Effects of biochar and potassium polyacrylate on water characteristics of coal gangue in alpine mining area

Ma Xiaodong; Li Chuan; Zou Xingchen; Wang Zuoxiao; He Kangning

doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2025.06.007

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Effects of biochar and potassium polyacrylate on water characteristics of coal gangue in alpine mining area

Experimental Researches

- Effects of biochar and potassium polyacrylate on water characteristics of coal gangue in alpine mining area
- Bulletin of Soil and Water Conservation Vol. 45, Issue 6, Pages: 77-86(2025)
- 作者机构：
  
  北京林业大学水土保持学院，北京 100083
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13961/j.cnki.stbctb.2025.06.007
  CLC： X752;S157
- CSTR：32312.14.stbctb.2025.06.007
- Received：26 June 2025，
  
  Revised：2025-07-21，
  
  Published：10 December 2025
- 稿件说明：
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马小东, 李川, 邹星晨，等.生物炭和聚丙烯酸钾对高寒矿区煤矸石水分特性的影响[J].水土保持通报,2025,45(6):77-86.

Ma Xiaodong, Li Chuan, Zou Xingchen, et al. Effects of biochar and potassium polyacrylate on water characteristics of coal gangue in alpine mining area [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(6):77-86.
马小东, 李川, 邹星晨，等.生物炭和聚丙烯酸钾对高寒矿区煤矸石水分特性的影响[J].水土保持通报,2025,45(6):77-86. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.06.007. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.06.007.

Ma Xiaodong, Li Chuan, Zou Xingchen, et al. Effects of biochar and potassium polyacrylate on water characteristics of coal gangue in alpine mining area [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(6):77-86. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.06.007. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.06.007.

摘要

目的

探究生物炭与聚丙烯酸钾协同改良对高寒矿区煤矸石水分特性的影响机制，旨在提升其持水保墒及抑制水分蒸发的能力。

方法

采用室内土柱模拟试验，设置不同质量分数生物炭（1.1%，4.3%）与聚丙烯酸钾（0.12%，0.22%，0.32%）添加量组合（共6种处理）及对照（CK）。运用一维定水头垂直入渗法、连续称重法及环刀法测定煤矸石基质的入渗特性、蒸发过程及关键持水参数（饱和含水量、毛管持水量、田间持水量）。

结果

各处理饱和含水量较CK提高7.88%~33.35%；聚丙烯酸钾添加量极显著抑制湿润锋运移距离、初始入渗速率、平均入渗速率和累积入渗量（

0.01），生物炭的多级孔隙吸附与聚丙烯酸钾溶胀增阻效应共同形成“缓入渗—强持水”模式，有效抑制水分快速下渗并提升根区水分（如冻融水）捕获储存效率；Kostiakov模型能高精度表征改良基质入渗规律（

R²

0.916，RMSE

0.159）。高添加量处理（如B

）抑制蒸发效果显著，累积蒸发损失率较CK最大降低19.88%，并维持更高剩余含水量。在容重1.41 g/cm³条件下，综合持水特性、入渗特性及蒸发抑制性能等指标，煤矸石基质改良的最优配比为B

处理组，其生物炭质量分数为4.30%，聚丙烯酸钾质量分数为0.32%。

结论

处理显著增强高寒矿区煤矸石持水能力及抑制蒸发能力，Kostiakov模型对各处理组的水分入渗过程展现出最佳拟合效果。

Abstract

Objective

The influencing mechanisms of synergistic improvement by biochar and potassium polyacrylate on the water characteristics of coal gangue in alpine mining areas were investigated， in order to enhance its water-holding and moisture conservation capacity and inhibit water loss via evaporation.

Methods

A laboratory soil column simulation experiment was conducted with different mass fractions of biochar （1.1%， 4.3%） and potassium polyacrylate （0.12%， 0.22%， 0.32%） in combined application （six treatments in total）， along with a control （CK）. The one-dimensional constant-head vertical infiltration method， continuous weighing method， and cutting-ring method were employed to determine the infiltration characteristics， evaporation process， and key water-holding parameters （saturated water content， capillary water-holding capacity， and field capacity） of the coal gangue matrix.

