ai/knowledge_base/agriculture/content/矿井水灌溉作物的安全应用技术研究.txt

前言
第一章　绪论
第一节　研究背景与意义
水资源短缺已成为制约我国社会经济可持续发展的主要瓶颈，我国是被联合国划定为全世界人均水资源13个典型贫水国之一，我国国土面积位居世界第3位，但人均占有的淡水资源却仅为2220m3，还不到世界平均水平的1/4，位居世界第121位（2012年）。我国水资源时空分布极不均衡，南多北少，东多西少，大量淡水资源集中在南方，只有南方水资源的1/4分布在北方，西北地区及西南大部分地区降水极度缺乏，因此水资源也十分贫乏。在我国600多座城市中，有50%左右的城市缺水。特别是在降水缺乏的我国北方城市，有80%以上供水不足。农业用水占据全国用水总量的70%，而农业用水的90%以上应用于农田灌溉，在我国大部分地区仍广泛使用的是传统的大水漫灌法，其灌溉面积占总灌溉面积的98%以上，而采取节水措施进行灌溉的少之又少。我国缺水量预计到2030年将达130亿m3，而我国人均水资源量到21世纪中叶将接近1700m3。随着国民经济的快速发展，伴随着人民生活水平的日益提高，水资源短缺与全国需水量逐年增加，两者之间的矛盾也会日益加剧。灌溉用水比例不断被工业用水和城市生活用水所挤占，地下水开采严重，农业用水缺乏日趋严重。全国污水排放量逐渐增加，农业灌溉用水的不足只能通过节水灌溉、非常规水源灌溉甚至是严重超采地下水来弥补［，，在现阶段和将来，非常规水源将会成为我国重要的替代性水源被应用到农业灌溉中，因此非常规水源中矿井水灌溉对于缓解我国水资源的危机具有重大意义。
目前农业水资源紧张是我国，尤其是河北省面临的一个突出问题。水资源在时间和空间分布上极不均衡，不仅严重影响水资源的持续利用，加剧水资源在缺水地区的紧缺状况，甚至会频繁引发大面积的干旱灾害，对社会经济的可持续发展造成极为不利的影响，水资源短缺引发的问题也将日益严重。河北省许多缺水地区因过度抽取地下水，已经引发了诸如地面沉降、海水入渗、地下水水质恶性化等诸多严重问题。农业的可持续发展关系到国家粮食安全以及经济社会的持续稳定发展。农田灌溉是促进农业稳产、保持农业高产的一项重要措施，全国农业产量中70%的粮食、80%的棉花和90%的蔬菜生产来自于全国48%的灌溉面积。而农业的主要耗水对象是农田灌溉用水，以灌溉为主的农业用水量占全国总用水量的70%以上。由于缺水，农田有效灌溉面积自1975年以来始终维持在4800万～4870万hm2，随着我国人口的不断增长，人均有效灌溉面积逐年下降，导致我国粮食产量增长缓慢。河北省有效灌溉面积456.1万hm2，占全省常用耕地面积的77.3%，然而，随着国民经济的快速发展，农业生产缺水已成为一个亟待解决的问题。
煤炭作为我国主要的一次性能源，这种能源结构在相当长的时间内不会改变，预计至2020年，煤炭仍占一次性能源的70%左右。我国煤炭资源储量丰富，截至1994年底，我国煤炭累计探明储量为14480亿t，保有储量为10018.65亿t，已知的含煤面积超过55万hm2，而且煤种齐全。从煤炭资源分布情况看，主要分布在山西、陕西、内蒙古、新疆、山东、河南以及黑龙江等区域，以干旱、半干旱地区居多。煤炭资源在我国国民经济发展中具有举足轻重的地位。煤炭资源的开发对我国经济建设和社会发展起到了重要的支撑作用，但是煤炭的开采和利用引发了一系列的生态环境问题，这些问题已经成为制约矿区可持续发展及区域生态安全的重大问题。
煤炭产量日益增长的同时，矿井排出的水量也逐渐增多。据有关统计结果显示，目前全国煤炭开采中每年矿井排水量约有20亿m3，这是一个非常可观的水资源量［，。过去我国许多煤矿没有对这些矿井水进行充分利用或是有效处理，而是直接排入江河、洼地中，因此我国矿井水的利用率仅约为26%，远低于发达国家矿井水利用率80%左右的指标［～。未经处理的矿井水直接排放，对矿区周围土壤、农田、河流和地下水资源造成了严重的酸污染和重金属污染［～。
矿井水是在煤炭开采过程中，地下水与煤层、岩层接触后，通过开拓巷道附近涌出的水。矿井水是被污染的地下水，而不全是在矿山开采过程中产生的废水。峰峰梧桐庄矿中矿井水主要来自奥灰水、砂岩裂隙水以及极少量的井下生产废水，故其矿井水水质特征与峰峰当地地下水水质基本相符。目前我国煤炭产量由2000年的9.98亿t增至30亿t，年均增加近3亿t，成为世界煤炭生产第一大国。原煤每生产1 t将会从地下抽排出2～3m3的矿井水，全国年开采地下水量1116亿m3，因矿井水而使得平均每年将有75多亿m3的地下水被抽排到地面，占全国地下水开采量的6.7%。据资料统计，河北省煤矿年平均疏干排水量约5.9亿m3，邯邢地区矿井水年总排水量为2.49亿m3，并且煤炭和铁矿石的开采量也在持续增长。矿井水是农田灌溉的潜在替代性水资源。矿井水灌溉的安全高效利用是一种能够保障水资源可持续利用、缓解农业用水紧缺的有效措施。因此，开辟新型农业灌溉水资源，能够推动非常规水源灌溉的科学利用，同时能够促进经济持续发展和社会稳定，对粮食安全也具有重要意义。
第二节　国内外研究现状
一、国内外矿井水利用现状
农业活动中利用污水灌溉，在一定程度上可以提高作物产量，并可使部分污水及其中的污染组分得到利用，有时污水水质也可以得到改善。但不科学合理的灌溉，可能导致农作物的减产绝收、品质安全、土壤及地下水污染。将污水应用于农业灌溉是目前我国污水的主要回用方式。长期利用污水直接灌溉的危害已被许多专家学者研究证明，长期污水灌溉会出现许多环境问题，包括：污水灌溉区域土壤的盐分、重金属铅（Pb）和镉（Cd）超标，土壤密实度增加，土壤pH降低等。土壤污染会导致农作物生长营养不良，重金属铅和镉含量超标［，，也会危害污水灌溉区域居民身心健康。因此，在农业生产中应当避免利用非常规水源直接灌溉。这是影响农村生态环境安全和制约农业可持续发展的重要因素之一。
近年来，随着非常规水源用于农业灌溉，专家对农作物、作物种植土壤以及对地下水的影响不断深入研究，人们已经把关注的焦点从非常规水源农业灌溉对植株本身的影响转移到对农产品的产量和品质上来，非常规水灌溉可以促进农作物养分吸收，也会造成农作物生长土壤的盐分大幅度增加，但这些都不会影响作物的生长和其品质和产值。国内许多专家学者和相关科研机构开展污水、中水或者再生水等其他非常规水源的农业灌溉对粮食作物、经济作物的株高、叶面积等植株形态以及其产品的品质和产值的试验研究，也有许多研究内容涉及农作物光合作用等生理研究。由于我国粮食品质标准中籽粒粗蛋白、粗淀粉、还原性维生素C、可溶性糖等指标可以反映春玉米、冬小麦等作物品质，因此开展非常规水灌溉对冬小麦品质和产量影响的研究可以提高国内农业非常规水源安全利用技术的水平。在微咸水灌溉的开发利用上，许多专家学者也进行了广泛深入的研究。乔玉辉等研究了微咸水灌溉对河北平原冬小麦生长、产量和土壤环境的影响，认为利用微咸水灌溉并结合合理的灌溉制度可以实现微咸水资源农作物安全利用。
我国北方地区80%以上城市的发展面临着水资源总量短缺、结构不合理、污染严重、日趋紧张等问题。显然，矿井水成为农田灌溉的潜在替代水资源。但是，目前国际上关于能否将矿井水安全高效地进行农业利用，许多专家意见尚不统一。矿井水的水质理化指标，以及灌溉地区气候条件、耕地土壤理化指标、地下水水位高度、农作物本身的生物特性和矿井水中重金属对农作物的影响，在很大程度上制约着矿井水进行农业灌溉。我国南方地区排放的酸矿水灌溉农田引起土壤污染问题研究较多，林初夏等研究发现，矿井水的排放会增加附近农田所用灌溉水的酸度，造成土壤严重酸化。灌溉矿井水带来的大量重金属铅和镉，严重增加了土壤和作物中的重金属质量分数，粮食和经济作物等中重金属铅和镉的质量分数甚至超过国家规定限量值的100倍以上。
二、矿井水灌溉的研究
山东淄博煤矿区应用矿井水污染的孝妇河水灌溉农田，灌溉水入渗污染地下水［，。山东济宁、枣庄两市应用水质较差的矿井水灌溉农田的现象较为普遍，矿井水浇灌的土壤全盐量明显增加。而王飞际等研究表明，在半干旱草原气候条件下，将高悬浮物矿井水进行生长基质为栗钙土的马铃薯农业灌溉，农民因此获得单产39847.5kg/hm2马铃薯的好收成，比当地农民利用生产田不灌水而取得的单产20010kg/hm2增产99.14%，比相同条件下清水灌溉的单产35077.5kg/hm2增产13.6%。因污水可能含有造成严重生态环境恶化的因素，因此对农作物生长的土壤环境及地下水环境方面的研究，目前多集中在城市生活污水、中水、再生水等方面，对于矿井水及被矿井水污染的地表水等水源农业灌溉后对作物的产量、品质安全和土壤环境的影响等方面的研究国内报道较少。目前，我国矿井水仅有26%经处理后回用矿区工业和生活，其他矿井排水未经处理直接排到地表用于农业灌溉较为普遍。国外对矿井水灌溉的农作物安全利用问题进行了深入研究［～，JG Annandale等南非的试验表明，科学合理地利用矿井水灌溉不仅可以提高作物产量和经济效益，而且还不会带来环境问题。因此，怎样应用矿井水灌溉来实现作物高产高效及品质安全是亟待研究的新问题，需要开展矿井水的农作物高效安全利用技术的深入研究。
未处理的矿井水表面一般会含有大量的煤粉以及其他悬浮物，在矿井水内部有的甚至还会含有一定量的氧化物和放射性物质等。酸矿水中的主要污染物为：Fe2+、Fe3+、Mn2+及其他金属离子等阳离子；而阴离子主要为SO2-4、Cl-等。酸矿水具有较强的酸性，pH极低，能够腐蚀矿井中向外的排水设施，甚至腐蚀人的皮肤，排入地表后也会污染天然水，甚至会加重重金属的溶解，从而加大酸矿水的毒性；将酸矿水用于农业灌溉后，会使作物禾苗枯黄，并对耕地土壤结构造成严重的破坏，造成土壤板结，甚至是不可恢复的。高矿化度的矿井水具有较高的盐分，在其排出后，若长期用于农田浇灌，会造成耕地土壤的盐碱化问题［，等。若将高矿化度的矿井水排入地表，会造成河流水含盐量剧增、浅层地下水位抬高等生态环境的危害。
调查显示，在煤炭的开采规模不断扩大后，伴随煤炭资源的副作用会显著地出现，大量酸矿水和尾矿中含有的铁、铜、锌、铅、砷、镉等金属元素进入地表，大量高矿化度矿井水中含有的大量盐分也会随之进入地表，煤炭附属品煤矸石会堆积成山，使矿区周边生态环境受到严重的破坏［，。根据有关研究得出，各地矿区周边土壤已经遭受不同水平的重金属污染，这些重金属通过降水的淋溶作用向下层土壤迁移，或者农作物本身的聚集作用进入到人体，造成人类癌症高发、各类疾病频发的现象发生［，。
矿井水属于一种非常规水源，而将矿井水应用于农业灌溉是现阶段解决水资源匮乏的一种办法。
评价矿井水应用于农业灌溉的标准参数包括：酸碱度（pH），水矿化度（水溶盐含量），一价与二价阳离子和阴离子、氯化物含量等。
陈元良、何绪文等研究认为，少量矿井水只要经过相关的工艺以及技术处理，可以直接应用于工业、农业，甚至可以达到居民生活饮用水的标准。
我国关于污水、再生水灌溉对农作物、作物种植土壤及其地下水的影响等方面的研究较多，但是关于矿井水的利用，乃至应用于农业灌溉等方面的研究比较缺乏。作为非常规水源的一种，矿井水必须经过严格的技术处理，经过一系列的工艺处理才能应用于工业、农业灌溉，甚至达到生活饮用水的标准。
杜祥贞研究认为，在河保偏和大同矿区中部分煤矿排放的矿井水水质除悬浮物超标外，水中其他各离子含量等均在农业灌溉用水标准之内，在经过相应的工艺与技术处理后，可以适用于农田灌溉。
谭利敏研究认为，在河南焦作矿区中煤矿排放的矿井水含有大量的悬浮物、煤粉等，但矿井水中其他污染物离子等含量浓度不高，均在农业灌溉用水标准之内，有很大潜力可以适用于农田灌溉。
李秋博等研究认为，焦作煤矿排放的矿井水经过一系列技术处理之后，可以应用于矿区及其周边的农村居民生产生活以及农业灌溉等。
董从利等的研究证明，扎赉诺尔煤业公司在开采煤炭过程中排放的矿井水经过专业技术处理之后应用于农田灌溉，能增加马铃薯的产量，短期灌溉也会增加土壤肥力。该地区矿井水灌溉后土壤以及植物、农作物重金属含量没有产生明显的影响，不会产生生态环境的污染。
三、矿井水的种类及其特点
矿井水是非常规水源的一种，是指在采矿过程中破坏了固定地区的水文地质系统构造，并且改变了地表水和河流水的流向从而在采矿井内汇集的水体。也就是说，只要是在矿井开挖过程中，通过任何途径进入到井洞中的水源，都统称为矿井水。矿井水的水源有雨雪降水、地上水、地表水和老塘积水。同时，我们也把洗矿和选矿过程中所产生的大量废水作为矿井水。由于矿井下作业环境需要得到改善、并且要保证工人和采矿过程中的生产安全，因此矿井水必须要被抽排到地表。矿井水可以按照地质、煤系生成环境、成矿组成等条件因素大致分为6种类型：洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、含无机污染物矿井水和含有机污染物矿井水。
洁净矿井水实际上只是干净地下水涌入矿井后没有被污染的水，基本符合国家生活饮用水的水质标准。
含悬浮物矿井水其悬浮物主要成分为煤粉微粒，悬浮颗粒均保持较小体积分散在矿井水表面，pH一般保持在7左右，含有微量或者零含量金属离子，基本上无有毒有害离子。
高矿化度矿井水主要含有SO2-4、Cl-、Ca2+a、Mg2+、K+、Na+、HCO-3等盐分离子，其可溶性盐含量均大于1000mg/L, pH大于7，是带一种苦涩苦咸味道的矿井水。
酸性矿井水一般是指pH 2～4，含Fe2+、Fe3+、Mn2+等金属离子和较高浓度SO2-4的矿井水。其强酸性具有强烈的腐蚀性，对于煤矿的开采以及当地居民的生产生活和矿区生态环境均会造成严重的危害。
含无机污染物矿井水一般是指水中含有氟化物、重金属元素及放射性物质等有毒有害物质的矿井水。
含有机污染物矿井水一般是指水中含有饱和烃和芳香烃类持久性有机污染物污染的矿井水。
在6种类型矿井水中，洁净矿井水是未被污染过并且拥有较好水质的地下水，可直接用于工业生产、农业灌溉及生活用水，甚至可以直接开发为矿泉水资源。其余5种类型的矿井水的水质或者在水体表面均受到了一定的污染。这5种类型矿井水经过一系列工艺和相关技术的处理后，均可以用于工业生产和农业灌溉。
四、高矿化度矿井水的形成原因及危害
（一）高矿化度矿井水形成的原因
高矿化度矿井水在酸碱性中一般呈中性或偏碱性，其形成的主要原因如下。
（1）在降水量较少且蒸发量大的地区，水分的严重蒸发使得地层中盐分升高，因此导致该地区地下水本身总含盐量较高，而经过矿区的煤炭开采，故排放出的矿井水含盐量也较高。
（2）在拥有大量煤炭的地层中含有大量的碳酸盐类岩层和硫酸盐类岩层时，随着煤矿的开采，矿井水的涌入与该类岩层充分接触，使得大量溶解性矿物质溶解，因此矿井水中Ca2+、Mg2+、K+、Na+等离子含量增加，水中含盐量剧增，矿化度增大。
（3）在含有高硫的煤层中，存在大量游离酸，这些游离酸是由于硫化物氧化而产生，其再与碳酸盐等碱性物质发生中和反应，最终使矿井水中SO2-4、Cl-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、HCO-3等离子增加，水中含盐量剧增，矿化度增大。
（4）部分地区由于地下咸水涌入具有煤炭资源的地层，而使矿井水矿化度增大。
（二）高矿化度矿井水带来的危害
高矿化度矿井水经过矿区开采外排后如果不经过技术处理或者其他工艺处理就直接排放，会产生大量危害生态环境的问题［～。含大量溶解性无机盐类的矿井水会腐蚀矿井水排放设施，其中溶解度较低的无机盐会以水垢的形式附着在器壁上，SO2-4离子被还原成H2S会产生臭气，这样会增加矿区经济成本并且有可能会造成生态环境的污染。所附带的生态环境问题主要有：浅层地下水水位抬高，地表水、河流水中含盐量急剧增加，矿区周边土地盐碱化现象出现，农作物减产，植物枯黄死亡等。
五、矿井水农业利用的潜力、问题和前景
许多科研机构及学者针对再生水或者城市污水的农业灌溉应用以及灌溉后对于作物和作物生长土壤环境的影响进行了研究。在利用非常规水进行灌溉后，水中污染物以及水中高浓度的盐分或者重金属元素会随着进入农田，部分会随着灌溉水和降水的淋溶作用向土层深处迁移，甚至进入含水层，部分会通过土壤本身的自净作用而消减，也有部分会因土壤的吸附等作用而长时间存在于土层中，而后会随农作物的蒸腾作用而被作物吸收，矿井水的水质在经过与清水混合后的稀释作用虽然可以达到农业灌溉标准，但是仍然会存在少量的污染物（重金属），可能会影响农作物的生长，更有可能给土壤环境带来一定的风险，造成耕地盐碱化，甚至重金属污染，以致全国耕地缺失。矿井水中所含重金属元素或者致癌因素也许会给当地居民带来一定的危害。
非常规水源矿井水的农业利用研究在世界各国范围内很多，但在我国的非常规水源中矿井水的研究较少且起步较晚。非常规水源中再生水灌溉较污水灌溉具有更好的前景，矿井水较再生水更加具有良好的发展潜力。我国的非常规水的再利用事业即将进入产业化发展时期，具有能够重复利用价值的非常规水源矿井水资源将会在全国广泛利用，使矿井水的农业灌溉利用显现出更为广阔的发展前景。
由此亟待研究新的理论与技术问题：①矿井水灌溉对作物生产安全的影响研究；②矿井水灌溉对作物品质安全的影响研究；③矿井水灌溉对土壤环境的影响研究；④矿井水灌溉对地下水环境的影响研究；⑤矿井水的灌溉方式和灌溉制度研究；⑥矿井水灌溉作物的安全性评价；⑦不同作物的矿井水灌溉标准。
第三节　主要研究内容
一、矿井水灌溉对作物生长安全的影响研究
采用盆栽试验和田间试验方法，以清水为对照，研究矿井水在整个生育期灌溉、营养生长期灌溉和生殖生长期灌溉三个灌溉时期，冬小麦、夏玉米和蔬菜作物的生长情况，通过跟踪测定冬小麦、夏玉米和蔬菜作物从播种到收获期间作物的株高和叶面积等生长指标、光合和蒸腾等生理指标和产量指标，比较不同水质矿井水在不同灌溉方式（纯灌、混灌、轮灌）下灌溉对冬小麦、夏玉米和蔬菜作物生长、产量及品质的影响，评价矿井水灌溉对冬小麦、夏玉米和蔬菜作物生长的安全性。从植物生理生态等方面揭示矿井水不同灌溉方式对作物生长的影响和差异的机理。
二、矿井水灌溉对作物产量和品质的影响研究
采用大田试验方法，采取与矿井水灌溉对冬小麦、夏玉米和蔬菜作物生长安全的影响试验相同处理，分析冬小麦、夏玉米和蔬菜作物矿井水在整个生育期灌溉、营养生长期灌溉和生殖生长期灌溉三种灌溉时期下，对冬小麦、夏玉米和蔬菜作物产量的影响，作物的品质指标（营养成分如蛋白质、粗淀粉、可溶性糖、维生素C、粗灰分、矿质元素和重金属含量等）变化及其差异，并比较这些变化和差异的动态变化规律，探讨矿井水高效安全利用的灌溉方式和灌溉制度。
三、矿井水灌溉对土壤环境的影响研究
采取与矿井水灌溉对冬小麦、夏玉米和蔬菜作物生产安全的影响试验相同处理，分析冬小麦、夏玉米和蔬菜作物矿井水在整个生育期灌溉、营养生长期灌溉和生殖生长期灌溉三种灌溉时期下，冬小麦、夏玉米和蔬菜作物根际土壤的理化特性、土壤肥力（氮、磷、钾、有机质含量等）、土壤盐分、土壤微生物数量以及污染物的变化，揭示矿井水对土壤环境影响规律，评价矿井水对土壤质量和土壤生态系统的影响，揭示土壤养分、盐分及污染物在矿井水-土壤-作物系统中的迁移规律。同时开展煤矿区复垦土壤的水分特性研究，为煤矿区复垦土壤的抗旱节水灌溉、作物安全生产和矿区生态恢复提供理论依据。
四、矿井水的灌溉方式和灌溉制度研究
矿井水高效安全灌溉制度研究，选取邯邢煤矿区典型矿区的矿井水，以矿井水纯灌、矿井水与清水混灌、矿井水与清水轮灌和清水灌对照进行灌溉作物的盆栽试验和田间试验，研究不同灌溉方式对作物生长、产量及其品质的影响，针对矿区的矿井水水质特点，提出矿井水作物灌溉方式，结合主要作物的田间管理，提出矿井水灌溉作物的安全灌溉制度。
第四节　研究方法与技术路线
研究采用盆栽试验、野外田间试验和土柱模拟试验，室内试验与野外试验相结合的研究方法。盆栽试验和土柱模拟试验在河北工程大学节水灌溉试验场温室和遮雨棚中进行。田间试验在邯郸市复兴区下庄村农田进行。室内分析化验在河北工程大学水土环境分析实验室进行。本研究在充分调查研究基础上，在设计上采用盆栽试验、田间试验和室内土柱模拟试验相结合的技术路线（图1-1）。
盆栽试验由于条件因素控制较严密，
图1-1　研究的技术路线
数据结果准确性较高。田间试验更接近实际情况。考虑到单独采用某种试验的不足，利用盆栽试验与田间试验的各自优势相互补充。以冬小麦和夏玉米一年两熟作物及叶菜类油菜和果菜类番茄为例，研究矿井水灌溉对作物生长发育、产量、品质及土壤环境质量的影响；利用土柱模拟试验，研究土壤养分、水盐及重金属的迁移规律。通过对研究结果的分析，提出作物高效安全利用矿井水的技术方法，为高产高效节水农业服务。
