植物纤维毯覆盖对干旱区尾矿砂水热分布的影响

王 鑫， 靳正忠， 施建飞， 杨小亮， 徐新文

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾沙漠研究站，新疆 石河子 832000；3.中国科学院大学，北京 100049）

中国矿山尾矿及采矿废石的年排放量约占工业固体废物的50%左右［1］，截止2019 年，尾矿总量累计超过170×108t［2］。尾矿的堆积给周边生态环境及人体健康构成较大威胁，尾矿扬尘扩散漂移、废弃物下渗、淋滤液运移，使得矿区及周边地区土壤和地下水的矿物质以及重金属等有害元素含量增加，导致地表水、地下水及土壤污染。微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial induced calcite precipitation，MICP）技术操作简单、环境友好、成本低、效率高，而且无二次污染［3］，在控制尾矿污染扩散方面具有良好的应用前景。Kang 等［4］利用MICP 技术固化黄铁矿尾矿砂，固化样品中Mn2+、Cu2+和Zn2+含量明显降低。He 等［5］利用从本研究供试尾矿筛选出的尿素水解菌成功在室外固化尾矿，与对照相比，尾矿砂固化体抗压强度提高121%，浸出液生物毒性降低58%。但MICP 技术在实际操作中会受到温度和水分的限制与约束，温度的变化状态会影响细菌的生长、微生物酶活性、细菌的生物分解作用以及结合沉淀的过程［6］，含水率会显著影响固化土体的抗压强度［7］。而干旱区降水少、蒸发强，严重制约其推广应用，因此降低尾矿蒸发、控制尾矿温度对MICP技术在干旱区的应用有极其重要的意义。

近年来，由于植物纤维材料廉价易得、原料广泛、绿色环保逐渐受到人们的关注［8］。农业生产利用其覆盖在土壤表面形成物理阻隔层，大气与土壤间的能量和水分交换得以有效阻碍，土壤的水、肥、气、热等状况得以重新组合［9-10］。道路边坡覆盖植物纤维毯能有效蓄水保墒、改善土壤微生境和降低土壤温度的变化幅度，从而提高植物成活率，促进植被生长，进而实现护土固坡［11-13］。流动沙丘覆盖生态垫能降低表层温度，增加土壤含水率，降低地表输沙率，提高植被恢复效果和物种多样性［14-16］。河滩造林地覆盖生态垫能有效降低土壤温度和日均温，减小日温差，增加土壤含水量，抑制杂草生长［17-18］。黄土丘陵沟壑区沟道边坡覆盖植物纤维毯能有效减沙、减流，降低土壤侵蚀程度［19］。水库岸边铺盖棕榈纤维垫能增加植物成活率［20］。废弃砂石坑覆盖生态垫能增强土壤蓄水保墒能力、减少土壤养分流失、促进苗木健康生长［21］。虽然，前人在利用植物纤维材料促进生态恢复等方面做了大量研究，且取得了一系列成果，而有关干旱区尾矿污染防治应用植物纤维材料调控水热结合MICP技术的研究相对匮乏。因此，本文采用田间模拟试验，从减少尾矿水分蒸发损失、降低温度的角度出发开展研究，通过研究不同材料、规格植物纤维毯覆盖下的尾矿砂水热动态变化，探讨植物纤维毯覆盖对尾矿砂水热分布的影响，以期在干旱区尾矿污染防治中为MICP技术调控水热条件提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022年5月18日—2022年6月2日在中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾沙漠研究站（45°07′N，86°01′E）开展，试验期间的气温和相对湿度见图1。供试尾矿砂采自新疆某铜镍矿，采用BT-2001型激光粒度分布仪测得尾矿砂粒径为黏粒（＜0.002 mm）0.7%、粉粒（0.002～0.05 mm）19.8%、砂粒（0.05～2 mm）79.5%，中值粒径（D50）为107.28 μm，风干含水率为0.7%，饱和含水率为28.7%，按照美国农业部土壤分类标准可归类为壤质砂土。供试植物纤维毯由天津亚德尔生物质科技股份有限公司生产，其种类及基本性质如表1所示。

