煤矸石對(duì)鹽堿土壤理化性質(zhì)的改良效果

張宇航 ，宋子嶺 ，孔濤*，趙東洋，王立，王翼翔

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)與經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 阜新 123000

鹽堿地因?yàn)槠浜}量高、堿性大、質(zhì)地粘重易板結(jié)，導(dǎo)致植物根系吸水困難，成活率低。中國(guó)鹽堿地面積為3.6×107hm2（楊勁松，2008），鹽堿地改良工作任務(wù)艱巨。鹽堿地的改良方式包括種植耐鹽植物、覆土和施用改良劑等，植物方式見(jiàn)效慢，而覆土的方式雖然效果快，但是費(fèi)用高昂，施用改良劑則是一種效果好且成本低的鹽堿土壤改良方式（Qadir et al，2001）。

煤矸石作為煤炭開采中的副產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大，每生產(chǎn)1 t原煤就可產(chǎn)生0.15—0.20 t煤矸石（Zhou，2009），目前煤矸石已累計(jì)堆存50多億噸（郭彥霞等，2014），對(duì)周邊的環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染（陳昌東等，2019），因而需要對(duì)煤矸石進(jìn)行有效的處置。煤矸石的處理方式目前包括制備為建筑材料，回收熱量用以發(fā)電，充填沉陷礦坑等，然而這些利用方式只利用了煤矸石年堆存量的不到30%，還有一多半的煤矸石因?yàn)闊崃康汀①|(zhì)地不合適等原因無(wú)法利用（胡振琪，2014）。因而，應(yīng)該尋找其他的途徑對(duì)存量煤矸石進(jìn)行消耗，降低煤矸石帶來(lái)的環(huán)境污染。已有研究表明適量的煤矸石能夠改善土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)（唐升引等，2014），還可以提高鹽堿土壤微生物量和酶活性（孔濤等，2018）。因此，將煤矸石作為鹽堿土壤的改良劑，具有一定的潛力。而煤矸石改良鹽堿土壤的效果需要通過(guò)土壤質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)，土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)可由土壤的物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)綜合確定，其中，土壤物理性質(zhì)在一定程度上決定了水分、氣體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在土壤中的分布和轉(zhuǎn)移（賀忠華等，2020），土壤化學(xué)性質(zhì)主要為土壤養(yǎng)分，是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，對(duì)植物的發(fā)育、分布、演替起重要作用（劉占鋒等，2006）。

本文將不同粒徑和不同用量的煤矸石施用于鹽堿地中，測(cè)定鹽堿土壤物理和化學(xué)性質(zhì)并分析其變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)確定煤矸石改良鹽堿土壤的合適粒徑和用量，為煤矸石的資源化利用探索新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用的煤矸石取自遼寧省阜新市海州露天礦的煤矸石山，為砂巖類煤矸石，由石英、長(zhǎng)石、伊利石等礦物組成。煤矸石的理化性質(zhì)和重金屬含量見(jiàn)表1，煤矸石的pH為6.20，在此pH下，鉻、鉛、銅、鋅、砷、鎳、汞含量低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)——農(nóng)用地土壤污染管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB36600—2018）（生態(tài)環(huán)境部等，2018）的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，鎘含量略高于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，本研究中，將其作為改良劑以不超過(guò)50%的比例施用于鹽堿地后，經(jīng)過(guò)測(cè)定，不同用量煤矸石處理下的鹽堿土壤各重金屬含量均低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，因而可以用于鹽堿土壤的改良。

表1 試驗(yàn)用煤矸石的理化性質(zhì)和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Physical and chemical properties and mass fractions of heavy metals in coal gangue