第二章　矿井水灌溉水质与评价
第一节　矿井水水质类型
一、矿井水概念
（一）矿井水
矿井水是所采矿层及开拓巷道附近涌出的地下水，我国北方矿井水主要来自于奥陶纪灰岩水、砂岩裂隙水以及少量的井下生产废水，故矿井水水质特征与当地地下水水质基本相符。矿井水实质是受了污染的地下水，而不全是矿山开采生产废水。目前我国煤炭产量已突破30亿t，每生产1 t原煤将从地下抽排出2～4m3的矿井水，平均每年将有超过75亿m3的地下水抽排到地面，占全国地下水年开采量1116亿m3的6.7%，是我国城市年生活用水量的40%。河北省矿山年平均疏干排水量约6亿m3，邯邢地区矿山年总排水量为2.49亿m3，并且煤炭和铁矿石的开采量在持续增长。图2-1为峰峰矿区梧桐庄矿排放的矿井水。
图2-1　峰峰矿区梧桐庄矿排放的矿井水
矿井水是一种特殊的水资源，是指由于采矿活动造成区域水文地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地上水及地表水径流方向和途径，最终在采矿场所聚集的水体。通俗地说，凡是在矿井开拓、采掘过程中，渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源水，统称为矿井水。水源有大气降水、地表水、地上水和老采空区积水。
（二）矿井水来源
矿井水主要来源于地下水，是在煤矿开采过程中，地下水与煤、岩层接触，发生一系列物理、化学和生化反应而形成。矿井水的特性取决于成煤的地质环境和煤系地层矿物化学成分，其中矿区水文地质条件及充水因素对矿井水的水量、水质有决定性的影响。
矿井排水量受矿区水文地质条件的影响较大，各地相差悬殊。据不完全统计，平均吨煤涌水量为4m3。但不同地区差异较大，中国东北地区一般矿井吨煤涌水量在2～3m3，华北、华东及河南等大部分矿区一般为3～5m3，其中峰峰、淄博、邯郸、开滦等矿区在10m3左右，南方矿区平均吨煤涌水量也在10m3以上，西部矿区吨煤涌水量在6m3以下。
矿井水具有地下水的特征，但由于受到人为的污染，又具有地表水的一些特点。矿井废水的污染程度较其他工业废水轻，有机污染物较少，一般不含有毒物质，主要超标项目有酸度、悬浮物、浊度、硬度、矿化度、硫酸盐、氟化物等，适于做回用水水源。
二、矿井水类型
1．洁净矿井水
洁净矿井水即未被污染的干净地下水，基本符合国家生活饮用水的水质标准，有的还含多种微量元素，可开发为矿泉水。对这类矿井水可按一般饮用地下水进行处理，处理后直接供居民作为生活用水。如邯郸地区的冀中能源峰峰集团新三矿的矿井水。
2．含高悬浮物矿井水
含悬浮物的矿井水，一般水质为中性，矿化度小于1000mg/L，金属离子微量或未检出，或基本上不含有毒有害离子。矿井水中的悬浮物含量变化较大，低时不到100mg/L，而高时可达数千毫克每升。矿井水中悬浮物主要为煤粉微粒，其平均密度只是地表水中悬浮物（主要为泥沙）平均密度的一半左右，水中所含固体颗粒细，灰分高，颗粒表面多带负电荷。由于颗粒多带同号电荷，它们之间产生斥力阻止颗粒间彼此接近聚合成大颗粒而下沉。同时颗粒同周围水分子发生水化作用，形成水化膜，也阻止颗粒聚合，使颗粒在水中保持分散状态。
3．高矿化度矿井水
高矿化度矿井水也称含盐矿井水，一般是指含盐量大于1000mg/L的矿井水。这类矿井水的水质多数呈中性或偏碱性，水中Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4等离子浓度较高，硬度较大，矿化度大多为1000～4000mg/L，最高可达15000mg/L。因高矿化度矿井水含盐量大，带苦涩味，因此也称苦咸水。据不完全统计，中国煤矿高矿化度矿井水的水量约占中国北方国有重点煤矿矿井涌水量的30%，主要分布于中国西部高原、黄淮平原及华东沿海地区的多数煤矿。如徐州矿区韩桥矿、大黄山矿、张集矿、张双楼矿和兖州矿区的济宁二号井的矿井水均属于高矿化度矿井水。
4．酸性矿井水
酸性矿井水主要分布在中国南方，是指pH小于6的矿井水。其pH一般介于2～4，含SO2-4、Fe2+、Fe3+、Mn2+及其他金属离子，水中SO2-4浓度较高，其矿化度与硬度也因酸的作用而增高。矿井水呈酸性的主要原因是由于采煤活动将原来的还原环境变为氧化环境，与煤共生伴生的硫铁矿发生氧化，形成硫酸，pH下降，当煤系地层中的矿物碱性不足以中和硫酸的酸性时，就形成酸性矿井水。酸性矿井水的形成除与煤的存在状态、含硫量有关外，还与矿井的涌水量、密闭状态、空气流通状况以及微生物的种类和数量等有密切的关系。
5．含无机污染物矿井水
含无机污染物矿井水主要是指含有微量元素或放射性元素等有毒有害污染物的矿井水。如放射性矿井水、高氟矿井水等。还有一些地区是因地质条件导致矿井水重金属超标。
6．含有机污染物矿井水
此类矿井水中还含有一定量的有机污染物。如受到煤、废机油、乳化油等污染，矿井水中还含有废机油、乳化油等有机物污染物。矿井水中微量有机污染物主要来自以下三个方面：井下开采时人类生产和生活过程中的排泄物及其生化后产生的降解物质如氨类化合物、有机氮类化合物及大量的微生物；由植物转变成煤炭时吸附在煤层中的低分子有机化合物，在煤炭开采时释放出来并溶入矿井水中微量有机污染物，如吸附在煤层中和煤炭氧化、风化过程产生的可溶性腐殖质类物质（黄腐酸）及油母页岩地质构造的煤层中含有的低分子量油类物质；开采过程中，综采机组、液压支架等设备所用的乳化液及井下采煤、运输等机械设备的润滑油等泄漏进入矿井水中造成的有机物污染。
第二节　矿井水的水质及其灌溉可行性分析
一、矿井水的酸碱性及其灌溉可行性分析
矿井水的酸碱性通过灌溉可以改变土壤的酸碱性，能够改变作物的生长环境，影响作物的正常生长。我国《农田灌溉水质标准》（GB 5042—2005）中的pH为5.5～8.5，煤矿区排放酸性矿井水，pH低于6，一般在2～4，这样的酸性矿井水未经处理是不能用于灌溉作物的。试验的峰峰矿区矿井水pH在6.23～8.6，按水质的酸碱性来说，作物灌溉用水应该是没有问题的。
二、矿井水盐分含量及其灌溉可行性分析
全盐量是评价灌溉水水质的重要指标，国内外利用咸水进行农田灌溉已有近百年的历史。所谓咸水，即矿化度大于2.0g/L的水。按照矿化度大小，咸水可分为微咸水（2.0～3.0g/L）、半咸水（3.0～5.0g/L）、咸水（5.0～10.0g/L）。咸水灌溉是指以矿化度为2.0～5.0g/L的水为水源的灌溉。我国《农田灌溉水质标准》（GB 5042—2005）中的全盐量小于2000mg/L，灌溉水盐分含量超过此值易导致土壤盐渍化和作物危害。研究矿区的矿井水盐分含量在2457～3618mg/L，均值为3008.2mg/L，基本属于微咸水，所以在矿区用含盐量如此高的矿化度矿井水长期灌溉农田，必然引起土壤次生盐渍化，影响作物正常生长。由于农业灌溉水资源短缺，必须用矿井水灌溉的，要采取科学合理的灌溉方式来降低矿化度，以实现这种非常规水资源的作物安全利用。
钠吸附比（SAR）是反映灌溉水碱性的重要指标，SAR过高会改变土壤的理化性质，影响作物对钙和镁的吸收，FAO对SAR限制范围是3～6mg/L。研究矿区的矿井水SAR范围在3.02～6.31mg/L，平均值为4.56mg/L，单从钠吸附比来看，研究矿区的矿井水是可以用于作物灌溉的，但要通过研究试验选择适合该地区的矿井水灌溉制度与灌溉方式。
三、矿井水重金属含量及其灌溉可行性分析
矿井水是所采矿层及开拓巷道附近涌出的地下水，经过采煤工作面排放到地面，是受到污染的水，因地区地质条件导致矿井水重金属超标。我国《农田灌溉水质标准》（GB 5042—2005）中的砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）和铅（Pb）分别小于0.05mg/L、0.01mg/L、0.1mg/L、1mg/L和0.2mg/L。研究矿区的矿井水不同批次的水样Cd和Pb含量分别在0.003～0.055mg/L和0.153～0.232mg/L，平均值分别为0.016mg/L和0.187mg/L。矿井水的Cd含量是灌溉水标准的1.6倍，矿井水的Pb含量虽小于标准，但是也在临界值水平。因此，在用该类矿井水灌溉时，要预先处理或者用无污染的水混合稀释后灌溉，以防止土壤和农产品污染。
四、矿井水有机污染物含量及其灌溉可行性分析
矿井水由于受到煤、废机油、乳化油等污染，水中还含有废机油、乳化油等有机污染物。研究区矿井水中悬浮物含量在4～48mg/L，平均值为13.5mg/L。这些煤粉类物质虽然含有一定量腐殖酸类物质，灌溉后能提高土壤肥力，但也有报道矿井水中的有机污染物多环芳烃等随灌溉进入土体，并向下迁移进入地下水进而污染饮用水。有关矿井水灌溉带来有机污染的问题，尚需要进一步研究。
第三章　矿井水灌溉对冬小麦的影响
第一节　试验方法与设计
一、试验地点概况
盆栽试验于2012年10月至2014年6月在河北工程大学节水灌溉试验场遮雨棚下进行。田间试验于2012年10月至2014年6月在河北省邯郸市复兴区下庄村农田进行。试验场地位于邯郸市，东经114.45°，北纬36.63°。该区属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，日照充足，雨热同期，干冷同季，随着四季的明显交替，依次呈现春季干旱少雨、夏季炎热多雨、秋季温和凉爽、冬季寒冷干燥。年平均气温14℃，最冷月份（1月）平均气温-2.5℃，极端最低气温-20℃，最热月份（7月）平均气温27℃，极端最高气温42.5℃，年均温13.5℃，全年无霜期200d，年日照2557h。主要集中于夏季的6～8月，冬季降水少，年降水量575.9mm。
二、供试作物
供试作物选用冬小麦品种：邯麦13。
三、设计及布局
（一）盆栽试验
试验在河北工程大学节水灌溉试验场遮雨棚下进行。根据矿井水灌溉试验要求设为4个处理：Ⅰ．矿井水灌溉（M）；Ⅱ．矿井水与清水（1:1比例）混灌（FMM）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．清水灌（CK）。每个处理4次重复，共16桶盆栽。灌溉试验布局如图3-1。
图3-1　矿井水灌溉的盆栽试验布局
试验用盆为内径33cm、高33cm的塑料盆，土样风干后，压碎、去杂，过2mm筛，每盆装土15kg，底肥施6g尿素和6g磷酸二铵。播种日期2012年10月19日。冬小麦播种量为：每盆7穴，每穴2粒。3叶期定苗，定苗后每盆留7株，如图3-2所示。收获期为2013年6月15日，全生育期约为240d。在小麦起身拔节期，每盆追施6g尿素。主要生育期取苗测定主要指标。
图3-2　试验用盆及播种示意
图3-3　矿井水灌溉冬小麦的盆栽试验
通过称盆和土的重量确定灌溉水量。试验前测定土壤的田间持水量（作为灌水量的依据），当土壤含水量为田间持水量的50%～60%时浇水至90%～100%。灌溉用清水为自来水，矿井水为峰峰矿区梧桐庄矿矿井水，试验前测定灌溉用水化学成分，灌溉用水化学成分见表3-1。底墒水和苗期灌水用自来水灌溉。
表3-1　试验灌溉用水成分测定
（二）田间试验
田间试验在邯郸市复兴区下庄村的农田进行。作物种植制度为小麦-玉米一年两熟。试验小区分块布置，周围为大田作物。小区面积2m×3.3m, 1m深土体四周用土工布防水膜封闭，下不封底。试验设4个处理：Ⅰ．矿井水灌溉（M）；Ⅱ．矿井水与清水（比例为1:1）混灌（FMM）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．清水灌（CK）。每个小区为1个处理，重复3次。布局如图3-4。小麦播种品种为邯麦13，播种日期2012年10月10日，播种量225kg/hm2，行距为25cm，开沟撒播，底施化肥磷酸二铵375kg/hm2及尿素225kg/hm2，拔节期追施尿素225kg/hm2，收获日期2013年6月20日。全生育期灌溉，设计播种冬小麦前和冻水用地下水（清水）灌溉，拔节起身、抽穗期和灌浆期按试验处理灌溉，矿井水为峰峰矿区梧桐庄矿矿井排水，灌水方式为畦灌，试验前测定灌溉用水化学成分，成分测定如表3-1所示。每次灌水量相同，均为450m3/hm2。处理间除灌水类型不同外，其余管理措施均相同。冬小麦分小区实收测定产量和品质。
图3-4　矿井水灌溉冬小麦的田间试验
四、测定项目与方法
作物生长指标测定株高、叶面积、净光合速率、蒸腾速率、生物量（包括干重和鲜重）、产量；品质指标测定常规成分即可溶性糖、粗蛋白、粗淀粉、还原性维生素C等。6月测定土壤的盐分、pH和重金属含量。
株高：抽穗之前，利用米尺测定冬小麦茎基部到叶顶端的距离，抽穗之后，测定冬小麦茎基部到穗顶端的距离。
叶面积：因冬小麦叶片较小，无法使用叶面积仪，因此通过直尺测定叶长及叶宽，其中叶长是测定叶枕到叶尖，叶宽是指叶片最宽处。采用公式计算叶面积（叶面积=0.78×叶长×叶宽）。
生理指标：采用英国PP-System公司生产的CIRAS-Ⅱ型光合测定系统在冬小麦抽穗期和开花期的典型晴天测定不同生育期的净光合速率、蒸腾速率。选择各个处理及重复处理中有代表性的植株，并测定其旗叶全展叶的各项指标。测定环境设置光照强度600lx、二氧化碳浓度0.038%、温度25℃、空气相对湿度60%。
生物量：植株鲜重直接在电子天平上称量；测量植株干重时需在恒温烘箱里烘干，首先要在105℃恒温下杀青1h，然后维持75℃恒温下连续烘8h，最后用电子天平测其干重。
产量：收获后，测定冬小麦成穗数、穗粒重、千粒重、生物产量及籽粒产量。
品质的测定：采用考马斯亮蓝G-250方法测定籽粒粗蛋白；采用中华人民共和国国家标准谷物籽粒粗淀粉测定法GB 5006—85测定冬小麦籽粒中粗淀粉；采用紫外分光光度法测定冬小麦籽粒中还原型维生素C含量；采用蒽酮法测定冬小麦籽粒中可溶性糖。
五、数据统计分析
采用Excel 2007和SPSS 20.0统计软件对试验材料进行性状间的方差分析。假设检验中，*表示在α=0.05水平上差异达到显著，**表示在α=0.01水平上差异达到显著；多重比较均用LSD法，其中小写字母表示在α=0.05水平上差异达到显著，大写字母表示在α=0.01水平上差异达到显著。
第二节　矿井水灌溉对冬小麦影响的盆栽试验
一、矿井水灌溉对冬小麦形态指标的影响
（一）对冬小麦株高、叶面积的影响
株高和叶面积是衡量作物在生育期内生长状况的重要指标，也是表征作物生长量的重要指标。叶片是冬小麦进行光合作用和蒸腾作用等生理作用的重要器官，叶面积的大小能够影响蒸腾作用，更直接影响光合作用面积的大小，对作物的生长具有指示作用。
在使用不同比例矿井水、不同方式、相同灌溉定额灌溉后，冬小麦的株高和叶面积都发生了变化。
盆栽小麦株高数据指标如图3-5，在拔节期各处理之间的小麦株高有一点差异但差异不显著（P>0.05）；抽穗期相对于拔节期来看：矿井水灌溉冬小麦株高增长率为21%，清水灌溉的增长率为18%，混灌增长率为23%，轮灌的增长率为15%，而开花期相对于抽穗期冬小麦的株高则略有下降，但是在成熟期各处理之间株高相对于开花期显著增高，成熟期矿井水灌溉与混灌和轮灌差异显著（P<0.05），清水灌溉与混灌和轮灌差异显著（P<0.05），矿井水灌溉与清水灌溉差异不显著（P>0.05）；成熟期相对于抽穗期来看：矿井水灌溉的冬小麦株高增长率为17%，清水灌溉的增长率为17%，混灌的增长率为9.7%，轮灌的增长率为13%。总体来讲，在矿井水灌溉的情况下，盆栽小麦的株高在生育前期没有表现出明显差异，然而在混灌处理情况下，冬小麦株高的增长率却高于其他3个处理；随着矿井水灌溉时间的持续，到冬小麦的生育后期，植株株高才表现出一定程度的促进。总的来说，矿井水灌溉对小麦的株高生长有促进，但促进效果不明显。
图3-5　矿井水灌溉对冬小麦株高的影响
如图3-6所示，盆栽试验在拔节期，矿井水灌溉、混灌和轮灌相对于清水灌差异性显著（P<0.05），清水灌明显高于其他3个处理；随着时间的推进，孕穗期叶面积增长，各个处理之间，清水灌溉>混灌>轮灌>矿井水灌溉，且矿井水灌溉明显差异与其他3个处理。因在开花期与成熟期冬小麦叶大体都已干枯，所以未进行叶面积的测量。总体来说，矿井水灌溉对冬小麦叶面积的增长有抑制作用。
图3-6　矿井水灌溉对冬小麦叶面积的影响
（二）对冬小麦分蘖的影响
由图3-7可看出，盆栽试验中冬小麦分蘖随着生育期的推移逐渐下降。拔节期，清水灌溉处理小麦分蘖最多平均为4.25个，其他3个处理之间差异不显著。这说明清水灌溉有一定的优势。到抽穗期，矿井水灌溉处理分蘖最多平均为2.5个，显著高于其他3个处理，其他3个处理之间差异不显著。在成熟期，混灌处理分蘖最多平均为2.33个，矿井水处理次之，轮灌处理较小，清水处理最小，总的来说，各个处理之间分蘖差异不显著。综合几个时期小麦分蘖变化可知，矿井水灌溉对小麦分蘖影响不大，在拔节期有一定的抑制作用，但是在抽穗期和成熟期有一定的促进作用。
图3-7　矿井水灌溉对盆栽冬小麦分蘖的影响
（三）对冬小麦单株生物量的影响
冬小麦干物质的产生是作物产量形成的基本指标，干物质的累积指导着作物生长的优劣。干物质生产是以光合作用产生有机物为基础，除去植物体中的水分而净生产干物质的过程。试验中对冬小麦各重要生育期内物质累积的干重与鲜重进行测量分析。
图3-8显示，盆栽试验中冬小麦单株干物质累积量随着生育时期的前进而增加，纯矿井水灌溉对冬小麦单株干物质累积有较明显的抑制作用。在利用纯矿井水灌溉下，单株干物质累积量在生育期中为最小值，明显小于清水灌溉和混灌2个处理。在拔节期，清水灌溉（3.225g）>轮灌（2.825g）>混灌（2.35g）>矿井水灌溉（2.17g）。到抽穗期，清水灌溉（6.5g）>混灌（5.7g）>轮灌（5.5g）>矿井水灌溉（3.9g），清水灌溉处理的单株干物质累积量有明显升高，混灌和轮灌处理之间差异不显著，矿井水灌溉处理干重最小，清水灌溉处理最大。至开花期清水灌为9.5g/株，高于其他处理，此时矿井水灌溉最低，仅为7.9g/株。矿井水灌溉处理的干物质累积量在孕穗期和抽穗期、开花期、成熟期均低于其他处理，到成熟期为10.3g/株，而清水灌溉为12.4g/株，混灌处理为13.1g/株，为最大值，此时处理间的平均干物质累积量为11.65g/株。通过方差分析表明（P处理间=0.0023<0.05，P生育期=0.0001<0.05），不同时期的干物质累积量存在显著差异，但处理间也存在显著差异。因此认为，矿井水灌溉对冬小麦的单株生物量影响较大，并且矿井水灌溉对小麦的干重有一定的抑制作用；相反的是，混灌处理却对冬小麦的干物质累积量有一定的促进作用。
图3-8　矿井水灌溉对盆栽冬小麦单株干物质累积量的影响
冬小麦所有器官水分状况能更好地反映水分条件对作物生长的影响，并且能够反映不同处理在相同生育期内鲜物质的累积程度，如图3-9所示。盆栽试验中冬小麦单株鲜物质累积量在抽穗期之前是随着生育时期的持续而增大，但是在抽穗期之后是随着生育时期的持续而减小，在后期作物叶逐渐枯萎，鲜物质累积量逐渐减小。因此，矿井水灌溉对小麦单株鲜物质的累积有较明显的抑制作用。
在矿井水灌溉条件下，单株鲜物质累积量在各生育期中均小于清水灌溉处理。在拔节期，清水灌溉（18.15g）>轮灌（13.825g）>混灌（13.13g）>矿井水灌溉（12.725g），清水灌溉明显高于其他3个处理，矿井水灌溉后为最小值。到抽穗期，冬小麦鲜物质累积量达到最大值，清水灌溉（27.9g）>混灌（27.0g）>矿井水灌溉（25.5g）>轮灌（21.9g），混灌和清水灌溉处理之间差异不显著，轮灌处理最小，清水灌溉处理最大，各处理间差异不显著（P>0.05）。在开花期，各处理鲜物质累积量均减小，此时清水灌溉处理最大，轮灌最小，各处理间差异不显著（P>0.05）。在成熟期，各处理鲜物质累积量继续减小，此时冬小麦所有器官中水分逐渐转化为干物质积累下来，清水灌溉和矿井水灌溉鲜物质累积量减小，混灌处理最大，轮灌最小，各处理间差异不显著（P>0.05）。综上所述，矿井水灌溉在小麦生育期初期对冬小麦鲜物质累积量有一定的抑制作用，但是随着生育期的延续和物质累积，矿井水灌溉对冬小麦鲜物质累积量抑制作用逐渐地不明显。
图3-9　矿井水灌溉对盆栽冬小麦单株鲜物质累积量的影响
（四）对冬小麦根系活力的影响
