用3種測定方法分析排土場復墾區的表層土壤的飽和導水率

李葉鑫， 呂 剛， 王道涵， 李朝輝， 宋 鴿, 杜昕鵬， 董 亮

(1.遼寧工程技術大學 礦業學院，123000，遼寧阜新；2.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院，123000，遼寧阜新； 3.撫順礦業集團有限責任公司，113006，遼寧撫順；4.西南大學 資源環境學院，400715，重慶)

土壤飽和導水率是土壤在飽和狀態下，單位時間內通過單位面積的水量，反映了土壤入滲性能和導水能力[1-2]，其大小直接影響地表徑流量和土壤水分分布特征[3]。土壤飽和導水率受土壤密度及孔隙分布特征[4]、土壤質地[5]、有機質含量[6]、植被類型[7]等多個因素共同影響，具有較強的空間變異性[8]。目前，土壤飽和導水率的測定方法主要有室內環刀法、雙環入滲法、Guelph入滲儀法、圓盤入滲儀法、Hood入滲儀等[9-11]。Hood入滲儀法是一種新型張力式滲透計，是通過負壓力來測定土壤飽和導水率，具有省時省力、不擾動土體、讀數相對準確等優點，其測定結果最為接近土壤飽和導水率的實際值[12-13]。以往關于Hood入滲儀測定土壤飽和導水率的研究多集中在林地、草地、耕地等自然土壤。Schwarzel等[12]在分析圓盤入滲儀的測定原理及優缺點的基礎上提出了Hood入滲儀法，該方法解決了圓盤入滲儀的測定弊端，測定結果更加接近土壤導水率的實際值。高朝俠等[14]利用Hood入滲儀研究黃土區不同土地利用方式下的土壤飽和導水率，認為林地和草地的土壤飽和導水率大于耕地。覃淼等[15]對桂北地區不同土地利用類型的土壤飽和導水率進行研究，結果卻表明農田的土壤飽和導水率大于林地和草地；但未見該方法在排土場、棄渣場、棄石場等礦山工程擾動土的應用。礦山工程擾動土是指以采礦業等產生的固體廢棄物為母質，經人工整理、改良促進其風化、熟化而成的一類土壤，其表層可能是土狀堆積物，也可能是石礫、石碴、石屑[16]，排土場就是一種典型的礦山工程擾動土，其形成與復墾的過程就是土壤重構的過程。排土場土壤結構經過破壞-重構以及表層嚴重壓實后，其土壤密度[17]、入滲特征[18]、土壤團聚體[19]、土壤水文過程[20]均發生明顯改變，其中對排土場復墾區土壤水分運動及其入滲能力影響最為顯著[17]。王洪丹等[21]研究結果表明排土場土壤密度、孔隙度和礫石含量存在不同程度的變異性。楊國敏等[22]指出排土場礫石含量高，大孔隙發達，容易發生優先流形式入滲。呂剛等[23]研究了不同復墾方式條件下排土場飽和導水率特征，認為一定程度上排土場水分條件決定土地生產力水平。可見，排土場土壤水分運動具有較強的空間變異性，研究排土場表層土壤飽和導水率不僅能夠深入認識其土壤水文過程，也可為后期研究排土場深層土壤導水能力、土壤水分有效利用提供數據支撐。

基于此，作者以海州露天煤礦排土場3種復墾植被類型表層土壤為研究對象，分析其土壤理化性質及其對飽和導水率的影響，評價不同植被類型土壤導水能力，對比分析室內環刀法、雙環入滲儀、Hood入滲儀測定結果的差異性，探尋排土場土壤飽和導水率最優測定方法，以期為進一步研究排土場土壤水分運動規律及水分滲漏特征提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于遼寧省阜新市海州露天煤礦排土場，總面積約為13 km2。排土場呈階梯狀，邊坡坡度為35°～45°。研究區年均降水量511.4 mm，主要集中在6—8月，占全年73.25%，年蒸發量1 790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃積溫3 476 ℃，年均風速3 m/s，無霜期154 d，主要土壤類型為典型褐土。2004年，由國土資源部投資對該排土場開展土地復墾工作。在復墾前期，利用大型采礦復墾機械進行搬運、平整、壓實工作，使“人造場地”恢復成較合理的地形地貌；之后再進行客土回填工程，客土來源于附近南瓦村一荒草地，土壤類型為褐土，覆土厚度為30 cm，以此建立有利于植物生長的表層和生根層，為后期生物復墾奠定基礎。復墾土地規模為998.17 hm2，具有喬灌草、灌草、喬木、灌木、牧草、農田等多種復墾模式，復墾樹種為刺槐(Robiniapseudoacacia)、榆樹(Ulmuspumila)、油松(Pinustabulaeformis)、刺槐和榆樹混交、紫穗槐(Amorphafruticosa)、火炬樹(Rhustyphina)、檸條(Caraganakorshinskii)等，排土場內沒有灌溉系統，全部水分均來自天然降水。

