礦區(qū)生態(tài)修復過程中不同立地類型土壤水動力學特性

蘇 帥, 楊永剛, 黃 磊

(1.山西大學 環(huán)境與資源學院, 山西 太原 030006; 2.山西大學 黃土高原研究所,山西 太原030006; 3.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州730000)

受損生態(tài)系統(tǒng)修復的基礎手段是植被修復，根本前提是水，關鍵因子是土壤水。土壤水文過程在一定程度上控制著土壤—植被系統(tǒng)的演化和生態(tài)功能[1]。土壤水動力學特性對礦區(qū)生態(tài)恢復具有極其重要作用。國內(nèi)外針對土壤水動力學特性開展了一系列研究，土壤水動力學特征受土壤結(jié)構(gòu)與土壤質(zhì)地等因子影響較大，建立了土壤水動力學基本方程、土壤水熱運動模型、溶質(zhì)遷移模型及表征土壤水分運動特征的物理模型、經(jīng)驗模型及參數(shù)估計模型等[2-5]。土壤水動力學性質(zhì)決定土壤保持水分和供釋水分的能力。土壤水分、水分特征曲線、導水率、水分擴散率是土壤水動力學的主要參數(shù)，反映了土壤的導水性能、土壤水的蓄集和供水能力及其運動狀況[6-7]。

不同地點、不同恢復時間、不同植被恢復模式對土壤理化性質(zhì)指標的影響均不同。目前研究多集中在礦區(qū)修復后植被群落特征演替特征、復墾土壤性狀、不同植被修復模式、不同植被修復方式和年限影響土壤水碳氮等方面[8-9]，而對礦區(qū)生態(tài)修復過程中土壤水動力學特性的研究還較為薄弱。本研究擬以山西古交礦區(qū)未干擾區(qū)、受損區(qū)、不同修復年限區(qū)作為研究對象，在不同修復年限下設置樣地，分層取樣，通過測定礦區(qū)不同立地類型、土壤水分特征曲線、非飽和導水率、容重、孔隙度、粒度與緊實度等，解析不同立地類型土壤持水性、供水性、有效水含量和導水特性，研究不同恢復年限土壤理化性質(zhì)及其之間相關性，揭示土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律及其響應機制，以期為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復提供理論支撐與科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省古交市，地處112°03′30″—112°06′12″E，37°56′35″—37°59′3″N，屬于溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫為9.6 ℃，多年平均降雨量為426.1 mm，多年平均蒸發(fā)量2 093.8 mm，干旱指數(shù)為2.2，地形以山地為主，山地丘陵面積占全區(qū)面積的95.8%。研究區(qū)煤炭資源豐富且分布廣泛，占總面積47.6%，以能源化工為主。采礦形成酸性礦井廢水、廢氣、粉塵等對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞，水土流失、植被破壞和土壤水污染等生態(tài)問題嚴重。

2 研究方法

本研究分別在礦區(qū)未干擾區(qū)、受損區(qū)、修復3 a區(qū)、修復5 a區(qū)、修復10 a區(qū)、修復15 a區(qū)6種不同立地類型進行樣品采集和野外監(jiān)測工作。采用環(huán)刀法測定土壤容重，比重瓶法測定土壤總孔隙度，采用Mastersizer 2000型激光粒度儀測定土壤粒徑，6210土壤緊實度儀測定土壤緊實度。由于土壤緊實度受土壤含水率影響較大，因此在同一天內(nèi)將樣地內(nèi)土壤緊實度全部測定，每個樣點土壤緊實度測定6次，每個樣地測6個樣點取平均值，土壤容重、總孔隙度和粒徑分別測定3次取平均值，土壤質(zhì)地按照國際制分類方法進行分類。

采用Ku-pf非飽和導水率測量系統(tǒng)測定土壤非飽和導水率和土壤水分特征曲線，測定的土壤水分特征曲線為脫濕曲線。土壤比水容量是土壤水分保持和運動的重要參數(shù)，是土壤水分特征曲線斜率的導數(shù)：

(1)

式中：C(θ)——比水容量；θ——土壤含水量(%)；ψ——土壤基質(zhì)勢；S——土壤吸力(MPa)，其中S=-ψ。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同立地類型土壤質(zhì)量差異性分析