Results

The saturated water content of all treatments increased by 7.88% to 33.35% compared with CK. The addition of potassium polyacrylate significantly inhibited the transport distance of the wetting front， initial infiltration rate， average infiltration rate， and cumulative infiltration volume （

0.01）. The multi-level pore adsorption of biochar， combined with the swelling and resistance-enhancing effect of potassium polyacrylate， jointly formed a ‘slow infiltration-strong water retention’ mode. This mode effectively inhibited rapid water infiltration and enhanced the capture and storage efficiency of water （e.g.， freeze-thaw water） in the root zone. The Kostiakov model could accurately characterize the infiltration patterns of the amended matrix （

R²

0.916， RMSE

0.159）. Treatments with high amendment rates （e.g.， B

） showed significant evaporation inhibition effectiveness， achieving a maximum reduction of 19.88% in cumulative evaporati

on loss rate compared to CK， while maintaining higher residual water content. Under a bulk density of 1.41 g/cm

， considering water-holding characteristics， infiltration characteristics， and evaporation inhibition performance， the optimal amendment ratio of the coal gangue matrix was achieved in the B

treatment group， with a biochar mass fraction of 4.3% and a potassium polyacrylate mass fraction of 0.32%.

Conclusion

The B

treatment significantly enhances the water-holding capacity and evaporation inhibition ability of coal gangue in alpine mining areas. The Kostiakov model demonstrates the best fit for the water infiltration process across all treatment groups.

关键词

Keywords

references

王鹏森，刘刚，李旭旭，等 . 未来气候情景下垂穗披碱草在中国的潜在分布［J］. 生态学杂志， 2025 ， 44 （ 2 ）： 590 - 599 .

Wang Pengsen ， Liu Gang ， Li Xuxu ， et al . Potential distribution of Elymus nutans in China under future climate scenarios ［J］. Chinese Journal of Ecology ， 2025 ， 44 （ 2 ）： 590 - 599 .

陈哲，徐巍，门双，等 . 祁连山岛状冻土活动层土壤氮库对模拟冻融响应［J］. 草地学报， 2023 ， 31 （ 1 ）： 19 - 28 .

Chen Zhe ， Xu Wei ， Men Shuang ， et al . Response of soil nitrogen pools to a simulated freeze-thaw test in the active layer of segregated permafrost on the Qilian Mountains ［J］. Acta Agrestia Sinica ， 2023 ， 31 （ 1 ）： 19 - 28 .

陈峰，杨利亚，冯海波，等 . 祁连山南麓露天矿区高寒草地植被生态系统稳定性研究：以青海木里-聚乎更矿区为例［J］. 安全与环境工程， 2024 ， 31 （ 1 ）： 291 - 300 .

Chen Feng ， Yang Liya ， Feng Haibo ， et al . Stability of the alpine grassland vegetation ecosystem in open-pit mining area at the southern Qilian Mountains：A case study in Muli-Juhugeng mining area， Qinghai Province ［J］. Safety and Environmental Engineering ， 2024 ， 31 （ 1 ）： 291 - 300 .

周雪雨，郭亮亮，张永波 . 煤矸石人工热储的建造及自燃热能潜力分析［J］. 矿业安全与环保， 2023 ， 50 （ 3 ）： 129 - 135 .

Zhou Xueyu ， Guo Liangliang ， Zhang Yongbo . Constraction of coal gangue artificial thermal storage and analysis of spontaneous combustion thermal energy potential ［J］. Mining Safety & Environmental Protection ， 2023 ， 50 （ 3 ）： 129 - 135 .

Guo Shijie ， Zhang Jixiong ， Li Meng ， et al . A preliminary study of solid-waste coal gangue based biomineralization as eco-friendly underground backfill material：Material preparation and macro-micro analyses ［J］. Science of the Total Environment ， 2021 ， 770 ： 145241 .

Wang Jinman ， Li Xinfeng ， Bai Zhongke ， et al . The effects of coal gangue and fly ash on the hydraulic properties and water content distribution in reconstructed soil profiles of coal-mined land with a high groundwater table ［J］. Hydrological Processes ， 2017 ， 31 （ 3 ）： 687 - 697 .

宋凯，高宇，左雨田，等 . 生物炭改良模式下农田土壤总有机碳的Meta分析［J］. 中国农学通报， 2025 ， 41 （ 9 ）： 125 - 131 .

Song Kai ， Gao Yu ， Zuo Yutian ， et al . Meta-analysis of total organic carbon in agricultural soils under biochar amendment model ［J］. Chinese Agricultural Science Bulletin ， 2025 ， 41 （ 9 ）： 125 - 131 .

Yang Lixia ， Yang Yang ， Chen Zhang ， et al . Influence of super absorbent polymer on soil water retention， seed germination and plant survivals for rocky slopes eco-engineering ［J］. Ecological Engineering ， 2014 ， 62 ： 27 - 32 .

