植物纖維毯覆蓋對干旱區(qū)尾礦砂水熱分布的影響

王 鑫， 靳正忠， 施建飛， 楊小亮， 徐新文

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所國家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，新疆 石河子 832000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

中國礦山尾礦及采礦廢石的年排放量約占工業(yè)固體廢物的50%左右［1］，截止2019 年，尾礦總量累計(jì)超過170×108t［2］。尾礦的堆積給周邊生態(tài)環(huán)境及人體健康構(gòu)成較大威脅，尾礦揚(yáng)塵擴(kuò)散漂移、廢棄物下滲、淋濾液運(yùn)移，使得礦區(qū)及周邊地區(qū)土壤和地下水的礦物質(zhì)以及重金屬等有害元素含量增加，導(dǎo)致地表水、地下水及土壤污染。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（Microbial induced calcite precipitation，MICP）技術(shù)操作簡單、環(huán)境友好、成本低、效率高，而且無二次污染［3］，在控制尾礦污染擴(kuò)散方面具有良好的應(yīng)用前景。Kang 等［4］利用MICP 技術(shù)固化黃鐵礦尾礦砂，固化樣品中Mn2+、Cu2+和Zn2+含量明顯降低。He 等［5］利用從本研究供試尾礦篩選出的尿素水解菌成功在室外固化尾礦，與對照相比，尾礦砂固化體抗壓強(qiáng)度提高121%，浸出液生物毒性降低58%。但MICP 技術(shù)在實(shí)際操作中會(huì)受到溫度和水分的限制與約束，溫度的變化狀態(tài)會(huì)影響細(xì)菌的生長、微生物酶活性、細(xì)菌的生物分解作用以及結(jié)合沉淀的過程［6］，含水率會(huì)顯著影響固化土體的抗壓強(qiáng)度［7］。而干旱區(qū)降水少、蒸發(fā)強(qiáng)，嚴(yán)重制約其推廣應(yīng)用，因此降低尾礦蒸發(fā)、控制尾礦溫度對MICP技術(shù)在干旱區(qū)的應(yīng)用有極其重要的意義。

近年來，由于植物纖維材料廉價(jià)易得、原料廣泛、綠色環(huán)保逐漸受到人們的關(guān)注［8］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用其覆蓋在土壤表面形成物理阻隔層，大氣與土壤間的能量和水分交換得以有效阻礙，土壤的水、肥、氣、熱等狀況得以重新組合［9-10］。道路邊坡覆蓋植物纖維毯能有效蓄水保墑、改善土壤微生境和降低土壤溫度的變化幅度，從而提高植物成活率，促進(jìn)植被生長，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)護(hù)土固坡［11-13］。流動(dòng)沙丘覆蓋生態(tài)墊能降低表層溫度，增加土壤含水率，降低地表輸沙率，提高植被恢復(fù)效果和物種多樣性［14-16］。河灘造林地覆蓋生態(tài)墊能有效降低土壤溫度和日均溫，減小日溫差，增加土壤含水量，抑制雜草生長［17-18］。黃土丘陵溝壑區(qū)溝道邊坡覆蓋植物纖維毯能有效減沙、減流，降低土壤侵蝕程度［19］。水庫岸邊鋪蓋棕櫚纖維墊能增加植物成活率［20］。廢棄砂石坑覆蓋生態(tài)墊能增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力、減少土壤養(yǎng)分流失、促進(jìn)苗木健康生長［21］。雖然，前人在利用植物纖維材料促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)等方面做了大量研究，且取得了一系列成果，而有關(guān)干旱區(qū)尾礦污染防治應(yīng)用植物纖維材料調(diào)控水熱結(jié)合MICP技術(shù)的研究相對匱乏。因此，本文采用田間模擬試驗(yàn)，從減少尾礦水分蒸發(fā)損失、降低溫度的角度出發(fā)開展研究，通過研究不同材料、規(guī)格植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂水熱動(dòng)態(tài)變化，探討植物纖維毯覆蓋對尾礦砂水熱分布的影響，以期在干旱區(qū)尾礦污染防治中為MICP技術(shù)調(diào)控水熱條件提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2022年5月18日—2022年6月2日在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站（45°07′N，86°01′E）開展，試驗(yàn)期間的氣溫和相對濕度見圖1。供試尾礦砂采自新疆某銅鎳礦，采用BT-2001型激光粒度分布儀測得尾礦砂粒徑為黏粒（＜0.002 mm）0.7%、粉粒（0.002～0.05 mm）19.8%、砂粒（0.05～2 mm）79.5%，中值粒徑（D50）為107.28 μm，風(fēng)干含水率為0.7%，飽和含水率為28.7%，按照美國農(nóng)業(yè)部土壤分類標(biāo)準(zhǔn)可歸類為壤質(zhì)砂土。供試植物纖維毯由天津亞德爾生物質(zhì)科技股份有限公司生產(chǎn)，其種類及基本性質(zhì)如表1所示。

