疏浚土配制喷播绿化基质的配比试验研究

梅岭,陈虞祥,王雷,夏宇昂,陈正

（1.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212000；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

传统客土喷播基质主要由土壤、有机质肥料、复合肥料、土壤改良剂、保水剂、黏结剂等配制而成，利用客土喷播机喷射到裸露岩面和高陡边坡上，形成与自然土相类似的适宜植被生长的面层[1-2]。在施工过程中，客土喷播技术需要用到土壤当地大量的，土壤开挖又会形成新的裸露面层，破坏生态环境，因此，寻找一种环保型的喷播基质是当前亟需解决的问题。

疏浚土是疏浚工程中从河道挖出来的土壤，其细粒土含量高，力学性能差。随着长江12.5 m深水航道建设工程的进行，仅长江下游地区预估疏浚量就达2 100万m3[3]，而目前的处理方式大多为堆场堆填，占用大量的场地。如自2002年开始，无锡市已经对超过1 000万m3的底泥进行了清淤，设置有雪浪堆场、渔港堆场、孔湾堆场、白旄湾堆场、周铁堆场等[4]。事实上，疏浚土中富含植物生长所需的K、N、P、有机质等营养物质[5]，将其用于生产客土喷播基质，既可充分利用疏浚土中的养分，又可减缓土壤资源短缺的现状，所以，寻找合适的喷播基质配比，将疏浚土用于植被护坡中具有实际意义。付旭等[6]在低液限粉质黏土中加入聚丙烯酰胺（PAM）10 g/m2、吸水性高分子树脂（SAP）30 g/m2、秸秆20 kg/m2配制喷播基质进行施工；陈方鑫等[7]利用秸秆与PAM改良了湖滨地带土壤的团聚体特性和养分特性；Zhou等[8]探究了PAM、生物炭、泥炭土配制的喷播基质的养分特性，结果表明，PAM和生物炭的复合使用可降低土壤中的N、P损失。而目前对于疏浚土的改良研究大多集中于将其固化利用方面[9-10]，针对喷播基质的研究较少。利用PAM、SAP、秸秆配制疏浚土喷播基质，探究不同改良材料对疏浚土的影响，具有一定的理论意义和实践价值。

以疏浚土为主要组成部分，利用PAM、SAP、秸秆改良的喷播绿化基质，采用盆栽试验，综合考虑基质的容重、总孔隙度、水分特征（饱和水含水率、田间持水量）、铵态氮、有效磷、速效钾、有机质、pH值和出苗率等指标，探究PAM、SAP、秸秆对疏浚土物理性质、化学性质和植物生长特性的影响，得到疏浚土配制绿化喷播基质的最佳配比。

1 试验

1.1 试验材料

疏浚土：取自江苏省镇江市丹徒区晓星村内位于京杭大运河边上的疏浚土堆场（119°34′34E、32°4′49″N），取土深度为0～1 m，呈黑色流塑状，将土样风干后，碾碎过2 mm筛备用。土壤的理化性质如表1所示。

表1 土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil

高分子吸水性树脂（SAP）：钾盐型，吸水倍数600倍。

聚丙烯酰胺（PAM）：阴离子型，分子量800万。

植被材料：高羊茅种子，高羊茅是禾本科多年生草本植物，具有适应性强、耐高温、抗逆性强的特点，常被用于植被护坡。

1.2 试验方案及测试方法

1.2.1 试验方案 采用盆栽试验，根据其他学者的研究成果[11-14]，采用正交试验设计法设置SAP、PAM、秸秆3个因素，每个因素5个水平，正交试验表选用L25(53)型，选取SAP与土壤的质量比梯度分别为A1(0 g/kg)、A2(3 g/kg)、A3(6 g/kg)、A4(9 g/kg)、A5(12 g/kg)，PAM的 梯 度 为B1(0.5 g/kg)、B2(1 g/kg)、B3(1.5 g/kg)、B4(2 g/kg)、B5(2.5 g/kg)，秸 秆 的梯 度 为C1(15 g/kg)、C2(20 g/kg)、C3(25 g/kg)、C4(30 g/kg)、C5(35 g/kg)，共25种 处 理，每 种 处 理3个 重复，具体方案见图1。另外设置对照组CK，不添加SAP、PAM和秸秆。

