疏浚土配制噴播綠化基質(zhì)的配比試驗研究

梅嶺,陳虞祥,王雷,夏宇昂,陳正

（1.江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098）

傳統(tǒng)客土噴播基質(zhì)主要由土壤、有機質(zhì)肥料、復合肥料、土壤改良劑、保水劑、黏結(jié)劑等配制而成，利用客土噴播機噴射到裸露巖面和高陡邊坡上，形成與自然土相類似的適宜植被生長的面層[1-2]。在施工過程中，客土噴播技術(shù)需要用到土壤當?shù)卮罅康?，土壤開挖又會形成新的裸露面層，破壞生態(tài)環(huán)境，因此，尋找一種環(huán)保型的噴播基質(zhì)是當前亟需解決的問題。

疏浚土是疏浚工程中從河道挖出來的土壤，其細粒土含量高，力學性能差。隨著長江12.5 m深水航道建設(shè)工程的進行，僅長江下游地區(qū)預(yù)估疏浚量就達2 100萬m3[3]，而目前的處理方式大多為堆場堆填，占用大量的場地。如自2002年開始，無錫市已經(jīng)對超過1 000萬m3的底泥進行了清淤，設(shè)置有雪浪堆場、漁港堆場、孔灣堆場、白旄灣堆場、周鐵堆場等[4]。事實上，疏浚土中富含植物生長所需的K、N、P、有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)[5]，將其用于生產(chǎn)客土噴播基質(zhì)，既可充分利用疏浚土中的養(yǎng)分，又可減緩土壤資源短缺的現(xiàn)狀，所以，尋找合適的噴播基質(zhì)配比，將疏浚土用于植被護坡中具有實際意義。付旭等[6]在低液限粉質(zhì)黏土中加入聚丙烯酰胺（PAM）10 g/m2、吸水性高分子樹脂（SAP）30 g/m2、秸稈20 kg/m2配制噴播基質(zhì)進行施工；陳方鑫等[7]利用秸稈與PAM改良了湖濱地帶土壤的團聚體特性和養(yǎng)分特性；Zhou等[8]探究了PAM、生物炭、泥炭土配制的噴播基質(zhì)的養(yǎng)分特性，結(jié)果表明，PAM和生物炭的復合使用可降低土壤中的N、P損失。而目前對于疏浚土的改良研究大多集中于將其固化利用方面[9-10]，針對噴播基質(zhì)的研究較少。利用PAM、SAP、秸稈配制疏浚土噴播基質(zhì)，探究不同改良材料對疏浚土的影響，具有一定的理論意義和實踐價值。

以疏浚土為主要組成部分，利用PAM、SAP、秸稈改良的噴播綠化基質(zhì)，采用盆栽試驗，綜合考慮基質(zhì)的容重、總孔隙度、水分特征（飽和水含水率、田間持水量）、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、pH值和出苗率等指標，探究PAM、SAP、秸稈對疏浚土物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和植物生長特性的影響，得到疏浚土配制綠化噴播基質(zhì)的最佳配比。

1 試驗

1.1 試驗材料

疏浚土：取自江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)曉星村內(nèi)位于京杭大運河邊上的疏浚土堆場（119°34′34E、32°4′49″N），取土深度為0～1 m，呈黑色流塑狀，將土樣風干后，碾碎過2 mm篩備用。土壤的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

