添加粉煤灰对煤矸石基质有效水和持水性能的影响.pdf

第5 1卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月西北农林科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y(N a t.S c i.E d.)V o l.5 1 N o.1 0O c t.2 0 2 3网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 0 1 6:5 6 D O I:1 0.1 3 2 0 7/j.c n k i.j n w a f u.2 0 2 3.1 0.0 1 0网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 3 9 0.s.2 0 2 3 0 4 0 7.1 7 1 4.0 0 8.h t m l添加粉煤灰对煤矸石基质有效水和持水性能的影响 收稿日期 2 0 2 2-0 6-1 7 基金项目 国家重点研发计划项目“西北干旱荒漠区煤炭基地生态安全保障技术”(2 0 1 7 Y F C 0 5 0 4 4 0 0)和“采煤迹地地形与新土体近自然构建技术研究”(2 0 1 7 Y F C 0 5 0 4 4 0 4)作者简介 韩 湘(1 9 9 7-),女,河北沧州人,在读硕士,主要从事土壤生态研究。E-m a i l:1 8 3 6 6 4 0 5 3 6q q.c o m 通信作者 耿玉清(1 9 6 5-),女,河北衡水人,副教授,主要从事土壤生态及管理研究。E-m a i l:g e n g y u q i n g b j f u.e d u.c n韩 湘,张超英,耿玉清,韩秀娜,陈 琳(北京林业大学 林学院,森林培育与保护教育部重点实验室,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要【目的】探索添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分和持水能力的影响,为推进矿区生态修复和废弃物的资源化利用提供理论依据。【方法】以煤矸石和生土按照11质量比混匀的煤矸石基质为研究对象,分别添加不同质量分数(0%(C K)、1 0%(F 1)、2 0%(F 2)和5 0%(F 5)粉煤灰,经浇水处理后,取一部分煤矸石基质测定其颗粒组成,同时用环刀取不同处理的煤矸石基质测定其水分特征曲线,计算不同处理煤矸石基质的体积含水率()和水吸力(S),用G a n d n e r幂函数经验公式(=a S-b)对参数a(表征持水能力)和b(表征体积含水率变化的快慢)进行拟合。在此基础上,计算不同处理煤矸石基质的比水容量、大中小孔隙占比、田间持水量、萎蔫系数及速效水、缓效水和有效水含量。【结果】与C K相比,添加粉煤灰使煤矸石基质的粉粒含量显著增加了3.8 11 5.6 2个百分点,砂粒和黏粒含量显著减少了3.8 79.8 7个百分点和0.1 06.0 1个百分点。不同处理煤矸石基质的G a r d n e r幂函数方程拟合系数(R2)在0.9 5 3 80.9 9 4 7。随着粉煤灰添加量的增加,方程拟合参数a呈增加趋势,b呈减小趋势,煤矸石基质的水分特征曲线也逐渐升高。煤矸石基质的比水容量随水吸力的增大呈现出先增大后减小的趋势。在任一水平的水吸力状态下,添加了粉煤灰的煤矸石基质的比水容量均大于C K,并且随着粉煤灰添加量的增加而增大。添加粉煤灰可以减少煤矸石基质的大孔隙比例,增加中小孔隙比例,其中F 1、F 2、F 5的中、小孔隙比例分别较C K上升1.8 2 0,3.2 2 3,4.1 8 0个百分点和4.2 5 6,6.8 9 0,1 2.0 8 3个百分点。随着粉煤灰添加量的增加,煤矸石基质的田间持水量及速效水、缓效水和有效水含量显著增加,但萎蔫系数无显著变化。【结论】添加粉煤灰可以改善煤矸石基质的颗粒组成和孔隙状况,提高其有效水含量和持水能力。关键词 煤矸石;粉煤灰;水分特征曲线;有效水分;持水性能 中图分类号 S 1 5 6.9 9;X 7 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1-9 3 8 7(2 0 2 3)1 0-0 0 8 9-0 8E f f e c t o f a d d i n g f l y a s h o n w a t e r a v a i l a b i l i t y a n d h o l d i n g c a p a c i t y o f c o a l g a n g u e m a t r i x HAN X i a n g,Z HA GN C h a o y i n g,G E N G Y u q i n g,HAN X i u n a,CHE N L i n(C o l l e g e o f F o r e s t r y,T h e K e y L a b o r a t o r y f o r S i l v i c u l t u r e a n d C o n s e r v