2 材料與方法

2.1 樣地布設與土壤樣品采集

在綜合考慮排土場排棄工藝、地形地貌、植被恢復狀況等多個因素前提下，于2017年7—8月在排土場復墾區(復墾年限為13年)選取相鄰但相互之間無影響的3種復墾植被類型(刺槐林地、榆樹林地和荒草地)作為研究對象，以荒草地為研究對照，研究排土場復墾區不同植被類型土壤飽和導水率及其影響因素。在不同復墾植被下布設1個20 m×20 m樣方，在每個樣方內選取3個試驗點，各試驗點間呈品字形分布，每個試驗點下采集0～10 cm土層土壤樣品，以分析排土場表層土壤理化性質。土壤含水率采用烘干法(105 ℃)測定，土壤密度和孔隙度采用環刀法測定，礫石(>2 mm)體積含量采用水洗法和排水法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤機械組成采用吸管法測定(按照國際制土壤分級標準劃分，砂粒2.000～0.020 mm，粉粒0.020～0.002 mm，黏粒<0.002 mm)。每個指標均為3個重復。試驗點基本情況見表1。

2.2 土壤飽和導水率測定

排土場不同復墾植被土壤飽和導水率分別采用Hood入滲儀、室內環刀法和雙環入滲法測定，每種方法每個試驗點3個重復，共計27場試驗，記錄每次試驗水溫。Hood入滲儀為德國UGT公司生產的Hood IL-2700型入滲儀(圖1)，由Hood水罩(半徑為8.8 cm或12.4 cm)、U形管壓力計、導水管路、儲水管等組成。導水壓力由Hood里的馬氏瓶供水系統提供，有效的壓力可以從零到負壓直至土壤氣泡點(空氣入滲點)間自由選擇。與單環和雙環入滲相比，Hood入滲儀無需處理土壤表面，最大程度地降低了擾動作用對水分入滲的影響。具體實驗操作為：在每個試驗點選擇地勢平坦的地方，將鋼圈(半徑為8.8 cm的小鋼圈，有效入滲面積為242 cm2)壓入土壤一部分，在鋼圈中心處放置水罩，在水罩和鋼圈之間用直徑小于2 mm的飽和細沙密封；向U型管內注水至零刻度，注意不要進氣泡，如果有氣泡，將水倒出，重新注水；關閉所有閥門并連接管路，先給內管注水，再給外管注水，注意外管水面要略低于內管水面；調節水罩中間的水柱高度和U形管的液面差，所形成的壓力差即為試驗的壓力值，至此準備試驗全部完成。計時后，每隔一定時間(1 min)記錄一次液面下降高度，直到數據穩定為止。

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

注：表中“—”表示無數據。Notes: “—” indicates that no data is available。

1.外環 2.水罩 3.溢流室 4.立管 5.入滲容器 6.內管 7.外管 8.U型管 9,10,11.軟管 12.三腳架 V1,V2,V3.閥門 Us.U型管內的水壓差 K.止水夾 P.吸氣口 Hs.立管初始水頭高 Z.入滲容器水頭高 I.內管上口高度 B.馬氏瓶入滲高度 T.儲水高度 HK.內管下口距地面高度。1. Outer ring. 2. Water shield. 3. Overflow chamber. 4. Riser. 5. Infiltration container. 6. Inner tube. 7. Outer tube. 8. U-tube. 9, 10, 11. Hose. 12. Tripod.. V1, V2, V3: Valve. Us: Water pressure difference in U-tube. K: Water stop clip. P: Suction port. Hs: Initial head height in riser. Z: Water head high in infiltration container. I: Upper mouth height of inner tube. B: Infiltration height of markov bottle. T: Water storage height. HK: Lower mouth height of inner tube from the ground.圖1 Hood入滲儀Fig.1 Hood infiltrometer

