不同復(fù)墾方式排土場(chǎng)礫石對(duì)飽和導(dǎo)水率和貯水能力的影響*

呂 剛 王 磊 盧喜平 李葉鑫 劉雅卓

（1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

（2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)水土保持生態(tài)修復(fù)研究院，遼寧阜新 123000）

（3 四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072）

不同復(fù)墾方式排土場(chǎng)礫石對(duì)飽和導(dǎo)水率和貯水能力的影響*

呂 剛1，2王 磊1盧喜平3李葉鑫1劉雅卓1

（1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

（2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)水土保持生態(tài)修復(fù)研究院，遼寧阜新 123000）

（3 四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072）

露天煤礦排土場(chǎng)是由礦井下采出的煤矸石，露天礦剝離的表土、巖石及覆土共同組成的松散土石混合堆積體，其內(nèi)部含有的礫石對(duì)土體導(dǎo)水性能和貯水能力有重要影響，以往關(guān)于礫石對(duì)土壤水分的影響多集中于自然土壤，缺乏對(duì)排土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)等土石混合工程堆積體的水文-侵蝕過(guò)程研究。以海州露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，基于野外調(diào)查采樣和室內(nèi)定水頭入滲試驗(yàn)，研究了排土場(chǎng)不同復(fù)墾方式下土體礫石分布特征及其對(duì)飽和導(dǎo)水率和貯水能力的影響，以期為提高礦區(qū)水土資源利用效率提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，不同復(fù)墾方式下排土場(chǎng)礫石總量隨土層深度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且土體剖面礫石總量的平均值表現(xiàn)為農(nóng)用地最小，這可能是由頻繁耕作導(dǎo)致，不同土層之間礫石總量無(wú)顯著差異；排土場(chǎng)土體不同粒徑礫石相對(duì)含量平均值的大小順序?yàn)椋?～10 mm）＞（＞20 mm）＞（10～20 mm），表現(xiàn)為大粒徑礫石在各種因素的綜合作用下正逐漸變?yōu)榧?xì)粒徑；排土場(chǎng)土體飽和導(dǎo)水率均表現(xiàn)為灌木林地最高，農(nóng)用地和荒草地較低；飽和導(dǎo)水率與各粒徑礫石含量之間呈極顯著線性正相關(guān)，且隨著礫石粒徑的增大其相關(guān)性越強(qiáng)；排土場(chǎng)土體貯水能力各指標(biāo)均以灌木林地和荒草地最強(qiáng)，喬木林地和農(nóng)用地最差，并且飽和貯水量與各粒徑的礫石含量之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，最大滯留貯水量與各粒徑的礫石含量之間均呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，最大吸持貯水量與粒徑2～10 mm礫石含量之間存在顯著拋物線相關(guān)關(guān)系；對(duì)于＞20 mm的粒徑而言，影響土壤貯水能力的礫石含量閾值為14%。