高分子吸水性樹脂（SAP）：鉀鹽型，吸水倍數(shù)600倍。

聚丙烯酰胺（PAM）：陰離子型，分子量800萬。

植被材料：高羊茅種子，高羊茅是禾本科多年生草本植物，具有適應(yīng)性強、耐高溫、抗逆性強的特點，常被用于植被護坡。

1.2 試驗方案及測試方法

1.2.1 試驗方案 采用盆栽試驗，根據(jù)其他學者的研究成果[11-14]，采用正交試驗設(shè)計法設(shè)置SAP、PAM、秸稈3個因素，每個因素5個水平，正交試驗表選用L25(53)型，選取SAP與土壤的質(zhì)量比梯度分別為A1(0 g/kg)、A2(3 g/kg)、A3(6 g/kg)、A4(9 g/kg)、A5(12 g/kg)，PAM的 梯 度 為B1(0.5 g/kg)、B2(1 g/kg)、B3(1.5 g/kg)、B4(2 g/kg)、B5(2.5 g/kg)，秸 稈 的梯 度 為C1(15 g/kg)、C2(20 g/kg)、C3(25 g/kg)、C4(30 g/kg)、C5(35 g/kg)，共25種 處 理，每 種 處 理3個 重復，具體方案見圖1。另外設(shè)置對照組CK，不添加SAP、PAM和秸稈。

圖1 不同處理水平因素變化圖Fig.1 Change of factors at different treatment levels

試驗盆栽選用口徑、底徑、高分別為16、13、12 cm的圓形塑料花盆。采用SJD60型單臥軸強制式攪拌機，將土壤與SAP、PAM和秸稈攪拌5 min，裝盆后澆50%的水，靜置48 h再澆水至飽和，按照每盆20粒在盆栽表面均勻播撒高羊茅種子，覆土約1～2 cm，配制完成后每天澆水養(yǎng)護2次，14之后減至每天1次。

1.2.2 指標測定方法 土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率(飽和含水率、田間持水量)采用環(huán)刀法測量[15]；有機質(zhì)采用H2SO4-K2Cr2O7氧化法測定；銨態(tài)氮采用氯化鉀(KCl)提取靛藍比色法；有效磷采用碳酸氫鈉(NaHCO3)浸提法測定；速效鉀采用乙酸銨(NH4OAC)浸提法測定；pH值采用電極法測定[16]。

植被出苗率測定：在播種后，每2天記錄出苗數(shù)量，連續(xù)記錄3周，在第15天后高羊茅出苗數(shù)基本穩(wěn)定，因此，采用第21天的出苗數(shù)作為植被最終的存活數(shù)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 利用Origin軟件對各指標數(shù)據(jù)進行均值圖和趨勢圖的繪制；利用SPSS 20軟件進行單因素方差分析(Duncan法)和主成分分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 指標測定結(jié)果

噴播基質(zhì)所構(gòu)建的是一種“基質(zhì)—植被”系統(tǒng)，為保證分析的精確性與完成性，需要將基質(zhì)情況與植被情況進行系統(tǒng)地分析。因此，為了能夠全面分析各配比基質(zhì)的情況，特選取容重、總孔隙度、飽和含水率、田間持水量、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、pH值和出苗率等10個有代表性的指標進行測定，觀測數(shù)據(jù)見表2、表3。其中，土壤容重和孔隙度都是判斷土壤緊實程度的指標：容重過大不利于植物扎根透氣，土壤容重過小會導致有機物分解過快，研究表明，一般情況下，肥沃的耕作層土壤容重在1 g/cm3左右；總孔隙度越大，土壤容納水和空氣的能力越強[17]。由表2可知，各試驗組間容重的變化范圍為0.79～1.23 g/cm3，相對于對照組CK，容重最多降低了47.67%。各試驗組總孔隙度在47.73%～66.89%之間波動，相對于對照組CK，總孔隙度最多提高了26.7%。說明不同基質(zhì)材料和摻量能夠有效改良疏浚土的物理結(jié)構(gòu)特性，降低綠化噴播基質(zhì)容重，提高總孔隙度，使基質(zhì)疏松多孔。