鹽堿土取自遼寧省盤錦市大洼縣的濱海鹽堿地0—20 cm土層，所采土樣是粘壤性鹽堿土，根據(jù)美國(guó)土壤分類（Soil Survey Staff，1998）屬于濘濕始成土（Halaquepts）。鹽堿土壤的基本性質(zhì)如表 2所示，該土壤質(zhì)地粘重，透氣性差，pH高。在進(jìn)行盆栽試驗(yàn)之前，將土樣自然風(fēng)干，粉碎后通過(guò)2 mm篩子，去除可見(jiàn)的根、石子等殘留物。鹽堿土的理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用鹽堿土壤的理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of alkali-saline soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)評(píng)價(jià)煤矸石對(duì)鹽堿地的改良效果。煤矸石粒徑分為4組，分別為小粒徑＜1 mm、中粒徑1—5 mm、大粒徑＞5 mm以及小中大粒徑等比例混合的處理。煤矸石用量分為6組，占鹽堿土壤的比例分別為0%（CK）、10%、20%、30%、40%、50%。共21組處理，每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。將不同粒徑和不同用量的煤矸石與鹽堿土混勻后裝入圓柱形塑料盆（15 cm高×20 cm頂部直徑×15 cm底部直徑），每盆撒入50粒紫花苜蓿（Medicago sativa）種子。待紫花苜蓿長(zhǎng)至2 cm高時(shí)，每盆間苗至20株。盆栽試驗(yàn)在自然條件下進(jìn)行，溫度為自然氣溫，同時(shí)控制土壤濕度，各盆栽的土壤水分含量均保持在土壤田間持水量的 80%。盆栽試驗(yàn)從2019年5月6日開始，經(jīng)過(guò)90 d的培養(yǎng)，于2019年8月6日收獲，測(cè)定各處理中每一盆的紫花苜蓿株高、生物量。將紫花苜蓿收獲后，收集各處理中每一盆中的土壤，采用四分法采集土樣，測(cè)定土壤物理和化學(xué)性質(zhì)。

1.3 測(cè)定方法

土壤物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》（鮑士旦，2002）中的方法進(jìn)行。由于經(jīng)過(guò)90 d的盆栽處理，煤矸石顆粒與土壤的成分互相遷移，融為一體，所以將其作為整體進(jìn)行土壤容重等土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分等土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。土壤容重采用環(huán)刀法，環(huán)刀容積為100 cm3。土壤團(tuán)聚體含量采用干篩法，土壤飽和含水量和田間持水量采用重量法，pH采用電極法，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法，全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用擴(kuò)散法，全磷采用酸溶鉬銻抗比色法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提法。計(jì)算團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD），計(jì)算公式為：

式中，xi為第i級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；wi為第i級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量所占比例。

1.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

本研究采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（SQI）來(lái)綜合評(píng)價(jià)煤矸石作用下鹽堿土壤質(zhì)量。SQI指數(shù)由本研究中所測(cè)定的所有物理和化學(xué)指標(biāo)通過(guò)主成分分析法，以各指標(biāo)特征值貢獻(xiàn)率為權(quán)重，加權(quán)計(jì)算獲得。首先對(duì)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

式中，Q(Xi)表示各因子的隸屬度值；Xij為各因子值；Ximax和Ximin分別為第i項(xiàng)因子中的最大值和最小值。

第二步，運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算因子主成分負(fù)荷量，確定各因子在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)大小，因子分析結(jié)果表明，KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.627，大于0.5，同時(shí)Bartlett's球狀檢驗(yàn)的顯著度為0.024，小于0.05，表明本研究數(shù)據(jù)可以進(jìn)行主成分分析。土壤各指標(biāo)權(quán)重的公式為：

式中，Wi為土壤各指標(biāo)的權(quán)重；Ci為第i個(gè)土壤指標(biāo)的因子負(fù)荷量。

最后，通過(guò)SQI計(jì)算公式計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，公式為：

式中，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，取14；m為所選主成分個(gè)數(shù)，選取特征值大于1的主成分進(jìn)行分析提取，本研究中為3；ki為第i個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有的數(shù)據(jù)均在土壤烘干（105 ℃）重量的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析，采用LSD多重比較法進(jìn)行顯著性差異分析，顯著性水平為0.05；用Excel 2007進(jìn)行繪圖，圖中數(shù)據(jù)均采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式進(jìn)行表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤矸石對(duì)鹽堿土壤盆栽紫花苜蓿株高和生物量的影響

各粒徑煤矸石處理下的紫花苜蓿株高和生物量均隨著煤矸石用量增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)（圖1）?；旌狭胶托×降拿喉肥?0%的用量下紫花苜蓿株高和生物量達(dá)到最大值，混合粒徑處理的株高和生物量比對(duì)照分別提高了 34.86%和45.28%，小粒徑分別提高了27.52%和37.56%；中粒徑煤矸石在30%用量下達(dá)到最大值，比對(duì)照分別提高了26.61%和31.98%；大粒徑煤矸石在40%用量下達(dá)到最大值，比對(duì)照分別提高了 16.51%和26.65%。對(duì)各粒徑處理的株高和鮮重最大值進(jìn)行比較，混合粒徑＞小粒徑＞中粒徑＞大粒徑。在 20%用量下，混合粒徑和小粒徑處理的株高和生物量顯著高于中粒徑和大粒徑處理。其他煤矸石用量下，各粒徑之間的株高、生物量差異不顯著。

