基于干旱區煤礦廢棄物利用的土壤配置及其對蘇丹草生長的影響

李昊宇，王 夢，李 陽，時 威，麻 浩，王文全

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.國網能源哈密煤電有限公司大南湖二礦，新疆 哈密 839000；3. 蘭州生多荒漠保護研究院，甘肅 蘭州 730000)

在露天煤礦開采利用過程中，一方面因形成大面積裸露面和大體量的松散堆體，極易成為當地風沙天氣的物質源頭，造成水土流失，導致生態系統進一步惡化；另一方面煤礦及其附屬發電廠產生的廢棄物粉煤灰、火燒石等不僅侵占農田，同時這些廢棄物也會產生揚塵，污染空氣；若排入水系統中，會造成河流的阻塞，其中還可能含有毒有害化學物質，會對人體造成傷害。

國內外一些學者將粉煤灰與土壤混合配置，如Jayasinghe等[11]用粉煤灰改良日本沖繩縣灰土，提高了當地油菜的產量。王海輝等[2]施用粉煤灰多元復混肥種植水稻，結果表明粉煤灰多元復混肥能增加土壤養分，為水稻提供所需的多種營養元素，促進水稻生長發育，提高水稻產量及經濟效益。孫克剛等[3]證實，用混料法生產的粉煤灰復混肥使氮、磷、鉀利用率提高，流失率減小。陳孝楊等[4]研究發現粉煤灰和砂壤土混合后，提高了砂壤土的飽和含水量、田間含水量，以及植物有效水含量。這些研究多為粉煤灰和土壤的混合配置，以改善土壤性質、提高作物產量。而新疆戈壁露天煤礦多且面積大，試驗區哈密大南湖煤礦及其附屬火力發電廠主要的廢棄物有粉煤灰(煤炭燃燒后產物)、火燒石(一種頁巖，煤礦的伴生產物)、煤矸石等，侵占了大量的土地。項目試驗區為寸草不生的荒漠戈壁，極度干旱，夏季地表溫度極高，土壤重度鹽堿。本研究利用礦區廢棄物粉煤灰、火燒石結合當地荒漠土設置配方，以期改善土壤理化性質、降低夏季地表溫度、減輕“日灼”現象，進而提高土壤的保水性能，為植物生長構筑較優的微環境。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區哈密大南湖二礦位于哈密市南約84 km的荒漠戈壁內，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，干燥少雨，晴天多，年平均氣溫9.8℃，年降水量33.8 mm，年蒸發量3 300 mm，無霜期182 d。春季多風、冷暖多變；夏季酷熱、蒸發強；秋季晴朗、降溫迅速；冬季寒冷、低空氣層穩定。日照充足，全年日照時數為3 300～3 500 h[5]。土壤為堿性土壤，鹽分組成為氯化物-硫酸鹽。

試驗區寸草不生，植物生長面臨極其惡劣的環境條件：極度干旱；夏季極端最高氣溫43℃，地表溫度近70℃，冬季極端最低氣溫-32℃；土壤重度鹽堿，氮、磷等營養元素極度匱乏；沙塵暴頻發，瞬間風力可達11級。

1.2 試驗材料

供試材料粉煤灰、火燒石、荒漠土(為0～20 cm的土壤)均采自哈密大南湖二礦及其附屬的火力發電廠，采樣時間為2018年5月8日。以FEI Quanta TM FEG場發射環境掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)及D8 Advance型粉末X射線衍射儀(Bruker公司)測得粉煤灰電鏡、XRD圖譜，見圖1。荒漠土和粉煤灰基本理化性質見表1。

