表土替代材料不同夾層位置對(duì)風(fēng)沙土水分入滲和蒸發(fā)的影響

榮穎，王淳，胡振琪

（1.中原工學(xué)院系統(tǒng)與工業(yè)工程技術(shù)研究中心，鄭州 451191；2.土肥高效利用國(guó)家工程研究中心，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

露天煤礦開采需剝離礦層上方的全部表土和巖層，必然會(huì)對(duì)土地和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最直接的影響[1]。我國(guó)露天煤礦開采比例已由原來的不足10%提高到16.9%，且主要分布在生態(tài)環(huán)境脆弱的西部地區(qū)，使得該區(qū)域土地生態(tài)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈擾動(dòng)的態(tài)勢(shì)，極大地影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。西部露天礦區(qū)土地復(fù)墾多是先在底部填埋煤矸石、砂礫等固體廢棄物，然后在其上部覆蓋一定厚度的原表土（風(fēng)沙土）。由于表土不足，這種覆土技術(shù)形成的土壤結(jié)構(gòu)性差、漏水漏肥嚴(yán)重，同時(shí)該地區(qū)降水稀少且分布不均，蒸發(fā)強(qiáng)烈，因此排土場(chǎng)復(fù)墾土壤面臨水分入滲過快和蒸發(fā)量過大的問題。土壤水分的高效節(jié)約利用是西部干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)的關(guān)鍵[3]。因此，如何通過有效措施減少土壤水分滲漏和蒸發(fā)損失，提高土壤保水性能，是實(shí)現(xiàn)西部露天礦區(qū)排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的重要研究?jī)?nèi)容。

土壤入滲和蒸發(fā)是土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，直接決定著土壤水分分布和植物對(duì)水分的有效利用[4]。在均質(zhì)土壤一維垂直入滲研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自然界中普遍存在的非均質(zhì)層狀土壤的入滲特征開展了大量研究。層狀土的土壤結(jié)構(gòu)比均質(zhì)土復(fù)雜，使得層狀土壤的入滲過程與均質(zhì)土壤存在明顯差異。夾層土壤無論質(zhì)地比上層土壤粗或細(xì)，都具有阻礙水分下移的作用，從而起到減滲或保水的作用[5]。夾層結(jié)構(gòu)中夾層的埋深、厚度及不同土層組合方式等均會(huì)改變土壤水力特性和剖面水分分布狀況。如李毅等[6]研究了夾層位置對(duì)土壤水分入滲的影響，認(rèn)為距土表中間（10～15 cm）的夾層層位對(duì)水分入滲的阻礙作用最強(qiáng)；ZETTL等[7]研究發(fā)現(xiàn)隨著夾層層位的加深，對(duì)水分下移的阻礙作用逐漸減??；多層復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠更大程度上降低土壤水分入滲量[8]。土壤蒸發(fā)直接決定土壤中水分流出量，是造成土壤水分損失的主要途徑。減少土壤水分蒸發(fā)對(duì)提高西部地區(qū)土壤水分利用率具有重要意義。現(xiàn)階段關(guān)于化學(xué)改良劑、生物炭及作物秸稈等添加物對(duì)土壤蒸發(fā)的影響研究較多。如哈麗代姆·居麥等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著改良劑施加量的增加，土壤的累積蒸發(fā)量顯著降低；李娜等[10]研究發(fā)現(xiàn)生物炭與化學(xué)改良劑混施能有效改變煤矸石基質(zhì)水分的蒸發(fā)特性，且施加生物炭對(duì)基質(zhì)水分蒸發(fā)的抑制效果低于施加化學(xué)改良劑；孫池濤等[11]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋秸稈能夠有效降低濱海土壤蒸發(fā)強(qiáng)度，秸稈覆蓋阻力與秸稈覆蓋量成正比。但這些研究大多集中在自然條件下農(nóng)業(yè)土壤的水分垂直入滲方面，對(duì)于礦區(qū)排土場(chǎng)強(qiáng)擾動(dòng)土壤水分的研究較少，且忽略了層狀土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤蒸發(fā)過程的影響。