表1 覆盖处理类型及覆盖物基本性质Tab.1 Cover treatment types and basic properties of the covers

图1 尾矿砂蒸发试验期间气温与相对湿度Fig.1 Air temperature and relative humidity during the evaporation experiment on the tailing sand

1.2 试验设计

试验小区由木板拼接而成，并埋入地下与地表齐平，面积为0.5 m×0.5 m，深0.4 m，用塑料薄膜覆盖小区四周及底部，以防止小区间的水分互渗。将晒干后的尾矿砂按容重1.43 g·cm-2装入木框内至38 cm 厚。试验前用滤纸覆盖在表面，分多次加25%尾矿砂质量的水，然后在其表面覆盖一层塑料薄膜防止蒸发，静置12 h［22］，待水渗流充分后取下塑料薄膜，按照随机区组排列进行地面覆盖处理。本试验共设置17 组处理（表1），分别为无覆盖（CK）；黄麻纤维毯（H）、稻草纤维毯（D）、椰丝纤维毯（Y）、棕榈纤维毯（Z），除CK处理以外，其余处理均有4种规格（300 g·m-2、500 g·m-2、700 g·m-2和900 g·m-2），每一处理重复3 次，其布置如图2 所示。如遇降雨天气利用篷布对试验小区进行遮雨，以避免降水的影响。试验期间各小区均不再灌水。

图2 试验布置平面示意图Fig.2 Schematic diagram of test layout

1.3 测定项目及方法

1.3.1 尾矿砂温度利用直角地温计测定尾矿砂5 cm、10 cm、15 cm、20 cm深度的温度，于5月18日开始连续测定15 d。环境温度越高，覆盖措施降温作用越明显［23］，因此在每天气温相对较高的15:00 读取地温，并选取晴天（5 月19 日和5 月21 日）从07:00—21:00 每2 h 记录一次数据，同时通过气象站记录试验期间的气温和相对湿度。

1.3.2 尾矿砂含水率尾矿砂含水率通过烘干称重法测定［24］。5月18日测定初始含水率，之后每隔3 d测定一次，测定当天08:00利用土钻分别取0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm和20～30 cm深度的尾矿砂进行测定。并将测定的土壤质量含水率乘以容重换算为土壤体积含水率。

1.3.3 尾矿砂水分蒸发量尾矿砂水分蒸发量通过自制微型蒸渗仪测定［23,25］。自制微型蒸渗仪由PVC管制成，由内筒和外筒组成，内筒直径和高度为10 cm和15 cm，外筒直径和高度为11 cm 和15 cm。测定尾矿砂蒸发量前，将未封底的自制微型蒸渗仪内筒垂直压入试验小区中间的尾矿砂中，待完全灌满内筒，且筒体顶端与尾矿砂表面齐平，然后将其整体挖出，平整底端、顶端，再用无纺布封底并称其质量。将称重后的内筒置于固定在取尾矿砂处的外筒内，并保持与表面齐平，每个试验小区均放置1个自制微型蒸渗仪。每天08:00取出内筒利用百分之一（精度为0.01 g）天平进行称重，试验开始后每隔3 d更换一次尾矿砂，连续测定15 d。蒸发抑制效率是指在土壤蒸发过程中某些指标抑制土壤水分蒸发的能力［26-27］，本研究引入蒸发抑制效率来衡量植物纤维毯覆盖对尾矿砂水分蒸发的抑制作用。试验期间尾矿砂日蒸发量、累积蒸发量和累积蒸发抑制效率计算公式如下：

式中：EDt为第t天的尾矿砂日蒸发量（mm）；t为蒸发天数（d）；M为日蒸发质量（当日内筒质量与次日内筒质量之差）（g）；r为自制微型蒸渗仪内筒的半径（cm）；ρw为水的密度（1 g·cm-3)；EDt为第t天的尾矿砂累积蒸发量（mm）；I为植物纤维毯覆盖的累积蒸发抑制效率（%）；EC0为无覆盖尾矿砂累积蒸发量（mm）。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 进行数据整理与分析；采用SPSS 27.0 进行单因素方差分析（One-way ANOVA）检验各处理间的差异显著性（α=0.05）；采用回归分析定量描述累积蒸发量与蒸发时间的关系；采用Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 植物纤维毯覆盖对尾矿砂温度的影响