表1 樣品基本理化性質

1.3 試驗設計

1.3.1 配置土硬度試驗

將粉煤灰(F)過60目篩，已過篩的粉煤灰為細粉煤灰(FF)，未通過的為粗粉煤灰(CF)，不做過篩處理的粉煤灰為原粉煤灰(UF)。

試驗采用荒漠土(D)+40%粉煤灰(即荒漠土∶粉煤灰(質量比)=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組；各組中，粉煤灰又分為粗粉煤灰、細粉煤灰、原粉煤灰，共計12個處理，每處理重復3次。各處理及其編號為：荒漠土+40%原粉煤灰(DUF40)、荒漠土+ 40%粗粉煤灰(DCF40)、荒漠土+40%細粉煤灰(DFF40)；荒漠土+20%原粉煤灰(DUF20)、荒漠土+20%粗粉煤灰(DCF20)、荒漠土+20%細粉煤灰(DFF20)；荒漠土+10%原粉煤灰(DUF10)、荒漠土+10%粗粉煤灰(DCF10)、荒漠土+10%細粉煤灰(DFF10)；荒漠土+5%原粉煤灰(DUF5)、荒漠土+5%粗粉煤灰(DCF5)、荒漠土+5%細粉煤灰(DFF5)。

將300 g配置土裝入大小相同的恒重后的無孔杯中，加入100 ml蒸餾水，放置7 d后，用硬度計(TYD-2，浙江托普儀器農科技有限公司)測量其硬度。

1.3.2 配置土保水性試驗 根據土壤硬度試驗結果，下述試驗材料均為荒漠土和原粉煤灰(即未進行過篩處理，下文稱為粉煤灰)。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個處理，以高8 cm、直徑9 cm的無孔杯盛裝配置土，每杯混合后的樣品重為300 g。為了分析在荒漠土表面覆蓋火燒石是否能有效降低土壤中水分的蒸發，另設4個處理是在前述4個處理的配置土表面覆蓋火燒石(即DF40S、DF20S、DF10S、DF5S)，共8個處理。所覆火燒石厚約3 cm，面積約15～20 cm2，覆蓋面積達無孔杯杯口總面積的80%。每處理重復3次。用分析天平進行稱量，先將300 g配置土裝入恒重后的無孔杯中，測量杯重；再加入蒸餾水達配置土最大飽和含水量，記錄杯重，得出加水質量。隨后每24 h用分析天平測量1次杯重，直至杯重不發生明顯變化為止，共計11 d，通過計算得出每日失水量。失水量及總失水率計算公式如下：

當日累計失水量(g)

=首日加水后的杯重(g)-當日杯重(g)。

總失水率%

選擇總失水率及當日累計失水量較低的2組進行層析柱試驗。將配置土樣品填入高60 cm、直徑為5 cm的層析柱中，填充750 g配置土并壓實，自層析柱頂端加入400 ml蒸餾水，記錄通過層析柱流出的蒸餾水體積及所消耗的時間。

1.3.3 小區試驗 為了驗證配土方案的合理性和有效性，2019年4—8月在大南湖二礦生活區進行小區試驗。挖掘長1.5 m、寬1 m、深0.3 m的土坑12個，用配置土填埋土坑，即為種植坑。4個處理分別是荒漠土(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)。每處理重復3次。所覆火燒石為大南湖煤礦伴生礦石，選擇的單個火燒石規格為厚3～5 cm、面積約300～500 cm2，覆蓋面積為小區面積的80%。

2019年5月1日種植蘇丹草(Sorghumsudanense(Piper) Stapf.),未覆石處理組采用條播方式，覆石處理組采用撒播方式，先覆石后種草，將種子撒播在石縫中，每個種植坑播種300粒。每小區每次澆水量相同，均為5 L，間隔3～12 d，每月澆水4～5次。灌溉水為大南湖二礦生活污水處理廠生產的中水。灌溉后連續4 d在6∶30及15∶30測定各小區土壤含水率和地表溫度。2019年8月4日收割蘇丹草，測定株高及地上和地下部分生物質量(干質量)。

1.4 測定指標及方法

土壤含水率用順科達TR-6D土壤水分測定儀測定；地表溫度用福祿克紅外測溫儀測定；土壤硬度用托普TYD-2數顯土壤硬度計測定；堿解氮采用堿解擴散法[6]、速效磷采用碳酸氫鈉浸提-硫酸鉬銻抗比色法[6]、有機質采用重鉻酸鉀外加熱法[6]、土壤容重采用環刀法[6]，測定方法均參考《土壤農化分析》[6]。

