煤矸石植生基質(zhì)保水性能對黑麥草生長的影響

杜 韜， 王冬梅， 張澤洲， 趙雪晴， 張子玥， 張汝翀

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 100083， 北京)

煤炭是中國的重要能源，而煤矸石作為煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，產(chǎn)生量為原煤產(chǎn)生量的10%～30%[1]。到目前為止，有2 600多座煤矸石山，堆積量達到50億t，約占地1萬3 000 hm2[2-3]。煤矸石的大量堆積不僅嚴重污染礦區(qū)生態(tài)環(huán)境且對人民生產(chǎn)生活安全造成了嚴重危害[4-5]。另一方面，中國是一個缺水的國家，水資源短缺是中國急需解決的問題[6]，干旱缺水不僅會影響土壤，降低土壤含水量，使土壤板結(jié)風(fēng)化，還會影響植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能[7]，而我國的煤礦大多都集中在降水稀少，土壤瘠薄的區(qū)域；因此，如何在有限的水土資源條件下合理地資源化利用煤矸石，成為我國煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的緊迫問題。

我國現(xiàn)存大量難以利用的礦區(qū)裸露立地，目前對其生態(tài)治理主要采用的措施是直接覆蓋土層進行植被恢復(fù)與重建；但由于覆土成本過高，還易對取土區(qū)造成二次破壞，因此考慮將煤矸石應(yīng)用作為礦區(qū)裸露立地的基質(zhì)填充材料，既可以實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，又能大大降低綠化成本[8]。之前國內(nèi)外主要將煤矸石用于挖坑填溝、燃燒發(fā)電或制成新型農(nóng)業(yè)肥料[9]，而近幾年的研究發(fā)現(xiàn)煤矸石與土壤混合作為植生基質(zhì)可以增加土壤養(yǎng)分，有利于提高作物產(chǎn)量[10]；但煤矸石作為植生基質(zhì)的缺點也很明顯，煤矸石及其風(fēng)化物顆粒較粗，毛管孔隙極少，水分容易滲透但卻不容易蒸發(fā)[11]，單獨使用煤矸石作為植生基質(zhì)會使基質(zhì)結(jié)構(gòu)不良，影響滲透、貯水性能以及保肥能力等，繼而不利于植物生長，因此需要混合其他外源物質(zhì)才能對煤矸石進行合理利用。

目前對煤矸石基質(zhì)改良常用的外源物質(zhì)有真菌、粉煤灰、保水劑、玉米秸稈、土壤、黃土、稀土元素、熟石灰、亞硫酸鐵、污泥、樹皮、鋸末等，利用以上物質(zhì)改良基質(zhì)理化狀況，以達到優(yōu)化煤矸石基質(zhì)的目的。玉米秸稈是一種廉價且環(huán)保的有機材料，秸稈當中有大量的營養(yǎng)元素和有機質(zhì)，被微生物分解后可以增加土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)等。黃繼川等[12]和賈俊香等[13]的研究表明，在煤礦開采區(qū)，玉米秸稈的應(yīng)用可以顯著地增加土壤TOC含量、根際微生物的數(shù)量以及土壤酶活性的含量；然而，也有研究提出在土壤中加入過多的玉米秸稈可能導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。粉煤灰是礦區(qū)常見的工業(yè)廢渣，作為廢棄物會造成空氣污染，并對人體造成危害；但因其可以改良酸性土壤和煤矸石，對重金屬有較好的鈍化效果，并且含有較多利于植物生長的微量元素，所以經(jīng)常用于礦區(qū)復(fù)墾工程。粉煤灰的添加可以改善煤矸石基質(zhì)缺乏速效氮(N)和速效磷(P)的狀況，同時可以增加基質(zhì)的持水能力，使矸石的飽和含水率增至1.95倍，并降低蒸發(fā)速率[14-15]。在李俠等[16]的研究中發(fā)現(xiàn)粉煤比在4∶6的情況下最有利于紫花苜蓿的生長，修復(fù)效果最佳。保水劑(聚丙烯酰鉀)因為其化學(xué)特性，有很強的吸水、團聚能力，因此在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常被用作土壤改良劑[17-18]。在煤矸石基質(zhì)中適當?shù)奶砑颖Ｋ畡┛梢蕴岣咄寥赖谋Ｋ芰凸┧芰19]，同時對提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率也有一定的作用[20]；但是關(guān)于保水劑用量方面還有待進一步的研究，用量太少作用不明顯，用量過多會影響土壤的通透性而影響植物根系的呼吸。