由图3-10可知，整体来说，冬小麦根系活力拔节期要明显高于其他生育期。不同时期冬小麦根系活力的比较结果为拔节期>抽穗期。在拔节期，各处理的冬小麦处于形态建成的生长阶段，根系活力强，有利于吸收土壤中营养物质向地上部分运输。拔节期，混灌和矿井水灌溉处理根系活力较低，混灌和矿井水灌溉处理差异不显著，清水灌溉处理根系活力最大，轮灌次之。在抽穗期，矿井水灌溉处理根系活力要明显高于其他3个处理，说明矿井水灌溉对开花期小麦根系活力有促进作用。
图3-10　不同灌溉方式对盆栽冬小麦根系活力的影响
二、矿井水灌溉对冬小麦生理特性的影响
（一）对净光合速率（Pn）的影响
盆栽试验旗叶光合速率变化见图3-11。随着生育期的进行，冬小麦旗叶净光合速率清水灌溉处理和轮灌处理光合速率有所降低，而混灌和矿井水灌溉光合速率有所增加，第一次光合速率轮灌>混灌>清水灌溉>矿井水灌溉。第二次光合速率轮灌>矿井水灌溉>混灌>清水灌溉。光合作用的变化过程表明了不同处理在一定阶段存在光合能力的差异，但由于测定阶段仅限于营养生长时期，因此只能在一定程度上说明，成熟期前矿井水灌溉处理在光合生理方面没有明显的优势表现。总体来说，矿井水灌溉对净光合速率Pn值的变化差异不显著，不同灌溉方式对冬小麦不同生育期的光合速率均有一定的影响。
图3-11　矿井水灌溉对冬小麦净光合速率的影响
（二）对蒸腾速率（EVAP）的影响
冬小麦体内含有足够的水分，才能正常地进行各项生命活动。冬小麦蒸腾速率完全体现其对水分的需求，光合速率加快使得叶片对二氧化碳的需求量增加，并且气孔开放增大，一定时间内单位叶面积蒸腾的水量增多，蒸腾作用加快；而光合速率下降时对水分的需求也下降，蒸腾速率也降低。由图3-12可知，随着生育期天数的增加，各个处理的EVAP变化量不同。抽穗期，清水灌溉>轮灌>混灌>矿井水灌溉。开花期，混灌>清水灌溉>轮灌>矿井水灌溉。总体来说，EVAP表现为逐渐升高的趋势。矿井水灌溉处理的冬小麦EVAP仍维持在较低水平，不利于光合产物的形成，而混灌和清水灌溉后的EVAP仍明显高于其他2种处理，因此矿井水灌溉对冬小麦的蒸腾速率有一定的抑制作用。
图3-12　矿井水灌溉对冬小麦蒸腾速率的影响
三、矿井水灌溉对冬小麦产量构成因素的影响
表3-2显示了不同灌溉方式对盆栽冬小麦的产量及产量性状的影响。4个处理穗粒重比较结果为：清水灌溉>混灌>矿井水灌溉>轮灌；穗粒数比较结果为：混灌>清水灌溉>轮灌>矿井水灌溉；生物重量比较结果为：混灌>清水灌溉>轮灌>矿井水灌溉；籽粒产量比较结果为：混灌>清水灌溉>轮灌>矿井水灌溉。总体来讲，矿井水灌溉对盆栽冬小麦产量有显著影响。
表3-2　不同灌溉方式对盆栽小麦产量及产量性状的影响
四、矿井水灌溉对冬小麦品质的影响
表3-3列出了不同灌溉方式对盆栽冬小麦的籽粒营养成分的影响，结果表明，冬小麦籽粒中的可溶性糖和还原性维生素C含量各处理间无显著差异；粗蛋白和淀粉含量在处理间存在一定差异，矿井水灌溉处理的粗蛋白含量显著低于其他3个处理，清水灌溉、混灌和轮灌处理间差异不显著；矿井水灌溉处理的淀粉含量显著低于其他3个处理，轮灌处理的淀粉含量显著低于清水灌溉和混灌处理，清水灌溉和混灌处理间无显著差异。说明矿井水灌溉能显著抑制冬小麦籽粒中粗蛋白和淀粉的积累。
表3-3　不同灌溉方式对盆栽冬小麦籽粒营养成分的影响
五、试验小结
根据本试验的研究，主要得出了以下结论：
抽穗期前，清水灌溉处理与矿井水灌溉处理与混灌、轮灌处理间的冬小麦株高无显著差异。而随着冬小麦需水量的增加以及生育期的进行，此时，矿井水灌溉的促进作用逐渐显现，在抽穗期、开花期、成熟期内，矿井水灌溉相对于清水灌溉冬小麦株高分别提高了1%、3.4%和1%。分析来看，矿井水灌溉对小麦的株高生长有一定促进作用，但促进效果不显著。
在不同生育期内，矿井水灌溉对冬小麦叶面积的影响均保持降低的规律。在拔节期、孕穗期和抽穗期内，矿井水处理的叶面积分别为清水灌溉处理叶面积的81.9%、68.9%和74.1%。由此分析来看，矿井水灌溉对冬小麦叶面积的生长具有一定程度的抑制作用，且具有显著性。
在物质累积方面，孕穗期之后矿井水灌溉处理的干物质累积量明显低于其他3种处理。在孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期内，矿井水处理干物质累积量分别为清水灌溉处理的78.7%、60%、83.1%和83%，然而混灌处理后的植株干物质累积量在成熟期时是清水灌溉处理的1.1倍。在鲜物质累积量上，在拔节期，矿井水处理明显低于清水灌溉处理，而随着生育期的进行，矿井水处理抑制作用降低。在拔节期、抽穗期、开花期和成熟期内，矿井水灌溉处理鲜物质累积量分别为清水灌溉处理的69.8%、91.4%、94.6%和92.2%，而在成熟期时，混灌处理后的植株鲜物质累积量为清水灌溉处理的1.1倍。分析得出，矿井水灌溉对冬小麦的单株生物量影响较大，并且矿井水灌对小麦的干物质累积量与鲜物质累积量均有一定程度的抑制作用，但混灌后对冬小麦的单株生物量影响却有所改善，有一定的促进作用，但促进作用不明显。
在对冬小麦生理特性进行测量时发现，矿井水灌溉处理冬小麦旗叶的光合速率和蒸腾速率均与清水灌溉处理有差异。在光合作用测定时，矿井水灌溉处理与混灌和轮灌的净光合速率高于清水灌溉处理，尤其轮灌处理明显高于清水灌溉处理，因此矿井水灌溉对冬小麦的净光合速率有不明显的促进作用。在蒸腾速率测定时，矿井水灌溉处理明显低于清水灌溉处理，但在开花期，混灌处理的冬小麦EVAP却高于清水灌溉处理，因此，矿井水灌溉处理的冬小麦EVAP仍维持在较低水平，对冬小麦的蒸腾速率有一定的抑制作用，而矿井水与清水混合灌溉后却对冬小麦的蒸腾速率有一定的促进作用。
第三节　矿井水灌溉对冬小麦影响的田间试验
一、矿井水灌溉对冬小麦产量的影响
作物的产量，一直以来都是农民最关注的问题。有专家研究表明，非常规水灌溉后能够在一定程度上促进作物增产，然而这种灌溉后带来的副作用却影响了非常规水在农业灌溉利用的推广和发展，即非常规水灌溉带来的污染问题和作物品质问题。因此，非常规水灌溉能否促进作物增产和对作物籽粒的品质的影响，是目前研究的重要内容。
作物的产量与其生长状况密切相关，能够最终体现作物的生长发育状况。表3-4列出了矿井水灌溉后对冬小麦产量的影响。与清水灌溉处理相比，矿井水灌溉处理后冬小麦产量明显受到抑制。清水灌溉处理的冬小麦成穗数、穗粒重、千粒重、生物产量及籽粒产量都明显高于矿井水灌溉处理。4个处理中，清水灌溉、混灌和轮灌处理的成穗数、穗粒重、千粒重、生物产量及籽粒产量均显著高于矿井水灌溉，清水灌溉、混灌和轮灌3个处理间的成穗数无显著差异，其他各项产量性状指标均以混灌处理为最高。结果表明，高矿化度的矿井水灌溉能够抑制冬小麦的生长发育，降低冬小麦的产量，而混灌处理的水质浓度被稀释，并且水中一定浓度的矿物质还有益于作物的生长，因此混灌处理的冬小麦产量还高于清水灌溉。而轮灌处理在灌溉矿井水时期其矿井水的高矿化度也影响了作物的生长，所以该处理的产量也受到影响。
表3-4　矿井水灌溉对冬小麦产量的影响
二、矿井水灌溉对冬小麦籽粒品质的影响
冬小麦的品质特性不仅由其自身的遗传基因所决定，而且大部分结果影响是外界环境造成的。一些专家的研究表明：即便是品种相同的冬小麦，在受到水、肥、热等条件因子改变的影响下，最终品质的结果也会存在较大差异。
矿井水灌溉对冬小麦品质的影响如表3-5所示。从2012—2013年和2013—2014年两个轮作周期试验结果中可以看出，冬小麦籽粒中的可溶性糖含量4个处理间没有显著差异，但是冬小麦籽粒中可溶性糖、粗蛋白、粗淀粉和还原性维生素C的含量均以矿井水灌溉处理为最低，其中清水灌溉、混灌和轮灌处理的籽粒中粗蛋白、粗淀粉和还原性维生素C都显著高于矿井水灌溉处理。这说明，高矿化度的矿井水灌溉能够降低冬小麦的品质。4个处理中粗蛋白、粗淀粉和还原性维生素C都以清水灌溉、混灌2个处理为最高。
表3-5　矿井水灌溉对冬小麦的籽粒营养成分的影响
表3-5　矿井水灌溉对冬小麦的籽粒营养成分的影响（续）-1
第四节　矿井水灌溉冬小麦对土壤环境的影响
一、矿井水灌溉对土壤养分的影响
（一）盆栽试验的土壤养分变化
盆栽试验2013年6月10日和9月26日土壤养分有机质、碱解氮、速效磷和速效钾如表3-6中所示，由表3-6中作物收获时土壤养分数据可知，矿井水灌溉处理中土壤的有机质含量均高于清水处理，表明矿井水所含的悬浮物煤粉及工作人员排泄物可提高有机质。四个不同灌溉方式处理中，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的土壤养分均高于清水灌溉。表层土壤养分累积的原因是由于矿井水中含有煤粉。人的排泄物及高浓度的钾离子等有机与无机物所致，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的碱解氮和速效钾在土壤中明显高于清水灌溉，这是由于矿井水灌溉可以引起钾离子向下累积，可能导致盐渍化污染的风险。
表3-6　矿井水灌溉对盆栽土壤养分含量的影响
（二）田间试验的土壤养分变化
田间试验土壤剖面中不同土层5月20日土壤养分有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量如图3-13所示。
各处理土壤的养分含量在0～10cm和10～20cm的表层土壤均较高，20cm土层以下各土壤养分开始降低，其中有机质、碱解氮和速效磷一直呈下降趋势，直到80～100cm土层为最低值，而土壤速效钾在20～40cm土层出现了一个最低值。4个处理中，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的0～10cm和10～20cm的表层土壤养分均高于清水灌溉，而各处理的土壤有机质和速效磷在20～40cm以下土层差异不明显。表层土壤养分累积的原因是由于矿井水中含有煤粉、人的排泄物及高浓度的K+等有机与无机物所致，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的碱解氮和速效钾在土壤中明显高于清水灌溉，这是由于其中成分随水向下迁移的结果，所以矿井水灌溉可以引起NO3-和K+向下迁移，可能导致地下水污染的风险。
图3-13　矿井水灌溉对大田试验土壤养分的影响
二、矿井水灌溉对土壤盐分的影响
（一）盆栽试验土壤含盐量的变化
由于盆栽试验中，灌溉水分只用于作物吸收以及蒸腾作用，因此灌溉水中所有盐分均不会下渗流失，只会累积在盆栽土壤内。如表3-7所示，在经历冬小麦全生育期的灌水后，将盆栽内所有土壤混匀后测得盆栽土壤中全盐量。矿井水灌溉后土壤电导率分别是清水灌溉、混灌、轮灌的10.8倍、3.1倍、3.6倍，是灌水前土壤基础样的45.1倍。且各处理间具有显著性差异。此时清水灌后土壤电导率为971.7μS/cm处理间具有显著差异，处于0～2000μS/cm具有显著范围内，属于非盐渍化土壤；而混灌和轮灌后土壤电导率分别为3413.1μS/cm和2889.6μS/cm，而处于2000～4000μS/cm范围内，土壤属于盐渍化土壤；矿井水灌溉后土壤电导率为10454.9μS/cm，处于8000～16000μS/cm范围内，为重盐渍化土壤。这说明，矿井水中含盐量高，矿化度较大，并且盐分离子会在土壤中累积，矿井水灌溉作物后有可能会对土壤造成次生盐渍化现象。
表3-7　盆栽试验不同处理对土壤全盐量的影响
（二）大田试验土壤含盐量的变化
在大田试验中，在经历冬小麦全生育期后，经过汛期降水的淋洗后，在9月测得大田各层土壤含盐量变化如图3-14所示。由试验结果看出，在0～10cm土层清水灌溉后土壤含盐量小于其他3种处理，但是这时土壤含盐量并不是出现在表层土壤中，在距表层100cm处，土壤含盐量：混灌1013μS/cm>轮灌705μS/cm>矿井水灌溉683μS/cm>清水灌溉636μS/cm。这时由于农田具有茂密的农作物的影响，土壤水分通过农作物的蒸腾作用，直接通过土壤表面蒸发流失的十分有限，同时，灌溉和降水的作用不断将表层土壤盐分向下淋洗，使得盐分从土壤表层逐渐向下移动，随后在7月、8月，由于多次降水的淋洗将大部分盐分淋洗到了100cm土层处。由于深层土壤的水分运移过程较慢，因而，大部分盐分很难被淋出100cm处。一般的降水过程和常规的灌溉很难将土壤中的盐分淋出，所以土壤中盐分在某层次稳定逐渐沉积下来，土壤中含盐量相对稳定。
图3-14　大田试验中不同处理对土壤全盐量的影响
三、矿井水灌溉对土壤钠吸附比的影响
（一）盆栽试验土壤钠吸附比的变化
如图3-15所示，矿井水灌溉、混灌、轮灌后SAR均高于清水灌溉处理，矿井水灌溉增大了土壤的SAR，矿井水灌溉、混灌、轮灌后SAR分别是清水灌溉处理的4.47倍、5.61倍、5.46倍，虽然矿井水灌溉条件下的土壤SAR比清水灌溉以及盆栽基样高，但是其最大值为混灌3.14（mmol/L）0.5，远远小于土壤碱化的临界SAR 13（mmol/L）0.5。
表3-8　盆栽试验不同处理对土壤钠吸附比SAR的影响
图3-15　盆栽试验不同处理对土壤钠吸附比的影响
（二）大田试验土壤钠吸附比的变化
如图3-16所示，在表层土内，清水灌溉后土壤钠吸附比（SAR）显著低于其他3种处理，数值为2.18。在整个土壤剖面内，混灌处理与清水灌溉SAR分布规律相似，总体上呈现各土层保持不变的规律；矿井水灌溉处理与轮灌SAR分布规律相似，总体上呈现逐渐递减的趋势。矿井水灌溉的作用使得土壤SAR增大，在整个土层剖面内，矿井水灌溉、混灌、轮灌的平均SAR分别为清水灌的2.54倍、2.04倍、2.29倍。
图3-16　大田试验不同处理对土壤钠吸附比的影响
根据美国盐土实验室提出的碱土和盐土的定义，将水土比例5:1的浸出液做电导率和SAR的测定，并换算成饱和浸出液的相应参数值，从而可以判断，短期内矿井水灌溉不会导致土壤的碱化或者盐化，因此可以作为短期农业用水资源。但是，长期的矿井水灌溉会导致土壤内盐分的累积，使得土壤全盐量和SAR显著增大，会给长期使用矿井水灌溉的土壤带来潜在的盐碱化危险。
四、矿井水灌溉对土壤阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度的影响
（一）盆栽试验土壤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度的变化
如表3-9和图3-17所示，在各个处理中矿井水灌溉处理使得土壤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+显著增大，矿井水灌溉、混灌、轮灌中K+浓度是清水灌溉处理的2.06倍、1.37倍、1.13倍；矿井水灌溉、混灌、轮灌中Na+浓度是清水灌溉处理的28.86倍、10.1倍、7.39倍；矿井水灌溉、混灌、轮灌中Ca2+浓度是清水灌溉处理的6.19倍、3.26倍、2.07倍；矿井水灌溉、混灌、轮灌中Mg2+浓度是清水灌溉处理的14.18倍、9.32倍、5.44倍；在盆栽试验中，矿井水灌溉对土壤中阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量的影响较大。
表3-9　盆栽试验不同处理对土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度影响
（二）大田试验土壤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度的变化
如图3-18所示，从剖面深度来看，矿井水灌溉后K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度在0～60cm变化不显著，在60～100cm土层内各离子累积明显，这是由于在降水的淋洗作用下，盐分具有向下迁移的趋势。K+在60cm土层累积明显。K+浓度在土壤全剖面上各处理差异不明显，K+在表层土壤聚集，随着土层深度逐渐降低，矿井水灌溉对于K+的累积在各土层没有显著性差异（P≥0.05）。Na+浓度在矿井水灌溉的作用下明显增大，在全剖面上平均浓度矿井水灌溉、混灌、轮灌分别是清水灌溉处理的2.54倍、2.04倍、2.29倍。这些数据显示，长期的矿井水灌溉会导致盐分离子在土层内累积，但是适当的淋洗作用会适当降低盐分离子累积带来的风险。
图3-17　盆栽试验不同处理对土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度影响
图3-18　大田试验不同处理对土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度影响
五、矿井水灌溉对土壤阴离子HCO-3、Cl-、SO2-4浓度的影响
（一）盆栽试验土壤中HCO-3、Cl-、SO2-4浓度的变化
盆栽试验各处理土壤阴离子浓度情况如图3-19所示。经过矿井水灌溉后HCO3-浓度没有增加，4种处理无显著性差异；矿井水灌溉后对土壤中Cl-浓度影响较大，矿井水灌溉、混灌、轮灌后Cl-浓度分别是清水灌溉的52.65倍、19.86倍、9.63倍，差异性显著（P≤0.05）；矿井水灌溉、混灌、轮灌后SO2-4浓度分别是清水灌溉的2.61倍、2.18倍、1.92倍，差异性显著（P≤0.05）。因此，与清水灌溉相比，矿井水灌溉情况下并不会因碳酸盐沉淀导致土壤盐化危害的进一步加剧。
（二）大田试验土壤中HCO-3、Cl-、SO2-4浓度的变化
大田试验矿井水灌溉后土壤中阴离子HCO-3、Cl-、SO2-4浓度如图3-20所示。HCO-3是在土壤剖面上总体呈现随深度先增大后逐渐减小的趋势，矿井水灌溉在40cm土层时与清水灌溉差异性显著，其他情况下各处理之间在P≤0.05的可能概率水平下没有显著性差异。而矿井水灌溉、混灌和轮灌处理条件下的土壤平均Cl-浓度分别是清水灌溉处理的2.78倍、2.89倍和3.21倍，总体呈现先减小后增大趋势。其主要原因可能是由于矿井水中过高的Cl-浓度，经过降水与灌溉水的淋洗作用，Cl-总体呈现向下迁移的趋势。不同处理SO2-4浓度随深度呈现增加的趋势，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理与清水灌溉处理相比0～100cm土壤SO2-4浓度分别是清水灌溉的2.69倍、2.51倍和2.37倍，处理间具有显著差异（P≤0.05）。因此，与清水灌溉处理相比，矿井水灌溉不会因碳酸盐沉淀而导致土壤碱化危害的进一步加剧。
图3-19　盆栽试验不同处理对土壤中的HCO-3、Cl-、SO2-4浓度影响
图3-20　大田试验不同处理对土壤中的HCO-3、Cl-、SO2-4浓度影响
六、矿井水灌溉对土壤重金属含量的影响
（一）盆栽试验土壤中重金属铅和镉的积累
表3-10列出不同灌溉方式对盆栽土壤重金属镉和铅含量的影响。结果表明，盆栽土壤的镉为矿井水灌溉>混灌>轮灌>基础土样>清水灌溉，矿井水灌溉对重金属镉的增加显著，并且9月26日数值高于6月10日土壤，说明随时间增长和灌溉次数及灌溉水量的增加，土壤重金属积累在增加；土壤中的重金属铅的积累情况与镉趋势相似，但是土壤中重金属镉和铅含量均未超过农用地土壤环境质量标准（GB 15618—1995）的限值0.6mg/kg和80mg/kg。矿井水长期不合理灌溉能引起土壤重金属累积，造成土壤重金属污染风险，影响作物正常生长和品质。
表3-10　矿井水灌溉对盆栽土壤重金属的影响
第四章　矿井水灌溉对夏玉米的影响
第一节　试验方法与设计
一、试验地点概况
矿井水灌溉夏玉米的盆栽试验于2012年10月至2014年6月在河北工程大学农业水土工程试验场防雨棚下进行。田间试验于2012年10月至2014年6月在邯郸市复兴区下庄村农田进行。试验场地位于邯郸市，东经114.45°，北纬36.63°。该区属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，日照充足，雨热同期，干冷同季，随着四季的明显交替，依次呈现春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季温和凉爽，冬季寒冷干燥。年平均气温14℃，最冷月份（1月）平均气温-2.5℃，极端最低气温-20℃，最热月份（7月）平均气温27℃，极端最高气温42.5℃，年均温13.5℃，全年无霜期200d，年日照2557h。主要集中于夏季的6～8月，冬季降水少，年降水量575.9mm。