表1 覆蓋處理類型及覆蓋物基本性質(zhì)Tab.1 Cover treatment types and basic properties of the covers

圖1 尾礦砂蒸發(fā)試驗(yàn)期間氣溫與相對濕度Fig.1 Air temperature and relative humidity during the evaporation experiment on the tailing sand

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)由木板拼接而成，并埋入地下與地表齊平，面積為0.5 m×0.5 m，深0.4 m，用塑料薄膜覆蓋小區(qū)四周及底部，以防止小區(qū)間的水分互滲。將曬干后的尾礦砂按容重1.43 g·cm-2裝入木框內(nèi)至38 cm 厚。試驗(yàn)前用濾紙覆蓋在表面，分多次加25%尾礦砂質(zhì)量的水，然后在其表面覆蓋一層塑料薄膜防止蒸發(fā)，靜置12 h［22］，待水滲流充分后取下塑料薄膜，按照隨機(jī)區(qū)組排列進(jìn)行地面覆蓋處理。本試驗(yàn)共設(shè)置17 組處理（表1），分別為無覆蓋（CK）；黃麻纖維毯（H）、稻草纖維毯（D）、椰絲纖維毯（Y）、棕櫚纖維毯（Z），除CK處理以外，其余處理均有4種規(guī)格（300 g·m-2、500 g·m-2、700 g·m-2和900 g·m-2），每一處理重復(fù)3 次，其布置如圖2 所示。如遇降雨天氣利用篷布對試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行遮雨，以避免降水的影響。試驗(yàn)期間各小區(qū)均不再灌水。

圖2 試驗(yàn)布置平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of test layout

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 尾礦砂溫度利用直角地溫計(jì)測定尾礦砂5 cm、10 cm、15 cm、20 cm深度的溫度，于5月18日開始連續(xù)測定15 d。環(huán)境溫度越高，覆蓋措施降溫作用越明顯［23］，因此在每天氣溫相對較高的15:00 讀取地溫，并選取晴天（5 月19 日和5 月21 日）從07:00—21:00 每2 h 記錄一次數(shù)據(jù)，同時(shí)通過氣象站記錄試驗(yàn)期間的氣溫和相對濕度。

1.3.2 尾礦砂含水率尾礦砂含水率通過烘干稱重法測定［24］。5月18日測定初始含水率，之后每隔3 d測定一次，測定當(dāng)天08:00利用土鉆分別取0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm和20～30 cm深度的尾礦砂進(jìn)行測定。并將測定的土壤質(zhì)量含水率乘以容重?fù)Q算為土壤體積含水率。

1.3.3 尾礦砂水分蒸發(fā)量尾礦砂水分蒸發(fā)量通過自制微型蒸滲儀測定［23,25］。自制微型蒸滲儀由PVC管制成，由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒直徑和高度為10 cm和15 cm，外筒直徑和高度為11 cm 和15 cm。測定尾礦砂蒸發(fā)量前，將未封底的自制微型蒸滲儀內(nèi)筒垂直壓入試驗(yàn)小區(qū)中間的尾礦砂中，待完全灌滿內(nèi)筒，且筒體頂端與尾礦砂表面齊平，然后將其整體挖出，平整底端、頂端，再用無紡布封底并稱其質(zhì)量。將稱重后的內(nèi)筒置于固定在取尾礦砂處的外筒內(nèi)，并保持與表面齊平，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均放置1個(gè)自制微型蒸滲儀。每天08:00取出內(nèi)筒利用百分之一（精度為0.01 g）天平進(jìn)行稱重，試驗(yàn)開始后每隔3 d更換一次尾礦砂，連續(xù)測定15 d。蒸發(fā)抑制效率是指在土壤蒸發(fā)過程中某些指標(biāo)抑制土壤水分蒸發(fā)的能力［26-27］，本研究引入蒸發(fā)抑制效率來衡量植物纖維毯覆蓋對尾礦砂水分蒸發(fā)的抑制作用。試驗(yàn)期間尾礦砂日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)抑制效率計(jì)算公式如下：