圖1 煤矸石對(duì)鹽堿土壤紫花苜蓿株高（H）和生物量（B）的影響Fig.1 Effect of coal gangue on alfafa height and biomass of alkli-saline soil

2.2 煤矸石對(duì)鹽堿土壤物理性質(zhì)的影響

2.2.1 煤矸石對(duì)土壤容重的影響

隨著煤矸石用量的增加，土壤容重呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，在20%的用量下達(dá)到最低（圖2）。一般認(rèn)為耕層土壤容重以 1.14—1.30 g·cm?3為適宜，有利于作物生長(zhǎng)。本研究中，未添加煤矸石的對(duì)照土壤容重為1.65 g·cm?3，土壤過(guò)于緊實(shí)，不適宜植物生長(zhǎng)。在20%煤矸石用量下，混合粒徑、中粒徑、大粒徑煤矸石處理土壤容重顯著低于對(duì)照，且處于耕作適宜范圍內(nèi)；30%煤矸石用量處理中粒徑和大粒徑煤矸石處理土壤容重顯著低于對(duì)照，在耕作適宜范圍內(nèi)。10%、40%和50%煤矸石用量下，土壤容重與對(duì)照差異不顯著，均偏大，不利于植物生長(zhǎng)。相同用量下不同粒徑煤矸石處理進(jìn)行比較，土壤容重大小均表現(xiàn)為小粒徑＞混合粒徑＞中粒徑＞大粒徑。隨著煤矸石用量增加，小粒徑處理土壤容重與其他 3種粒徑間土壤容重的差距不斷增大，在 50%用量下小粒徑與大粒徑之間差異已到達(dá)顯著水平。

圖2 煤矸石對(duì)鹽堿土壤容重（D）的影響Fig.2 Effect of coal gangue on weight density of alkli-saline soil

2.2.2 煤矸石對(duì)土壤含水量的影響

土壤飽和含水量和田間持水量隨著煤矸石用量的增加呈現(xiàn)先穩(wěn)定后降低的趨勢(shì)。在煤矸石用量為10%—30%范圍內(nèi)，土壤飽和含水量和田間持水量基本保持不變，與對(duì)照之間差異不顯著（圖3）。田間持水量在 40%、50%煤矸石用量處理下顯著低于對(duì)照。相同用量下不同粒徑煤矸石進(jìn)行比較，土壤飽和含水量和田間持水量均表現(xiàn)為小粒徑＞混合粒徑＞中粒徑＞大粒徑。對(duì)飽和含水量而言，各用量煤矸石小粒徑處理下均高于對(duì)照，而差異均不顯著，大粒徑則均低于對(duì)照，在 10%—30%用量下差異不顯著，而在 40%—50%用量下則差異顯著。對(duì)田間持水量而言，10%—30%用量下，小粒徑處理下與對(duì)照持平，大粒徑處理下小于對(duì)照，而差異不顯著，40%—50%用量下，各粒徑處理均顯著低于對(duì)照。

圖3 煤矸石對(duì)鹽堿土壤飽和含水量（Ws）和田間持水量（Wf）的影響Fig.3 Effect of coal gangue on saturated water content and field water capacity of alkli-saline soil

