添加保水剂对煤矸石基质保水性能的影响

引用本文

董颖, 李娜, 耿玉清, 张超英. 添加保水剂对煤矸石基质保水性能的影响[J]. 中国水土保持科学, 2020, 18(3): 114-123. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.03.014.

DONG Ying, LI Na, GENG Yuqing, ZHANG Chaoying. Effect of addition of water-retaining agent on the water-retaining properties of coal gangue matrix[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(3): 114-123. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.03.014.

项目名称

国家重点研发计划项目"西北干旱荒漠区煤炭基地生态安全保障技术"（2017YFC0504400），"采煤迹地地形与新土体近自然构建技术研究"（2017YFC0504404）

第一作者简介

董颖(1995-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:土壤生态。E-mail:635922673@qq.com

通信作者简介

耿玉清(1965-), 女, 博士, 副教授。主要研究方向:土壤生态及管理。E-mail:gengyuqing@bjfu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2019-04-08
修回日期：2019-07-03

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

添加保水剂对煤矸石基质保水性能的影响

董颖 , 李娜 , 耿玉清 , 张超英

北京林业大学林学院, 100083, 北京

收稿日期：2019-04-08; 修回日期：2019-07-03

项目名称：国家重点研发计划项目"西北干旱荒漠区煤炭基地生态安全保障技术"（2017YFC0504400），"采煤迹地地形与新土体近自然构建技术研究"（2017YFC0504404）

第一作者简介：董颖(1995-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:土壤生态。E-mail:635922673@qq.com

通信作者简介：耿玉清(1965-), 女, 博士, 副教授。主要研究方向:土壤生态及管理。E-mail:gengyuqing@bjfu.edu.cn

摘要：煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废弃物，保水能力较低。大量煤矸石堆积形成的煤矸石山会造成严重的环境污染问题。当前对煤矸石山治理的主要途径是在煤矸石山上直接覆土再植被重建，但是矿区土壤缺乏且立地条件极端恶劣；因此，探究在土壤中添加不同比例的煤矸石和保水剂，对合理利用煤矸石并提高其保水性能十分必要。以灵武羊场湾排土场为研究对象，设置矸土比3：1（CGM₁）、1：1（CGM₂）和1：3（CGM₃）3种煤矸石基质类型，并分别添加比例为0.1%、0.2%和0.5%的丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物型（CLP）保水剂和凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型（WT）保水剂，通过土柱模拟法，测定煤矸石基质的孔性、吸水性、持水性及入渗特性。结果表明：CGM₂和CGM₃的孔隙度、持水量和累积入渗量高于CGM₁。随着添加CLP和WT比例的提高，煤矸石基质的吸水量和持水量呈现出增加的趋势。添加CLP对土壤水分入渗具有促进作用，且随着添加比例增加，其促进作用越明显；而添加WT用量与煤矸石基质累积入渗量呈反比。多因素方差分析表明，煤矸石基质类型是影响基质持水量的主要因素，保水剂种类对煤矸石基质的累积入渗量的影响程度最大。将21个处理进行系统聚类分析发现，类别Ⅲ仅包含在CGM₂下施加0.5%CLP的处理，该种处理的水分吸持性和入渗特性均优于其他处理。综合来看，添加保水剂可提高煤矸石基质的保水性能，在矸土比为1：1下施加0.5%丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物型保水剂具有最佳的保水效果。

关键词：保水剂煤矸石基质水分入渗保水性能聚类分析

Effect of addition of water-retaining agent on the water-retaining properties of coal gangue matrix

DONG Ying , LI Na , GENG Yuqing , ZHANG Chaoying

The College of Forestry, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China