二、供试作物
供试作物选用夏玉米品种：邯玉13。
三、设计及布局
（一）盆栽试验
盆栽试验在河北工程大学节水灌溉试验场遮雨棚下进行。根据矿井水设为4个处理：Ⅰ．矿井水灌溉（M）；Ⅱ．矿井水与清水（1:1比例）混灌（FMM）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．清水灌溉；（CK）每个处理4次重复，共16桶盆栽。试验布局图如图4-1。
图4-1　矿井水灌溉夏玉米的盆栽试验布局
试验用盆为内径33cm、高33cm的塑料盆。土样风干后，压碎，去杂过2mm筛。每盆装土15kg，底肥施6g尿素和6g磷酸二铵。播种日期为2013年6月16日。夏玉米播种量为：每盆3穴，每穴2粒。3叶期定苗，定苗后每盆留3株。如图4-2和图4-3所示。收获期为2013年9月27日，全生育期为101d。在小麦起身拔节期，每盆追施6g尿素。
图4-2　试验用盆及播种示意
图4-3　矿井水灌溉夏玉米盆栽试验
通过称盆和土的重确定浇水量，试验前测定土壤的田间持水量（作为灌水量的依据），当土壤含水量为田间持水量的50%～60%时浇水至90%～100%。灌溉用清水为自来水，矿井水为峰峰矿区梧桐庄矿矿井水。试验前测定灌溉用水化学成分，灌溉用水化学成分见表4-1。底墒水和苗期灌水用自来水灌溉。
表4-1　试验灌溉用水成分测定
夏玉米试验处理与冬小麦试验相同，收获冬小麦后播种（品种为邯玉13），玉米播种量为：每盆3穴，每穴2粒，3叶期定苗，定苗后每盆留3株。播前用自来水灌溉，拔节期（大喇叭口期）每盆追施6g尿素，通过称盆和土的重量确定浇水量，当土壤含水量为最大持水量的50%～60%时浇水至90%～100%。作物生长指标测定株高、叶面积、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、生物量（包括鲜重和干重）、产量；品质指标测定常规成分指标。9月测定土壤的养分、盐分、pH和重金属含量。在主要生育期苗期和拔节期、大喇叭口期和成熟期取样测生长指标。
（二）田间试验
田间试验在邯郸市下庄村的农田进行。作物种植制度为小麦-玉米一年两熟。试验小区分块布置，周围为大田作物。小区面积2m×3.3m, 1m深土体四周用土工布防水膜封闭，下不封底。试验设4个处理：Ⅰ．矿井水灌溉（M）；Ⅱ．矿井水与清水（1:1比例）混灌（FMM）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．清水灌溉（CK）。每个小区1个处理，重复3次。每次灌水量相同，均为450m3/hm2。处理间除灌水类型不同外，其余管理措施均相同。
夏玉米试验处理与冬小麦试验相同，全生育期灌溉。夏玉米（品种为邯玉13）播种前灌溉清水（地下水），收获冬小麦后播种。夏玉米播种采用穴播，株距为30cm，行距为50cm, 3叶期间苗，6叶期定苗，拔节期（大喇叭口期）追施尿素225kg/hm2，于9月取土一次，取土深度为0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm，测定土壤养分、盐分及重金属含量。夏玉米分小区实收测定产量和品质。
四、测定项目与方法
1．株高
抽穗之前，利用米尺测定夏玉米茎基部到叶顶端的距离；抽穗之后，测定夏玉米茎基部到穗顶端的距离。
2．叶面积
因冬小麦叶片较小，无法使用叶面积仪，因此通过直尺测定叶长及叶宽，其中叶长是测定叶枕到叶尖，叶宽是指叶片最宽处。采用公式计算叶面积（叶面积=0.78×叶长×叶宽）。
3．生理指标
采用英国PP-System公司生产的CIRAS-Ⅱ型光合测定系统在夏玉米典型晴天进行测定不同生育期的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（EVAP）。测定环境设置光照强度600lx、二氧化碳浓度0.038%、温度25℃、空气相对湿度60 %。
4．生物量
植株鲜重直接在电子天平上称量；测量植株干重时需在恒温烘箱里烘干，首先要在105℃恒温下杀青1h，然后维持75℃恒温下连续烘8h，最后用电子天平测其干重。
5．产量
收获后，测定夏玉米成穗数、穗粒重、百粒重、生物产量及籽粒产量。
6．品质
采用考马斯亮蓝G-250方法测定籽粒粗蛋白；采用中华人民共和国国家标准谷物籽粒粗淀粉测定法（GB5006—85）测定冬小麦籽粒中粗淀粉；采用紫外分光光度法测定冬小麦籽粒中还原型维生素C含量；采用蒽酮法测定冬小麦籽粒中可溶性糖。
五、数据统计分析
采用Excel 2007和SPSS 20.0统计软件对试验材料进行性状间的方差分析。假设检验中，*表示在α=0.05水平上差异达到显著，**表示在α=0.01水平上差异达到显著；多重比较均用LSD法，其中小写字母表示在α=0.05水平上差异达到显著，大写字母表示在α=0.01水平上差异达到显著。
第二节　矿井水灌溉对夏玉米生长发育及品质影响的盆栽试验
一、矿井水灌溉对盆栽夏玉米生长指标的影响
（一）矿井水灌溉对盆栽夏玉米株高和叶面积的影响
从图4-4可以看出，在苗期，盆栽玉米的株高是混灌>清水灌溉>轮灌>矿井水灌溉；4个处理间的叶面积无明显差异，夏玉米没有冬小麦耐盐，出苗后15d后矿井水灌溉处理玉米苗叶片变黄，然后死亡。到拔节期，矿井水灌溉玉米受盐害影响已死亡，清水灌溉的株高和叶面积显著高于混灌和轮灌处理。在成熟期，清水灌的株高和叶面积显著高于混灌和轮灌处理，混灌和轮灌处理间差异不显著。
图4-4　不同灌溉方式对盆栽玉米株高和叶面积的影响
（二）矿井水灌溉对盆栽夏玉米鲜重和干重的影响
表4-2列出了不同灌溉方式下盆栽玉米的植株鲜重和干重。从表4-2可以看出，在苗期，盆栽玉米的植株鲜重和干重为混灌>清水灌溉>轮灌>矿井水灌溉，并且混灌、清水灌溉和轮灌处理间无显著差异，3个处理均显著高于矿井水灌溉；到拔节期，矿井水灌溉玉米受盐害影响已死亡，清水灌溉的植株鲜重和干重显著高于混灌和轮灌处理，混灌和轮灌处理间无显著差异；在成熟期，清水灌溉的植株鲜重和干重显著高于混灌和轮灌处理，混灌和轮灌处理间差异不显著。
表4-2　盆栽玉米的植株鲜重和干重
二、矿井水灌溉对盆栽夏玉米生理特性的影响
不同灌溉方式对盆栽玉米光合速率的影响如图4-5上所示。在苗期，盆栽玉米的光合速率为清水灌溉>混灌>轮灌>矿井水灌溉，各处理间差异显著；在拔节期，矿井灌溉苗已死亡，玉米的光合速率为清水灌溉>混灌>轮灌，各处理间差异显著；在成熟期，玉米的光合速率为清水灌溉>混灌>轮灌，各处理间差异显著。
图4-5　不同灌溉方式对盆栽玉米光合速率和蒸腾速率的影响
不同灌溉方式对盆栽玉米蒸腾速率的影响如图4-5下所示。在苗期，盆栽玉米的蒸腾速率为清水灌溉>混灌>轮灌>矿井水灌溉，各处理间差异显著；在拔节期，矿井灌溉苗已死亡，玉米的蒸腾速率为清水灌溉>混灌>轮灌，清水灌溉处理显著高于混灌和轮灌，而混灌和轮灌处理间差异不显著；在成熟期，玉米的蒸腾速率为清水灌溉>混灌>轮灌，清水灌溉处理显著高于混灌和轮灌，而混灌和轮灌处理间没有显著差异。
三、矿井水灌溉对盆栽夏玉米产量的影响
图4-6是不同灌溉方式对盆栽玉米籽粒产量的影响。由图4-6可见，矿井水灌溉处理的玉米在苗期已经死亡，该处理没有产量。其他3个处理中，玉米单株籽粒重量为清水灌溉>轮灌>混灌，清水灌溉处理显著高于混灌和轮灌，而混灌和轮灌处理间没有显著差异。从试验结果可知，不同灌溉方式对玉米的影响与盆栽冬小麦和大田玉米试验结果都不同，原因是盆栽玉米用的是在中小麦后的土壤，到玉米轮作期，其盐分的积累较高，影响到作物的正常生长，而与大田试验有不同的是盆栽试验在遮雨棚下进行，其不受降雨淋溶的影响。大田试验雨季强烈的淋溶作用使上层土壤中的盐分随降雨向下层迁移。
图4-6　不同灌溉方式对盆栽玉米株粒重的影响
第三节　矿井水灌溉对夏玉米生长发育及品质影响的田间试验
一、矿井水灌溉对夏玉米产量的影响
表4-3列出了矿井水灌溉的田间夏玉米产量及产量性状。与正常井水灌溉的处理相比，矿井水灌溉的处理夏玉米产量及产量性状明显受到抑制。正常井水灌溉的有效穗数、穗长、穗粒重、百粒重及籽粒产量都明显高于矿井水灌溉处理。4个处理中，清水灌溉、混灌和轮灌处理的穗粒重、百粒重及籽粒产量均显著高于矿井水灌溉，清水灌溉、混灌和轮灌3个处理间的产量无显著差异，其中其他各项产量性状指标均以混灌处理为最高。结果表明，高矿化度的矿井水灌溉能够抑制夏玉米的生长发育，降低夏玉米的产量，而混灌处理的水质浓度被稀释，并且水中一定浓度的矿物质还有益于作物的生长，因此，混灌处理的产量还高于井水灌溉。而轮灌处理在灌溉矿井水的时期其矿井水的高矿化度也影响了作物的生长，所以该处理的产量也受到影响。
表4-3　矿井水灌溉对夏玉米产量性状及产量的影响
二、矿井水灌溉对夏玉米品质的影响
矿井水灌溉对夏玉米品质的影响如表4-4所示。从2012—2013年和2013—2014年两个轮作周期试验结果中可以看出，由于玉米生长在雨季灌溉次数减少，第一个轮作周期中玉米品并未收到显著影响，而在2013—2014年轮作中，夏玉米籽粒中的粗淀粉含量4个处理间没有显著差异，但是夏玉米籽粒中可溶性糖、粗蛋白和还原性维生素C的含量均以矿井水灌溉处理为最低，其中2013—2014年轮作周期中清水灌溉、混灌和轮灌处理的夏玉米籽粒中可溶性糖、粗蛋白和还原性维生素C都显著高于矿井水灌溉处理，经过两个轮作周期的试验矿井水灌溉处理的土壤盐分有积累，影响到作物的生长发育。说明高矿化度的矿井水灌溉能够降低冬小麦的品质。4个处理中，可溶性糖、粗蛋白、粗淀粉和还原性维生素C都以混灌处理为最高。
表4-4　矿井水灌溉对夏玉米的籽粒品质的影响
第四节　矿井水灌溉夏玉米对土壤环境的影响
一、矿井水灌溉对盆栽玉米土壤质量的影响
（一）矿井水灌溉对盆栽土壤养分的影响
盆栽试验于2013年6月10日和9月26日土壤养分有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量如表4-5所示。由表4-5中作物收获时土壤养分数据可知，矿井水灌溉处理中土壤中的有机质含量均高于清水处理，表明矿井水所含的悬浮物煤粉及工作人员排泄物可提高土壤有机质含量。4个不同灌溉方式处理中，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的土壤养分均高于清水灌溉。表层土壤养分积累的原因是由于矿井水中含有煤粉、人的排泄物及高浓度的K+等有机物与无机物所致，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的碱解氮和速效钾在土壤中明显高于清水灌溉，这是由于矿井水灌溉可以引起K+向累积，可能导致盐渍化污染的风险。
表4-5　矿井水灌溉对盆栽土壤养分含量的影响
（二）矿井水灌溉对盆栽土壤盐分的影响
表4-6列出了不同灌溉方式对盆栽土壤盐分离子含量的影响。结果表明，盆栽土壤的电导率EC为矿井水灌溉>轮灌>混灌>清水灌溉，矿井水灌溉对EC的增加显著，并且9月26日值高于6月10日并且高于基础样，说明随时间增长和灌溉次数及灌溉水量的增加，盐分积累在增加；在土壤水溶性盐分离子分析中，矿井水灌溉相对于其他3个处理对钾离子含量和钠离子含量有增高作用，矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉（矿井水灌溉吸取水样20mL稀释到50mL）；4个处理土壤中没有测出碳酸根离子，且矿井水灌溉相对于其他3个处理对碳酸氢根离子影响变化不显著；矿井水灌溉相对于其他3个处理对氯离子和硫酸根离子含量有促进作用，结果为矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉。说明矿井水长期不合理灌溉能引起土壤次生盐渍化，影响作物正常生长。
表4-6　矿井水灌溉对盆栽土壤盐分离子含量的影响
（三）矿井水灌溉对盆栽土壤重金属的影响
表4-7列出了不同灌溉方式对盆栽土壤重金属镉和铅离子含量的影响，结果表明，盆栽土壤的镉为矿井水灌溉>混灌>轮灌>基础土样>清水灌溉，矿井水灌溉对重金属镉的增加显著，并且9月26日的土壤镉含量高于6月10日的，说明随时间增长和灌溉次数及灌溉水量的增加，土壤重金属积累在增加；土壤中的重金属铅的积累情况与镉趋势相似。说明矿井水长期不合理灌溉能引起土壤重金属累积，造成土壤重金属污染风险，影响作物正常生长和品质。
表4-7　矿井水灌溉对盆栽土壤重金属的影响
二、矿井水灌溉对大田玉米土壤质量的影响
（一）矿井水灌溉对土壤养分的影响
田间试验于2013年9月10日采集样品土壤养分。土壤剖面中不同土层9月10日土壤养分有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量如图4-7所示。各处理土壤的养分含量在0～10cm和10～20cm的表层土壤均较高，20cm土层以下各土壤养分开始降低，其中有机质、碱解氮和速效磷一直呈下降趋势，直到80～100cm土层为最低值，而土壤速效钾在20～40cm土层出现了一个最低值。4个处理中，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的0～10cm和10～20cm的表层土壤养分均高于清水灌溉，而各处理的土壤有机质和速效磷在20～40cm以下土层差异不明显。表层土壤养分累积的原因是由于矿井水中含有煤粉、人的排泄物及高浓度的K+等有机与无机物所致，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的碱解氮和速效钾在土壤中明显高于清水灌溉，这是由于其中成分随水向下迁移的结果。所以，矿井水灌溉可以引起NO-3和K+向下迁移，可能导致地下水污染的风险。与5月20日土壤相比较，由于经过雨季降水的强烈淋溶，NO-3和K+向下迁移更加明显，在下层土壤中含量更高。
图4-7　矿井水灌溉对大田试验土壤养分的影响
（二）矿井水灌溉对不同土层土壤盐分的影响
田间试验于9月10日采集土样土壤盐分。土壤剖面中不同土层9月10日土壤盐分EC、Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+含量分布特征如图4-8所示。与5月20日土壤盐分含量相比较，由于雨季降雨的强烈淋洗作用，0～20cm表层土壤的盐分含量各处理都有明显降低。4个灌溉处理中，清水灌溉0～20cm表土层土壤的EC和Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+含量甚至低于试验前土壤，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的40cm土层以下的土壤盐分均高于5月20日土壤，这也是降雨淋溶的结果。矿井水灌溉处理的EC和Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+含量在0～100cm土层中的也高于其他处理的土壤，所以高矿化度的矿井水灌溉可以引起Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+在整个土体中增加并向下迁移，长期不合理矿井水灌溉可以引起土壤的次生盐渍化，也可能导致地下水污染的风险。
图4-8　不同灌溉方式对大田试验土壤盐分的影响
（三）矿井水灌溉对土壤微生物的影响
土壤微生物含量可通过平板培养记数法测定。将样品制作成一系列不同浓度的稀释液，使样品中的微生物细胞充分分散，形成单个细胞存在。然后取一定量的稀释液接种，均匀分布在特定的培养基上。经过培养后，由单个微生物生长繁殖形成菌落。根据平板上的菌落数计算样品中的微生物活菌数量。其中采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基用于测定细菌，马铃薯琼脂培养基用于测定真菌，淀粉琼脂培养基用于测定放线菌等。每克干样品含菌数=［菌落平均数×稀释倍数］/［接种量毫升数×（1-含水量）］土壤中的微生物种类繁多，数量极大，每克肥沃土壤中通常含有几亿到几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也含有几百万至几千万个微生物。一般说来，土壤越肥沃，微生物种类和数量越多。土壤中的微生物以细菌数量最多，细菌占土壤微生物总量的70%～90%，放线菌的数量仅次于细菌。土壤中的真菌有许多能分解纤维素、木质素和果胶等，对自然界物质循环起重要作用。真菌菌丝的积累，能使土壤的物理结构得到改善。放线菌能产生抗生素。固氮菌能固定空气中的氮，成为自身的蛋白质。总之，土壤中的微生物对增加土壤肥力、改善土壤结构、促进自然界的物质循环具有重要作用。
表4-8为大田试验经过两个轮作周期试验后不同灌溉方式的土壤微生物数据。从中可以看出，土壤微生物量变化明显，0～20cm的表层土壤中好气性细菌、真菌和放线菌的数量为混灌>轮灌>清水灌溉>矿井水灌溉，进一步说明矿化度高的矿井水灌溉，由于提高了盐分，抑制了土壤微生物生长，而混灌和轮灌适宜的盐分及有机物含量有益于土壤微生物的生长，清水灌溉与试验前土壤相比无明显差异。
表4-8　不同灌溉方式对大田试验土壤微生物区系的影响
第五章　矿井水灌溉对蔬菜的影响
第一节　试验方法与设计
一、研究材料
矿井水灌溉对蔬菜的盆栽试验和大田试验于2014年9月至2015年7月在河北工程大学的温室中进行；土壤及植物样品分析试验在河北工程大学水电学院土壤物理实验室和水土资源利用与环境实验室进行；土柱模拟试验在河北工程大学水电学院灌溉试验场遮雨棚下进行，灌溉用水水质分析见表5-1。供试蔬菜作物为油菜、番茄，油菜品种为冬常青，番茄品种为佳粉10号。
表5-1　试验灌溉用自来水和矿井水的化学分析
二、试验设计与方法
（一）矿井水灌溉蔬菜的盆栽试验
试验用盆为内径35cm、高38cm的塑料盆，每盆装土18kg，底肥施尿素、硫酸钾和过磷酸钙。种植油菜，品种为冬常青，追施肥料为尿素，各处理施肥量和施肥时间相同，通过称盆重确定灌水量，当土壤含水量为最大持水量的50%～60%时浇水至90%～100%。根据矿井水灌溉试验设为4个处理：Ⅰ．清水灌溉（CK）；Ⅱ．矿井水灌溉（M）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．矿井水与清水（1:1比例）混灌（FMM）。每个处理重复4次。灌溉用清水为自来水，矿井水为峰峰矿区梧桐庄矿的矿井排水，试验前测定灌溉用水化学成分。收获油菜测定产量，维生素C、粗蛋白、可溶性糖、氨基酸、硝酸盐和亚硝酸盐等成分含量和重金属指标。测定土壤的盐分、pH和重金属含量。
（二）矿井水灌溉蔬菜的田间试验
试验在河北工程大学温室进行。土壤质地为轻壤土，底肥施尿素、硫酸钾和过磷酸钙。追施肥料为尿素。各处理施肥量和施肥时间相同。种植番茄，品种为佳粉10号。试验小区并排布置随机排列。小区面积2m×3m, 1m土体四周用土工布封闭，下不封底。试验设4个处理：Ⅰ．清水灌溉（CK）；Ⅱ．矿井水灌溉（M）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．矿井水与清水（1:1比例）混灌（FMM）。每个处理重复3次。灌溉用清水为自来水，矿井水为峰峰矿区梧桐庄矿的矿井排水，试验前测定灌溉用水化学成分。灌溉方法采用滴灌，毛管间距60cm，滴头间距30cm。全生育期灌溉，各处理每次灌水量相同，均为300m3/hm2。处理间除灌水类型不同外，其余管理措施均相同。分别于种植前和收获期各取土1次，取土深度为0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm，测定土壤盐分及重金属含量。番茄分区实收，测定番茄的产量，维生素C、粗蛋白、可溶性糖、氨基酸、硝酸盐和亚硝酸盐等成分含量和重金属指标。
第二节　矿井水灌溉对盆栽油菜产量及品质的影响
一、矿井水灌溉对油菜产量和含水量的影响
（一）对油菜产量的影响
