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    采石廢棄地棄渣與農(nóng)田土混合土壤粒徑特征及水文效應(yīng)

    2022-05-26 14:19:36王佳歡楊新兵劉彥林趙小勇史寶勝
    水土保持學(xué)報 2022年3期
    關(guān)鍵詞:黏粒砂粒維數(shù)

    王佳歡, 楊新兵, 劉彥林, 趙小勇, 趙 波, 史寶勝

    (1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河北 保定 071000;2.河北地礦建設(shè)工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北省地礦局國土資源勘查中心,石家莊 050000;3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院,河北 保定 071000)

    伴隨礦石原料的開采,其浪費土地資源的開采方式致使采石廢棄地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和外貌特征發(fā)生較大變化,廢棄地土壤出現(xiàn)的一系列環(huán)境質(zhì)量問題受到廣泛關(guān)注。受采石活動的影響,受損土壤容重大、緊實度高、養(yǎng)分流失嚴(yán)重,棄渣的夾雜令土壤晝夜溫差大、保水性差,植物難以存活,生態(tài)恢復(fù)能力低下,屬嚴(yán)重退化土壤,因此,土壤環(huán)境修復(fù)成為采石場廢棄地生態(tài)修復(fù)的首要問題。土壤本身是一種由大小各異、形狀不規(guī)則的小顆粒以及顆??紫督M成的基質(zhì),顆粒的形狀大小、排列分布既影響著土體的穩(wěn)定性,又關(guān)系著水文效應(yīng),因而重構(gòu)土體的粒徑特征以及水文效應(yīng)是土壤環(huán)境修復(fù)的研究重點。

    基于采石廢棄地表土缺失現(xiàn)狀,實際生產(chǎn)中往往采用2種性質(zhì)差異較大的基質(zhì)進(jìn)行混合,既達(dá)到土壤環(huán)境修復(fù)的目的,又起到廢物利用的效果,是現(xiàn)行條件下較為推薦的修復(fù)手段。目前,關(guān)于基質(zhì)混合方面的研究國內(nèi)外早有報道,Dunsford等將工業(yè)固體廢棄物中的硫化鐵與荒地土壤進(jìn)行混合,其混合基質(zhì)的肥力與持水性能較荒地土壤有較大提升;Wang等通過研究土壤、粉煤灰、煤矸石、粉煤灰與煤矸石混合物等4種基質(zhì)的水文特征發(fā)現(xiàn),混合物與土壤具有相似的滲透性和體積含水率;王志剛等采用黏土與表土作為礦區(qū)排土場的土壤重構(gòu)材料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),1∶2黏土表土配比下重構(gòu)基質(zhì)的持水性能顯著提高;程杰等通過研究砒砂巖與沙復(fù)配后的顆粒變化發(fā)現(xiàn),砒砂巖復(fù)配比例越高,復(fù)配土顆粒越細(xì)、分形維數(shù)越高;張露等研究砒砂巖和風(fēng)沙土復(fù)配后的粒度組成變化,得到砒砂巖∶風(fēng)沙土以1∶2或1∶5的質(zhì)量比復(fù)配土顆粒級配特征良好的結(jié)果。上述研究證明,基質(zhì)混合確實具有促進(jìn)新土壤朝顆粒較細(xì)、持水性能較強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面變化的效果。

    石家莊西部山區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,在歷經(jīng)上世紀(jì)采石活動后出現(xiàn)大量“掌子面”“白茬山”,表土缺失致使覆綠難度大,當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門為解決土壤問題常常大量覆土,極大程度浪費現(xiàn)有的土地資源。為解決上述問題,基于“多聚土、少客土”原則,本研究將石家莊市鹿泉區(qū)一采石廢棄地棄渣和附近農(nóng)田土作為試驗材料,通過混合基質(zhì)充填土柱試驗,闡明不同混合比例下土壤粒徑特征和水文效應(yīng)差異,篩選最優(yōu)配比,為鹿泉區(qū)采石廢棄地土壤環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)借鑒。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    石家莊市鹿泉區(qū)位于河北省中南部(37°88′08″—38°27′27″N,114°18′55″—114°51′36″E),東環(huán)市區(qū),西臨井陘,北鄰靈壽、平山,南接元氏,總面積603 km。鹿泉區(qū)為太行山低山丘陵區(qū),試驗點海拔310~400 m,屬小起伏山地(200~500 m)。全區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候,冬冷夏熱,雨熱同期,最熱7月平均氣溫27.2 ℃,最冷1月平均氣溫-1.7 ℃,降水集中于7—8月,多年平均降水量542.2 mm,全年無霜期219天。境內(nèi)滹沱河、太平河、清水河等河流均屬海河水系,土壤類型主要為石灰性褐土,森林類型為暖溫帶落葉闊葉林。