土壤重構(gòu)是露天煤礦土地復(fù)墾的核心內(nèi)容，主要涉及土壤剖面重構(gòu)材料的選擇和土壤剖面層次的重構(gòu)兩個(gè)環(huán)節(jié)[12-13]。在土壤剖面重構(gòu)材料的選擇上，首要選擇是土壤或者土壤母質(zhì)[14-15]，但礦區(qū)土地復(fù)墾的難點(diǎn)之一就是表土不足或者土源稀缺，因此有學(xué)者提出使用采礦產(chǎn)生的固體廢棄物[16-17]或者將其與土壤混合[18-19]研制適宜的表土替代材料。也有學(xué)者利用秸稈、草炭、生物炭對(duì)表土替代材料進(jìn)行改良[20-21]。在土壤剖面層次的重構(gòu)方面，主要是根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罈l件，利用不同質(zhì)地的土壤構(gòu)建層狀土壤剖面。甄慶等[22]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土、黃土和砒砂巖等土壤構(gòu)建的土壤剖面構(gòu)型能夠有效阻止水分下滲；吳奇凡等[23]將沙土、黃綿土、砒砂巖和紅黏土作為土壤剖面重構(gòu)的材料，結(jié)果顯示黃-沙-紅和沙-黃-砒型這兩種層狀土壤剖面能有效儲(chǔ)存水分?，F(xiàn)有的土壤重構(gòu)研究大多是單一的，如較多集中在表土替代材料篩選和研制環(huán)節(jié)，而將表土替代材料應(yīng)用和土壤剖面層次重構(gòu)兩個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合起來的研究較少。

本課題組通過前期篩選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土與紅黏土經(jīng)過1∶2質(zhì)量比復(fù)配，同時(shí)添加15%煤矸石、5%玉米秸稈及0.05%腐植酸作為培肥材料，是理想的表土替代材料。為了改變礦區(qū)排土場(chǎng)的土壤剖面結(jié)構(gòu)和減少表土替代材料的用量，本研究利用表土替代材料和風(fēng)沙土構(gòu)建夾層式土壤剖面，基于室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，研究表土替代材料不同夾層位置對(duì)重構(gòu)土壤剖面入滲和蒸發(fā)過程的影響，優(yōu)選出適宜的重構(gòu)土壤剖面，旨在揭示不同類型重構(gòu)土壤剖面的水分運(yùn)行、分布規(guī)律和持水機(jī)理，為表土替代材料夾層土壤剖面在西部露天礦區(qū)排土場(chǎng)復(fù)墾中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。填充土柱所需材料包括風(fēng)沙土和表土替代材料，表土替代材料由風(fēng)沙土與紅黏土1∶2、15%煤矸石、5%玉米秸稈及0.05%腐植酸混合得到，其中風(fēng)沙土、紅黏土、玉米秸稈取自神東天隆集團(tuán)武家塔礦區(qū)，煤矸石取自陜西省神木縣北部的大海則礦區(qū)，腐植酸來自神東天隆腐植酸科技有限公司。風(fēng)沙土、紅黏土、腐植酸室內(nèi)風(fēng)干、去雜、研磨、過2 mm篩，煤矸石自然風(fēng)干、去雜、粉碎、過1 mm篩，玉米秸稈洗凈、腐熟、自然風(fēng)干、粉碎、過1 mm篩。將經(jīng)過上述處理后的風(fēng)沙土、紅黏土、玉米秸稈、煤矸石及腐植酸按比例混合均勻后備用。土壤顆粒組成采用吸管法測(cè)定，粒徑范圍為黏?！?.002 mm、粉粒0.002～0.05 mm、砂粒0.05～2 mm，其中風(fēng)沙土所占的體積分?jǐn)?shù)分別為3.30%、6.40%和90.30%，質(zhì)地為砂土；表土替代材料所占的體積分?jǐn)?shù)分別為6.75%、47.40%和45.85%，質(zhì)地為砂壤土。風(fēng)沙土和表土替代材料初始體積含水率通過時(shí)域反射儀TDR 測(cè)定，分別為0.032、0.069 cm3·cm-3。風(fēng)沙土和表土替代材料的容重和孔隙度利用環(huán)刀法測(cè)定，容重分別為1.62、1.31 g·cm-3，毛管孔隙度分別為22.39%、44.28%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)“就地取材、減少表土替代材料用量、減少外力作用對(duì)表土替代材料的破壞、工程易于實(shí)現(xiàn)、效果持久”的原則，考慮研究區(qū)排土場(chǎng)常見覆土厚度和種植植物根系特征[2]，設(shè)計(jì)以下土壤重構(gòu)方案：傳統(tǒng)復(fù)墾的土壤剖面構(gòu)型全沙土柱（CK）及含表土替代材料的夾層式土壤剖面構(gòu)型（T1、T2、T3），其中表土替代材料夾層厚度均為15 cm，夾層位置分別在土表以下5（T1）、10 cm（T2）和15 cm（T3）處，夾層以下部分均為風(fēng)沙土。試驗(yàn)土柱高45 cm，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。入滲裝置包括土柱、馬氏瓶和土壤水分傳感器（圖1a）。風(fēng)沙土和表土替代材料分別按照1.62、1.31 g·cm-3的容重以5 cm厚度分層填裝入有機(jī)玻璃管（內(nèi)徑15.4 cm、高60 cm）中，層間打毛，土柱底層放置紗布和濾紙，以防土粒從多孔板中漏出。在距離土表2.5、7.5、12.5、17.5 cm 和37.0 cm 處安裝土壤水分傳感器（ECH2O），在數(shù)據(jù)采集器（EM50）控制下實(shí)時(shí)測(cè)量土壤剖面的含水量變化，土柱下方設(shè)有多孔板，用以排氣和排水，玻璃管外壁三側(cè)貼有米尺用以讀取濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況。馬氏瓶（內(nèi)徑13 cm、高50 cm）用于恒定供水水頭，同時(shí)在其外壁貼上刻度尺測(cè)定馬氏瓶?jī)?nèi)水位下降情況。蒸發(fā)裝置是在土柱正上方25 cm 處放置250 W 的紅外燈，用以模擬一定強(qiáng)度的穩(wěn)定蒸發(fā)（圖1b）。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of test device

