改性煤矸石對砂姜黑土物理結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳組分的影響

摘要：為了探究改性煤矸石對砂姜黑土脹縮性、有機(jī)碳及其組分的影響，將煤矸石破碎為3種水平（0-2、2-5、5-8 mm），并將其分別在3%氫氧化鈉溶液（75℃）和5%鹽酸溶液（70℃）中浸泡保溫2h獲得堿改性煤矸石和酸改性煤矸石，對煤矸石改性前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。以砂姜黑土為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗分析改性煤矸石對土壤容重（ρb）、總孔隙度（φ）、微觀孔隙參數(shù)、收縮特征及有機(jī)碳組分變化的影響。結(jié)果表明：堿改性、酸改性煤矸石添加后pb較對照（不添加煤矸石處理）顯著降低25.60%_38.6g%、26.19%-35.71%，較煤矸石處理降低1.57%- 5.50%、0.85 %-2.3 6%；φ較對照分別提高44.34%-67.02%、45.3 8%-61.8 8%，較煤矸石處理分別提高1.34%-3.84%、0.65%-2.19%；土壤微觀孔隙體積均有一定程度下降，微觀孔隙平均直徑增大；土壤線性伸展系數(shù)整體趨勢為對照＞5-8 mm煤矸石＞2-5 mm煤矸石＞5-8 mm酸改性煤矸石＞5-8 mm堿改性煤矸石＞0-2 mm煤矸石-2-5 mm酸改性煤矸石＞2-5 mm堿改性煤矸石＞0-2 mm酸改性煤矸石＞0-2 mm堿改性煤矸石，收縮率整體變化趨勢與土壤線性伸展系數(shù)一致。土壤有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、微生物生物量碳含量較對照分別增加了103.19%-328.88%、98.23%-470.50%、100.00%-279.90%、85.88%-347.53%。隨煤矸石粒徑增大，ρb與碳組分含量整體呈下降趨勢，土壤線性伸展系數(shù)與收縮率呈上升趨勢。結(jié)構(gòu)方程表明，土壤脹縮性是影響土壤有機(jī)碳組分含量累積的關(guān)鍵因素。綜上，酸、堿改性煤矸石添加均能降低土壤ρb、改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)及脹縮性，增加有機(jī)碳及其組分含量。堿改性改良效果總體優(yōu)于酸改性，小粒徑優(yōu)于大粒徑，因此得出淮北地區(qū)比較科學(xué)合理的砂姜黑土改良措施是添加0-2 mm堿改性煤矸石。

關(guān)鍵詞：改性煤矸石；砂姜黑土；物理結(jié)構(gòu)；有機(jī)碳組分

中圖分類號：S152；S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）08-1805-10 doi：10.11654/jaes.2024-0271

砂姜黑土是淮北地區(qū)主要的耕作土壤類型，其土體整體呈現(xiàn)黑色，是典型障礙性土壤。受季節(jié)性影響，其干縮濕脹、線性膨脹系數(shù)大等是該地區(qū)土壤質(zhì)量差的主要原因，主要表現(xiàn)為土體易澇易旱、土壤結(jié)構(gòu)性能嚴(yán)重不良、養(yǎng)分含量低且分布不均。砂姜黑土黏粒含量高且黏土礦物以脹縮性強(qiáng)的蒙脫石為主，是土壤脹縮性強(qiáng)的重要原因。此外有研究表明有機(jī)質(zhì)也是主要因素之一，有機(jī)質(zhì)與黏土礦物相比吸水性更強(qiáng)，其含量與土壤脹縮強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)；但也有研究表明有機(jī)質(zhì)可提供有機(jī)膠體抑制土壤脹縮性。合理有效的措施是土壤理化性質(zhì)改良的關(guān)鍵，外源有機(jī)物料還田能一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，提供養(yǎng)分，具有巨大的增產(chǎn)潛力。