Abstract: [Background] Coal gangue is a solid waste generated in the process of coal production, which has low water-retaining capacity. A large amount of coal gangue accumulation may cause serious environmental pollutions. At present, the main way to treat gangue mountains is to directly cover soil and vegetation reconstruction; however, usually the mining area is short of soil and the site condition is extremely adverse. Therefore, it is necessary to add different proportion of coal gangue and water-retaining agent in soil to make rational use of coal gangue and improve its water-retaining property. [Methods] Yangchangwan dump site of Lingwu in Ningxia Hui Autonomous Region was taken as the research object, and 3 types of gangue matrix were set up:the ratio of coal gangue to soil was 3:1(CGM₁), 1:1(CGM₂) and 1:3(CGM₃). In addition, acrylamide-potassium acrylate crosspolymer type (CLP) and attapulgite composite acrylamide-acrylamide type (WT) water-retaining agent with ratios of 0.1%, 0.2% and 0.5% were added respectively. The porosity, water absorption, water-retaining capacity and infiltration of gangue matrix were determined by soil column simulation. [Results] 1) The porosity, water-holding capacity and cumulative infiltration of CGM₂ and CGM₃ were higher than those of CGM₁. With the increasing of proportion of CLP and WT, the water absorption and water-holding capacity of these treatments showed an increasing trend. The addition of CLP promoted soil water infiltration, and with the increasing of the proportion, its promotion effect became more obvious. However, the addition of WT was inversely proportional to the cumulative infiltration of coal gangue matrix. In CGM₂, the adding proportion of 0.5% CLP had the highest cumulative infiltration at 60 min, reaching 48.78 mL. 2) A multi-way ANOVA demonstrated that the type of coal gangue matrix was the main factor affecting the water-holding capacity of the matrix, and the type of water-retaining agent had the greatest influence on the cumulative infiltration of coal gangue matrix. 3) Cluster analysis was performed on 21 treatments, which were divided into 3 groups. Group Ⅲ only included treatment adding 0.5%CLP under CGM₂, which had better water retention and infiltration characteristics than those of other treatments. [Conclusions] Adding water-retaining agent can improve the water retention performance of coal gangue matrix. The best water retention effect is obtained when 0.5% acrylamide-potassium acrylate crosspolymer added to the ratio of coal gangue to soil 1:1.

Keywords: water-retaining agent coal gangue matrix water infiltration water-retaining properties cluster analysis

煤炭生产和洗选过程中排放出的煤矸石，不仅占压土地，而且还通过扬尘、自燃、雨水淋溶等方式造成煤矸石山周边土壤、水体、空气和景观的严重污染^[1]。煤矸石结构性差、大孔隙多、保水能力低^[2]，不能满足植被生长的需求。当前对煤矸石山治理的主要途径是对煤矸石山土地整理后覆土再植被重建^[3]。但是对煤矸石山覆盖的土壤不易获取，且在实施中要耗费大量的人力和物力，同时还会破坏取土地区的生态环境；因此，在土壤中添加矿区粉碎煤矸石和保水剂等材料^[4-5]，进行煤矸石基质改良^[6]，以改善煤矸石的结构性及提高其保水能力。对有效利用煤矸石和土地资源，实现对煤矸石山的生态治理具有重要意义。

西北地区气候干旱、少雨，土壤水分是限制植被生长与恢复的主要因子之一。保水剂是具有超强吸水和保水能力的高分子聚合物，能够吸收自身质量几百倍甚至上千倍的水分，吸持后的水分可缓慢释放供植物吸收利用^[7]。另外，施入保水剂能够有效降低土壤密度，改善土壤孔隙结构^[8]，抑制土壤水分蒸发，增加土壤含水量^[9]。在土壤中添加保水剂已成为提高土壤水分的重要途径，并在实践中得到广泛应用^[10]。宋双双等^[11]发现施入保水剂显著提高了土壤水分含量。杨永辉等^[12]研究表明施入保水剂可增加土壤累积入渗量，降低土壤水分蒸发。国内外对保水剂开展了诸多研究，主要集中在农林生产方面^[13]。近些年来，在矿山恢复中对保水剂的应用研究也逐渐增加。但是由于煤矸石的矿物组成极其复杂，且不同地区的煤矸石差异较大，影响了煤矸石以及保水剂的合理利用。本研究在土壤中掺入不同质量比例的粉碎煤矸石和不同种类的保水剂，旨在为当地矿区提供改良煤矸石山土壤的最优基质配比及保水剂种类和用量。研究结果可为西北干旱地区煤矸石山的利用以及改善基质水分特征提供实际参考，同时也为矿区的植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