式中：EDt為第t天的尾礦砂日蒸發(fā)量（mm）；t為蒸發(fā)天數(shù)（d）；M為日蒸發(fā)質(zhì)量（當(dāng)日內(nèi)筒質(zhì)量與次日內(nèi)筒質(zhì)量之差）（g）；r為自制微型蒸滲儀內(nèi)筒的半徑（cm）；ρw為水的密度（1 g·cm-3)；EDt為第t天的尾礦砂累積蒸發(fā)量（mm）；I為植物纖維毯覆蓋的累積蒸發(fā)抑制效率（%）；EC0為無覆蓋尾礦砂累積蒸發(fā)量（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析；采用SPSS 27.0 進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)各處理間的差異顯著性（α=0.05）；采用回歸分析定量描述累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系；采用Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物纖維毯覆蓋對尾礦砂溫度的影響

2.1.1 植物纖維毯覆蓋下尾礦砂溫度的變化特征由不同植物纖維毯覆蓋下0～20 cm尾礦砂溫度的動(dòng)態(tài)變化情況圖（圖3）可知，植物纖維毯覆蓋下0～20 cm尾礦砂溫度整體上低于CK，且隨深度增加而降低，表現(xiàn)出覆蓋后的降溫效應(yīng)。與CK 相比，植物纖維毯覆蓋下5 cm、10 cm、15 cm和20 cm深度的尾礦砂溫度分別降低了3.8～10.6 ℃、3.0～9.4 ℃、1.0～6.3 ℃，0.9～4.6 ℃。相同材料植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂溫度均隨規(guī)格增大而降低，而同一規(guī)格下4 種植物纖維毯均是稻草的降溫效果表現(xiàn)最好，其中D9與其他覆蓋處理相比，5 cm、10 cm、15 cm 和20 cm 深度的尾礦砂溫度分別降低了1.0～6.7 ℃、1.3～6.5 ℃、1.1～5.3 ℃、1.1～3.7 ℃。從整個(gè)試驗(yàn)周期來看，植物纖維毯覆蓋還可減小尾礦砂的日溫差，CK 在5 cm、10 cm、15 cm 和20 cm 深度的日溫差分別高達(dá)9.5 ℃、7.0 ℃、6.0 ℃、5.3 ℃，植物纖維毯覆蓋分別有效降低3.5～6.2 ℃、0.5～3.8 ℃、1.7～3.5 ℃、0.8～3.3 ℃。

圖3 不同植物纖維毯覆蓋下0～20 cm尾礦砂溫度變化Fig.3 Temperature changes of tailing sand at 0-20 cm depth under the covers of different plant fiber blankets

2.1.2 植物纖維毯覆蓋下尾礦砂溫度的日變化規(guī)律為進(jìn)一步探究植物纖維毯覆蓋對尾礦砂溫度變化的影響，選取典型晴朗天氣分析0～20 cm 尾礦砂溫度的日變化。各處理0～20 cm尾礦砂溫度整體呈先上升后下降的變化趨勢，且均隨深度增加而降低（圖4）。07:00—11:00，氣溫相對較低，植物纖維毯覆蓋表現(xiàn)出良好的保溫作用，11:00 后，氣溫逐漸升高，各處理尾礦砂溫度明顯提高，但植物纖維毯覆蓋下尾礦砂溫度整體低于CK，表現(xiàn)出良好的降溫作用。對各處理尾礦砂溫度的日變化進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，植物纖維毯覆蓋可平緩尾礦砂溫度的變化趨勢，且平緩作用隨深度增加而減弱，與CK 相比，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 深度的變化幅度分別降低了2.8～10.5 ℃、4.2～8.7 ℃、2.2～5.5 ℃、0～2.7 ℃。其中，D9的平緩作用表現(xiàn)最好，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 深度的變化幅度分別為6.8 ℃、5.0 ℃、3.3 ℃、2.7 ℃，與其他覆蓋處理相比分別降低了1.1～7.7 ℃、0.8～4.5 ℃、0.7～3.3 ℃、0.3～2.5 ℃。