煤礦開采和洗選過程中產(chǎn)生的大量煤矸石占用土地，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，破壞周圍環(huán)境。但煤矸石富含有機(jī)質(zhì)（15%-35%），經(jīng)處理后作為外源有機(jī)物料還田，可在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時引起激發(fā)效應(yīng)，促使土壤有機(jī)碳庫發(fā)生轉(zhuǎn)變，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量。目前，煤矸石被認(rèn)為是一種可觀的潛在資源。鄭永紅等發(fā)現(xiàn)在淋溶作用下，煤矸石中的可溶性有機(jī)碳有向周邊土壤遷移的趨勢。張宇航等將不同用量、不同粒徑的煤矸石施于鹽堿土壤，發(fā)現(xiàn)隨煤矸石用量增加土壤養(yǎng)分含量提高，煤矸石用量為40%-50%的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于用量為10% - 30%的土壤有機(jī)質(zhì)含量。孔濤等通過紫花苜蓿盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，20%用量的混合粒徑煤矸石添加下，土壤綜合指數(shù)最高，在鹽堿土壤綠化方面應(yīng)用效果最好，紫花苜蓿株高和鮮質(zhì)量分別顯著提高了34.86%和45.28%。何憲波等，的研究表明煤矸石添加后土壤容重降低，結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，養(yǎng)分含量提升，鹽堿土板結(jié)情況得到改善。Zhu等通過研究分離出一株YZ1菌，煤矸石中磷、鉀、硅含量經(jīng)其激活后分別提高58.0、8.5倍和2.8倍。由此可見，煤矸石在改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤養(yǎng)分、促進(jìn)植物生長等方面具有一定潛力。天然煤矸石比表面積較小，且含有的石英等礦物增加了煤矸石的硬度和穩(wěn)定性等原因不利于其營養(yǎng)物質(zhì)的有效釋放。酸堿改性工藝能有效疏松煤矸石結(jié)構(gòu)，不僅顯著提升其比表面積、增加孔隙數(shù)量與總孔體積、降低石英等礦物強(qiáng)度，還可以有效去除其表面雜質(zhì)，提高煤矸石純度和活度，進(jìn)一步增強(qiáng)土壤持水性、透氣性，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤保水保肥能力，從而促進(jìn)煤矸石在土壤改良和資源循環(huán)利用領(lǐng)域的應(yīng)用效果。李思雯研究了酸堿改性煤矸石對排土場復(fù)墾林地理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明酸堿改性煤矸石可顯著降低土壤容重，提高土壤養(yǎng)分含量，其中小粒徑酸改性煤矸石對提高速效磷的效果更顯著，小粒徑堿改性煤矸石對增加土壤全鉀和速效鉀的效果更優(yōu)，說明煤矸石粒徑與改性方式對改善效果有影響。因此，本研究采用酸堿改性法處理煤矸石，研究其作為外源有機(jī)物料對淮北地區(qū)砂姜黑土的改良效果。

當(dāng)前煤矸石作為外源有機(jī)物料還田的研究多集中于鹽堿地肥力增效等方面，而針對砂姜黑土理化性質(zhì)改良的探討較為匱乏。土壤有機(jī)碳對維持土壤肥力至關(guān)重要，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳含量僅反映有機(jī)質(zhì)數(shù)量的多少，而土壤活性有機(jī)碳組分是土壤中活躍度最高的組分，能更敏銳地響應(yīng)有機(jī)物料還田等農(nóng)業(yè)措施的變化。本研究旨在探究酸堿改性煤矸石應(yīng)用于淮北地區(qū)砂姜黑土后，土壤物理特性（容重、孔隙結(jié)構(gòu)、收縮特征）和有機(jī)碳及其組分的變化規(guī)律，明確最佳的改性方式和粒徑大小，研究結(jié)果對砂姜黑土的物理結(jié)構(gòu)改善、有機(jī)質(zhì)含量提升及煤矸石資源化、高值化利用等具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤采自安徽省淮北市濉溪縣農(nóng)田耕層土壤（0-20 cm），土壤類型為砂姜黑土，pH 7.44，有機(jī)質(zhì)12.10 g·kg-1，有效磷5.30 mg·kg-1，速效鉀144.00 mg·kg-1，全氮0.43 g·kg-1，含砂粒11.44%、粉粒72.50%、黏粒16.06%。

試驗所用煤矸石采自安徽省淮北市濉溪縣青東煤礦，供試煤矸石主要成分為SiO2、Al2O3，主要礦物組成為石英和高嶺土，有機(jī)質(zhì)含量為11.69%。煤矸石重金屬元素含量見表1，煤矸石的pH為9.66，在此pH下，重金屬含量符合《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）農(nóng)業(yè)用地要求，可用于土壤改良。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 煤矸石改性試驗