a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a)A b s t r a c t:【O b j e c t i v e】T h i s s t u d y e x p l o r e d t h e e f f e c t s o f f l y a s h a d d i t i o n o n a v a i l a b l e w a t e r a n d w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y o f c o a l g a n g u e m a t r i x t o p r o v i d e b a s i s f o r p r o m o t i n g e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n a n d w a s t e r e-s o u r c e u t i l i z a t i o n i n m i n i n g a r e a s.【M e t h o d】T h e c o a l g a n g u e m a t r i x m i x e d w i t h c o a l g a n g u e a n d r a w s o i l a t a m a s s r a t i o o f 11 w a s t e s t e d w i t h a d d i t i o n o f f l y a s h a t d i f f e r e n t m a s s f r a c t i o n s(0%(C K),1 0%(F 1),2 0%(F 2)a n d 5 0%(F 5).A f t e r w a t e r i n g t r e a t m e n t,p a r t i a l c o a l g a n g u e m a t r i x w a s t a k e n t o d e t e r-m i n e p a r t i c l e c o m p o s i t i o n,v o l u m e w a t e r c o n t e n t()a n d w a t e r s u c t i o n(S).T h e G a n d n e r p o w e r f u n c t i o n e m p i r i c a l f o r m u l a(=a S-b)w a s u s e d t o f i t t h e p a r a m e t e r s o f a(r e p r e s e n t i n g t h e w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y)a n d b(r e p r e s e n t i n g t h e c h a n g i n g r a t e o f v o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t).T h e n,t h e s p e c i f i c w a t e r c a p a c i t y,p r o-p o r t i o n s o f l a r g e,m e d i u m a n d s m a l l p o r e s,f i e l d w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y,w i l t i n g c o e f f i c i e n t,r a p i d a v a i l a b l e w a t e r,s l o w a v a i l a b l e w a t e r a n d a v a i l a b l e w a t e r w e r e c a l c u l a t e d.【R e s u l t】C o m p a r e d w i t h C K,t h e a d d i-t i o n o f f l y a s h s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d s i l t c o n t e n t o f c o a l g a n g u e m a t r i x b y 3.8 1%-1 5.6 2%,w h i l e r e d u c e d s a n d a n d c l a y c o n t e n t s s i g n i f i c a n t l y b y 3.8 7%-9.8 7%a n d 0.1 0%-6.0 1%,r e s p e c t i v e l y.T h e f i t t i n g c o e f f i c i e n t s(R2)o f t h e G a r d n e r p o w e r f u n c t i o n e q u a t i o n o f t h e c o