礫石；飽和導(dǎo)水率；貯水能力；露天煤礦；排土場(chǎng)；土地復(fù)墾

礫石是粒徑≥2 mm的巖石或礦物碎屑物，因成土過(guò)程和人類活動(dòng)的影響，許多土壤含有一定量的礫石。我國(guó)不同地域的土壤中也存在大量礫石，如北京山區(qū)屬于粗骨褐土的荒草地土壤表層的礫石含量高達(dá)22%以上［1］，紫色土不同土地利用類型土壤表層礫石含量大小順序依次為林地＞果園＞耕地［2-3］，礫石含量在5%～60%之間，變異性較大，黃土高原土石山區(qū)天水鳳凰山坡下（山腳）的0～60 cm土層礫石含量最大可達(dá)39.0%左右［4］，六盤(pán)山香水河小流域不同植被類型下礫石體積含量位于0.64%～33.92%之間［5］，桂西北喀斯特峰叢洼地撂荒地表層碎石體積含量在20%以上［6］，而退耕坡面表層礫石質(zhì)量含量更高達(dá)60%以上［7］。礫石的存在會(huì)影響土壤水分物理性質(zhì)，從而對(duì)土壤入滲、蒸發(fā)、徑流與土壤侵蝕等水文過(guò)程產(chǎn)生影響，對(duì)此許多學(xué)者做了大量的研究。礫石對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影響研究表明，礫石含量與土壤容重、大孔隙特征存在正相關(guān)關(guān)系［3-5］，與總孔隙度和田間持水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［3］，但當(dāng)?shù)[石含量＜10%時(shí)，飽和含水量和田間持水量與礫石含量關(guān)系不明顯，當(dāng)?shù)[石含量＞10%時(shí)，飽和含水量和田間持水量與礫石含量變化趨勢(shì)相反［9］。礫石對(duì)土壤入滲的影響研究表明，同一負(fù)壓條件下，穩(wěn)定入滲率隨礫石含量的增加而降低［10-11］，并且隨著礫石含量的增加，相同入滲歷時(shí)內(nèi)，累積入滲量減小［10-12］，特別是粒徑2～3 mm礫石與入滲過(guò)程成顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而＞25 mm礫石有利于入滲［13］，但也有研究表明，當(dāng)?shù)[石體積含量在一定范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)滲速率隨礫石含量增加而增大［14］，當(dāng)?shù)[石含量為10%時(shí)，土壤入滲率最大，當(dāng)碎石含量超過(guò)10%時(shí)，入滲率反而降低。而礫石覆蓋改變了地表性質(zhì)如粗糙度、孔隙度與表土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)土壤入滲過(guò)程影響顯著，穩(wěn)定入滲速率及穩(wěn)定入滲系數(shù)與礫石覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)［15］。礫石對(duì)地表徑流的影響研究表明，含礫石土壤的坡面徑流流速大于不含礫石土壤［16］，且當(dāng)坡度＞5°時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間與礫石含量呈線性負(fù)相關(guān)［17］，徑流系數(shù)隨礫石含量的增加先線性遞減后線性遞增，并在10%礫石含量處存在一個(gè)閾值［18-19］，這與礫石對(duì)入滲的影響存在閾值相同。礫石對(duì)土壤蒸發(fā)的影響研究表明，地表礫石覆蓋不僅能有效抑制土壤水分蒸發(fā)，還能為作物生長(zhǎng)持續(xù)提供有效水［20］，在土壤礫石含量為0～20%時(shí)，土壤蒸發(fā)速率隨礫石含量增加而降低，但在礫石含量超過(guò)20%時(shí)，土壤蒸發(fā)速率基本保持穩(wěn)定，土壤蒸發(fā)速率隨礫石粒徑增大有升高的趨勢(shì)［14］，而土壤的累計(jì)蒸發(fā)量隨礫石含量的增加而減小［7］；朱元駿和邵明安［21］通過(guò)對(duì)黃土高原北部鈣結(jié)石含量對(duì)土壤水分蒸發(fā)過(guò)程的影響研究表明，土壤水分蒸發(fā)與鈣結(jié)石含量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系與鈣結(jié)石含量增加所導(dǎo)致的土壤含水率降低有關(guān)，并且礫石影響土壤水分蒸發(fā)與時(shí)間存在一定的關(guān)系。此外，礫石對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率和貯水能力均有一定影響［3-4，14］。可見(jiàn)，有關(guān)礫石對(duì)土壤水分、入滲、蒸發(fā)、徑流等水文過(guò)程的影響方面均取得了一定的成果。

