陳 丹, 呂春娟,2, 郭星星, 王 煜, 郭巖松, 梁建才

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院， 山西 太谷 030801;2.山西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學示范中心， 山西 太谷 030801)

近年來，由于采礦引起的土地污染和環(huán)境破壞以及由此產(chǎn)生的人地矛盾問題日益嚴重。采礦和復墾過程中由于機械設備反復碾壓導致復墾土體緊實度顯著增加，嚴重影響土壤理化性狀且降低植被恢復效果，制約著復墾質(zhì)量[1]。復墾區(qū)土壤機械壓實已成為國內(nèi)外土壤物理特性中的研究焦點，研究發(fā)現(xiàn)復墾土壤通常在物理特性上有異于一般農(nóng)田或植被土壤，其土壤容重大且穿透阻力大、入滲慢[2-3]。容重是反映土壤壓實程度的重要衡量指標，不同壓實狀態(tài)下水分在土壤中的運移特征影響著入滲及地下徑流等水循環(huán)過程，對礦區(qū)水土侵蝕和植被生態(tài)建設至關重要。

鐵尾礦是礦區(qū)開采礦石產(chǎn)生的大量固體廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，全球擁有超過2.30×1011t鐵礦石[4]，中國作為全球第二大鐵礦石生產(chǎn)國，由于選礦技術限制鐵尾礦排棄量大，綜合利用率不到10%，遠落后于西方發(fā)達國家的60%。山西是中國重要的“鐵礦之都”，鐵尾礦排棄量大，約占原礦的60%以上。由于尾礦砂晝夜溫差大，顆粒凝聚力弱，持水力差[5]，長期大量堆存的尾礦在機械化作業(yè)下容重高達1.90 g/cm3，經(jīng)降雨和地表徑流沖刷過后易板結緊實，表層致密少孔，易引發(fā)土壤侵蝕問題。目前容重對入滲影響研究主要以各類土壤及各種工礦區(qū)廢棄地如煤矸石、粉煤灰等廢棄地為主[6-7]，容重對水分入滲的影響本質(zhì)上是通過水流通道——土壤孔隙來實現(xiàn)。李卓等[8]研究發(fā)現(xiàn)隨容重逐漸增大，大孔隙含量與土壤入滲能力均呈下降趨勢。孫增慧等[9]研究了有機重構土體中土壤容重對水分入滲的影響，發(fā)現(xiàn)表層覆土容重從1.2 g/cm3到1.6 g/cm3，土壤水分入滲深度依次降低，且表層覆土容重1.5 g/cm3和1.6 g/cm3下的土體水分分布無明顯差異。胡振華等[10]模擬風化煤矸石入滲研究表明，容重過大會影響煤矸石的穩(wěn)滲狀態(tài)，1.20 g/cm3煤矸石穩(wěn)滲率是1.50 g/cm3煤矸石的103倍，容重與穩(wěn)滲率之間符合冪函數(shù)遞減關系。趙新宇等[11]對紅壤水平入滲研究表明，在相同入滲距離，容重越大，土層含水量越小。上述相關研究為非飽和土壤水分運移規(guī)律提供了科學依據(jù)，然而研究大多集中于煤礦區(qū)、紅壤和黃土等區(qū)域，針對鐵尾礦復墾區(qū)土壤入滲性能方面的研究較為鮮見，本文擬利用一維土柱水分垂直入滲試驗和水分特征曲線，分析壓實與鐵尾礦入滲能力和持水性能之間的定量關系，以期為鐵礦區(qū)水土流失治理和植被恢復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試樣品為鐵尾礦砂，采集于山西省垣曲縣國泰礦業(yè)集團泉子溝干排鐵尾礦復墾區(qū)，地理位置34°57′—35°27′N, 111°35′—112°20′E，位于黃河北岸，中條山北部，運城市東北隅。屬半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.5 ℃,全年平均風速為2.8 m/s，年均降水量631 mm。平均海拔489 m，地形為山間盆地，溝谷縱橫、地形破碎。鐵礦分布多而散、礦石品位不高，多年露天開采已形成大面積尾礦廢棄地，易發(fā)生風蝕和水蝕。采集樣品帶回實驗室，風干、碾碎、去除雜物過2 mm土壤篩備用，鐵尾礦初始含水率為0.63%，顆粒組成采用MS2000型激光粒度儀測定，砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0.002mm)含量分別為46.62%，38.95%，14.43%。