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 入滲試驗(yàn)過程

土柱填裝完成后，進(jìn)行定水頭垂直積水入滲試驗(yàn)，馬氏瓶定水頭3.5 cm。按照前密后疏的原則記錄馬氏瓶水位變化及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度，同時(shí)設(shè)定數(shù)據(jù)采集器按照2 min步長(zhǎng)自動(dòng)記錄土壤剖面含水量隨時(shí)間的變化過程。當(dāng)濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部時(shí)，停止馬氏瓶供水，入滲試驗(yàn)完成。

1.3.2 蒸發(fā)試驗(yàn)過程

將入滲完畢的土柱放置48 h后進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，連續(xù)蒸發(fā)30 d。利用遠(yuǎn)紅外燈進(jìn)行模擬和調(diào)控E0=10 mm 的穩(wěn)定大氣蒸發(fā)能力，數(shù)據(jù)采集器按照30 min 步長(zhǎng)自動(dòng)記錄土壤剖面含水量隨時(shí)間的變化過程。同時(shí)使用蒸發(fā)皿（半徑與土柱相同）測(cè)定水面蒸發(fā)量。土柱每日蒸發(fā)時(shí)間設(shè)定為8 h，在17：00 用電子秤稱量土柱質(zhì)量，測(cè)定土壤水分日損失量，日蒸發(fā)量的計(jì)算公式參考宋日權(quán)等[24]的研究。蒸發(fā)試驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)室溫度為24 ℃左右。

1.4 評(píng)價(jià)模型與指標(biāo)

采用Kostiakov模型和Rose 模型分別模擬累積入滲量和累積蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)，分析模型對(duì)均質(zhì)風(fēng)沙土和重構(gòu)的夾層土壤剖面水分入滲和蒸發(fā)過程的適用性。

Kostiakov入滲模型[25]：

式中：I為累積入滲量，mm；t為入滲時(shí)間，min；k和a均為擬合參數(shù)。

Rose 蒸發(fā)模型[26]：

式中：E代表累積蒸發(fā)量，mm；te為蒸發(fā)時(shí)間，d；c為水分?jǐn)U散參數(shù)；d為穩(wěn)定蒸發(fā)參數(shù)。

決定系數(shù)（Coefficient of determination，R2）及相對(duì)均方根誤差（Relative root mean square error，RRMSE）是評(píng)價(jià)Kostiakov 模型和Rose 模型模擬水分入滲和蒸發(fā)過程效果的指標(biāo)，R2值越接近于1，RRMSE值越小，擬合效果越好。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值，用Origin 2019軟件進(jìn)行制圖和函數(shù)擬合，SPSS 18 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Sketch軟件繪制裝置示意圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 夾層位置對(duì)土壤水分入滲特性的影響