图1 不同处理水平因素变化图Fig.1 Change of factors at different treatment levels

试验盆栽选用口径、底径、高分别为16、13、12 cm的圆形塑料花盆。采用SJD60型单卧轴强制式搅拌机，将土壤与SAP、PAM和秸秆搅拌5 min，装盆后浇50%的水，静置48 h再浇水至饱和，按照每盆20粒在盆栽表面均匀播撒高羊茅种子，覆土约1～2 cm，配制完成后每天浇水养护2次，14之后减至每天1次。

1.2.2 指标测定方法 土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率(饱和含水率、田间持水量)采用环刀法测量[15]；有机质采用H2SO4-K2Cr2O7氧化法测定；铵态氮采用氯化钾(KCl)提取靛蓝比色法；有效磷采用碳酸氢钠(NaHCO3)浸提法测定；速效钾采用乙酸铵(NH4OAC)浸提法测定；pH值采用电极法测定[16]。

植被出苗率测定：在播种后，每2天记录出苗数量，连续记录3周，在第15天后高羊茅出苗数基本稳定，因此，采用第21天的出苗数作为植被最终的存活数量。

1.2.3 数据处理 利用Origin软件对各指标数据进行均值图和趋势图的绘制；利用SPSS 20软件进行单因素方差分析(Duncan法)和主成分分析。

2 试验结果与讨论

2.1 指标测定结果

喷播基质所构建的是一种“基质—植被”系统，为保证分析的精确性与完成性，需要将基质情况与植被情况进行系统地分析。因此，为了能够全面分析各配比基质的情况，特选取容重、总孔隙度、饱和含水率、田间持水量、铵态氮、有效磷、速效钾、有机质、pH值和出苗率等10个有代表性的指标进行测定，观测数据见表2、表3。其中，土壤容重和孔隙度都是判断土壤紧实程度的指标：容重过大不利于植物扎根透气，土壤容重过小会导致有机物分解过快，研究表明，一般情况下，肥沃的耕作层土壤容重在1 g/cm3左右；总孔隙度越大，土壤容纳水和空气的能力越强[17]。由表2可知，各试验组间容重的变化范围为0.79～1.23 g/cm3，相对于对照组CK，容重最多降低了47.67%。各试验组总孔隙度在47.73%～66.89%之间波动，相对于对照组CK，总孔隙度最多提高了26.7%。说明不同基质材料和掺量能够有效改良疏浚土的物理结构特性，降低绿化喷播基质容重，提高总孔隙度，使基质疏松多孔。

田间持水量是土壤在自然环境下能够维持的最大含水量，直接影响植被的生长发育。由表2可知，各处理均能提高基质的田间持水量，变化范围为41.22%～83.20%，说明试验所添加的材料对基质的田间持水量的影响较大，相对于对照组CK，试验组最多提高了101.59%。饱和含水率是基质中所有孔隙(毛管孔隙和非毛管孔隙)都填满水时的最大含水量，反映了基质的最大水容量，试验组与对照组CK相比有明显差异，试验组的饱和含水率相对于对照组最大提高了96.78%。说明以疏浚土为主要材料，SAP、PAM、秸秆改良的绿化喷播基质有着良好的持水特性。

表2 基质的物理性质指标结果Table 2 The measure results of the physical properties of the substrate