1.5 統計方法

用Microsoft Excel 2016軟件，SPSS 19.0軟件、Origin 2017軟件進行分析、畫圖。

2 結果與分析

2.1 配置土的硬度

荒漠土與不同比例粉煤灰混合處理硬度結果見圖2。未混合處理的各物質硬度從大到小的順序是荒漠土>細粉煤灰>原粉煤灰>粗粉煤灰。荒漠土硬度最大，與粉煤灰差異顯著(p<0.05)；原粉煤灰、粗粉煤灰、細粉煤灰其硬度相對較小，且不同粒徑粉煤灰之間硬度差異不顯著(p>0.05)。

各配置土樣硬度從大到小順序為：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，可見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，且與5%、10%粉煤灰的處理差異顯著(p<0.05)。但是，在荒漠土中添加10%、20%原粉煤灰與荒漠土相比也可顯著降低荒漠土的硬度(p<0.05)。

在混合處理中，每組處理的硬度的順序都相同，即粗粉煤灰+荒漠土>細粉煤灰+荒漠土>原粉煤灰+荒漠土。原粉煤灰+荒漠土硬度最小。鑒于此，下述試驗所用粉煤灰均未進行過篩處理。

2.2 配置土的保水性

配置土保水性結果見圖3。未覆石處理組中荒漠土+20%粉煤灰、荒漠土+10%粉煤灰2個處理的當日累計失水量最低，且相差不大；在覆石處理組中荒漠土+10%粉煤灰處理當日累計失水量最低。覆石處理組當日累計失水量均低于未覆石處理組。

圖4為配置土表面覆石與未覆石處理組總失水率。由圖4可以看出，無論在荒漠土中添加粉煤灰的量為多少，覆石處理均顯著降低土壤的總失水率(p<0.05)。覆石處理組失水率僅為未覆石處理組的43.8%～58.8%，其中荒漠土+10%粉煤灰+覆石總失水率最低。可見土壤表面覆蓋火燒石對土壤保水起改良作用，這是因為表面覆蓋火燒石可以顯著降低土壤中水分的蒸發。

由表2可知，從流出體積來看，層析柱試驗中荒漠土+10%粉煤灰和荒漠土+20%粉煤灰的配置土差異不大，均多于荒漠土(CK)，但是其流出時間顯著高于荒漠土(CK)，流出速率顯著低于荒漠土(CK)(p<0.05)。這可能是因為粉煤灰的添加降低了荒漠土的容重，增加了其孔隙度，從而改變了荒漠土的導水、保水性。

表2 層析柱試驗結果

適宜的土壤緊實度有利于種子萌發、植物生長，但由于試驗地地處荒漠戈壁灘，沙塵暴頻發，土壤硬度過小易使表層土成為沙暴的來源。因荒漠土本身為堿性，pH為8.62，而粉煤灰堿性更強，pH為9.63，粉煤灰添加量多會加劇土壤的堿性。因此盡管荒漠土+40%粉煤灰土壤硬度最小，但并非最佳選擇。荒漠土+10%粉煤灰的處理可以顯著降低荒漠土硬度；荒漠土+10%粉煤灰+覆石處理可顯著降低土壤失水率。綜上所述，小區試驗選擇的是“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”處理方式。

2.3 配置土對蘇丹草生長的影響

為了驗證上述土壤配置方案的有效性，2019年4—8月在大南湖二礦生活區進行了小區試驗，種植了蘇丹草。對“荒漠土”小區和“荒漠土+10%粉煤灰”小區表層土(0～20 cm)進行采樣，分析其理化性質。

從表3可知，“荒漠土+10%粉煤灰”小區的土壤硬度顯著低于荒漠土(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”小區土壤容重顯著低于荒漠土(CK)。由于粉煤灰pH值高于荒漠土，添加10%粉煤灰顯著增加小區土壤的pH；堿解氮顯著降低；速效磷顯著增加(p<0.05)，其增加量為5.19 mg·kg-1；有機質含量高于荒漠土，但未達到顯著水平(p>0.05)。

表3 小區配置土理化性質

表4顯示了2019年 5月1日 灌溉后連續4 d土壤含水率變化。從表4可知，隨著時間的推移，由于土壤水分的蒸發，土壤含水率持續降低，未經任何處理的荒漠土(CK)含水率在第4天清晨僅為2.93%。“荒漠土+10%粉煤灰”小區在灌溉后第1天土壤含水率低于CK，但從第2天下午起略高于CK，至第4天清晨僅為4.23%，但是高于CK；土壤表面覆石后顯著提高了土壤含水率，特別是“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”處理，石縫中在第4天清晨土壤含水率仍有10.17%，與CK相比含水率增加5.93%～10.84%。可見在荒漠土添加10%粉煤灰并且進行覆石處理在保水方面效果顯著。