a l g a n g u e m a t r i x w i t h d i f f e r e n t t r e a t-m e n t s w e r e 0.9 5 3 8-0.9 9 4 7.W i t h t h e i n c r e a s e o f f l y a s h a m o u n t,t h e e q u a t i o n f i t t i n g p a r a m e t e r a s h o w e d a n i n c r e a s i n g t r e n d,b s h o w e d a d e c r e a s i n g t r e n d,a n d t h e w a t e r c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c o a l g a n g u e m a t r i x g r a d u a l l y i n c r e a s e d.T h e s p e c i f i c w a t e r c a p a c i t y o f t h e c o a l g a n g u e m a t r i x s h o w e d a t r e n d o f f i r s t i n-c r e a s i n g a n d t h e n d e c r e a s i n g w i t h t h e i n c r e a s e o f w a t e r s u c t i o n.A t a n y l e v e l o f w a t e r s u c t i o n,t h e s p e c i f i c w a t e r c a p a c i t y o f t h e g a n g u e m a t r i x w i t h f l y a s h w a s g r e a t e r t h a n t h a t o f C K,a n d i t i n c r e a s e d w i t h t h e i n-c r e a s e o f f l y a s h a d d i t i o n a m o u n t.T h e a d d i t i o n o f f l y a s h r e d u c e d t h e p r o p o r t i o n o f l a r g e p o r e s o f c o a l g a n g u e m a t r i x a n d i n c r e a s e d t h e p r o p o r t i o n s o f m e d i u m a n d s m a l l p o r e s.C o m p a r e d w i t h C K,t h e p r o p o r t i o n s o f m e d i u m a n d s m a l l p o r e s o f F 1,F 2 a n d F 5 w e r e i n c r e a s e d b y 1.8 2 0%,3.2 2 3%,4.1 8 0%a n d 4.2 5 6%,6.8 9 0%,1 2.0 8 3%,r e s p e c t i v e l y.W i t h t h e i n c r e a s e o f f l y a s h a d d i t i o n,t h e f i e l d c a p a c i t y,a v a i l a b l e w a t e r,r a p i d a v a i l a b l e w a t e r,s l o w a v a i l a b l e w a t e r a n d a v a i l a b l e w a t e r i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y,w h e r e a s w i l t i n g c o e f f i c i e n t s h o w e d n o s i g n i f i c a n t c h a n g e s.【C o n c l u s i o n】A d d i n g f l y a s h c a n i m p r o v e t h e p a r t i c l e c o m p o s i t i o n a n d p o r o s i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o a l g a n g u e m a t r i x a n d i n c r e a s e i t s a v a i l a b l e w a t e r c o n t e n t a n d w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y.K e y w o r d s:c o a l g a n g u e;f l y a s h;w a t e r r e t e n t i o n c u r v e;a v a i l a b l e w a t e r;w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y 煤矸石是成煤过程中与煤共生的含碳量低的岩石,也是矿区排放的主要废弃物之一1。