    1.2 試驗設(shè)計

    供試基質(zhì)為鹿泉區(qū)某廢棄石灰?guī)r采石場棄渣和附近農(nóng)田土,棄渣過2 cm篩子,其機(jī)械組成和物理性質(zhì)為:石灰?guī)r石塊體積分?jǐn)?shù)46.26%,石灰?guī)r石礫體積分?jǐn)?shù)21.28%,砂粒體積分?jǐn)?shù)19.33%,粉粒體積分?jǐn)?shù)12.96%,黏粒體積分?jǐn)?shù)0.17%,容重1.60 g/cm,總孔隙度26.91%,農(nóng)田土機(jī)械組成和物理性質(zhì)為:石礫體積分?jǐn)?shù)51.61%,砂粒體積分?jǐn)?shù)20.48%,粉粒體積分?jǐn)?shù)25.34%,黏粒體積分?jǐn)?shù)2.57%,容重1.07 g/cm,總孔隙度51.18%。棄渣與農(nóng)田土按不同體積比例進(jìn)行混合,混合比例分別為0∶10(C),3∶7(C),5∶5(C),7∶3(C),10∶0(C),2種基質(zhì)風(fēng)干后經(jīng)過均勻攪拌裝入容器,每個處理設(shè)置3個重復(fù)。選用外徑20 cm、內(nèi)徑19 cm、長度35 cm的PVC管材作為裝土容器,裝土高度為30 cm,底部采用300目紗網(wǎng)封底。為模擬土壤環(huán)境,修筑30 cm深水泥槽,底部設(shè)排水口,將模擬土柱置于土槽中,試驗布設(shè)于2020年12月2日。

    1.3 試驗方法

    2021年6月進(jìn)行土壤入滲試驗,試驗采用一維垂直定水頭法,選用外徑13 cm、內(nèi)徑12 cm、高100 cm的馬氏瓶作為供水裝置,試驗前對其進(jìn)行加壓試水保證氣密性,調(diào)整馬氏瓶位置,令水頭高度保持在土面以上3 cm處。試驗開始時,迅速向土柱加水至3 cm刻度處,打開供水閥門并開始計時,參考張志華等的研究結(jié)果,分別在供水開始后的1,3,6,10,15 min時記錄馬氏瓶水位刻度,15 min后每隔5 min記錄1次水位刻度,當(dāng)下降時間出現(xiàn)3次水位差一致時表明達(dá)到穩(wěn)滲。整理數(shù)據(jù)并計算初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲用時、累計入滲量。

    土壤入滲分別采用Horton、Philip、Kostiakov模型進(jìn)行擬合,計算公式為:

    ()=+(-)×e-

    式中:為入滲時刻(min);()為時刻的入滲速率(mm/min);為穩(wěn)定入滲速率(mm/min);為初始入滲速率(mm/min);e為數(shù)學(xué)常數(shù);為模型擬合參數(shù)。

    ()=05××-05+

    式中:為吸滲率(mm/min);為模型擬合參數(shù)。

    ()=×-

    式中:、為模型擬合參數(shù)。

    入滲試驗?zāi)P蛿M合效果采用決定系數(shù)()和相對均方根誤差(RRMSE)判定,其中,決定系數(shù)()用于評價模型符合實際的程度,數(shù)值為0~1,數(shù)值越接近1則表示符合程度越高,擬合效果越好。相對均方根誤差(RRMSE)用于評價擬合值與實測值之間的差異程度,數(shù)值為0~1,數(shù)值越接近0則表示模型預(yù)測準(zhǔn)確度越高,計算公式為:

    式中:為實際觀測值(mm/min);為擬合值(mm/min)。

    入滲試驗結(jié)束后,采用環(huán)刀法測量土壤容重、孔隙度、持水量等指標(biāo)。風(fēng)干樣品經(jīng)30%過氧化氫溶液去除有機(jī)質(zhì)、稀鹽酸去除鈣鹽、蒸餾水除酸后利用Bettersize 2000激光粒度儀測定粒徑體積百分含量,參考中國制粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)(1985年)進(jìn)行粒徑分級:細(xì)黏粒(<1 μm)、粗黏粒(1~2 μm)、細(xì)粉粒(2~5 μm)、中粉粒(5~10 μm)、粗粉粒(10~50 μm)、細(xì)砂粒(50~250 μm)、粗砂粒(250~1 000 μm)。

    粒徑群體特征包括顆粒分散程度、對稱性、集中程度,分別用分散度()、偏度()、峰態(tài)()3個指標(biāo)表征。級配特征包括顆粒分布均勻程度和百分含量累計分布情況,分別采用不均勻系數(shù)()和曲率系數(shù)()2個指標(biāo)表征,其中,不均勻系數(shù)()>5表明顆粒分布范圍廣,數(shù)值較大時需參考曲率系數(shù)(),級配狀況良好時曲率系數(shù)()為1~3。體積分形維數(shù)()采用Tyler的方法計算,黏粒含量越多、砂粒含量越少、土體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,分形維數(shù)()則越大。指標(biāo)具體計算公式為:

    =(×)(××2)

    =(×)

    =

    (3-)lg ()=lg ((<))

    式中:、、、、、為顆粒體積含量累計值達(dá)10%,25%,30%,60%,75%,90%時的粒徑;為粒徑;為顆粒徑級的平均粒徑;為試驗結(jié)果的最大粒徑;為粒徑總體積;為體積;為分形維數(shù),lg (/)(橫坐標(biāo))與lg ((<)/)(縱坐標(biāo))的擬合方程斜率為3-。

    1.4 數(shù)據(jù)處理

    采用Excel 2010和SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖,土壤入滲性能采用灰色關(guān)聯(lián)度法分析,粒徑特征和水文效應(yīng)評價采用坐標(biāo)綜合評定法。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同配比下土壤粒級組成和粒徑結(jié)構(gòu)比較

    2.1.1 粒級組成比較 由圖1可知,棄渣和農(nóng)田土按體積比例混合后,細(xì)黏粒(<1 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為3.22%,其次C為2.19%,最低C為0%。粗黏粒(1~2 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為1.96%,其次C為1.92%,最低C為0.55%。黏粒體積分?jǐn)?shù)大小排序為C>C>C>C>C。細(xì)粉粒(2~5 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為6.47%,其次C為6.15%,最低C為4.49%。中粉粒(5~10 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為7.39%,其次C為7.10%,最低C為4.21%。粗粉粒(10~50 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為47.30%,其次C為43.36%,最低C為29.64%。粉粒體積分?jǐn)?shù)大小排序為C>C>C>C>C。細(xì)砂粒(50~250 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為60.99%,其次C為44.54%,最低C為35.40%。粗砂粒(250~1 000 μm)體積分?jǐn)?shù)最高C為0.51%,其他土壤不含粗砂粒。砂粒體積分?jǐn)?shù)大小排序為C>C>C>C>C。從粒徑累計情況來看,隨著棄渣含量的增加,黏粒(<2 μm)體積分?jǐn)?shù)降低,粉粒(2~50 μm)體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢,砂粒(50~1 000 μm)體積分?jǐn)?shù)呈上升趨勢,說明棄渣含量越高,土壤顆粒越粗。

    2.1.2 粒徑結(jié)構(gòu)比較 表1為不同配比下土壤粒徑結(jié)構(gòu),群體特征中,由C到C分散度()逐漸降低,偏度()和峰態(tài)()基本呈增加趨勢,說明棄渣含量增加可降低土壤分散程度,提高對稱性和集中程度。所有土壤不均勻系數(shù)()均>5,說明各配比下的土壤均為不連續(xù)級配,其級配狀況須通過曲率系數(shù)()來表達(dá),結(jié)果顯示,土壤曲率系數(shù)()為1.48~1.82,滿足1~3良好級配條件,說明廢棄采石場附近農(nóng)田土、現(xiàn)場棄渣以及不同體積比例混合的土壤均屬級配良好基質(zhì)。隨著棄渣含量的增加,分形維數(shù)()逐漸降低,說明棄渣可降低黏粒含量、增加砂粒含量,土體結(jié)構(gòu)偏向不穩(wěn)定,易發(fā)生侵蝕。