堿改性：將過篩后得到的0-2、2-5、5-8 mm煤矸石分別放入3%氫氧化鈉溶液中，攪拌均勻后加熱至75℃，保溫2h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，過濾、水洗、烘干，得到堿改性煤矸石樣品。

酸改性：操作步驟與堿改性處理步驟一致。其中鹽酸溶液濃度為5%，加熱至70℃%。

1.2.2 室內(nèi)培養(yǎng)試驗

試驗設(shè)置對照組（原土，CK）和試驗組（M1、M2、M3、J1、J2、J3、S1、S2、S3）兩種處理（圖1），各處理設(shè)置3個重復(fù)。試驗所用盆缽為高14 cm、直徑20 cm的花盆，試驗前在花盆盆底排水口處放一層濾紙和120目尼龍紗網(wǎng)，排水的同時防止土壤基質(zhì)流失。裝填土壤時，將過2 mm篩的砂姜黑土700 g和300 g煤矸石（煤矸石因密度高于土壤，過量添加易導(dǎo)致土壤容重上升大于孔隙降低的程度，適當(dāng)用量更利于優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)。結(jié)合前人研究，本試驗煤矸石添加量為30%）充分混合后分3層依次裝入壓實，每層土壤的質(zhì)量和高度保持一致，其中0-2 cm為一層，2-5 cm為一層，5-10 cm為一層，加去離子水調(diào)節(jié)土壤含水率為土壤田間持水量的60%，于室內(nèi)通風(fēng)培養(yǎng)，整個培養(yǎng)期間，采用稱質(zhì)量的方法保持土壤水分恒定，花盆的排列采用隨機(jī)區(qū)組排列，并定期調(diào)換位置。在第90天收集各處理土壤，用以測定土壤理化性質(zhì)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定；pH采用水浸提電位法測定（土水比為1：2.5）；土壤微觀孔隙及煤矸石孔隙參數(shù)采用高性能比表面及孔徑測定儀（BSD-PM2／BSD - PM2，孔徑測試范圍為0.35-500 nm）測定；土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測定；溶解性有機(jī)碳（DOC）采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法測定；易氧化有機(jī)碳（ROC）采用333mol·L-1高錳酸鉀氧化法測定；微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法測定。

土壤收縮特征的測定：稱取土壤樣品裝填到100 mm（直徑）×63.7 mm（高）環(huán)刀內(nèi)，置于沙盤中吸水至飽和狀態(tài)，將突出環(huán)）9部分削平。于105℃烘箱烘干8h，取出冷卻后采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量土壤高度和直徑，計算得到土壤線性伸展系數(shù)（CLE）和土壤收縮率（S）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤總孔隙度（φ，%）計算公式為：

φ＝（1-ρb/ρs）×1OO%（1）

式中：ρb表示土壤容重，g·cm-3；ρs表示土粒密度，一般取2.65 g·cm-3。

土壤線性伸展系數(shù)計算公式為：

CLE=L0-L105/L105（2）

式中：L0、L105分別為土體飽和含水及烘干至恒質(zhì)量下的高度，mm。

土壤收縮率計算公式為：

S=（V0-V105/V105）×100%（3）

式中：V0、V105分別為土體飽和含水及烘干至恒質(zhì)量狀態(tài)下的體積，cm3。

采用Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），LSD和Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗（P＜0．05），采用Origin2022繪圖，Amos 23構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤矸石改性前后pH及其添加下土壤pH的變化

煤矸石改性前后及不同處理下土壤pH變化如表2所示，煤矸石改性前后其pH均隨粒徑增大而減小。未改性煤矸石pH范圍為8.45-9.69，堿改性煤矸石pH范圍為10.02-10.37，較未改性煤矸石增幅為7.02%-18.58%，酸改性煤矸石pH為4.24-5.49，降幅為43.34%-49.82%。本研究中，煤矸石pH變化對土壤pH的影響無規(guī)律性，但堿改性煤矸石處理土壤pH均上升，酸改性煤矸石處理土壤pH均下降。與CK相比，煤矸石和堿改性煤矸石處理pH增幅分別為2.95%-3.48%、3.75% -4.42%，酸改性煤矸石處理pH降幅為0.13%-0.67%。

