氣化渣改良風沙土對土壤水分物理性質的影響

趙 煒, 趙 舉, 魏占民, 尹春艷, 劉 虎, 朱 波

(1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018;2.內蒙古農牧業科學院 資源環境與檢測技術研究所, 呼和浩特 010031;3.水利部 牧區水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 4.內蒙古博大實地化學有限公司, 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

氣化渣包括粗渣和細渣，是煤化工生產中的固體廢棄物。隨著國家能源結構的戰略調整，以煤氣化技術為龍頭的現代煤化工在氣化過程中產生大量的氣化渣[1]，處理方式為堆放和填埋為主，長期堆存既占用土地資源，又容易對周邊環境造成污染，每年處理還要耗費大量人力物力，給當地企業和社會帶來沉重負擔，已經成為影響區域經濟社會高質量發展的一個重要生態問題[2]。隨著國家對環保方面的壓力增大，提出了對固體廢物源頭減量和資源化利用的政策，這給政府與企業快速推進氣化渣的綜合利用提出更高的要求[3]。

本文的研究區域位于內蒙古鄂爾多斯市烏審旗，研究區土地荒漠化嚴重，沙化土地的類型多，面積大，分布廣，改良應用難度大，這嚴重影響和制約著當地生產和經濟的可持續發展，也是另一個重要生態問題[4-5]。風沙土是風成沙性母質上發育的土壤，其特征是成土作用經常受到風蝕和沙壓，很不穩定，致使成土過程十分微弱，主要存在問題是質地疏松、結構性差、供給養分含量低、保水保肥能力差、改良應用難度大，主要分布在中國北部的半干旱、干旱和極端干旱地區，是我國重要的后備耕地資源之一，對其進行改良的重要性不言而喻[5-6]。利用氣化渣作為一種新的風沙土改良技術，由于都是利用當地的資源，可以省時省工降低成本，對當地的農業生產和生態環境的改善具有重要意義。

氣化渣和粉煤灰的性質相近，并且這些年諸多學者對粉煤灰應用于土壤改良方面做了大量研究，說明了粉煤灰在土壤改良中的作用、問題及解決方法[7-8]，其中提及的首要考慮問題就是重金屬污染問題，因此首先對氣化渣進行了前期的毒理學試驗和淋溶試驗，結果分析表明：氣化渣中重金屬含量均符合國家標準；施加氣化渣不會導致被試樣地土壤重金屬含量超標；氣化渣淋溶液中的重金屬含量低于對人體健康造成危害的閾值，可以利用氣化渣對當地的風沙土進行改良。

基于上述分析，本文將風沙土和水煤漿氣化渣(包括粗渣和細渣)按不同摻入量混合，通過對土壤粒徑組成、保水性能以及土壤水分特征曲線等土壤水分物理性質的變化情況來探討氣化渣對風沙土的改良效果，為當地沙化區氣化渣改良風沙土提供技術支撐。

1 研究區概況

研究試驗區位在內蒙古鄂爾多斯市烏審旗(東經108°17′36″—109°40′22″，北緯37°38′54″—39°23′50″)。烏審旗位于鄂爾多斯西南部、內蒙古自治區最南端，地處毛烏素沙漠腹部，緯度較高，邊沿有山脈阻隔，氣候以溫帶大陸性季風氣候為主。地貌類型大部分為風積地貌，“沙灘相間，沙甸結合”，呈現毛烏素沙地特有的自然景觀；土壤以風沙土為主，地帶性植被屬于草原植被帶；多年平均降水量360.4 mm，年內分配不均，冬春季降水稀少，夏秋季降水集中；水土流失的形式以風力侵蝕為主[9-10]。

2 材料與方法

2.1 供試材料

試驗供試土壤取自內蒙古鄂爾多斯市烏審旗表層50 cm風沙土土壤，供試氣化渣來自內蒙古鄂爾多斯市烏審旗博大實地化學有限公司。試驗區土壤的土壤與氣化渣基本性質表1。

表1 試驗土壤與氣化渣基本性質

2.2 試驗設計

風沙土土壤中顆粒間孔隙大，毛細管作用弱，土壤質地疏松，通透性好，由此導致沙質土壤保水性差、蓄水力弱。由基礎性質表可知，氣化粗渣的粒徑組成與風沙土的相差不大，所以氣化粗渣比例不宜定太高，而氣化細渣的粉粒含量為51.95%，要遠高于風沙土的粉粒含量，并且氣化細渣的養分含量要高于氣化粗渣和風沙土的養分含量，因此對風沙土改良主要以細渣和沙土的搭配為主。試驗選擇氣化細渣和氣化粗渣兩因素，共9種處理，每個處理3次重復。具體處理方案見表2。