1.2 試驗設計

垂直一維水分入滲試驗于2018年4至5月在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院試驗站進行，室內(nèi)試驗溫度為19～23 ℃。試驗土柱為內(nèi)徑10 cm，高100 cm的有機玻璃圓筒，底部為均勻排列直徑1 mm細孔的法蘭式透氣底板，土柱側壁每隔10 cm開2個內(nèi)徑為5 mm的圓孔，便于TZS土壤水分速測儀測定入滲過程中剖面含水率的動態(tài)變化，水分數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 min。為保證裝土均勻，每5 cm一層根據(jù)所需要控制的容重壓實，層間打毛使其形成勻質(zhì)土體，尾礦砂裝填高度為70 cm。土柱上層蓋一層濾紙，并覆蓋1 cm厚的石英砂以防止供水初始對尾礦表面產(chǎn)生沖擊。為探究緊實度對尾礦砂水分入滲的影響，設定1.50，1.55，1.60，1.65，1.70 g/cm3這5個容重水平，模擬礦區(qū)不同壓實狀態(tài)下的鐵尾礦水分入滲過程，入滲過程中，利用馬氏瓶供水保證積水深度恒定為5 cm，按照由密到疏的原則分別以1，3，5，10，20，30 min時間間隔記錄相應入滲時間下的馬氏瓶讀數(shù)、濕潤鋒前進距離。

水分特征曲線采用張力計法測定，試驗土柱為高20 cm，內(nèi)徑10 cm的有機玻璃土柱，底部均勻的排列有直徑約1 mm的孔徑，將過2 mm篩的鐵尾礦每3 cm一層按設計容重壓實，土柱設計高度為15 cm。待土柱內(nèi)鐵尾礦砂樣品中水分充分飽和后插入張力計負壓管，待讀數(shù)穩(wěn)定后開始讀數(shù)，持續(xù)記錄水吸力變化，稱重法測定尾礦砂含水量，直至基質(zhì)勢不再升高趨于穩(wěn)定試驗結束。以上每個容重水平試驗重復3次。

1.3 水分入滲模型

水分入滲模型是在大量入滲資料基礎上提出的描述土壤入滲過程的物理概念表達，其中入滲參數(shù)從水動力學角度上可反映不同容重的水分入滲特征。本文選用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov模型用以模擬鐵尾礦水分垂直運動，探討容重對入滲模型參數(shù)的影響，并比較各模型對鐵尾礦水分入滲的適宜性。3種入滲模型表達式如下：

Green-Ampt模型

iZf=Ks(1+Sf/Zf)

(1)

式中：iZf——入滲速率(cm/min)；Ks——飽和導水率(cm/min)；Zf——概化的濕潤鋒深度(cm)；Sf——濕潤鋒處平均基質(zhì)吸力(cm)。下同。

Philip模型

it=0.5St-0.5+A

(2)

式中：it——入滲速率(cm/min)；S——吸濕率(cm/min1/2)；A——穩(wěn)定入滲速率(cm/min1/2)；t——入滲時間(min)。下同。

Kostiakov模型

it=kt-α

(3)

式中：k——入滲系數(shù)，第一單位時間末的土壤入滲率(cm/min)； ɑ——入滲指數(shù)。下同。

水分特征曲線擬合采用van Genuchten模型。van Genuchten模型有連續(xù)斜率，可得到的光滑曲線，對絕大多數(shù)土壤在相當寬的水勢范圍內(nèi)具有普遍適用性，其公式表示為：

(4)

式中：θh——土壤的體積含水率(cm3/cm3)；h——壓力水頭(cm)；θr——殘余含水率(cm3/cm3)；θs——飽和體積含水率(cm3/cm3)；α，n，m——經(jīng)驗擬合參數(shù)，其中，參數(shù)α為進氣值倒數(shù)，參數(shù)n為曲線形狀系數(shù)，參數(shù)m本身并沒有實際含義，但參數(shù)m與n存在m=1-1/n的數(shù)學關系。