2.2 煤矸石改性前后孔隙結(jié)構(gòu)表征

由表3可知，0-2 mm煤矸石比表面積為10.80m2·g-1，孔體積為0.017 2 cm3·g-1，平均孔徑為5.90nm：2-5 mm煤矸石比表面積為9.44 m2·g-1，孔體積為0.011 9 cm3-g-1，平均孔徑為4.12 nm; 5-8 mm煤矸石比表面積為8.99 m2·g-1，孔體積為0.009 9 cm3·g-1，平均孔徑為3.31 nm。與未改性煤矸石相比，改性后比表面積提高50.17%-66.82%，其中0-2 mm堿改性煤矸石比表面積最大，為17.37 m2·g-1；孔體積提高84.03%-207.07%，0-2 mm堿改性煤矸石最大，為0.046 5 cm3·g-1；平均孔徑變化范圍為6.39-9.24 nm，增幅為5 6.62%-1 31.09%。煤矸石孔隙參數(shù)整體變化幅度表現(xiàn)為小粒徑大于大粒徑，這可能是因為小粒徑煤矸石本身比表面積和孔體積更大，與鹽酸／氫氧化鈉溶液接觸更充分，反應(yīng)更徹底。

2.3 土壤物理結(jié)構(gòu)變化

2.3.1 土壤容重和孔隙結(jié)構(gòu)變化

表4為各處理土壤容重與孔隙參數(shù)，不同煤矸石添加處理均改善了土壤結(jié)構(gòu)。與CK相比，各處理土壤容重均下降，總孔隙度增大，且隨煤矸石粒徑大小變化表現(xiàn)出一定規(guī)律性。堿改性和酸改性煤矸石處理容重隨粒徑增大而降低，變化范圍在1.03-1.25 g·cm-3之間，為適宜程度，與CK相比分別降低25.60%-38.69%和26.19%-35.71%，與煤矸石處理相比降幅分別為1.57% - 5.50%和0.85%-2.36%。總孔隙度變化規(guī)律與之相反，總孔隙度隨煤矸石粒徑增大而增大，變化范圍為52.83-61.13%，與CK相比，堿改性和酸改性煤矸石處理增幅分別為44.34%-67.02%和45.38%-61.88%，與煤矸石處理相比，增幅分別為1.34%-3.84%和0.65%-2.19%。土壤容重降低、總孔隙度增大表明煤矸石處理可增加土壤孔隙數(shù)量，緩解土壤緊實度，改善僵硬性狀。

微觀孔隙是黏性土重要的結(jié)構(gòu)要素，根據(jù)內(nèi)部孔隙類型劃分標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為5類：大孔（＞20 μm）、中孔（＞10-20 μm）、小孔（＞2-10μm）、微孔（＞0.1-2 μm）、超微孔（≤0．1 μm）。結(jié)果顯示各處理土壤微觀孔隙直徑均小于0.2 μm，屬于微孔和超微孔范圍。對比各處理微觀孔隙參數(shù)可知，與CK相比微觀孔隙體積下降8.16%-43.59%；微觀孔隙平均直徑增大，表明各處理煤矸石的加入對超微孔、微孔的生成有抑制作用。

2.3.2 土壤收縮特征變化

本研究以土壤線性伸展系數(shù)和收縮率表征土壤收縮特征。土壤線性伸展系數(shù)用以估測土壤脹縮性大小，其值根據(jù)土壤脹縮性劃分為4個等級：低（＜0．03）、中（0.03-0.06）、高（＞0.06-0.09）、很高（＞0．09），用來指示土壤受危害程度。由表5可知，各處理下土壤線性伸展系數(shù)整體趨勢為CK＞M3＞M2＞S3＞J3＞M1≈S2＞J2＞S1＞J1，其中CK的土壤線性伸展系數(shù)高達(dá)0.085 5，屬于高等危害。煤矸石和酸、堿改性煤矸石處理的變化范圍為0.011 2-0.053 0，與CK相比，降幅為38.37%-87.21%，由高等危害轉(zhuǎn)為低、中等危害，表明添加煤矸石和酸、堿改性煤矸石能降低土壤線性伸展系數(shù)，其添加可能改善了黏土礦物脹縮性質(zhì)。各處理下土壤收縮率整體趨勢與土壤線性伸展系數(shù)一致，與CK相比，降幅為83.38%-96.13%，表明煤矸石添加對砂姜黑土脹縮性的改善較明顯。