煤矸石含有丰富的有机质和微量元素2-3,所以常常将煤矸石与生土混匀来改善土壤的养分状况,作为植物生长的基质4-5。但是煤矸石与生土简单掺混成的煤矸石基质孔隙大、结构性差且保水能力低,从而限制了植物生长。因此,加入外源物质改善煤矸石基质的持水性能,对推进矿区生态修复十分必要。粉煤灰是燃煤过程中产生的固体废弃物,其颗粒细小、质量轻、疏松多孔、比表面积大、活性基团多、吸附能力强,并且富含微量元素6-7。研究发现,将粉煤灰添加到土壤中,不仅可以改善土壤的颗粒组成和孔隙状况,还能促进土壤团粒结构的形成,有效抑制水分蒸发8-9。此外,添加粉煤灰还可阻挡土壤水分下渗,提高土壤的含水率和有效水分滞留时间,增强土壤的持水能力1 0-1 1。在矿区生态修复进程中,已有研究表明使用粉煤灰可改善煤矸石的持水能力。例如秦倩等1 2研究发现,添加粉煤灰可以提高煤矸石的田间持水量,降低其水分扩散率;W a n g等1 3研究发现,粉煤灰-煤矸石的混合充填模式较煤矸石单一充填模式具有更高的保水性和渗透性;邱俊杰等1 4发现,不同比例的煤矸石与粉煤灰混合后均可显著影响煤矸石的饱和含水量。前人的研究主要集中在添加粉煤灰对煤矸石持水性能的影响方面,但粉煤灰是否提高了煤矸石水分的有效性尚不明确。本试验以煤矸石和生土混匀的煤矸石基质为研究对象,分析添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分和持水能力的影响,旨在为推进矿区生态环境修复与废弃物资源化利用提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料试验采用的煤矸石源自神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿的排矸场;供试生土采自排矸场附近的自然土体,砂粒含量6 5.8%,粉粒含量2 7.5%,黏粒含量6.7%,体积质量1.3 5 g/c m3。基于取材方便,供试粉煤灰采自内蒙古自治区乌海市海南区西来峰发电厂,其砂粒、粉粒和黏粒含量分别为7 1.5 2%,2 4.2 6%和4.5 0%。所采集的煤矸石、生土和粉煤灰均磨碎过2 mm筛后备用。1.2 试验设计将煤矸石和生土按11的质量比混匀成煤矸石基质,然后分别在煤矸石基质中添加质量分数为09西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷0%(C K)、1 0%(F 1)、2 0%(F 2)和5 0%(F 5)的粉煤灰,每处理3次重复。将掺混粉煤灰的煤矸石基质装入高1 3 c m、底部直径为8 c m的塑料盆钵中,每盆混合基质的质量为2 k g。为保证每盆煤矸石基质均处在同样的压力条件下,用吸能锤从同样的高度锤击5次1 5。然后采用浇水的方式将各处理的煤矸石基质浇透(2 0 02 5 0 m L)后自然风干3个月,用环刀取出不同塑料盆钵中的煤矸石基质测定其水分特征曲线,同时再取出一部分煤矸石基质测定其颗粒组成。1.3 测试指标及方法1.3.1 颗粒组成 煤矸石基质的颗粒组成(砂粒、粉粒、黏粒含量)采用比重计法1 6测定。1.3.2 水分特征曲线的测定与拟合 采用日立公司生产的H-1 4 0 0 P F离心机测定。先将装有基质样品的环刀放入水中浸泡至饱和状态,然后称量转速为5 0 0,1 0 0 0,1 5 0 0,2 0 0 0,3 0 0 0,4 0 0 0,5 0 0 0和6 0 0 0 r/m i n时的基质质量(m),之后将基质于1 0 5 烘干,称取其干质量(ms);同时用游标卡尺量取环刀内土面下降的高度(h),用以计算不同吸力下煤矸石基质的体积含水率()和水吸力(S)。体积含水率的计算公式如下:=m=(m-ms)/ms1 0 0。(1)式中:为一定转速下对应的体积含水率(%);m为一定转速下对应的质量含水率(%);为基质密度(g/c m3),本试验中C K、F 1、F 2和F 5的基质密度分别为1.1 9,1.1 1,1.0 2和0.8 8 g/c m3;m为一定转速下对应的基质质量(g);ms为基质干质量(g)。水吸力的计算公式1 7如下:S=1.3 9 7 51 0-6n2(r-l-h)(3r+l+h)。(2)式中:S为一定转速下对应的水吸力(k P a),n为离心机的转速(r/m i n),r为离心机轴心到土样底部的旋转半径(9.3 c m),l为离心机轴心到转子盖顶端的距离(2.9 c m),h为不同转速下环刀内土面下降的高度(c m)。采用G a n d n e r幂函数经验公式1 8对煤矸石基质体积含水率与水吸力的关系进行拟合,计算公式如下:=a Sb。(3)式中:为土壤体积含水率(%),S为土壤水吸力(k P a),a、b为参数。