土壤容重、孔隙度和緊實度是表征土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)。土壤容重和緊實度過高可導致土壤孔隙度變小、持水性和通透性變差，致使植被受到干燥和緊實雙重脅迫[10]。礦區(qū)受損區(qū)土壤為砂質(zhì)壤土，修復區(qū)和未干擾區(qū)為粉質(zhì)壤土。不同立地類型土壤容重、緊實度和孔隙度差異性顯著。受損區(qū)0—20 cm土壤容重最大且大于1.5 g/cm3，未干擾區(qū)土壤容重最小，為1.22 g/cm3，修復區(qū)0—20 cm土壤容重介于1.29～1.52 g/cm3，隨著修復年限增加，土壤容重逐漸減小，但修復區(qū)20—40 cm土壤容重介于1.55～1.61 g/cm3，大于0—20 cm土層，且隨著復墾年限增加，土壤容重呈減小趨勢。研究表明土壤容重為1.5 g/cm3是植物根系生長的臨界值，當土壤容重在1.2～1.3 g/cm3時將有利于植物生長[11]，由此得知受損區(qū)土壤結(jié)構(gòu)最差，不利于植物根系穿透生長，未干擾區(qū)土壤結(jié)構(gòu)最好，修復區(qū)0—20 cm土壤在經(jīng)過修復后土壤結(jié)構(gòu)逐漸變好，持水性與通氣性得到改善，但修復區(qū)20—40 cm土壤容重過高，土壤結(jié)構(gòu)較差。受損區(qū)和修復3 a區(qū)0—20 cm土壤緊實度最大，為2 068.50 kPa，未干擾區(qū)最小，為413.70 kPa，修復區(qū)介于620.55～1 379.00 kPa之間，修復區(qū)20—40 cm土壤緊實度介于1 447.95～2 068.50 kPa，大于0—20 cm土壤緊實度，且隨著修復年限增加，0—20和20—40 cm土壤緊實度均呈現(xiàn)減小趨勢，該規(guī)律與土壤容重變化一致。土壤緊實會導致土壤顆粒重新排列，從而降低土壤孔隙度[12]。受損區(qū)0—20 cm土壤總孔隙度最小，為30.74%，未干擾區(qū)土壤總孔隙度最大，為52.96%，修復區(qū)土壤總孔隙度介于36.32%～49.33%，修復區(qū)20—40 cm土壤總孔隙度較0—20 cm土壤孔隙度小。土壤總孔隙度與土壤容重和緊實度變化規(guī)律相反。生態(tài)修復使礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)變好，隨著修復年限增加，土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善。

3.2 不同立地類型土壤水分特征曲線差異性分析

土壤水分特征曲線是基質(zhì)勢和含水率的函數(shù)，反映了土壤水數(shù)量和勢能的關系，是土壤水保持和運動關鍵參數(shù)。土壤水分特征曲線變化受結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等因素的影響[13]。受損區(qū)土壤為砂質(zhì)壤土，修復區(qū)和未干擾區(qū)土壤類型為粉質(zhì)壤土，相同吸力段受損區(qū)土壤含水量下降較為迅速。這是由于受損區(qū)土壤質(zhì)地較粗，土壤中大孔隙發(fā)育，當吸力達到一定范圍時，土壤中的水分容易排空，而修復區(qū)和未干擾區(qū)土壤屬于粉質(zhì)壤土，黏粒含量較高，表面能較大，可以保持較多水分。在低吸力段土壤水分特征曲線變化較為平緩，隨著吸力增加，土壤水分特征曲線變化較為陡直，這是由于在吸力較低時，水分主要存在于大孔隙中，土壤結(jié)構(gòu)影響較為顯著。當吸力逐漸增大時，土壤中水分主要貯存在微小孔隙中和吸附在黏粒表面，土壤質(zhì)地影響顯著，水分變化范圍較小(圖1)。

圖1 研究區(qū)土壤水分特征曲線

Gardner模型[14]表征土壤基質(zhì)勢和土壤含水量之間的關系：

θ=a×S-b

(2)

