煤炭是中国的重要能源，而煤矸石作为煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物，产生量为原煤产生量的10%~30%^[1]。到目前为止，有2 600多座煤矸石山，堆积量达到50亿t，约占地1万3 000 hm^2[2-3]。煤矸石的大量堆积不仅严重污染矿区生态环境且对人民生产生活安全造成了严重危害^[4-5]。另一方面，中国是一个缺水的国家，水资源短缺是中国急需解决的问题^[6]，干旱缺水不仅会影响土壤，降低土壤含水量，使土壤板结风化，还会影响植物的形态结构和生理功能^[7]，而我国的煤矿大多都集中在降水稀少，土壤瘠薄的区域；因此，如何在有限的水土资源条件下合理地资源化利用煤矸石，成为我国煤矿区生态修复的紧迫问题。

我国现存大量难以利用的矿区裸露立地，目前对其生态治理主要采用的措施是直接覆盖土层进行植被恢复与重建；但由于覆土成本过高，还易对取土区造成二次破坏，因此考虑将煤矸石应用作为矿区裸露立地的基质填充材料，既可以实现废弃物的资源化利用，又能大大降低绿化成本^[8]。之前国内外主要将煤矸石用于挖坑填沟、燃烧发电或制成新型农业肥料^[9]，而近几年的研究发现煤矸石与土壤混合作为植生基质可以增加土壤养分，有利于提高作物产量^[10]；但煤矸石作为植生基质的缺点也很明显，煤矸石及其风化物颗粒较粗，毛管孔隙极少，水分容易渗透但却不容易蒸发^[11]，单独使用煤矸石作为植生基质会使基质结构不良，影响渗透、贮水性能以及保肥能力等，继而不利于植物生长，因此需要混合其他外源物质才能对煤矸石进行合理利用。

目前对煤矸石基质改良常用的外源物质有真菌、粉煤灰、保水剂、玉米秸秆、土壤、黄土、稀土元素、熟石灰、亚硫酸铁、污泥、树皮、锯末等，利用以上物质改良基质理化状况，以达到优化煤矸石基质的目的。玉米秸秆是一种廉价且环保的有机材料，秸秆当中有大量的营养元素和有机质，被微生物分解后可以增加土壤肥力，改良土壤结构等。黄继川等^[12]和贾俊香等^[13]的研究表明，在煤矿开采区，玉米秸秆的应用可以显著地增加土壤TOC含量、根际微生物的数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过多的玉米秸秆可能导致土壤结构不稳定。粉煤灰是矿区常见的工业废渣，作为废弃物会造成空气污染，并对人体造成危害；但因其可以改良酸性土壤和煤矸石，对重金属有较好的钝化效果，并且含有较多利于植物生长的微量元素，所以经常用于矿区复垦工程。粉煤灰的添加可以改善煤矸石基质缺乏速效氮(N)和速效磷(P)的状况，同时可以增加基质的持水能力，使矸石的饱和含水率增至1.95倍，并降低蒸发速率^[14-15]。在李侠等^[16]的研究中发现粉煤比在4:6的情况下最有利于紫花苜蓿的生长，修复效果最佳。保水剂(聚丙烯酰钾)因为其化学特性，有很强的吸水、团聚能力，因此在农业领域常被用作土壤改良剂^[17-18]。在煤矸石基质中适当的添加保水剂可以提高土壤的保水能力和供水能力^[19]，同时对提高作物的产量和水分利用效率也有一定的作用^[20]；但是关于保水剂用量方面还有待进一步的研究，用量太少作用不明显，用量过多会影响土壤的通透性而影响植物根系的呼吸。

玉米秸秆、粉煤灰和保水剂3种外源物质混合可以为煤矸石作为植生基质提供更安全的可能，对于实现煤矸石的资源化利用有十分重要的意义。目前关于煤矸石复垦的研究很多，但是主要集中于基质的理化性质，关于基质保水性能的研究较少；而我国的煤矿大多都集中在降水稀少，土壤瘠薄的区域，在讨论煤矿区土地复垦及生态修复时，不得不面对复垦基质保水性能是否优良的问题，并且在煤矸石-土壤混合物中添加3种外源物质后对性质改变很大，基质是否可以用于缺水地区且适合植物生长尚不明确。因此本研究从提高基质保水能力出发，拟以煤矸石混合一定比例的土壤为主要材料，选取玉米秸秆、粉煤灰、保水剂3种具备土壤改良材料组成基质，探索最佳保水性能的基质配比，在此结果上设计不同水分梯度并种植黑麦草(Lolium perenne)，通过植物生长状况检验所得最优结果是否能适应一定的干旱条件，以期为缺水地区的煤矿废弃地植被恢复提供一种优质、经济且安全的植生基质和理论依据。