表2 試驗設計 g/cm3

2.3 測試指標及方法

土壤粒徑組成的測定采用激光粒度儀法。簡要操作方法為，將土壤和氣化渣放置陰涼處晾干，用木攆充分碾壓，再用1 mm篩子進行篩分，將篩好的各處理土壤樣品放入激光粒度分析儀進行測定，并用粒徑分析軟件Talwin處理數據，確定粒徑組成及土壤質地。

保水性能的測定：采用環刀法進行測定。簡要操作方法為，將裝有各處理土壤樣品的環刀稱重后放到平底托盤中加水至環刀上緣，待其吸水24 h后進行稱重。然后再將環刀放置于干砂上，待2 h和24 h后，分別稱重。最后在105℃條件下將環刀烘干并再次稱重。根據上述稱重的數據，分別計算求得各處理的飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度[11]。

土壤水分特征曲線的測定：采用壓力膜儀法測定改良后土壤水分特征曲線。簡要操作方法為，將裝有各處理土壤樣品的環刀放到平底托盤中加水放置至完全飽和后稱重，放入壓力鍋中加壓，待水流不再流出達到平衡后取出稱重，再放回壓力鍋中，提高壓力值繼續加壓至平衡后稱重，重復上述過程，得到一系列土壤水吸力和對應的土壤含水量，從而繪制土壤水分特征曲線[12]。

2.4 數據處理

數據采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，差異顯著性檢驗采用LSD法(顯著p<0.05，極顯著p<0.01)；采用單因素方差分析( ANOVA)比較不同處理間的保水性能的差異，用Duncan法進行顯著性檢驗；采用 RETC軟件進行土壤水分特征曲線擬合；用主成分分析對各處理的改良效果進行評價。

3 結果與分析

3.1 摻入氣化渣對風沙土土壤粒徑組成的影響

從表3可以看出，摻入氣化渣后，土壤容重、砂粒含量及非毛管孔隙度均呈現減小趨勢，降低幅度分別為7.75%～55.5%，8.82%～35.8%，1.11%～13.41%；黏粒含量、粉粒含量及毛管孔隙度均呈現升高趨勢，提高幅度分別為0.89%～2.92%，7.94%～32.88%，2.44%～18.99%。容重、非毛管孔隙度與砂粒含量均呈現顯著正相關(r>0，p<0.05)，與粉粒、黏粒含量均呈現顯著負相關(r<0，p<0.05)；毛管孔隙度與砂粒含量呈現顯著負相關(r<0，p<0.05)，與粉粒、黏粒含量均呈現顯著正相關(r>0，p<0.05)，說明隨著粗渣和細渣的摻入量增加，黏粒和粉粒所占比例不斷增高，并且填充到風沙土的大孔隙間，使內部大孔隙減少，小孔隙增多，因而土壤的容重逐漸降低，改善了風沙土的質地疏松、孔隙大的缺點。而且根據土壤質地分級來看，在隨著氣化粗渣和細渣摻入比例不斷提高之后，重構土壤的土壤質地從砂土逐漸轉變為壤質沙土進而轉變為砂質壤土，改善了風沙土土壤質地。土壤改良中，由于壤土的結構性好，容重小，因此土壤改良的實質就是將各種極端劣質土壤向壤土方向改良。從試驗數據來看，對風沙土的改良方案的方向符合一般規律。由此可見，氣化渣的添加可以起到降低土壤容重的作用，有助于改善風沙土土壤粒徑及孔隙結構，對沙土的粒徑改良效果顯著。