2.2.3 煤矸石對(duì)土壤團(tuán)聚體含量的影響

煤矸石處理下土壤團(tuán)聚體組成如表 3所示，從煤矸石用量的角度分析，對(duì)于＜0.25 mm的微團(tuán)聚體，10%的煤矸石用量處理比對(duì)照平均提高了18.23%，而其他煤矸石用量處理均比對(duì)照顯著降低，其中30%用量下降低幅度最大，為49.32%。對(duì)0.25—1 mm的團(tuán)聚體，10%和20%用量煤矸石處理均比對(duì)照顯著提高，其余用量下則低于對(duì)照。對(duì)1—5 mm的團(tuán)聚體，10%、20%、30%的煤矸石用量處理均高于對(duì)照，而其他用量下則低于對(duì)照。可以看出，對(duì)于較小粒徑團(tuán)聚體而言，低用量煤矸石處理均提高了團(tuán)聚體含量，高用量處理降低了團(tuán)聚體含量。對(duì)于5—10 mm團(tuán)聚體而言，10%用量煤矸石處理比對(duì)照平均降低了54.29%，而其他用量下均高于對(duì)照，其中 40%用量處理提高幅度最大，為50.62%。對(duì)＞10 mm團(tuán)聚體，除了50%用量煤矸石處理沒(méi)有明顯變化外，其他用量煤矸石處理均低于對(duì)照，表明低用量煤矸石處理主要提高了土壤微團(tuán)聚體含量，而中等和高用量煤矸石處理主要提高了土壤大團(tuán)聚體含量。對(duì)煤矸石不同粒徑而言，相同煤矸石用量下，各粒徑團(tuán)聚體含量基本都表現(xiàn)出了小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑的規(guī)律。

表3 煤矸石處理下鹽堿土壤團(tuán)聚體組成特征Table 3 Aggregate composition properties of alkali-saline soil under coal gangue treatments

團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，MWD越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)。團(tuán)聚體平均重量直徑如圖4所示，隨著煤矸石用量的增加，MWD值呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢(shì)，在10%用量時(shí)降低，在 20%、30%、40%用量時(shí)提高，平均分別比對(duì)照提高了9.44%、22.12%、17.81%，其中30%用量時(shí)MWD值最高，且與對(duì)照差異顯著，50%用量時(shí)與對(duì)照差異不大。由此表明，煤矸石用量為30%時(shí)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最強(qiáng)。從煤矸石粒徑角度分析，煤矸石各用量下土壤MWD值基本呈現(xiàn)出了小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑的規(guī)律，然而在統(tǒng)計(jì)學(xué)上各粒徑下MWD值差異并不顯著。

圖4 煤矸石對(duì)鹽堿土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）的影響Fig.4 Effect of coal gangue on aggregate mean weight diameter (MWD)of alkli-saline soil

2.3 煤矸石對(duì)鹽堿土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.3.1 煤矸石對(duì)土壤鹽堿特性的影響

如圖5所示，鹽堿土壤電導(dǎo)率和pH均隨著煤矸石用量的增加而降低。在10%—20%煤矸石用量下，土壤EC值降低不顯著，從30%煤矸石用量開始，土壤EC值顯著低于對(duì)照，30%、40%、50%煤矸石用量下，土壤 EC值平均分別比對(duì)照下降了20.58%、30.03%、41.92%。從20%的煤矸石用量開始，土壤pH值就顯著低于對(duì)照，20%、30%、40%、50%煤矸石用量下，土壤 pH值平均分別比對(duì)照下降了0.51、0.78、0.96、1.26個(gè)pH單位。煤矸石不同粒徑之間相比較，土壤EC和pH降幅在各用量下均呈現(xiàn)出了小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑的規(guī)律，且隨著煤矸石用量的增加，各粒徑處理下土壤EC值之間的差距不斷擴(kuò)大。除了50%煤矸石用量下小粒徑和大粒徑煤矸石處理的土壤EC值差異顯著外，其他用量下各粒徑煤矸石之間土壤EC值差異均不顯著。而對(duì)于土壤pH而言，從30%用量開始，相同煤矸石用量下小粒徑和大粒徑煤矸石處理下土壤pH之間差異顯著。

圖5 煤矸石對(duì)鹽堿土壤電導(dǎo)率（EC）和pH的影響Fig.5 Effect of coal gangue on electrical conductivity (EC) and pH of alkli-saline soil

2.3.2 煤矸石對(duì)土壤總養(yǎng)分含量的影響

未施加煤矸石的土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別為 8.36、0.36、0.39 g·kg?1，養(yǎng)分含量非常貧瘠。如圖6所示，隨著煤矸石用量的增加，土壤養(yǎng)分含量不斷提高，在10%—30%煤矸石用量范圍內(nèi)，養(yǎng)分含量提高相對(duì)緩慢；在40%—50%用量范圍內(nèi)，養(yǎng)分含量提高幅度較大，其中該用量范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于10%—30%用量范圍。土壤有機(jī)質(zhì)、總氮含量從20%煤矸石用量開始，基本顯著高于對(duì)照，20%、30%、40%、50%煤矸石用量下，土壤平均有機(jī)質(zhì)含量分別比對(duì)照提高了 1.32、2.43、5.83、7.79倍，總氮含量比對(duì)照提高了0.35、0.54、1.03、1.29倍。土壤總磷含量從30%煤矸石用量開始，基本顯著高于對(duì)照，30%、40%、50%煤矸石用量下，平均總磷含量分別比對(duì)照顯著提高了0.29、0.57、0.83倍。