1 研究区概况

本研究在北京林业大学苗圃(E 116°20′，N40°01′)进行。研究区属典型的温带季风气候，年平均气温为10~12 ℃，最低气温为19 ℃，最高气温为40 ℃。年平均无霜期180~200 d，年平均日照时间2 444.9 h，年平均降水量610 mm，降水季节分布极不均匀。全年降水量的80%集中在夏季，暴雨和强对流天气频繁发生在7月和8月。年平均蒸发量约为1 900 mm。土壤类型主要为褐土。

2 材料与方法 2.1 试验材料

1) 植生基质材料。种植基质成分，包括煤矸石、沙壤土、粉煤灰、玉米秸秆、保水剂(聚丙烯酰钾)。煤矸石取自宁夏宁东羊场湾煤矿矸石场。煤矸石粒度为1~8 cm，在实验室中粉碎至150~300 μm。土壤取自宁夏宁东羊场湾煤矿矸石场附近。粉煤灰主要由二氧化硅(60%)和一些辅助矿物组成，包括氧化铝(30%)、氧化铁(4.3%)、氧化钠(3.2%)和其他氧化物(2.5%)。保水剂来自中国华翔化工有限公司，主要由聚丙烯酰钾组成。土壤和煤矸石的特性如表 1所示。

2) 植物材料。本研究选取黑麦草进行试验，黑麦草是禾本科多年生草本植物，具有适应性强、耐贫瘠、耐干旱的特点，在矿区常被用于植被恢复的先锋草种。本研究中的黑麦草由北京正道生态科技有限公司提供。

2.2 试验方案 2.2.1 煤矸石植生基质保水性能试验

本实验采用正交试验法，设置煤矸石与土壤比例、玉米秸秆、粉煤灰、保水剂4个因素，每个因素选择3个水平，正交实验表为L9(3⁴)型。煤矸石与土壤的质量比例梯度分别为A₁(1 000:0)、A₂(750:250)、A₃(500:500)；玉米秸秆梯度分别为B₁(不添加)、B₂(添加25 g)、B₃(添加50 g)；粉煤灰梯度分别为C₁(不添加)、C₂(添加75 g)、C₃(添加150 g)；保水剂梯度分别为D₁(不添加)、D₂(添加1 g)、D₃(添加2 g)，共9种不同的处理方式，每种处理方式重复3组(表 2)。实验另设置对照组CK为土壤1 000 g，不添加玉米秸秆、粉煤灰以及保水剂。试验盆栽选用口径15 cm，底径12 cm，高17 cm的圆柱形塑料花盆。装盆后，浇50%的水，空置3 d后再次浇水至饱和，3 d后进行物理指标的测定。

2.2.2 不同水分条件下黑麦草生长试验

本试验采用盆栽试验，试验地点为北京林业大学土壤分析试验室室内。试验盆栽的基质配比为保水性能试验所筛选出的最优配比，经测量得知煤矸石植生基质pH值为8.1，基质的田间持水量为49%，对照处理的土壤田间持水量为28%。试验设置4个控水处理和1个土壤对照组CKT，控水方法采用Hsiao^[21]提出的中生植物水分梯度划分方法，分4个处理水平：无胁迫(T0)土壤含水量为田间持水量的75%~80%；轻度胁迫(T1)土壤含水量为田间持水量的55%~60%；中度胁迫(T2)土壤含水量为田间持水量的40%~45%；重度胁迫(T3)土壤含水量为田间持水量的30%~35%。土壤对照处理CKT土壤含水量为土壤田间持水量的75%~80%。每个水分梯度做3个重复(表 3)，待水分梯度数值稳定后，按每个盆栽20粒种子均匀播种黑麦草种子，并于3周后开始试验测定。

2.3 测定指标与方法

本实验测定的物理指标有土壤密度、土壤孔隙度、土壤含水率(自然含水率、饱和含水率、田间持水率)、土壤入渗速率，其中土壤密度、孔隙度和含水率采用环刀法测量，土壤入渗速率采用双环入渗法测定。