2.1.1 夾層位置對(duì)入滲率的影響

入滲率是單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量。從圖2 可以看出，不同處理的入滲率整體上呈現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(shì)，均隨著時(shí)間的推移而減小并逐漸趨于穩(wěn)定，入滲初期入滲率快速下降，隨著入滲進(jìn)程推進(jìn)降幅減緩，而后達(dá)到穩(wěn)定入滲。在整個(gè)入滲過程中，均質(zhì)土柱CK 處理的入滲率均顯著高于同一時(shí)間的表土替代材料夾層處理，這說明表土替代材料夾層能夠降低土壤入滲率。

圖2 不同處理入滲速率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 The variations of infiltration rate with time for different treatments

本研究利用平均入滲速率和穩(wěn)定入滲速率等表征土壤入滲過程。由表1 可知，在整個(gè)入滲過程中，CK 處理的平均入滲率最高（3.714 mm·min-1），T2 處理最低（0.182 mm·min-1），較CK 處理降低了95.10%，T1和T3之間無顯著差異，二者顯著高于T2處理。同時(shí)，CK 處理進(jìn)入穩(wěn)定入滲所需的時(shí)間最長(zhǎng)（13.0 min），其穩(wěn)定入滲率也最高（1.812 mm·min-1），表土替代材料夾層處理的穩(wěn)定入滲率均顯著低于CK 處理，其中T2 處理最低（0.161 mm·min-1）。這說明在風(fēng)沙土中布設(shè)表土替代材料夾層能夠顯著降低土壤入滲率，但不同夾層位置對(duì)土壤的減滲效果不同，在表土替代材料夾層距土表10 cm 時(shí)（T2處理），減滲效果最好，而隨著夾層深度的增加，表土替代材料夾層的減滲效果隨之減弱。

表1 不同處理的土壤入滲特征Table 1 Soil infiltration characteristics of different treatments

2.1.2 夾層位置對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

從圖3a 可知，各處理的濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部時(shí)所用時(shí)間不同，CK 處理的入滲時(shí)間最短（56 min），T2處理的入滲時(shí)間最長(zhǎng)（1 190 min），是CK 處理的21.25倍，其次為T1 處理（860 min），然后是T3 處理（810 min），T1 和T3 處理無顯著差異。說明表土替代材料夾層土壤剖面入滲時(shí)間延長(zhǎng)，這有利于將水分保持在土壤中。從圖3b 可知，在整個(gè)入滲過程中，均質(zhì)土柱CK 處理濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的推移而逐漸推進(jìn)，表現(xiàn)為連續(xù)函數(shù)特征，而在風(fēng)沙土中設(shè)置表土替代材料夾層后，T1、T2 及T3 處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移隨時(shí)間的推移均出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，使得重構(gòu)土壤剖面構(gòu)型的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特性較CK處理均得到不同程度的改善。在入滲初期T1、T2 及T3 處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律基本相同，主要是由于0～5 cm 均為風(fēng)沙土層。3 個(gè)夾層處理之間的差異出現(xiàn)在3 min 以后，濕潤(rùn)鋒先后穿過風(fēng)沙土與表土替代材料夾層界面，進(jìn)入表土替代材料夾層后，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度均有所降低，但由于夾層位置的不同，濕潤(rùn)鋒進(jìn)入表土替代材料夾層的時(shí)間亦不相同，其中T3 處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度顯著高于T1、T2處理，T2處理在350 min之前高于T1處理，而在350 min之后始終低于T1處理，但二者之間差異不顯著。這說明表土替代材料夾層能夠有效改善風(fēng)沙土漏水現(xiàn)象，其中夾層距土表10 cm 處的T2 處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度最慢。由此推測(cè)，表土替代材料夾層位置存在一個(gè)臨界值，當(dāng)夾層深度為該臨界值時(shí)，夾層的減滲阻水效果最強(qiáng)，夾層深度大于或小于該臨界值時(shí)，夾層雖有減滲阻水的作用，但減滲作用未達(dá)到最大。

圖3 不同處理濕潤(rùn)鋒隨入滲時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Variation of wetting front with infiltration time for different treatments

2.1.3 夾層位置對(duì)累積入滲量的影響

累積入滲量是一定時(shí)間內(nèi)滲入單位面積土壤的總水量。由于入滲試驗(yàn)是在濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部時(shí)結(jié)束，因此將這一時(shí)刻的累積入滲量作為各個(gè)土壤剖面的持水量。各處理的累積入滲量均隨時(shí)間的推移而增加（圖4）。入滲初期累積入滲量增速較快，表土替代材料夾層處理的累積入滲量均隨時(shí)間的推移呈非線性變化，這與CK處理累積入滲量變化特征一致，但濕潤(rùn)鋒穿過表土替代材料上界面后，累積入滲量隨時(shí)間變化呈線性關(guān)系，其增速減緩。這說明表土替代材料夾層土壤剖面水分入滲速率下降，入滲時(shí)間延長(zhǎng)，增加了水分的停留時(shí)間，從而優(yōu)化土壤水分分布。整個(gè)入滲試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，T3 處理的累積入滲量最多（222 mm），其次為T2 處理（217 mm），T3 與T2 處理之間無顯著差異，然后是CK 處理（208 mm），T1 處理的累積入滲量最少（205 mm）。