2.3 飽和導水率計算與數據處理

1)室內環刀法和雙環入滲法。

室內環刀法和雙環入滲法的飽和導水率按下式[9]計算：

(1)

式中：Kt為t/ ℃時的飽和導水率，mm/min；Rs為穩定入滲率，mm/min；H為水頭高，cm，本次試驗為5 cm；C1和C2為量綱一經驗常數，分別為0.316π和0.184π；L為環刀打入土壤深度，cm，本次試驗室內環刀法為5 cm，雙環入滲法為10 cm；D1為環刀內徑，cm，本次試驗室內環刀法為5 cm，雙環入滲法為10 cm；α為常量，0.2 cm-1。

2)Hood入滲儀。

Wooding[24]1968年建立了圓形區域入滲(半徑為a)到無限遠土壤內部的穩定流量

(2)

式中：Q為穩定流量，cm3/min；a為圓形入滲面的半徑，cm；k為導水率，mm/min，是土壤或其他介質中水勢的函數，即k=Kteαψ，式中α為系數，cm-1；ψ為張力，cm。

通過實驗可以測得α，入滲測量由不同的ψ獲得。測量時可以使用任意不同的ψ進行，最大到土壤氣泡點(半徑a)，選擇2個鄰近值(h1，h2)，則有：

(3)

(4)

式(3)和式(4)相除可得

(5)

進而得到導水率計算公式：

(6)

(7)

3)飽和導水率換算。

土壤水運動與溫度關系密切，為對比分析將其他溫度下測定的飽和導水率換算成標準溫度(10 ℃)下飽和導水率，計算公式[25]如下：

(8)

式中：Ks為10 ℃的飽和導水率，mm/min；Kt為t/℃的飽和導水率，mm/min。

4)土壤飽和導水率評價。

采用層次分析法評價排土場表層土壤飽和導水率，步驟為：首先篩選評價指標，采用相關系數法確定各個指標之間的相關性及各指標權重[26]，計算單項評價指標之間的相關系數，然后求某評價指標之間相關系數的平均值，并以該平均值占所有評價指標相關系數平均值總和的比作為該單項評價指標的權重Wi；再對各個指標進行量綱一化，將量綱一化系數Ni與權重Wi相乘，求和后計算土壤飽和導水率綜合指數SHC，并對綜合指數進行排序確定綜合排序。量綱一系數Ni和土壤飽和導水率綜合指數SHC計算公式如下：

(9)

(10)

式中：Ni為指標i量綱一系數；Qij為3個樣地中第j個樣地指標i的數值；Qimax為3個樣地中指標i的最大值；Qimin為3個樣地中指標i的最小值；SHC為土壤質量綜合指數；Wi為各指標權重；n為指標個數，n=9。

土壤飽和導水率差異性采用SPSS 17.0單因素方差分析(one-way ANOVA)，指標之間的相關性、權重和土壤飽和導水率綜合指數采用Microsoft Excel 2003計算。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質分析

排土場不同復墾措施會改善土壤理化性質，進而影響飽和導水率。由表2可以看出，排土場不同復墾措施土壤含水比例為13.51%～15.48%，各樣地之間無差異；土壤密度大小依次為刺槐林地>荒草地>榆樹林地，刺槐林地、榆樹林地和荒草地礫石比例分別為52.39%、47.52%和54.03%，礫石含量較高，說明排土場經過多年的風化和植被恢復，仍然存在較多的礫石。榆樹林地土壤有機質質量分數為8.05 g/kg，其次為刺槐林地，荒草地僅為6.17 g/kg。各樣地的砂粒和粉粒的含量高于粘粒含量，其中砂粒比例在36.80%～41.43%之間，粉粒比例在48.87%～54.27%之間，黏粒比例在8.30%～9.70%之間，由國際制土壤分級標準可知，該土壤類型為粉砂質土壤。