圖4 不同植物纖維毯覆蓋下0～20 cm尾礦砂溫度日變化Fig.4 Diurnal variations of tailing sand temperature at 0-20 cm depth under the covers of different plant fiber blankets

2.2 植物纖維毯覆蓋對尾礦砂水分的影響

各處理0～30 cm平均尾礦砂體積含水率整體上呈下降趨勢，植物纖維毯覆蓋與CK相比，下降幅度小且在試驗(yàn)過程中存在上升現(xiàn)象，表現(xiàn)出覆蓋后的增熵效應(yīng)（表2）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對各處理0～30 cm平均尾礦砂體積含水率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，相同材料植物纖維毯除Y7與Y9無明顯差異（P＞0.05）、D7略大于D9 外（P＜0.05），均表現(xiàn)出隨規(guī)格增大而增加。其中，D7 的0～30 cm 平均尾礦砂體積含水率最高，比其他覆蓋處理顯著提高0.8%～11.4%（P＜0.05），Z3最低，較CK提高2.6%（P＜0.05）。

表2 不同植物纖維毯覆蓋下0～30 cm平均尾礦砂體積含水率Tab.2 Average volume water content of tailing sand at 0-30 cm depth under the covers of different plant fiber blankets /%

由植物纖維毯覆蓋下0～30 cm各層尾礦砂水分動(dòng)態(tài)變化圖（圖5）可知，各處理0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm和20～30 cm尾礦砂體積含水率均呈下降趨勢。CK 的尾礦砂水分蒸發(fā)損失隨深度增加而減少，且0～5 cm的水分損失遠(yuǎn)大于20～30 cm，說明尾礦砂表層水分損失較多。各處理間，覆蓋處理的尾礦砂水分損失遠(yuǎn)小于CK，說明植物纖維毯覆蓋可有效減少尾礦砂的水分損失。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對比各處理不同土層的尾礦砂體積含水率發(fā)現(xiàn)，0～5 cm尾礦砂增熵效應(yīng)顯著高于5～30 cm。植物纖維毯覆蓋下0～5 cm 的尾礦砂體積含水率較CK 提高5.1%～20.4%；5～10 cm 除Z3 略小于CK 外，其他覆蓋處理提高0.8%～12.7%；10～15 cm 提高1.9%～13.1%；15～20 cm 提 高3.7%～12.5%；20～30 cm 提 高2.0%～13.0%。

圖5 不同植物纖維毯覆蓋下0～30 cm各層尾礦砂水分動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of water content of tailing sand in different layers from 0 to 30 cm under the covers of different plant fiber blankets

2.3 植物纖維毯覆蓋對尾礦砂水分蒸發(fā)的影響

2.3.1 植物纖維毯覆蓋對尾礦砂日蒸發(fā)量的影響在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂日蒸發(fā)量變化趨勢基本一致，變化幅度與CK 相比存在明顯差異（圖6），CK 的日蒸發(fā)量變化更為劇烈，而植物纖維毯覆蓋下其變化相對平緩。相同材料植物纖維毯覆蓋下，平均日蒸發(fā)量隨規(guī)格增大而降低，300 g·m-2、500 g·m-2、700 g·m-2和900 g·m-2分別比CK 降低了37.0%～54.2%、51.3%～60.6%、53.1%～69.1%、56.1%～71.3%；而相同規(guī)格下，除H9 的平均日蒸發(fā)量略高于D9 外，整體表現(xiàn)為：椰絲＞棕櫚＞稻草＞黃麻，分別比CK降低了37.0%～56.1%、45.6%～62.9%、48.8%～71.3%、54.2%～70.4%。

