新构土体土壤质量及水分与溶质运移研究

Abstract

晋陕蒙能源区是我国重要的能源基地，煤炭开采带来经济效益的同时也对当地环 境造成了极大的破坏，加之该地区属于干旱、半干旱的生态脆弱区，矿区土地复垦更 是成为一种需要。为更好地认识煤矿开采对土壤质量的影响以及新构土体的水分与溶 质运移规律，本文通过分析不同土地利用类型土壤剖面的土壤质量进行了评价，分析 了植被恢复对土壤全氮及有机质含量的影响；分析不同土地利用类型土壤不同溶质运 移特征及运移参数的影响因素；研究不同砒砂岩添加含量对风沙土溶质运移的影响以 及砒砂岩添加厚度作为隔层对排土场土体溶质运移的影响，模拟了不同构型土体的混 合、分层结构以及复垦土壤土石混合结构的入渗过程，主要得到以下结论： （1）与当地撂荒草地相比，由于煤矿开采，复垦排土场土壤质量出现不同程度 的退化。主要表现为：土壤质地变粗，大多数属于砂质壤土；土壤容重变大，20-60 cm 土层容重最大，60 cm 以下土层容重降低；土壤 pH 升高，接近 8.5；土壤 CEC、有 机质和全氮的含量低于撂荒草地；排土场与非排土场土壤的硝态氮、铵态氮、全磷、 全钾含量分布无明显规律。与撂荒草地的比较，农地土壤质量有所提高。农地、东排 土场刺槐林地、东排土场草地、北排土场草地、北排土场杨树林地的土壤退化指数分 别为 14.18%、-13.56%、-8.75%、-25.63%、-24.91%。 （2）在排土场植被恢复选择中，与灌乔木植物相比，草本植物对土壤全氮和有 机质含量的增加作用更强，尤其是沙打旺、苜蓿等豆科植物对土壤全氮和有机质的提 高效果较好。杨树样地全氮和有机质含量均最低，说明杨树对土壤全氮含量的提高效 果不好。表层0-10 cm土壤的全氮和有机质含量高于10-20 cm土层含量，说明植被恢复 对0-10 cm土层改良效果更明显。随着复垦年限的增加，土壤全氮和有机质的含量也 随之增加。 （3）获得了不同土地利用类型以及不同深度土柱 NO 3 - -N 和 NH 4 + -N 两种离子 的运移特征，并使用模型对运移参数进行了模拟，得出了影响溶质运移的主要因素。 表层（0-20 cm）土柱较深层土柱平均穿透时间较短，其他深度土柱穿透时间分布规律不明显。NH 4 + -N 的穿透时间较 NO 3 - -N 穿透时间延长，并且存在拖尾现象。平衡 CDE 模型对 NO 3 - -N 运移过程较两区模型（T-R）拟合效果更好，不同土柱的 NO 3 - -N 运移过程不存在非物理平衡现象。在溶质运移中，对流是为主要的运移方式。NH 4 + -N 的穿透过程中存在化学非平衡现象，两点模型（T-S）可以较好地拟合 NH 4 + -N 的运 移过程。土壤质地是影响 NO 3 - -N 运移最主要的因素。平均孔隙流速随着容重的增加 呈负指数函数关系递减，初始穿透时间和完全穿透时间与容重之间可以用多项式函数 进行描述。弥散度随着砂粒含量的增加呈负指数函数关系递减，平均孔隙流速随着砂 粒含量的增加呈指数函数关系增加，Pe 数随着砂粒含量的增加呈线性函数的关系增 加，说明质地越粗的土壤，溶质运移运移的主要方式更倾向于对流。土壤理化性质中 阳离子交换量（CEC）和土壤质地是影响 NH 4 + -N 运移最主要的因素。阻滞因子（R） 与砂粒含量和平均孔隙流速呈极显著负相关关系，与阳离子交换量、容重、粉粒和粘 粒含量呈极显著正相关关系。阻滞因子与阳离子交换量和平均孔隙流速间可分别使用 指数函数和幂函数关系进行描述 。 （4）添加砒砂岩可以阻滞溴离子和钠离子在风沙土中的运移，阻滞效应随着砒 砂岩含量的增加愈明显。两种离子的穿透时间均随着砒砂岩含量的增加而延长；钠离 子穿透过程中为达到相同相对浓度，所需的孔隙体积数也随着砒砂岩含量的增加而增 大。CDE 模型和两区模型（T-R）可以较好地拟合 Br - 穿透曲线，两区模型拟合的精 度略好于 CDE 模型；拟合参数显示对流是土柱中主要的运移方式；两点模型（T-S） 可以较好地模拟 Na + 穿透曲线。分析砒砂岩对风沙土阻滞溶质运移的原因主要是：添 加砒砂岩可以降低土壤的平均孔隙流速；砒砂岩中含有较高含量蒙脱石，同时 CEC 含量高于风沙土，导致砒砂岩对钠离子具有较强的吸附能力。 （5）添加砒砂岩作为隔层可以阻滞溶质在土柱中的运移，随着砒砂岩厚度的增 加阻滞效果越好。CDE 模型和两区模型（T-R）可以较好地拟合 Br - 穿透曲线，两区 模型拟合的精度略好于 CDE 模型；拟合参数显示对流是土柱中主要的运移方式。层 状土的水动力弥散系数不是简单的均质土体的水动力弥散系数的平均值，层状土的弥 散度与均质土体弥散度之间的关系尚不明确。两点模型（T-S）可以较好地模拟 Na + 穿透曲线，拟合得出的砒砂岩阻滞因子远大于黄土及土石混合结构，随着砒砂岩隔层 厚度的增加阻滞因子也增大，因此可以选择合理厚度的砒砂岩隔层阻滞溶质的运移。 （6）添加砒砂岩可以降低新构土体的入渗性能。砒砂岩的入渗能力低于黄土和 风沙土，黄土和风沙土中分层填装或均匀混合添加砒砂岩的方式均可降低其入渗能 力；黄土与料姜石以及黄土与煤矸石的土石混合结构在土石质量比为 70:30、容重分别为 1.61 g/cm 3 和 1.54 g/cm 3 时拥有较低的入渗能力。入渗过程中湿润锋推进距离与 累积入渗量间的关系可采用线性函数进行表达；利用 Philip 方程和 Kostiakov 入渗模 型均可以较好地拟合均质土体的入渗过程，Kostiakov 入渗模型对层状结构土体也有 较好地拟合结果。表层为 50cm 黄土、中间 20cm 砒砂岩，下层设置容重较高的土石 混合结构可以作为一种良好的排土场重构结构，为土石混合结构水分运动提供了一定 的理论基础。 关键词：土壤质量；水分运动；溶质运移；砒砂岩；新构土体；晋陕蒙能源区</p