杨永刚，苏帅，焦文涛 . 煤矿复垦区土壤水动力学特性对下渗过程的影响［J］. 生态学报， 2018 ， 38 （ 16 ）： 5876 - 5882 .

Yang Yonggang ， Su Shuai ， Jiao Wentao . The influence of hydrodynamic characteristics on the infiltration process of soil water in a coal mine reclamation area ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2018 ， 38 （ 16 ）： 5876 - 5882 .

魏盈，焦乐，张鹏，等 . 生物炭改良盐碱地研究与应用进展［J］. 环境科学， 2024 ， 45 （ 2 ）： 940 - 951 .

Wei Ying ， Jiao Le ， Zhang Peng ， et al . Research and application progress of biochar in amelioration of saline-alkali soil ［J］. Environmental Science ， 2024 ， 45 （ 2 ）： 940 - 951 .

陈诗婷，查瑞波，毛兰花，等 . 施用保水剂对花岗岩红壤坡面侵蚀过程的影响［J］. 水土保持学报， 2021 ， 35 （ 5 ）： 44 - 49 .

Chen Shiting ， Zha Ruibo ， Mao Lanhua ， et al . Effects of SAP application on slope erosion process of granite red soil ［J］. Journal of Soil and Water Conservation ， 2021 ， 35 （ 5 ）： 44 - 49 .

Sun Junna ， Yang Runya ， Li Wenxue ， et al . Effect of biochar amendment on water infiltration in a coastal saline soil ［J］. Journal of Soils and Sediments ， 2018 ， 18 （ 11 ）： 3271 - 3279 .

刘世思，裴青宝，宋奕欣，等 . 生物炭添加量对红壤水分运移的影响［J］. 水资源与水工程学报， 2024 ， 35 （ 5 ）： 217 - 224 .

Liu Shisi ， Pei Qingbao ， Song Yixin ， et al . Effect of biochar addition on water transport in red soils ［J］. Journal of Water Resources and Water Engineering ， 2024 ， 35 （ 5 ）： 217 - 224 .

刘慧军，刘景辉，于健，等 . 聚丙烯酸盐类土壤改良剂对燕麦土壤微生物量氮及酶活性的影响［J］. 中国土壤与肥料， 2013 （ 1 ）： 25 - 31 .

Liu Huijun ， Liu Jinghui ， Yu Jian ， et al . Effect of soil amendment of polyacrylate on soil microbial biomass nitrogen and soil enzyme activity ［J］. Soil and Fertilizer Sciences in China ， 2013 （ 1 ）： 25 - 31 .

Abulaiti A ， She Dongli ， Liu Zhipeng ， et al . Application of biochar and polyacrylamide to revitalize coastal saline soil quality to improve rice growth ［J］. Environmental Science and Pollution Research ， 2023 ， 30 （ 7 ）： 18731 - 18747 .

赵西宁，刘帅，高晓东，等 . 不同改良剂对黄土高原丘陵区山地果园土壤质量的影响［J］. 生态学报， 2022 ， 42 （ 17 ）： 7080 - 7091 .

Zhao Xining ， Liu Shuai ， Gao Xiaodong ， et al . Effect evaluation of soil amendments on soil quantity of mountain apple orchards in the hilly region of Loess Plateau， China ［J］. Acta Ecologica Sinica ， 2022 ， 42 （ 17 ）： 7080 - 7091 .

夏茂林，刘云飞，张承吉，等 . 新型复合保水剂对半干旱区烤烟生长和生理特性的影响［J］. 中国烟草科学， 2023 ， 44 （ 1 ）： 32 - 37 .

Xia Maolin ， Liu Yunfei ， Zhang Chengji ， et al . Effects of new composite water retention agents on growth and physiological characteristics of flue-cured tobacco in semi-arid areas ［J］. Chinese Tobacco Science ， 2023 ， 44 （ 1 ）： 32 - 37 .

刘欢平，郑彩霞，石琪仙，等 . 聚丙烯酰胺与腐植酸混施对紫色土水分入渗特性的影响［J］. 水土保持通报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 121 - 127 .

Liu Huanping ， Zheng Caixia ， Shi Qixian ， et al . Effect of mixed application of polyacrylamide and humic acid on water infiltration characteristics of purple soil ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 121 - 127 .

孙智龙，杨建英，史常青，等 . SOCO–SAP对高寒矿区不同级配煤矸石水分与披碱草生长的影响［J］. 煤炭学报， 2024 ， 49 （ 12 ）： 4915 - 4927 .