煤炭資源的開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)乃至世界的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展起到了重要的支撐作用，但煤炭的開(kāi)采勢(shì)必造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞，煤礦區(qū)已成為當(dāng)今世界陸地生物圈最為典型、退化最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)，其中以露天開(kāi)采尤為嚴(yán)重，挖損和壓占使地表植被全部喪失，造成原有土壤結(jié)構(gòu)改變，而形成的露天采坑和排土場(chǎng)景觀在坡度、坡向、坡型、地表物質(zhì)組成等方面與原地貌景觀要素存在巨大的差異［22］。排土場(chǎng)是一個(gè)巨型松散土石混合堆積體，具有坡度大、坡長(zhǎng)長(zhǎng)的松散坡面和巖土壓實(shí)的平臺(tái)，具有物質(zhì)成分復(fù)雜，盤(pán)面沉陷不均衡，植被恢復(fù)難等特點(diǎn)，對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了極為惡劣的影響，是工礦建設(shè)區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域［23］。排土場(chǎng)松散堆積體主要由礦井下采出的煤矸石，露天礦剝離的表土、巖石及覆土共同組成，也稱為“礦山工程擾動(dòng)土”，是石渣土的一種類型，與自然狀態(tài)下形成的土壤相比，其基本特點(diǎn)是土體中含有較高的硬質(zhì)礫石，土層淺薄，養(yǎng)分含量低，硬質(zhì)石塊與泥土混雜，結(jié)構(gòu)性差或無(wú)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在較大的孔隙，易發(fā)生優(yōu)先流形式的降水入滲，利于對(duì)深層土壤水分或地下水的補(bǔ)給［24］，但當(dāng)降水量少時(shí)又容易造成干旱，有著比較特殊的水分特征［25］，在一定程度上排土場(chǎng)土體的水分條件決定著土地的生產(chǎn)力水平。因此，露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)退化生態(tài)系統(tǒng)重建的關(guān)鍵要素在于土壤水資源的利用和保持。基于此，本文擬采用野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣和室內(nèi)定水頭入滲方法，以遼寧省阜新市海州露天煤礦為研究對(duì)象，研究排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下土體礫石的分布特征及其對(duì)飽和導(dǎo)水率和貯水能力的影響，以期為露天煤礦排土場(chǎng)水土資源的有效利用和植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省阜新市海州露天煤礦的西排土場(chǎng)，位于露天礦坑西南部（121°40′12″E，41°57′36″N），總面積約為13 km2，屬北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，夏季炎熱，年蒸發(fā)量1 790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3 476 ℃，無(wú)霜期154 d，年均日照時(shí)數(shù)2 865 h，年均風(fēng)速3 m s-1，年均降水量511.4 mm，且多集中于7、8月份，春秋兩季干旱少雨，造成一定程度上的土壤和植被水分虧缺。排土場(chǎng)區(qū)呈階梯狀，分為十多個(gè)大盤(pán)面，每個(gè)盤(pán)面矸石林立、溝壑縱橫，陡坎坡平均坡度45°，盤(pán)面海拔平均高度為+270 m，相對(duì)高差為3～60 m，最高處接近+325 m，最低處不低于+240 m，大部分盤(pán)面已停止排矸13a以上，盤(pán)面地表矸石有風(fēng)化，但仍?shī)A雜著碎石和少量大塊矸石，部分盤(pán)面近幾年來(lái)由于當(dāng)?shù)鼐用駸o(wú)序的挖掘撿采排土場(chǎng)內(nèi)的棄煤而形成了大量不均勻的坑、溝等地貌狀況。2004年，由國(guó)土資源部投資對(duì)該排土場(chǎng)開(kāi)展了土地復(fù)墾工作。排土場(chǎng)復(fù)墾之初為大型的寶塔-階梯狀土石混合堆積體，在復(fù)墾前期，利用大型采礦復(fù)墾機(jī)械進(jìn)行搬運(yùn)、平整、壓實(shí)工作，使“人造場(chǎng)地”恢復(fù)成較合理的地形地貌；之后再進(jìn)行客土回填工程，覆土厚度為30 cm，以此建立有利于植物生長(zhǎng)的表層和生根層，為后期生物復(fù)墾奠定基礎(chǔ)。

1.2 樣地布設(shè)與樣品采集

排土場(chǎng)客土均來(lái)源于附近的同一荒草地，土壤機(jī)械組成基本一致，綜合考慮植被類型、地形狀況、巖土排棄等因素，在保證立地條件基本一致的前提下，2014年4月在西排土場(chǎng)研究區(qū)內(nèi)根據(jù)人工植被恢復(fù)現(xiàn)狀，在排土場(chǎng)同一區(qū)域（復(fù)墾年限為10a）內(nèi)選取相鄰但相互之間無(wú)影響的4種不同復(fù)墾植被類型作為研究對(duì)象。具體采樣地見(jiàn)表1。

在不同復(fù)墾植被下布設(shè)20 m×20 m的代表性樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)布設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)之間呈三角形分布，在每個(gè)樣點(diǎn)處選取一個(gè)1m×1m的樣方，去除土壤表層約1～2 cm的枯枝落葉層后，在每個(gè)樣點(diǎn)處挖60 cm深的剖面，從表層依次往下開(kāi)始取樣，共取7層：0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm，每層取土樣2～3 kg，同時(shí)采用100 cm3的環(huán)刀和鋁盒在每一層各取3個(gè)樣品，本次試驗(yàn)共采集土樣84個(gè)，原狀環(huán)刀土樣84個(gè)，鋁盒土樣84個(gè)。

表1 各樣地基本概況Table 1 Basic situation of the plots

1.3 礫石體積含量測(cè)定

根據(jù)周蓓蓓等［11］、黨宏宇［26］、張志蓉［7］研究，結(jié)合實(shí)際情況，將＜2 mm、2～10 mm、10～20 mm、＞20 mm作為本次實(shí)驗(yàn)粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將所采集的土樣風(fēng)干后用木棍壓碎，然后將每個(gè)土樣取三份樣品，每份樣品重200 g左右，隨后分別過(guò)20 mm、10 mm、2 mm篩，并用排水法測(cè)量其體積，從而獲得各粒徑級(jí)礫石及細(xì)土占總土體的體積分?jǐn)?shù)。排水法測(cè)量樣品體積時(shí)，土體應(yīng)在保持一定濕潤(rùn)的條件下進(jìn)行測(cè)量，避免土壤水分或土壤吸水造成的誤差。