采用Excel處理數(shù)據(jù)和作圖，SPSS21.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和模型擬合。

2 結果與分析

2.1 容重對鐵尾礦入滲過程的影響

2.1.1 容重對入滲速率的影響 圖1為鐵尾礦不同時間點上入滲率與容重間的變化特征，鐵尾礦在不同入滲時刻容重對入滲率的影響不同。入滲前期的入滲率隨容重增加遞減明顯，容重由1.50遞增至1.70 g/cm3，5 min和20 min鐵尾礦入滲率降幅為21.5%和15.6%，隨入滲時間延長，不同容重間的入滲率在100，210和450 min這3個時間點上變化較小，鐵尾礦3條入滲率變化線近乎成平行直線，方差分析顯示不同容重間的入滲率無顯著差異(p>0.05)。容重對鐵尾礦初始入滲率影響較大，隨著入滲時間的延長，容重對入滲率的影響逐漸減小。

圖1 不同容重不同入滲時段的鐵尾礦入滲率

穩(wěn)滲率是水分入滲速率相對穩(wěn)定的入滲特征參數(shù)，常用其描述土壤滲水強弱程度。圖2為鐵尾礦穩(wěn)滲率與容重的關系圖，鐵尾礦穩(wěn)滲率隨容重遞增而降低，容重與穩(wěn)滲率呈顯著負相關(p<0.05)。容重1.50 g/cm3水分傳導能力均大于其他幾個容重的鐵尾礦，不同容重穩(wěn)滲率介于0.03～0.04 cm/min之間，變異系數(shù)僅為13%，這與粉壤土[12]隨容重增加穩(wěn)定入滲率變化幅度較小的研究結果類似。

圖2 鐵尾礦砂穩(wěn)滲率與容重關系

2.1.2 容重對濕潤峰運移距離和累積入滲量的影響 累積入滲量是在一定時間內(nèi)，單位面積土壤入滲的水分總量，可以表征特定土壤的入滲能力。鐵尾礦水分累積量隨時間的變化如圖3。入滲開始時，累積量增加較快，不同容重累積量曲線在30 min內(nèi)幾乎重疊，隨入滲時間延長，累積量曲線斜率降低，不同容重間曲線差異逐漸增大。容重與累積入滲量的線性擬合結果表明二者存在極顯著負相關關系，其擬合方程為：y=-35.667x+83.613 ，(R2=0.98，p=0.001)，其中y為累積入滲量(cm)，x為容重(g/cm3)。

圖3 不同容重鐵尾礦累積入滲量隨入滲時間變化特征

濕潤峰為入滲水與干土交界的平面，指示水分入滲的最大深度。由圖4可知，濕潤峰距離隨時間的變化趨勢與累積量變化一致，入滲深度均隨入滲時間延長而增加。容重增大減弱鐵尾礦通透性，相同入滲時間內(nèi)濕潤峰前進距離縮短。為定量表達容重與濕潤峰深度之間的關系，對二者進行了回歸分析，經(jīng)檢驗，二者為顯著線性負相關關系，鐵尾礦濕潤峰深度隨容重變化的相關方程為：y=-41.4x+112.96(R2=0.989 8，p=0.000)，其中y為濕潤峰前進距離(cm)，x

為容重(g/cm3)，容重顯著影響鐵尾礦濕潤峰前進距離。

圖4 不同容重鐵尾礦濕潤峰前進距離與時間變化特征

2.2 容重對入滲模型參數(shù)的影響

通過試驗數(shù)據(jù)推求的模型參數(shù)如表1所示，Philip模型中的A表示穩(wěn)滲率，但在長時間入滲條件下A趨近于于飽和導水率[10]。將Green-Ampt模型和Philip模型擬合的鐵尾礦飽和導水率對比后發(fā)現(xiàn)，Philip模型的穩(wěn)滲率A均小于Green-Ampt模型的擬合參數(shù)Ks，這與曾健等[13]模擬的容重對紅壤水分垂直特性影響結果一致，這可能是鐵尾礦土體中空氣的閉塞作用使得尾礦孔隙不可能完全飽和導致的穩(wěn)滲率小于飽和導水率。將Green-Ampt模型和Philip模型擬合的飽和導水率分別與實測值對比，Green-Ampt模型與實測值的相關系數(shù)r(0.886)高于Philip模型(0.453)，并同時高于0.05顯著性水平下的臨界值r0.05=0.632，因此，Green-Ampt模型用于模擬不同容重下鐵尾礦水分垂直運動效果較好。