首先用环刀取样，分别测环刀质量W₀、环刀加湿土质量W₁，然后将保留底网的环刀放入加水容器内，水不能超过环刀上沿，12 h后，环刀充分吸水直至饱和，将环刀拿出擦干外部的水分加顶盖和底盖称饱和质量W₂，之后将环刀排除重力水，步骤如下：将环刀放置在支架上，静置12 h，称质量W₃在此过程中将环刀的顶盖需盖在环刀上，防止水分蒸发，但不能将顶盖盖严。之后将环刀放入105 ℃烘箱内烘干至恒质量，烘干时间为24 h，称干质量W₄。

$ 土壤密度 = ({W_4} - {W_0})/V; $

(1)

$ 土壤总孔隙度 = ({W_2} - {W_4})/V \times 100\% ; $

(2)

$ 土壤含水率 = ({W_1} - {W_4})/({W_4} - {W_0}) \times 100\% ; $

(3)

$ 土壤饱和含水率 = ({W_2} - {W_4})/({W_4} - {W_0}) \times 100\% 。$

(4)

式中V为环力体积，cm³。

土壤入渗试验采用的是双环刀法，双环直径分别是5 cm和10 cm，高10 cm的铁环，将铁环分别压入土壤当中，在外环和内环之间加入1 cm高的水，并一直保持外环的水深，在内环中加水至3 cm，开始计时，当内环中的水深下降至2.5 cm时重新加水至3 cm，并记录0.5 cm深的水渗入土壤之中所需的时间t(min)。随着水分的入渗，所需时间会逐渐加长，直至连续3次时间相同(或十分接近)时，认为土壤已经达到了稳渗，此时土壤的渗透速率就是土壤稳渗速率(mm/min)

$ I = 5/t。$

(5)

发芽率的测定方法是每组实验设置3组重复，取平均值，测定播种一周后发芽情况。

$ 发芽率 = 100\% \times 发芽数量/播种数。$

(6)

苗高的测定方法是播种4周后，用硬尺测量土壤表面至苗顶的高度，最终结果取平均值。

生物量的测量方法是采用烘干法。先将完整植株称量鲜质量，再将其放入烘箱中110 ℃的温度下杀青15~20 min，杀青之后，立即降低烘箱的温度，维持在70~80 ℃直到样品烘干至恒质量为止，然后用1‰天平称量植物干质量。

叶绿素采用张治安的95%乙醇-丙酮混合液浸泡法。

2.4 数据分析

数据使用SPSS22.0及单因素方差分析(one-way ANOVA)进行处理, 并使用Origin进行绘图。

3 结果与分析 3.1 不同处理对煤矸石植生基质土壤密度和孔隙度的影响

各组基质土壤密度和孔隙度如图 1所示，除了处理7(1.50 g/cm³)以外，其他处理的土壤密度均小于对照组(1.47 g/cm³)，说明添加所选中的外源物质有利于降低基质的土壤密度。对于孔隙度来说，处理1(31%)、处理4(33%)以及处理7(36%)的孔隙度均低于对照组(39%)。处理9的孔隙度最大，达到56%；其次为处理3，总孔隙度为55%。此3组的共同特征为玉米秸秆添加量为每千克基质添加50 g玉米秸秆，可以看出玉米秸秆对于土壤的总孔隙度有影响。

土壤密度和孔隙度都是判断土壤紧实程度的指标。土壤密度过大会不利于透水、通气以及植物扎根等，土壤密度过小又会导致有机物分解过快，植物扎根不牢等，而孔隙度越大，则可以提供给植物生长吸收的水分也就越多。由表 4可以看出各影响因素对于基质土壤密度和孔隙度的影响：玉米秸秆(因素B)对于基质土壤密度和孔隙度有极显著影响(P < 0.01)，尤其是B₃降低基质土壤密度和提高孔隙度的效果最为明显，与王丙文等^[22]的研究结果基本一致，这可能是因为玉米秸秆的特性——一种松散的纤维物质，可以改善土壤团聚结构^[23]。煤矸石:土壤(因素A)对于基质孔隙度有一定影响，粉煤灰(因素C)添加则会导致土壤密度有一定的上升，保水剂(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着土壤渗透性越差，结构越糟糕；因此，对于土壤密度和孔隙度来说，最佳配比为A₃B₃C₁D₃，即煤矸石:土壤为500 g:500 g、每kg基质添加50 g玉米秸秆、不添加粉煤灰，每kg基质添加2 g保水剂。