1.4 土壤水分物理性質(zhì)測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；總孔隙度：ρ%=93.947-32.995d［27］，d為土石混合體容重；毛管孔隙度采用室內(nèi)環(huán)刀原狀土吸水法測(cè)定；非毛管孔隙度（包括大孔隙）為總孔隙度減去毛管孔隙度。

1.5 土壤飽和導(dǎo)水率測(cè)定和貯水能力計(jì)算

土壤飽和導(dǎo)水率（Ks）：室內(nèi)環(huán)刀定水頭法，水頭高控制在5 cm；土壤貯水能力計(jì)算［33］：

式中，Wc為土壤水分最大吸持貯水量，mm；Pc為毛管孔隙度，%；Wnc為土壤水分最大滯留貯水量，mm；Pnc為非毛管孔隙度，%；Wt為土壤水分飽和貯水量，mm；Pt為總孔隙度，%；h為土層深度，m；r為水的比重，t m-3。

2 結(jié) 果

2.1 排土場(chǎng)土體剖面礫石分布特征

排土場(chǎng)是人工堆砌而形成的堆土體，其基質(zhì)大多與原地貌土壤不同，主要為矸石、深層巖石等大粒徑土壤顆粒，其他小粒徑土壤顆粒一部分為矸石風(fēng)化而形成，一部分為復(fù)墾的客土。停排若干年后，排土場(chǎng)土壤在自然重力以及人為活動(dòng)下進(jìn)行了重新排序。

圖1 排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下礫石含量隨土層深度變化規(guī)律Fig. 1 Variation of gravel content with soil depth in reclaimed dump relative to vegetation restored

從圖1可以看出，排土場(chǎng)4種復(fù)墾植被下土體中礫石總量（＞2 mm礫石體積含量）在0～50 cm深度內(nèi)基本隨土壤深度增加而增加，但在50～60 cm深度內(nèi)略有降低，這與以往的研究并不一致［2］，這是由于排土場(chǎng)為人工再造土體，與自然狀態(tài)下土壤發(fā)生層次和質(zhì)地有著明顯的差別，一般而言，排土場(chǎng)排土工藝是將大塊巖石或碎石排棄在下方，而細(xì)顆粒土體或表土排棄在上方。而且礫石總量隨土壤深度的變化有一定規(guī)律，其中喬木林地和荒草地可以用冪函數(shù)很好地?cái)M合，其擬合表達(dá)式分別為：①G=15.255H0.352，R0.012=0.805**，F(xiàn)=25.739，Sig=0.004，②G=15.706H0.268，R20.01=0.732**，F(xiàn)=17.413，Sig=0.009；灌木林地可以用對(duì)數(shù)很好地?cái)M合，其擬合表達(dá)式為：③G=7.913 Ln（H）+34.582，R20.01=0.44**，F(xiàn)=18.405，Sig=0.008；農(nóng)用地可以用線性方程很好地?cái)M合，其擬合表達(dá)式為：④G=0.369H+11.716，R20.01=0.831**，F(xiàn)=30.445，Sig=0.003。式中，H為土層深度（cm），G為礫石體積含量（%）。

圖2 排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下土體剖面礫石含量Fig. 2 Gravel content in reclaimed dump relative to vegetation restored

圖3 排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)不同土層間礫石含量Fig. 3 Gravel contents in different soil layers in reclaimed dump

由圖2可知，從排土場(chǎng)土體礫石總量的剖面平均值（即以0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm這7個(gè)土層礫石總量的算術(shù)平均值）來(lái)看，農(nóng)用地的最小，平均值為23.04%，其次為荒草地，平均值為 37.67%，而喬木林地和灌木林地則分別達(dá)到了近50%和60%，表現(xiàn)為林地＞荒草地＞農(nóng)用地。從差異分析結(jié)果來(lái)看，喬木林地和農(nóng)用地之間差異顯著（p＜0.05）；灌木林地、農(nóng)用地和荒草地之間均有顯著差異（p＜0.05）。由圖3可知，排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)礫石總量以表層0～20 cm深度內(nèi)的礫石總量相對(duì)較低，其中0～5 cm深度內(nèi)的礫石總量最低，為28.97%，以20～60 cm深度內(nèi)的礫石總量相對(duì)較高，40～50 cm深度內(nèi)的礫石總量最高，達(dá)到了55.48%，方差分析表明，不同土層之間礫石總量無(wú)顯著差異（p＞0.05），變異系數(shù)均在0.1～1之間，屬于中等變異，說(shuō)明排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)礫石總量在垂直空間分布較為均一。