式中：a，b——擬合參數(shù)；θ——土壤含水量(%)；S——吸力(MPa)。參數(shù)a反映了土壤中的持水能力，a值越大持水能力越強，反之持水能力越弱。參數(shù)b反映了土壤含水量隨吸力增加遞減的快慢程度[15]。從表1可知，礦區(qū)0—20 cm土層土壤持水性呈現(xiàn)：受損區(qū)(0.022)<修復3 a區(qū)(0.08)<修復5 a區(qū)(0.15)<修復10 a區(qū)(0.222)<修復15 a區(qū)(0.225)<未干擾區(qū)(0.265)，隨著修復年限增加，土壤持水性逐漸接近未干擾區(qū)，但修復區(qū)20—40 cm土層土壤持水性明顯低于0—20 cm。修復區(qū)0—20 cm土壤持水性較受損區(qū)得到改善，但20—40 cm土壤持水性隨修復年限增加變化不顯著。因為植被根系主要在分布0—20 cm，根系分泌的膠體使0—20 cm土壤團粒增加，代謝作用產(chǎn)生的有機質(zhì)也主要集中在0—20 cm，有機質(zhì)含量增加促使土壤中水穩(wěn)性團聚含量增加，土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤孔隙數(shù)量變多，因此持水性高于20—40 cm[16]。

表1 礦區(qū)土壤水分特征曲線擬合方程

3.3 不同立地類型土壤比水容量差異性分析

礦區(qū)土壤水并不能全部被植被吸收，土壤水分特征曲線斜率和比水容量是研究土壤水分供水性、有效性能力的重要參數(shù)。礦區(qū)不同立地類型土壤比水容量在不同吸力段變化幅度差異較大，在0.01～0.1 MPa吸力段，土壤釋水量達到10-1～10-2數(shù)量級；在0.1～1.5 MPa土壤釋水量達到10-2～10-3數(shù)量級。Gardner模型中參數(shù)a和b的乘積表征了土壤吸力為0.1 MPa時的比水容量，ab值越大，土壤供水性越強[17]。礦區(qū)不同立地類型土壤供水性不同，0—20 cm土壤供水性呈現(xiàn)：受損區(qū)(0.01)<修復3 a區(qū)(0.022)<修復5 a區(qū)(0.029)<修復10 a區(qū)(0.031)<修復15 a區(qū)(0.032)<未干擾區(qū)(0.033)，說明修復區(qū)0—20 cm土壤在經(jīng)修復后，土壤供水性得到改善，隨著修復年限增加，土壤供水性增加并接近未干擾區(qū)，這與土壤持水性一致，但修復區(qū)20—40 cm土壤供水性仍然較差。

3.4 不同立地類型土壤水有效性差異性分析

土壤水分有效性指田間持水量到凋萎含水量，是衡量土壤供水能力的重要指標[18]，但土壤中有效水并不是可以等效利用。植被可以利用的土壤水分以比水容量到達10-2數(shù)量級為界限，當比水容量小于這一界限時土壤釋水量顯著減小，植被用水更為困難。當吸力到達0.1 MPa時，礦區(qū)土壤比水容量到達10-2數(shù)量級，由此作為判斷土壤中以易有效水和難有效水的分界線。

由表2可知，礦區(qū)0—20 cm土壤易有效水含量：受損區(qū)(4.25)<修復3 a區(qū)(7.28)<修復5 a區(qū)(7.86)<修復10 a區(qū)(8.5)<未干擾區(qū)(8.86)<修復15 a區(qū)(8.83)；修復區(qū)20—40 cm土壤易有效水含量低于0—20 cm土壤易有效水含量，生態(tài)修復效果不明顯，但0—20 cm土壤易有效水含量較受損區(qū)得到提高。相關分析結(jié)果顯示礦區(qū)土壤容重、緊實度和易有效含水量呈極顯著負相關(p<0.01)[19]，土壤總孔隙度和易有效含水量呈極顯著正相關(p<0.01)，土壤黏粒含量和易有效含水量呈顯著正相關(p=0.027)。