    注:圖柱上方不同小寫字母表示相同粒級范圍不同配比土壤間差異在0.05水平上顯著。

    表1 不同配比下土壤粒徑結(jié)構(gòu)

    2.2 分形維數(shù)與粒級組成及粒徑結(jié)構(gòu)的關(guān)系

    2.2.1 分形維數(shù)與粒級組成的關(guān)系 由表2可知,分形維數(shù)()與黏粒、粉粒呈正相關(guān)關(guān)系(<0.01),與砂粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05),即黏粒、粉粒含量越高,砂粒含量越低,分形維數(shù)()越大。分形維數(shù)()與黏粒擬合關(guān)系最好,為0.493,粉粒次之,為0.437,與砂粒擬合最低,為0.382。

    表2 土壤分形維數(shù)與粒級組成相關(guān)關(guān)系

    2.2.2 分形維數(shù)與粒徑結(jié)構(gòu)的關(guān)系 由表3可知,分形維數(shù)()與分散度()、不均勻系數(shù)()呈正相關(guān)關(guān)系(<0.01),與偏度()、峰態(tài)()呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01),與曲率系數(shù)()不相關(guān)(>0.05),即分散度()、不均勻系數(shù)()越大,偏度()、峰態(tài)()越小,分形維數(shù)()越大。分形維數(shù)()與分散度()擬合關(guān)系最好,為0.770,峰態(tài)()次之,為0.585,與曲率系數(shù)()擬合關(guān)系最差,為0.012。

    2.3 不同配比下土壤水文效應(yīng)

    2.3.1 孔隙度與持水量 由表4可知,從C至C容重逐漸升高,當(dāng)棄渣含量達(dá)到50%時容重發(fā)生顯著變化,再增加無顯著變化。毛管孔隙度和總孔隙度隨棄渣含量增加基本呈降低趨勢,非毛管孔隙度呈增加趨勢,結(jié)果顯示,棄渣加入時,毛管孔隙和總孔隙首先發(fā)生顯著變化,棄渣含量達(dá)到50%非毛管孔隙發(fā)生顯著變化,說明毛管孔隙對基質(zhì)變化較為敏感。田間持水量、毛管持水量和飽和持水量均表現(xiàn)為C最大,C最小,隨棄渣體積含量增加均呈降低趨勢。

    表3 土壤分形維數(shù)與粒徑結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系

    2.3.2 入滲性能比較 由圖2和圖3可知,不同配比下土壤初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率和穩(wěn)滲用時差異均達(dá)到顯著水平(<0.05),其中,初始入滲速率為4.40~24.59 mm/min,大小排序為C(24.59 mm/min)>C(19.20 mm/min)>C(15.17 mm/min)>C(12.40 mm/min)>C(4.40 mm/min);穩(wěn)定入滲速率為0.08~0.80 mm/min,大小排序為C(0.80 mm/min)>C(0.68 mm/min)>C(0.24 mm/min)>C(0.14 mm/min)>C(0.08 mm/min);平均入滲速率為0.69~2.34 mm/min,大小排序為C(2.34 mm/min)>C(1.86 mm/min)>C(1.00 mm/min)>C(0.77 mm/min)>C(0.69 mm/min);穩(wěn)滲用時為30~60 min,大小排序為C(60 min)>C(45 min)=C(45 min)>C(35 min)>C(30 min)。除C與C外其他土壤累計入滲量差異均達(dá)顯著水平(<0.05),累計入滲量為31.32~86.22 mm,大小排序為C(86.22 mm)>C(59.96 mm)>C(45.77 mm)>C(44.78 mm)>C(31.32 mm)。

    表4 不同配比下土壤孔隙度與持水量

    圖2 不同配比下土壤入滲速率

    2.3.3 入滲擬合 由表5可知,與RRMSE呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,越大,RRMSE越小,則模型擬合效果越好,入滲速率預(yù)測值準(zhǔn)確度越高,不同配比下土壤入滲模型擬合的≥0.856,RRMSE≤0.153,說明下列模型均能較好地模擬水分入滲過程。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),Horton模型對C和C入滲擬合效果優(yōu)于其他模型,Kostiakov模型對C、C和C入滲擬合效果優(yōu)于其他模型。