表3 風沙土粒徑試驗結果分析

3.2 摻入氣化渣對風沙土保水性能的影響

由圖1可以看出，在摻入氣化粗渣和細渣之后，隨著摻入比例不斷提高，對風沙土土壤保水性能均有所提高。飽和含水率呈現顯著上升的趨勢(p<0.05)，CK<處理1<處理2<處理3<處理4<處理5<處理6<處理7<處理8，并且變化趨勢線的斜率明顯越來越大，說明增長的幅度也逐漸增大，提高幅度為13.53%～158.93%，處理1—8的飽和含水量與CK呈顯著性差異(p<0.05)，其中處理5—8與CK的飽和含水量達到了極顯著性差異(p<0.01)。毛管持水量呈現上升的趨勢，其規律為：CK<處理1<處理2<處理3<處理4<處理5<處理6<處理7<處理8，并且變化趨勢線的斜率明顯越來越大，說明增長的幅度逐漸增大，因此土壤毛管持水量隨著風沙土中氣化渣施用量的增加而增大；提高幅度為7.12%～126.95%；處理1—2的毛管持水量與CK無顯著性差異，處理3—8的毛管持水量與CK呈顯著性差異(p<0.05)，其中處理7—8與CK的毛管持水量達到了極顯著性差異(p<0.01)。田間持水量也呈現上升的趨勢，其規律為：CK<處理1<處理2<處理3<處理4<處理5<處理6<處理7<處理8，因此隨著風沙土中氣化渣施用量的增加，土壤田間持水量有所提高，提高幅度為23.19%～252.47%；處理1—2的田間持水量與CK差異性不顯著，處理3—8的田間持水量與CK呈顯著性差異(p<0.05)，其中處理6—8與CK的田間持水量達到了極顯著性差異(p<0.01)。飽和含水量、毛管持水量和田間持水量均與砂粒含量呈現顯著負相關(r<0，p<0.05)，與粉粒、黏粒含量均呈現顯著正相關(r>0，p<0.05)，與由此可見，增加氣化渣的用量，可以提高風沙土土壤的保水性能。

注：不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

3.3 摻入氣化渣對風沙土土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線是描述土壤水吸力與土壤含水量的變化關系曲線，既可以說明土壤持水性和土壤水分的有效性，又能體現土壤水分的數量與能量的變化關系。由圖2可以看出，摻入氣化渣后對土壤特征曲線有影響，使土壤水分特征曲線較對照處理呈現整體上移，即相同PF值(土壤水吸力)下摻入氣化渣的土壤含水率大于不摻入氣化渣的處理，并且隨著氣化渣摻入量的增大，相同PF值下土壤含水率越大，其主要原因是摻入氣化渣后，改善了土壤孔隙結構，減小了風沙土土壤孔隙度，增強了保水性；在相同PF值下處理7和處理8土壤含水率比其他處理的含水量相差極大；在吸力段PF為100～200 kPa，相同PF值下處理4，5，6與對照組的土壤含水率相差不大，在其他吸力段內，相同PF值下處理4，5，6與對照組的土壤含水率相差較大；相同PF值下處理1，2，3與對照組的土壤含水率相差不大。可見，摻入氣化渣能提高風沙土的含水率，增強土壤保水性，并且氣化渣摻入量必須達到一定程度才會對土壤水分特征曲線具有明顯的影響，為定量分析氣化渣含量對土壤水分特征曲線的影響，采用Van Genuchten模型做進一步分析。

在Van Genuchten模型中，由表4可知，決定系數R2在0.971～0.996，說明VG模型可以較好地模擬氣化渣含量對土壤水分特征曲線的影響。滯留含水率(θres)和飽和含水率(θsat)呈現上升的趨勢，其中CK的滯留含水率和飽和含水率均小于其他處理。a值是水分特征曲線接近飽和時拐點吸力值的倒數，a值越大說明土壤持水性越差，氣化渣的摻入使處理1—8的a值均低于CK；n為形狀系數，n的取值影響擬合水土特征曲線的彎曲程度，n值越小，擬合的水土特征曲線越平緩，而煤氣化渣摻入量的變化對形狀系數n值的影響無明顯規律。由此可知，氣化渣的添加明顯提高了風沙土的土壤持水性能、增強了其保水性。

3.4 摻入氣化渣對風沙土土壤保水性能影響的主成分分析

主成分分析方法可在復雜的指標體系中篩選出若干個彼此不相關的綜合性指標，進行降維處理，這些綜合指標能表明出原來全部指標所提供的大部分信息。選取各處理的飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度5個因子，運用SPSS中的因子分析進一步求出矩陣的特征值、特征向量、貢獻率和累積貢獻率，見表5，根據特征值λ≥1的原則，提取了1個主成分，基本能說明土壤保水性能的基本信息。將5個因子原始數據進行標準化，根據主成分得分系數(表5)計算保水性能綜合得分，綜合得分的IFI值越高表示保水能力越高；反之，則表示保水能力越低，結果見表6，得分排序為:配方8>配方7>配方6>配方5>配方4>配方3>配方2>配方1>CK，由此可見，隨著摻入比例的增大，保水能力越來越高。