1.3.3 比水容量 以水吸力为自变量对G a n d n e r幂函数经验公式求导可以得到比水容量(C),计算公式如下:C=-d/d S=a b S-(b+1)。(4)1.3.4 孔隙占比 土壤水分特征曲线能够间接反映土壤中的孔隙大小及分布,假设土壤中的孔隙为圆形毛管,则毛管孔径d与水吸力S的关系就可以表示为:d=4/S。(5)式中:为水的表面张力系数,室温下一般为7.51 0-5 N/c m。如果土壤毛管孔径d的单位为mm,水吸力S的单位为P a,那么二者关系可表示为d=3 0 0/S,计算得到的孔径称为当量孔径1 9。为了便于分析,本研究将煤矸石基质水吸力值按照当量孔径大小分为低吸力段、中吸力段和高吸力段,即低吸力段对应的当量孔径0.0 4 5 mm,中吸力段对应的当量孔径为0.0 0 50.0 4 5 mm,高吸力段对应的当量孔径为0.0 0 0 30.0 0 5 mm。假设煤矸石基质的水吸力S1对应的含水率和当量孔径为1和d1,水吸力S2对应的含水率和当量孔径为2和d2,则煤矸石基质中孔径在d1和d2之间的孔隙所占的体积与孔隙总体积之比为1-2,其中122 0。1.3.5 有效水分 煤矸石基质的有效水分用田间持水量、速效水、缓效水和有效水含量来表示。基质的田间持水量、暂时萎蔫系数和永久萎蔫系数由G a n d n e r幂函数经验公式计算得到,分别以水吸力值为3 3,1 0 0 0和1 5 0 0 k P a时的体积含水率表示,速效水用田间持水量与暂时萎蔫系数之差表示,缓效水用暂时萎蔫系数与永久萎蔫系数之差表示2 1,有效水含量则为速效水和缓效水含量之和。1.4 数据分析方法采用E x c e l 2 0 1 6进行数据处理,利用S P S S 2 3软件进行数据分析。采用单因素方差分析法(O n e-w a y ANOVA)比较添加不同比例的粉煤灰对煤矸石基质颗粒组成、孔隙占比以及有效水分影响的差异,用 D u n c a n法进行差异显著性多重比较。采用O r i g i n 2 0 1 8进行煤矸石基质水分特征曲线的绘制和G a r d n e r模型的拟合。2 结果与分析2.1 添加粉煤灰对煤矸石基质颗粒组成的影响表1为添加不同比例粉煤灰后煤矸石基质的颗粒组成情况,可知随着粉煤灰添加量的增加,煤矸石基质的砂粒含量显著减少,粉粒含量显著增加。与19第1 0期韩 湘,等:添加粉煤灰对煤矸石基质有效水和持水性能的影响C K相 比,F 1、F 2和F 5的 砂 粒 含 量 分 别 减 少 了3.8 7,5.9 2和9.8 7个百分点,粉粒含量分别增加3.8 1,7.8 6和1 5.6 2个百分点;除F 1外,其余处理的黏粒含量也较C K显著减少。这是由于煤矸石粒径大,将粒径较小的粉煤灰加入到煤矸石基质中后,会导致煤矸石砂粒含量减少,粉粒含量增加;煤矸石基质黏粒含量降低则与粉煤灰的黏粒含量低有关。表1 添加粉煤灰对煤矸石基质颗粒组成的影响T a b l e 1 E f f e c t o f a d d i n g f l y a s h o n p a r t i c l e s i z e o f c o a l g a n g u e m a t r i x%处理 T r e a t m e n t砂粒 S a n d粉粒 S i l t黏粒 C l a yC K7 5.3 7 a1 6.3 1 d8.5 1 aF 17 1.5 0 b2 0.1 2 c8.4 1 aF 26 9.4 5 c2 4.1 7 b6.5 1 bF 56 5.5 0 d3 1.9 3 a2.5 0 c 注:同列数据后标不同字母表示各处理间存在显著差异(P0.0 5)。表3和表4同。N o t e:D i f f e r e n t l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s a m o n g t r e a t m e n t s(P0.0 4 5 mm的孔隙占比以C K最大,为4.2 1 7%,并且显著高于其他处理;而C K当量孔径为0.0 0 0 30.0 4 5 mm的孔隙占比则显著低于其他处理。随着粉煤灰添加量的增加,煤矸石基质中当量孔径0.0 4 5 mm的孔隙占比逐渐增加,但各处理均显著小于C K,其中F 1较C K减小2.0 4 7个百分点,F 1、F 2和F 5之间差异不显著;各处理当量孔径为0.0 0 50.0 4 5 mm和0.0 0 0 3 0.0 0 5 mm的孔隙占比较C K显著增加,F 1、F 2和F 5分别较C K上 升1.8 2 0,3.2 2 3,4.1 8 0个 百 分 点 和4.2 5 6,6.8 9 0,1 2.0 8 3个百分点。总体而言,添加粉煤灰可以减少煤矸石基质的大孔隙比例,增加中小孔隙比例。