    圖3 不同配比下土壤累計入滲量

    表5 不同配比下土壤入滲擬合

    2.4 不同配比下土壤入滲性能灰色關(guān)聯(lián)分析

    灰色關(guān)聯(lián)分析是一種常見于樣本量較小時關(guān)系程度分析的方法,基于行為因子序列的數(shù)學(xué)關(guān)系,以分析因子間的關(guān)系程度或因子對主行為的影響程度?;疑P(guān)聯(lián)分析前,需要將初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲用時和累計入滲量等5個反映土壤入滲性能的參數(shù)無綱量處理,以消除參數(shù)綱量不同引起的影響。參考最大值化方法,將各參數(shù)最優(yōu)值作為參照值,各組均與最優(yōu)值做除法,其結(jié)果組成的新數(shù)列為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值(表6)。

    灰關(guān)聯(lián)系數(shù)為參數(shù)值與最優(yōu)值的相關(guān)程度,越靠近1.000則表示參數(shù)性能越優(yōu),灰關(guān)聯(lián)度為入滲性能參數(shù)的算數(shù)平均值,其值反映了入滲性能的優(yōu)劣。表7為不同配比下土壤入滲性能參數(shù)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)與灰關(guān)聯(lián)度,分析結(jié)果顯示,土壤入滲性能依次為C(0.904)>C(0.636)>C(0.563)>C(0.480)>C(0.427),C的初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率和累計入滲量相對最優(yōu),說明全棄渣基質(zhì)具有迅速排清地表積水、減少地表徑流的作用,C穩(wěn)滲用時最優(yōu),說明棄渣和農(nóng)田土體積各半時對于減緩入滲速率下降具有良好效果。

    表6 不同配比下土壤入滲性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

    表7 不同配比下土壤入滲性能參數(shù)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)與灰關(guān)聯(lián)度

    2.5 土壤粒徑特征及水文效應(yīng)評價

    坐標(biāo)綜合評定法是一種基于原始數(shù)值與最優(yōu)數(shù)值距離的多維空間分析方法,通過累計各因子與最優(yōu)者的絕對距離,從而得到各組得分值,小者最優(yōu)。由表8可知,選取黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量、分散度、偏度、峰態(tài)、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、分形維數(shù)等粒徑特征以及容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量、毛管持水量、飽和持水量、初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率、平均入滲速率、穩(wěn)滲用時、累計入滲量等水文效應(yīng)共計21個指標(biāo)進(jìn)行評價,、、分別為粒徑特征、水文效應(yīng)、評價結(jié)果的得分值,粒徑特征大小排序為C>C>C>C>C,水文效應(yīng)大小排序為C>C>C>C>C,評價結(jié)果排序為C>C>C>C>C。

    表8 土壤粒徑特征及水文效應(yīng)評價

    3 討 論

    3.1 不同配比下土壤粒級組成和粒徑結(jié)構(gòu)差異

    從粒級組成來看,棄渣混合比例越高,土壤砂粒含量越大,混合比例0∶10到10∶0,砂粒含量由35.40%增加至61.50%,粉粒含量由60.50%降低至38.35%,黏粒含量由5.19%降低至0.55%,可能是棄渣含量增加過程中砂粒逐漸占據(jù)粉粒、黏粒體積,增加基質(zhì)中的孔隙,進(jìn)而引起土壤中砂粒體積占比增加、粉粒和黏粒體積占比降低。

    從粒徑結(jié)構(gòu)來看,棄渣含量的增加會引起分散度()、不均勻系數(shù)()、曲率系數(shù)()、分形維數(shù)()降低,偏度()、峰態(tài)()增加,這是因為棄渣中砂粒含量較高,粉粒和黏粒含量較低,使土壤顆粒更多的偏向于較高粒級當(dāng)中,偏度()增加,粒徑分布范圍小且較為集中,分散度()降低、峰態(tài)()增加。本研究表明,混合土壤均為級配良好基質(zhì),但不均勻系數(shù)()和曲率系數(shù)()降低隨棄渣含量的增加呈降低趨勢,級配特征變差的原因可能是較粗顆粒間的孔隙缺少細(xì)小顆粒的充填,使得土壤粒級分配不均勻、級配不連續(xù)。分形維數(shù)()隨棄渣增加而降低的原因可能是顆粒出現(xiàn)粗?;厔輹r,會引起分形維數(shù)減小,與Niu等對我國北方山區(qū)土壤顆粒與分形特征的研究結(jié)果以及Chen等在我國西南地區(qū)邊坡修復(fù)中關(guān)于土壤顆粒分形規(guī)律的研究結(jié)果一致。