3.2 不同处理对煤矸石植生基质水分特征的影响

各组基质自然含水率、饱和含水率及田间持水率如图 2所示。处理3(自然含水率、饱和含水率及田间持水率分别为32%、53%、45%，下同)、处理6(39%、58%、49%)、处理8(31%、44%、38%)以及处理9(41%、57%、49%)均显著高于对照组CK(23%、30%、28%)(P < 0.01)，而处理1的3项水分指标均为处理中最低。

土壤饱和含水率是土壤当中所有的孔隙(毛管孔隙和非毛管孔隙)都填满水时的土壤含水量，它能够反映土壤最多能够含有的水量。田间持水量是土壤排出重力水后，土壤所能够持住的水分，是植物有效水分的上限。从表 5可以看出，其各因素对基质水分特征值(自然含水率、饱和含水率、田间持水率)的影响由大到小排列为：玉米秸秆(因素B)>煤矸石:土壤(因素A)>保水剂(因素D)>粉煤灰(因素C)。对于煤矸石:土壤(因素A)，随着煤矸石用量的减少及土壤用量的增加，基质的水分特征值也在增加。玉米秸秆(因素B)则是影响最显著的因素，添加玉米秸秆极显著的提高了基质的水分特征值(P < 0.01)。添加保水剂(因素D)也会提高基质水分特征值，粉煤灰(因素C)则影响不显著；因此最佳配比为：A₃B₃C₂D₃, 即煤矸石:土壤为500 g:500 g、每kg基质添加50 g玉米秸秆、每kg基质添加75 g粉煤灰，每kg基质添加2 g保水剂。

3.3 煤矸石植生基质最佳保水性能配比

综合基质物理结构与水分特征值，我们可以得出各因素对基质保水性能的影响由大到小排列为：玉米秸秆(因素B)>煤矸石:土壤(因素A)>保水剂(因素D)>粉煤灰(因素C)，煤矸石植生基质最佳保水性能配比为A₃B₃C₂D₃, 即煤矸石:土壤为500 g:500 g、每kg基质添加50 g玉米秸秆、每kg基质添加75 g粉煤灰，每kg基质添加2 g保水剂。

3.4 不同水分条件对煤矸石植生基质上黑麦草生长的影响

干旱胁迫会对种子发芽产生影响，通过比较不同程度干旱胁迫下种子的发芽率，可以找出使种子保持较高发芽率的最低含水率，因此发芽率可作为判断在干旱条件下煤矸石植生基质是否适合植物生长的检验指标之一。由图 3可见，在无水分胁迫条件下，煤矸石植生基质的黑麦草发芽率接近100%，随着干旱胁迫程度的加深，黑麦草种子的发芽率总体呈下降趋势，其中T1、T2处理下黑麦草种子的发芽率降低幅度小，数值接近，T3处理下发芽率降低幅度最大，达到75%左右，与其他处理差异显著(P < 0.05)。水分控制组与对照组CKT相比，除了重度胁迫下的发芽率较低，其他3组均高于对照组，反映出在一定干旱条件下煤矸石植生基质可以保证黑麦草有较好的发芽情况。

植物生长高度与生物量是直接反映植物生理状况的指标，水分含量的变化会明显影响植物的生长高度和生物量，因此不同程度干旱胁迫下植物的生长高度与生物量可以从侧面反映煤矸石植生基质的保水性能。各处理生长高度与生物量如图 3所示，随着干旱胁迫程度的加深，黑麦草的生长高度与生物量呈下降趋势。与T0组相比，T1、T2和T3处理下，黑麦草的生长高度分别下降0.81%、2.52%、16.32%；生物量分别下降4.55%、16.08%、38.46%。可以看出，生长高度在轻度胁迫与中度时下降均不显著，重度胁迫时出现显著性下降(P < 0.05)，生物量的变化趋势与生长高度基本相同，不同的是生物量在中度胁迫时也出现明显下降。与对照组CKT相比，生长高度与生物量在无水分胁迫、轻度胁迫和中度胁迫时均高于或接近于土壤对照组，只有在重度胁迫时才远低于对照组，这也体现出即便在一定的干旱条件下，煤矸石植生基质与土壤相比依然有较好的水分环境可供植物正常生长。