圖4 不同處理累積入滲量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Variation of cumulative infiltration with time for different treatments

不同處理的濕潤(rùn)鋒到達(dá)和穿過夾層界面的時(shí)間與對(duì)應(yīng)的累積入滲量變化情況如表2 所示。T1、T2、T3 濕潤(rùn)鋒到達(dá)土層界面的時(shí)間分別為1、3、5.5 min，對(duì)應(yīng)的累積入滲量分別為22、46、66 mm，說明表土替代材料夾層位置越靠上，濕潤(rùn)鋒到達(dá)土層界面的時(shí)間越短，累積入滲量越小。同時(shí)，T2 處理濕潤(rùn)鋒穿過夾層界面需要的時(shí)間最長(zhǎng)（517 min），顯著長(zhǎng)于T1 和T3 處理。說明夾層位置深度居中者對(duì)水分下移的控制作用最強(qiáng)，能夠有效阻滯水分入滲到植物根系難以到達(dá)的深層，將水分保持于表土替代材料層及其上下部，供植物根系吸收和利用。

表2 濕潤(rùn)鋒到達(dá)和穿過土層界面的時(shí)間和累積入滲量Table 2 Time and cumulative infiltration when wetting front reaching and crossing interface layers

利用Kostiakov 模型對(duì)不同處理的累積入滲量I（mm）隨入滲時(shí)間（tmin）變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，各處理R2均在0.91 以上，RRMSE均小于0.11，Kostiakov 模型對(duì)表土替代材料夾層土壤剖面水分入滲過程擬合效果較好。參數(shù)k反映土壤的初始入滲能力，參數(shù)a反映入滲量的衰減程度，在風(fēng)沙土中布設(shè)表土替代材料夾層后，參數(shù)k隨夾層位置的加深呈增大趨勢(shì)，而參數(shù)a呈遞減趨勢(shì)，說明重構(gòu)的“風(fēng)沙土+表土替代材料+風(fēng)沙土”夾層土壤剖面在入滲初期的累積入滲量較大，隨著時(shí)間的推移，累積入滲量曲線的衰減程度減小。

表3 累積入滲量與入滲時(shí)間Kostiakov模型擬合參數(shù)Table 3 Kostiakov fitting parameters of accumulative infiltration and infiltration time

2.1.4 入滲過程中土壤剖面含水率的動(dòng)態(tài)變化

因表土替代材料夾層位置對(duì)土壤水分入滲過程的影響有所差異，各處理的土壤剖面含水率也隨之變化。由圖5 可知，不同處理各土層含水率的變化規(guī)律一致，均隨著濕潤(rùn)鋒的到達(dá)而急速上升之后逐漸平穩(wěn)。在入滲過程中，CK 處理剖面含水率隨土層深度增加而遞減，其剖面水分分布具有連續(xù)性，然而在風(fēng)沙土中布設(shè)表土替代材料層后形成的夾層土壤結(jié)構(gòu)，使水分入滲過程更加復(fù)雜，其剖面水分分布具有明顯的分層，不再符合連續(xù)性特征；CK 處理在2.5、7.5、12.5 cm和17.5 cm深度處的含水率均顯著低于T1、T2和T3 處理，說明表土替代材料夾層的存在阻滯了水分入滲，明顯改善了均質(zhì)全沙土壤剖面水分分布情況。在濕潤(rùn)鋒到達(dá)土柱底部時(shí)，在2.5 cm 和7.5 cm 深度處，T1 處理的土壤含水率均達(dá)到飽和狀態(tài)，且顯著高于其他處理；12.5 cm深度處，T2處理的含水率達(dá)到飽和狀態(tài)，且顯著高于其他處理；在17.5 cm 深度處，T3 處理的含水率達(dá)到飽和狀態(tài)，且顯著高于其他處理；37.0 cm 深度處，各處理土壤含水率均處于非飽和狀態(tài)。這表明夾層部分土壤含水率顯著高于夾層上部和下部風(fēng)沙土，夾層上部風(fēng)沙土含水率均顯著高于夾層下部風(fēng)沙土，并且夾層上部的土壤含水率隨夾層位置的加深而減小。綜合來看，T1 處理在土表水分飽和后易形成地表徑流，而研究區(qū)降水多以暴雨形式出現(xiàn)，T1處理不利于降水資源的有效利用，T2處理的平均剖面含水率高于T3，因此，結(jié)合研究區(qū)降雨條件，夾層在距土表10 cm 處（T2處理）可以最大限度將水分固持在夾土層及夾土層上部。

