生產建設項目棄土棄渣與林地土壤入滲特征分析

郭宏忠，蔣光毅，江 東，汪三樹，史東梅

(1．重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶401147;2．西南大學 資源環境學院/水土保持生態環境研究所，重慶400715)

(責任編輯 孫占鋒)

隨著城鎮化進程的不斷推進，大量土、石、渣被無序堆棄，而這又為水土流失的發生提供了豐富的物質來源。為減少水土流失，棄土棄渣場的生態修復和土地復墾逐漸成為相關專家、學者的重點研究領域。棄土棄渣場生態修復好壞除與棄渣土壤本身性質有關外，還與棄土棄渣的肥力狀況和持水能力關系密切［1］。棄土棄渣物質組成復雜、結構混亂、養分含量較低［2，3］，雖然其通透性較好，具有較好的土壤入滲性能，但與森林土壤所表現出的較高入滲率還是有著本質區別的［4，5］。為深入了解棄土棄渣土體水分運動規律，筆者選取重慶市北碚十里溫泉城項目區的桑樹林地及施工擾動后形成的棄土棄渣場為研究對象，對棄土棄渣和林地土壤的水分運動特征進行分析研究，以期為棄土棄渣場生態修復提供基礎依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況及樣品采集

研究區位于北碚區十里溫泉城內(E106°23'04″、N29°51'44″)，海拔221．10 m。屬典型的山地丘陵區，土壤為黃壤。多年平均氣溫18．3 ℃，多年平均降水量1 100 mm，其中5—10月的降水量占全年的75．63%。研究對象為北碚區十里溫泉城施工所產生的不同堆置年限棄土棄渣場及項目區內未遭到破壞的桑樹林地，選用樣地情況見表1。

表1 樣地基本情況

2013年3月中旬在棄渣場平臺上多點采集0—20 cm 土壤樣品，混合后帶回實驗室進行物理性質分析，同時選擇較為平坦的地面除去表層雜草及枯枝落葉，將雙環入滲儀(內環直徑15 cm、外環直徑30 cm、高20 cm)打入棄渣土壤，用穩定水壓裝置向環內注水，進行雙環入滲試驗，持續90 min，每個渣場同時進行3 個試驗。

1．2 土壤物理性質測定

土壤容重、孔隙度等基本物理性質采用環刀法測定，土體顆粒分級采用GZS－1 高頻振篩器測試。入滲速率采用下式計算

式中:Rt為入滲速率，mL/min;Q 為時段Δt 的入滲量，mL;S 為入滲面積，即內環面積，cm2;Δt 為時段，min。

初滲率為最初入滲時段內的滲透量與入滲時間的比值，本研究選取初始10 min 求算初滲率;平均滲透速率為達到穩滲時的滲透總量與達到穩滲時的時間的比值;穩滲率為滲透量趨于穩定時的滲透速率。

土壤持水能力以土壤最大持水量和非毛管持水量作為評價指標［6］。計算公式為

式中:Wa為土壤最大持水量，t/hm2;Wo為土壤非毛管持水量，t/hm2;Pt為土壤總孔隙度，%;Po為土壤非毛管孔隙度，%;h 為土壤厚度，m;γw為土壤容重。

2 結果與分析

2．1 棄土棄渣與林地土壤物理性質分析

與對照林地相比，棄土棄渣土壤物理性質差異明顯(表2)。土壤容重反映了土體的松緊程度及孔隙狀況，與土體的透氣性、入滲性能、持水能力等密切相關［7－8］。棄渣屬于典型的土石混合體，其物質組成的復雜性使其容重值要高于對照林地，由表2 可知，L1a(1．46 g/cm3)＞L3a(1．26 g/cm3)＞Ld(0．91 g/cm3)。

表2 棄土棄渣與林地土壤物理性質對比分析

棄渣土體孔隙度影響著土體通氣透水性和土體中水分的運動及貯存，與植物根系穿插的難易程度、土體中水肥氣和微生物活性關系密切，決定了棄渣場生態修復的難易程度［1，7］。由表2 可知，兩個棄渣場的土體孔隙特征與林地土壤表現出一定的差異性，總孔隙度和毛管孔隙度均表現為Ld＞L3a＞L1a，非毛管孔隙度表現為L3a＞Ld＞L1a。對照林地的總孔隙度為63．94%，非毛管孔隙度為18．53%，說明林地土壤通氣性、透水性和持水性能較好;而棄渣由于地表裸露，土石混合不均勻，土體通氣性、透水性和持水性能均較差。棄渣堆放時間越長，土體之間越緊實，土體孔隙結構越穩定，穩定性越高，堆置3年的棄渣的總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度均比堆置1年棄渣的高，說明棄渣堆放時間越久，土體孔隙結構越好、持水性能更佳。