玉米秸稈、粉煤灰和保水劑3種外源物質(zhì)混合可以為煤矸石作為植生基質(zhì)提供更安全的可能，對于實現(xiàn)煤矸石的資源化利用有十分重要的意義。目前關(guān)于煤矸石復(fù)墾的研究很多，但是主要集中于基質(zhì)的理化性質(zhì)，關(guān)于基質(zhì)保水性能的研究較少；而我國的煤礦大多都集中在降水稀少，土壤瘠薄的區(qū)域，在討論煤礦區(qū)土地復(fù)墾及生態(tài)修復(fù)時，不得不面對復(fù)墾基質(zhì)保水性能是否優(yōu)良的問題，并且在煤矸石-土壤混合物中添加3種外源物質(zhì)后對性質(zhì)改變很大，基質(zhì)是否可以用于缺水地區(qū)且適合植物生長尚不明確。因此本研究從提高基質(zhì)保水能力出發(fā)，擬以煤矸石混合一定比例的土壤為主要材料，選取玉米秸稈、粉煤灰、保水劑3種具備土壤改良材料組成基質(zhì)，探索最佳保水性能的基質(zhì)配比，在此結(jié)果上設(shè)計不同水分梯度并種植黑麥草(Loliumperenne)，通過植物生長狀況檢驗所得最優(yōu)結(jié)果是否能適應(yīng)一定的干旱條件，以期為缺水地區(qū)的煤礦廢棄地植被恢復(fù)提供一種優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟且安全的植生基質(zhì)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究在北京林業(yè)大學(xué)苗圃(E 116°20′， N40°01′ )進行。研究區(qū)屬典型的溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為10～12 ℃，最低氣溫為19 ℃，最高氣溫為40 ℃。年平均無霜期180～200 d，年平均日照時間2 444.9 h，年平均降水量610 mm，降水季節(jié)分布極不均勻。全年降水量的80%集中在夏季，暴雨和強對流天氣頻繁發(fā)生在7月和8月。年平均蒸發(fā)量約為1 900 mm。土壤類型主要為褐土。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

1) 植生基質(zhì)材料。種植基質(zhì)成分，包括煤矸石、沙壤土、粉煤灰、玉米秸稈、保水劑(聚丙烯酰鉀)。煤矸石取自寧夏寧東羊場灣煤礦矸石場。煤矸石粒度為1～8 cm，在實驗室中粉碎至150～300 μm。土壤取自寧夏寧東羊場灣煤礦矸石場附近。粉煤灰主要由二氧化硅(60%)和一些輔助礦物組成，包括氧化鋁(30%)、氧化鐵(4.3%)、氧化鈉(3.2%)和其他氧化物(2.5%)。保水劑來自中國華翔化工有限公司，主要由聚丙烯酰鉀組成。土壤和煤矸石的特性如表1所示。

2)植物材料。 本研究選取黑麥草進行試驗，黑麥草是禾本科多年生草本植物，具有適應(yīng)性強、耐貧瘠、耐干旱的特點，在礦區(qū)常被用于植被恢復(fù)的先鋒草種。本研究中的黑麥草由北京正道生態(tài)科技有限公司提供。

表1 煤矸石與土壤理化特性

2.2 試驗方案

2.2.1 煤矸石植生基質(zhì)保水性能試驗 本實驗采用正交試驗法，設(shè)置煤矸石與土壤比例、玉米秸稈、粉煤灰、保水劑4個因素，每個因素選擇3個水平，正交實驗表為L9(34)型。煤矸石與土壤的質(zhì)量比例梯度分別為A1(1 000∶0)、A2(750∶250)、A3(500∶500)；玉米秸稈梯度分別為B1(不添加)、B2(添加25 g)、B3(添加50 g)；粉煤灰梯度分別為C1(不添加)、C2(添加75 g)、C3(添加150 g)；保水劑梯度分別為D1(不添加)、D2(添加1 g)、D3(添加2 g)，共9種不同的處理方式，每種處理方式重復(fù)3組(表2)。實驗另設(shè)置對照組CK為土壤1 000 g，不添加玉米秸稈、粉煤灰以及保水劑。試驗盆栽選用口徑15 cm，底徑12 cm，高17 cm的圓柱形塑料花盆。裝盆后，澆50%的水，空置3 d后再次澆水至飽和，3 d后進行物理指標的測定。

