摘要通过室内煤矸石充填复垦土壤盆栽试验，监测有无地下水补给和不同覆土厚度处理的表层土壤含水量、小麦出芽率与地上部生物量等指标，研究煤矸石充填复垦土壤水分的作物有效性。结果表明：表层土壤含水量在有地下水补给时相对较高，且覆土厚度影响小麦出芽率；当无地下水补给时，表土含水量受覆土厚度的影响较明显，3种处理中覆土厚度为10 cm时表土含水量最高，小麦出芽率受土壤含水量的影响较小。在拔节前期，地上部小麦生物量与出芽率呈显著地正相关关系。
关键词复垦土壤；煤矸石；土壤含水量；小麦出芽率；生物量
中图分类号S156文献标识码
A文章编号0517-6611（2014）06-01598-02
Abstract Topsoil moisture content， bud ratio and aboveground biomass of wheat were measured by the pot experiments of reclaimed soils filled coal gaugue， setting different groundwater table and topsoil thickness to study the crop validation of water content. The results show that soil moisture content is relatively high under the groundwater table， and bud ratio of wheat is affected on topsoil thickness. Under no groundwater， topsoil thickness will affect on soil moisture content， and moisture content of topsoil thickness 10 cm is highest form three different experimental treatments， which bud ratio of wheat is less affected on topsoil water contents. At the early stage of wheat growth， the correlation between aboveground biomass and bud ratio of wheat is positively remarkable.
Key words Reclaimed soil； Coal gaugue； Soil water content； Bud ratio of wheat； Biomass
煤炭是我国最重要的能源，占全国一次能源总量的74%左右[1]。1989年我国煤炭产量突破10亿t大关，成为世界第一产煤大国，到2010年煤炭产量突破30亿t[2]。我国煤炭开采主要采用井工开采，导致大面积的地表塌陷[3]。目前，我国采煤塌陷造成的土地破坏总量已超过400万hm2，并且每年仍以3.3万～4.7万hm2的速度增加[1]。煤炭开采不仅破坏大量土地，而且产生大量的煤矸石。煤矸石是排放量最大的工业固体废弃物。2000年我国排放量达到1.3亿，约占当前煤炭产量的10%[4]。然而，煤矸石不仅可以作为复垦造田的原材料，而且可以作为煤炭塌陷区充填复垦的填充物与发电原料。为了落实科学发展观、合理利用资源、可持续发展战略思想等国家策略，目前国内对煤矸石的利用进行了大量的研究。
谢英奇等[5]研究指出，在煤炭开采时会有煤粒混入煤矸石中，致使煤矸石中全氮含量高，其氮大多属于地质态氮，碱解氮含量只有19 mg/kg，有效氮含量较少，不能为植物生长所利用。在接菌种植牧草后，固氮酶活性和固氮能力提高，使得煤矸石中全氮和速效氮含量均有不同程度的提高。牟守国等[6]研究指出，煤矸石充填复垦场地的土壤生物活性要好于用粉煤灰充填场地的土壤生物活性。董霁红等[7]研究指出，充填复垦地小麦根系中Cd含量高于比照场地，粉煤灰场地中Pb、Cr含量高于比照场地，而煤矸石场地中Pb、Cr含量低于比照场地，并且复垦地植物根系中重金属含量与煤矸石、粉煤灰中重金属含量不呈正比。煤矸石充填复垦土地中上覆表土厚度不同将引起土壤生产能力差异。董霁红等[8]研究指出，由于粉煤灰结构特点，充填复垦土地土壤水分含量偏高，风干水分偏低，而煤矸石充填复垦土地0～40 cm土壤含水量变化剧烈。刘会平等[9]研究指出，煤矸石充填复垦土地上覆土壤40～70 cm，随着覆土厚度的增加土壤养分呈增长趋势，而复垦土壤肥力总体太差。