表1 不同容重下鐵尾礦的入滲模型參數(shù)比較

注：表中Ks為飽和導水率；Sf為濕潤鋒處平均基質(zhì)吸力；R2為決定系數(shù)；S為吸濕率；A為穩(wěn)滲率；K為入滲系數(shù)；n為樣本數(shù)。下同。

從3個入滲模型模擬鐵尾礦水分垂直入滲的擬合精度上來看，Kostiakov模型擬合效果最佳，決定系數(shù)R2均值最高，為0.989，其次為Philip模型，R2均值為0.981，Green-Ampt模型的決定系數(shù)R2最小，均值為0.942，擬合效果較差。Kostiakov模型中，入滲系數(shù)K表征第一單位時間末的入滲速率，鐵尾礦K值在0.574～0.412之間，且均表現(xiàn)為隨容重增大，K值依次減小的趨勢，能夠解釋試驗初始入滲率的變化。

2.3 容重對鐵尾礦剖面水分分布的影響

由圖5可以看出，容重對土壤剖面含水率有明顯影響，且相同容重下含水率隨土層深度增加而下降。鐵尾礦容重從1.50 g/cm3遞增至1.70 g/cm3，剖面水分分層現(xiàn)象越來越弱化，5個容重在0—40 cm深度上，含水率絕對變化值分別為12%，10.6%，10.5%，7.8%和9%，說明壓實使不同深度間含水率差異變小，主要體現(xiàn)在除表層以下10—40 cm土層范圍內(nèi)。5個容重水平各層含水率在400 min左右均能夠達到飽和狀態(tài)，并隨容重增加而降低，且表層0—10 cm土層含水率始終處于最大值，為水分飽和區(qū)，明顯高于10—40 cm土層，這與薛文強等[14]研究納米碳對土壤水分分布影響結果一致。這主要是因為表層土隨入滲持續(xù)的進行，與水分接觸面積大，時間長，容易達到過飽和狀態(tài)；10—20 cm較表層含水率有大幅下降，容重1.50，1.55，1.60，1.65，1.70 g/cm3分別下降了23.23%，23.49%，23.24%，23.17%，23.55%，為含水率水分過渡區(qū)；20—30 cm土層含水率較10—20 cm變化差異不大，降低了3.52%～15.79%，為水分傳導區(qū)域；大于30 cm土層接近濕潤峰最前緣，為濕潤區(qū)。

相同土層含水率有隨容重增加而減小的變化趨勢，容重從1.50到1.70 g/cm3，0—10 cm表層含水率變化范圍為25.9%～31% ，降幅為20%，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm降幅分別為16.8%，13.4%和11.6%。相同土層容重越大濕潤峰水分到達同一深度所需時間越長，曲線越短。1.65 g/cm3和1.70 g/cm3水平水分垂直分布差異小，20—40 cm土層飽和含水率變異系數(shù)分為28.5%和22.1%，壓實使鐵尾礦水分含量大幅減少，有明顯的阻水作用，因此從水分含量的角度出發(fā)，大于1.65 g/cm3的鐵尾礦將不利于尾礦體水分下滲，加大尾礦區(qū)產(chǎn)生坡面徑流和水土流失的風險。