表3 添加粉煤灰对煤矸石基质当量孔径分布的影响T a b l e 3 E f f e c t o f a d d i n g f l y a s h o n d i s t r i b u t i o n o f e q u i v a l e n t a p e r t u r e o f c o a l g a n g u e m a t r i x%处理 T r e a t m e n t孔隙占比 P o r e p r o p o r t i o n0.0 4 5 mm0.0 0 50.0 4 5 mm0.0 0 0 30.0 0 5 mmC K4.2 1 7 a 9.8 8 0 d6.4 6 7 dF 12.1 7 0 b1 1.7 0 0 c1 0.7 2 3 cF 22.1 7 3 b1 3.1 0 3 b1 3.3 5 7 bF 52.5 3 7 b1 4.0 6 0 a1 8.5 5 0 a2.4 添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分的影响表4表明,添加粉煤灰显著提高了煤矸石基质的田间持水量。F 1、F 2和F 5田间持水量分别较C K显著提高3.4 2,4.7 6和9.9 6个百分点;施用粉煤灰对煤矸石基质暂时和永久萎蔫系数的影响均不显著;添加粉煤灰对煤矸石基质的有效水分产生了不同程度的影响。F 1、F 2和F 5的速效水和缓效水含量分别较C K显著提高2.6 1,4.3 7,7.7 3个百分点和0.1 7,0.2 6,0.4 8个百分点。速效水和缓效水之和即为有效水,F 1、F 2和F 5的有效水含量随粉煤灰用量的增加而增加,分别较C K提高2.7 8,4.6 3和8.2 1个百分点。可知添加粉煤灰提高了煤矸石基质的有效持水能力。表4 添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分的影响T a b l e 4 E f f e c t o f a d d i n g f l y a s h o n a v a i l a b l e w a t e r o f c o a l g a n g u e m a t r i x%处理T r e a t m e n t田间持水量F i e l d w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y暂时萎蔫系数T e m p o r a l w i l t i n gc o e f f i c i e n t永久萎蔫系数P e r m a n e n t w i l t i n gc o e f f i c i e n t速效水R a p i d a v a i l a b l e w a t e r缓效水S l o w a v a i l a b l e w a t e r有效水A v a i l a b l e w a t e rC K2 5.1 5 c 1 3.6 8 a1 2.7 3 a 1 1.4 6 d 0.9 5 c 1 2.4 1 dF 12 8.5 7 b 1 4.5 0 a1 3.3 8 a 1 4.0 7 c 1.1 2 b 1 5.1 9 cF 22 9.9 1 b 1 4.0 8 a1 2.8 7 a1 5.8 3 b 1.2 1 b 1 7.0 4 bF 53 5.1 1 a 1 5.9 2 a1 4.4 9 a 1 9.1 9 a 1.4 3 a 2 0.6 2 a3 讨 论3.1 添加粉煤灰对煤矸石基质持水性能的影响土壤持水性能是评价土壤涵养和调节水分功能的重要指标。土壤水分特征曲线的高低可以反映土壤持水性能的强弱,且两者之间呈正相关,即曲线越高,土壤持水性能越强2 3。本研究发现,随着粉煤灰添加 量 的 增 加,煤 矸 石 基 质 水 分 特 征 曲 线 的G a n d n e r模型拟合参数a逐渐增大,使得煤矸石基质的水分特征曲线升高,煤矸石基质的持水性能也得到了提升,这与前人的研究结果一致2 4-2 6。其原因是添加粉煤灰后,煤矸石基质的中小孔隙占比增加,大孔隙占比减小。而中小孔隙占比的增加,降低了基质的通透性,增强了基质的持水性能1 1-1 2。此外,粉煤灰中含有S i O2和A l2O3,可与土壤水分发生水化作用2 7,而粉煤灰添加量的增加进一步增强39第1 0期韩 湘,等:添加粉煤灰对煤矸石基质有效水和持水性能的影响了这种水化能力,进而提高了煤矸石基质对水分的吸持能力。3.2 添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分的影响比水容量是土壤水分特征曲线的斜率,表示每单位吸力变化时单位质量土壤可释放或吸收的水量,能够反映土壤的供水能力2 8。而煤矸石毛管孔隙少,毛细管作用弱,限制了水分向上的移动,供水能力差,能被植物利用的水分较少2 9。本研究发现,添加粉煤灰提高了煤矸石基质的比水容量,增加了煤矸石基质供给植物生长所需的水分。这可能与添加粉煤灰改变了煤矸石基质的颗粒组成有关。本研究添加粉煤灰降低了煤矸石基质的砂粒含量,提高了基质的粉粒含量。而前人研究表明,土壤比水容量与 砂 粒 含 量 呈 负 相 关,与 粉 粒 含 量 呈 正 相关3 0-3 1,这与本试验的研究结果一致。田间持水量是指能为植物有效利用的最高含水量。赵智等3 2发现,在风沙土中添加粉煤灰可以提高田间持水量,增长幅度为1 0%2 9%,这与本研究结果一致。究其原因是由于添加粉煤灰提高了煤矸石基质的粉粒含量,减少了煤矸石基质的大孔隙数量,同时增大了煤矸石基质的表面张力,从而提高了田间持水量。K a l r a等3 3和黄继民等3 4研究发现,添加粉煤灰可以显著提高土壤的萎蔫系数。