本研究选用2种保水剂：丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物型保水剂(CLP)由北京汉力淼新技术有限公司提供，白色颗粒，吸水倍率(去离子水)为379 g/g，对0.9% NaCl溶液的吸水倍率为41.5 g/g；凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型保水剂(WT)由胜利油田长安控股集团有限公司提供，黄色颗粒，吸水倍率(去离子水)为292.5 g/g，对0.9% NaCl溶液的吸水倍率为39.7 g/g。2种保水剂的粒径均为20~40目。试验土壤和煤矸石均取自宁夏灵武羊场湾的排土场。土壤过10目筛，砂粒质量分数为70.8%，而黏粒质量分数仅为7.2%，pH值为9.09，EC值为1.95 dS/m；煤矸石经粉碎后过10目筛，pH值为6.81，EC值为10.38 dS/m。

1.2 试验设计

根据赵陟峰等^[14]的研究，按煤矸石与土壤质量比设置3种煤矸石基质类型，分别是CGM₁(矸土比为3:1)、CGM₂(矸土比为1:1)和CGM₃(矸土比为1:3)。在基质中分别添加比例为0.1%、0.2%和0.5%的CLP和WT。以未添加保水剂的3种煤矸石基质为对照(分别为CK1、CK1和CK3)。本研究共设置21个处理，每个处理设3次重复。将煤矸石基质按试验设计分别填入环刀中，用从同样高度垂直落下的赛钢棒压实土柱，使煤矸石基质处于同样的压力条件下^[15]。经夯实处理后的盛土柱环刀，用于测定煤矸石基质孔性、保水和水分入渗性能。

1.3 测定指标及方法

1) 煤矸石基质孔性和持水性的测定^[16]：称量带有滤纸和空环刀质量，记为m₀(g)。环刀体积为V(cm³)。将煤矸石基质填装入环刀中，加水使水层至环刀上沿，分别在30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h时称量，用于测定不同时间间隔的煤矸石基质吸水质量。24 h时达到吸水饱和，立即称取环刀质量，记为m₁(g)。将装有煤矸石基质的环刀置于铺有石英砂的托盘内空水2 h，此时基质中只充满毛管水，立即称质量，记为m₂(g)。再将环刀置于石英砂上8 h，此时基质中的含水量即为田间持水量，立即称质量，记为m₃(g)。将称完质量m₃的环刀放入烘箱内，105 ℃烘干至恒质量。称取质量为m₄(g)。煤矸石基质的各物理指标由以下公式计算所得：

$ 土壤密度a = \left( {{m_4} - {m_0}} \right)/V。$

(1)

$ 土壤饱和持水量b = \left( {{m_1} - {m_4}} \right)/\left( {{m_4} - {m_0}} \right)。$

(2)

$ 土壤毛管持水量c = \left( {{m_2} - {m_4}} \right)/\left( {{m_4} - {m_0}} \right)。$

(3)

$ 土壤田间持水量d = \left( {{m_3} - {m_4}} \right)/\left( {{m_4} - {m_0}} \right)。$

(4)

$ 总孔隙度 = ba。$

(5)

$ 毛管孔隙度 = ca。$

(6)

2) 土壤累积入渗量：用室内环刀法测定土壤累积入渗量^[17]。煤矸石基质入渗测定前，先将装有煤矸石基质的环刀浸水，使煤矸石基质达到饱和。在装满基质的环刀上方对接1个空环刀，外侧用胶带密封2个环刀间的缝隙，利用铁架台固定黏结后的双环刀，保持环刀口水平，在土体下方放置漏斗和烧杯，收集穿透基质的水分。向上面的空环刀内加水至于环刀口齐平，待漏斗下方滴下第1滴水开始计时，每隔1、2、3、5和10 min更换1次烧杯，并分别测量渗水量。试验过程中随时加水，使水的高度与环刀口持平。

1.4 数据处理

采用Origin 2018进行图片制作。采用SPSS21.0软件中的One-way ANOVA方法，分析不同处理之间的孔性和持水量的差异。采用Duncan法，进行多重比较。采用Multi-way ANOVA方法，探讨煤矸石基质类型、保水剂种类和添加比例对煤矸石基质保水性能的影响。再对21个处理进行系统聚类，根据各处理的特性值，把最为相似的处理归并为同类。

