鐵尾礦不同復(fù)墾模式土壤貯水能力及入滲特征

呂春娟， 陳 丹， 郭星星， 王 煜， 郭巖松

(山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，030801，山西太谷)

土壤水分入滲控制降水過程中地表產(chǎn)流水平、儲水性能及地下徑流量等而成為水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]，土壤貯水量和入滲率是水土保持和水源涵養(yǎng)功能的重要水文參數(shù)[3]。研究表明，土壤入滲性能越好，植物可吸收利用的有效水越多，植物生長發(fā)育越有利，還可以形成壤中流，減少地表徑流，抑制土壤侵蝕的發(fā)生[4-5]。目前，在生態(tài)環(huán)境脆弱的工礦區(qū)，土壤水分的運移維系問題受到國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注[6-8]。研究水分入滲規(guī)律對合理利用調(diào)控礦區(qū)水資源、降低水土流失風險具有重要意義。

鐵尾礦是礦區(qū)開采礦石產(chǎn)生的固體廢棄物。中國作為全球第2大鐵礦石生產(chǎn)國由于選礦技術(shù)限制鐵尾礦排棄量大[9]，綜合利用率不到10%，遠落后于達60%的西方發(fā)達國家[10]。長期任意堆存的尾礦廢棄物不僅壓占了大量土地，而且被降雨和地表徑流侵蝕后極易引發(fā)嚴重的水土流失問題。由于尾礦砂結(jié)構(gòu)性差，通氣透水能力弱，導(dǎo)致植物生長受限，很多學者針對鐵尾礦基質(zhì)改良利用方面進行相關(guān)研究，改良方法以摻土和施肥最為常見。付文昊等[11]研究了邢臺市南溝地區(qū)鐵尾礦復(fù)墾區(qū)客土改良模式、半客土改良模式下土壤物理性質(zhì)變化。楊萌[12]研究了在鐵尾礦與土按15%、30%、45%、60%比例混合對土壤理化性質(zhì)的影響，表明土壤中適量施用鐵尾礦砂能提高土壤有效孔隙，降低土壤黏性，調(diào)節(jié)養(yǎng)分含量。張寶娟等[13]研究發(fā)現(xiàn)在鐵尾礦中摻土比例 75% 時可全面改善鐵尾礦基質(zhì)孔隙狀況和持水性能。但有關(guān)尾礦區(qū)修復(fù)土壤水分存儲及入滲的研究鮮見報道。鑒于此，筆者分析鐵尾礦區(qū)7種不同復(fù)墾模式土壤貯水及入滲特征，并對尾礦復(fù)墾基質(zhì)入滲過程進行模擬，以期為貧瘠、緊實的鐵尾礦基質(zhì)改良與植被重建提供科學支撐，并為鐵尾礦區(qū)布設(shè)合理的復(fù)墾措施提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為山西省垣曲縣國泰礦業(yè)集團的泉子溝鐵尾礦庫，地理坐標E 111°30′～112°05′、N 34°59′～35°26′，位于山西省運城市東北隅，中條山南部、黃河北岸，年均氣溫13.3 ℃；年均相對濕度60%；年均降水量596.7 mm，年均蒸發(fā)量2 090.0 mm，屬大陸性干旱半干旱氣候。平均海拔約 950 m。該尾礦庫為干排尾礦庫，位于黃河一級支流——亳清河流域上游，占地面積約106.7 hm2。裸露的尾礦庫因長期廢棄，自然植被難以侵入，坡度較大，受降雨徑流侵蝕，溝壑縱橫，坡面侵蝕形態(tài)嚴重，嚴重威脅著亳清河流域水生態(tài)安全。2015年結(jié)合該尾礦庫為土石山區(qū)、土源缺乏的實際情況，選用當?shù)卮罅可a(chǎn)的蘑菇廢料與秸稈、木屑等制成菌糠作為充填復(fù)墾基質(zhì)，將菌糠、尾礦砂和客土按體積比混摻分別鋪設(shè)于7個100 m2小區(qū)進行復(fù)墾試驗，在尾礦坡面上選擇了7類小區(qū)進行復(fù)墾試驗，樣地基本情況見表1。

表1 復(fù)墾樣地基本情況

2 材料與方法

2.1 復(fù)墾基質(zhì)土壤樣品的采集與測定

采樣時間為2017年10月，每個樣地中用環(huán)刀采集表土層原狀土，用環(huán)刀法測定土壤密度、孔隙度、田間持水量和飽和持水量等物理指標、比重瓶測定樣品比重，同時采集1 kg左右的擾動土樣，重鉻酸鉀氧化法測定有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，用鋁盒烘干法測定自然含水量。以上理化指標[14]均取3次重復(fù)的平均值，不同復(fù)墾樣地理化性質(zhì)如表2。

