【论文精选】用3种测定方法分析排土场复垦区的表层土壤的饱和导水率

原创李叶鑫等中国水土保持科学

土壤饱和导水率是土壤在饱和状态下，单位时间内通过单位面积的水量，反映了土壤入渗性能和导水能力，其大小直接影响地表径流量和土壤水分分布特征。土壤饱和导水率受土壤密度及孔隙分布特征、土壤质地、有机质含量、植被类型等多个因素共同影响，具有较强的空间变异性。目前，土壤饱和导水率的测定方法主要有室内环刀法、双环入渗法、Guelph入渗仪法、圆盘入渗仪法、Hood入渗仪等。Hood入渗仪法是一种新型张力式渗透计，是通过负压力来测定土壤饱和导水率，具有省时省力、不扰动土体、读数相对准确等优点，其测定结果最为接近土壤饱和导水率的实际值。以往关于Hood入渗仪测定土壤饱和导水率的研究多集中在林地、草地、耕地等自然土壤，但未见该方法在排土场、弃渣场、弃石场等矿山工程扰动土的应用。矿山工程扰动土是指以采矿业等产生的固体废弃物为母质，经人工整理、改良促进其风化、熟化而成的一类土壤，其表层可能是土状堆积物，也可能是石砾、石碴、石屑，排土场就是一种典型的矿山工程扰动土，其形成与复垦的过程就是土壤重构的过程。排土场土壤结构经过破坏-重构以及表层严重压实后，其土壤密度、入渗特征、土壤团聚体、土壤水文过程均发生明显改变，其中对排土场复垦区土壤水分运动及其入渗能力影响最为显著。排土场土壤水分运动具有较强的空间变异性，研究排土场表层土壤饱和导水率不仅能够深入认识其土壤水文过程，也可为后期研究排土场深层土壤导水能力、土壤水分有效利用提供数据支撑。

研究区位于辽宁省阜新市海州露天煤矿排土场，总面积约为13km²。排土场呈阶梯状，边坡坡度为35°~45°。研究区年均降水量511.4mm，主要集中在6—8月，占全年73.25%，年蒸发量1790mm，年均气温7.3℃，≥10℃积温3476℃，年均风速3m/s，无霜期154d，主要土壤类型为典型褐土。2004年，由国土资源部投资对该排土场开展土地复垦工作。在复垦前期，利用大型采矿复垦机械进行搬运、平整、压实工作，使“人造场地”恢复成较合理的地形地貌；之后再进行客土回填工程，客土来源于附近南瓦村一荒草地，土壤类型为褐土，覆土厚度为30cm，以此建立有利于植物生长的表层和生根层，为后期生物复垦奠定基础。复垦土地规模为998.17hm²，具有乔灌草、灌草、乔木、灌木、牧草、农田等多种复垦模式，复垦树种为刺槐(Robinia pseudoacacia)、榆树(Ulmus pumila)、油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐和榆树混交、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、火炬树(Rhus typhina)、柠条(Caragana korshinskii)等，排土场内没有灌溉系统，全部水分均来自天然降水。

在综合考虑排土场排弃工艺、地形地貌、植被恢复状况等多个因素前提下，于2017年7—8月在排土场复垦区(复垦年限为13年)选取相邻但相互之间无影响的3种复垦植被类型(刺槐林地、榆树林地和荒草地)作为研究对象，以荒草地为研究对照，研究排土场复垦区不同植被类型土壤饱和导水率及其影响因素。在不同复垦植被下布设1个20m×20m样方，在每个样方内选取3个试验点，各试验点间呈品字形分布，每个试验点下采集0~10cm土层土壤样品，以分析排土场表层土壤理化性质。土壤含水率采用烘干法(105℃)测定，土壤密度和孔隙度采用环刀法测定，砾石(>2mm)体积含量采用水洗法和排水法测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定，土壤机械组成采用吸管法测定(按照国际制土壤分级标准划分，砂粒2.000~0.020mm，粉粒0.020~0.002mm，黏粒 < 0.002mm)。每个指标均为3个重复。

综上，作者以海州露天煤矿排土场3种复垦植被类型表层土壤为研究对象，分析其土壤理化性质及其对饱和导水率的影响，评价不同植被类型土壤导水能力，对比分析室内环刀法、双环入渗仪、Hood入渗仪测定结果的差异性，探寻排土场土壤饱和导水率最优测定方法，以期为进一步研究排土场土壤水分运动规律及水分渗漏特征提供科学依据。本文结论如下：

1) 排土场土壤密度和砾石含量偏高，土壤有机质含量较低。各样地土壤饱和导水率在0.48~0.77mm/min之间，刺槐林地是榆树林地和荒草地的1.43倍和1.60倍；3种测定方法的结果均表现为Hood入渗仪 < 双环入渗法 < 室内环刀法，Hood入渗仪法测定结果的离散程度和误差最小，更适合用于测定排土场表层土壤饱和导水率。