    從分形維數(shù)()與粒級組成及粒徑結(jié)構(gòu)的關(guān)系來看,分形維數(shù)()與黏粒和粉粒呈正相關(guān)關(guān)系、與砂粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與陳宇軒等研究結(jié)果一致,分形維數(shù)()與分散度()、不均勻系數(shù)()呈正相關(guān)關(guān)系、與偏度()、峰態(tài)()呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與嚴(yán)方晨等研究結(jié)果一致。

    3.2 不同配比下土壤水文效應(yīng)差異

    從孔隙度和持水量來看,棄渣含量增加,土壤容重、非毛管孔隙度呈增加趨勢,毛管孔隙度以及持水量等指標(biāo)基本呈降低趨勢,原因是棄渣增多使得原本農(nóng)田土中單位體積礫石增多,礫石間大孔隙增加的同時降低了原本農(nóng)田土的毛管孔隙,因而容重和非毛管孔隙增加、毛管孔隙減少。農(nóng)田土本身因毛管孔隙數(shù)量多而具有良好的持水性,當(dāng)加入棄渣后,原本不具有持水能力的礫石充斥在農(nóng)田土中,土體結(jié)構(gòu)變散,體現(xiàn)通氣性能的非毛管孔隙增多,表征保水性能的毛管孔隙減少,土壤整體持水能力下降,與周揚等研究結(jié)果一致。

    從入滲性能來看,土壤初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和累計入滲量都隨棄渣含量增加呈增加趨勢,這可能是棄渣中礫石和大顆粒含量高,促進(jìn)水分下滲的大孔隙數(shù)量多造成的。攝曉燕等在風(fēng)沙土中加入適量砒砂巖后土壤入滲率顯著減小,砒砂巖中的小顆粒充填在風(fēng)沙土大顆粒間隙中,抑制了水分下滲速度,與本研究結(jié)果相似。穩(wěn)滲用時和平均入滲速率隨棄渣含量的增加出現(xiàn)波動性,可能是混合土中原本土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和礫石充填致使下滲路徑變復(fù)雜曲折,延緩達(dá)到穩(wěn)滲的時間,從而影響平均入滲速率。

    4 結(jié) 論

    (1)農(nóng)田土摻棄渣可明顯提高土壤中大顆粒體積分?jǐn)?shù),棄渣含量越高,混合土壤群體變化特征為分散度降低、偏度和峰態(tài)升高,級配變化特征為不均勻系數(shù)降低、曲率系數(shù)為1~3,分形維數(shù)降低趨勢不顯著,土體結(jié)構(gòu)朝不穩(wěn)定方向變化。黏粒、粉粒與分形維數(shù)相關(guān)性高,砂粒與分形維數(shù)相關(guān)性較高,除曲率系數(shù)外,土壤群體特征、級配特征均與分形維數(shù)存在相關(guān)性。

    (2)混合土壤中棄渣含量增加必然引起容重和非毛管孔隙增加,毛管孔隙、總孔隙和持水量下降,水分入滲因棄渣含量不同會存在穩(wěn)滲用時差異,但入滲的初始、穩(wěn)定、平均速率以及累計入滲量基本與棄渣含量呈正相關(guān)關(guān)系?;旌贤寥乐袟壴?50%時宜采用Horton模型擬合入滲過程,棄渣含量≥50%時宜采用Kostiakov模型擬合入滲過程,土壤入滲性能灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明,棄渣越多,入滲性能越好。

    (3)不同配比下土壤粒徑特征和水文效應(yīng)評價結(jié)果顯示,棄渣∶農(nóng)田土以3∶7體積比例混合后的土壤在穩(wěn)定性、保水性、滲水性等方面表現(xiàn)最好。因此,實際生產(chǎn)建設(shè)中,廢棄采石場土壤環(huán)境修復(fù)采取“三分渣、七分覆”的改良方式既能達(dá)到土壤修復(fù)目的,又能減少成本、廢物利用。

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