表2 不同復(fù)墾模式土壤基本理化性質(zhì)

2.2 復(fù)墾土壤貯水能力計算

根據(jù)2.1中測定的孔隙度計算0～10 cm表層土壤的最大吸持貯水量Wc、最大滯留貯水量Wnc和飽和貯水量Wt，公式[3]為：

Wc=10 000Pch，Wnc=10 000Pnch，
Wt=10 000Pth。

(1)

式中：Wc為土壤水分吸持貯水量，t/hm2；Pc為毛管孔隙度，%；Wnc為土壤滯留貯水量，t/hm2；Pnc為非毛管孔隙度，%；Wt為土壤飽和貯水量，t/hm2；Pt為總孔隙度，%；h為土層深度，m。

2.3 復(fù)墾土壤水分入滲測定

在鐵尾礦復(fù)墾區(qū)采用雙環(huán)法[15]測定水分入滲過程。根據(jù)入滲速率與溫度關(guān)系對入滲速率進行矯正，統(tǒng)一為10 ℃下的入滲速率，計算公式為

(2)

式中：V為入滲速率，mm/min；Qn為間隔時間灌入水量，mL；L為內(nèi)環(huán)入土深度cm；tn為時間間隔，min；S為內(nèi)環(huán)橫截面積，cm2；h水層厚度，cm。

V10=V/(0.7+0.03θ)。

(3)

式中：V10為10 ℃下的入滲速率，mm/min；θ為溫度計實測入滲水溫，℃。

2.4 復(fù)墾土壤入滲模型

Kostiakov、Philip和Horton模型為物理意義較明確的常用野外入滲模型，廣泛應(yīng)用于各類土壤類型中[14]，本文利用非線性回歸分析方法對野外入滲實測值進行擬合，探討其在鐵尾礦不同復(fù)墾模式下的適宜性。

Kostiakov模型：

i(t)=at-b。

(4)

Philip模型：

i(t)=at-1/2+c。

(5)

Horton

i(t)=ae-kt+c。

(6)

式中：i(t)為入滲速率，mm/min；t為時間，min；c為穩(wěn)滲率，mm/min；a、b、k為入滲經(jīng)驗參數(shù)。

采用均方差(RMSE)和決定系數(shù)(R2)評價各入滲模型的擬合精度。

(7)

(8)

3 結(jié)果分析

3.1 不同復(fù)墾模式土壤貯水特征

土壤貯水能力是土壤涵養(yǎng)水源及地表產(chǎn)流的一個重要指標，土壤貯水能力由土壤厚度和孔隙特征決定[16]。在表土層范圍內(nèi)，不同復(fù)墾模式土壤貯水量差異明顯，不同復(fù)墾地貯水能力均高于CK(圖1)。飽和貯水量大小依次為：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，6種復(fù)墾模式比CK高7.14%～46.03%，其中摻菌糠模式(SJ2、STJ和SJ1)和摻土模式(ST1和ST2) 之間差異顯著(P<0.05)。對于吸持貯水量，T、SJ2和SJ1分別比CK提高了33.33%、24.07%和6.75%，ST1、 ST2和CK三者之間無顯著差異(P>0.05)。滯留貯水量表現(xiàn)為：STJ、SJ1、T、SJ2、ST1和ST2比CK高28.15%～135.13%，其中SJ1、T、SJ2之間滯留貯水能力相近。飽和貯水量和吸持貯水量均表現(xiàn)為T模式最高，分別為CK的146%和133%。摻菌糠模式(SJ1、SJ2)貯水能力整體大于摻土模式(ST1、 ST2)。此外，相同(ST1、ST2)或相近復(fù)墾模式(SJ1、SJ2、STJ)下貯水差異不明顯，即相比于植被，不同復(fù)墾土壤對貯水性能的提高有更大的貢獻。滯留貯水力在暴雨時可迅速吸納雨水，減少地表產(chǎn)流和泥沙流失[17]，降低地表水蝕危害，不同復(fù)墾措施對鐵尾礦滯留貯水量影響最明顯，其次為飽和貯水量和吸持貯水量。

圖1 不同復(fù)墾模式下土壤貯水特征Fig.1 Soil water storage characteristics of soils in different reclamation modes

土壤水與植物生長關(guān)系密切，一般分為飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，其大小與土壤孔隙直接相關(guān)。由圖2可知，不同復(fù)墾模式下T飽和持水量、田間持水量均為最大，顯著高于其他模式(P<0.01)，持水量表現(xiàn)為：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，ST2和CK持水量無顯著差異(P>0.05)。持水量(x)隨總孔隙(y1)、毛管孔隙(y2)的增加而增大，二者成顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(圖3)。