圖5 入滲過程中不同處理土壤剖面含水率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 5 Variation of volumetric moisture content of soil profile with time for different treatments in the infiltration process

2.2 夾層位置對(duì)土壤蒸發(fā)特性的影響

2.2.1 夾層位置對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

從圖6a 中可以看出，不同處理土壤蒸發(fā)過程隨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，在前期基本呈線性增加趨勢(shì)，中期增速變緩，后期增速進(jìn)一步減緩。蒸發(fā)第4 天，各處理土壤累積蒸發(fā)量無顯著差異；連續(xù)蒸發(fā)至第8 天，表土替代材料夾層土壤剖面的累積蒸發(fā)量均大于CK 處理，其中T2（28.65 mm）和T3（28.39 mm）較CK 處理（24.55 mm）顯著高 出16.70%和15.64%；連續(xù)蒸發(fā)30 d 后，T1（50.56 mm）、T2（52.75 mm）和T3（52.93 mm）處理累積蒸發(fā)量均顯著低于CK 處理（58.50 mm），降幅分別為13.57%、9.83%和9.52%，T1、T2、T3 處理之間差異顯著。這說明表土替代材料夾層顯著降低了后期的土壤蒸發(fā)量，且夾層位置距離土表越近，對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的抑制作用越強(qiáng)。

由于入滲試驗(yàn)結(jié)束后各處理的累積入滲量有所差異，蒸發(fā)前土壤初始含水率不同，因此本研究引入蒸發(fā)系數(shù)（累積蒸發(fā)量與累積入滲量的比值）來消除不同土壤初始含水率引起的累積蒸發(fā)量差異[25]。蒸發(fā)系數(shù)作為土壤蒸發(fā)損失比例和土壤保水能力的定量表征，其值越小，說明土壤蒸發(fā)損失比例越小，土壤保水能力越強(qiáng)。由圖6b 可知，表土替代材料夾層各處理的蒸發(fā)系數(shù)均顯著小于CK 處理，說明含有表土替代材料夾層的土壤蒸發(fā)損失比例減小，保水能力增強(qiáng)；表土替代材料夾層各處理之間蒸發(fā)系數(shù)差異不顯著。

圖6 不同處理土壤蒸發(fā)特性Figure 6 Soil evaporation characteristics of different treatments

利用Rose 模型分別對(duì)不同處理的土壤累積蒸發(fā)量E（mm）與蒸發(fā)時(shí)間t（ed）之間的關(guān)系進(jìn)行模擬，擬合結(jié)果見表4。各處理R2均在0.96 以上，RRMSE在0.069～0.075 之間，Rose 模型對(duì)表土替代材料夾層土壤剖面水分蒸發(fā)過程擬合效果較好。隨夾層位置的加深，參數(shù)c顯著提高，參數(shù)d顯著降低，T1 與T2、T3處理差異顯著。

表4 累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間Rose模型擬合參數(shù)Table 4 Rose fitting parameters of cumulative evaporation and evaporation time

2.2.2 蒸發(fā)過程中土壤剖面含水率的動(dòng)態(tài)變化

因表土替代材料夾層位置對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)過程的影響有所差異，各處理的土壤剖面含水率變化也有所不同。在蒸發(fā)過程中，不同深度土壤水分通過毛管孔隙具有整體向上移動(dòng)的能力。由圖7 可知，CK 處理土壤含水率分布具有連續(xù)性，隨土層深度增加而遞增，且不同深度處的含水率變化規(guī)律一致，均隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)為快速下降后持續(xù)降低并趨于穩(wěn)定的過程。表土替代材料夾層土壤剖面水分分布具有明顯的分層，T1、T2 和T3 處理的夾層部分含水率均顯著高于夾層上部和上部風(fēng)沙土，夾層部分含水率變化幅度較小，夾層上部和上部風(fēng)沙土含水率變化幅度較大，且均隨深度的增加而增大，說明夾層部分水分損失量小，且夾層部分抑制了下層水分的上行。在連續(xù)蒸發(fā)30 d 后，T1、T2 和T3 處理在表土層2.5 cm處的土壤含水率分別為0.101、0.066 cm3·cm-3和0.101 cm3·cm-3，在夾層17.5 cm 處分別為0.413、0.412 cm3·cm-3和0.392 cm3·cm-3。綜上所述，表層覆蓋風(fēng)沙土且以表土替代材料作為夾層的重構(gòu)土壤能夠有效減少剖面中水分的蒸發(fā)，從而提高土壤剖面的持水能力。