尽管如此，目前国内对于不同覆土厚度的煤矸石充填复垦土壤表土含水量变化、影响因素以及作物有效性研究的报道并不多见。笔者通过实验室盆栽试验，监测不同覆土厚度和地下水位处理条件下的表土含水量、小麦出芽率与生物量，探讨复垦土壤水分含量及其对小麦生长的影响，为煤矿区复垦地田间管理提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料
室内盆栽试验的盆体为聚乙烯材料制作，底部有小孔。盆体底部直径为20 cm，盆口直径为25 cm，高20 cm。充填材料煤矸石采自安徽省淮北矿区某矿井矸石堆。供试土壤采自安徽省淮南市郊区，质地为黏壤土。
1.2试验方法分2组进行，一组盆栽底部有恒定地下水位持续供给地下水（G），另一组没有地下水供给（N）。每组试验设4个处理，分别是对照组（没有煤矸石充填）和覆土厚度15、10和5 cm，编号分别为GC、GE1、GE2和GE3；NC、NE1、NE2和NE3。每个处理5个重复。
试验30 d后，测定表层土壤含水量、小麦出芽率和地上部分生物量。土壤含水量用105 ℃烘干8 h称重获得，直接统计小麦出芽率。小麦地上部生物量应用收获法，80 ℃下烘干4 h称重计算。试验数据用SPSS软件统计分析。
2结果与分析
有地下水补给的试验组表层土壤含水量在0.05水平显著高于无地下水补给的试验组，且有地下水补给的试验组中表土含水量最小值大于无地下水补给试验组中的最大值。有地下水补给试验组表土含水量不具有显著性差异，其中对照组（GC）表土含水量最大，GE2表土含水量大于GE1和GE3处理，GE3处理的土壤含水量最小。无地下水区补给的试验组表土含水量差异性比较大，其中NE2处理表土含水量大于对照组（NC），且NE1处理小于NE2和NE3处理，NE2处理土壤含水量最大。因此，在煤矸石充填复垦盆栽试验中地下水位会影响表土含水量，并且在无地下水条件下覆土厚度将影响表土含水量。
2.2小麦出芽率由图2可知，无地下水补给试验组的小麦出芽率要大于有地下水补给试验组。在有地下水补给试验组中，对照处理（GC）小麦出芽率最低，GE2处理最高，GE1处理小于GE3处理。在无地下水补给试验组中，小麦发芽率没有显著差异，其中对照处理（NC）小麦出芽率最高，NE3处理最低。NE2处理小麦出芽率高于NE1。由此可知，充填复垦土壤的地下水补给将影响小麦的出芽率，并且覆土厚度在有地下水补给条件下会影响小麦出芽。
2.3生物量由图3可知，
无地下水补给试验组小麦地上部生物量平均值大于有地下水补给试验组。在有地下水补给试验组中，GE1处理小麦生物量最小，GE2处理最大。对照处理（GC）小麦生物量小于GE2、GE3处理。无地下水补给试验组中各处理小麦生物量间差异不显著，且NE1处理生物量最小，NE3处理最大。因此，地下水会影响煤矸石充填复垦地小麦生物量，且覆土厚度在有地下水补给条件下会影响小麦生物量。
3结论与讨论
研究表明，地下水补给将影响煤矸石充填复垦地表土含水量，在有地下水补给条件下土壤含水量较高。覆土厚度也会影响充填复垦地表层土壤含水量，且当覆土厚度为10 cm时，表土含水量较适宜。当无地下水补给时，盆栽的小麦出芽率没有明显变化，而有地下水补给条件下覆土厚度将影响小麦出芽率。当覆土厚度为10 cm时，小麦出芽率最高。在小麦拔节前，出芽率与地上部生物量呈005水平显著正相关关系。