光合作用是植物最重要的生理活动之一，在光合作用中对光能起到吸收、传递和转化作用的是叶绿素与蛋白质结合形成色素蛋白复合体^[25]；因此，叶绿素含量的多少在一定程度上反映了植物光合作用强度的高低，亦能反映出植物生长状况的好坏。叶绿素含量会随水分的变化而变化，缺水会使叶绿素的合成受阻，分解加速，叶片变黄^[26]。本试验中各水分处理下的叶绿素含量如图 3所示，与发芽率、生长高度和生物量不同的是，黑麦草的叶绿素含量在轻度胁迫时高于无水分胁迫的叶绿素含量，随后随着水分胁迫的加深显著下降。

综合以上结果，相对于对照组CKT，黑麦草的发芽率、生长高度、生物量和叶绿素含量在无水分胁迫(T0)、轻度胁迫(T1)和中度胁迫(T2)时均高于或接近于正常水分土壤对照组，只有在重度胁迫(T3)时明显低于对照组，这一是体现了黑麦草有较好的抗旱性能，同时也反映了试验探索出的煤矸石植生基质有较优的保水性能，适合并满足植物正常生长，即使在水分条件较差的煤炭矿区也有较好的实际运用效果和前景。

4 讨论

1) 从水资源的角度来看，需要进行生态修复的地方通常位于水土条件较差的地区。缺水可能导致基质分解和植物生长失败^[27]，因此，煤矸石植生基质的保水性能是影响煤矿区生态恢复的重要因素。从试验结果可以看出，煤矸石用量的增多和土壤用量的减少会导致基质的土壤密度与孔隙度变差，并且水分特征值也在降低，这与煤矸石颗粒粗，毛管孔隙极少，水分不易保存的特征相符^[11]。外源物质中玉米秸秆可以显著降低基质的土壤密度并提高孔隙度，并且随着物理性质的改善，基质的水分特征值显著提高，这可能是因为玉米秸秆的粉碎后可以提高土壤团聚体的含量，从而改善土壤物理结构与质地^[28-29]。在刘丽霞等^[30]的研究中，土壤中添加粉煤灰使土壤密度下降到原来的87%，孔隙度增加3.22%，含水量增加25%，而本研究中粉煤灰的影响并不显著，这可能是由于玉米秸秆的添加减弱了粉煤灰改良土壤物理结构的作用；但是粉煤灰在改良基质酸碱性以及提高土壤养分方面依然有重要的影响，这也将是我们今后将研究的内容。

2) 干旱胁迫会对植物生理生态状况产生负面影响。从试验结果可以看出，轻、中度干旱胁迫下对黑麦草发芽率和株高影响较小，差异不显著，但在重度干旱胁迫下抑制效果明显，这与谢宏伟等^[31]的研究结果相符。而生物量在中度胁迫时就开始显著下降, 这与李强^[32]研究结果相一致。叶绿素含量则表现随着干旱胁迫程度的加深先升高后降低的趋势，这可能是因为植物在轻度水分胁迫或水分胁迫初期，体内水分减少而表现出叶绿素相对“浓缩”，使得单位质量下叶绿素含量升高，但随着干旱程度加深叶绿素分解加速，其含量变化也恢复正常下降趋势，陈洪^[33]也得出了相似的结论。

5 结论

1) 在本文的研究中，我们探索了在煤矸石-土壤混合物中添加外源物质(玉米秸秆、粉煤灰、保水剂)对基质物理性质(土壤密度、孔隙度)和基质水分特征(自然含水率、饱和含水率、田间持水率)的影响。结果表明，合理适度添加外源物质可以显著改善基质物理结构，提高基质水分特征值，达到最优保水性能，因此得出各因素对基质保水性能的影响由大到小排列为：玉米秸秆>煤矸石:土壤>保水剂>粉煤灰，煤矸石植生基质最佳保水性能配比是：煤矸石:土壤质量分数为500 g:500 g、每kg基质添加50 g玉米秸秆、每kg基质添加75 g粉煤灰，每kg基质添加2 g保水剂。

2) 通过设置不同的水分胁迫条件，我们从黑麦草发芽率、生长高度、生物量及叶绿素含量4个方面验证了最优配比的煤矸石植生基质有较好的保水性能，并证明在一定的干旱条件下可以保证植物正常生长；因此，将煤矸石代替一部分客土用于煤矿区土地复垦的方法是可行的，此研究结果可降低煤矿区覆土成本，减少土壤资源的浪费，并且可以为煤矿区煤矸石生态再利用、土地复垦和植被恢复提供理论依据。