圖6 不同植物纖維毯覆蓋下尾礦砂日蒸發(fā)量變化過程Fig.6 Variation process of daily evaporation of tailing sand under the covers of different plant fiber blankets

2.3.2 植物纖維毯覆蓋對尾礦砂累積蒸發(fā)量的影響各處理尾礦砂累積蒸發(fā)量變化趨勢基本相似，覆蓋處理均遠(yuǎn)低于CK，且隨著覆蓋時(shí)間的延長差距越明顯（圖7）。與CK相比，4種規(guī)格植物纖維毯覆蓋下，黃麻累積蒸發(fā)量在試驗(yàn)周期內(nèi)分別降低了54.2%、60.6%、69.1%和70.4%，稻草降低了48.8%、58.3%、64.3%和71.3%，椰絲降低了37.0%、51.3%、53.1%和56.1%，棕櫚降低了45.6%、55.1%、58.0%和62.9%。這說明植物纖維毯覆蓋表現(xiàn)出良好的抑制蒸發(fā)效果，相同材料植物纖維毯的累積蒸發(fā)量均隨規(guī)格增大而減少，而相同規(guī)格下除D9略小于H9外，累積蒸發(fā)量均表現(xiàn)為：椰絲＞棕櫚＞稻草＞黃麻。其中，900 g·m-2的植物纖維毯累積蒸發(fā)量與700 g·m-2相比，黃麻增加了1.8%，稻草增加了10.8%、椰絲增加了5.7%、棕櫚增加了8.4%，說明黃麻纖維毯規(guī)格達(dá)到700 g·m-2時(shí)，再增大規(guī)格，其抑制蒸發(fā)效果增加不明顯。

圖7 不同植物纖維毯覆蓋下尾礦砂的累積蒸發(fā)量Fig.7 Cumulative evaporation of tailing sand under the covers of different plant fiber blankets

為分析植物纖維毯覆蓋下尾礦砂累積蒸發(fā)量（W）與時(shí)間（t）的關(guān)系，分別通過Gardner擬合曲線W=atb、指數(shù)方程W=aebt、對數(shù)方程W=alnt+b以及線性方程W=at+b擬合，擬合參數(shù)（a和b）如表3所示。4種回歸方程的擬合參數(shù)中Gardner擬合曲線和線性方程決定系數(shù)（R2）均達(dá)到極顯著水平，但比較R2可得，W=at+b擬合效果相對較好。為了定量描述尾礦砂累積蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系，可通過W=at+b表征，用表示尾礦砂蒸發(fā)速率。對線性方程的a值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，植物纖維毯覆蓋處理的a值均小于CK，說明植物纖維毯覆蓋能降低尾礦砂蒸發(fā)速率，抑制尾礦砂水分蒸發(fā)。

表3 不同植物纖維毯覆蓋下尾礦砂累積蒸發(fā)量與時(shí)間的擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of cumulative evaporation and time of tailing sand under the covers of different plant fiber blankets

2.3.3 植物纖維毯覆蓋對尾礦砂累積蒸發(fā)抑制效率的動(dòng)態(tài)影響植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂累積蒸發(fā)抑制效率在蒸發(fā)2～15 d內(nèi)變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)先波動(dòng)上升后波動(dòng)下降的趨勢（圖8）。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，相同材料植物纖維毯覆蓋下的累積蒸發(fā)抑制效率除Y5 在蒸發(fā)前1 d 大于Y9，前4 d 略大于Y7 外，均隨規(guī)格增大而增加，300 g·m-2、500 g·m-2、700 g·m-2和900 g·m-2的植物纖維毯平均累積蒸發(fā)抑制效率分別為38.1%～56.5%、54.8%～62.1%、56.1%～69.4%、57.4%～73.1%，相同規(guī)格下，除規(guī)格為500 g·m-2的植物纖維毯平均累積蒸發(fā)抑制效率表現(xiàn)為：稻草＞黃麻＞椰絲＞棕櫚外，其他3種規(guī)格均表現(xiàn)為：黃麻＞稻草＞棕櫚＞椰絲。而在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，D9的累積蒸發(fā)抑制效率最高，達(dá)到71.3%。