2.2.2 不同水分條件下黑麥草生長試驗 本試驗采用盆栽試驗，試驗地點為北京林業(yè)大學(xué)土壤分析試驗室室內(nèi)。試驗盆栽的基質(zhì)配比為保水性能試驗所篩選出的最優(yōu)配比，經(jīng)測量得知煤矸石植生基質(zhì)pH值為8.1，基質(zhì)的田間持水量為49%，對照處理的土壤田間持水量為28%。試驗設(shè)置4個控水處理和1個土壤對照組CKT，控水方法采用Hsiao[21]提出的中生植物水分梯度劃分方法，分4個處理水平：無脅迫(T0)土壤含水量為田間持水量的75%～80%；輕度脅迫(T1)土壤含水量為田間持水量的55%～60%；中度脅迫(T2)土壤含水量為田間持水量的40%～45%；重度脅迫(T3)土壤含水量為田間持水量的30%～35%。土壤對照處理CKT土壤含水量為土壤田間持水量的75%～80%。每個水分梯度做3個重復(fù)(表3)，待水分梯度數(shù)值穩(wěn)定后，按每個盆栽20粒種子均勻播種黑麥草種子，并于3周后開始試驗測定。

表2 因素水平表

注：A1、A2、A3, B1、B2、B3,C1、C2、C3,D1、 D2、D3分別表示煤矸石與土壤比例、玉米秸稈、粉煤灰、保水劑這4個因素的3個水平。Notes: A1A2,A3； B1,B2,B3；C1,C2,C3；D1, D2,D3refers to the three levels of coal gangue-to-soil ratio, corn straw, fly ash and water-retainning agent, respectively.

表3 水分脅迫試驗分組

2.3 測定指標與方法

本實驗測定的物理指標有土壤密度、土壤孔隙度、土壤含水率(自然含水率、飽和含水率、田間持水率)、土壤入滲速率，其中土壤密度、孔隙度和含水率采用環(huán)刀法測量，土壤入滲速率采用雙環(huán)入滲法測定。

首先用環(huán)刀取樣，分別測環(huán)刀質(zhì)量W0、環(huán)刀加濕土質(zhì)量W1，然后將保留底網(wǎng)的環(huán)刀放入加水容器內(nèi)，水不能超過環(huán)刀上沿，12 h后，環(huán)刀充分吸水直至飽和，將環(huán)刀拿出擦干外部的水分加頂蓋和底蓋稱飽和質(zhì)量W2，之后將環(huán)刀排除重力水，步驟如下：將環(huán)刀放置在支架上，靜置12 h，稱質(zhì)量W3在此過程中將環(huán)刀的頂蓋需蓋在環(huán)刀上，防止水分蒸發(fā)，但不能將頂蓋蓋嚴。之后將環(huán)刀放入105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，烘干時間為24 h，稱干質(zhì)量W4。

土壤密度=(W4-W0)/V;

(1)

土壤總孔隙度=(W2-W4)/V×100%;

(2)

土壤含水率=(W1-W4)/(W4-W0)×100%;

(3)

土壤飽和含水率=(W2-W4)/(W4-W0)×100%。

(4)

式中V為環(huán)力體積，cm3。

土壤入滲試驗采用的是雙環(huán)刀法，雙環(huán)直徑分別是5 cm和10 cm，高10 cm的鐵環(huán)，將鐵環(huán)分別壓入土壤當中，在外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間加入1 cm高的水，并一直保持外環(huán)的水深，在內(nèi)環(huán)中加水至3 cm，開始計時，當內(nèi)環(huán)中的水深下降至2.5 cm時重新加水至3 cm，并記錄0.5 cm深的水滲入土壤之中所需的時間t(min)。隨著水分的入滲，所需時間會逐漸加長，直至連續(xù)3次時間相同(或十分接近)時，認為土壤已經(jīng)達到了穩(wěn)滲，此時土壤的滲透速率就是土壤穩(wěn)滲速率(mm/min)

I=5/t。

(5)

發(fā)芽率的測定方法是每組實驗設(shè)置3組重復(fù)，取平均值，測定播種一周后發(fā)芽情況。

發(fā)芽率=100%×發(fā)芽數(shù)量/播種數(shù)。

(6)

苗高的測定方法是播種4周后，用硬尺測量土壤表面至苗頂?shù)母叨龋罱K結(jié)果取平均值。

生物量的測量方法是采用烘干法。先將完整植株稱量鮮質(zhì)量，再將其放入烘箱中110 ℃的溫度下殺青15～20 min，殺青之后，立即降低烘箱的溫度，維持在70～80 ℃直到樣品烘干至恒質(zhì)量為止，然后用1‰天平稱量植物干質(zhì)量。