圖7 蒸發(fā)過程中不同處理土壤剖面含水率隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 7 Variation of volumetric moisture content of soil profile with time for different treatments in the evaporation process

3 討論

降雨是西部露天礦區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)給來源，水分入滲過快會(huì)導(dǎo)致土壤含水率降低，進(jìn)而可供植物利用的水分不足。通常情況下，質(zhì)地越粗的土壤，大孔隙越多，土壤顆粒的比表面積也就越小，吸附能力也越弱，進(jìn)而相同勢(shì)能下的水分通量越大。本研究中均質(zhì)風(fēng)沙土質(zhì)地較粗，平均入滲率和穩(wěn)定入滲率均較高，不利于降雨資源的有效利用，而表土替代材料夾層處理的入滲率明顯降低，且累積入滲量和濕潤(rùn)鋒在進(jìn)入夾層界面前隨時(shí)間非線性變化，進(jìn)入界面后趨于線性，斜率變小，這與范嚴(yán)偉等[26]的研究結(jié)果一致。這主要是由于層狀土入滲過程主要由細(xì)質(zhì)土控制，并且入滲初期表層土壤含水率較低，土壤吸力較大，入滲較快，隨著濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移，土壤含水率增加，基質(zhì)勢(shì)變小，入滲率隨之減小且逐漸趨于穩(wěn)定[27-28]。本研究中表土替代材料夾層在位于土表下10 cm 時(shí)，土壤入滲率最低，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度最慢，這可能是由于層狀土壤入滲率與上層土壤飽和導(dǎo)水率和下層土壤進(jìn)水吸力有關(guān)，同時(shí)重構(gòu)剖面中風(fēng)沙土和表土替代材料的孔隙、黏粒含量等不同，導(dǎo)致滲透性、持水能力有所差異[29]，這與李毅等[6]、王曉彤等[30]的研究結(jié)果一致。李毅等[6]對(duì)比分析了不同夾層位置下塿夾砂和砂夾塿的入滲過程，結(jié)果表明距土表10～15 cm 的夾層層位對(duì)水分入滲的阻礙作用最強(qiáng)。王曉彤等[30]的研究也表明，在黃河泥沙中不同位置設(shè)置黏土夾層后，入滲率隨著夾層深度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，入滲率在土表下55 cm 深度處達(dá)到最低值。入滲過程中夾層之上的風(fēng)沙土的含水率顯著高于夾層以下風(fēng)沙土，這主要是由于夾層界面以下的風(fēng)沙土的基質(zhì)吸力小于表土替代材料夾層部分，存在毛管障礙。這與柴成武等[31]的研究結(jié)果一致。柴成武等[31]的研究表明，“沙土+黏土+沙土”夾層結(jié)構(gòu)能夠有效將水分固持于黏土層上部。綜上可以看出，表土替代材料夾層位置對(duì)土壤水分入滲過程的影響機(jī)制，主要是通過降低土壤孔隙度和通透性來改變或阻斷土壤剖面的孔隙分布狀況和過水?dāng)嗝娲笮?，進(jìn)而影響土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)均一性[32-33]。對(duì)于重構(gòu)的夾層土壤，在入滲初期降雨能夠快速進(jìn)入風(fēng)沙土表層，有效減少地表徑流，而后期水分在進(jìn)入土壤夾層后入滲率降低，從而有效減少水分向深層的流失和滲漏。