田間持水量是土壤在自然環(huán)境下能夠維持的最大含水量，直接影響植被的生長發(fā)育。由表2可知，各處理均能提高基質(zhì)的田間持水量，變化范圍為41.22%～83.20%，說明試驗所添加的材料對基質(zhì)的田間持水量的影響較大，相對于對照組CK，試驗組最多提高了101.59%。飽和含水率是基質(zhì)中所有孔隙(毛管孔隙和非毛管孔隙)都填滿水時的最大含水量，反映了基質(zhì)的最大水容量，試驗組與對照組CK相比有明顯差異，試驗組的飽和含水率相對于對照組最大提高了96.78%。說明以疏浚土為主要材料，SAP、PAM、秸稈改良的綠化噴播基質(zhì)有著良好的持水特性。

表2 基質(zhì)的物理性質(zhì)指標結(jié)果Table 2 The measure results of the physical properties of the substrate

有效磷、速效鉀、銨態(tài)氮是植被生長過程中可以直接吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，主要由基質(zhì)中的有機質(zhì)礦化分解產(chǎn)生，通過測定基質(zhì)中的有效磷、速效鉀、銨態(tài)氮和有機質(zhì)可以反映基質(zhì)的營養(yǎng)水平。由表3可知，相對于對照組CK，各試驗組有機質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量均有顯著的提升。其中，有機質(zhì)含量的變化范圍為4.50～7.89 g/kg，相對于對照組CK，最多提高了234.47%；銨態(tài)氮含量的變化范圍為66.04～123.00 mg/kg，相對于對照組CK，提高了217.58%；有效磷含量的變化范圍為59.3～197.27 mg/kg，相對于對照組CK，最多提高了253.78%；速效鉀含量的變化范圍為244.83～1 032.52 mg/kg，相對于對照組CK，最多提高了468.13%。同時，各試驗組的pH值均小于對照組CK，變化范圍為7.6～8.6，相對于對照組CK，最多降低了12.64%。這說明試驗所添加的基質(zhì)材料可以有效地提高疏浚土中營養(yǎng)物質(zhì)含量，降低疏浚土的pH值。

植物的出苗率是檢驗基質(zhì)是否適宜植被生長的重要指標，由表3可知相對于對照組CK，各試驗組中高羊茅的出苗率均有顯著的提高，說明添加基質(zhì)材料可以有效地提高高羊茅在疏浚土中的出苗率，其中，在試驗組F-23中高羊茅的出苗率最高，相對于對照組CK，提高了4倍；F-20的出苗率最低，相對于對照組CK，僅提高了25%。

表3 基質(zhì)的化學性質(zhì)指標和出苗率測定結(jié)果Table 3 The chemical properties of the substrate and the results of the emergence rate

2.2 不同配比的改良材料對疏浚土物理結(jié)構(gòu)和持水特性的影響

表4為各試驗組基質(zhì)的物理性質(zhì)指標方差分析，由表4可知，PAM和秸稈對基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)和持水特性影響不顯著(p＞0.05)，SAP對基質(zhì)的容重、總孔隙度、飽和含水率和田間持水量的大小具有顯著性影響(p＜0.01)。為比較不同配比改良材料對疏浚土物理結(jié)構(gòu)和持水特性的影響，以改良材料的水平為橫坐標、指標均值為縱坐標，繪制不同因素水平下基質(zhì)物理性質(zhì)指標趨勢圖，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著SAP摻量的增加，基質(zhì)容重逐漸減小，總孔隙度逐漸增加，飽和含水率和田間持水量逐漸增加。這說明在基質(zhì)中添加SAP可以有效地降低疏浚土的容重，提高疏浚土總孔隙度和持水能力。

圖2 不同因素水平下基質(zhì)物理性質(zhì)指標均值的比較Fig.2 Comparison of mean values of matrix physical properties under different factor levels

表4 基質(zhì)的物理性質(zhì)指標方差分析Table 4 Analysis of variance for physical properties of matrix