2.4 容重對鐵尾礦水分特征曲線及模型參數(shù)的影響

土壤水分特征曲線反映土壤水在非飽和狀態(tài)下土壤水能態(tài)和數(shù)量間的關系。由圖6可知，鐵尾礦水分曲線在脫濕初始(<30 kPa)以重力排水為主，水分主要在大孔隙(d>0.01 mm)中運動，含水量較高(18.0%～26.2%)，不同容重間持水量差異明顯，之后隨吸力上升主要以蒸發(fā)釋水為主，吸附作用影響越來越大，較低的含水量條件下不同容重間持水量差異不明顯。除1.60 g/cm3外，相同吸力下鐵尾礦持水量隨容重增加而減少，其中1.60 g/cm3在各吸力段持水量顯著高于其他處理，1.55和1.65 g/cm3持水量差異較小，鐵尾礦在高度壓實1.70 g/cm3下，持水量顯著降低，尤其體現(xiàn)在高基質(zhì)勢(<30 kPa)階段。

圖5 不同容重鐵尾礦剖面水分變化

圖6 不同容重鐵尾礦水分特征

利用van Genuchten模型擬合實測不同容重鐵 尾礦水分特征曲線(表2)。由表2可知，擬合決定系數(shù)R2均大于0.989 9，殘差平方和SSE均小于0.001 9，均方差RMSE均小于0.071 3，精度較高。飽和含水率和殘余含水率均表現(xiàn)出隨容重增加而減小的趨勢，容重從1.50到1.70 g/cm3，飽和含水率和殘余含水率分別降低了11.8%和14.7%。說明壓實不僅使大孔隙數(shù)量減少，飽和含水率降低，同時也使鐵尾礦在較低水勢下保持的水分顯著減少，原因在于壓實減少了土體中的細小孔隙，減弱了高吸力下孔隙對水分的吸持和保蓄能力，降低殘余含水量。進氣值為土壤水由飽和轉為非飽和狀態(tài)的負壓值，參數(shù)α值隨容重由1.50遞增至1.70 g/cm3，鐵尾礦進氣值分別為7.5，6.8，6.1，5.3，4.1 kPa。形狀系數(shù)n隨容重增大而變大。

表2 不同容重van Genuchten模型擬合參數(shù)

注：θr為殘余含水率；θs為飽和體積含水率；α，n，m為經(jīng)驗擬合參數(shù)；R2為擬合決定系數(shù)； SSE為殘差平方和； RMSE為均方差。

容重變化會引起土壤孔隙分配和水分狀態(tài)的改變，進而影響植物吸收效率。田間持水量和凋萎持水量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對植物生長至關重要的水分常數(shù)，一般把吸力為30 kPa和1500 kPa所對應的含水量分別認為是田間持水量和凋萎持水量[15]，二者差值即為土壤有效含水量。利用van Genuchten模型計算的水分特征常數(shù)如表3。隨壓實程度的增加，鐵尾礦田間持水量減小，凋萎含水量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，但由于在高吸力范圍，干容重對水分曲線影響小，故不同容重間凋萎含水量波動較小。鐵尾礦最大有效含水量隨壓實程度增加呈現(xiàn)減少的規(guī)律，因此，壓實會減弱鐵尾礦中水分對植物的有效補給能力，不利于植物生長。

表3 不同容重鐵尾礦水分特征常數(shù)

3 討 論

容重對入滲率的影響因含水率不同而存在一定差異，試驗結果證明，容重從1.50增至1.70 g/cm3，鐵尾礦剖面相同深度含水率依次減小，且相同時間垂直入滲率降低。這與佘冬立等[16]研究容重對海涂土壤水分運動參數(shù)的影響類似，即土壤水平擴散率隨著土壤含水率增加而增大。研究表明[15]，在土壤水分入滲過程中，首先滿足土壤顆粒表面所吸附的膜狀水，其次為毛細管力吸持的毛管水，最后成為自由水。在低含水率即高容重下，鐵尾礦中吸滲的水分僅滿足前2類水分的吸持，因而入滲率較低；容重小則大孔隙數(shù)量多，含水率越大，充斥于孔隙中的自由水也較多，水分下滲空間較大，其水分入滲率加快。