2 结果与分析 2.1 添加保水剂后煤矸石基质孔性的变化

煤矸石基质的密度整体表现为CGM₃>CGM₂>CGM₁，总孔隙度和毛管孔隙度表现为CGM₂和CGM₃ >CGM₁(表 1)。在3种煤矸石基质中，施用保水剂的煤矸石基质的总孔隙度比对照分别增加了27.12%~40.91%、1.18%~70.61%和5.16%~49.44%。其中以CGM₂中添加比例0.5%CLP的处理的总孔隙度增幅最大(70.61%)。添加保水剂也显著增加了煤矸石基质的毛管孔隙度。表 1数据表明，煤矸石基质的孔隙度随着CLP和WT添加比例的增加而增大。其中在CGM₂中，添加比例为0.5%CLP的煤矸石基质总孔隙度和毛管孔隙度分别达到了63.81%和55.26%。

表 1 不同处理条件下煤矸石基质的孔性状况 Tab. 1 Porosity of coal gangue matrix under different treatment conditions

煤矸石基质类型 Type of coal gangue matrix	处理 Treatment	密度 Bulk density/(g·cm^-3)	总孔隙度 Total porosity/%	毛管孔隙度 Capillary porosity/%
CGM₁ (矸土比3:1 Ratio of coal gangue to soil 3:1)	CK1	1.20±0.03c	22.49±1.64d	21.45±1.71c
	0.1%CLP1	1.29±0.03ab	31.62±0.49b	29.35±0.44b
	0.2%CLP1	1.27±0.02ab	36.41±1.51a	32.11±1.42a
	0.5%CLP1	1.33±0.02a	37.31±1.92a	33.69±1.29a
	0.1%WT1	1.30±0.07a	28.59±1.05c	27.01±1.27b
	0.2%WT1	1.30±0.01a	31.46±0.59b	29.34±0.21b
	0.5%WT1	1.23±0.02bc	38.06±0.47a	22.75±1.95c
CGM₂ (矸土比1:1 Ratio of coal gangue to soil 1:1)	CK2	1.36±0.01a	37.40±0.59e	36.18±0.47f
	0.1%CLP2	1.38±0.03a	40.76±0.41d	37.80±0.16e
	0.2%CLP2	1.35±0.03a	45.97±0.51c	41.54±0.52c
	0.5%CLP2	1.34±0.04a	63.81±2.01a	55.26±0.34a
	0.1%WT2	1.38±0.04a	37.84±0.78e	35.80±0.85f
	0.2%WT2	1.37±0.03a	41.95±0.94d	39.53±0.74d
	0.5%WT2	1.34±0.01a	48.82±1.12b	47.39±1.55b
CGM₃ (矸土比1:3 Ratio of coal gangue to soil 1:3)	CK3	1.44±0.03a	39.13±0.36d	37.14±0.41c
	0.1%CLP3	1.43±0.01a	44.53±0.32bcd	41.80±0.32bc
	0.2%CLP3	1.44±0.04a	50.23±0.17b	46.42±0.11b
	0.5%CLP3	1.49±0.06a	47.80±8.44b	47.44±8.43b
	0.1%WT3	1.46±0.01a	41.15±0.23cd	38.71±0.19c
	0.2%WT3	1.43±0.02a	46.03±1.02bc	42.71±0.56bc
	0.5%WT3	1.43±0.04a	58.56±2.76a	54.96±2.82a
注：表中的数值为平均值±标准差。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)(a>b>c)。CK1、CK2、CK3分别表示CGM₁、CGM₂、CGM₃中的对照处理。CLP1、WT1分别表示在CGM₁中添加保水剂的处理；CLP2、WT2分别表示在CGM₂中添加保水剂的处理；CLP3、WT3分别表示在CGM₃中添加保水剂的处理。CLP：丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物型保水剂；WT：凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型保水剂。0.1%、0.2%和0.5%分别表示不同保水剂的添加比例。下同。Notes: The data in table are “mean±SD”, different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P < 0.05)(a>b>c). CK1, CK2 and CK3 refers to the control treatment in CGM₁, CGM₂ and CGM₃, respectively. CLP1 and WT1 refers to the treatment of adding water-retaining agent in CGM₁, respectively. CLP2 and WT2 refers to the treatment of adding water-retaining agent in CGM₂, respectively. CLP3 and WT3 refers to the treatment of adding water-retaining agent in CGM₃, respectively. CLP: Acrylamide-potassium acrylate crosspolymer. WT: Attapulgite composite acrylamide-acrylamide. 0.1%, 0.2% and 0.5% respectively represent the proportion of different water-retaining agents added. The same below.