2.3 不同配比改良材料對疏浚土化學性質(zhì)的影響

由表5可知，秸稈的摻量對基質(zhì)中有機質(zhì)含量影響極顯著(p＜0.01)，對銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量影響顯著(p＜0.05)。為比較不同配比改良材料對疏浚土化學性質(zhì)的影響，以改良材料的水平為橫坐標、指標均值為縱坐標，繪制不同因素水平下基質(zhì)物理性質(zhì)指標趨勢圖，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著秸稈摻量的增加，基質(zhì)中有機質(zhì)含量逐漸增加，銨態(tài)氮含量逐漸增加，有效磷和速效鉀含量先增加后減少，pH值逐漸減小。這說明秸稈的摻入可以有效地提高疏浚土的養(yǎng)分含量，降低疏浚土的pH值。

圖3 不同因素水平下基質(zhì)化學性質(zhì)指標均值的比較Fig.3 Comparison of mean values of matrix chemical properties under different factor levels

表5 基質(zhì)的化學性質(zhì)指標方差分析Table 5 Analysis of variance for chemical properties of matrix

SAP的摻量對基質(zhì)中有機質(zhì)的含量影響顯著(p＜0.05)，對基質(zhì)的pH值 影 響 極 顯 著(p＜0.01)，隨著SAP用量的增加，基質(zhì)中有機質(zhì)含量逐漸增加，pH值逐漸增大。這是因為，SAP的摻入使疏浚土產(chǎn)生更多的孔隙，保留更多的水分，為秸稈的腐化提供更加良好的條件，從而促進秸稈的分解和轉(zhuǎn)化[18-19]，提高疏浚土中的有機質(zhì)含量。

PAM的摻量對基質(zhì)中銨態(tài)氮含量影響顯著(p＜0.05)，隨著PAM用量的增加，基質(zhì)中銨態(tài)氮含量逐漸增加。這是因為，由于銨態(tài)氮是一種水溶性物質(zhì)，會隨著水流而產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，而陰離子PAM溶液吸附了黏土中的陽離子顆粒，形成更大的團聚體，抑制土壤的封閉性，增加水流的入滲量和土壤的持水能力，從而限制銨態(tài)氮的流失，增加銨態(tài)氮的保留量[8]。

2.4 不同配比改良材料對出苗率的影響

由表6可知，SAP、PAM和秸稈的摻量對高羊茅出苗率均具有顯著性影響(p＜0.05)。由圖4可知，隨著SAP摻量的增加，基質(zhì)中高羊茅的出苗率逐漸增加，當摻入量達到3 g/kg后，出苗率的增加趨勢逐漸平緩，摻入量達到12 g/kg后出苗率出現(xiàn)下降，說明SAP的摻入量并不是越多越好，這可能是因為過高的SAP會顯著降低土壤容重，使得土壤容重過低，導致出苗率下降；隨著PAM摻量的增加，高羊茅的出苗率逐漸下降，適量的PAM摻量可以促進高羊茅種子的萌發(fā)，過高的PAM摻量會顯著抑制高羊茅種子的萌發(fā)，這可能是因為過量添加的PAM會與種子爭搶水分，影響種子萌發(fā)[20]；隨著秸稈含量的增加，高羊茅的出苗率逐漸增加，這與其他的研究成果相似[21-24]，這是因為秸稈中的有機質(zhì)會進行分解，產(chǎn)生大量的無機元素、腐殖質(zhì)和有機質(zhì)，為高羊茅種子的發(fā)育提供養(yǎng)分，促進微生物的活動和種子的萌發(fā)。

表6 高羊茅出苗率方差分析Table 6 Variance analysis of tall fescue emergence rate

圖4 不同因素水平下高羊茅出苗率均值的比較Fig.4 Comparison of the average value of tall fescue emergence rate under different factor levels

2.5 不同基質(zhì)配方適宜性的綜合評分

方差分析只能反應(yīng)各改良材料對基質(zhì)的影響，不能對基質(zhì)進行最終的評價，因此，采用主成分分析法，綜合10個指標（其中，容重為負指標，分析過程中取倒數(shù)將其正向化），對各配比基質(zhì)情況進行綜合評價，以主成分累計貢獻率達85%提取主成分個數(shù)[25-26]。

