測定土柱不同高度的體積含水率。隨后增加水槽水位至略低于40 cm，使玻璃柱中的土柱達到飽和含水率，觀察土柱中尾礦砂體積變化，根據常規方法測定尾礦砂的容重和孔隙度[21]，分析PAM對容重和孔隙度的影響。之后排除水槽中的水，在自然狀態下每24 h記錄土柱質量變化，分析PAM的保水性。

1.3 數據處理

研究中的方差分析、回歸統計等采用SPSS18.0軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 PAM對鐵尾礦砂容重和孔隙度的影響

尾礦砂土柱飽和過程中發現純鐵尾礦砂在水分飽和前后體積并無明顯變化，而加入了PAM的鐵尾礦砂水分飽和后體積有了不同程度的變化，具體為：加入了0.05% PAM鐵尾礦砂土柱高度增加了1.05 cm，加入了0.10% PAM的鐵尾礦砂高度增加了1.88 cm，加入了0.20% PAM的鐵尾礦砂土柱高度增加了3.16 cm。因此鐵礦砂的物理性狀發生了不同的變化（表2）。

表2 4種PAM質量濃度鐵尾礦砂的容重和孔隙度

注：同一列中不同小寫字母表示差異顯著（<0.05）。

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

尾礦砂容重為1.65 g/cm3，總孔隙度為40.0%，毛管孔隙度為23.43%，與一般的耕作土壤或者林地土壤相比，容重偏大，總孔隙度偏小，不利于作物根系的生長和土壤水分的運移。加入0.05%、0.10%和0.20% PAM后，隨著PAM濃度的增大，容重依次比原尾礦砂減小1.82%，3.03%和4.85%；總孔隙度依次增加2.75%，4.50%和7.25%；毛管孔隙度依次增加13.39%，25.03%和27.54%。LSD多重比較結果表明，除添加0.05%PAM的總孔隙度外，添加PAM后，容重、毛管孔隙度和毛管持水量均比原尾礦砂顯著改善（<0.05）（表2），說明PAM可以在一定程度上改善尾礦砂物理性狀，促進植被的恢復。

2.2 PAM對毛管水垂直運移特征的影響

尾礦壩的毛細作用會改變壩體材料的物理力學特性，影響壩體的穩定和安全，但是對于干排尾礦庫內的植被恢復，其毛細作用又是植被利用深層尾礦砂水分的重要途徑。

圖1為0%、0.05%、0.10%和0.20% 共4種PAM質量濃度尾礦砂含水率隨毛管水上升高度的變化?？梢钥闯雒芩仙叨?0 cm處，4種PAM質量濃度尾礦砂的體積含水率差別不大，變化范圍為28.2%～29.0%，變異系數僅為1.22%；在40 cm高度處，4種PAM質量濃度的含水率變化范圍為19.8%～23.3%，變異系數增大為7.13%。結合圖1不同高度體積含水率的變化可知40 cm處含水率變異系數增大的原因主要是純尾礦砂的體積含水率顯著減小，而添加了PAM的尾礦砂含水率卻出現了差異性的變化，PAM質量濃度越高，毛管含水率也越高。隨著毛管水上升高度的增加，4種質量濃度尾礦砂含水率均呈現下降的趨勢，而且PAM質量濃度越大，含水率下降的趨勢越緩慢。0%、0.05%、0.10%和0.20% 4種PAM質量濃度不同高度尾礦砂的平均體積含水率分別為21.05%、21.20%、22.05%和23.55%，變異系數為17.24%、16.84%、13.30%和11.32%。可以看出PAM質量濃度越大，不同高度平均體積含水率越高，變異系數越小，即毛管水上升的高度越高，越能凸顯PAM提升水分運移的能力，結合表2毛管孔隙度的變化，充分說明PAM能夠增加尾礦砂毛管水上升運移作用和持水能力。

2.3 PAM對毛管水上升高度及上升速率的影響

圖2為0～420 min 4種PAM質量濃度尾礦砂毛管水上升高度隨時間的變化情況，為了進一步觀察毛管水上升初始階段PAM的影響，將0～30 min內的變化提煉出來進一步分析。