表4 小區土壤含水率分析/%

從表5可知，“荒漠土+覆石”小區石縫中地表溫度與荒漠土(CK)裸地溫度相比存在溫度差。在第1～4天的清晨6∶30，石縫中地表溫度略高于裸地溫度，其溫度差約為2℃～3℃；而在下午15∶30，則顯著低于裸地溫度，兩者相差2.37℃～11.57℃。從第2天起，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小區石縫中地表溫度均顯著低于荒漠土(CK)裸地溫度，且隨著灌溉后時間的推移，下降程度更加顯著。特別是7月3日(D3)15∶30“荒漠土+10%粉煤灰”小區，當裸地表溫度達到60.27℃時，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小區石縫里溫度僅為46.80℃，降低了13.47℃。總體看來，在第1～3d的下午15∶30 ，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小區石縫中地表溫度與荒漠土(CK)裸地溫度相比下降2.07℃～12.57℃。

表5 小區土壤地表溫度分析(7月1日—4日)/℃

另一方面，覆石小區晝夜溫差小于未覆石小區。以D3為例，“荒漠土+10%粉煤灰”小區6∶30與15∶30地表溫差高達35.60℃，而“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小區石縫處地表溫差為20.53℃，兩者相差15.07℃。“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小區與荒漠土(CK)相比，晝夜溫差減少了4.54℃～14.17℃。

各處理小區蘇丹草出苗率和長勢分析見表6。從出苗率來看，添加10%粉煤灰以及土壤表面覆石均提高了蘇丹草的出苗率，但與荒漠土(CK)相比差異不顯著。這可能與該處理方式降低了土壤硬度、提高了土壤含水率有關。

表6 各處理小區蘇丹草出苗率和長勢分析表

植物株高分析結果顯示：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)；地上部生物量分析結果顯示：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)，并且均差異顯著(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處理，顯著高于荒漠土(CK)，其株高是CK的1.9倍，地上生物量是CK的5.9倍。從地下生物量來看，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)，覆石處理均顯著高于未覆石處理(p<0.05)，其地下部生物量是CK的2.7倍。

圖5顯示了各處理小區蘇丹草長勢，照片攝于2019年7月2日。圖5A是荒漠土上蘇丹草長勢，可見植株稀疏、矮小，部分植株已經枯萎；土壤鹽漬化嚴重。長勢最好的是荒漠土+10%粉煤灰+覆石(圖5D)，不僅出苗率較高，而且植株生長旺盛，土壤表面鹽漬斑較少，與CK相比優勢顯著。可見“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”是有效的保水配方。這是因為添加粉煤灰提高了速效磷和有機質含量，覆石處理有效涵養了土壤水分。由于蘇丹草的種子播撒在石縫里，植株生長于石縫中，在試驗地夏季極端高溫干旱的環境條件下，石縫構成的微環境溫度顯著低于裸地溫度且土壤含水量較高，植株生長條件顯著好于裸地；晝夜溫差較小，避免了溫度驟升驟降給植物帶來的傷害。

3 討 論

本試驗旨在通過干旱區煤礦及其煤電廠廢棄物粉煤灰、火燒石配合當地荒漠土，為植物生長構筑優于其原生態的微環境。粉煤灰粒細質輕、多孔松散、比表面積大、活性基團較多且吸附能力較強[7]，能夠促進土壤顆粒的團聚作用。荒漠土在未經改良的情況下，硬度較大，其有機質含量較低。在粉煤灰和荒漠土混合過后，改變了土壤容重，使土壤結構疏松，粉煤灰所占的比例越大，其土壤硬度越小[8-10]，說明粉煤灰對于土壤的硬度有著明顯的改善。