圖2 不同復(fù)墾模式土壤持水量特征Fig.2 Soil water-holding capacity characteristics of soils in different reclamation modes

圖3 飽和持水量、田間持水量與總孔隙度、毛管孔隙的相關(guān)性Fig.3 Correlation between water-holding capacity and total porosity, capillary pores

土壤孔隙是水分貯蓄的主要場所，而土壤孔隙結(jié)構(gòu)又主要與土壤理化性狀相關(guān)聯(lián)，二者直接或間接地影響土壤貯水持水能力。楊萌[12]試驗證明在土壤中施加25%～35%鐵尾礦可有效提高孔隙度，降低密度。謝修鴻等[18]研究發(fā)現(xiàn)菌糠對土壤理化性質(zhì)有顯著改善作用，土壤田間持水能力均隨菌糠施用量增加而增強。本研究中，6種不同復(fù)墾模式與對照裸尾礦相比，土壤貯水量，田間持水量特征總體上表現(xiàn)為摻菌糠模式(SJ1、SJ2 、STJ)高于摻土模式(ST1、ST2)。其原因一方面是，菌糠能改善土壤理化性質(zhì)，其分解形成的腐殖質(zhì)也可增加砂土黏結(jié)力[19]，提高土壤機械穩(wěn)定性，促進微團集聚[18]，增加孔隙度，SJ2、STJ和SJ1總孔隙度(53.08%～51.37%)、毛管孔隙(33.53%～39.45%)分別大于ST1、ST2和CK的(41.45%～47.74%)和(31.85%～33.41%)，STJ的非毛管孔隙度平均比CK增加98.8%；另一方面，有機質(zhì)促進了團粒結(jié)構(gòu)的形成，間接降低了土壤密度，提高供植物生長所需的有效水量，摻菌糠模式(SJ1、SJ2)平均有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)18.37 g/kg顯著高于摻土模式(ST1、ST2)的4.88 g/kg，同時T模式(1.06 g/cm3)和SJ2模式(1.22 g/cm3)密度水平已達第2次土壤普查適宜作物種植標準。

3.2 不同復(fù)墾模式土壤水分入滲特征

由圖4發(fā)現(xiàn)，不同模式土壤入滲曲線在0～3 min內(nèi)迅速降低，此時土水勢低，各基質(zhì)水吸力大，入滲率急劇下降，為快速入滲階段，此階段除T外，其余模式初滲速率均遠高于對應(yīng)的穩(wěn)滲速率，為其穩(wěn)定入滲速率的7～17倍；3 min后水分逐漸填充土壤孔隙使含水量不斷增加，各模式入滲曲線緩慢降低，為漸變?nèi)霛B階段；最后入滲率逐漸趨于恒定，STJ和SJ2、ST2和CK、ST1和SJ1模式分別在60、80、110 min左右達穩(wěn)定入滲，而T模式在150 min才相對穩(wěn)定。

圖4 不同復(fù)墾模式土壤入滲過程曲線Fig.4 Soil infiltration process curve of soils in different reclamation modes

選用初滲率、穩(wěn)滲率和均滲速率3個入滲特征值來綜合分析不同復(fù)墾模式土壤滲透性的優(yōu)劣，初滲率為前3 min的平均速率，穩(wěn)滲率為最后3次穩(wěn)滲率平均值。由表3可知，初滲率大小依次為：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，6種復(fù)墾模式為CK的1.31～3.85倍；均滲率與初滲率具有相同的變化趨勢，復(fù)墾地均滲率為CK的1.17～4.93倍，STJ、SJ1和SJ2均滲率均值(1.958 mm/min)高于ST1和ST2的(1.106 mm/min)；穩(wěn)滲率方面，純土模式(2.58 mm/min)顯著高于其他5種復(fù)墾模式(0.3～0.34 mm/min)，而裸尾礦最低，僅為0.121 mm/min。不同復(fù)墾模式入滲特征總體表現(xiàn)為純土(T)>摻菌糠或摻土+菌糠(SJ、STJ)>摻土(ST)>裸尾礦(CK)。純土模式T入滲性能最高，原因主要為該樣地受人為耕作影響，土壤疏松，且油松喬木根徑粗而發(fā)達，可疏松土壤，水流聯(lián)通性好，利于產(chǎn)生優(yōu)勢流并向深處運移。摻菌糠或摻土+菌糠入滲性能優(yōu)于摻土模式，原因是菌糠作為一種土壤有機改良劑，富含木質(zhì)素[20]、有機質(zhì)[21]、氮、磷、鉀[22]等營養(yǎng)物質(zhì)，有利于改良土壤結(jié)構(gòu)和促進植物生長。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)摻菌糠模式有較高的林草覆蓋度，而植物生長形成的殘枝落葉聚積于地表形成腐殖質(zhì)層，可降低尾礦緊實度，增強透水蓄水性。摻菌糠模式(SJ1、SJ2和STJ)比裸尾礦(CK)密度顯著降低21%～30%，總孔隙度和非毛管孔隙度分別顯著增加28%～38%和110%～112%(P<0.05)，故尾礦孔隙分布的改善顯著影響水分滲透[23]。不同復(fù)墾模式入滲性能差異主要由復(fù)墾土壤所決定，與植被類型關(guān)系不明顯，可能是因為復(fù)墾年限短，植被根系尚未充分拓展發(fā)育，枯落物較少，其改善土壤的作用還未能顯現(xiàn)。