2.4 土壤有機(jī)碳及其組分變化

2.4.1 土壤有機(jī)碳變化

圖2為土壤有機(jī)碳變化特征，結(jié)果顯示，不同煤矸石添加下土壤有機(jī)碳含量存在差異，其隨煤矸石粒徑增大整體呈下降趨勢。與CK相比，堿改性處理增幅為297.01%-328.88%，其中J1處理最高，高出CK328.88%（P＜0.05）；S1、S2、S3處理分別提升310.36%、27 2.91%、182.67%（P＜0.05）。堿改性、酸改性煤矸石添加較煤矸石處理有機(jī)碳含量分別提升43.72%-65.53%、37.52%-55.48%（P＜0.05），相較于未改性，煤矸石改性后還田有機(jī)碳含量提升更高，其中以0-2mm堿改性煤矸石處理效果最優(yōu)。

2.4.2 土壤有機(jī)碳組分變化

圖3為土壤各活性有機(jī)碳組分變化特征，結(jié)果表明，改性煤矸石添加顯著提高了土壤各活性有機(jī)碳組分含量（P＜0.05），且不同處理下含量存在差異。DOC、ROC含量隨煤矸石粒徑增大而降低。與CK相比，J1、J2、J3處理DOC含量分別提升25 5.66%、238.91%、186.54%（P＜0.05），S1、S2、S3處理分別提升470.50%、391.15%、299.87%；與煤矸石處理相比，J1、J2、J3處理DOC含量分別提升16.350-/0、31.67%、44.55%，S1、S2、S3處理分別提升86.63%、90.82%、101.72%（P＜0.05）。與CK相比，J1、J2、J3處理ROC含量分別提升279.90%、23 2.66%、143.22%，S1、S2、S3處理增幅分別為266.83%、227.64%、152.76%；較煤矸石處理相比，J1、J2、J3處理ROC含量分別提升42.64%、45.81%、21.61%，S1、S2、S3處理分別提升37.74%、43 .61%、26.38%（P＜0.05）。與CK相比，酸、堿改性煤矸石處理MBC含量增幅為176.55%-328.20%、162.69%-347.53% （P＜0.05），較煤矸石處理分別提升39.54%-86.45%、31.51%-78.40%。因此改性煤矸石作為外源有機(jī)物料還田具有提升土壤有機(jī)碳庫總量的作用。

2.5 土壤物理結(jié)構(gòu)與碳組分之間的關(guān)聯(lián)及關(guān)鍵因素分析

通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）量化變量之間的因果關(guān)系，模型擬合適配度為：χ2/df=2.719，GFI=0.861，RMSEA=0.071。由圖4可知，添加煤矸石通過改變土壤物理結(jié)構(gòu)間接影響土壤有機(jī)碳組分。煤矸石添加對土壤容重、土壤線性伸展系數(shù)和土壤收縮率有明顯抑制作用，對土壤總孔隙度有促進(jìn)作用；土壤容重和總孔隙度對土壤有機(jī)碳組分累積的促進(jìn)／抑制作用較小，而土壤線性伸展系數(shù)和土壤收縮率的減小可顯著提高土壤活性有機(jī)碳組分含量，說明土壤脹縮性是影響土壤有機(jī)碳組分累積的關(guān)鍵因素。

3 討論

3.1 改性煤矸石添加對土壤pH的影響

土壤pH是反映土壤酸堿狀況的重要指標(biāo)，直接影響營養(yǎng)元素的形態(tài)和有效度。本研究中煤矸石改性后其pH均隨粒徑增大而降低，這可能是因為粒徑越小，與鹽酸／氫氧化鈉溶液反應(yīng)得越徹底。煤矸石pH的變化對土壤pH的影響無規(guī)律性，但堿改性煤矸石處理土壤pH均上升，酸改性煤矸石處理土壤pH均下降（表2）。堿改性煤矸石本身偏弱堿性，水解后OH-濃度增大；此外，煤矸石添加促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解，產(chǎn)生的還原性物質(zhì)使土壤中鐵氧化物等被還原，消耗土壤內(nèi)的H+，土壤pH相應(yīng)增高。酸改性煤矸石呈酸性，與土壤中的堿發(fā)生中和反應(yīng)，降低土壤pH，且有機(jī)質(zhì)分解過程中生成大量的CO2和有機(jī)酸，同時煤矸石為微生物提供底物，微生物活性增加改善土壤孔隙度，利于鹽分下移，減少土壤中的堿性物質(zhì)。

