【论文精选】铁尾矿不同复垦模式土壤贮水能力及入渗特征

土壤水分入渗控制降水过程中地表产流水平、储水性能及地下径流量等而成为水循环的关键环节，土壤贮水量和入渗率是水土保持和水源涵养功能的重要水文参数。研究表明，土壤入渗性能越好，植物可吸收利用的有效水越多，植物生长发育越有利，还可以形成壤中流，减少地表径流，抑制土壤侵蚀的发生。目前，在生态环境脆弱的工矿区，土壤水分的运移维系问题受到国内外学者的普遍关注。研究水分入渗规律对合理利用调控矿区水资源、降低水土流失风险具有重要意义。

铁尾矿是矿区开采矿石产生的固体废弃物。中国作为全球第2大铁矿石生产国由于选矿技术限制铁尾矿排弃量大，综合利用率不到10%，远落后于达60%的西方发达国家。长期任意堆存的尾矿废弃物不仅压占了大量土地，而且被降雨和地表径流侵蚀后极易引发严重的水土流失问题。由于尾矿砂结构性差，通气透水能力弱，导致植物生长受限，很多学者针对铁尾矿基质改良利用方面进行相关研究，改良方法以掺土和施肥最为常见。但有关尾矿区修复土壤水分存储及入渗的研究鲜见报道。鉴于此，笔者分析铁尾矿区7种不同复垦模式土壤贮水及入渗特征，并对尾矿复垦基质入渗过程进行模拟，以期为贫瘠、紧实的铁尾矿基质改良与植被重建提供科学支撑，并为铁尾矿区布设合理的复垦措施提供参考。

研究区为山西省垣曲县国泰矿业集团的泉子沟铁尾矿库，位于山西省运城市东北隅，中条山南部、黄河北岸，年均气温13.3℃；年均相对湿度60%；年均降水量596.7mm，年均蒸发量2090.0mm，属大陆性干旱半干旱气候。平均海拔约950m。该尾矿库为干排尾矿库，位于黄河一级支流——亳清河流域上游，占地面积约106.7hm²。裸露的尾矿库因长期废弃，自然植被难以侵入，坡度较大，受降雨径流侵蚀，沟壑纵横，坡面侵蚀形态严重，严重威胁着亳清河流域水生态安全。2015年结合该尾矿库为土石山区、土源缺乏的实际情况，选用当地大量生产的蘑菇废料与秸秆、木屑等制成菌糠作为充填复垦基质，将菌糠、尾矿砂和客土按体积比混掺分别铺设于7个100m²小区进行复垦试验，在尾矿坡面上选择了7类小区进行复垦试验。

样时间为2017年10月，每个样地中用环刀采集表土层原状土，用环刀法测定土壤密度、孔隙度、田间持水量和饱和持水量等物理指标、比重瓶测定样品比重，同时采集1kg左右的扰动土样，重铬酸钾氧化法测定有机质质量分数，用铝盒烘干法测定自然含水量。以上理化指标均取3次重复的平均值，然后计算土壤贮水能力，测定土壤水分入渗，对比分析不同模式下的数据，得出以下结论：

1) 铁尾矿不同复垦模式(尾矿砂-土-菌糠、尾矿砂-土、尾矿砂-菌糠、纯土、裸尾矿)土壤贮水能力以纯土模式最高，其他模式中尾矿砂-菌糠或尾矿砂-土-菌糠模式高于掺土模式。不同复垦模式对裸尾矿贮水力的提升效果表现为：滞留贮水量(28%~138%)>土壤饱和贮水量(7%~46%)>吸持贮水量(3%~33%)，因此铁尾矿纯土和掺菌糠修复对提高土壤储水性能、抵抗径流冲刷有重要现实意义。

2) 不同复垦模式对裸尾矿水分初渗率、均渗率和稳渗率均有提高作用，其中复垦铁尾矿土壤稳渗率显著高于裸尾矿。不同复垦模式间入渗性能总体表现为纯土>尾矿砂-菌糠或尾矿砂-土-菌糠>掺土>裸尾矿，且掺菌糠模式高于掺土模式。研究区铁尾矿水分入渗差异主要与孔隙、密度等物理结构特性差异有关，与植被类型关系不明显。

3) 采用R²和RMSE 2种精度评价指标比较分析了Kostiakov、Philip和Horton 3种模型拟合铁尾矿区不同复垦模式土壤入渗过程，表明Kostiakov(R²=0.941)和Horton模型(R²=0.925)精度较高，其模型参数能较好的表征铁尾矿区土壤入渗过程。今后研究中，可分别选择Kostiakov和Horton模型预测铁尾矿复垦土壤和裸尾矿水分入渗过程。

4) 铁尾矿中施入菌糠可以显著降低复垦土壤紧实度，增加孔隙度，提高大孔隙之间联通性，使掺菌糠复垦模式土壤有较高的贮水持水量和入渗性能，有利于植物吸持利用，加速植被恢复进程；因此，对于土源缺乏的铁矿尾区，在实践中可以考虑掺入菌糠修复生态环境，有利于保水固土和植被的可持续生长。

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