2.2 排土場(chǎng)土體剖面相對(duì)礫石含量分布特征

排土場(chǎng)客土均來(lái)源于附近的同一荒草地地塊，土壤機(jī)械組成基本一致，在停止排矸初期其礫石含量相對(duì)較為均一，但復(fù)墾后由于整地、耕作、植被生長(zhǎng)、降水、風(fēng)等綜合因素的影響，使得不同復(fù)墾植被下土體礫石分布存在一定的空間異質(zhì)性。由圖4可以看出，4種復(fù)墾植被土體在0～10 cm土層內(nèi)2～10 mm礫石相對(duì)含量較高，均超過(guò)了50%，并在10～60 cm土層范圍內(nèi)隨著粒徑的增大，礫石相對(duì)含量均呈下降趨勢(shì)，這可能由于礫石受到雨水沖刷，可溶性物質(zhì)和細(xì)微土粒遭到淋洗，團(tuán)聚體形成緩慢，加之凍融交替現(xiàn)象的存在，巖土中水凍結(jié)和融化，使得水分、鹽分、土顆粒遷移，細(xì)小土粒和礦物的微裂隙中的水膜的楔開(kāi)壓力，導(dǎo)致細(xì)小土粒和礦物的破壞，粒徑變小，促進(jìn)了巖石的風(fēng)化。不同復(fù)墾方式下礫石相對(duì)含量表現(xiàn)為喬木林地（58.72%）＞農(nóng)用地（52.87%）＞灌木林地（51.15%）＞荒草地（50.79%）。這可能是因?yàn)閱棠玖挚萋湮锖透档淖饔茫沟玫[石在物理、化學(xué)和生物的綜合作用下風(fēng)化的垂直深度更深，而農(nóng)用地由于頻繁耕作，其土壤表層大粒徑礫石逐漸減少，小粒徑礫石含量相對(duì)增加。

從4種復(fù)墾植被下土體0～60 cm土層范圍內(nèi)不同粒徑礫石的相對(duì)含量平均值來(lái)看，以粒徑10～20 mm礫石的相對(duì)含量最低，不同復(fù)墾植被之間無(wú)顯著差異（p＞0.05），且均在30%以下。除喬木林地2～10 mm礫石的相對(duì)含量（35.32%）與＞20 mm礫石相對(duì)含量（36.74%）基本持平外，其余3種復(fù)墾植被下均表現(xiàn)為粒徑2～10 mm礫石的相對(duì)含量高于＞20 mm礫石的相對(duì)含量。排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土體0～60 cm剖面范圍內(nèi)不同粒徑礫石相對(duì)含量的平均值大小順序?yàn)椋?～10 mm，39.94%）＞（＞20 mm，34.33%）＞（10～20 mm，25.72%），說(shuō)明排土場(chǎng)自從實(shí)施土地復(fù)墾工程以來(lái)，其土體大粒徑礫石在各種因素的綜合作用下正逐漸變?yōu)榧?xì)粒徑，但大粒徑礫石所占比例仍較高，說(shuō)明排土場(chǎng)這種特殊的人工再造“土體”形成為真正意義上的“土壤”是個(gè)極其緩慢的過(guò)程。

圖4 排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下土體剖面不同粒徑礫石相對(duì)含量Fig. 4 Relative contents of gravels by particle size in reclaimed dump relative to vegetation restored

2.3 排土場(chǎng)土體礫石對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

飽和導(dǎo)水率是反映土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)，在一定程度上體現(xiàn)了土壤的入滲能力和滲漏情況。由圖5可以看出，土體飽和導(dǎo)水率大小為：?jiǎn)棠玖值匚挥?.15～0.36 mm min-1之間，灌木林地位于0.30～0.41 mm min-1之間，農(nóng)用地位于0.16～0.23 mm min-1之間，荒草地位于0.19～0.25 mm min-1之間，不同復(fù)墾植被下土體飽和導(dǎo)水率隨土層加深無(wú)明顯變化規(guī)律，但均表現(xiàn)為土體下層（30 cm以下土層）的飽和導(dǎo)水率要高于上層（30 cm以上土層）的。排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)0～60 cm土層深度范圍內(nèi)土體飽和導(dǎo)水率均表現(xiàn)為灌木林地最高，在0.30 mm min-1以上，而農(nóng)用地和荒草地相對(duì)較低，在0.25 mm min-1以下。從圖6可以看出，排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土體飽和導(dǎo)水率不同土層間無(wú)顯著差異（p＞0.05），但在0～60 cm深度范圍內(nèi)呈極顯著線性增加趨勢(shì)（p＜0.01），這可能與礫石沿土體剖面分布及粒徑大小有關(guān)。