表5-2数据表明，3茬油菜矿井水灌溉处理的单位面积产量分别为480g/盆、305g/盆和220g/盆，与清水灌溉处理相比，产量变幅为-21.7%、-46.0%和-63.7%，第三茬油菜由于土壤盐分累积过多的危害，出现油菜死苗现象；3茬油菜混灌处理的单位面积产量分别为660g/盆、550g/盆和471g/盆，与清水灌溉处理相比，产量变幅为7.67%、-2.65%和-22.3%；3茬油菜轮灌处理的单位面积产量分别为615g/盆、502g/盆和433g/盆，与清水灌溉处理相比，产量变幅为0.33%、-11.2%和-28.6%。矿井水灌溉显著降低油菜的产量，而混灌和轮灌第一茬可以增加油菜的产量，但是随着油菜种植茬口数的增加，盆栽土壤盐分无任何淋洗迁移，混灌和轮灌处理土壤盐分累积增加，导致蔬菜减产，第三茬油菜显著减产。
表5-2　不同处理油菜产量（g/盆）
（二）对油菜含水量的影响
由表5-3可知，3茬油菜矿井水灌溉处理的含水量分别为95.3%、93.4%和92.1%，与清水灌溉处理相比，产量变幅为-1.85%、-3.31%和-4.36%；3茬油菜混灌处理的含水量分别为97.2%、95.7%和94.3%，与清水灌溉处理相比，含水量变幅为0.10%、-0.93%和-2.08%；3茬油菜轮灌处理的含水量分别为96.8%、95.3%和94.1%，与清水灌溉处理相比，含水量变幅为-0.31%、-1.35%和-2.29%。由于灌溉矿井水增加了土壤含盐量，矿井水灌溉的油菜含水量降低，并随种植茬口增加油菜含水量有降低趋势，试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉对油菜含水量影响无显著差异。
表5-3　不同处理油菜含水量（%）
二、矿井水灌溉对油菜品质的影响
（一）对油菜可溶性糖含量的影响
表5-4列出的不同处理油菜可溶性糖含量数据表明，3茬油菜矿井水灌溉处理的可溶性糖含量分别为0.806%、0.591%和0.541%，与清水灌溉处理相比，可溶性糖含量变幅为-0.9%、-8.37%和-11.7%，矿井水灌溉降低油菜的可溶性糖含量，第一茬对油菜可溶性糖含量不显著，第二、三茬随着盆栽土壤盐分累积，差异显著；3茬油菜混灌处理的可溶性糖含量分别为0.828%、0.649%和0.608%，与清水灌溉处理相比，可溶性糖含量变幅为1.60%、0.47%和-0.82%；3茬油菜轮灌处理的可溶性糖含量分别为0.829%、0.643%和0.604%，与清水灌溉处理相比，可溶性糖含量变幅为1.72%、-0.31%和-1.47%。对试验数据的统计分析表明，混灌和轮灌处理灌溉对油菜可溶性糖含量无显著影响。
表5-4　不同处理油菜可溶性糖含量（%）
（二）对油菜维生素C含量的影响
表5-5列出的不同处理油菜维生素C含量数据表明，3茬油菜混灌处理的油菜维生素C含量分别为3.57mg/kg、3.05mg/kg和2.76mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜维生素C含量变幅为3.48%、3.74%和-3.83%，前两茬提高维生素C含量，第三茬降低维生素C含量，差异不显著；3茬油菜轮灌处理的油菜维生素C含量分别为3.51mg/kg、2.87mg/kg和2.73mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜维生素C含量变幅为1.74%、-2.38%和-4.88%，第一茬提高维生素C含量，第二、三茬降低维生素C含量，差异不显著；3茬油菜矿井水灌溉处理的油菜维生素C含量分别为3.16mg/kg、2.66mg/kg和2.52mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜维生素C含量变幅为-8.41%、-9.52%和-12.3%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉显著降低油菜维生素C含量，随着茬口增加降低油菜维生素C含量越多。
表5-5　不同处理油菜维生素C含量（mg/kg）
（三）对油菜粗蛋白含量的影响
表5-6列出的不同处理油菜粗蛋白含量数据表明，3茬油菜混灌处理的油菜粗蛋白含量分别为0.331%、0.312%和0.309%，与清水灌溉处理相比，油菜粗蛋白含量变幅为1.53%、0.32%和-3.74%，无显著影响；3茬油菜混灌处理的油菜粗蛋白含量分别为0.329%、0.306%和0.304%，与清水灌溉处理相比，油菜粗蛋白含量变幅为0.92%、-1.61%和-5.30%，无显著影响；3茬油菜矿井水灌溉处理的油菜粗蛋白含量分别为0.313%、0.291%和0.281%，与清水灌溉处理相比，油菜粗蛋白含量变幅为-3.99%、-6.43%和-12.5%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉降低油菜粗蛋白含量，第三茬差异显著。
表5-6　不同处理油菜粗蛋白含量（%）
（四）对油菜氨基酸含量的影响
表5-7列出的不同处理油菜氨基酸含量数据表明，3茬油菜混灌处理的油菜氨基酸含量分别为4270mg/kg、4175mg/kg和4170mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜氨基酸含量变幅为1.79%、0.94%和-2.00%，混灌处理对油菜氨基酸含量无显著影响；3茬油菜轮灌处理的油菜氨基酸含量分别为4265mg/kg、4141mg/kg和4125mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜氨基酸含量变幅为1.67%、0.12%和-3.06%，轮灌处理对油菜氨基酸含量无显著影响；3茬油菜矿井水灌溉处理的油菜氨基酸含量分别为3940mg/kg、3695mg/kg和3690mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜氨基酸含量变幅为-5.24%、-10.66%和-13.27%。对试验数据的统计分析表明，随着种植油菜茬口的增加矿井水灌溉显著降低油菜氨基酸含量。
表5-7　不同处理油菜氨基酸含量（mg/kg）
（五）对油菜粗纤维含量的影响
表5-8列出的不同处理油菜粗纤维含量数据表明，3茬油菜混灌处理的油菜粗纤维含量分别为0.74%、0.73%和0.75%，与清水灌溉处理相比，油菜粗纤维含量变幅为-2.63%、5.80%和5.63%，随着茬口的增加混灌有增加油菜粗纤维含量的趋势；3茬油菜轮灌处理的油菜粗纤维含量分别为0.78%、0.73%和0.76%，与清水灌溉处理相比，油菜粗纤维含量变幅为2.63%、5.80%和7.04%；随着茬口的增加轮灌明显增加油菜粗纤维含量；3茬油菜矿井水灌溉处理的油菜粗纤维含量分别为0.80%、0.79%和0.83%，与清水灌溉处理相比，油菜粗纤维含量变幅为5.26%、14.49%和16.9%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉显著提高油菜粗纤维含量。
表5-8　不同处理油菜粗纤维含量（%）
（六）对油菜硝酸盐含量的影响
表5-9列出的不同处理油菜硝酸盐含量数据表明，3茬油菜混灌处理的油菜硝酸盐含量分别为850mg/kg、751mg/kg和699mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜硝酸盐含量变幅为-1.51%、0.54%和0.72%；3茬油菜轮灌处理的油菜硝酸盐含量分别为852mg/kg、740mg/kg和705mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜硝酸盐含量产量变幅为-1.28%、0.94%和2.88%；3茬油菜矿井水灌溉处理的油菜硝酸盐含量分别为875mg/kg、755mg/kg和711mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜硝酸盐含量变幅为1.39%、1.10%和2.30%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉对油菜硝酸盐含量无显著影响。
表5-9　不同处理油菜硝酸盐含量（mg/kg）（地方标准3000mg/kg）
（七）对油菜亚硝酸盐含量的影响
表5-10列出来的不同处理油菜亚硝酸盐含量数据表明，3茬油菜混灌处理的油菜亚硝酸盐含量分别为0.040mg/kg、0.041mg/kg和0.038mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜亚硝酸盐含量变幅为14.3%、17.1%和15.2%；3茬油菜轮灌处理的油菜亚硝酸盐含量分别为0.041mg/kg、0.039mg/kg和0.042mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜亚硝酸盐含量变幅为17.1%、11.4%和20.0%；3茬油菜矿井水灌溉处理的油菜亚硝酸盐含量分别为0.042mg/kg、0.043mg/kg和0.043mg/kg，与清水灌溉处理相比，油菜亚硝酸盐含量变幅为20.0%、22.9%和30.3%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉各处理显著提高油菜亚硝酸盐含量但是都远低于国家卫生标准4.0mg/kg。
表5-10　不同处理油菜亚硝酸盐含量（mg/kg）
三、矿井水灌溉对油菜重金属含量的影响
（一）对油菜重金属Pb含量的影响
表5-11中3茬油菜的盆栽试验数据表明，与清水灌溉相比较，矿井水灌溉各处理显著增加了油菜重金属Pb的含量，随着栽培茬口的增加蔬菜重金属Pb含量有增加趋势，油菜重金属Pb含量为矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉，但是，油菜的重金属含量远低于无公害蔬菜标准0.2mg/kg。
表5-11　不同处理油菜重金属Pb含量（mg/kg）
（二）对油菜重金属Cd含量的影响
表5-12中3茬油菜的盆栽试验数据表明，与清水灌溉相比较，矿井水灌溉各处理显著增加了油菜重金属Cd的含量，随着栽培茬口的增加蔬菜重金属Cd含量有提高趋势，油菜重金属Cd含量为矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉，但是油菜的重金属Cd含量都不超过无公害蔬菜标准限值0.05mg/kg。
表5-12　不同处理油菜重金属Cd含量（mg/kg）
第三节　矿井水灌溉对番茄产量及品质的影响
一、矿井水灌溉对番茄产量和含水量的影响
（一）对番茄产量的影响
表5-13矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬油菜混灌处理的单位面积产量分别为5.98kg/m2、5.82kg/m2和4.72kg/m2，与清水灌溉处理相比，产量变幅为5.47%、-4.90%和-16.90%；3茬番茄轮灌处理的单位面积产量分别为5.86kg/m2、5.79kg/m2和4.53kg/m2，与清水灌溉处理相比，产量变幅为3.35%、-5.39%和-20.25%；3茬番茄矿井水灌溉处理的单位面积产量分别为4.82kg/m2、3.62kg/m2和2.42kg/m2，与清水灌溉处理相比，产量变幅为-14.99%、-40.85%和-57.39%。说明矿井水灌溉显著降低番茄的产量，而混灌和轮灌可以增加番茄的产量，但是随着番茄种植茬口数的增加，土壤处理盐分累积增加，也导致番茄减产。
表5-13　不同处理番茄产量（kg/m2）
（二）对番茄含水量的影响
表5-14矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的果实含水量分别为94.0%、94.5%和94.1%，与清水灌溉处理相比，含水量变幅为-0.31%、-0.32%和-1.05%；3茬番茄轮灌处理的果实含水量分别为94.2%、94.3%和94.0%，与清水灌溉处理相比，含水量变幅为-0.11%、-0.53%和-1.16%；3茬番茄矿井水灌溉处理的果实含水量分别为93.7%、93.1%和92.6%，与清水灌溉处理相比，含水量变幅为-0.64%、-1.79%和-2.63%。说明矿井水灌溉各处理降低了番茄的含水量，试验数据的统计结果表明，处理间差异不显著。
表5-14　不同处理番茄含水量（%）
二、矿井水灌溉对番茄品质的影响
（一）对番茄可溶性糖含量的影响
表5-15矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的可溶性糖含量分别为2.83%、2.63%和2.51%，与清水灌溉处理相比，可溶性糖含量变幅为10.55%、3.95%和-4.92%；3茬番茄轮灌处理的可溶性糖含量分别为2.57%、2.50%和2.46%，与清水灌溉处理相比，可溶性糖含量变幅为0.39%、-1.19%和-6.81%；3茬番茄矿井水灌溉处理的可溶性糖含量分别为2.46%、2.42%和2.33%，与清水灌溉处理相比，可溶性糖含量变幅为-3.91%、-4.35%和-11.74%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉可降低番茄可溶性糖含量。
表5-15　不同处理番茄可溶性糖含量（%）
（二）对番茄维生素C含量的影响
表5-16矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的维生素C含量分别为127mg/kg、119mg/kg和115mg/kg，与清水灌溉处理相比，维生素C含量变幅为4.96%、4.39%和-2.54%；3茬番茄轮灌处理的维生素C含量分别为123mg/kg、115mg/kg和111mg/kg，与清水灌溉处理相比，维生素C含量变幅为1.65%、0.88%和-5.93%；3茬番茄矿井水灌溉处理的维生素C含量分别为118mg/kg、110mg/kg和107mg/kg，与清水灌溉处理相比，维生素C含量变幅为-2.48%、-3.51%和-9.32%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉可降低番茄维生素C含量，第一、二茬对番茄维生素C含量无显著影响，但是，随着种植茬口的增加盐分积累，到第三茬显著影响番茄维生素C含量。
表5-16　不同处理番茄维生素C含量（mg/kg）
（三）对番茄粗蛋白含量的影响
表5-17矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的粗蛋白含量分别为0.131%、0.130%和0.118%，与清水灌溉处理相比，粗蛋白含量产量变幅为3.97%、-2.26%和-6.35%；3茬番茄轮灌处理的粗蛋白含量分别为0.127%、0.128%和0.117%，与清水灌溉处理相比，粗蛋白含量变幅为0.79%、-3.76%和-7.14%；3茬番茄矿井水灌溉处理的粗蛋白含量分别为0.119%、0.117%和0.110%，与清水灌溉处理相比，粗蛋白含量变幅为-5.56%、-12.03%和-12.70%。对试验数据的统计分析表明，混灌和轮灌对番茄粗蛋白含量无显著影响，矿井水灌溉显著降低番茄粗蛋白含量。
表5-17　不同处理番茄粗蛋白含量（%）
（四）对番茄氨基酸含量的影响
表5-18矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的氨基酸含量分别为275mg/kg、255mg/kg和238mg/kg，与清水灌溉处理相比，氨基酸含量变幅为2.23%、1.59%和-2.06%；3茬番茄轮灌处理的氨基酸含量分别为271mg/kg、250mg/kg和236mg/kg，与清水灌溉处理相比，氨基酸含量变幅为0.74%、-0.40%和-2.88%；3茬番茄矿井水灌溉处理的氨基酸含量分别为263mg/kg、239mg/kg和221mg/kg，与清水灌溉处理相比，氨基酸含量变幅为-2.23%、-4.78%和-9.05%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉各处理第一、二茬对番茄氨基酸含量无显著影响，但是，随着种植茬口的增加盐分积累，到第三茬显著影响番茄氨基酸含量。
表5-18　不同处理番茄氨基酸含量（mg/kg）
（五）对番茄粗纤维含量的影响
表5-19矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的粗纤维含量分别为16.9%、16.9%和16.9%，与清水灌溉处理相比，粗纤维含量变幅为4.3%、4.3%和4.3%；3茬番茄轮灌处理的粗纤维含量分别为16.9%、16.5%和16.5%，与清水灌溉处理相比，粗纤维含量变幅为1.9%、1.9%和1.9%；3茬番茄矿井水灌溉处理的粗纤维含量分别为16.1%、16.1%和16.1%，与清水灌溉处理相比，粗纤维含量变幅为-0.6%、-0.6%和-0.6%。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉对番茄粗纤维含量无显著影响。
表5-19　不同处理番茄粗纤维含量（%）
（六）对番茄硝酸盐含量的影响
表5-20矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄混灌处理的硝酸盐含量分别为14.4mg/kg、11.3mg/kg和10.9mg/kg，与清水灌溉处理相比，硝酸盐含量变幅为3.60%、-2.66%和5.83%；3茬番茄轮灌处理的硝酸盐含量分别为14.2mg/kg、12.1mg/kg和10.8mg/kg，与清水灌溉处理相比，硝酸盐含量变幅为2.15%、4.31%和4.85%；3茬番茄矿井水灌溉处理的硝酸盐含量分别为14.7mg/kg、12.2mg/kg和10.9mg/kg，与清水灌溉处理相比，硝酸盐含量变幅为5.76%、5.17%和5.83%；矿井水灌溉各处理的番茄硝酸盐含量均远低于3000mg/kg的蔬菜标准限值。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉对番茄硝酸盐含量无显著影响。
表5-20　不同处理番茄硝酸盐含量（mg/kg）（地方标准3000mg/kg）
（七）对番茄亚硝酸盐含量的影响
表5-21矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，3茬番茄矿井水灌溉、混灌、轮灌和清水灌溉处理的番茄亚硝酸盐含量均为较低水平。对试验数据的统计分析表明，矿井水灌溉对番茄亚硝酸盐含量无显著影响。
表5-21　不同处理番茄亚硝酸盐含量（mg/kg）
三、矿井水灌溉对番茄重金属含量的影响
（一）对番茄重金属Pb含量的影响
表5-22矿井水灌溉番茄的田间试验结果表明，矿井水灌溉各处理显著增加了番茄重金属Pb含量，各处理的番茄重金属Pb含量为矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉，随栽培茬口的增加番茄重金属Pb含量有提高趋势，但是，番茄的重金属Pb含量不超过无公害蔬菜标准0.2mg/kg。
表5-22　不同处理番茄重金属Pb含量（mg/kg）
（二）对番茄重金属Cd含量的影响
表5-23中3茬番茄的田间试验数据表明，矿井水灌溉各处理显著增加了番茄重金属Cd含量，随栽培茬口的增加番茄重金属Cd含量有提高趋势，番茄重金属Cd含量为矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉，但是，番茄的重金属Cd含量除第二、三茬矿井水灌溉处理外均未超过无公害蔬菜标准0.05mg/kg。
表5-23　不同处理番茄重金属Cd含量（mg/kg）
第四节　矿井水灌溉蔬菜对土壤环境质量的影响
一、矿井水灌溉油菜的盆栽试验
（一）对土壤盐分的影响
表5-24列出不同灌溉方式对盆栽油菜土壤电导率及盐分离子含量的影响。3茬矿井水灌溉油菜的盆栽试验结果表明，盆栽土壤的电导率EC为矿井水灌溉>轮灌>混灌>清水灌溉，矿井水灌溉对EC的增加显著，并且随着种植茬口的增加，矿井水灌溉各处理的土壤盐分呈增加趋势，说明随时间增长和灌溉次数及灌溉水量的增加，盐分积累在增加；在土壤水溶性盐分离子分析中，矿井水灌溉相对于其他3个处理对钾离子含量和钠离子含量有增高作用，矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉；4个处理土壤中没有测出碳酸根离子，且矿井水灌溉相对于其他3个处理对碳酸氢根离子影响变化不显著；矿井水灌溉相对于其他3个处理对氯离子和硫酸根离子含量有促进作用，结果为矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉。矿井水长期不合理灌溉能引起土壤次生盐渍化，会影响油菜正常生长。