2.1.1 植物纤维毯覆盖下尾矿砂温度的变化特征由不同植物纤维毯覆盖下0～20 cm尾矿砂温度的动态变化情况图（图3）可知，植物纤维毯覆盖下0～20 cm尾矿砂温度整体上低于CK，且随深度增加而降低，表现出覆盖后的降温效应。与CK 相比，植物纤维毯覆盖下5 cm、10 cm、15 cm和20 cm深度的尾矿砂温度分别降低了3.8～10.6 ℃、3.0～9.4 ℃、1.0～6.3 ℃，0.9～4.6 ℃。相同材料植物纤维毯覆盖下的尾矿砂温度均随规格增大而降低，而同一规格下4 种植物纤维毯均是稻草的降温效果表现最好，其中D9与其他覆盖处理相比，5 cm、10 cm、15 cm 和20 cm 深度的尾矿砂温度分别降低了1.0～6.7 ℃、1.3～6.5 ℃、1.1～5.3 ℃、1.1～3.7 ℃。从整个试验周期来看，植物纤维毯覆盖还可减小尾矿砂的日温差，CK 在5 cm、10 cm、15 cm 和20 cm 深度的日温差分别高达9.5 ℃、7.0 ℃、6.0 ℃、5.3 ℃，植物纤维毯覆盖分别有效降低3.5～6.2 ℃、0.5～3.8 ℃、1.7～3.5 ℃、0.8～3.3 ℃。

图3 不同植物纤维毯覆盖下0～20 cm尾矿砂温度变化Fig.3 Temperature changes of tailing sand at 0-20 cm depth under the covers of different plant fiber blankets

2.1.2 植物纤维毯覆盖下尾矿砂温度的日变化规律为进一步探究植物纤维毯覆盖对尾矿砂温度变化的影响，选取典型晴朗天气分析0～20 cm 尾矿砂温度的日变化。各处理0～20 cm尾矿砂温度整体呈先上升后下降的变化趋势，且均随深度增加而降低（图4）。07:00—11:00，气温相对较低，植物纤维毯覆盖表现出良好的保温作用，11:00 后，气温逐渐升高，各处理尾矿砂温度明显提高，但植物纤维毯覆盖下尾矿砂温度整体低于CK，表现出良好的降温作用。对各处理尾矿砂温度的日变化进行比较发现，植物纤维毯覆盖可平缓尾矿砂温度的变化趋势，且平缓作用随深度增加而减弱，与CK 相比，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 深度的变化幅度分别降低了2.8～10.5 ℃、4.2～8.7 ℃、2.2～5.5 ℃、0～2.7 ℃。其中，D9的平缓作用表现最好，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 深度的变化幅度分别为6.8 ℃、5.0 ℃、3.3 ℃、2.7 ℃，与其他覆盖处理相比分别降低了1.1～7.7 ℃、0.8～4.5 ℃、0.7～3.3 ℃、0.3～2.5 ℃。

图4 不同植物纤维毯覆盖下0～20 cm尾矿砂温度日变化Fig.4 Diurnal variations of tailing sand temperature at 0-20 cm depth under the covers of different plant fiber blankets

2.2 植物纤维毯覆盖对尾矿砂水分的影响

各处理0～30 cm平均尾矿砂体积含水率整体上呈下降趋势，植物纤维毯覆盖与CK相比，下降幅度小且在试验过程中存在上升现象，表现出覆盖后的增熵效应（表2）。试验结束时，对各处理0～30 cm平均尾矿砂体积含水率进行比较发现，相同材料植物纤维毯除Y7与Y9无明显差异（P＞0.05）、D7略大于D9 外（P＜0.05），均表现出随规格增大而增加。其中，D7 的0～30 cm 平均尾矿砂体积含水率最高，比其他覆盖处理显著提高0.8%～11.4%（P＜0.05），Z3最低，较CK提高2.6%（P＜0.05）。

表2 不同植物纤维毯覆盖下0～30 cm平均尾矿砂体积含水率Tab.2 Average volume water content of tailing sand at 0-30 cm depth under the covers of different plant fiber blankets /%