葉綠素采用張治安的95%乙醇-丙酮混合液浸泡法。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用SPSS22.0及單因素方差分析(one-way ANOVA)進行處理, 并使用Origin進行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理對煤矸石植生基質(zhì)土壤密度和孔隙度的影響

各組基質(zhì)土壤密度和孔隙度如圖1所示，除了處理7(1.50 g/cm3)以外，其他處理的土壤密度均小于對照組(1.47 g/cm3)，說明添加所選中的外源物質(zhì)有利于降低基質(zhì)的土壤密度。對于孔隙度來說，處理1(31%)、處理4(33%)以及處理7(36%)的孔隙度均低于對照組(39%)。處理9的孔隙度最大，達到56%；其次為處理3，總孔隙度為55%。此3組的共同特征為玉米秸稈添加量為每千克基質(zhì)添加50 g玉米秸稈，可以看出玉米秸稈對于土壤的總孔隙度有影響。

土壤密度和孔隙度都是判斷土壤緊實程度的指標。土壤密度過大會不利于透水、通氣以及植物扎根等，土壤密度過小又會導(dǎo)致有機物分解過快，植物扎根不牢等，而孔隙度越大，則可以提供給植物生長吸收的水分也就越多。由表4可以看出各影響因素對于基質(zhì)土壤密度和孔隙度的影響：玉米秸稈(因素B)對于基質(zhì)土壤密度和孔隙度有極顯著影響(P<0.01)，尤其是B3降低基質(zhì)土壤密度和提高孔隙度的效果最為明顯，與王丙文等[22]的研究結(jié)果基本一致，這可能是因為玉米秸稈的特性——一種松散的纖維物質(zhì)，可以改善土壤團聚結(jié)構(gòu)[23]。煤矸石∶土壤(因素A)對于基質(zhì)孔隙度有一定影響，粉煤灰(因素C)添加則會導(dǎo)致土壤密度有一定的上升，保水劑(因素D)可以改善一定的孔隙度。研究[24]表明，土壤密度一般在0.9～1.5 g/cm3，土壤密度越大孔隙度越小意味著土壤滲透性越差，結(jié)構(gòu)越糟糕；因此，對于土壤密度和孔隙度來說，最佳配比為A3B3C1D3，即煤矸石∶土壤為500 g∶500 g、每kg基質(zhì)添加50 g玉米秸稈、不添加粉煤灰，每kg基質(zhì)添加2 g保水劑。

不同小寫字母表示組內(nèi)各處理在0.05水平上存在顯著差異，下同。Different lowercase letters represent significant difference among each treatment within the group at 0.05 level, the same as below.圖1 各處理基質(zhì)土壤密度與孔隙度Fig.1 Bulk density and total porosity of each treatment

表4 基質(zhì)土壤密度和孔隙度影響因素極差分析

注：表中K1、K2、K3分別代表每個因素的3個水平，Rj為每個因素的極差下同。Notes:K1,K2andK3represent three levels of each factor respectively,Rjis the range of each factor. The same below.

3.2 不同處理對煤矸石植生基質(zhì)水分特征的影響

各組基質(zhì)自然含水率、飽和含水率及田間持水率如圖2所示。處理3(自然含水率、飽和含水率及田間持水率分別為32%、53%、45%，下同)、處理6(39%、58%、49%)、處理8(31%、44%、38%)以及處理9(41%、57%、49%)均顯著高于對照組CK(23%、30%、28%)(P<0.01)，而處理1的3項水分指標均為處理中最低。

土壤飽和含水率是土壤當中所有的孔隙(毛管孔隙和非毛管孔隙)都填滿水時的土壤含水量，它能夠反映土壤最多能夠含有的水量。田間持水量是土壤排出重力水后，土壤所能夠持住的水分，是植物有效水分的上限。從表5可以看出，其各因素對基質(zhì)水分特征值(自然含水率、飽和含水率、田間持水率)的影響由大到小排列為：玉米秸稈(因素B)>煤矸石∶土壤(因素A)>保水劑(因素D)>粉煤灰(因素C)。對于煤矸石∶土壤(因素A)，隨著煤矸石用量的減少及土壤用量的增加，基質(zhì)的水分特征值也在增加。玉米秸稈(因素B)則是影響最顯著的因素，添加玉米秸稈極顯著的提高了基質(zhì)的水分特征值(P<0.01)。添加保水劑(因素D)也會提高基質(zhì)水分特征值，粉煤灰(因素C)則影響不顯著；因此最佳配比為：A3B3C2D3, 即煤矸石∶土壤為500 g∶500 g、每kg基質(zhì)添加50 g玉米秸稈、每kg基質(zhì)添加75 g粉煤灰，每kg基質(zhì)添加2 g保水劑。