表2 礦區(qū)土壤水有效性分類 %

3.5 不同立地類型非飽和導水率差異性分析

非飽和導水率能夠反映土壤導水特性，與土壤物理性質(zhì)關系密切，是研究土壤水分運動和溶質(zhì)運移的重要參數(shù)[20]。礦區(qū)修復區(qū)土壤非飽和導水率實測值見圖2，采用指數(shù)函數(shù)K(ψ)=a*exp(b*ψ)對吸力和非飽和導水率進行擬合，其中a，b為擬合參數(shù)，當ψ=0時，a為飽和導水率。由表3可知，指數(shù)函數(shù)可較好擬合非飽和導水率和吸力之間的關系(r2>0.95)。

圖2 修復區(qū)土壤非飽和導水率實測值

樣地0—20cmabr220—40cmabr2修復3a區(qū)5．62E-05-0．0180．982．63E-05-0．0220．97修復5a區(qū)9．13E-05-0．0120．973．92E-05-0．0260．98修復10a區(qū)1．42E-4-0．0090．964．28E-05-0．0190．97修復15a區(qū)1．77E-4-0．0090．984．37E-05-0．0250．96

從圖2可看出，修復區(qū)土壤非飽和導水率隨著吸力的增加，呈非線性減小且在不同吸力段變化過程不同。吸力小于300 hPa時，非飽和導水率變化劇烈，下降速率較快。此時土壤處于低吸力狀態(tài)時，土壤含水量較高，土壤中大孔隙充滿水，土壤通透性較好。隨著吸力增加，土壤中大孔隙首先開始排水，孔隙中實際過水面積大，非飽和導水率變化范圍較大；當吸力逐漸升高至大于300 hPa時，土壤中大孔隙排水完成，土壤含水量降低。水分主要存在于中小孔隙中，孔隙被氣體填充，實際過水面積減小，流速降低，非飽和導水率變化范圍也減?。浑S著吸力增大，非飽和導水率和孔隙度相關性降低，因為土壤中微小孔隙及顆粒對水分吸附力和摩擦力起主要作用，水流在孔隙中流動阻力變大，單位吸力梯度下導水率變化范圍更小。

對修復區(qū)土壤容重、總孔隙度和吸力值為50，100，300，500，800，1 000，1 500 hPa時做非飽和導水率值進行相關分析，結(jié)果見表4。對修復區(qū)4個樣地土壤容重(x)和指數(shù)函數(shù)中的擬合參數(shù)a，b進行回歸分析得到關系式(圖3)。

表4 非飽和導水率和土壤容重、總孔隙度相關性分析

注：**p<0.01為極顯著性相關；*p<0.05為顯著性相關。

圖3 土壤容重和擬合參數(shù)關系

由圖3可知，多項式關系式：a=0.005x2-0.001 9x+0.001 8；b=0.133 6x2+0.333x-0.215 3。相同吸力下，土壤容重大的土壤非飽和導水率較小，即0—20 cm土壤非飽和導水率比20—40 cm土壤非飽和導水率大，結(jié)果顯示非飽和導水率和容重呈極顯著性負相關。隨著修復年限增加，植被根系及代謝作用產(chǎn)生有機質(zhì)累積，使土壤中細而小的顆粒形成較大團聚體，大孔隙數(shù)量增多，土壤結(jié)構(gòu)性與通氣性變好，相同吸力下容重小的土壤非飽和導水率要高于容重大的土壤。

不同修復年限均比對照地土壤容重降低、孔隙度增加，土壤滲透性和透氣性得到改善，表明土壤結(jié)構(gòu)得到改善。而且不同修復年限之間改良土壤結(jié)構(gòu)的能力差異顯著，隨著恢復年限的延伸，土壤結(jié)構(gòu)逐漸變好。未干擾區(qū)最好，其次是修復15 a，3 a區(qū)效果最差。

4 結(jié) 論

(1) 非飽和導水率隨吸力增大呈非線性減小，相同吸力下，土壤容重大的土樣非飽和導水率較小。土壤容重和非飽和導水率呈現(xiàn)極顯著負相關關系，和土壤總孔隙度呈正相關關系且相關性隨吸力增加降低。

(2) 不同立地類型土壤持水性、供水性和易有效水含量遵循受損區(qū)<修復區(qū)<未干擾區(qū)的變化規(guī)律，但修復區(qū)20—40 cm土壤持水性、供水性和易有效水含量比0—20 cm低，其中易有效水含量和土壤容重、緊實度呈負相關關系，與總孔隙度、黏粒含量呈正相關關系。礦區(qū)0—20 cm土壤隨著修復年限增加，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，持蓄調(diào)節(jié)水分的能力逐漸增強。

[1] 張華兵,劉紅玉,李玉鳳,等.自然條件下鹽城海濱濕地土壤水分/鹽度空間分異及其與植被關系研究[J].環(huán)境科學,2013,34(2):540-546.