由植物纤维毯覆盖下0～30 cm各层尾矿砂水分动态变化图（图5）可知，各处理0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm和20～30 cm尾矿砂体积含水率均呈下降趋势。CK 的尾矿砂水分蒸发损失随深度增加而减少，且0～5 cm的水分损失远大于20～30 cm，说明尾矿砂表层水分损失较多。各处理间，覆盖处理的尾矿砂水分损失远小于CK，说明植物纤维毯覆盖可有效减少尾矿砂的水分损失。试验结束时，对比各处理不同土层的尾矿砂体积含水率发现，0～5 cm尾矿砂增熵效应显著高于5～30 cm。植物纤维毯覆盖下0～5 cm 的尾矿砂体积含水率较CK 提高5.1%～20.4%；5～10 cm 除Z3 略小于CK 外，其他覆盖处理提高0.8%～12.7%；10～15 cm 提高1.9%～13.1%；15～20 cm 提 高3.7%～12.5%；20～30 cm 提 高2.0%～13.0%。

图5 不同植物纤维毯覆盖下0～30 cm各层尾矿砂水分动态变化Fig.5 Dynamic changes of water content of tailing sand in different layers from 0 to 30 cm under the covers of different plant fiber blankets

2.3 植物纤维毯覆盖对尾矿砂水分蒸发的影响

2.3.1 植物纤维毯覆盖对尾矿砂日蒸发量的影响在整个试验周期内，植物纤维毯覆盖下的尾矿砂日蒸发量变化趋势基本一致，变化幅度与CK 相比存在明显差异（图6），CK 的日蒸发量变化更为剧烈，而植物纤维毯覆盖下其变化相对平缓。相同材料植物纤维毯覆盖下，平均日蒸发量随规格增大而降低，300 g·m-2、500 g·m-2、700 g·m-2和900 g·m-2分别比CK 降低了37.0%～54.2%、51.3%～60.6%、53.1%～69.1%、56.1%～71.3%；而相同规格下，除H9 的平均日蒸发量略高于D9 外，整体表现为：椰丝＞棕榈＞稻草＞黄麻，分别比CK降低了37.0%～56.1%、45.6%～62.9%、48.8%～71.3%、54.2%～70.4%。

图6 不同植物纤维毯覆盖下尾矿砂日蒸发量变化过程Fig.6 Variation process of daily evaporation of tailing sand under the covers of different plant fiber blankets

2.3.2 植物纤维毯覆盖对尾矿砂累积蒸发量的影响各处理尾矿砂累积蒸发量变化趋势基本相似，覆盖处理均远低于CK，且随着覆盖时间的延长差距越明显（图7）。与CK相比，4种规格植物纤维毯覆盖下，黄麻累积蒸发量在试验周期内分别降低了54.2%、60.6%、69.1%和70.4%，稻草降低了48.8%、58.3%、64.3%和71.3%，椰丝降低了37.0%、51.3%、53.1%和56.1%，棕榈降低了45.6%、55.1%、58.0%和62.9%。这说明植物纤维毯覆盖表现出良好的抑制蒸发效果，相同材料植物纤维毯的累积蒸发量均随规格增大而减少，而相同规格下除D9略小于H9外，累积蒸发量均表现为：椰丝＞棕榈＞稻草＞黄麻。其中，900 g·m-2的植物纤维毯累积蒸发量与700 g·m-2相比，黄麻增加了1.8%，稻草增加了10.8%、椰丝增加了5.7%、棕榈增加了8.4%，说明黄麻纤维毯规格达到700 g·m-2时，再增大规格，其抑制蒸发效果增加不明显。

图7 不同植物纤维毯覆盖下尾矿砂的累积蒸发量Fig.7 Cumulative evaporation of tailing sand under the covers of different plant fiber blankets

为分析植物纤维毯覆盖下尾矿砂累积蒸发量（W）与时间（t）的关系，分别通过Gardner拟合曲线W=atb、指数方程W=aebt、对数方程W=alnt+b以及线性方程W=at+b拟合，拟合参数（a和b）如表3所示。4种回归方程的拟合参数中Gardner拟合曲线和线性方程决定系数（R2）均达到极显著水平，但比较R2可得，W=at+b拟合效果相对较好。为了定量描述尾矿砂累积蒸发量与时间的关系，可通过W=at+b表征，用表示尾矿砂蒸发速率。对线性方程的a值进行比较发现，植物纤维毯覆盖处理的a值均小于CK，说明植物纤维毯覆盖能降低尾矿砂蒸发速率，抑制尾矿砂水分蒸发。