土壤蒸發(fā)是土壤水和大氣水連接的主要過程，蒸發(fā)過程可劃分為三個(gè)階段：第一階段土壤蒸發(fā)強(qiáng)度大且蒸發(fā)速率較穩(wěn)定，主要受大氣蒸發(fā)強(qiáng)度影響；第二階段土壤蒸發(fā)強(qiáng)度急劇降低，與土壤導(dǎo)水率有關(guān)；第三階段土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較低并趨于穩(wěn)定，主要受水汽擴(kuò)散的能力控制[34]。本研究中土壤累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化具有明顯的階段性特征，在第一階段土壤累積蒸發(fā)量線性增加，第二階段累積蒸發(fā)量增加緩慢，第三階段土壤蒸發(fā)速率基本穩(wěn)定，累積蒸發(fā)量增加平穩(wěn)。在蒸發(fā)的初期，均質(zhì)風(fēng)沙土與表土替代材料夾層處理的土壤累積蒸發(fā)量無明顯差異，主要是由于蒸發(fā)初期表土層土壤含水率均較高，主要受溫度等外界因子的影響，土壤蒸發(fā)能力接近[35]，加上風(fēng)沙土大孔隙較多，吸附能力弱，土壤表層保存的水分少且下層水分向上運(yùn)動(dòng)難度大[23]。隨著蒸發(fā)時(shí)間的推移，表土替代材料夾層處理的累積蒸發(fā)量明顯小于均質(zhì)風(fēng)沙土，這主要是由于在蒸發(fā)中后期，表土層土壤含水量降低，蒸發(fā)速率主要取決于土壤的孔隙特征，土壤孔隙的數(shù)量、大小和形態(tài)通過對(duì)水分的存在形態(tài)和連續(xù)性產(chǎn)生影響，夾層界面處的毛管孔隙被夾層界面阻斷，使土壤剖面的孔隙連通性明顯降低[36]，從而抑制了水分由下向上運(yùn)動(dòng)，只能以水汽擴(kuò)散形式蒸發(fā)，導(dǎo)致土壤累積蒸發(fā)量明顯降低。

任利東等[37]的研究表明，在砂黃土表層覆蓋砂土可明顯減少土壤蒸發(fā)，且不同分層厚度層狀土柱的累積蒸發(fā)量無明顯差異。HUANG 等[38]的研究表明，不同分層類型的土壤蒸發(fā)存在差異，上砂下黏型層狀土累積蒸發(fā)量顯著低于上黏下砂型層狀土，而多層復(fù)合層狀土的累積蒸發(fā)量最高。綜合來說，重構(gòu)的表土替代材料夾層相對(duì)于均質(zhì)風(fēng)沙土更能抑制土壤蒸發(fā)，夾土層對(duì)水分束縛力較強(qiáng)，可以長(zhǎng)期保證植物生長(zhǎng)所需水分，這適合在西部干旱半干旱礦區(qū)土地復(fù)墾中推廣應(yīng)用。

本研究基于室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)探討了表土替代材料不同夾層位置對(duì)西部露天礦區(qū)風(fēng)沙土的入滲和蒸發(fā)特征的影響，未涉及氣象、植物生長(zhǎng)及地下水等因素，與田間實(shí)際情況有所差異，試驗(yàn)結(jié)論需進(jìn)一步在田間驗(yàn)證。此外，本研究只確定3 種不同夾層位置對(duì)水分運(yùn)移有阻滯作用，且夾層距土表10 cm 時(shí)阻滯作用最強(qiáng)，但還不能確定夾層厚度為多少時(shí)可以達(dá)到水分蒸發(fā)損耗最小的最佳水分儲(chǔ)存效果，夾層厚度設(shè)置需要進(jìn)一步探索驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）表土替代材料3 種夾層位置均顯著降低了土壤入滲率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度，其中夾層位置在距土表10 cm時(shí)，重構(gòu)土壤的入滲率最低，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度最慢，入滲時(shí)間最長(zhǎng)，能夠有效地將水分截留在夾土層及夾土層上部，是當(dāng)?shù)氐V區(qū)重構(gòu)土壤剖面構(gòu)型的理想選擇。

（2）表土替代材料夾層對(duì)土壤蒸發(fā)具有顯著抑制作用，可提高土壤剖面保水能力。土壤累積蒸發(fā)量隨夾層深度的增加而減小，說明夾層位置距離土表越近，對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的抑制作用越強(qiáng)。以表土替代材料作為夾層的重構(gòu)土壤剖面水分分布得到了改善，土壤水分損失主要來自?shī)A層上部和下部風(fēng)沙土，夾層部分含水率變化幅度較小。

（3）Kostiakov 入滲模型和Rose 蒸發(fā)模型能夠較好地模擬含表土替代材料夾層的重構(gòu)土壤水分入滲和蒸發(fā)過程。