表2 各樣地土壤物理性質Tab.2 Soil physical properties of the plots

3.2 土壤飽和導水率特征

表層土壤飽和導水率直接影響土壤入滲能力及水分再分布，進而影響排土場地表徑流量及土壤侵蝕過程，同時也決定深層土壤水分的動態變化特征[3]。由圖2可知，刺槐林地、榆樹林地和荒草地土壤飽和導水率(不同測定方法的平均值)依次為0.77、0.54和0.48 mm/min，刺槐林地、榆樹林地和荒草地之間無顯著差異(P>0.05)，刺槐林地土壤飽和導水率是榆樹林地和荒草地的1.43倍和1.60倍，說明刺槐林地具有較強的導水能力，這與刺槐林地良好的土壤結構以及較高的礫石含量有關。

不同小寫字母表示不同樣地之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示不同測定方法之間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences between different plots (P<0.05), and different capital letters indicate significant differences between different measurement methods (P<0.05).圖2 排土場土壤飽和導水率Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity of the dump

對比分析不同測定方法條件下土壤飽和導水率可知，各個樣地均表現為Hood入滲儀<雙環入滲法<室內環刀法，其中刺槐林地土壤飽和導水率依次為0.44、0.89和0.99 mm/min，榆樹林地依次為0.36、0.37和0.88 mm/min，荒草地則為0.34、0.53和0.57 mm/min。Hood入滲儀測定土壤飽和導水率不會擾動土體，最大程度地降低擾動作用對水分入滲的影響，其測定結果更加接近實際導水率。刺槐林地、榆樹林地、荒草地土壤飽和導水率大小依次為0.44、0.36和0.34 mm/min，表現為刺槐林地大于榆樹林地和荒草地。室內環刀法和雙環入滲法的測定結果要高于Hood入滲儀法，且同一樣地2種方法測定結果的最大值和最小值相差2.06倍和1.79倍，不僅增加了試驗數據的離散程度，也表明該方法由于自身原因而具有較大的測量誤差，丁文峰等[27]也認為雙環入滲法測定結果的誤差較大，最大值是最小值的13倍。

為分析排土場植被恢復年限對土壤導水性能的影響，利用呂剛等[23]在2012年采用室內環刀定水頭法測定該排土場榆樹林地土壤導水率的研究結果，將兩組數據進行獨立樣本t檢驗(α=0.05)，對比分析土壤飽和導水率隨復墾年限增加(8年與13年)的變化特征。表3為排土場不同復墾年限榆樹林地土壤飽和導水率t檢驗結果。由表3可知，本研究榆樹林地土壤飽和導水率為0.881 mm/min，呂剛等[23]研究結果為0.153 mm/min，兩者具有顯著差異性(P<0.05)，說明隨著復墾年限的增長，土壤飽和導水率顯著提高，其增加幅度可達474.57%，表明植被恢復能夠改善土壤結構，顯著提高排土場土壤導水能力。

表3 排土場不同復墾年限榆樹林地土壤飽和導水率t檢驗Tab.3 t test of soil saturated hydraulic conductivity in Ulmus pumila forest land with different reclamation years of dump

注：表中空格為無此數據。Notes: The blank in the table refers to no data available.

3.3 土壤飽和導水率影響因素分析

本研究選取土壤含水率(X1)、土壤密度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、礫石含量(X5)、土壤有機質(X6)、砂粒含量(X7)、粉粒含量(X8)、黏粒含量(X9)與土壤飽和導水率(Y)(Hood入滲儀測定值)做相關分析，結果見表4。可以看出，土壤飽和導水率與土壤密度、礫石含量、粉粒含量、黏粒含量呈顯著或極顯著相關，其中土壤飽和導水率與礫石含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與粉粒含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與土壤密度和黏粒含量呈顯著負相關關系(P<0.05)。

表4 土壤飽和導水率與土壤物理性質指標的相關性分析Tab.4 Correlation analysis between soil saturated hydraulic conductivity and soil physical properties

注：*表示在0.05水平下顯著相關(雙側)；**表示在0.01水平下顯著相關(雙側)。Notes: * Significant correlation at 0.05 level (bilateral); ** Significant correlation at 0.01 level (bilateral).Yrefers to soil saturated hydraulic conductivity.X1refers to soil water content.X2refers to soil bulk density.X3refers to capillary porosity.X4refers to non-capillary porosity.X5refers to gravel content.X6refers to soil organic matter.X7refers to sand content.X8refers to silt content.X9refers to clay content. The same below.