表 1 不同处理条件下煤矸石基质的孔性状况 Tab. 1 Porosity of coal gangue matrix under different treatment conditions

2.2 添加保水剂后煤矸石基质吸水量的变化

添加CLP和WT的煤矸石基质土壤吸水量随时间的变化如图 1所示。整体来看，CGM₂和CGM₃的吸水量比CGM₁的吸水量高。其中在CGM₃中不添加保水剂的煤矸石基质饱和吸水量最高为178.09 g，分别是CGM₁和CGM₂的1.31和1.06倍。煤矸石基质中土壤比例越高，基质的吸水量也越高。不同的煤矸石基质，达到吸水饱和的时间不同，CGM₁、CGM₂和CGM₃分别在12 h、8 h和4 h时达到吸水饱和。

图 1 不同条件下煤矸石基质的吸水量动态变化 Fig. 1 Dynamics change of water absorption in coal gangue matrix under different conditions

本研究发现，在煤矸石基质中添加保水剂后，煤矸石基质的吸水量均高于对照。在CGM₁和CGM₂中，0.5%CLP的煤矸石基质吸水量明显高于其他处理的吸水量，并且该种处理的煤矸石基质吸水速率最快。而在CGM₃中，添加比例为0.5%WT的煤矸石基质吸水速率较慢，在12 h时才达到吸水饱和，但是其饱和吸水量最高，达到了197.55 g，较该种基质下不添加保水剂的处理提高10.93%。

2.3 添加保水剂后煤矸石基质持水量的变化

添加不同保水剂对不同煤矸石基质持水性能的影响不同(图 2)。在CGM₁中，添加0.2%和0.5%CLP的煤矸石基质持水量最高，且显著高于其他处理。而添加WT的煤矸石基质的持水量随添加比例增加而显著增加。在CGM₂中，添加0.5%CLP的煤矸石基质饱和含水量、毛管持水量和田间持水量较添加0.1%和0.2%CLP分别提高33.63%、33.45%、33.44%和23.61%、25.37%、25.19%，且均达到显著水平。随2种保水剂添加比例的增加，煤矸石基质的持水量均呈现出增加的趋势。在CGM₃中，0.5%WT的煤矸石基质持水量最高，其他处理之间均无显著差异。

图 2 不同条件下煤矸石基质持水量的变化特征 Fig. 2 Change characteristics of water-holding capacity to coal gangue matrix under different conditions

2.4 添加保水剂后煤矸石基质累积入渗量的变化

添加2种不同比例的保水剂的煤矸石基质累积入渗量随时间变化过程如图 3所示，可见3种煤矸石基质的累积入渗量表现为CGM₂>CGM₃>CGM₁。在CGM₁和CGM₂中，除了添加0.2%CLP和0.5%CLP的处理，其他处理均降低了煤矸石基质的累积入渗量；在CGM₃中，添加0.1%CLP的煤矸石基质累积入渗量最大。在CGM₁中，WT在添加比例为0.1%和0.2%的累积入渗量相近。而当其比例增加为0.5%时，其累积入渗量则急剧减小。随着WT添加比例的增加，显著降低煤矸石基质水分入渗。而CLP的比例增加，煤矸石基质的累积入渗量增大。其中，添加0.5%CLP的煤矸石基质累积入渗量最大，达到了18.37 mL。在CGM₂和CGM₃中，2种保水剂在不同添加比例下累积入渗量的变化趋势与CGM₁一致。但整体来看，CGM₂的累积入渗量最大，尤其是添加0.5%CLP在60 min的累积入渗量最高，达到了48.78 mL。