圖8 不同植物纖維毯覆蓋下累積蒸發(fā)抑制效率的動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of cumulative evaporation inhibition efficiency under the covers of different plant fiber blankets

3 討論

植物纖維毯覆蓋在土壤表面形成的隔離層，可縮短地表裸露時(shí)間，減少太陽輻射，降低夏季土壤溫度，減小日溫差和日變化幅度。前人在流動(dòng)沙丘［28-29］、道路邊坡［12,30］和河灘造林地［17］等覆蓋植物纖維毯，均證實(shí)植物纖維毯覆蓋能降低土壤溫度。本研究結(jié)果表明，植物纖維毯覆蓋也能降低0～20 cm尾礦砂溫度。這主要是因?yàn)楦采w植物纖維毯后，尾礦砂與大氣間的緩沖作用使太陽輻射不能直接到達(dá)尾礦砂表面，從而改變了尾礦砂表面的熱學(xué)性質(zhì)［31］。本研究還發(fā)現(xiàn)植物纖維毯規(guī)格越大，緩沖作用越強(qiáng)，對溫度的調(diào)節(jié)作用越大。這是因?yàn)楦采w物對太陽輻射的阻擋作用隨厚度增加而增強(qiáng)，同時(shí)由于覆蓋厚度越大，保水效果越好，且水的比熱容較大，導(dǎo)致升溫速率較慢［32］。相同規(guī)格的4 種植物纖維毯中稻草降溫效果最好，可能是因?yàn)榈静堇w維毯的厚度比其他3 種植物纖維毯大。另外，植物纖維毯覆蓋能降低0～20 cm 尾礦砂溫度的日變化幅度，減小日溫差，主要是因?yàn)闅鉁叵鄬^低時(shí)，植物纖維毯覆蓋的降溫速率小于CK，而氣溫相對較高時(shí)，升溫速率小于CK。

通過以往的研究發(fā)現(xiàn)［12,17,21,28］，植物纖維毯覆蓋不同類型土壤的增熵效應(yīng)均比較明顯。陳學(xué)平等［12］研究發(fā)現(xiàn)在道路邊坡覆蓋植物纖維毯可保持土壤水分，土壤含水量均高于無紡布覆蓋和CK。劉平等［17］研究發(fā)現(xiàn)在河灘造林地覆蓋植物纖維毯能顯著提高0～20 cm土壤含水量，比CK提高44.3%。于丹丹等［21］研究發(fā)現(xiàn)在廢棄砂石坑覆蓋植物纖維毯能提高田間持水量、涵養(yǎng)水源量及最大蓄水量。張建生等［28］研究發(fā)現(xiàn)在流動(dòng)沙丘覆蓋植物纖維毯可提高20～60 cm的土壤含水量，與CK相比，20～40 cm處提高56.0%，40～60 cm 處提高58.0%。本研究發(fā)現(xiàn)在干旱區(qū)尾礦砂覆蓋植物纖維毯也能提高其含水率，比CK 增加了2.6%～14.0%，相同材料植物纖維毯覆蓋的增熵效應(yīng)除Y7與Y9無明顯差異、D7略大于D9外，均隨規(guī)格增大而增加。另外研究還發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)期間植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂含水率下降速率小且存在上升現(xiàn)象，與趙永敢等［33］研究秸稈層阻礙土壤水分運(yùn)動(dòng)的結(jié)論相似。這是因?yàn)橹参锢w維層與尾礦砂導(dǎo)水率在蒸發(fā)過程中差異較大，水分不能進(jìn)入植物纖維層內(nèi)部，而在表層累積，當(dāng)表層含水量達(dá)到某一臨界值時(shí)，植物纖維的吸力值逐漸大于相鄰的尾礦砂，開始吸收部分水分，然而植物纖維層內(nèi)部毛管作用微弱，毛管水浸潤部分植物纖維后，由于吸力不足而導(dǎo)致斷裂，從而阻斷毛管水的上升。