Sun Zhilong ， Yang Jianying ， Shi Changqing ， et al . Effect of SOCO-SAP on moisture of different graded coal gangue and Elymus dahuricus growth in alpine mining area ［J］. Journal of China Coal Society ， 2024 ， 49 （ 12 ）： 4915 - 4927 .

王小展，杨春艳，史常青，等 . 不同温度和冷冻/冻融循环对保水剂吸持水性能的影响［J］. 农业工程学报， 2025 ， 41 （ 4 ）： 59 - 69 .

Wang Xiaozhan ， Yang Chunyan ， Shi Changqing ， et al . Effects of different temperatures and freezing/freezing-thawing cycles on the water absorption and holding properties of superabsorbent polymers ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2025 ， 41 （ 4 ）： 59 - 69 .

杨卓，盛世博，辛建宝，等 . 露天煤矿剥离物不同配比表土替代材料的物理性质［J］. 水土保持通报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 201 - 207 .

Yang Zhuo ， Sheng Shibo ， Xin Jianbao ， et al . Physical properties of topsoil substitute materials formed by overburden materials in open-pit coal mine with different ratios ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 201 - 207 .

鲍士旦 . 土壤农化分析［M］. 3版 . 北京：中国农业出版社， 2000 .

Bao Shidan . Soil and agricultural chemistry analysis ［M］. 3rd ed . Beijing ： China Agriculture Press ， 2000 .

Su Lijun ， Wang Quanjiu ， Shan Yuyang ， et al . Estimating soil saturated hydraulic conductivity using the Kostiakov and Philip infiltration equations ［J］. Soil Science Society of America Journal ， 2016 ， 80 （ 6 ）： 1463 - 1475 .

陈浩，刘冬冬，冯娜，等 . 上覆碳酸盐岩红土层对磷石膏水分运移的影响及Green-Ampt模型模拟［J］. 水土保持通报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 225 - 234 .

Chen Hao ， Liu Dongdong ， Feng Na ， et al . Effect and simulation of overlying carbonate red soil layers on water migration in phosphogypsum ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 225 - 234 .

陆丽霞，陈浩，王儒章，等 . 微塑料种类和尺寸对碳酸盐岩红土入渗过程及水力参数的影响［J］. 水土保持通报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 215 - 224 .

Lu Lixia ， Chen Hao ， Wang Ruzhang ， et al . Influence of microplastic species and size on infiltration process and hydraulic parameters of carbonate lateritic soils ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 215 - 224 .

王志超，张博文，倪嘉轩，等 . 微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响［J］. 环境科学， 2022 ， 43 （ 8 ）： 4394 - 4401 .

Wang Zhichao ， Zhang Bowen ， Ni Jiaxuan ， et al . Effect of microplastics on soil water infiltration and evaporation ［J］. Environmental Science ， 2022 ， 43 （ 8 ）： 4394 - 4401 .

马靖涵，穆艳 . 城市绿化树种银杏的蒸散特征和土壤水分状况［J］. 水土保持通报， 2023 ， 43 （ 2 ）： 69 - 76 .

Ma Jinghan ， Mu Yan . Evapotranspiration characteristics and soil moisture conditions of Ginkgo biloba in urban gardens ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 69 - 76 .

吴志娟，毕二平 . 生物炭增强黄绵土对西替利嗪的吸附作用［J］. 环境科学， 2017 ， 38 （ 5 ）： 2154 - 2160 .

Wu Zhijuan ， Bi Erping . Enhanced sorption of cetirizine to loessial soil amended with biochar ［J］. Environmental Science ， 2017 ， 38 （ 5 ）： 2154 - 2160 .

Ali Akbar Nakhli S ， Imhoff P T . Models for predicting water retention in pyrogenic carbon （biochar） and biochar-amended soil at low water contents ［J］. Water Resources Research ， 2020 ， 56 （ 11 ）： e2020WR027726 .

杨春艳，王小展，史常青，等 . 不同材料覆盖对高寒矿区扰动界面土壤蒸发特性的影响［J］. 水土保持研究， 2025 ， 32 （ 2 ）： 198 - 206 .

Yang Chunyan ， Wang Xiaozhan ， Shi Changqing ， et al . Effect of different mulching materials on soil evaporation characteristics of disturbed interface in alpine mining area ［J］. Research of Soil and Water Conservation ， 2025 ， 32 （ 2 ）： 198 - 206 .

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