范亚辉[10]指出，裸露煤矸石的非毛管孔隙度大，毛管孔隙度小，煤矸石土壤结构较差，大空隙较多，持水能力较差。胡振琪等[11]指出，煤矸石结构性差，大孔隙多，毛管孔隙少，土壤保水、保肥能力极差。煤矸石充填复垦会使其上覆土壤含水量小于未充填对照组。土壤是一个时空变异连续体，其特性在不同空间位置上存在明显的差异[12]。段永红等[13]指出，黄土相对于覆土的风化表层矸石累计蒸发量大，在降雨过后矸石水分损失远高于裸露矸石。在旱季裸露矸石、覆土矸石和邻近黄土地在0～30 cm内不同层次有效含水量依次减少，矸石山薄层覆土越薄，剖面相应各层水分蒸发损失越少。冯慧敏等[14]在室内模拟煤矸石充填复垦研究中认为，随着煤矸石上覆土壤厚度的增加，煤矸石的稳定入渗速率和平均入渗速率迅速减小。该研究表明，煤矸石充填复垦会使其上覆土壤含水量小于未充填对照组土壤含水量。在无地下水补给试验组，NE2处理上覆土壤含水量大于NE1、NE3处理，其中NE1处理含水量最少；在有地下水补给试验组，由于地下水的作用以及土壤的时空变异性，土壤含水量有一个明显的变化趋势，对照处理土壤含水量大于NE1、NE2和NE3处理。
段永红等[13]指出，厚层覆土会使植物根系呈现畸形生长，不利于水分的利用，不覆土的矸石因深色易吸热升温而难以保证种子出苗率，而薄层覆土兼具二者之优。王晨阳[15]指出，土壤水分是小麦生长获得水分的主要来源，是土壤肥力的重要标志。土壤水分的不足或过多都会对小麦正常生长起到抑制作用。文彬等[16]研究指出，土壤水分条件对种子的出芽率有重要的影响，坡垒种子萌发所需适宜土壤含水量为30%～50%，当土壤含水量为30%～40%时发芽率最高，并且当土壤含水量偏离最适条件时种子出芽率受到限制。王晨阳[15]认为，在拔节前小麦地上部干物质积累量增长缓慢，当SRWC低于70%时，小麦地上部干物质积累量明显减少，并且在干旱条件下，地上部生长首先受到限制。该研究表明，无地下水补给试验组小麦出芽率没有明显的差异，是因为土壤含水量处在小麦生长适应范围，而其他养分足够供应小麦的生长发育。有地下水补给试验组小麦出芽
率明显受到影响。这是因为有地下水时土壤含水量较高。
覆土厚度也会影响小麦出芽率。在小麦拔节前，地上部小麦生物量能够反映小麦的出芽情况，与小麦出芽率具有相同的变化趋势。
參考文献
[1]
王巧妮，陈新生， 张智光.采煤塌陷地复垦研究综述[J].中国国土资源经济，2009，22（6）：23-24.
[2] 黎炜.煤矿充填复垦区土壤肥力质量变化与地下水重金属污染研究[D].徐州：中国矿业大学，2011：3-5.
[3] 王巧妮，陈新生， 张智光.我国采煤塌陷地复垦的现状、问题和原因分析[J].能源环境保护，2008，22（5）：49-53.
[4] 赵金凯，苑立清.关于煤矸石资源的利用问题[J].煤炭技术，2009，28（7）：163-164.
[5] 谢英荷，洪坚平，王镔，等.煤矸石复垦中的氮素积累途径[J].应用与环境生物学报，2002，8（2）：215-218.
[6] 牟守国，董霁红，王辉，等.采煤塌陷地充填复垦土壤呼吸的研究[J].中国矿业大学学报，2007，36（5）：663-668.
[7] 董霁红，卞正富，王贺封.矿山充填复垦场地重金属含量对比研究[J].中国矿业大学学报，2007，36（4）：531-536.
[8] 董霁红，王莹.煤矿塌陷区废碴充填复垦土壤理化性质研究[J].矿业研究与开发，2008，28（1）：68-70.
[9] 刘会平，严家平，樊雯.不同覆土厚度的煤矸石充填复垦区土壤生产力评价[J].能源环境保护，2010，24（1）：52-56.
[10] 范亚辉.煤矸石废弃地植被恢复效应研究——以常村矿煤矸石山为例[D].杨凌：西北农林科技大学，2012：23-25.
[11] 胡振琪，张光灿，魏忠义，等.煤研石山的植物种群生长及其对土壤理化特性的影响[J].中国矿业大学学报，2003，32（5）：491-495.
[12] 雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988：20-28.
[13] 段永红，白中科，赵景逵.阳泉煤矸石山浅层矸石风化物水分特性初探[J].煤炭学报，1999，24（5）：533-537.
[14] 冯慧敏，胡振华，王电龙，等.煤矸石垂直入渗规律模拟研究[J].山西水土保持科技，2009（1）：11-13.
[15] 王晨阳.土壤水分胁迫对小麦形态及生理影响的研究[J].河南农业大学学报，1992，26（1）：89-98.
[16] 文彬，兰芹英，何惠英.光、温度和土壤水分对坡垒种子萌发的影响[J].热带亚热带植物学报，2002，10（3）：258-262.