表5-24　矿井水灌溉对盆栽土壤盐分离子含量的影响
（二）对土壤重金属含量的影响
表5-25列出不同灌溉方式对盆栽油菜土壤重金属Cd和Pb离子含量的影响，结果表明，盆栽土壤的Cd为矿井水灌溉>混灌>轮灌>基础土样>清水灌溉，矿井水灌溉对重金属Cd和Pb的增加显著，并且3茬土壤随着种植油菜茬口的增加重金属Cd和Pb成累计增长趋势，说明随时间增长和灌溉次数及灌溉水量的增加，土壤重金属Cd和Pb积累在增加；土壤中的重金属Pb的积累情况与Cd趋势相似。虽然数值未超过温室土壤标准的限值Cd0.4mg/kg和Pb50mg/kg，含重金属矿井水长期不合理灌溉能引起土壤重金属累积污染，矿井水灌溉处理的土壤重金属Cd已接近标准限值，造成土壤重金属Cd污染风险，影响油菜正常生长和品质。
表5-25　矿井水灌溉对盆栽土壤重金属的影响
二、矿井水灌溉番茄的田间试验
（一）对土壤盐分的影响
3茬番茄收获后田间试验土壤剖面中不同土层2015年7月25日土壤电导率EC列于表5-26中。表中数据表明，对温室菜地土壤来说，由于没有经过雨季的强降雨淋溶，40cm深以上土层的矿井水灌溉处理的土壤盐分含量累积增加明显，说明长期不合理矿井水灌溉可以引起土壤的次生盐渍化。
表5-26　矿井水灌溉蔬菜的田间土壤盐分
（二）对土壤重金属Cd和Pb的影响
3茬番茄收获后田间试验土壤剖面中不同土层7月25日土壤重金属Cd含量列于表5-27中，表中数据表明，对温室菜地土壤来说，由于没有经过雨季的强降雨淋溶，40cm深以上土层的矿井水灌溉处理的土壤重金属Cd含量累积增加明显，长期不合理矿井水灌溉可以引起土壤的重金属Cd污染，矿井水灌溉处理的表层0～20cm土壤中重金属Cd含量已接近或超过限值0.4mg/kg，存在重金属Cd污染风险。
表5-27　矿井水灌溉蔬菜的田间土壤重金属Cd含量
3茬番茄收获后田间试验土壤剖面中不同土层7月25日土壤重金属Pb含量列于表5-28中。表中数据表明，对温室菜地土壤来说，由于没有经过雨季的强降雨淋溶，40cm深以上土层的矿井水灌溉处理的土壤重金属Pb含量累积增加明显，说明长期不合理矿井水灌溉可以引起土壤的重金属Pb在土体中累积。从整个土体来说，矿井水灌溉处理的土壤重金属Pb含量还远未达到温室土壤重金属Pb含量限值50mg/kg，从试验结果来分析，矿井水灌溉不会引起土壤重金属Pb污染。
表5-28　矿井水灌溉蔬菜的田间土壤重金属Pb含量
第六章　矿井水灌溉的土柱模拟试验研究
第一节　试验方法与设计
一、试验设计
本试验研究不同矿井水灌溉次数以及不同矿井水比例灌溉对冬小麦种植土壤环境的影响。试验设4个处理：Ⅰ．矿井水灌溉（M）；Ⅱ．矿井水与清水（1:1比例）混灌（FMM）；Ⅲ．矿井水与清水轮灌（MFR）；Ⅳ．清水灌溉（CK）。
土柱模拟试验灌溉（图6-1）次数为6次，模拟检测时段分别为：第一次、第二次、第三次、第四次、第五次、第六次。模拟邯郸地区的降水和灌溉规律，每次都将土柱灌水至田间持水量，土壤含水量下限控制在田间持水量的70%。每次灌水前都使用精确到0.5g的电子天平称重，然后计算灌水量。待前次灌水的土壤干燥后，再灌下次水，如此连续浇灌，直至模拟的灌水次数。模拟土柱使用内径15cm、高100cm的硬质PVC管。土柱底部装填2cm的石英砂过滤层，风干土壤过2mm筛后，分层填装，边填装边夯实，以容重为1.30g/cm3分层装填，此容重与大田容重相近，装土深度为80cm。模拟试验区光照、通风条件，试验在河北工程大学水土工程试验场遮雨棚下进行。于2014年3月13日开始土柱试验。每个土柱在开始第一次灌水时施尿素3g、磷酸二铵3g。灌溉水化学性质如表6-1。
图6-1　矿井水灌溉模拟试验土柱
表6-1　井水、自来水和矿井水的化学分析
二、测定项目与方法
土柱灌溉到指定次数时进行采样，将土柱截成5段，模拟距表层0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm。每段用2个容重环取原状土测定土壤容重，其余土样风干并经过碾碎且过1mm筛用于测定其他理化性质。
大田试验利用取土钻进行取土，分别取距表层0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm土壤。风干后经碾碎且过1mm筛用于测定其理化性质。
土壤养分测定：将提取的土样过1mm筛，充分混匀后，选取适量土壤样品进行测定。采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定土壤有机质；用碱解扩散法测定土壤中碱解氮含量；用0.5mol/L NaHCO3法测定中性和石灰性土壤速效磷；以NH4OAc为浸提剂，利用火焰光度法测定土壤速效钾。
土壤可溶性盐测定：将提取的土样经碾碎且过1mm筛，按1:5土水比与不含二氧化碳的蒸馏水混合，充分振荡摇匀并过滤，取上层清液测定相关的土壤化学性质。采用PHBJ-260便携式pH计对土壤溶液pH进行实测；采用电导法测定土壤水溶性盐总量，利用DDS-307电导率仪测定土壤水溶液电导率从而推导出水溶性盐总量；采用EDTA滴定法对土壤中水溶性Ca2+和Mg2+进行测定；采用火焰光度法对土壤中K+和Na+进行测定，利用FP6400型号火焰光度计测定；采用双指示剂-中和滴定法对土壤中CO2-3和HCO-3进行测定；采用AgNO3滴定法对土壤中Cl-进行测定；采用硫酸钡比浊法（GB7871—87）对土壤中SO2-4进行测定。具体分析方法见《土壤农化分析》。
土壤中重金属离子测定：将土样经碾碎且过1mm筛，采用盐酸—硝酸—氢氟酸—高氯酸全分解的方法对土壤样品进行高温平板消煮，利用AA-7000系列原子吸收分光光度计对消煮液进行分析，测定土壤中重金属元素镉、铅的含量。
第二节　矿井水灌溉条件下土壤养分迁移规律
土柱模拟试验土壤剖面中不同土层土壤养分有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量变化特征如图6-2所示。
从图6-2中可以看出，与大田试验结果相似，各处理土壤的土壤养分含量在0～10cm和10～20cm的表层土壤均较高，20cm土层以下各土壤养分开始降低，其中有机质、碱解氮和速效磷一直呈下降趋势，直到80～100cm土层为最低值，而土壤速效钾在20～40cm土层出现了一个最低值。4个矿井水灌溉处理中，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的0～10cm和10～20cm的表层土壤养分均高于清水灌溉，而各处理的土壤有机质和速效磷在20～40cm以下土层差异不明显。表层土壤养分积累的原因是由于矿井水中含有煤粉、人的排泄物及高浓度的钾离子等有机与无机物所致，由于煤粉中含有一定量的腐殖酸成分，这样对提高表层土壤有机质含量有一定作用。矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的碱解氮和速效钾在0～100cm土层的土壤中高于清水灌溉，且均以矿井水灌溉为最高值，所以矿井水灌溉可以引起NO-3和K+向下迁移，可能导致地下水污染的风险。
图6-2　土壤养分的运移累积特征
第三节　矿井水灌溉条件下土壤盐分迁移规律
一、对土壤EC、pH的影响
土柱模拟试验土壤剖面中不同土层土壤盐分EC和pH的分布特征如图6-3所示。各处理的土壤盐分含量除清水灌溉外，其他几个处理0～80cm土层土壤的EC和各盐分离子浓度均高于试验前土壤。4个灌溉处理中，清水灌溉40cm土层以下的EC较试验前土壤无明显差异，矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的0～80cm的表层土壤盐分均高于清水灌溉和试验前土壤，并且通体土层以矿井水灌溉处理的EC最高。各处理的pH变化0～10cm土层最低，10cm以下土层的pH相差不明显，且都高于表层。
图6-3　对电导率EC、pH的影响
二、对土壤盐分离子的影响
土柱模拟试验土壤剖面中不同土层土壤盐分Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+含量分布特征如图6-4所示。
矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+含量在0～80cm土层中的也高于清水灌溉和试验前土壤，而且矿井水灌溉处理显著高于其他几个处理。这是由于其中盐分离子都可以随水向下迁移的结果。所以，高矿化度的矿井水灌溉可以引起Cl-、HCO-3、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+向下迁移，长期不合理灌溉可以引起土壤的次生盐渍化，也可能导致地下水污染的风险。
图6-4　土壤盐分的运移累积特征
第四节　矿井水灌溉条件下土壤重金属运移规律
图6-5是矿井水灌溉土柱模拟试验的重金属Cd和Pb在土柱中的运移累积结果。从图中可以看出，经6次灌溉后，灌溉含重金属Cd和Pb的矿井水灌溉、混灌和轮灌处理的0～80cm土层土壤中，Cd和Pb含量均高于灌溉自来水的土壤，并且以表层土壤中Cd和Pb含量为最高，越是下层土壤其重金属Cd和Pb的含量越低，说明灌溉水中的重金属Cd和Pb会随灌溉水向下层土壤迁移的，并且可以迁移到80cm土层以下，这样既可以造成土壤污染，也可以引起地下水污染的风险，所以在用矿井水灌溉时一定要控制矿井水中的重金属浓度，以防止土壤和地下水体的污染。
图6-5　矿井水灌溉对土壤重金属的剖面分布特征的影响
第五节　煤矿区复垦土壤的水分特性
一、土壤水分特征参数的测定
（一）煤矸石样品采集与制备
1．样品采集
本课题选择冀中能源峰峰集团新三矿区风化20年的煤矸石山为研究对象。煤矸石的具体采样过程如下：煤矸石样的采集根据煤矸石山堆放的形状进行采样布点，在煤矸石山的底部（距地面1m以上）、山腰和山顶分别采样，并且表层和下层都要采样，每处采集的样品不少于25kg，在现场混合后置于样品袋中封存，并标明采样日期、采样地点、采样深度、采样人等项目。同理，采取普通黄土样品25kg。样品采集过程如图6-6所示。
图6-6　复垦土壤样品采集
2．样品制备
从野外取回的煤矸石和普通黄土样品放在阴凉干燥通风、无特殊的气体（如氯气、氨气、二氧化硫等）、无灰尘污染的室内自然风干。风干的过程中应除去植物根系和石块等杂质。将煤矸石以及煤矸石与土壤按质量比3:7、5:5、7:3混合均匀后的混合样作为试验材料。试验在河北工程大学土壤物理实验室内进行。
（二）煤矸石基质土壤含水量
土壤含水量是表征土壤水分状况的一个物理指标。它有多种表达方式，其中土壤质量含水量应用最为广泛，即土壤水分的质量与干土质量之比。土壤含水量采用烘干法测定。
仪器设备：烘箱，电子天平（感量0.01g），铝盒。
操作步骤：
（1）取6个不同处理土样20g放入已知重量的铝盒内立即盖好盒盖，称量。称量结果为湿土质量加上铝盒质量。
（2）揭开盒盖，将试样和铝盒放入烘箱，在110℃恒温下烘干到恒重。
（3）将烘干后的试样和铝盒取出盖好盒盖，称量。称量结果为干土质量加上铝盒质量。称量精度至0.01g。
土壤含水量的计算公式为：
土壤含水量（%）=（土壤水质量/干土质量）×100
具体试验数据见表6-2。
表6-2　煤矸石基质土壤物理特征参数
（三）煤矸石基质土壤孔隙度
土壤孔隙性是土壤固体颗粒之间形成的不同形态和大小孔隙数量、比例以及分布状况的总称。孔隙的大小及比例适宜，可协调土壤中水、肥、气、热状况，不仅能同时满足作物对水分及空气的需求，而且有利于养分的释放和积累及根系的伸展，使作物能高产稳产，对农业生产有显著影响。
土壤孔隙度是指单位容积土壤中孔隙容积所占的分数或百分数。大体上，质地较粗的土壤孔隙度较低，细质地土壤正好相反；团聚较好的土壤和松散的土壤，孔隙度较高，前者粗细孔隙的比例较适合作物的生长。孔隙度不仅影响土壤的通气状况，而且反映土壤松紧度和结构状况的好坏。通过土壤总孔隙度，可分析土壤的结构及土壤的持水性能。
土壤孔隙度一般不直接测定，而是根据土壤比重和容重计算求得。
土壤孔隙度的计算公式为：
土壤孔隙度（%）=（1-容重/比重）×100
如未测定土壤比重，可直接用土壤容重通过经验式计算土壤的孔隙度：
Pt（%）=93.947-32.995ρb
式中：ρb为土壤的容重，g/cm3。
煤矸石基质土壤物理特征参数见表6-2。从表中可以看出，煤矸石风化物含水量较小，孔隙度较低。具体表现为：煤矸石基质土壤水分测定结果看出，煤矸石山水分条件较差，山顶矸石含水量为4.53%，山腰矸石含水量为5.07%，山脚矸石含水量为6.32%，说明煤矸石的保水持水能力很差。
煤矸石山孔隙差，山顶矸石孔隙度为32.58%，山腰矸石孔隙度为30.27%，山脚矸石孔隙度为28.95%，煤矸石基质的总孔隙度平均值在28%～32%，而且变异系数较大。由此可以看出，煤矸石基质的孔性差，即非连续的缝隙和空洞多、孔隙少，尤其是保水保肥性强的小孔隙（毛管孔隙）更少。这种极不合理的孔隙分配比例决定了煤矸石山通气性和透水性极强，但持水、保肥能力和抗旱能力差的肥力特性。
由表6-2可以看出，掺土煤矸石混合基质土壤含水量随黄土含量的增大而增大:矸土比7:3含水量为10.41%，矸土比5:5含水量为12.25%，矸土比3:7含水量为12.74%。这是由于煤矸石中多以石砾和石块为主，砾石之间的空隙较大，且多为非毛管空隙，土壤持水性能较差，因此含水率较低，而黄土粒径范围较小，土壤中含有大量的毛管空隙，土壤持水性能相对较好，含水率相对较高。因此，煤矸石混合基质土壤含水量随掺土比例的增大而增大。
掺土煤矸石混合基质的土壤孔隙度随黄土含量的增多而逐渐增大，二者呈正相关关系：矸土比7:3孔隙度为36.54%，矸土比5:5孔隙度为42.14%，矸土比3:7孔隙度为45.11%。这主要是由于随着掺土比例的增大，更多的黄土填满了煤矸石中较大的孔隙，改善了煤矸石原来孔隙结构，使混合基质土壤孔隙度增大。
（四）煤矸石基质土壤机械组成
1．粗土粒的筛分
现代人工制成的最细筛孔为0.1mm，一般大于0.25mm的土粒常采用不同孔径的筛子加以分离、称重。本试验采用0.25mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm、20mm、25mm、30mm共9种筛子筛分粗土粒。
2．细土粒的分离
粒径小于0.25mm的土粒无法用筛子分离测定，而是根据不同粒径的土粒在静水中沉降的速度不同加以测定（静水沉降法）。目前，土壤颗粒分析常用的方法为吸管法、比重计法和离心力法。吸管法操作步骤繁琐，但比较精准；比重计法操作简便，但结果的准确度较差；离心力法操作步骤简单，测定时间短，重现性好，但很多因素都会影响测定的精度，对颗粒较细的土样精度较高。本试验采用比重计法对细土粒进行分离。
3．比重计法原理
土样经化学和物理方法处理成悬浮液定容后，根据土壤比重计浮泡在悬浮液中所处的平均有效深度，测定不同时间的悬液浓度（刻度0～60g/L），计算出每升悬浮液中所含各级颗粒的质量及百分含量，相应的土粒直径D根据测定前所确定的时间t（沉降时间）和土粒有效沉降距离L按司笃克斯定律计算得出，分析土壤颗粒组成。
4．仪器与药品
（1）仪器用品
土壤比重计，又称甲种比重计或鲍氏比重计，刻度0～60g/L；量筒，1000mL；锥形瓶，500mL；烧杯，50mL；洗筛，直径7cm，孔径0.25mm；搅拌棒。
（2）药品
六偏磷酸钠溶液：0.5mol/L, 51g六偏磷酸钠溶于水，加水稀释至1000mL。
5．试验步骤
（1）称样
称取通过2mm筛孔的100g（精确至0.01g）风干土样置于500mL锥形瓶中。
（2）分散土样
在锥形瓶中加入50mL 0.5mol/L六偏磷酸钠溶液，然后加水使悬液体积达到250mL左右，充分摇匀。在锥形瓶上放小漏斗，置于电热板上加热微沸1h，并经常摇动锥形瓶，以防止土粒沉积瓶底成硬块。
（3）制备悬浮液
大于0.25mm粒级颗粒用筛分法测定，小于0.25mm颗粒用比重计法测定。
在1000mL量筒上放一大漏斗，将孔径0.25mm洗筛放在大漏斗内，待悬浮液冷却后，充分摇动锥形瓶中的悬浮液，通过0.25mm洗筛，用水洗入量筒中。留在锥形瓶内的土粒，用水全部洗入洗筛内，洗筛内的土粒用橡皮头玻璃棒轻轻地洗擦和用水冲洗，直到滤下的水不再混浊为止。同时应注意勿使量筒内的悬浮液体积超过1000mL，最后将量筒内的悬浮液用水加至1000mL。
将盛有悬浮液的1000mL量筒放在温度变化较小的平稳实验台上，避免振动，避免阳光直接照射。
（4）测定悬浮液的温度
取温度计悬挂在盛有1000mL水的量筒中，并将量筒与待测悬浮液量筒放在一起，记录水温（℃），即代表悬浮液的温度。
（5）用比重计测定悬浮液的读数
用搅拌棒垂直搅拌悬浮液1min（上下各30次），搅拌棒的多孔片不要露出液面，以免产生泡沫，搅拌完毕的时间即为开始静置的时间（有机质含量较多的悬浮液，搅拌时会产生泡沫，影响比重计读数，在放比重计之前，可在悬浮液面上加滴乙醇）。根据测定前拟定的沉降时间（读数）系列，每次在读数前10～15 s将比重计轻轻放入悬浮液中央，尽量勿使其左右摇摆和上下浮沉，分别测定开始沉降后30 s、1min、2min、4min、8min、15min、30min、1h、2h、4h、8h、16h、24h的比重计读数（直接指示出悬浮在比重计所处深度的悬液中土粒含量，即可从比重计上直接读出每升悬液中所含土粒克数：g/L）并记录，每次读数后取出比重计，放入蒸馏水中洗涤备用。
（五）结果分析
表6-3　煤矸石基质土壤机械组成
表6-3结果表明，煤矸石基质的机械组成状况很差，结构性很差，大粒径的较多。山顶、山腰、山脚矸石中粉粒和沙粒所占比例分别为41.86%、37.15%、29.51%，石砾和石块所占比例分别为58.14%、62.85%、70.49%。由此可见，经过长时间的风化，山顶矸石风化严重，粒径细小，粉粒和沙粒所占比例较山腰和山脚大，风化严重程度：山顶＞山腰＞山脚。山腰和山脚的石砾和石块含量较大，也可能是由于矸石山采用立排方式排矸，从高处倾倒矸石，矸石在重力作用下由高处向低处自然滚落过程中，会发生“粒度偏析”现象，即大块矸石多滚落到矸石山底部，小块、粉状的矸石留在顶部。矸石山的结构组成在垂直梯度上表现出随高度的下降矸石颗粒逐渐变大。段永红等对山西阳泉排矸结束20年的矸石山风化物测定表明，与黄土相比，表层（0～10cm）矸石风化物是一种以石砾和石块为主、沙粒以下细粒含量较少、且颗粒粗细差异极大的高度不均一的粗骨性物质。风化层下（10～30cm）含石砾、石块更多，约占87.85%；细粒含量更少，占12.15%。胡振琪对山西潞安王庄煤矿矸石山风化物调查表明，矸石的粒度较大，表层0～40cm深度，79.8%为石块或石砾，沙粒以下细粒占20.2%；越往深部，矸石的粒度增大越明显，在40～60cm深度，92.7%为石块和石砾，沙粒以下细粒仅占7.3%。
矸土比7:3、矸土比5:5、矸土比3:7中粉粒和沙粒所占比例分别为54.94%、64.01%、66.65%，石砾和石块所占比例分别为45.06%、35.99%、33.35%，掺土煤矸石随着掺土比例的增加，细颗粒所占比例增加，因此可通过掺土来改良煤矸石基质土壤。矸石风化物颗粒粗，凋萎系数较低，仍具有一定的蓄水孔隙，可为植物提供一定数量的有效水，能在一定程度上满足植物对水和空气的需求，因此矸石风化物可作植物生长的介质。但由于其结构性很差，大粒径的较多，可耕性差，保肥保水性较差，植被种植工程难度大，需要进行基质改良。
二、煤矸石基质土壤水分入渗特性
（一）土壤水分入渗概述
入渗是指在灌溉或降雨条件下，水分通过土壤表面垂直或水平进入土壤的过程。土壤水分入渗能力常常通过累积入渗量和土壤入渗速率来表示。累积入渗量是指一定时段内通过单位土壤表面入渗的累积水量，或者是在一定时段内，单位面积土壤入渗的总水量，常用水深（mm）来表示；而土壤水分入渗速率是指单位时间、单位面积土壤表面入渗的水量，常用单位为mm/s、cm/min或cm/d。