图 3 不同条件下煤矸石基质累积入渗量动态变化 Fig. 3 Dynamics change of cumulative infiltration in coal gangue matrix under different conditions

2.5 煤矸石基质保水性能的多因素方差分析

多因素方差分析表明，煤矸石基质类型、保水剂种类及其添加比例显著影响煤矸石基质的饱和含水量、毛管持水量和田间持水量和累积入渗量，3种因素的交互作用也影响煤矸石基质的保水性能(表 2)。根据F值推断可知，煤矸石基质类型对煤矸石基质的饱和含水量、毛管持水量和田间持水量影响程度最大，其次是添加保水剂比例。就3个因素的交互作用而言，保水剂种类和保水剂添加比例的交互作用对煤矸石基质的饱和含水量、毛管持水量和田间持水量影响不显著。对于煤矸石基质的累积入渗量来说，保水剂种类的F值均大于煤矸石基质类型和保水剂添加比例，说明保水剂种类对煤矸石基质的累积入渗量影响最大。

表 2 各因素对煤矸石基质保水性能影响的多因素方差分析 Tab. 2 Multi-way ANOVA of the effects of various factors on water-retaining properties of coal gangue matrix

因素 Factor	项目 Project	饱和含水量 Saturated moisture capacity	毛管持水量 Capillary water-holding capacity	田间持水量 Field water-holding capacity	累积入渗量 Cumulative infiltration
煤矸石基质类型Type of coal gangue matrix	F	192.419	188.281	199.766	411.949
煤矸石基质类型Type of coal gangue matrix	P	0	0	0	0
保水剂种类Type of water-retaining agent	F	53.674	25.133	24.542	1 100.654
保水剂种类Type of water-retaining agent	P	0	0	0	0
保水剂添加比例Adding proportion of water-retaining agent	F	77.665	70.023	66.796	7.139
保水剂添加比例Adding proportion of water-retaining agent	P	0	0	0	0.002
煤矸石基质类型×保水剂种类Type of coal gangue matrix×Type of water-retaining agent	F	23.505	9.619	10.271	32.844
	P	0	0	0	0
煤矸石基质类型×保水剂添加比例Type of coal gangue matrix×Adding proportion of water-retaining agent	F	29.938	24.015	23.185	20.547
	P	0	0	0	0
保水剂种类×保水剂添加比例Type of water-retaining agent×Adding proportion of water-retaining agent	F	0.633	0.022	0.087	139.925
	P	0.537	0.978	0.917	0
煤矸石基质类型×保水剂种类×保水剂添加比例Type of coal gangue matrix×Type of water-retaining agent×Adding proportion of water-retaining agent	F	21.385	11.746	10.778	31.412
	P	0	0	0	0
注：表中的P为检验概率，P < 0.05表示分析结果达到显著水平；F为检验统计量，F值越大则表示差异越显著。Notes: P in the table is the test probability, P < 0.05 indicates that the analysis results reach a significant level. F is the test statistic, the larger F-value indicates that the differences are more significant.

表 2 各因素对煤矸石基质保水性能影响的多因素方差分析 Tab. 2 Multi-way ANOVA of the effects of various factors on water-retaining properties of coal gangue matrix

2.6 不同处理下煤矸石基质保水性能聚类分析

为探讨不同处理下煤矸石基质保水性能的相似性和差异性，依据各处理的测定指标进行数据标准化处理，系统聚类分析后，得到21个不同处理的保水性能聚类树形图(图 4)。对聚类树形图按类间距离为10进行截取，可将其划分为3类，且将各类别物理性质和保水性能作平均值(表 3)。

图 4 不同处理下煤矸石基质土壤保水性能聚类分析结果 Fig. 4 Cluster analysis of soil water-retaining properties of coal gangue matrix under different treatments

表 3 各聚类类别保水性能平均值统计结果 Tab. 3 Statistical results of average water-retaining properties of each cluster group