有效磷、速效钾、铵态氮是植被生长过程中可以直接吸收的营养物质，主要由基质中的有机质矿化分解产生，通过测定基质中的有效磷、速效钾、铵态氮和有机质可以反映基质的营养水平。由表3可知，相对于对照组CK，各试验组有机质、铵态氮、有效磷、速效钾含量均有显著的提升。其中，有机质含量的变化范围为4.50～7.89 g/kg，相对于对照组CK，最多提高了234.47%；铵态氮含量的变化范围为66.04～123.00 mg/kg，相对于对照组CK，提高了217.58%；有效磷含量的变化范围为59.3～197.27 mg/kg，相对于对照组CK，最多提高了253.78%；速效钾含量的变化范围为244.83～1 032.52 mg/kg，相对于对照组CK，最多提高了468.13%。同时，各试验组的pH值均小于对照组CK，变化范围为7.6～8.6，相对于对照组CK，最多降低了12.64%。这说明试验所添加的基质材料可以有效地提高疏浚土中营养物质含量，降低疏浚土的pH值。

植物的出苗率是检验基质是否适宜植被生长的重要指标，由表3可知相对于对照组CK，各试验组中高羊茅的出苗率均有显著的提高，说明添加基质材料可以有效地提高高羊茅在疏浚土中的出苗率，其中，在试验组F-23中高羊茅的出苗率最高，相对于对照组CK，提高了4倍；F-20的出苗率最低，相对于对照组CK，仅提高了25%。

表3 基质的化学性质指标和出苗率测定结果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对疏浚土物理结构和持水特性的影响

表4为各试验组基质的物理性质指标方差分析，由表4可知，PAM和秸秆对基质的物理结构和持水特性影响不显著(p＞0.05)，SAP对基质的容重、总孔隙度、饱和含水率和田间持水量的大小具有显著性影响(p＜0.01)。为比较不同配比改良材料对疏浚土物理结构和持水特性的影响，以改良材料的水平为横坐标、指标均值为纵坐标，绘制不同因素水平下基质物理性质指标趋势图，结果如图2所示。由图2可知，随着SAP掺量的增加，基质容重逐渐减小，总孔隙度逐渐增加，饱和含水率和田间持水量逐渐增加。这说明在基质中添加SAP可以有效地降低疏浚土的容重，提高疏浚土总孔隙度和持水能力。

图2 不同因素水平下基质物理性质指标均值的比较Fig.2 Comparison of mean values of matrix physical properties under different factor levels

表4 基质的物理性质指标方差分析Table 4 Analysis of variance for physical properties of matrix

2.3 不同配比改良材料对疏浚土化学性质的影响

由表5可知，秸秆的掺量对基质中有机质含量影响极显著(p＜0.01)，对铵态氮、有效磷、速效钾含量影响显著(p＜0.05)。为比较不同配比改良材料对疏浚土化学性质的影响，以改良材料的水平为横坐标、指标均值为纵坐标，绘制不同因素水平下基质物理性质指标趋势图，结果如图3所示。由图3可知，随着秸秆掺量的增加，基质中有机质含量逐渐增加，铵态氮含量逐渐增加，有效磷和速效钾含量先增加后减少，pH值逐渐减小。这说明秸秆的掺入可以有效地提高疏浚土的养分含量，降低疏浚土的pH值。

图3 不同因素水平下基质化学性质指标均值的比较Fig.3 Comparison of mean values of matrix chemical properties under different factor levels

表5 基质的化学性质指标方差分析Table 5 Analysis of variance for chemical properties of matrix

SAP的掺量对基质中有机质的含量影响显著(p＜0.05)，对基质的pH值 影 响 极 显 著(p＜0.01)，随着SAP用量的增加，基质中有机质含量逐渐增加，pH值逐渐增大。这是因为，SAP的掺入使疏浚土产生更多的孔隙，保留更多的水分，为秸秆的腐化提供更加良好的条件，从而促进秸秆的分解和转化[18-19]，提高疏浚土中的有机质含量。

PAM的掺量对基质中铵态氮含量影响显著(p＜0.05)，随着PAM用量的增加，基质中铵态氮含量逐渐增加。这是因为，由于铵态氮是一种水溶性物质，会随着水流而产生转移，而阴离子PAM溶液吸附了黏土中的阳离子颗粒，形成更大的团聚体，抑制土壤的封闭性，增加水流的入渗量和土壤的持水能力，从而限制铵态氮的流失，增加铵态氮的保留量[8]。