3.2 改性煤矸石添加對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響

酸、堿改性煤矸石添加顯著影響了土壤容重與孔隙結(jié)構(gòu)，且不同處理影響各異。容重是反映土壤緊實度最直觀的指標(biāo)，對協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱間的關(guān)系和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有顯著影響。土壤孔隙數(shù)量及大小分布直接影響土壤連通性、保水性以及作物根系伸展空間，是溶質(zhì)遷移的關(guān)鍵，也是限制土壤質(zhì)量的因素之一。本研究發(fā)現(xiàn)，酸、堿改性煤矸石添加顯著降低土壤容重，增大總孔隙度，改善土壤微觀孔隙結(jié)構(gòu)（表4）。這可能是由于煤矸石作為有機(jī)物料還田分解時釋放氣體，土壤孔隙度增加，土壤連通性和保水、蓄水性能得到提升。煤矸石富含有機(jī)質(zhì)，其還田后有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤增加了土壤持水能力，減少了土壤顆粒間的緊密程度。此外，前人研究表明，外源有機(jī)物料還田后活性碳源顯著提高，這與本研究結(jié)果一致（圖3）。外源有機(jī)物料可為微生物提供碳源和能量，引起激發(fā)效應(yīng)，加快碳組分之間的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體內(nèi)部和顆粒間的結(jié)合，使大小團(tuán)粒間孔隙比例適當(dāng)，維持土壤良好的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。本研究中不同粒徑煤矸石處理均表現(xiàn)出煤矸石粒徑越小，土壤容重越大，原因在于煤矸石粒徑越小，比表面積越大，持水孔隙越多，土壤水分貯存量更多，這與前人研究結(jié)果一致。此外煤矸石粒徑越小，土壤總孔隙度越低，微觀孔隙體積越?。ū?），其原因是小粒徑煤矸石填充土壤中較小孔隙，與黏土顆粒結(jié)合形成團(tuán)聚體，土壤孔隙進(jìn)行重新空間排列并形成直徑較大的孔隙。從煤矸石改性角度看，煤矸石經(jīng)過酸、堿改性后效果更明顯，這是由于煤矸石改性后其孔隙數(shù)量更多，比表面積更大（表3），從而能與土壤酶充分接觸，酶促反應(yīng)使其養(yǎng)分釋放率更快；且增加的比表面積可為SiO-等離子交換提供更多交換位點，為營養(yǎng)物質(zhì)的存儲與運(yùn)輸提供了更多的渠道。

砂姜黑土干縮濕脹的障礙屬性，一方面與淮北地區(qū)自然環(huán)境有關(guān)，該區(qū)降雨分布不均，地勢低洼，地下水位高，導(dǎo)致砂姜黑土易受旱澇災(zāi)害；另一方面，土壤本身結(jié)構(gòu)性能也是關(guān)鍵因素。砂姜黑土富含2：1型黏土礦物蒙脫石，有效蓄水能力低，遇水膨脹黏閉，失水時經(jīng)濃縮、脫碳酸鹽形成鈣質(zhì)結(jié)核（砂姜），土體龜裂僵硬，脹縮性強(qiáng)，導(dǎo)致難耕難耙，適耕期短。由表5可知，酸、堿改性煤矸石添加可顯著降低土壤脹縮性，土壤危害程度由高等危害轉(zhuǎn)為低、中等危害。外源有機(jī)物料分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對土壤脹縮性有直接抑制作用（圖4），這與前人研究結(jié)果一致，原因在于外源有機(jī)物料經(jīng)微生物腐解后在提供腐殖質(zhì)的同時產(chǎn)生的有機(jī)酸可溶解CaCO3，形成的Ca2+作為橋梁將帶負(fù)電的腐殖質(zhì)和黏土礦物連接形成礦質(zhì)有機(jī)復(fù)合體，提高了土壤的膠結(jié)能力，并將有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定在土壤內(nèi)，在改善砂姜黑土僵、黏障礙屬性的同時穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)。