表3 不同復(fù)墾模式土壤入滲特征值

注：同行不同字母表示不同復(fù)墾模式之間差異顯著(P<0.05)。Notes：Different letters in the same place indicate significant differences between different reclamation patterns (P<0.05).

3.3 不同復(fù)墾模式水分入滲過程模擬

由表4可知，3個入滲模型對尾礦砂不同復(fù)墾模式土壤入滲過程擬合精度存在差異，Kostiakov模型回歸決定系數(shù)平均值最高，為0.941，Philip模型和Horton模型分別為0.925和0.923，均方差平均值最小，為0.256，低于Philip模型(0.263)和Horton模型(0.287)，且由于Philip模型對穩(wěn)滲率的擬合有一處為負值，與實際不符，故總體上Kostiakov模型擬合程度較高，擬合誤差最小，但是Horton模型(R2=0.981)對CK的擬合精度遠高于Kostiakov模型(R2=0.887)。因此，Kostiakov模型是描述該區(qū)尾礦砂不同復(fù)墾模式下入滲過程的最優(yōu)模型，Horton模型能更好的模擬裸尾礦入滲過程。

表4 不同復(fù)墾模式水分入滲過程模擬及精度檢驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)鐵尾礦不同復(fù)墾模式(尾礦砂-土-菌糠、尾礦砂-土、尾礦砂-菌糠、純土、裸尾礦)土壤貯水能力以純土模式最高，其他模式中尾礦砂-菌糠或尾礦砂-土-菌糠模式高于摻土模式。不同復(fù)墾模式對裸尾礦貯水力的提升效果表現(xiàn)為：滯留貯水量(28%～138%)>土壤飽和貯水量(7%～46%)>吸持貯水量(3%～33%)，因此鐵尾礦純土和摻菌糠修復(fù)對提高土壤儲水性能、抵抗徑流沖刷有重要現(xiàn)實意義。

2)不同復(fù)墾模式對裸尾礦水分初滲率、均滲率和穩(wěn)滲率均有提高作用，其中復(fù)墾鐵尾礦土壤穩(wěn)滲率顯著高于裸尾礦。不同復(fù)墾模式間入滲性能總體表現(xiàn)為純土>尾礦砂-菌糠或尾礦砂-土-菌糠>摻土>裸尾礦，且摻菌糠模式高于摻土模式。研究區(qū)鐵尾礦水分入滲差異主要與孔隙、密度等物理結(jié)構(gòu)特性差異有關(guān)，與植被類型關(guān)系不明顯。

3)采用R2和RMSE 2種精度評價指標比較分析了Kostiakov、Philip和Horton 3種模型擬合鐵尾礦區(qū)不同復(fù)墾模式土壤入滲過程，表明Kostiakov(R2=0.941)和Horton模型(R2=0.925)精度較高，其模型參數(shù)能較好的表征鐵尾礦區(qū)土壤入滲過程。今后研究中，可分別選擇Kostiakov和Horton模型預(yù)測鐵尾礦復(fù)墾土壤和裸尾礦水分入滲過程。

4)鐵尾礦中施入菌糠可以顯著降低復(fù)墾土壤緊實度，增加孔隙度，提高大孔隙之間聯(lián)通性，使摻菌糠復(fù)墾模式土壤有較高的貯水持水量和入滲性能，有利于植物吸持利用，加速植被恢復(fù)進程；因此，對于土源缺乏的鐵礦尾區(qū)，在實踐中可以考慮摻入菌糠修復(fù)生態(tài)環(huán)境，有利于保水固土和植被的可持續(xù)生長。