表3 不同植物纤维毯覆盖下尾矿砂累积蒸发量与时间的拟合参数Tab.3 Fitting parameters of cumulative evaporation and time of tailing sand under the covers of different plant fiber blankets

2.3.3 植物纤维毯覆盖对尾矿砂累积蒸发抑制效率的动态影响植物纤维毯覆盖下的尾矿砂累积蒸发抑制效率在蒸发2～15 d内变化趋势基本一致，均呈现先波动上升后波动下降的趋势（图8）。在整个试验周期内，相同材料植物纤维毯覆盖下的累积蒸发抑制效率除Y5 在蒸发前1 d 大于Y9，前4 d 略大于Y7 外，均随规格增大而增加，300 g·m-2、500 g·m-2、700 g·m-2和900 g·m-2的植物纤维毯平均累积蒸发抑制效率分别为38.1%～56.5%、54.8%～62.1%、56.1%～69.4%、57.4%～73.1%，相同规格下，除规格为500 g·m-2的植物纤维毯平均累积蒸发抑制效率表现为：稻草＞黄麻＞椰丝＞棕榈外，其他3种规格均表现为：黄麻＞稻草＞棕榈＞椰丝。而在试验结束时，D9的累积蒸发抑制效率最高，达到71.3%。

图8 不同植物纤维毯覆盖下累积蒸发抑制效率的动态变化Fig.8 Dynamic changes of cumulative evaporation inhibition efficiency under the covers of different plant fiber blankets

3 讨论

植物纤维毯覆盖在土壤表面形成的隔离层，可缩短地表裸露时间，减少太阳辐射，降低夏季土壤温度，减小日温差和日变化幅度。前人在流动沙丘［28-29］、道路边坡［12,30］和河滩造林地［17］等覆盖植物纤维毯，均证实植物纤维毯覆盖能降低土壤温度。本研究结果表明，植物纤维毯覆盖也能降低0～20 cm尾矿砂温度。这主要是因为覆盖植物纤维毯后，尾矿砂与大气间的缓冲作用使太阳辐射不能直接到达尾矿砂表面，从而改变了尾矿砂表面的热学性质［31］。本研究还发现植物纤维毯规格越大，缓冲作用越强，对温度的调节作用越大。这是因为覆盖物对太阳辐射的阻挡作用随厚度增加而增强，同时由于覆盖厚度越大，保水效果越好，且水的比热容较大，导致升温速率较慢［32］。相同规格的4 种植物纤维毯中稻草降温效果最好，可能是因为稻草纤维毯的厚度比其他3 种植物纤维毯大。另外，植物纤维毯覆盖能降低0～20 cm 尾矿砂温度的日变化幅度，减小日温差，主要是因为气温相对较低时，植物纤维毯覆盖的降温速率小于CK，而气温相对较高时，升温速率小于CK。

通过以往的研究发现［12,17,21,28］，植物纤维毯覆盖不同类型土壤的增熵效应均比较明显。陈学平等［12］研究发现在道路边坡覆盖植物纤维毯可保持土壤水分，土壤含水量均高于无纺布覆盖和CK。刘平等［17］研究发现在河滩造林地覆盖植物纤维毯能显著提高0～20 cm土壤含水量，比CK提高44.3%。于丹丹等［21］研究发现在废弃砂石坑覆盖植物纤维毯能提高田间持水量、涵养水源量及最大蓄水量。张建生等［28］研究发现在流动沙丘覆盖植物纤维毯可提高20～60 cm的土壤含水量，与CK相比，20～40 cm处提高56.0%，40～60 cm 处提高58.0%。本研究发现在干旱区尾矿砂覆盖植物纤维毯也能提高其含水率，比CK 增加了2.6%～14.0%，相同材料植物纤维毯覆盖的增熵效应除Y7与Y9无明显差异、D7略大于D9外，均随规格增大而增加。另外研究还发现，试验期间植物纤维毯覆盖下的尾矿砂含水率下降速率小且存在上升现象，与赵永敢等［33］研究秸秆层阻碍土壤水分运动的结论相似。这是因为植物纤维层与尾矿砂导水率在蒸发过程中差异较大，水分不能进入植物纤维层内部，而在表层累积，当表层含水量达到某一临界值时，植物纤维的吸力值逐渐大于相邻的尾矿砂，开始吸收部分水分，然而植物纤维层内部毛管作用微弱，毛管水浸润部分植物纤维后，由于吸力不足而导致断裂，从而阻断毛管水的上升。