相關分析的結果僅能說明土壤飽和導水率與土壤物理性質指標的相關關系，不能反映出兩者之間的實際關系；因此，再對上述指標進行多元逐步回歸分析，構建排土場飽和導水率方程，為Y=0.03X5-1.19(R2=0.801，F=28.237，Sig.<0.001)。由方差分析可知，該方程達到極顯著水平，具有統計學意義，說明礫石含量是影響排土場表層土壤飽和導水率的主要因子。

3.4 土壤飽和導水率評價

選取上述影響指標作為評價指標，各評價指標的相關系數及其權重見表4和表5。

表5 各評價指標的相關系數平均值和權重系數Tab.5 Average correlation coefficient and weight value of each evaluation index

由表6可知，排土場各個樣地土壤導水性能大小依次為榆樹林地>刺槐林地>荒草地，其綜合指數分別為0.523、0.501、0.488，即排土場榆樹林地導水能力最強，刺槐林地次之，荒草地最差，但相互之間無顯著差異(P>0.05)。說明通過采取適當的植被恢復措施，能夠有效地提高排土場表層土壤導水能力。

表6 排土場土壤導水性能綜合評價Tab.6 Comprehensive evaluation of soil water conductivity in the dump

4 討論

筆者采用3種方法測定排土場表層土壤飽和導水率，室內環刀法和雙環入滲法均利用經驗參數計算獲取，而Hood入滲儀法為實測數據[9]。利用試驗數據計算室內環刀法和雙環入滲法與Hood入滲儀計算結果的相對誤差，具體結果見表7。室內環刀法和雙環入滲法的計算結果均顯著大于Hood入滲儀法(P<0.05)，其相對誤差分別為67.65%～144.44%和2.78%～102.27%，其中Hood入滲儀測定的土壤飽和導水率為0.38 mm/min，其數值與呂春娟等[28]關于排土場滲透系數的研究結果最為接近。從本研究上看，Hood入滲儀法測定結果離散程度和誤差較小，且不需要擾動土體，也不存在水頭壓力，更符合土壤水分入滲的實際過程，適用于排土場表層土壤飽和導水率的測定。

表7 不同測定方法計算的排土場表層土壤飽和導水率及相對誤差Tab.7 Saturated hydraulic conductivity and relative error of surface soil by different measuring methods

注：小寫字母表示測定方法之間差異顯著(P<0.05)。Notes: Different lowercase letters indicate significant differences between different methods (P<0.05).

室內環刀法和雙環入滲法的測定結果偏大的原因是：排土場礫石含量較高，其存在的位置及體積也會加大室內環刀法和雙環入滲法的采樣難度和試驗難度，且砸入環刀所產生的震動能量會破壞擾動土壤結構，加大土體內部的松散程度，在土壤樣品與環刀內壁之間產生縫隙，形成土壤水分快速運動的優先路徑，雷廷武等[29]認為優先流的形成是導致該方法入滲結果偏高的主要原因之一；同時，室內環刀法和雙環入滲法均為一維入滲，水頭高能夠增加土壤入滲能力(本試驗為5 cm)，更是土壤一維有壓入滲的主導驅動力[30]。因此，室內環刀法和雙環入滲法由于其自身試驗缺點及打擊環刀產生的震動作用，并不適用于排土場這類結構松散、礫石含量較高的土壤類型。然而，Hood入滲儀只能獲取土壤飽和導水率，卻不能揭示土壤水分的入滲過程，且存在稍有側滲、入滲面積較小、代表性較差等不足，在后期研究中可加大試驗點個數，基于地統計學和GIS軟件等手段研究排土場復墾區不同植被類型表層土壤飽和導水率的空間分布及變異特征，并分析排土場土壤飽和導水率隨土層深度的變化規律，揭示排土場水分滲漏特征。

5 結論

1)排土場土壤密度和礫石含量偏高，土壤有機質含量較低。各樣地土壤飽和導水率在0.48～0.77 mm/min之間，刺槐林地是榆樹林地和荒草地的1.43倍和1.60倍；3種測定方法的結果均表現為Hood入滲儀<雙環入滲法<室內環刀法，Hood入滲儀法測定結果的離散程度和誤差最小，更適合用于測定排土場表層土壤飽和導水率。

2)排土場表層土壤飽和導水率與礫石含量和粉粒含量呈顯著正相關關系，與土壤密度和粘粒含量呈顯著負相關關系，其方程表達式為Y=0.03X5-1.19。排土場榆樹林地導水能力最強，刺槐林地次之，荒草地最差。