由表7可知，第1主成分的特征值和貢獻率最大，分別為4.489和44.887%，第2、3、4主成分貢獻率依次減小，分別為23.468%、11.397%、8.025%。

表7 基質(zhì)指標主成分分析Table 7 Principal component analysis of matrix indicators

以F-1為例，用Fi表示第i個主成分的得分，用X1～X10分別表示容重、總孔隙度、田間持水量、飽和含水率、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀、出苗率、pH值，則4個主成分表達式為

F1=0.205X1+0.207X2+0.221X3+0.221X4+0.075X5+0.015X6-0.029X7+0.036X8-0.024X9+0.179X10

F2=0.027X1-0.032X2-0.007X3-0.006X4+0.316X5+0.34X6-0.313X7-0.281X8+0.135X9-0.114X10

F3=-0.029X1-0.07X2-0.069X3-0.074X4+0.15X5+0.041X6+0.138X7+0.34X8+0.789X9+0.283X10

F4=0.012X1+0.174X2+0.074X3+0.081X4-0.457X5+0.518X6+0.643X7-0.519X8+0.208X9-0.019X10

由表8可知，對第一主成分F1貢獻最大的是田間持水量(X3)與飽和含水率(X4)，其次是容重(X1)、總孔隙度(X2)、pH值，綜合體現(xiàn)了基質(zhì)的物理性能，因此，可將F1定為基質(zhì)的物理性質(zhì)指數(shù)。對第2主成分F2貢獻最大的是有機質(zhì)(X5)、銨態(tài)氮（X6）、有效磷(X7)、速效鉀(X8)，綜合體現(xiàn)了基質(zhì)的養(yǎng)分含量，對第3主成分F3貢獻最大的是出苗率(X9)，體現(xiàn)了基質(zhì)的出苗率，因此，將F2，F(xiàn)3分別定為基質(zhì)的養(yǎng)分含量指數(shù)和植被生長指數(shù)。對第4主成分(F4)貢獻最大的是有機質(zhì)(X5)、銨態(tài)氮(X6)、有效磷(X7)、速效鉀(X8)，而第4主成分F4的貢獻率僅為8.02%，因此，將F4定為基質(zhì)養(yǎng)分含量的修正指數(shù)。

表8 主成分得分系數(shù)矩陣Table 8 Principal component score coefficient matrix

將各指標的標準化數(shù)據(jù)代入式中求和，得到不同基質(zhì)的綜合得分，綜合得分值越高，代表基質(zhì)表現(xiàn)越好，表9為各組基質(zhì)，按綜合得分由高到低排列?？芍?，最佳的配比為F-23，即每kg疏浚土中添加SAP 6 g、PAM 0.5 g、秸稈35 g。

表9 基質(zhì)評價綜合得分Table 9 Comprehensive score of matrix evaluation

3 結(jié)論

通過對不同配比基質(zhì)進行盆栽試驗，得到以下結(jié)論：

1）SAP可以顯著改善疏浚土的孔隙特性，降低土壤容重，并有效提高基質(zhì)的保水性能，促進秸稈的分解。

2）適量的PAM可以提高疏浚土中銨態(tài)氮的保留量，促進高羊茅種子的發(fā)芽，過量的PAM會抑制高羊茅的發(fā)芽，本次試驗中用量在0.5 g/kg時，效果最好。

3）稻草秸稈可以顯著提高疏浚土的養(yǎng)分含量，降低疏浚土的pH值，促進高羊茅種子的發(fā)芽。

4）根據(jù)主成分分析法綜合評價，基于疏浚土的噴播基質(zhì)的最佳配比為每kg疏浚土中添加SAP 6 g、PAM 0.5 g、秸稈35 g。