[2] 解雪峰,濮勵杰,朱明,等.土壤水鹽運移模型研究進展及展望[J].地理科學,2016,10:1565-1572.

[3] Ru?i?icS, Mileusnic M, Posavec K, et al. Water flow and solute transport model of potentially toxic elements through unsaturated zone at regional wellfield Kosnica[J]. Hydrological Processes, 2016,30(22):4113-4124.

[4] Yadav R R, Kumar L K. One-dimensional spatially dependent solute transport in semi-infinite porous media: an analytical solution[J]. 2017,9(4):20.

[5] Olatuyi S O, Akinremi O O, Hao X. Solute transport in a hummocky landscape(II): Vertical and seasonal redistribution of bromide and15N-labelled nitrate[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2017,92(4):631-643.

[6] Carrick S, Buchan G, Almond P, et al. Atypical early-time infiltration into a structured soil near field capacity: The dynamic interplay between sorptivity, hydrophobicity, and air encapsulation[J]. Geoderma, 2011,160(3/4):579-589.

[7] Kawamoto K, Moldrup P, Ferré T P A, et al. Linking the gardner and campbell models for water retention and hydraulic conductivity in near-saturated soil[J]. Soil Science, 2015,171(171):573-584.

[8] Akala V A, Lal R. Potential of mine land reclamation for soil organic carbon sequestration in Ohio[J]. Land Degradation & Development, 2015,11(3):289-297.

[9] 王月玲,王思成,蔡進軍,等.半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地林草植被恢復對土壤質(zhì)量影響評價[J].水土保通報,2017,37(5):22-26.

[10] 焦彩強,王益權(quán),劉軍,等.關中地區(qū)耕作方法與土壤緊實度時空變異及其效應分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(3):7-12.

[11] 杜天慶,苗果園,郝建平,等.不同類型豆科植物對黃土母質(zhì)生土的改土效果[J].水土保持學報,2011,25(6):76-80,86.

[12] 田月亮,張金池,李海東,等.不同林分類型土壤水分物理性質(zhì)及其海拔效應：以浙江省鳳陽山為例[J].水土保持通報,2013,33(1):53-57,61.

[13] 邢旭光,趙文剛,馬孝義,等.土壤水分特征曲線測定過程中土壤收縮特性研究[J].水利學報,2015,46(10):1181-1188.

[14] Gardner W R, Hillel D, Benyamini Y. Post irrigation movement of soil water(I): Redistribution [J]. Water Resources Research, 1970,6(3):851-861.

[15] 劉永光,劉克鋒,孫向陽,等.基于土壤水分特征曲線的北京市廢棄關停礦山修復效果研究[J].土壤通報.2013,44(1):64-71.

[16] 聶小飛,鄭海金,左繼超,等.枯落物敷蓋對紅壤坡地土壤水分特性的影響[J].水土保持學報,2016,30(6):85-89.

[17] 楊永輝,武繼承,趙世偉,等.黃土丘陵溝壑區(qū)草地土壤持水、供水性能比較[J].土壤通報,2009,40(5):1010-1013.

[18] Hernández M, Echarte L, Maggiora A D, et al. Maize water use efficiency and evapotranspiration response to N supply under contrasting soil water availability[J]. Field Crops Research, 2015,178:8-15.

[19] Li Zhuo, Wu Pute, Feng Hao, et al. Simulated experiment on effects of soil bulk density on soil water holding capacity. [J]. Acta Pedologica Sinica, 2010,47(4):611-620.

[20] 廖凱華,徐紹輝,吳吉春,等.不同土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)預測砂土非飽和導水率的對比分析[J].水科學進展,2013,24(4):560-567.