粉煤灰與荒漠土混合后，能夠改善土壤的孔隙狀況，增大了土壤的吸水性。Malaya和趙亮等[11-12]發現，由于粉煤灰的添加改變了荒漠土孔隙分布狀況，造成總孔隙度減少和毛管孔隙比例升高，而孔隙分布狀況的變化又致使土壤毛管力增強和重力作用減弱，因而造成土壤交界面上下層土壤對水分吸持能力明顯不同，土壤水分可以更加有效地貯存在交界面上層的粉煤灰改良層。劉莉等[13]研究也提到：正因為粉煤灰的特殊形態和微觀結構，粉煤灰具有良好持水和蓄水功能，水多時孔洞可以蓄水，水分少時由于其連通性、毛細管作用，儲存的水又可以釋放出來，因而其保水性具有持續性。盡管粉煤灰主要為玻璃質，但從爐膛出來的原灰表面有大量的 Si-O-Si鍵，經與水作用后，顆粒表面將出現大量的羥基，使其具有明顯的親水性。二者按照適當比例混合后可以提高土壤保水性能，同時保證其透氣性，有助于作物生長[14]。

有學者發現粉煤灰成分中含有較多的有機質，從而在量上增加了土壤有機質含量，使得土壤結構得到改善，有效地提高土壤自身的氮、磷、鉀 等微量元素含量[15-19]。粉煤灰也同時影響農作物的氮化作用和硝化作用，粉煤灰摻入耕作層使植物中氮含量增加[20]。王長磊[21]利用粉煤灰改良土壤，以不同覆土厚度下的小麥生物量為研究指標，發現粉煤灰的添加可以補充土壤微量元素，增加土壤營養成分，達到農作物增產的效果，其營養狀況在0～38 cm的土層處有顯著改善。本試驗結果證實，添加10%粉煤灰使得土壤速效磷顯著增加(p<0.05)，有機質含量高于荒漠土，植物長勢較好。

在同等灌溉條件下，以3種配置土處理方式種植蘇丹草，從出苗率、株高、地上生物量、地下生物量等方面看，均優于不加處理的荒漠土(CK)，特別是“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”處理，長勢顯著好于其他處理及CK。通過地表溫度、土壤含水率測定結果發現，土壤表面覆蓋火燒石有效地減少了水分蒸發量。這是因為土壤溫度變化小，有利于根系生長，降低蒸騰效率，減少覆蓋區內水分無效損耗。孫穎等[22]的研究也驗證了覆石能降低土壤表層和深層溫度，但愈接近表層降溫效果愈顯著。火燒石覆蓋的作用在于調節土壤溫度和水分、促進養分分解，并有效地保護植物根部，減輕陽光直射而產生“日灼”傷害，減輕沙暴對植株根部的侵蝕。對比傳統的保墑促苗方式如覆蓋農膜、覆蓋草簾等[23-25]，覆石法更適于在干旱、高溫、多風的地區用于綠化。其優勢在于：一是取材方便，粉煤灰和火燒石均為干旱區煤礦及其發電廠的廢棄物，成本極低；二是火燒石是天然的石材，不會像地膜那樣對環境產生二次污染[26]；三是利于抵御大風等惡劣天氣條件。

由此可見，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”實為一種有效的保水、促苗配土方式，且實施方式簡便易行。但在實施過程中，由于噴灌和滴灌等灌溉方式不可避免地會將水分淋在火燒石表面而造成水分損失，建議采用滲灌的方式，將水管埋入覆石層地下10～15 cm處，并注意控制灌溉水量，以浸潤土壤為度，這樣既可提供植物所需水分，也不會對土壤表層以下的鹽殼層造成淋溶破壞，從而避免土層坍塌的現象出現。栽種的植物以耐旱耐鹽堿植物為宜。

4 結 論

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”也可顯著降低荒漠土的硬度(p<0.05)。

2)土壤表面覆蓋火燒石能夠防止水分的蒸發，顯著降低了土壤的失水率。各處理中以“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”保水性能最佳。

3)通過小區試驗種植蘇丹草，結果表明：“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”小區，由石縫構成了蘇丹草生長的微環境，在澆水后第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時地表溫度顯著低于裸地溫度，晝夜溫差小。蘇丹草長勢顯著好于荒漠土(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。

綜上所述，“荒漠土+10%粉煤灰+覆石”處理為植物生長構筑了優于其原生態的微環境，是一種有效的保水、促苗配土方式。