圖5 不同復(fù)墾植被下飽和導(dǎo)水率隨土層深度變化Fig. 5 Variation of saturated hydraulic conductivity with soil depth in reclaimed dump relative to vegetation restored

圖6 不同復(fù)墾植被下飽和導(dǎo)水率均值隨土層深度變化Fig. 6 Variation of mean saturated hydraulic conductivity with soil depth in reclaimed dump relative to vegetation restored

礫石的存在使得原本均質(zhì)的土壤的某些物理特性，如大孔隙數(shù)量、過(guò)水?dāng)嗝妗⑼寥罊C(jī)械性能等發(fā)生改變。礫石一方面會(huì)增加水流彎曲度而限制水分入滲，另一方面會(huì)因有更多的大孔隙流通道而促進(jìn)水分入滲和再分布，具體結(jié)果依賴于礫石類型、尺寸、含量及其在土層中的位置。已有的研究表明，礫石的存在對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響可能是正向的也可能是負(fù)向的，也可能存在一個(gè)閾值，所得出的結(jié)論有所差異。周蓓蓓和邵明安［28］研究表明，土壤飽和導(dǎo)水率隨碎石含量先增大后減小，且兩者呈二項(xiàng)式關(guān)系；時(shí)忠杰等［8］研究表明，在0～60 cm土層內(nèi)，當(dāng)?shù)[石含量＜15%時(shí)，穩(wěn)定出流速率隨礫石含量增大而增加，之后轉(zhuǎn)而減少。由圖7可知，本研究的海州露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土體飽和導(dǎo)水率與＞2 mm礫石總量呈極顯著線性正相關(guān)（p＜0.01），其中在不同粒徑中與2～10 mm礫石含量（p＜0.01）、10～20 mm礫石含量（p＜0.01）、＞20 mm礫石含量（p＜0.01）也均呈極顯著線性正相關(guān)，這說(shuō)明礫石的存在，在一定程度上增加了排土場(chǎng)土體剖面水分的運(yùn)移速度，且隨著礫石粒徑的增大其相關(guān)性越強(qiáng)，這可能主要?dú)w因于土壤中礫石的存在增加了非毛管孔隙的比例和大孔隙數(shù)量，有利于水分的下滲。針對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的研究，研究人員的試驗(yàn)結(jié)果并不一致：已有的研究表明，所得出的結(jié)論有所差異。Epstein等［29］對(duì)田間土壤入滲研究認(rèn)為，碎石的存在有利于入滲；Abrahams和Parsons［30］針對(duì)未經(jīng)擾動(dòng)的小區(qū)進(jìn)行研究，得出礫石含量與土壤水分入滲呈正相關(guān)，這些研究均認(rèn)為礫石的存在有利于水分入滲。而周蓓蓓和邵明安［31］對(duì)黃土區(qū)進(jìn)行室內(nèi)模擬研究礫石對(duì)土壤入滲的影響認(rèn)為當(dāng)?shù)[石含量＜10%有利于入滲，＞10%會(huì)降低入滲；劉建軍等［32］則認(rèn)為這個(gè)閾值為30%。

圖7 礫石對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響Fig. 7 Effect of gravels on saturated hydraulic conductivity

參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，在控制一定土壤物理特性的條件下，礫石含量與土壤飽和導(dǎo)水率關(guān)系復(fù)雜，普遍認(rèn)為存在某一閾值，使得兩者之間相關(guān)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)折；而原狀土試驗(yàn)中，大多數(shù)研究認(rèn)為礫石有利于土壤水分入滲。本文認(rèn)為排土場(chǎng)土石混合土體中的不同粒徑礫石的不均勻分布，使得大孔隙及土壤水通道數(shù)量增加，粒徑越大，形成的通道半徑更大，促進(jìn)了土壤水分的快速運(yùn)移。