圖6 煤矸石對(duì)鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量的影響Fig.6 Effect of coal gangue on organic matter, total nitrogen, total phoshprus contents of alkli-saline soil

從煤矸石粒徑角度分析，各用量下土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量均表現(xiàn)出了小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑的規(guī)律，且隨著用量的增加，各粒徑之間的差距逐漸加大，從10%煤矸石用量開始，小粒徑煤矸石處理下有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于大粒徑。而對(duì)于土壤總氮和總磷含量，小粒徑煤矸石處理從40%含量開始顯著高于大粒徑煤矸石處理。

2.3.3 煤矸石對(duì)土壤有效養(yǎng)分含量的影響

土壤堿解氮含量隨煤矸石用量增加呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)（圖7）。10%和20%煤矸石用量下的土壤堿解氮含量與對(duì)照無(wú)顯著差異，從30%煤矸石用量開始，土壤堿解氮含量顯著小于對(duì)照，而30%—50%用量范圍之間的土壤堿解氮含量差異不顯著。土壤有效磷含量隨著煤矸石用量的增加呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)，從20%煤矸石用量開始，各粒徑煤矸石處理下土壤有效磷含量均顯著高于對(duì)照，20%、30%、40%、50%煤矸石用量下，土壤有效磷平均含量分別比對(duì)照提高了0.63、0.92、1.18、1.64倍。土壤速效鉀含量隨著煤矸石用量增加沒(méi)有明顯的變化，在各煤矸石用量下，速效鉀含量與對(duì)照之間均無(wú)顯著差異。

圖7 煤矸石對(duì)土壤堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量的影響Fig.7 Effect of coal gangue on available N, available P, available K contents of alkli-saline soil

從煤矸石粒徑角度分析，各用量下土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量基本表現(xiàn)出了小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑的規(guī)律，且有效磷和速效鉀含量隨著煤矸石用量的增加，各粒徑間差距不斷擴(kuò)大。有效磷含量從20%煤矸石用量開始，在小粒徑和大粒徑間差異顯著，而堿解氮和速效鉀含量，各用量下在小粒徑和大粒徑間差異均不顯著。

2.4 煤矸石作用下鹽堿土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)是土壤因子的集成和綜合，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)可以敏感反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化以及土壤生態(tài)恢復(fù)的能力?？傮w而言，隨著煤矸石用量的增加，土壤SQI呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)（圖8）。小粒徑、混合粒徑、中粒徑、大粒徑的煤矸石分別在20%、20%、30%、40%用量下達(dá)到峰值，各峰值分別比對(duì)照提高了0.68、0.57、0.48、0.34倍。粒徑越大，SQI達(dá)到峰值時(shí)的煤矸石用量越大。各粒徑處理下的 SQI峰值進(jìn)行比較，小粒徑＞混合粒徑＞中粒徑＞大粒徑。小粒徑處理在10%、20%、30%、40%用量下，SQI值均顯著高于對(duì)照，50%用量下與對(duì)照差異不顯著。混合粒徑在20%、30%用量下SQI顯著高于對(duì)照，其他用量與對(duì)照無(wú)顯著差異。中粒徑和大粒徑分別僅在30%、40%用量下的SQI顯著高于對(duì)照。10%用量下，小粒徑和混合粒徑處理的SQI無(wú)顯著差異，其均顯著高于大粒徑處理。20%用量下，小粒徑和混合粒徑處理的SQI值也無(wú)顯著差異，然而都顯著高于中粒徑和大粒徑處理。30%、40%、50%用量下，各粒徑處理的 SQI差異均不顯著。總體而言，在20%的小粒徑和混合粒徑煤矸石用量下土壤SQI最高，土壤生態(tài)恢復(fù)最好；紫花苜蓿產(chǎn)量也表明，20%的小粒徑和混合粒徑煤矸石處理的產(chǎn)量最高，與SQI規(guī)律一致，說(shuō)明SQI很好地表征了土壤的肥力質(zhì)量。通過(guò)主成分分析表明，土壤容重、田間持水量、團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量是SQI的主要貢獻(xiàn)因子。