土壤水分入渗是一个逐渐衰退的过程，即随着入渗时间的延长，土壤水分入渗速率逐渐减小，渐渐趋于一个稳定值，称为土壤水分稳定入渗速率。土壤水分入渗主要受土壤自身特性的影响，如土壤质地、容重、土壤初始含水量等。
（二）土壤水分入渗模型
1．Green-Ampt入渗模型
Green和Ampt根据最简单的土壤物理模型，推出了一维土壤水分入渗方程：
i（t）=at-1/2+ic
式中：a=hsδ，hs为湿润锋面处有效或平均基质吸力，δ为水分饱和差；ic为土壤稳渗速率。该式是在假设饱和入渗理论的基础上，经过数学推导得到的。
2．Kostiakov入渗模型
该公式是Kostiakov提出：
f（t）=at-b
式中：f（t）为入渗速率；t为入渗时间；a, b为由试验资料拟合的参数。当t→∞时，f（t）→0；当t→0时，f（t）→∞。而当t→∞时，只有在水平吸渗情况下才出现，垂直入渗条件下，显然不符合实际。但在实际情况下，只要能确定出t的期限，使用该公式还是比较简便而且较为准确。
3．Horton入渗模型
Horton从事入渗试验研究，得出一个他认为与他对渗透过程的物理概念理解相一致的方程：
i=ic+（io-ic）e-k
式中：ic，io和k是特征常数。i为稳渗速率。常数k决定着i从io减小到ic的速度。这种纯经验性的公式虽然缺乏物理基础，但由于其应用方便，至今在许多试验研究中仍然沿用。
4．Philip入渗模型
Philip对Richards方程进行了系统的研究，提出了方程的解析解：
I（t）=St0.5+At
式中：I为累积入渗量，cm；t为入渗历时，min; S为吸渗率；A为稳渗率。该式得到了田间试验资料的验证，具有重要的应用价值。但Philip公式是在半无限均质土壤、初始含水量分布均匀、有积水条件下求得的，因此该式仅适于均质土壤一维垂直入渗的情况，而对于非均质土壤，还需进一步研究和完善。再者，自然界的入渗主要是降雨条件下的入渗，其和积水入渗具有很大的差异，因而将其直接用于入渗计算不够确切。
5．Holtan入渗模型
Holtan入渗公式表示的是入渗率与表层土壤蓄水量之间的关系，公式为：
i=ic+a（w-i）n
式中：ic、a、n是与土壤及作物种植条件有关的经验参数；w是厚度为d的表层土壤在入渗开始时的容许蓄水量。该公式仅适用于i
6．Smith入渗模型
Smith根据土壤水分运动的基本方程，对不同质地的各类土壤进行了大量的降雨入渗数值模拟计算，提出了一种入渗模型：
i=R （t≤tp）
i=i∞+A（t-tp） （t>tp）
式中：i∞、A是与土壤质地、初始含水量及降雨强度有关的参数；R为降雨强度；tp为开始积水时间；i∞为土壤稳渗速率。
上述入渗公式，无论是理论的，还是经验的，在一定程度上都反映了土壤水分入渗规律，因而都有其使用价值。
（三）煤矸石基质土壤水分入渗测定
1．试验方案设计
采用一维定水头垂直入渗法测定煤矸石及掺土煤矸石混合介质的入渗过程。本试验设定山脚矸石、山腰矸石、山顶矸石、矸土比7:3、矸土比5:5、矸土比3:7，共6个处理，每个处理重复3次。
为便于观察试验过程，土柱试验装置选用厚1cm、内径14cm、高60cm的有机玻璃柱，有机玻璃柱上每隔5cm有一个取样孔，供水瓶采用内径20cm、高55cm的有机玻璃柱，供水水头控制在5cm左右。称重后混合均匀装入有机玻璃柱中，并在柱子底部填放滤纸和纱布防止土样颗粒的流失。装填过程中边填边夯实。入渗开始后，记录供水瓶中水面高度和湿润锋的垂直深度随时间的变化，煤矸石每10min记录1次，矸土混合样在开始阶段每10min记录1次，湿润锋变化小的时候适当延长时间记录1次，直至湿润锋达到土柱底部为止。
图6-7　入渗试验装置
2．试验步骤
①按照试验装置所示组装好试验仪器，在有机玻璃圆管内壁上涂上凡士林，并在柱子底部填放滤纸和纱布防止土样颗粒的流失。试验装置机构如图6-7所示。
②按计算值称取相应重量的试验材料，将称好的12kg试验材料均匀填入试验圆管中，边填边夯实，容重控制在1.30g/cm3，直到在圆管中达到设计高度。装好后土柱应放置24h，使土壤剖面含水量均匀。
③试验开始时迅速打开开关向圆管中加入5cm高的水层，记下供水瓶上的初始水位读数，并立即开始计时。
④试验过程中，记录供水装置中的水面高度和湿润峰的垂直深度随时间的变化。每隔一段时间观测一次，读数后立即加水至5cm的高度，并记录加入水量。
⑤直至湿润峰达到土柱底部后结束试验，拧紧进水口，记录供水瓶剩余水量水位，整个试验过程实验室温度在21℃左右。
（四）试验结果与分析
1．不同处理对煤矸石基质土壤累积入渗量的影响
（1）不同坡位对煤矸石基质土壤累积入渗量的影响
图6-8　不同处理煤矸石入渗模型曲线和实测曲线对照
为便于比较，根据实测数据，将不同煤矸石基质土壤累积入渗量随入渗历时的变化过程绘于图6-8。从图6-8中可以看出，山顶、山腰和山脚累积入渗量均随时间延长呈增大趋势。最终累积入渗量由大到小的顺序为：山顶矸石>山腰矸石>山脚矸石。山顶矸石累积入渗量分别为山腰矸石的1.026倍，为山脚矸石的1.052倍。由3种试验材料的机械组成可知石砾和石块含量：山脚＞山腰＞山顶。测得结果表明，随着砾石和石块含量增加，累积入渗量减小。这一结论与周蓓蓓、邵明安不同碎石含量及直径对土壤水分入渗过程影响的研究中所得随着碎石含量的增加，相同入渗历时内，累积入渗量减小的结论是一致的。这是由于在入渗的初始阶段，水势梯度较大，基质势为影响累积入渗量的主要因素，因此本试验最初的20min内，碎石含量对累积入渗量影响差异性不显著。随入渗过程的进行，土壤逐渐湿润，碎石含量对累积入渗量的影响逐渐表现出来。这可能主要因为随碎石含量的增加，大孔隙数量增加，土壤有效孔隙减小，水分运动通道曲折复杂。大孔隙的产生会促进水分入渗，而山腰和山顶矸石会限制水分入渗。当碎石含量降低时，单位入渗历时内的累积入渗量增加，反之减小。Mehuys等研究指出，随不透水碎石含量的增加，水分的运动受限制。Abrahams和Parson针对没有用机械工具进行扰动的小区进行研究，得出入渗量与砾石含量之间的关系为正相关的结论。Valentin通过人工降雨试验研究指出，在干旱、半干旱地区，土壤入渗量与碎石含量为负相关关系。
（2）不同掺土比例对煤矸石基质土壤累积入渗量的影响
从图6-8中可以看出，不同掺土比例煤矸石基质土壤累积入渗量均随时间延长呈增大趋势。最终累积入渗量由大到小的顺序为：矸土比3:7>5:5>7:3，矸土比3:7煤矸石基质土壤的累积入渗量分别为矸土比5:5煤矸石的1.079倍，为矸土比7:3煤矸石的1.129倍。测得结果表明，随着煤矸石含量增加，累积入渗量减小。这一结论与周蓓蓓通过室内土柱模拟试验研究黄土高原地区不同煤矸石含量对土壤水分入渗过程的影响，得出随着煤矸石含量的增加，单位入渗历时内的累积入渗量减小的结论是一致的。这可能是由于煤矸石与土样充分均匀混合后分层填装，大孔隙作用不明显，土壤水分通道及有效孔隙为主要影响因素。因此，本试验中累积入渗量随煤矸石含量增大而降低。
（3）Kostiakov和Philip入渗模型对煤矸石基质土壤入渗特征分析
为了进一步说明不同地形煤矸石和不同掺土比例煤矸石对土壤水分入渗过程的影响，根据累积入渗量随时间变化的趋势，采用Kostiakov入渗模型对累积入渗量变化过程进行拟合：
I=Ktα
式中：I为累积入渗量，mL；t为入渗历时，min; K、α为经验系数。同时也采用Philip入渗模型对土壤累积入渗量变化过程进行拟合：
I=St0.5+At
式中：I为累积入渗量，mL；t为入渗历时，min; S、A为拟合系数。拟合结果见表6-4、表6-5。
表6-4　Kostiakov入渗模型拟合结果
表6-5　Philip入渗模型拟合结果
本书用SPSS（16.0）统计软件对累积入渗量与入渗时间关系进行了拟合，由表6-4、表6-5可以看出，用Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型拟合实测数据，其相关系数（R2）都达到了0.98以上，拟合效果很好。将Kostiakov模型和Philip入渗模型曲线与实测曲线绘于图6-8中。从图6-8中也能直观地看出两个模型拟合度较高。因此Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型均能很好地反映出不同煤矸石基质土壤累积入渗量变化过程。
2．不同处理对煤矸石基质土壤湿润锋的影响
（1）不同坡位对煤矸石基质土壤湿润锋的影响
Colman和Bodman（1944，1945）描述了入渗过程中典型的水分剖面，把土壤水分剖面分为四个区：饱和区、土壤含水量有明显下降的过渡区、土壤含水量变化不大的传导区及含水量迅速减少至初始含水量的湿润区。湿润区的前缘称为湿润锋。湿润锋的移动是反映水流垂向运动的特征之一，许多下渗运动均建立在这一理论之上。
根据实测数据，将不同煤矸石基质土壤湿润锋随入渗历时的变化过程绘于图6-9。由图6-9可以看出，随入渗过程的进行，湿润锋深度不断增加。在入渗的初始阶段，湿润锋变化速率较大，不同地形煤矸石基质土壤对于湿润锋运移的影响差异性不大，随着时间推移，湿润锋深度变化曲线趋向平缓，不同地形煤矸石基质土壤湿润锋变化产生差异。单位时间内的湿润锋深度基本随煤矸石基质土壤中砾石和石块含量的增加而增加。这是由于随煤矸石基质土壤中砾石和石块含量的增加，水分所需湿润的土壤体积减小，从而促进湿润锋运移。
（2）不同掺土比例对煤矸石基质土壤湿润锋的影响
由图6-9可以看出，随入渗过程的进行，不同掺土比例煤矸石基质土壤湿润锋深度不断增加。达到同一入渗深度随掺土比例增加所需的时间延长，且各组平均湿润锋深度随时间变化因掺土比例增加逐渐减慢。不同掺土比例煤矸石入渗达到同一入渗深度所需时间：矸土比3:7>5:5>7:3，矸土比3:7煤矸石基质土壤达到同一入渗深度所需时间分别为矸土比5:5煤矸石的1.278倍，为矸土比7:3煤矸石的1.917倍。这是由于土壤中碎石能改善土壤结构，增加土壤通透性，有利于土壤的输水，从而加速湿润锋运移。这种影响随碎石含量的增大更加明显。
图6-9　不同处理煤矸石湿润锋拟合曲线和实测曲线对照
（3）幂函数对煤矸石基质土壤入渗特征分析
为充分研究不同煤矸石基质土壤湿润锋变化趋势，根据曲线形状，采用幂函数对湿润锋深度随时间的变化过程进行拟合：
Z=AtB
式中：Z为湿润锋深度，cm；t为入渗历时，min; A、B为拟合参数。拟合结果见表6-6。
表6-6　幂函数对湿润锋拟合结果
由表6-6可见，用幂函数对不同煤矸石基质土壤湿润锋深度的变化过程进行拟合，其相关系数均大于0.98，拟合效果很好。图6-9中也能直观地看出幂函数与不同煤矸石基质土壤湿润锋的拟合效果很好。因此，与均质土壤一样，含有碎石的煤矸石基质土壤的湿润锋深度随时间的关系也遵从幂函数规律。邹焱等对红壤进行积水入渗后研究指出，湿润锋深度与时间的平方根也成幂函数关系。
3．不同处理对煤矸石基质土壤入渗率的影响
（1）不同坡位对煤矸石基质土壤入渗率的影响
入渗速率是指单位时间内通过单位土壤表面渗吸到某剖面的水量，渗透速率与入渗过程有关，可用以表征土壤的渗透特性。
入渗速率用下式计算：
v=V/t
式中：v为入渗速率，mL/min；V为时段内入渗量，mL；t为入渗时间，min。计算结果见表6-7。
表6-7　煤矸石基质土壤入渗特征参数对比
由表6-7可以看出，山顶、山腰和山脚矸石初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率逐渐增大；3种试验材料入渗速率由大到小的顺序为：山脚矸石>山腰矸石>山顶矸石。其中山脚矸石的初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率均分别为山腰矸石的1.111倍、1.077倍和1.085倍；为山顶矸石的1.220倍、1.186倍、1.206倍。由3种试验材料的机械组成可知石砾和石块含量：山脚＞山腰＞山顶。测得结果表明，随着砾石和石块含量增加，初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率逐渐增大。笔者分析得出产生这种结果的主要原因是：砾石间、土壤和石头界面形成的新孔隙，以及砾石内部增加的孔隙提供了有效的水分运动通道。煤矸石作为碎石的一种，它的存在改变了土壤的某些物理特性，如大孔隙数量、有效孔隙数量、过水断面大小、土壤水分运动通道等。碎石的存在一方面增加了大孔隙的出现，促进土壤水分的运动，另一方面碎石的存在减小了水分的过水断面，增加了水流的弯曲程度，阻碍水分的运动。当前者作用大于后者时，碎石促进水分运动，反之阻碍水分运动。王慧芳和邵明安对黄土高原地区含风化程度较高的变质岩的土壤进行了室内土柱入渗试验，测得结果表明：随着碎石含量增加，入渗率变大的结论与本试验所得结论一致。Epstein等对田间含碎石土壤的入渗过程进行了研究，指出碎石的存在有利于入渗和土壤水分储存。碎石对入渗的影响不仅改变了水流通道、过水断面及水流弯曲度等土壤的水力特性，还改变了土壤表面特性，如粗糙度和强度等。碎石对土壤水分入渗的具体影响由碎石种类、尺寸、含量及其在土层中的位置来决定。Poesen的研究指出，表层碎石位置对土壤水分入渗过程存在影响，碎石可以通过三种位置影响土壤水分入渗过程，即碎石覆盖表层、半嵌入土壤、完全嵌入土壤（土石混合），其中碎石覆盖表层时有利于土壤水分入渗，碎石完全嵌入土壤的情况下土壤水分入渗速率最小。Abrahams和Parsons针对没有用机械工具进行扰动的小区进行研究，得出入渗量与砾石含量之间的关系为正相关的结论。
（2）不同掺土比例对煤矸石基质土壤入渗率的影响
从表6-7可以看出，煤矸石初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率均随掺土比例的增大而迅速减小，在密度为1.30g/cm3的条件下，3种掺土矸石入渗速率由大到小的顺序为矸土比7:3>5:5>3:7，矸土比7:3煤矸石的初始渗透速率、稳定渗透速率和平均渗透速率均分别为矸土比5:5煤矸石的1.152倍、1.149倍和1.001倍，为矸土比3:7煤矸石的1.357倍、1.215倍和1.067倍。这是由于随着掺土比例的增大，细小的黄土颗粒阻塞了煤矸石原有的大空隙，使其大孔隙度逐渐减小的缘故。另外，从表6-7还可以看出，入渗达到稳定状态的时间随掺土比例的增大而迅速增长，矸土比3:7煤矸石入渗达到稳定状态的时间分别为矸土比5:5和矸土比7:3煤矸石的1.278倍和1.917倍。这与冯慧敏、胡振华对煤矸石垂直入渗规律模拟研究中所得煤矸石的初始渗透速率、稳定入渗速率、平均渗透速率均随掺土比例的增大而迅速减小，入渗达到稳定状态的时间随掺土比例的增大而迅速增长的结论是一致的。朱元骏和邵明安用粒径2～5mm的碎石按不同比例与细土（粒径<2mm）均匀混合进行的室内降雨试验表明，碎石质量含量（0、10%、20%、30%）对土壤入渗的影响存在一个阈值，当碎石质量含量小于10%时，碎石增加促进入渗；当碎石质量含量大于10%时，增加碎石含量则会降低入渗。碎石对土壤水分入渗具体影响则与碎石种类、尺寸、含量及其在土层中的位置有关。
（3）Kostiakov和通用经验模型对煤矸石基质土壤入渗特征分析
有关入渗率和入渗时间的关系已经有较多的数学模型，如考斯加可夫（Kostiakov）入渗模型、菲利普（Philip）入渗模型、通用经验公式等。本书用SPSS（16.0）统计软件对入渗速率和入渗时间的关系进行了拟合，结果表明，用考斯加可夫模型和通用经验公式拟合实测数据，其相关系数较高，结果见表6-8、表6-9。
表6-8　Kostiakov入渗模型拟合结果
表6-9　通用经验公式拟合结果
由表6-8、表6-9可以看出，用考斯加可夫入渗模型和通用经验公式拟合度较高，相关系数（R2）都达到了0.92以上。在考斯加可夫入渗模型中，参数n的值反映了入渗率随时间的递减情况，n值越大，递减速度越快，n值越小，递减速度越慢；因此，由表6-8、表6-9中的n值可以看出，随着由山顶到山腰到山脚的地形变化，煤矸石入渗率随时间的延长递减速度也越快；随着矸土比例的增大即由7:3到5:5到3:7，煤矸石入渗率随时间的延长递减速度也越慢。图6-10是不同坡位和不同掺土比例煤矸石基质土壤2种入渗模型曲线和实测曲线对照图，可以看出，整个煤矸石的入渗过程可以分为3个阶段：①初始入渗阶段。此阶段的煤矸石含水量很小，表面水层和下层干燥的煤矸石形成了较大的水势梯度，入渗率很高，其变化率也很大。此阶段入渗过程主要受基质的水势梯度控制。②渐变阶段。此阶段煤矸石含水量逐渐增大，基质的水势梯度逐渐减小，另外还存在着作用较小的水重力势，二者使得入渗率随时间的延长逐渐减小。此阶段入渗过程受减小的基质水势梯度和重力水势双重控制。③稳定入渗阶段。此阶段煤矸石含水量达到饱和状态，基质的水势梯度已经非常小，入渗主要受水重力势梯度的影响，只要上面保持一定的水头，则入渗率就趋于一个定值，即达到稳定入渗率。
图6-10　不同煤矸石基质土壤入渗模型曲线和实测曲线对照
另外，由图6-10中可以看出，山顶、山腰和山脚2个模型曲线与实测曲线在初始入渗阶段的拟合程度均很高，但随入渗时间t的增大，通用经验公式模型曲线从渐变阶段开始逐渐偏离实测曲线，并且偏离越来越大。这说明当煤矸石由山顶到山脚时，考斯加可夫入渗模型更适合作为煤矸石的入渗模型。不同掺土比例煤矸石基质土壤的2个模型曲线与实测曲线在初始入渗阶段和渐变阶段的拟合度很高，但随入渗时间t的增大，考斯加可夫入渗模型曲线从稳定阶段开始逐渐偏离实测曲线，并且，偏离越来越大。这说明通用经验模型更适合作为掺土煤矸石的入渗模型。
三、煤矸石基质土壤水分特征曲线
（一）土壤水分特征曲线内涵
土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力（基质势）之间的关系曲线。它反映了土壤水能量与土壤水含量之间的函数关系，因此它是表示土壤基本水力特性的重要指标，对研究土壤水滞留与运移有十分重要的作用。
几十年来，人们投入大量的精力发展确定水分特征曲线的方法。这些方法归纳起来可分为两大类。一类是直接测定法，如张力计法、离心机法、压力膜法、沙芯漏斗法、平衡水汽压法等；另一类是间接推求法。间接法主要是利用易于测定的土壤物理特性来推求土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线主要受土壤质地、土壤结构、土壤干容重、土壤温度等影响。此外，土壤的膨胀收缩、吸附性离子的种类和数量等因素也影响土壤水分特征曲线。由于影响因素较多，且关系复杂，目前尚不能从理论上推求土壤基质势与含水量之间的关系，一般常用经验公式或各种水分特征曲线模型来表示或预测土壤水分特征曲线。
（二）土壤水分特征曲线经验公式
1．Gardner模型
表示为：
h=aθ-b
2．Van Genuchten模型（简称VG模型）
公式描述基质势（负压水头）与体积含水量的关系，来表示包气带水分特征曲线。方程如下：
式中：θ为土壤体积含水量，cm3/cm3；θs为土壤饱和含水量，cm3/cm3；θr为土壤残余含水量，cm3/cm3；h为土壤基质势，kPa；α、n、m都为土壤水分特征曲线形状系数（或经验拟合参数）；ha为土壤进气吸力，kPa；m=1-1/n。
3．Brooks-Corey模型（简称BC模型）
是Brooks和Corey提出的指数关系式来描述土壤体积含水量θ和土壤水势Ψ的关系，其表达式为：
θ=θr+（θs-θr）（Ψb-Ψ）λ（Ψb<Ψ）
θ=θs　（Ψb≥Ψ）
式中：θ为土壤体积含水量，cm3/cm3；θs为土壤饱和含水量，cm3/cm3；θr为土壤残余含水量，cm3/cm3；Ψ是土壤基质势；Ψb是有空气进入时的土壤基质势；λ是系数。
根据上述经验公式可知，各种水分特征曲线模型均采用了幂函数形式。
Gardner模型是最简单的经验公式。该公式仅含有两个可变参数，参数少、形式简单且计算方便，因而一直得到较为广泛的应用。但由于它不能精确描述土壤水分特征曲线的整个变化过程尤其是饱和含水量附近的曲线变化趋势，限制了它在结合其他模型推求土壤导水参数方面的应用。