2.4 礫石對(duì)土壤貯水能力的影響

土壤孔隙的大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，在一定土壤厚度條件下土壤的貯水特征取決于土壤孔隙。土壤貯水量（即飽和貯水量）可分為最大吸持貯水量和最大滯留貯水量，兩者具有不同的作用，土壤最大吸持貯水量主要提供植物所需水分，土壤最大滯留貯水量反映了暴雨條件下土壤暫時(shí)貯存水分、減少地表徑流的能力，兩者受到土壤容重及孔隙特征的影響，進(jìn)而影響土壤入滲和地表徑流等水文過(guò)程［33-34］。由圖8可知，排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下土體（0～60 cm）的飽和貯水量位于260～360 mm之間，以灌木林地最高，農(nóng)用地最低，二者相差近100 mm；最大吸持貯水量位于210～280 mm之間，以灌木林地（273.10 mm）最高，荒草地（231.55 mm）次之，農(nóng)用地（212.78 mm）和喬木林地（211.78 mm）最低，說(shuō)明排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下土體的持水能力相差不大；最大滯留貯水量大小依次為荒草地（91.71 mm）＞灌木林地（86.70 mm）＞喬木林地（76.34 mm）＞農(nóng)用地（46.59 mm）。綜合分析可知，排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下土壤貯水能力均以灌木林地和荒草地最強(qiáng)，喬木林地和農(nóng)用地最差。而遼西海棠山各林分下0～40 cm自然土體［35］土壤貯水量為558～1 236 mm，排土場(chǎng)（0～40 cm）的貯水量為178～240 mm，前者為后者的2.3倍～6.9倍。這說(shuō)明，排土場(chǎng)土石混合土體的土壤涵養(yǎng)水源功能很差，可能由于礫石大量存在且風(fēng)化程度低，使得土壤發(fā)育程度低，土壤結(jié)構(gòu)性差，不利于生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。

圖8 排土場(chǎng)不同復(fù)墾植被下的土壤貯水量Fig. 8 Soil water storage in reclaimed dump relative to vegetation restored

由圖9可知，土壤飽和貯水量與＞2 mm礫石含量之間存在顯著對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），與2～10 mm礫石含量之間存在極顯著線性正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），與10～20 mm礫石含量之間存在顯著拋物線相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），其中與＞20 mm礫石含量之間，當(dāng)?shù)[石含量在＜14%范圍內(nèi)呈極顯著線性相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），當(dāng)?shù)[石含量在＞14%范圍內(nèi)呈顯著拋物線相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），且相關(guān)性逐漸降低。這說(shuō)明隨著礫石含量的增加，其對(duì)土壤飽和貯水量的影響逐漸減弱，這與以往研究結(jié)論并不一致［8］，可能是因?yàn)槠渌芯课纯紤]礫石粒徑對(duì)土壤飽和貯水量的影響，大粒徑的礫石會(huì)使得大孔隙半徑增大。研究結(jié)果顯示，土壤最大滯留貯水量與＞2 mm、2～10 mm、10～20 mm礫石含量之間存在顯著冪函數(shù)關(guān)系（p＜0.05）；與＞20 mm礫石含量之間，當(dāng)?shù)[石含量在＜14%范圍內(nèi)呈顯著冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），當(dāng)?shù)[石含量在＞14%范圍內(nèi)也呈顯著冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）。這是由于土壤最大滯留貯水量與非毛管孔隙度大小直接有關(guān)，而非毛管孔隙度大小主要受土壤中粗顆粒的影響較大，一般而言，土壤粗顆粒含量越高，則土壤非毛管孔隙度越多，土壤的通透性也越強(qiáng)，貯水能力也就越強(qiáng)，但粒徑過(guò)大會(huì)直接影響土壤結(jié)構(gòu)組成及分布，對(duì)土壤貯水量的提升可能會(huì)起到相反作用。已有研究表明，土壤礫石含量高，它作為非生物因素可能使土壤中的非毛管孔隙度增加，從而使土壤最大滯留貯水量增強(qiáng)，是決定土壤最大滯留貯水量的關(guān)鍵因素之一［3，12］。土壤最大吸持貯水量與＞2 mm的礫石含量之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，與＞2～10 mm礫石含量之間存在顯著拋物線相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），與10～20 mm的礫石含量之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，與＞20 mm礫石含量之間，當(dāng)?shù)[石含量在＜14%范圍內(nèi)無(wú)顯著線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)[石含量在＞14%范圍內(nèi)呈顯著拋物線相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）。這是由于土壤最大吸持貯水量的大小直接受毛管孔隙度的影響，而毛管孔隙度反映土壤的保水能力［36］，其大小主要受土壤中細(xì)顆粒的影響較大，一般而言，土壤中細(xì)顆粒所占比重大，則土壤毛管孔隙度越多，貯水能力也就越強(qiáng)。由此可見(jiàn)，礫石含量和粒徑均對(duì)土壤貯水能力有一定影響，特別是對(duì)于＞20 mm的粒徑而言，14%的礫石含量是影響土壤貯水能力的關(guān)鍵。