类别Ⅰ包含14个处理，占总处理的66.67%，主要是矸土比为1:1和1:3的煤矸石基质。类别Ⅱ包含6个处理，占总处理数的28.57%，该类多为矸土比为3:1的煤矸石基质。其中，类别Ⅱ的总孔隙度、毛管孔隙度、累积入渗量、饱和含水量、毛管持水量和田间持水量较低，类别Ⅰ的各项测定指标均略大于类别Ⅱ。类别Ⅲ中仅包含CGM₂中添加比例为0.5%CLP的处理，占总处理数的4.76%，除密度外，其他指标的平均值显著高于其他处理。

3 讨论 3.1 不同煤矸石基质类型对保水性能的影响

煤矸石颗粒之间大孔隙多，且由于煤矸石具有斥水性，因此矸石山的保水能力较低^[18]。在本研究中，矸土比为1:1和1:3的煤矸石基质的保水性能较高。有研究表明，煤矸石与土壤混掺可以显著降低煤矸石的斥水性，改变它的孔隙结构^[19]，提高矸石山的持水能力；当煤矸石基质中煤矸石含量减少时，基质的吸水量和持水量增加^[20]。这与本研究结果保持一致。经聚类分析可知，CGM₁和CGM₂的保水效果相当，考虑到矸土比为1:1时可充分利用煤矸石，减少覆盖土壤用量，这对高效利用煤矸石具有一定的现实意义。

在对煤矸石基质的水分入渗影响方面，矸土比为1:1和1:3的煤矸石基质累积入渗量显著高于矸土比为3:1的煤矸石基质累积入渗量。这与马保国等^[21]的研究结果一致，矸石掺土的累积入渗量显著高于矸石，其中以矸土质量比为3:7的累积入渗量最高。煤矸石与土壤混掺能提高煤矸石基质的保水性能^[22]，这可能与煤矸石颗粒较小有关，煤矸石颗粒较小增加了它的比表面积，进而增加了水膜之间的吸持力，阻碍土壤水分下渗；当煤矸石基质中煤矸石颗粒含量较多时，使得煤矸石基质的土壤水分入渗量减少。

3.2 添加保水剂对煤矸石基质的保水性能的影响

大量研究表明，保水剂施入土壤中能够改善土壤通透性，增加土壤孔隙持水量，减少土壤水分蒸发^[23]，具有明显的保水性能^[24-25]。在本研究中添加保水剂显著增加了煤矸石基质的吸水量和持水量，其中添加CLP的持水量显著高于WT。因此，不同的保水剂种类对煤矸石基质的保水效果不同。就煤矸石基质的累积入渗量而言，WT抑制煤矸石基质的水分入渗，而CLP则增加煤矸石基质水分入渗。这可能是由于WT吸水膨胀，阻塞原有的土壤孔隙，使得煤矸石基质的累积入渗量降低^[26]。而CLP遇水膨胀性较强，形成了许多大孔隙，从而增加了基质的累积入渗量^[6]。

保水剂对土壤持水特征的影响不仅依赖于所用保水剂的类型，也依赖于保水剂的使用量^[27-28]。本研究表明，添加0.1%、0.2%和0.5%保水剂的饱和含水量，毛管持水量和田间持水量均有显著差异。随着保水剂添加比例的增加，煤矸石基质的持水量呈现出增加的趋势。有研究^[29]表明，当WT添加比例为0.05%时改良土壤的效果最佳。但在煤矸石基质中，由于有煤矸石的存在，使得煤矸石基质的盐分含量较高，而盐分的存在又会对保水剂的吸水能力产生一定的抑制作用^[30]。因此，在含盐量较高的煤矸石基质土壤中适量增加保水剂用量，才能明显改善基质的保水效果^[27]。

4 结论

1) 煤矸石基质类型是影响基质持水量的主要因子。矸石掺土可以显著提高煤矸石基质土壤的保水性能，其中以矸土比为1:1和1:3的保水性能较高。

2) 在煤矸石基质中添加丙烯酰胺-丙烯酸钾交聚物型(CLP)保水剂和凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型(WT)保水剂可以显著提高煤矸石基质的保水能力。随着保水剂添加比例的增加，煤矸石基质的吸水量和持水量呈现出增加的趋势。

3) 在21个处理中，在矸土比为1:1的煤矸石基质中施加0.5%CLP的处理的水分吸持性和入渗特性均优于其他处理，则该种处理具有最佳的保水效果。

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