2.4 不同配比改良材料对出苗率的影响

由表6可知，SAP、PAM和秸秆的掺量对高羊茅出苗率均具有显著性影响(p＜0.05)。由图4可知，随着SAP掺量的增加，基质中高羊茅的出苗率逐渐增加，当掺入量达到3 g/kg后，出苗率的增加趋势逐渐平缓，掺入量达到12 g/kg后出苗率出现下降，说明SAP的掺入量并不是越多越好，这可能是因为过高的SAP会显著降低土壤容重，使得土壤容重过低，导致出苗率下降；随着PAM掺量的增加，高羊茅的出苗率逐渐下降，适量的PAM掺量可以促进高羊茅种子的萌发，过高的PAM掺量会显著抑制高羊茅种子的萌发，这可能是因为过量添加的PAM会与种子争抢水分，影响种子萌发[20]；随着秸秆含量的增加，高羊茅的出苗率逐渐增加，这与其他的研究成果相似[21-24]，这是因为秸秆中的有机质会进行分解，产生大量的无机元素、腐殖质和有机质，为高羊茅种子的发育提供养分，促进微生物的活动和种子的萌发。

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

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

2.5 不同基质配方适宜性的综合评分

方差分析只能反应各改良材料对基质的影响，不能对基质进行最终的评价，因此，采用主成分分析法，综合10个指标（其中，容重为负指标，分析过程中取倒数将其正向化），对各配比基质情况进行综合评价，以主成分累计贡献率达85%提取主成分个数[25-26]。

由表7可知，第1主成分的特征值和贡献率最大，分别为4.489和44.887%，第2、3、4主成分贡献率依次减小，分别为23.468%、11.397%、8.025%。

表7 基质指标主成分分析Table 7 Principal component analysis of matrix indicators

以F-1为例，用Fi表示第i个主成分的得分，用X1～X10分别表示容重、总孔隙度、田间持水量、饱和含水率、有机质、铵态氮、有效磷、速效钾、出苗率、pH值，则4个主成分表达式为

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，对第一主成分F1贡献最大的是田间持水量(X3)与饱和含水率(X4)，其次是容重(X1)、总孔隙度(X2)、pH值，综合体现了基质的物理性能，因此，可将F1定为基质的物理性质指数。对第2主成分F2贡献最大的是有机质(X5)、铵态氮（X6）、有效磷(X7)、速效钾(X8)，综合体现了基质的养分含量，对第3主成分F3贡献最大的是出苗率(X9)，体现了基质的出苗率，因此，将F2，F3分别定为基质的养分含量指数和植被生长指数。对第4主成分(F4)贡献最大的是有机质(X5)、铵态氮(X6)、有效磷(X7)、速效钾(X8)，而第4主成分F4的贡献率仅为8.02%，因此，将F4定为基质养分含量的修正指数。

表8 主成分得分系数矩阵Table 8 Principal component score coefficient matrix

将各指标的标准化数据代入式中求和，得到不同基质的综合得分，综合得分值越高，代表基质表现越好，表9为各组基质，按综合得分由高到低排列。可知，最佳的配比为F-23，即每kg疏浚土中添加SAP 6 g、PAM 0.5 g、秸秆35 g。

表9 基质评价综合得分Table 9 Comprehensive score of matrix evaluation

3 结论

通过对不同配比基质进行盆栽试验，得到以下结论：

1）SAP可以显著改善疏浚土的孔隙特性，降低土壤容重，并有效提高基质的保水性能，促进秸秆的分解。

2）适量的PAM可以提高疏浚土中铵态氮的保留量，促进高羊茅种子的发芽，过量的PAM会抑制高羊茅的发芽，本次试验中用量在0.5 g/kg时，效果最好。

3）稻草秸秆可以显著提高疏浚土的养分含量，降低疏浚土的pH值，促进高羊茅种子的发芽。

4）根据主成分分析法综合评价，基于疏浚土的喷播基质的最佳配比为每kg疏浚土中添加SAP 6 g、PAM 0.5 g、秸秆35 g。