植物纤维毯覆盖可减少尾矿砂的水分蒸发损失，综合不同材料、规格植物纤维毯覆盖下的尾矿砂蒸发量和蒸发速率发现，覆盖处理的尾矿砂蒸发量均低于CK，与王丽丽等［34］研究结果相似，主要是因为覆盖可降低土壤的热通量。本研究发现，植物纤维毯覆盖下的尾矿砂累积蒸发量随时间的变化规律可用线性方程W=at+b定量描述，蒸发速率可用表征，这与王佳欢等［35］的研究结果基本一致，其结果表明植物纤维毯覆盖不同复配土壤的累积蒸发量也随蒸发时间呈线性增加的趋势。本研究还发现，4 种植物纤维毯的蒸发速率均随规格增大而减小，其中黄麻纤维毯规格达到700 g·m-2后，再增大规格，其蒸发速率降低不明显。这与孙博等［36］的研究结论类似，秸秆覆盖量越大，蒸发抑制效果越明显，但覆盖量增加到一定程度，土壤蒸发量无明显减少。也就是说，在本试验中，700 g·m-2为黄麻纤维毯覆盖尾矿砂的适宜规格，而900 g·m-2是否为稻草纤维毯、棕榈纤维毯和椰丝纤维毯的适宜规格尚需在此试验结果的基础上进一步探究。

He 等［5］研究证实从本试验供试尾矿砂的尾矿中筛选出的尿素分解菌最佳生长温度为30.0 ℃，并在初始含水率为30.0%时成功在室外固化尾矿，达到有效控制尾矿污染扩散的效果。对本研究结果分析发现，利用He等［5］筛选出的尿素分解菌固化尾矿时，选用900 g·m-2的稻草纤维毯来调控水热条件是比较合适的。然而，不同微生物对温度和水分的响应存在差异，因此在干旱区选用不同微生物控制尾矿污染扩散时，同样也可以根据本研究结果及微生物所需最优水热条件筛选适宜的植物纤维毯，从而达到增强控制尾矿污染扩散的效果。

4 结论

本研究通过田间模拟试验系统研究了干旱区夏季不同植物纤维毯覆盖下尾矿砂温度、含水率以及蒸发量的动态变化，探讨了不同材料、规格植物纤维毯覆盖对尾矿砂水热分布状况的作用效果，主要结论如下：

（1）植物纤维毯覆盖能降低0～20 cm 尾矿砂温度、减小日温差及日变化幅度。植物纤维毯的降温作用均随规格增大而增强。其中，D9 降温效果最好，日变化幅度最小。

（2）植物纤维毯覆盖能显著提高0～30 cm 尾矿砂含水率。试验结束时，各覆盖处理的尾矿砂含水率除Y7、Y9无显著差异（P＜0.05），D9略小于D7外，均随规格增大而增加。其中，D7 尾矿砂含水率最高，与CK相比提高14.0%。

（3）植物纤维毯覆盖对尾矿砂水分蒸发具有明显抑制作用，抑制蒸发效果除D9略大于H9外，相同规格的4种植物纤维毯表现为：黄麻＞稻草＞棕榈＞椰丝，且均随规格的增大而增强。其中，D9 蒸发抑制效果最佳，试验结束时，累积蒸发抑制效率达到

71.3%。

综上分析，干旱区夏季900 g·m-2的稻草纤维毯覆盖尾矿砂的降温节水效果最佳。因此，利用从供试尾矿筛选出的尿素水解菌控制尾矿污染扩散时，选用900 g·m-2的稻草纤维毯调控水热较为合适。