2．2 棄土棄渣與林地土壤入滲性能分析

入滲與土壤孔隙結構、質地、降雨等關系密切，是土壤中水分運動的主要形式之一［9－10］。棄土棄渣是一種人為產生的土石混合物質，其土壤水分入滲過程較特殊。棄土棄渣與林地的土壤入滲特征見圖1。

圖1 棄土棄渣與林地土壤入滲特征

研究表明，土壤水分入滲隨時間增加呈現逐漸減小且最終趨于一個穩定值的變化趨勢，可用Horton 公式較好地模擬描述［10］。由圖1 可知，棄土棄渣土體水分初始入滲率較大，隨著時間的推移，約45 min 后趨于穩定。入滲過程可分為3 個不同階段:①0—10 min。入滲率下降迅速且處于較高水平，其中棄渣場入滲率呈現波動性減小的變化趨勢。②10—45 min。入滲率降至最低值，以L1a表現最為明顯，從最初的35．5 mL/min 減少到12．6 mL/min，對照林地(Ld)降幅最小。該階段的入滲率隨著土壤中水分飽和度的增加而減少，說明當土壤處于水分飽和狀態時，其非毛管孔隙中充滿水分，對土壤滲透性起決定性作用的主要為毛管孔隙。③45min 后。無論是對照林地還是棄土棄渣，均是在土壤達到完全飽和狀態后，土壤入滲率才開始達到穩定入滲階段。與對照林地相比，棄土棄渣大約在60 min 后才達到穩定狀態，說明經過人為擾動后，土壤的結構和孔隙特征遭到破壞，對土壤滲透性影響較大。

土壤滲透性大小一般用土壤初始入滲率、穩定入滲率、平均入滲率和一段時間的滲透總量來評價［9，11］。由圖1 可以看出，不同棄土棄渣的初始入滲率、穩定入滲率、平均入滲率存在較大差異，L3a的初始入滲率最大，其平均為29．42 mL/min，對照林地Ld的穩定入滲率和平均入滲率最大，分別為14．12 mL/min、17．81 mL/min。初始入滲率表現為L3a＞L1a＞Ld，平均入滲率和穩定入滲率表現為Ld＞L3a＞L1a。棄土棄渣初始入滲率比林地大，這主要是因為棄土棄渣作為一種人為地貌單元，土體剖面具有疏松多孔、物質組成復雜、碎石含量較高等特點，入滲初期水流通過碎石間空隙快速下滲，但由于下滲水流攜帶細顆粒不斷填充碎石之間空隙，使棄土棄渣土體結構逐漸穩定和緊實，造成入滲率減少較大;而林地土壤未受人為因素影響，土壤孔隙結構穩定，穩定入滲速率較大。

2．3 棄土棄渣與林地土壤持水性能分析

由于棄土棄渣土壤結構性差、物質組成復雜等，導致其持水和蓄水能力與林地相比有顯著的差異(圖2)。

圖2 棄土棄渣與林地土壤持水性能比較

由圖2 可知，土壤最大持水量表現為Ld＞L3a＞L1a，具體為116．37、106．77、103．98 t/hm2。非毛管持水量表現為Ld＞L3a＞L1a，具體為82．65、51．74、43．22 t/hm2，對照林地分別比L1a、L3a棄渣大91．23%、59.74%。從土壤的最大持水量和非毛管持水量兩方面來看，林地的水源涵養功能明顯強于棄土棄渣，而堆置3年棄渣的持水性能要高于堆置1年的。

3 結 論

(1)棄土棄渣土壤容重顯著高于林地，隨著堆放時間增加，棄渣土體更緊實;棄土棄渣土質混合不均勻導致其孔隙結構較差，土壤總孔隙度、毛管孔隙度均顯著小于林地。

(2)林地與棄土棄渣入滲過程最大的差異在于初始入滲階段，棄土棄渣由于結構疏松，入滲率較大，入滲率下降迅速且呈波動性減少趨勢。初始入滲速率表現為L3a＞L1a＞Ld，平均入滲率和穩定入滲率表現為Ld＞L3a＞L1a。

(3)最大持水量表現為Ld(116．37 t/hm2)＞L3a(106．77 t/hm2)＞L1a(103．98 t/hm2);非毛管持水量表現為Ld(82．65 t/hm2)＞L3a(51．74 t/hm2)＞L1a(43．22 t/hm2)，對照林地分別比堆置1年、3年棄渣大91．23%、59．74%?？傮w來看，林地的水源涵養功能明顯強于棄土棄渣，而堆置3年棄渣持水性能要高于堆置1年棄土棄渣。

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