圖9 礫石對(duì)土壤貯水能力的影響Fig. 9 Effect of gravel on water storage capacity

3 結(jié) 論

本研究基于野外調(diào)查采樣和室內(nèi)定水頭入滲試驗(yàn)研究得出，海州露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土體中均含有一定量的礫石，且隨土體深度的加深呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，礫石總量的剖面平均值表現(xiàn)為林地＞荒草地＞農(nóng)用地，不同土層之間礫石總量變異性較小，但大粒徑礫石所占比例仍較高，說(shuō)明排土場(chǎng)這種特殊的人工再造“土體”形成為真正意義上的“土壤”是個(gè)極其緩慢的過(guò)程。而不同復(fù)墾方式對(duì)土壤形成過(guò)程的促進(jìn)作用不同，荒草地，灌木林地有利于提高土壤的貯水能力，喬木、農(nóng)用地有利于土壤大顆粒物質(zhì)風(fēng)化。礫石對(duì)土體飽和導(dǎo)水率影響顯著，且隨著礫石粒徑的增大其相關(guān)性越強(qiáng)。粒徑大小對(duì)土壤貯水能力均有一定影響，并且在一定的粒徑下，飽和貯水量、最大吸持貯水量、最大滯留貯水量與礫石含量之間可以用相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行較好地?cái)M合，特別是對(duì)于＞20 mm的粒徑而言，14%的礫石含量是影響土壤貯水能力的關(guān)鍵。

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（責(zé)任編輯：檀滿枝）

The Effect of Gravel on Saturated Hydraulic Conductivity and Water Storage Capacity in Reclaimed Dump Relative to Reclamation Mode

Lü Gang1，2WANG Lei1LU Xiping3LI Yexin1LIU Yazhuo1
（1 College of Environment Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000，China）
（2 Research Institute of Soil and Water Conservation Ecological Rehabilitation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000，China）
（3 Sichuan Hydraulic Research Institute，Chengdu 610072，China）

【Objective】In open mining，dump is generally a loose rock-earth accumulation body，consisting of coal gangue from mining，topsoil stripped for open mining，rocks and cover soil. The gravels contained in the dump have an important impact on soil hydraulic conductivity and water storage capacity.So far，studies on impact of gravels on soil water have focused mainly on gravels in nature soil，and little has been reported on soil hydrology and erosion of engineering accumulation bodies of mixed rock and soil like dump and dreg dumping site.【Method】This study was laid out on the Haizhou opencast coal mine.Field investigations were conducted and samples collected for in-lab water infiltration tests and analysis of distribution characteristics of gravels in dumps reclaimed with different vegetation and its impact on saturated hydraulic conductivity and water storage capacity of the soil in an attempt to provide certain theoretical basis for improving utilization efficiency of the water and soil resources.【Result】Results show that the total amount of gravels in dump increased with soil depth. The mean content of total gravels in soil profile was the lowest in agricultural land，which may be explained by frequent farming practices. No significant difference was observed in total amount of gravels between different soil layers；In terms of relative mean content of gravels by particle size，the gravels in the dump exhibited an order of（2～10 mm）＞（＞20 mm）＞（10～20 mm），which demonstrates a trend that large-sized gravels are gradually turning into fine ones as affected by a variety of factors. Saturated soil hydraulic conductivity was the highest in shrub land，which was followed by agricultural land and grassland，and it was significantly，positively and linearly related to gravel content. The relationship got closer with increasing particle size of the gravels. Soil water storage capacity was the highest in shrub land and grassland and the lowest in arbor forest land and agricultural land，and it exhibited a significant or extremely significant relationship with content of gravels by particle size；Maximum water-retention capacity was in significant power function relationship with content of gravels by particle size；maximum water-holding capacity was in significant parabolic relationship with the content of gravels 2～10 mm in particle size. For gravels ＞20 mm in particle size，14% was the threshold in content affecting soil water storage ability of the soil body.【Conclusion】The distribution of gravels in dump varies with reclamation mode；Gravel content has a positive effect on saturated hydraulic conductivity of the dump；and gravel content and particle size does too on soil water storage capacity.

Gravel；Saturated hydraulic conductivity；Water storage capacity；Surface coal mine；Dump；Land reclamation

A

10.11766/trxb201705030084

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51474119）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51474119）

呂 剛（1979—），男，吉林九臺(tái)人，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與土壤水文學(xué)的教學(xué)和科研工作。E-mail：lvgang2637@126.com

2017-05-03；

2017-06-30 ；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-07-25