圖2 各處理基質(zhì)水分特征值Fig.2 Water eigenvalue of base material in each treatment

表5 基質(zhì)水分特征值影響因素極差分析

3.3 煤矸石植生基質(zhì)最佳保水性能配比

綜合基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)與水分特征值，我們可以得出各因素對基質(zhì)保水性能的影響由大到小排列為：玉米秸稈(因素B)>煤矸石∶土壤(因素A)>保水劑(因素D)>粉煤灰(因素C)，煤矸石植生基質(zhì)最佳保水性能配比為A3B3C2D3,即煤矸石∶土壤為500 g∶500 g、每kg基質(zhì)添加50 g玉米秸稈、每kg基質(zhì)添加75 g粉煤灰，每kg基質(zhì)添加2 g保水劑。

3.4 不同水分條件對煤矸石植生基質(zhì)上黑麥草生長的影響

干旱脅迫會對種子發(fā)芽產(chǎn)生影響，通過比較不同程度干旱脅迫下種子的發(fā)芽率，可以找出使種子保持較高發(fā)芽率的最低含水率，因此發(fā)芽率可作為判斷在干旱條件下煤矸石植生基質(zhì)是否適合植物生長的檢驗指標之一。由圖3可見，在無水分脅迫條件下，煤矸石植生基質(zhì)的黑麥草發(fā)芽率接近100%，隨著干旱脅迫程度的加深，黑麥草種子的發(fā)芽率總體呈下降趨勢，其中T1、T2處理下黑麥草種子的發(fā)芽率降低幅度小，數(shù)值接近，T3處理下發(fā)芽率降低幅度最大，達到75%左右，與其他處理差異顯著(P<0.05)。水分控制組與對照組CKT相比，除了重度脅迫下的發(fā)芽率較低，其他3組均高于對照組，反映出在一定干旱條件下煤矸石植生基質(zhì)可以保證黑麥草有較好的發(fā)芽情況。

植物生長高度與生物量是直接反映植物生理狀況的指標，水分含量的變化會明顯影響植物的生長高度和生物量，因此不同程度干旱脅迫下植物的生長高度與生物量可以從側(cè)面反映煤矸石植生基質(zhì)的保水性能。各處理生長高度與生物量如圖3所示，隨著干旱脅迫程度的加深，黑麥草的生長高度與生物量呈下降趨勢。與T0組相比，T1、T2和T3處理下，黑麥草的生長高度分別下降0.81%、2.52%、16.32%；生物量分別下降4.55%、16.08%、38.46%?？梢钥闯?，生長高度在輕度脅迫與中度時下降均不顯著，重度脅迫時出現(xiàn)顯著性下降(P<0.05)，生物量的變化趨勢與生長高度基本相同，不同的是生物量在中度脅迫時也出現(xiàn)明顯下降。與對照組CKT相比，生長高度與生物量在無水分脅迫、輕度脅迫和中度脅迫時均高于或接近于土壤對照組，只有在重度脅迫時才遠低于對照組，這也體現(xiàn)出即便在一定的干旱條件下，煤矸石植生基質(zhì)與土壤相比依然有較好的水分環(huán)境可供植物正常生長。

圖3 不同干旱脅迫下黑麥草的生長狀況Fig.3 Growth status of Lolium perenne under different drought stress

光合作用是植物最重要的生理活動之一，在光合作用中對光能起到吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化作用的是葉綠素與蛋白質(zhì)結(jié)合形成色素蛋白復(fù)合體[25]；因此，葉綠素含量的多少在一定程度上反映了植物光合作用強度的高低，亦能反映出植物生長狀況的好壞。葉綠素含量會隨水分的變化而變化，缺水會使葉綠素的合成受阻，分解加速，葉片變黃[26]。本試驗中各水分處理下的葉綠素含量如圖3所示，與發(fā)芽率、生長高度和生物量不同的是，黑麥草的葉綠素含量在輕度脅迫時高于無水分脅迫的葉綠素含量，隨后隨著水分脅迫的加深顯著下降。