植物纖維毯覆蓋可減少尾礦砂的水分蒸發(fā)損失，綜合不同材料、規(guī)格植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率發(fā)現(xiàn)，覆蓋處理的尾礦砂蒸發(fā)量均低于CK，與王麗麗等［34］研究結(jié)果相似，主要是因?yàn)楦采w可降低土壤的熱通量。本研究發(fā)現(xiàn)，植物纖維毯覆蓋下的尾礦砂累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化規(guī)律可用線性方程W=at+b定量描述，蒸發(fā)速率可用表征，這與王佳歡等［35］的研究結(jié)果基本一致，其結(jié)果表明植物纖維毯覆蓋不同復(fù)配土壤的累積蒸發(fā)量也隨蒸發(fā)時(shí)間呈線性增加的趨勢。本研究還發(fā)現(xiàn)，4 種植物纖維毯的蒸發(fā)速率均隨規(guī)格增大而減小，其中黃麻纖維毯規(guī)格達(dá)到700 g·m-2后，再增大規(guī)格，其蒸發(fā)速率降低不明顯。這與孫博等［36］的研究結(jié)論類似，秸稈覆蓋量越大，蒸發(fā)抑制效果越明顯，但覆蓋量增加到一定程度，土壤蒸發(fā)量無明顯減少。也就是說，在本試驗(yàn)中，700 g·m-2為黃麻纖維毯覆蓋尾礦砂的適宜規(guī)格，而900 g·m-2是否為稻草纖維毯、棕櫚纖維毯和椰絲纖維毯的適宜規(guī)格尚需在此試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究。

He 等［5］研究證實(shí)從本試驗(yàn)供試尾礦砂的尾礦中篩選出的尿素分解菌最佳生長溫度為30.0 ℃，并在初始含水率為30.0%時(shí)成功在室外固化尾礦，達(dá)到有效控制尾礦污染擴(kuò)散的效果。對本研究結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，利用He等［5］篩選出的尿素分解菌固化尾礦時(shí)，選用900 g·m-2的稻草纖維毯來調(diào)控水熱條件是比較合適的。然而，不同微生物對溫度和水分的響應(yīng)存在差異，因此在干旱區(qū)選用不同微生物控制尾礦污染擴(kuò)散時(shí)，同樣也可以根據(jù)本研究結(jié)果及微生物所需最優(yōu)水熱條件篩選適宜的植物纖維毯，從而達(dá)到增強(qiáng)控制尾礦污染擴(kuò)散的效果。

4 結(jié)論

本研究通過田間模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究了干旱區(qū)夏季不同植物纖維毯覆蓋下尾礦砂溫度、含水率以及蒸發(fā)量的動(dòng)態(tài)變化，探討了不同材料、規(guī)格植物纖維毯覆蓋對尾礦砂水熱分布狀況的作用效果，主要結(jié)論如下：

（1）植物纖維毯覆蓋能降低0～20 cm 尾礦砂溫度、減小日溫差及日變化幅度。植物纖維毯的降溫作用均隨規(guī)格增大而增強(qiáng)。其中，D9 降溫效果最好，日變化幅度最小。

（2）植物纖維毯覆蓋能顯著提高0～30 cm 尾礦砂含水率。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各覆蓋處理的尾礦砂含水率除Y7、Y9無顯著差異（P＜0.05），D9略小于D7外，均隨規(guī)格增大而增加。其中，D7 尾礦砂含水率最高，與CK相比提高14.0%。

（3）植物纖維毯覆蓋對尾礦砂水分蒸發(fā)具有明顯抑制作用，抑制蒸發(fā)效果除D9略大于H9外，相同規(guī)格的4種植物纖維毯表現(xiàn)為：黃麻＞稻草＞棕櫚＞椰絲，且均隨規(guī)格的增大而增強(qiáng)。其中，D9 蒸發(fā)抑制效果最佳，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，累積蒸發(fā)抑制效率達(dá)到

71.3%。

綜上分析，干旱區(qū)夏季900 g·m-2的稻草纖維毯覆蓋尾礦砂的降溫節(jié)水效果最佳。因此，利用從供試尾礦篩選出的尿素水解菌控制尾礦污染擴(kuò)散時(shí)，選用900 g·m-2的稻草纖維毯調(diào)控水熱較為合適。