圖2 氣化渣對風沙土土壤水分特征曲線的影響

表4 土壤水分特征曲線模型參數

表5 風沙土土壤保水性能主成分分析的計算數值

表6 風沙土土壤保水性能主成分分析的綜合得分

4 討 論

氣化渣包括粗渣和細渣。氣化粗渣是在氣化爐高溫高壓條件下經熔融、激冷、凝結等流程，由氣化爐底部排出的渣類，粒徑集中分布在4 750～1 000 μm，其特性表現為粒徑組成中氣化粗渣中砂粒比重大，砂粒粒徑大，可以改善土壤的氣孔結構，使內部孔隙增多，因而使土壤容重降低，土壤保水性增強；氣化細渣是氣化爐頂部由氣流攜出并經初步洗滌凈化，沉淀得到的渣類，粒徑均小于1 000 μm，其特性表現為黏粒比重大，黏粒的表面積大，具有較強的吸附作用，與土壤混合，其可以填充在土壤的大孔隙間，改善土壤的質地，提高了土壤的保水性[13]。由于風沙土土壤中大粒徑顆粒所占比例大，形成了土壤中以大通氣孔隙為主的孔隙結構，這種結構導致土壤孔隙彎曲少、緊實性差，對土壤水運移阻礙小，使土壤水傳導性高，使土壤養分流失嚴重。而氣化渣的施用改變了風沙土的孔隙結構，細小的氣化渣顆粒可以填充到沙土的大孔隙中，有效地減少了大孔隙的比例，降低風沙土水力傳導能力，有效地減弱了風沙土的土壤滲透性，減緩了土壤水運移，提高了土壤保水性。

在沙化干旱地區，土壤水分是影響植物生長的重要因子之一。土壤保水性能最為常見的指標就是土壤飽和含水量、毛管持水量和田間持水量。已有研究表明在土壤中施用固體添加物可以提高土壤的總孔隙度，從而提高土壤的飽和體積含水量，明顯改善土壤的保水性能，比如粉煤灰和生物炭[14-15]，本研究表明氣化渣的摻入能提高風沙土的飽和含水量、毛管持水量和田間持水量，提高風沙土的持水性能，這一結果與前人研究結果一致[16-17]。通過研究氣化渣不同添加量對風沙土土壤水分特征曲線的影響，發現隨著氣化渣的添加明顯提高了風沙土的持水性和保水性，原因是由于煤氣化過程的高溫(800～1 300℃)和激冷作用，氣化渣呈現出比表面積大、多孔均孔特性[18-19]，使其可以吸附超過自身重量的水分，從而產生改善土壤結構、增加團聚體等的作用，提高土壤持水性和保水性。土壤持水性的提高不但可以防止水土流失及侵蝕而且還有利于農作物生長[20]。雖然氣化渣的摻入提高了風沙土土壤的持水性和保水性，但是這種作用所持續的時間及對作物的有效性及對養分、蒸發等的影響還需進一步研究和探討。

5 結 論

(1) 試驗結果表明氣化渣的添加可以起到降低風沙土土壤容重的作用，隨著氣化渣量的添加風沙土土壤質地由砂土轉向砂質壤土。因為土壤容重降低和氣化渣的充填大孔隙的作用導致風沙土土壤孔隙增多，這極大的增加了風沙土土壤中水分的有效性、減緩了土壤水分運移速率，解決了風沙土的持水能力和保水性能差的問題。

(2) 風沙土土壤的保水性能隨氣化渣用量的增加呈現上升的趨勢，土壤飽和含水量、毛管持水量和田間持水量與砂粒含量呈現顯著負相關，與粉粒、黏粒含量均呈現顯著正相關，表明氣化渣摻入量增加對風沙土保水性能提高顯著。

(3) Van Genuchten模型可以很好地擬合氣化渣添加后風沙土的土壤水分特征曲線，模型表明氣化渣的添加明顯提高了土壤持水性和保水性，而且對風沙土土壤保水性能的主成分分析進一步表明氣化渣添加量對風沙土持水性和保水性具有顯著提高作用，對風沙土的改良效果明顯。