但本研究发现,添加粉煤灰后,煤矸石基质的萎蔫系数没有发生显著变化,这可能与煤矸石材料的性质有关。总之,添加粉煤灰增加了煤矸石基质的有效水分含量。4 结 论本研究通过室内试验分析粉煤灰对煤矸石基质水分有效性的影响,结果发现:1)粉煤灰能改善煤矸石基质的颗粒组成和孔隙状况,使其粉粒含量增加3.8 11 5.6 2个百分点,中、小孔隙比例分别增加1.8 2 04.1 8 0个百分点和4.2 5 61 2.0 8 3个百分点。2)G a n d n e模型可以很好地拟合添加粉煤灰后煤矸石基质的水分特征曲线。随粉煤灰添加量的增加,煤矸石基质的田间持水量和有效水含量显著提高,煤矸石基质的持水性能得到显著增强。参考文献1 曹艳芝,郭少青,翟晋栋.煤矸石中汞和 砷的赋存形态 研究 J.煤田地质与勘探,2 0 1 7,4 5(1):2 6-3 0.C a o Y Z,G u o S Q,Z h a i J D.T h e m o d e o f o c c u r r e n c e o f m e r c u-r y a n d a r s e n i c i n c o a l g a n g u e s J.C o a l G e o l o g y&E x p l o r a-t i o n,2 0 1 7,4 5(1):2 6-3 0.2 马守臣,吕 鹏,李春喜,等.不同改良措施对煤矸石污染土壤上大豆生长的影响 J.生态与农村环境学报,2 0 1 1,2 7(5):1 0 1-1 0 3.M a S C,L ,L i C X,e t a l.E f f e c t o f s o i l a m e n d m e n t s o n g r o w t h o f s o y b e a n i n c o a l g a n g u e c o n t a m i n a t e d s o i l J.J o u r-n a l o f E c o l o g y a n d R u r a l E n v i r o n m e n t,2 0 1 1,2 7(5):1 0 1-1 0 3.3 韩秀娜,董 颖,耿玉清,等.覆盖煤矸石对矿区土壤养分及盐分特征的影响 J.生态环境学报,2 0 2 1,3 0(1 1):2 2 5 1-2 2 5 6.H a n X N,D o n g Y,G e n g Y Q,e t a l.I n f l u e n c e o f c o a l g a n g u e m u l c h i n g o n c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l i n t h e m i n i n g a r e a J.E c o l o g y a n d E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,2 0 2 1,3 0(1 1):2 2 5 1-2 2 5 6.4 荣 颖,王 淳,孙光林,等.不同重构土壤材料配比的土壤改良和苜蓿生长效应研究 J.金属矿山,2 0 2 2(6):1 9 7-2 0 4.R o n g Y,W a n g C,S u n G L,e t a l.R e s e a r c h o n e f f e c t o f d i f f e-r e n t r a t i o s o f r e c o n s t r u c t e d s o i l m a t e r i a l s o n s o i l i m p r o v e m e n t a n d a l f a l f a g r o w t h J.M e t a l M i n e,2 0 2 2(6):1 9 7-2 0 4.5 况欣宇,曹银贵,罗古拜,等.基于不同重构土壤材料配比的草木樨生物量差异分析 J.农业资源与环境学报,2 0 1 9,3 6(4):4 5 3-4 6 1.K u a n g X Y,C a o Y G,L u o G B,e t a l.A n a l y s i s o f b i o m a s s d i f f e r e n c e s i n M e l i l o t u s s u a v e o l e n s L e d e b.b a s e d o n d i f f e r e n t r a t i o s o f r e c o n s t r u c t e d s o i l m a t e r i a l s J.J o u r n a l o f A g r i c u l-t u r a l R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t,2 0 1 9,3 6(4):4 5 3-4 6 1.6 J a y a r a n j a n M L D,H u l l e b u s c h E D,A n n a c h h a t r e A P.R e u s e o p t i o n s f o r c o a l