壓實度是影響鐵尾礦水分入滲性能的重要因素，試驗結果表明容重增加會明顯削弱鐵尾礦入滲性能，這主要因為不同容重改變了鐵尾礦孔隙狀況，大孔隙和傳導孔隙是水分滲透的主要通道，容重小土體相對疏松多孔，過度壓實使大孔隙數(shù)量減少，水分滲透性減弱。同時容重對初始入滲率影響較為明顯，隨時間延長，100 min后不同容重入滲率無顯著差異。入滲初期土壤表層與濕潤峰前緣位差小而水勢梯度大，入滲快，而結構孔隙直接影響水勢大小，故容重對水分入滲影響明顯；隨入滲時間增加，土壤體積膨脹，且土壤空氣的包被作用進一步降低入滲率[17]，土水勢不斷減小直至基質(zhì)勢作用逐漸消失，不同容重水分主要受重力作用緩慢入滲，結構對入滲的影響相對弱化。不同容重鐵尾礦穩(wěn)滲率在0.03～0.04 cm/min之間，與城市砂土的0.67 cm/min，南方紅壤的0.13～0.68 cm/min，粉砂土的0.35～0.09 cm/min，壤土的0.05 cm/min等[13,18-19]均質(zhì)土壤穩(wěn)滲率相比，其滲透性較差，表明在面對強降雨時較容易產(chǎn)生地表徑流及泥沙侵蝕，因此，對裸砂地基質(zhì)進行復墾改良，降低壓實程度，改善尾礦通透性，提高水分下滲率是很重要的。

壓實度對鐵尾礦持水性能也有重要的影響，持水性整體上隨容重增加而減弱。這與呂殿青等[20]和付曉莉等[21]研究壓實對土壤持水性的影響結果一致，呂殿青認為，隨著土壤壓實程度的增加，黏粒含量高的土田間持水量和凋萎含水量隨之減小，而黏粒含量較低的黑壚土則呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但是土壤最大有效含水量始終是減小的，壓實會降低土壤水分儲存能力，不利于植物生長。土壤孔隙是土壤水分運動的空間，孔隙度的大小直接影響著土壤的導水特性，其中大孔隙雖僅占土壤體積的 0.1%～5%，卻在很大程度上影響著水分運移[22]。試驗發(fā)現(xiàn)鐵尾礦容重在1.50～1.70 g/cm3內(nèi)，1.60 g/cm3持水性在整個吸力范圍內(nèi)最高，原因可能為鐵尾礦結構不良，黏粒含量低，干容重低，則鐵尾礦結構過于分散，大孔隙數(shù)量多且儲水性能差。當容重增加到一定程度時，內(nèi)部大孔隙就會被擠壓成易于持水的中小孔隙，出現(xiàn)持水性能隨容重增加而增加的現(xiàn)象[23]，過度壓實則使土壤中非毛管孔隙、毛細管孔隙等各類孔隙大量減少，持蓄水分能力降低。因此，對本研究區(qū)而言，在復墾實踐中，對于結構松散的鐵尾礦，容重設置不應過小，否則易造成持水能力的下降，容重1.60 g/cm3最利于水分的保持和植物吸收利用。

4 結 論

(1) 容重與鐵尾礦入滲性能為負相關關系，容重越大，入滲速率越小，濕潤峰前進距離及累積入滲量依次減少，容重與穩(wěn)滲率、累積入滲量、濕潤峰距離呈顯著的線性負相關關系(P<0.05)。

(2) Kostiakov模型對模擬礦區(qū)鐵尾礦水分入滲過程具有較高適宜性，決定系數(shù)在0.985以上；Green-Ampt模型較Philip模型對鐵尾礦飽和導水率有更高的擬合精度(r=0.886)；van Genuchten模型可以很好地擬合不同容重水平下鐵尾礦水分特征曲線。

(3) 鐵尾礦土層含水率隨深度增加而減少，鐵尾礦土柱容重越高。0—10 cm表層含水率最易達到飽和狀態(tài)，相對其他土層其含水率最大；10—40 cm土層含水率差異變化較小，1.65 g/cm3和 1.70 g/cm3的鐵尾礦剖面含水率明顯減小，其與水土侵蝕的內(nèi)在機理有待進一步研究。

(4) 鐵尾礦持水性能在1.60 g/cm3容重下最高，整體上隨容重增大而降低，持水性能在<30 kPa的低吸力范圍差異明顯。