PAM質量濃度為0%、0.05%、0.10%和0.20%的尾礦砂在420 min毛管水上升高度分別為25、14.3、14.5和14.4 cm，差異極顯著（<0.01）。但上升過程中不同PAM質量濃度對毛管水抑制作用存在一定的變化，據此將上升曲線分為3個階段（圖2）：第1階段，0～5 min，上升高度相似階段。4種質量濃度曲線沒有顯著差異（=0.837），即PAM在毛管水剛開始上升的5 min內對毛管水上升高度影響不顯著；第2階段6～25 min，上升高度分異階段。在這個階段，可以看到4種PAM質量濃度的尾礦砂毛管水同一時間上升高度開始出現差別，并且差別越來越大，方差分析差異極顯著（<0.01），毛管水上升高度從大到小整體表現為0%、0.05%、0.20%、0.10% PAM；第3階段30～420 min，上升高度變化規律相對穩定階段。30 min后，PAM質量濃度為0.20% 的尾礦砂毛管水上升高度逐漸超過0.05%，一直到420 min試驗結束，毛管水上升高度從大到小均表現為0%、0.20%、0.05%、0.10% PAM，且差異極顯著（<0.01）。在整個上升過程中，任意時間點也是純尾礦砂中的毛管水上升高度最大，充分說明添加PAM后，抑制了尾礦砂中毛管水的運移速率。

表3 4種質量濃度PAM尾礦砂毛管水上升高度、上升速率與時間的最佳方程

注：為尾礦砂毛管水上升高度，cm；為鐵尾礦砂毛管水上升速率，cm·min-1；為毛管水上升時間，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種PAM質量濃度尾礦砂的毛細帶中毛管水上升高度隨浸潤時間延長均呈現增加的趨勢（圖2），經回歸方程擬合優度檢驗、回歸方程顯著性檢驗和回歸系數顯著性檢驗的三重檢驗，二者的最佳函數關系為冪函數關系（表3）。其他研究中因土壤類型、土粒粗細、壓實度、初始含水率等因素的影響，具體的變化過程不盡相同，二者的關系具體體現為冪函數或者對數函數[22]，或者對數坐標下的二次多項式[23]，或者分段函數[24]，但變化趨勢與本研究結果類似。

對毛管水上升高度與時間的擬合方程求導數，得出4種PAM質量濃度尾礦砂毛管水的上升速率函數（表3）?？梢钥闯?種質量濃度尾礦砂毛管水上升速率隨時間延長呈現冪函數降低趨勢。0%、0.05%、0.10%和0.20% PAM質量濃度的尾礦砂毛管水上升速率范圍為0.008 3～0.865 6 cm/min，平均上升速率分別為0.16、0.10、0.08和0.11 cm/min。單因素方差分析不同質量濃度間上升速率差異顯著（<0.05），進一步LSD多重比較表明，對照和添加了PAM 3種尾礦砂毛管水的上升速率差異顯著（<0.05），但3種PAM質量濃度間差異不顯著（>0.05）。

2.4 PAM對尾礦砂保水性的影響

在前期近2 a的盆栽試驗中發現鐵尾砂的保水性非常差，同樣灌水的條件下，尾礦砂的水分散失比其他復墾基質要快得多，因此在毛管水上升試驗結束后，將土柱充分飽和后放置于室溫下，自然通風，利用稱質量法測定其PAM對水分的保持能力。

4種PAM質量濃度的尾礦砂水分飽和后，在自然通風狀態下連續測定72 h（圖3），可以發現不同PAM質量濃度尾礦砂的含水率均持續降低，但降低的幅度不同，純尾礦砂從37.53%減少到35.60%，水分損失率最大，為5.14%；PAM質量濃度為0.05%和0.10%的尾礦砂含水率的變化幅度相近，分別從38.07%、37.93%減少到36.60%和36.73%；PAM質量濃度為0.20%的尾礦砂從37.40%減少到36.67%，水分損失率最小，為1.96%。說明在相同的外界條件下PAM具有抑制水分散失的能力，表現為質量濃度越大，保水性越強（圖3）。

從圖3可以看出，特別是0.20% PAM質量濃度的尾礦砂初始含水率最低，但是72 h含水率卻接近最高，進一步說明時間越長，PAM的保水性越能體現出來。如果這種水分是植物可利用的有效水分，復墾尾礦砂中加入PAM將是解決土石山區尾礦砂復墾植被水分缺乏的一個有效途徑。楊永輝等[25]研究也證實在一定的土壤含水率下施加PAM能夠抑制土壤水分的蒸發，其主要原因在于它改善了鐵尾礦砂粒的孔隙組成，增加了毛管孔隙，同時根據PAM的化學組成結構可以發現PAM含有親水基團，可以吸附水分子使其不易揮發。當然在尾礦砂中這種質量濃度限值，還需要進一步的試驗。