Brooks-Corey模型与Van Genuchten模型是最常用的两个土壤水分特征曲线模型。模型中均采用了相对饱和度来描述土壤含水量状况，即考虑土壤滞留含水量的影响。从这种意义上讲，Brooks-Corey模型更符合脱湿曲线，而Van Genuchten模型更符合吸湿曲线。同时，Brooks-Corey模型与Van Genuchten模型也可以进行简单转化。但由于两种模型在实际应用中各具特点，如Brooks-Corey模型形式较简单，便于推求描述土壤水分运动模型和确定土壤水分运动参数的简单方法，而Van Genuchten模型具有连续性，适用土壤质地范围比较宽，应用土壤含水量范围较广。同时它可以使饱和土壤吸力为0，符合吸湿过程中土壤吸力变化特点。因此，两模型在实际应用中没有严格区别脱湿和吸湿过程，均常常被用于推求土壤水分运动模型和确定土壤水分运动参数。
（三）煤矸石基质土壤水分特征曲线测定
1．试验方案设计
采用张力计法测定煤矸石及掺土煤矸石混合基质的脱湿过程。所用试验装置为高15cm、直径10cm的花盆，在花盆的底部分布有直径约3mm的小孔（便于煤矸石基质土壤的饱和吸水与蒸发的进行），花盆顶部和底部均有能紧密盖好的盖子，且顶部盖子中央留与张力计等直径的圆孔，用于安插张力计（保证其密封性）。表头式张力计（产地南京）测定，张力计量程是-90kPa，精度是2.5kPa。本试验设定山脚矸石、山腰矸石、山顶矸石、矸土比7:3、矸土比5:5、矸土比3:7，共6个处理，每个处理重复3次。
2．试验步骤
（1）试验装置
表头式张力计（产地南京）测定，张力计量程是-90kPa，精度是2.5kPa，电子天平，花盆（由于实验室并没有标准的有机玻璃柱子，短时间内又不能采购到，因此与指导老师商议决定用高约15cm、直径约10cm、下部有孔的花盆代替有机玻璃柱进行高精度模拟试验）。试验装置如图6-11所示。
（2）试验操作步骤
①张力计安装。首先根据试验设计，称取山脚矸石、山腰矸石、山顶矸石、矸土比7:3、矸土比5:5、矸土比3:7，6种不同处理的煤矸石基质土壤1.3kg装填入试验装置中。由于煤矸石的存在，不能采用填装好土柱后打土转的方式填埋张力计，所以，第一层先填装4cm，而后插入与张力计等直径的钢棍，边填装边夯实好土柱，装填完平衡2d。
②张力计除气。张力计测量时的负压力是靠水传递的，使用时须使之充满，它才有较高的灵敏，所以安装前须先充水排气。使用前先在张力计内灌满经煮沸、密封冷却的无气水（用于张力计的水均为无气水），竖直插放在木架上10～20min，水通过陶土头向外渗出。再向张力计中重新注满水，在集气管口塞上一个插有注射器针头的橡皮塞，用注射器抽气，如此重复3～4次，此时真空表内的空气已大部分除去。再将仪器注满水、加环形密封圈和盖子密封，在通风处让陶土头蒸发，埋藏的空气随负压的增大逐渐逸出。轻轻敲打张力计管壁，使气泡集中到集气管中。将陶土头浸在水中吸水，真空表指针即退回。打开仪器盖，反复注水、密封、蒸发，直到真空表指针指示值不小于85kPa。待吸水指针较快地退回，集气管内膨大的空气收缩成极小的气泡，则表明仪器内空气已基本除尽。最后再将仪器充满水，密封，陶土头浸泡水中待用。
③校正零位。仪器密封后，真空表至测点（陶土头中部）存在一静水压力差，另外真空表本身也有可能存在一定误差，这两个误差必须予以校正。具体校正方法是，将除气处理后的张力计陶土头自然蒸发，待负压升至20kPa时，将仪器陶土头垂直浸泡于水中，使水面保持在陶土头的中部。当真空表指针退回直至不动时的读数即为零位校正值。
④埋设。将埋设在煤矸石基质土壤中与张力计等直径的钢棍缓缓拔出，插入张力计，并保证张力计与煤矸石基质土壤紧密接触。
⑤脱湿过程。打开花盆的底盖，将土柱浸在盛水的盆里，通过底板上的小孔由下而上进行吸水饱和，达到完全饱和后称重，确定饱和含水量，开始做脱湿过程曲线。每隔2d打开花盆的上下盖，让其在室内条件下自然蒸发24h后，在密封花盆里，使其平衡24h后，记录张力计表头读数和花盆的总质量。重复上述步骤，直至张力计读数接近最大量程时结束试验。
（四）试验结果与分析
1．不同处理煤矸石基质土壤水分特征曲线的影响
（1）不同坡位对煤矸石基质土壤水分特征曲线的影响
土壤水分特征曲线反映了土壤水和土壤固体之间的相互作用关系，即土壤颗粒的表面吸附力和土壤孔隙的毛管力对土壤水的作用，因此反映了土壤持水的基本特性。它能揭示土壤水的能量指标（基质吸力）与数量指标（土壤含水量）之间的内在关系，通常以脱湿曲线表征。不同处理煤矸石基质土壤水分特征曲线见图6-12。
图6-12　不同煤矸石基质土壤Gardner模型曲线和实测曲线对照
从图6-12中可以看出，不同坡位煤矸石基质土壤水分特征曲线要陡直得多，并且，在低吸力段的较窄范围内，水分特征曲线陡直，而在中高吸力段较宽区间，曲线却趋于平缓。在低吸力范围内，土壤所能保持或释放出的水量取决于土壤结构较粗的孔隙分布，主要是重力起作用。在中高吸力段主要决定于土壤质地，主要是土壤颗粒的表面吸附起作用。对不同坡位煤矸石基质土壤施加较小吸力时，大孔隙中的水即被排出，保持在中小孔隙中的水分只有在较大吸力范围内才能缓慢释出。从供试煤矸石基质土壤的物理特征中可知，石砾和石块含量：山脚＞山腰＞山顶，随碎石含量的增加，煤矸石风化物中大孔隙数量增加，一旦达到一定吸力，这些大孔隙中的水分会很快排空，土壤含水量急剧下降，曲线坡度比较陡。因此，山顶煤矸石风化物的持水性最好，山腰次之，山脚最差。
（2）不同掺土比例对煤矸石基质土壤水分特征曲线的影响
在低吸力段，土壤水分的保持主要取决于毛管作用和孔隙大小，土壤结构的影响比较强烈。随着土壤水吸力增大，吸附作用的影响愈来愈大，土壤质地和土壤表面积的影响也愈来愈大。一般是黏粒含量愈高，任何吸力下土壤含水量都较大，因为黏粒含量愈高细孔隙越多，表面能越大，故吸持的水分越多。
从掺土煤矸石基质土壤的物理性质可知，矸土比7:3处理石块和石砾含量较明显高于其他两个处理，而粉粒和沙粒含量却相对很少，因此其基质土壤中水分容易排走，保持的水分较少，故其水分特征曲线坡度比较陡。随着掺土含量的增加，矸土比5:5和矸土比3:7煤矸石基质土壤结构明显优于矸土比7:3，石块和石砾含量明显减少，而粉粒和沙粒含量却相对增加，其孔隙分布趋于均匀，故当吸力增加时，煤矸石基质土壤中含水量的减少比较缓慢，曲线坡度比较缓和。因此，矸土比3:7处理的水分特征曲线较矸土比5:5缓和。
2．Gardner模型对煤矸石基质土壤水分特征曲线的分析
因土壤水分特征曲线的影响因素复杂，至今还没有从理论上建立土壤含水量与土壤基质势之间的关系，常用经验公式描述。常用的描述土壤水分特征曲线的经验公式主要有Gardner模型、Brooks-Corey模型、Van Genuchten模型。本文用SPSS（16.0）统计软件对水分特征曲线进行了拟合，结果表明，用Gardner模型拟合实测数据，各处理决定系数均在0.90以上，拟合效果很好（表6-10）。
表6-10　Gardner模型拟合结果
方程中的参数a决定了曲线的高低，即持水能力大小。a值越大，煤矸石基质土壤持水能力越强。参数b决定曲线的走向，即煤矸石基质土壤含水量随土壤水势降低而递减的快慢。参数a和b的大小，主要受土壤质地、有机质和结构的影响。
第七章　主要作物矿井水的高效安全灌溉制度
第一节　矿井水高效安全灌溉制度制定原则
1．对灌溉矿井水的水质要求
目前我国农田灌溉标准依据是GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》、HJ 333—2006《温室蔬菜土壤环境质量评价标准》和GB 18407.1—2001《农产品安全质量　无公害蔬菜产地环境要求》。矿井水灌溉应对照上面的标准规范要求选择矿井水水源类型及其水质标准，以矿井水灌溉后不影响作物生长、产量、品质安全，不污染土壤和水环境为基本原则。
2．农作物的安全性
不同水质的矿井水灌溉对作物的影响也不同。矿井水灌溉后生产的农产品应达到国家粮食卫生标准和食品污染物限量标准的要求，标准主要有GB 2715—2005《粮食卫生标准》，GB 4809—94《食品中重金属限量卫生标准》等。蔬菜生产符合GB 18406.1—2001《农产品安全质量　无公害蔬菜安全要求》。
3．土壤环境的安全
由于矿井水灌溉可能导致土壤质量的降低，因此，矿井水灌溉后，必然要符合GB 15618—1995《土壤环境质量标准》和HJ 333—2006《温室蔬菜土壤环境质量评价标准》和GB 18407.1—2001《农产品安全质量　无公害蔬菜产地环境要求》，以保证土壤质量不退化及可持续利用为原则。
4．地下水的安全性
矿井水灌溉可通过渗漏、淋溶进入地下水，造成地下水的污染。在制定矿井水灌溉制度时，应该依据矿井水灌溉后地下水水质符合GB/T 14848—93《地下水质量标准》，以及一次性灌水不产生深层渗漏为原则。
5．灌水时期和灌水方式
矿井水灌溉制度的制定要与当地的水文、气象、土壤、作物、地质等因素相结合。灌水时期的选择原则是：一般在降水较多的雨季少灌或不灌；作物的不同时期灌水量应根据其抗旱性强弱及作物的抗盐碱性来定，播种期、苗期可根据作物不同选择无污染的清水灌溉。灌水方式可选择矿井水与清水混合灌溉，矿井水与清水轮灌的方式，以保证矿井水灌溉的粮食安全、食品安全和环境安全。
第二节　冬小麦和夏玉米的矿井水高效安全灌溉制度
一、矿井水灌溉的水质标准
非常规水源逐渐成为农田灌溉的潜在水资源，尤其是对于矿区周边土地资源来说，矿井水是这些农田的潜在水资源。合理有效地利用矿井水是环境保护和农业可持续发展的一项重要措施。但是现在许多人对非常规水中矿井水的使用存在着不同的看法，有人认为矿井水具有高矿化度，且其化学物质成分均有毒，而且还含有高浓度的重金属离子等。对矿井水化学成分的评价有下列指标：pH，全盐量，Ca2+、Mg2+、Na+、K+等二价和一价阳离子的含量，Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3等阴离子的含量，重金属离子含量等。对灌溉用水的主要评价是成矿作用。根据此标准分为：含盐量在400mg/L以下可以使用；400～1000mg/L会考虑灌溉栽培作物的土壤条件和生物性能；1000～4000mg/L对土壤和作物是有危害的水；4000mg/L以上可能造成土壤的盐渍化，并且能够抑制植物的生长。对于灌溉用水而言，应当考虑到：决定因素之一是Na+和Ca2+浓度的比例即会考虑到钠吸附比（SAR），其条件是Na+/Ca2+≤1，形成这个条件的可能办法是提高Ca2+的浓度。矿井水是一种受到污染的水，根据矿井水不同水质条件，在灌溉冬小麦和夏玉米时，必须达到我国GB 5042—2005《农田灌溉水质标准》的标准限值要求，以实现粮食安全和土壤安全。
二、冬小麦的矿井水高效安全灌溉制度
灌溉制度是一种灌水方案，它是在节水的前提下使农作物得到高产而制定的。灌溉制度包括灌水定额、灌溉定额、灌水时间和灌水次数等。灌水定额是指在灌溉时单次灌溉到某一种作物单位面积上的灌水量。灌溉定额是指灌溉时各次灌溉到某一种作物上灌水定额的总和。灌水定额和灌溉定额均以水量（单位为m3/hm2）或以水层深度（单位为mm）表示。灌水时间和灌水次数根据作物需水要求和土壤水分状况来确定，以达到适时适量灌溉。
每种作物的灌溉制度根据其本身的生态和生理特性制定。灌溉的作用是补充土壤水分的不足以达到作物对水的需求，这就要求作物在生长阶段土壤计划湿润层内土壤含水量应该维持在易被作物利用的范围内，其最大允许含水量为田间持水量，而最小允许含水量应保持在田间持水量的60%～70%。
在冀南邯邢煤矿区，根据当地的生态气候和土壤条件，制定主要农作物冬小麦的矿井水灌溉制度如下：冬小麦整个生育期灌溉水5次，应以矿井水与无污染井水1:1混合灌溉或者在不同灌溉时期矿井水与无污染井水轮灌的方式灌溉，分别在冬小麦的播种前、分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期进行1次灌水，播种前的底墒水灌溉清水，如遇后期干旱，在成熟期也可增加灌水1次。一般灌水定额450m3/hm2。灌溉定额2250m3/hm2。
三、夏玉米的矿井水高效安全灌溉制度
在冀南邯邢煤矿区，根据当地的生态气候和土壤条件，夏玉米生长期正是雨季，降雨比较多，主要农作物夏玉米的矿井水灌溉制度如下：夏玉米一般年份灌水2次，降雨较多的特殊年份只灌1次，遇特别干旱年份时需增加灌溉1次，应以矿井水与无污染井水1:1混合灌溉或者在不同灌溉时期矿井水与无污染井水轮灌的方式进行灌溉，根据当地的气象条件，分别在播种期、拔节期、抽穗期、开花期、乳熟期的玉米需水状况进行灌溉，一般生育期内需灌2次水，干旱年份整个生育期内灌3次水。灌水定额约450m3/hm2。灌溉定额900m3/hm2，3次灌水灌溉定额1350m3/hm2。
第三节　矿井水高效安全灌溉冬小麦和夏玉米技术
一、冬小麦矿井水安全灌溉技术操作方法
（1）选择达到我国农田灌溉水质标准（GB 5042—2005）要求的矿井水灌溉水质类型，超标水质的矿井水应予处理或者通过混灌等灌溉方法稀释矿井水，以达到灌溉水质标准要求。
（2）选择抗旱耐盐碱抗病的高产冬小麦品种，最好是适应性强的地方品种。
（3）结合水肥一体化选择节水灌溉设备，选用微喷管微喷带，禁用雾化强的带喷头喷灌设备，在追肥时施氮肥，追肥禁用硫酸钾和磷肥。
（4）制定科学合理的灌溉制度，应用安全可靠的灌溉方法和田间管理模式，灌水后土壤符合农用地土壤环境质量标准（GB15618—1995），矿井水经过处理、混合稀释达到安全灌溉标准后灌溉冬小麦，目的是粮食安全环境安全。在冬小麦的关键生育期灌水，具体为底墒水（灌淡水）、冬水（混灌）、拔节水（混灌）、开花水（混灌）和灌浆水（灌淡水），或者采用矿井水与无污染水轮灌的方式底墒水（灌淡水）、冬水（矿井水灌）、拔节水（淡水灌）、开花水（矿井水灌）和灌浆水（灌淡水），以获得冬小麦高产、高效、品质安全。底肥施用氮、磷、钾肥分别为尿素225kg/hm2、磷酸二铵150kg/hm2和硫酸钾（或氯化钾）150kg/hm2，起身拔节期结合灌水追施尿素225kg/hm2，严格控制灌水定额平均约为450m3/hm2。
二、夏玉米矿井水安全灌溉技术操作方法
（1）选择达到我国《农田灌溉水质标准》（GB 5042—2005）要求的矿井水灌溉水质类型，超标的矿井水应予处理或者通过混灌等灌水方法稀释矿井水，以达到灌溉水质要求。
（2）选择抗旱、耐盐碱、抗病的高产夏玉米品种，最好是适应性强的地方品种。
（3）结合水肥一体化选择节水灌溉设备，选用微喷管、微喷带，禁用雾化强的带喷头喷灌设备，在追肥时施氮肥，追肥禁用硫酸钾和磷肥。
（4）制定科学合理的灌溉制度，应用安全可靠的灌溉方式和田间管理模式。灌水后土壤符合农用地土壤环境质量标准（GB 15618—1995），矿井水经过处理、混合稀释达到安全灌溉标准后在夏玉米的关键生育期灌溉，即底墒水（灌淡水）播种后灌水易作业、收获小麦后及时机械播种，拔节水（混灌）、抽雄期（混灌）和灌浆水（灌淡水），或者采用矿井水与无污染水轮灌方式底墒水（灌淡水）、拔节水（矿井水灌）、抽雄期（矿井水灌）和灌浆水（灌淡水），以获得夏玉米生产高产、高效、品质安全。拔节期追施尿素300kg/hm2，对土壤质地轻壤或沙质缺钾土壤追施钾肥，夏玉米利用小麦季的磷肥后效，在夏玉米季不用施用磷肥，严格控制灌水定额平均约为450m3/hm2。
第八章　研究结论与展望
第一节　研究结论与研究成果
一、矿井水灌溉冬小麦和夏玉米的盆栽试验
根据项目的研究内容和目标，进行了矿井水不同灌溉方式下的盆栽冬小麦和夏玉米试验。盆栽试验结果表明，矿井水灌溉对冬小麦形态指标、生理指标、产量指标和品质的影响效果，都表现为混灌处理最好，矿井水灌溉处理最差。盆栽试验中由于玉米和小麦轮作，试验在遮雨棚中进行，养分盐分不受降雨淋溶作用的影响，盆里养分盐分不会迁移，因此，到夏玉米季，土壤盐分高度积累，导致矿井水灌溉处理的玉米在苗期因盐害而死亡，且土壤中的重金属镉和铅产生积累。
二、矿井水灌溉冬小麦和夏玉米的田间试验
矿井水不同灌溉方式下的大田冬小麦和夏玉米试验结果表明，矿井水灌溉对冬小麦产量和品质的影响效果，同样表现为混灌处理最好，矿井水灌溉处理最差。与盆栽试验不同的是，同样为玉米和小麦轮作，由于受雨季降雨淋溶作用的影响，土壤养分、盐分和重金属由表层向下层迁移，因此，到夏玉米季，土壤表层盐分与小麦季相比有所降低，导致矿井水灌溉处理的玉米受盐害减轻，并且土壤中的养分、盐分、重金属镉和铅向下迁移到1m以下。说明长期的不合理矿井水灌溉不仅影响作物的产量和品质，而且还存在对地下水污染的风险。
三、矿井水灌溉蔬菜的试验研究
矿井水不同灌溉方式下的蔬菜灌溉试验结果表明，含重金属的高矿化度矿井水灌溉油菜和番茄，会降低蔬菜的产量和品质，增加蔬菜和土壤重金属镉和铅的含量。按照温室蔬菜的无公害蔬菜生产标准要求，通过矿井水与无污染的井水科学合理地混灌和轮灌，可以安全高效地利用矿井水这种非常规水资源，生产安全的蔬菜产品，也可以有效保护矿区蔬菜产地的土壤环境，同时还可避免地下水的超量开采。
四、矿井水灌溉的土柱模拟试验
在河北工程大学灌溉试验场的遮雨棚下，做了矿井水不同灌溉方式下的土柱模拟试验。经过6次的灌溉试验，结果表明，土壤养分、盐分和重金属在土壤0～20cm的表层有明显累积现象，矿井水灌溉>混灌>轮灌>清水灌溉，并向下层土壤迁移，可迁移到80cm土层以下，尤其矿井水灌溉处理显著高于其他3个处理。因此，矿井水长期不合理灌溉可以导致土壤和地下水的污染风险。
五、矿区复垦土壤水分特性
通过对冀中能源峰峰集团新三矿区不同处理煤矸石基质土壤的水分入渗特性、水分特征曲线研究，得出以下结论。
（1）不同处理煤矸石基质土壤累积入渗量、湿润锋均随时间延长呈增大趋势。不同坡位煤矸石基质土壤随着砾石和石块含量增加，入渗速率逐渐增大，不同掺土比例煤矸石基质土壤入渗速率随掺土比例的增大而迅速减小。
（2）不同坡位煤矸石基质土壤，随碎石含量的增加，大孔隙数量增加。一旦达到一定吸力，这些大孔隙中的水分会很快排空，土壤含水量急剧下降，水分特征曲线坡度比较陡。不同掺土比例煤矸石基质土壤，随掺土比例的增大，粉粒和砂粒含量相对增加，当吸力增加时含水量的减少比较缓慢，水分特征曲线坡度比较缓和。Gardner模型能很好地拟合不同处理煤矸石基质土壤水分特征曲线。
六、矿井水灌溉冬小麦和夏玉米的安全灌溉制度
根据盆栽、大田和土柱模拟试验结果，提出了冀南地区矿井水高效安全灌溉冬小麦和夏玉米等主要作物的灌溉水质标准、灌溉方式和灌溉制度，为农业节水灌溉开发利用新的非常规水资源——矿井水，提供了技术支撑和理论依据。
七、经济效益和社会效益
研究成果已在峰峰矿区的梧桐庄矿附近农田和邯郸市复兴区下庄村进行了试验示范推广，每年每公顷土地可节约水资源1350m3。从节约电费和提高粮食产量考虑，每年每公顷可增收825元。仅河北省煤矿区，推广该技术后可开发利用水资源3亿m3。该研究成果可在我国北方矿区冬小麦和夏玉米轮作区推广应用，能够取得较好的经济效益、环境效益和社会效益。在国际学术刊物或国内核心刊物和国际会议等发表重要学术论文8篇，其中4篇被EI收录。培养硕士研究生3名。
第二节　需要进一步深入研究和解决的问题
一、开展不同水质类型矿井水灌溉作物的试验研究
矿井水灌溉作物的试验仅对冬小麦、夏玉米和两种蔬菜作物进行了研究，矿井水灌溉经济作物（果树和其他蔬菜作物）的试验研究还有待进行。
在北方干旱缺水的矿粮复合区，长期矿井废水灌溉引起的生态环境问题在煤矿区普遍存在。本试验中，由于人力、物力、财力的限制，开展矿井水灌溉研究的试验范围还不够大，不同矿区和不同水质类型矿井水灌溉引起的环境污染问题有待进一步深入研究，确定适合本地区的成套治理技术和矿井水灌溉管理模式，这也是今后研究的方向。虽然就矿井水灌溉对土壤盐分和重金属的影响做了研究和分析，但由于矿井水携带大量的悬浮物——煤粉，其中含有大量有机污染物多环芳烃等，关于矿井水灌溉对水土环境中多环芳烃的污染研究，还有必要深入开展。
二、开展矿井水灌溉作物的水肥一体化智能节水技术研究
矿井水灌溉与施肥的耦合作用机理及效果没有研究。在科学合理利用矿井水这种非常规水资源灌溉作物的基础上，需要进一步开展矿井水灌溉不同作物的水肥一体化技术研究。矿井水含盐量和悬浮物高，使用节水灌溉设备易造成管道、滴头和喷头的堵塞，在研究矿井水灌溉水肥一体化节水灌溉技术的基础上，还需进一步开展矿井水灌溉作物的智能节水灌溉设备系统选型与配套技术研究。