圖8 煤矸石對(duì)土壤綜合質(zhì)量指數(shù)（SQI）的影響Fig.8 Effect of coal gangue on soil quality index of alkali-saline soil

3 討論

3.1 土壤物理性質(zhì)

土壤容重、含水量、團(tuán)聚體含量是重要的土壤物理因子，影響著植物的根系，進(jìn)而影響到植物的生長(zhǎng)發(fā)育（Bhadoria et al.，2010）。而電導(dǎo)率反映鹽堿土壤中含鹽量。本研究中，隨著煤矸石用量增加，土壤容重先減后增，原因在于煤矸石相對(duì)于鹽堿土壤，顆粒較粗，在較低的用量下（20%以下），能在鹽堿土壤中形成較多的孔隙，因而土壤容重降低；當(dāng)煤矸石用量進(jìn)一步提高時(shí)，由于煤矸石自身質(zhì)量高于土壤，由質(zhì)量提高導(dǎo)致土壤密度增加的程度已經(jīng)超過(guò)由于孔隙導(dǎo)致密度降低的程度，因而土壤密度逐漸提高。鄭永紅等（2013）的研究表明，在煤礦塌陷區(qū)充填大量煤矸石后導(dǎo)致了土壤容重的提高，這與本研究結(jié)果是一致的。由于煤矸石中含鹽量低，與鹽堿土壤混合后降低了鹽堿土壤的含鹽量，進(jìn)而導(dǎo)致了鹽堿土壤的電導(dǎo)率降低，鹽堿土壤含鹽量降低意味著對(duì)植物的鹽脅迫降低，有利于植物的生長(zhǎng)。鹽堿土壤飽和含水量和田間持水量在30%煤矸石用量以下沒(méi)有明顯變化，而在40%、50%煤矸石用量下顯著降低，表明低用量煤矸石處理沒(méi)有明顯降低煤矸石的含水量，原因在于煤矸石自身也有一定的儲(chǔ)水功能，當(dāng)煤矸石用量過(guò)大時(shí)，土壤孔隙變多，煤矸石的儲(chǔ)水量不足以抵消通過(guò)孔隙流失的水量，因而導(dǎo)致了含水量的顯著降低。

微團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的顆粒單位，是有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膠體通過(guò)多次聚合而成，可以有效反映土壤團(tuán)聚程度，是土壤良好結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)（龔偉等，2007）。對(duì)于鹽堿土壤團(tuán)聚體而言，低用量煤矸石處理下，鹽堿土壤以微團(tuán)聚體為主，原因在于鹽堿土壤自身以微團(tuán)聚體為主，低用量煤矸石處理下，煤矸石尚不足以改變鹽堿土壤團(tuán)聚體組成結(jié)構(gòu)，因而以微團(tuán)聚體為主。微團(tuán)聚體聚合形成大團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體破碎形成微團(tuán)聚體，二者既互為基礎(chǔ)，又互為消長(zhǎng)，大團(tuán)聚體是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力狀況呈正相關(guān)（張先鳳等，2017）。在中等用量和高用量煤矸石處理下，土壤以大團(tuán)聚體為主，原因在于煤矸石自身顆粒較為粗大，在與鹽堿土壤混合的過(guò)程中，參與形成了土壤的團(tuán)聚體組成，因而以大團(tuán)聚體為主。隨著煤矸石用量的增加，鹽堿土壤的EC值持續(xù)降低，原因在于煤矸石中含鹽量低，電導(dǎo)率僅為 0.72，而鹽堿土中EC值高達(dá)1.67，因而，將煤矸石施入鹽堿土后，煤矸石起到不斷稀釋鹽堿土壤中可溶性鹽的作用，用量越大，稀釋作用越強(qiáng)，EC值越低。