3.3 改性煤矸石添加對土壤有機(jī)碳及其組分的影響

本研究表明酸、堿改性煤矸石添加下土壤有機(jī)碳含量均提升，與CK、未改性煤矸石相比具有顯著性差異（P＜0.05，圖2）。煤矸石本身含有機(jī)碳及對本底土壤有機(jī)碳有負(fù)激發(fā)效應(yīng)，因此作為外源性碳輸入有直接提升土壤有機(jī)碳的作用，使土壤碳庫得到補(bǔ)償；添加煤矸石顯著增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳與礦物質(zhì)組分的界面相互作用，從而加速了土壤團(tuán)聚體的形成過程。這一過程對促進(jìn)土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和長期累積至關(guān)重要，同時有效抑制了土壤有機(jī)碳的分解，減緩分解速率，增強(qiáng)了土壤的碳固持能力；煤矸石改性處理增加的孔隙可緩解微生物間的競爭，為微生物提供碳源、能量和礦物質(zhì)養(yǎng)分，改變底物有效性和群落結(jié)構(gòu)，影響土壤碳收支平衡。

改性煤矸石添加可顯著提升土壤各活性有機(jī)碳組分含量。土壤活性有機(jī)碳組分含量較小，但其快速周轉(zhuǎn)與高敏感性使之成為反映土壤質(zhì)量動態(tài)變化的敏感指示器。土壤有機(jī)物的轉(zhuǎn)化過程主要受微生物催化調(diào)控，DOC、ROC是微生物合成／分解代謝的主要碳源，MBC是土壤活性有機(jī)碳組分中最不穩(wěn)定的部分。圖4表明，煤矸石主要通過改善土壤脹縮性進(jìn)而提高DOC、ROC和MBC含量，說明淮北地區(qū)土壤脹縮性改善有助于土壤有機(jī)碳組分的累積。究其原因在于，煤矸石的添加減少了土壤黏粒比例，進(jìn)而改善土壤黏閉等特點，充足的氧氣和碳源增加了好氧、兼氧微生物的數(shù)量和活性，一部分微生物參與有機(jī)碳礦化，另一部分合成、代謝、形成穩(wěn)定的新碳。此外土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高增強(qiáng)了土壤持水能力，縮短了水膜間距，土壤表面電荷結(jié)構(gòu)改變使得土壤線性伸展系數(shù)下降，進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，這種物理保護(hù)作用抑制了有機(jī)碳組分的流失。

本試驗為室內(nèi)培養(yǎng)試驗，培養(yǎng)周期尚短，未來應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加長期試驗以進(jìn)一步監(jiān)測，從而更好地揭示酸、堿改性煤矸石添加對砂姜黑土物理結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳及其組分的變化機(jī)理，為砂姜黑土障礙因子消減提供更有力的實踐依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）煤矸石經(jīng)過酸、堿改性后，其比表面積、孔隙體積和孔徑增大。

（2）煤矸石和改性煤矸石添加均能有效改善砂姜黑土土壤結(jié)構(gòu)，顯著降低土壤容重，增加總孔隙度，一定程度上降低土壤微觀孔隙體積，增大微觀孔隙平均直徑；顯著降低土壤線性伸展系數(shù)和收縮率，土壤危害程度由高等危害轉(zhuǎn)為低、中等危害。

（3）煤矸石和改性煤矸石添加顯著提升土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，且其隨煤矸石粒徑增大整體呈下降趨勢。

（4）結(jié)構(gòu)方程表明，煤矸石／改性煤矸石添加主要通過降低土壤線性伸展系數(shù)和土壤收縮率，進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳組分含量累積，是限制土壤有機(jī)碳組分累積的重要路徑。

（5）總體上，堿改性煤矸石改良效果總體優(yōu)于酸改性，小粒徑優(yōu)于大粒徑。

（6）基于本研究結(jié)果，綜合各因素分析考慮，0-2mm堿改性煤矸石處理對砂姜黑土物理結(jié)構(gòu)改善、有機(jī)質(zhì)含量提升效果最優(yōu)，實現(xiàn)了砂姜黑土改良與煤矸石循環(huán)利用的雙重效果。

（責(zé)任編輯：李丹）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2020YFC1908601）；淮北礦業(yè)集團(tuán)科技研發(fā)項目（2023-209）；煤炭安全精準(zhǔn)開采國家地方聯(lián)合工程研究中心開放基金項目（EC2023002）