綜合以上結(jié)果，相對于對照組CKT，黑麥草的發(fā)芽率、生長高度、生物量和葉綠素含量在無水分脅迫(T0)、輕度脅迫(T1)和中度脅迫(T2)時均高于或接近于正常水分土壤對照組，只有在重度脅迫(T3)時明顯低于對照組，這一是體現(xiàn)了黑麥草有較好的抗旱性能，同時也反映了試驗探索出的煤矸石植生基質(zhì)有較優(yōu)的保水性能，適合并滿足植物正常生長，即使在水分條件較差的煤炭礦區(qū)也有較好的實際運用效果和前景。

4 討論

1)從水資源的角度來看，需要進行生態(tài)修復(fù)的地方通常位于水土條件較差的地區(qū)。缺水可能導(dǎo)致基質(zhì)分解和植物生長失敗[27]，因此，煤矸石植生基質(zhì)的保水性能是影響煤礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的重要因素。從試驗結(jié)果可以看出，煤矸石用量的增多和土壤用量的減少會導(dǎo)致基質(zhì)的土壤密度與孔隙度變差，并且水分特征值也在降低，這與煤矸石顆粒粗，毛管孔隙極少，水分不易保存的特征相符[11]。外源物質(zhì)中玉米秸稈可以顯著降低基質(zhì)的土壤密度并提高孔隙度，并且隨著物理性質(zhì)的改善，基質(zhì)的水分特征值顯著提高，這可能是因為玉米秸稈的粉碎后可以提高土壤團聚體的含量，從而改善土壤物理結(jié)構(gòu)與質(zhì)地[28-29]。在劉麗霞等[30]的研究中，土壤中添加粉煤灰使土壤密度下降到原來的87%，孔隙度增加3.22%，含水量增加25%，而本研究中粉煤灰的影響并不顯著，這可能是由于玉米秸稈的添加減弱了粉煤灰改良土壤物理結(jié)構(gòu)的作用；但是粉煤灰在改良基質(zhì)酸堿性以及提高土壤養(yǎng)分方面依然有重要的影響，這也將是我們今后將研究的內(nèi)容。

2)干旱脅迫會對植物生理生態(tài)狀況產(chǎn)生負面影響。從試驗結(jié)果可以看出，輕、中度干旱脅迫下對黑麥草發(fā)芽率和株高影響較小，差異不顯著，但在重度干旱脅迫下抑制效果明顯，這與謝宏偉等[31]的研究結(jié)果相符。而生物量在中度脅迫時就開始顯著下降,這與李強[32]研究結(jié)果相一致。葉綠素含量則表現(xiàn)隨著干旱脅迫程度的加深先升高后降低的趨勢，這可能是因為植物在輕度水分脅迫或水分脅迫初期，體內(nèi)水分減少而表現(xiàn)出葉綠素相對“濃縮”，使得單位質(zhì)量下葉綠素含量升高，但隨著干旱程度加深葉綠素分解加速，其含量變化也恢復(fù)正常下降趨勢，陳洪[33]也得出了相似的結(jié)論。

5 結(jié)論

1)在本文的研究中，我們探索了在煤矸石-土壤混合物中添加外源物質(zhì)(玉米秸稈、粉煤灰、保水劑)對基質(zhì)物理性質(zhì)(土壤密度、孔隙度)和基質(zhì)水分特征(自然含水率、飽和含水率、田間持水率)的影響。結(jié)果表明，合理適度添加外源物質(zhì)可以顯著改善基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)，提高基質(zhì)水分特征值，達到最優(yōu)保水性能，因此得出各因素對基質(zhì)保水性能的影響由大到小排列為：玉米秸稈>煤矸石∶土壤>保水劑>粉煤灰，煤矸石植生基質(zhì)最佳保水性能配比是：煤矸石∶土壤質(zhì)量分數(shù)為500 g∶500 g、每kg基質(zhì)添加50 g玉米秸稈、每kg基質(zhì)添加75 g粉煤灰，每kg基質(zhì)添加2 g保水劑。

2)通過設(shè)置不同的水分脅迫條件，我們從黑麥草發(fā)芽率、生長高度、生物量及葉綠素含量4個方面驗證了最優(yōu)配比的煤矸石植生基質(zhì)有較好的保水性能，并證明在一定的干旱條件下可以保證植物正常生長；因此，將煤矸石代替一部分客土用于煤礦區(qū)土地復(fù)墾的方法是可行的，此研究結(jié)果可降低煤礦區(qū)覆土成本，減少土壤資源的浪費，并且可以為煤礦區(qū)煤矸石生態(tài)再利用、土地復(fù)墾和植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。