從煤矸石粒徑角度分析，土壤容重、含水量，團(tuán)聚體含量、MWD值表現(xiàn)為小粒徑＞混合粒徑＞（或≈）中粒徑＞大粒徑，原因在于煤矸石粒徑越小，其處理下的鹽堿土壤＜0.1mm的持水孔隙就越多，容重就越大，因而小粒徑煤矸石處理下的土壤貯存水分較多。徐良驥等（2018）將不同粒徑煤矸石充填復(fù)墾土壤，發(fā)現(xiàn)小粒徑煤矸石處理的土壤含水量高于大粒徑煤矸石，這與本研究的結(jié)果是一致的。同時(shí)煤矸石粒徑越小，其比表面積越大，在物理和生物因素的影響下，也更容易分解為不同粒徑的顆粒，參與團(tuán)聚體的組成，因而小粒徑煤矸石處理下團(tuán)聚體含量也最高。鹽堿土壤EC值降幅也呈現(xiàn)出了小粒徑＞中粒徑≈混合粒徑＞大粒徑，原因在于粒徑越小，比表面積越大，就能將更多的無(wú)機(jī)鹽吸附到煤矸石表面，從而降低了土壤中的鹽含量，EC值降低。

3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

本研究中，土壤pH值隨著煤矸石用量的增加而持續(xù)降低，原因在于煤矸石的pH為6.20，呈偏酸性，而鹽堿土壤的pH為9.21，呈堿性，煤矸石施入鹽堿土后，可中和鹽堿土壤的堿性，從而降低鹽堿土壤的pH值；王瓊等（2016）、孫海容等（1999）分別將煤矸石應(yīng)用于蘇打鹽化土和堿土中，結(jié)果均表明煤矸石能夠降低鹽堿土壤的pH，這與本研究的結(jié)果是一致的。土壤的養(yǎng)分含量總體隨著煤矸石用量的增加而持續(xù)增加，這主要是由于煤矸石首先通過(guò)植物根系的機(jī)械風(fēng)化作用破碎分解為更小粒徑，然后通過(guò)土壤微生物的酶促反應(yīng)活動(dòng)和根系分泌物的酸解反應(yīng)不斷將矸石中的養(yǎng)分釋放進(jìn)入土壤中，因而導(dǎo)致了鹽堿土壤中的養(yǎng)分含量不斷提高。關(guān)于煤矸石施用對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，已經(jīng)有一些研究，然而這些研究結(jié)果并不一致。一些學(xué)者的研究表明，隨著煤矸石用量的增加，養(yǎng)分含量基本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（Shukla et al.，2004；Shukla et al.，2005；Akala et al.，2001），而另一些學(xué)者的研究則表明，施用煤矸石總體促進(jìn)了土壤養(yǎng)分含量的提高（李俊穎等，2017；高國(guó)雄等，2001；胡振琪等，2005），原因與煤矸石自身的養(yǎng)分含量有關(guān)，當(dāng)養(yǎng)分含量低時(shí)，施用后降低了土壤養(yǎng)分含量，反之，煤矸石養(yǎng)分含量高則促進(jìn)了土壤養(yǎng)分含量的增加。

從煤矸石粒徑角度考慮，對(duì)于土壤的pH降幅和養(yǎng)分含量，均表現(xiàn)出了小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑的規(guī)律。這主要是由于粒徑越小，比表面積越大，土壤顆粒與煤矸石的接觸面就越大，酸堿中和反應(yīng)就越多，同時(shí)，從煤矸石中釋放進(jìn)入到土壤中的養(yǎng)分含量也越多。

4 結(jié)論

隨著煤矸石用量的增加，施用煤矸石的鹽堿土壤容重、團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)；土壤飽和含水量、田間持水量呈現(xiàn)先穩(wěn)定后降低的趨勢(shì)；土壤電導(dǎo)率、pH值、堿解氮含量呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)；土壤總碳、總氮、總磷、有效磷含量呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)；土壤速效鉀基本保持不變。從煤矸石粒徑角度考慮，對(duì)于土壤容重、土壤田間持水量、土壤飽和含水量而言，小粒徑＞混合粒徑＞中粒徑＞大粒徑；對(duì)于土壤鹽堿指標(biāo) EC、pH值的降幅以及團(tuán)聚體含量、養(yǎng)分含量而言，小粒徑＞混合粒徑≈中粒徑＞大粒徑。隨著用量增加，各粒徑煤矸石處理的土壤綜合指數(shù)（SQI）先升后降；粒徑間比較，各粒徑煤矸石處理下的SQI峰值大小表現(xiàn)為小粒徑＞混合粒徑＞中粒徑＞大粒徑；20%用量下小粒徑和混合粒徑煤矸石處理的土壤SQI最高。綜上，煤矸石在20%用量下，小粒徑和混合粒徑處理鹽堿土壤質(zhì)量和植物生長(zhǎng)效果最好。