3 討 論

3.1 PAM改善尾礦砂物理性狀的濃度限值

PAM對土壤的物理性狀有一定的改善作用，但并不是濃度越大改善效果越好，韓鳳朋等[26]在黃土高原自然坡面上撒施0～3 g/m2PAM，發現PAM濃度在0～2 g/m2范圍內可以減小土壤體積質量，增加土壤飽和導水率，但當用量超過2 g/m2后土壤體積質量開始增加，飽和導水率開始降低。本研究中發現PAM對尾礦砂中毛管水上升速率的抑制作用并不是隨質量濃度增大而持續增大的，而是有一定的濃度范圍限制，0.10%尾礦砂對毛管水的抑制作用最強，其次為0.05%，而PAM質量濃度最高的0.20%尾礦砂，反而抑制作用最弱，但是方差分析差異并不顯著；在容重和孔隙度、抑制水分散失方面都未發現濃度限值，因此還需要進一步增加PAM濃度梯度研究。

3.2 PAM與尾礦砂水分接觸時間對毛管水上升速率的影響

不同質量濃度PAM尾礦砂毛管水上升過程中，其相對速率大小會發生變化，即不同質量濃度PAM對尾礦砂毛管水上升高度的抑制程度會發生變化（圖2），可能是因為PAM在與水分接觸過程中其結構不斷發生變化所致，本試驗中使用的PAM是白色細沙狀粉末，相關研究表明[27]，這種PAM遇水溶解后由顆粒狀變為多枝纖維狀，與分散的尾礦粒相互吸附，相互交織，充當了尾礦砂中膠結劑的作用。在PAM與水分接觸的過程中，其體積膨脹的程度不同，而且PAM質量濃度不同，和尾礦砂粒形成的空間結構體可能也有差異，這些因素都可能會改變尾礦砂的孔隙組成，從而影響水分在尾礦砂中的運行。這需要對其結構體顯微觀測來進一步驗證。

3.3 PAM改善土壤物理性狀的其他影響因素

除本試驗中涉及的PAM濃度和與水分接觸時間會影響PAM的改良效果，PAM形態與施用方法也會對PAM 效果的產生影響[28]，目前大多數研究PAM采用溶于灌溉水[29]或者PAM溶解于水后噴施[5,30]或者撒施[26]于土壤表面，本試驗中考慮到鐵尾礦砂的實際情況，沒有灌溉條件和節約人工，采用干粉混施的方法，便于實施。PAM的類型和分子量大小也會影響其作為土壤結構調理劑的效果[19]。因此根據土壤改良目的，選擇適宜的PAM非常重要。

4 結 論

1）隨著聚丙烯酰胺質量濃度增加，容重依次減小，總孔隙度和毛管孔隙度依次增加，但在本試驗中尚未發現最佳的使用量。

2）4種聚丙烯酰胺質量濃度尾礦砂的含水率均隨著垂直上升高度增加含水率減少，但聚丙烯酰胺質量濃度越大，減小的趨勢越緩慢。

3）尾礦砂毛管水上升高度隨時間變化呈現冪函數增加趨勢，上升速率隨時間變化呈現冪函數降低趨勢；聚丙烯酰胺會顯著（<0.05）抑制毛管水的運移速率。

4）聚丙烯酰胺具有抑制尾礦砂水分散失的能力，質量濃度越高，保水性越強。

5）采用干混法，在0%~0.20%范圍內，0.20%聚丙烯酰胺質量濃度最利于尾礦砂的物理性狀改善，保水性最強，但尾礦砂中聚丙烯酰胺的濃度限制還需要進一步的試驗。

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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

國家青年科學基金（41401619）；山西省自然科學基金（2014011034-1）；山西農業大學引進人才科研啟動項目（2014ZZ07）；山西省科技廳惠民項目（2013121005）

呂春娟，副教授，博士，主要從事土壤侵蝕與土地整治的研究。太谷 山西農業大學資源環境學院，030801。Email：lcjcwg@126.com