生产建设项目弃土弃渣与林地土壤入渗特征分析

郭宏忠，蒋光毅，江 东，汪三树，史东梅

(1．重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆401147;2．西南大学 资源环境学院/水土保持生态环境研究所，重庆400715)

(责任编辑 孙占锋)

随着城镇化进程的不断推进，大量土、石、渣被无序堆弃，而这又为水土流失的发生提供了丰富的物质来源。为减少水土流失，弃土弃渣场的生态修复和土地复垦逐渐成为相关专家、学者的重点研究领域。弃土弃渣场生态修复好坏除与弃渣土壤本身性质有关外，还与弃土弃渣的肥力状况和持水能力关系密切［1］。弃土弃渣物质组成复杂、结构混乱、养分含量较低［2，3］，虽然其通透性较好，具有较好的土壤入渗性能，但与森林土壤所表现出的较高入渗率还是有着本质区别的［4，5］。为深入了解弃土弃渣土体水分运动规律，笔者选取重庆市北碚十里温泉城项目区的桑树林地及施工扰动后形成的弃土弃渣场为研究对象，对弃土弃渣和林地土壤的水分运动特征进行分析研究，以期为弃土弃渣场生态修复提供基础依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况及样品采集

研究区位于北碚区十里温泉城内(E106°23'04″、N29°51'44″)，海拔221．10 m。属典型的山地丘陵区，土壤为黄壤。多年平均气温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%。研究对象为北碚区十里温泉城施工所产生的不同堆置年限弃土弃渣场及项目区内未遭到破坏的桑树林地，选用样地情况见表1。

表1 样地基本情况

2013年3月中旬在弃渣场平台上多点采集0—20 cm 土壤样品，混合后带回实验室进行物理性质分析，同时选择较为平坦的地面除去表层杂草及枯枝落叶，将双环入渗仪(内环直径15 cm、外环直径30 cm、高20 cm)打入弃渣土壤，用稳定水压装置向环内注水，进行双环入渗试验，持续90 min，每个渣场同时进行3 个试验。

1．2 土壤物理性质测定

土壤容重、孔隙度等基本物理性质采用环刀法测定，土体颗粒分级采用GZS－1 高频振筛器测试。入渗速率采用下式计算

式中:Rt为入渗速率，mL/min;Q 为时段Δt 的入渗量，mL;S 为入渗面积，即内环面积，cm2;Δt 为时段，min。

初渗率为最初入渗时段内的渗透量与入渗时间的比值，本研究选取初始10 min 求算初渗率;平均渗透速率为达到稳渗时的渗透总量与达到稳渗时的时间的比值;稳渗率为渗透量趋于稳定时的渗透速率。

土壤持水能力以土壤最大持水量和非毛管持水量作为评价指标［6］。计算公式为

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

2 结果与分析

2．1 弃土弃渣与林地土壤物理性质分析

与对照林地相比，弃土弃渣土壤物理性质差异明显(表2)。土壤容重反映了土体的松紧程度及孔隙状况，与土体的透气性、入渗性能、持水能力等密切相关［7－8］。弃渣属于典型的土石混合体，其物质组成的复杂性使其容重值要高于对照林地，由表2 可知，L1a(1．46 g/cm3)＞L3a(1．26 g/cm3)＞Ld(0．91 g/cm3)。

表2 弃土弃渣与林地土壤物理性质对比分析

弃渣土体孔隙度影响着土体通气透水性和土体中水分的运动及贮存，与植物根系穿插的难易程度、土体中水肥气和微生物活性关系密切，决定了弃渣场生态修复的难易程度［1，7］。由表2 可知，两个弃渣场的土体孔隙特征与林地土壤表现出一定的差异性，总孔隙度和毛管孔隙度均表现为Ld＞L3a＞L1a，非毛管孔隙度表现为L3a＞Ld＞L1a。对照林地的总孔隙度为63．94%，非毛管孔隙度为18．53%，说明林地土壤通气性、透水性和持水性能较好;而弃渣由于地表裸露，土石混合不均匀，土体通气性、透水性和持水性能均较差。弃渣堆放时间越长，土体之间越紧实，土体孔隙结构越稳定，稳定性越高，堆置3年的弃渣的总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度均比堆置1年弃渣的高，说明弃渣堆放时间越久，土体孔隙结构越好、持水性能更佳。

2．2 弃土弃渣与林地土壤入渗性能分析

入渗与土壤孔隙结构、质地、降雨等关系密切，是土壤中水分运动的主要形式之一［9－10］。弃土弃渣是一种人为产生的土石混合物质，其土壤水分入渗过程较特殊。弃土弃渣与林地的土壤入渗特征见图1。

图1 弃土弃渣与林地土壤入渗特征

研究表明，土壤水分入渗随时间增加呈现逐渐减小且最终趋于一个稳定值的变化趋势，可用Horton 公式较好地模拟描述［10］。由图1 可知，弃土弃渣土体水分初始入渗率较大，随着时间的推移，约45 min 后趋于稳定。入渗过程可分为3 个不同阶段:①0—10 min。入渗率下降迅速且处于较高水平，其中弃渣场入渗率呈现波动性减小的变化趋势。②10—45 min。入渗率降至最低值，以L1a表现最为明显，从最初的35．5 mL/min 减少到12．6 mL/min，对照林地(Ld)降幅最小。该阶段的入渗率随着土壤中水分饱和度的增加而减少，说明当土壤处于水分饱和状态时，其非毛管孔隙中充满水分，对土壤渗透性起决定性作用的主要为毛管孔隙。③45min 后。无论是对照林地还是弃土弃渣，均是在土壤达到完全饱和状态后，土壤入渗率才开始达到稳定入渗阶段。与对照林地相比，弃土弃渣大约在60 min 后才达到稳定状态，说明经过人为扰动后，土壤的结构和孔隙特征遭到破坏，对土壤渗透性影响较大。

土壤渗透性大小一般用土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和一段时间的渗透总量来评价［9，11］。由图1 可以看出，不同弃土弃渣的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率存在较大差异，L3a的初始入渗率最大，其平均为29．42 mL/min，对照林地Ld的稳定入渗率和平均入渗率最大，分别为14．12 mL/min、17．81 mL/min。初始入渗率表现为L3a＞L1a＞Ld，平均入渗率和稳定入渗率表现为Ld＞L3a＞L1a。弃土弃渣初始入渗率比林地大，这主要是因为弃土弃渣作为一种人为地貌单元，土体剖面具有疏松多孔、物质组成复杂、碎石含量较高等特点，入渗初期水流通过碎石间空隙快速下渗，但由于下渗水流携带细颗粒不断填充碎石之间空隙，使弃土弃渣土体结构逐渐稳定和紧实，造成入渗率减少较大;而林地土壤未受人为因素影响，土壤孔隙结构稳定，稳定入渗速率较大。

2．3 弃土弃渣与林地土壤持水性能分析

由于弃土弃渣土壤结构性差、物质组成复杂等，导致其持水和蓄水能力与林地相比有显著的差异(图2)。

图2 弃土弃渣与林地土壤持水性能比较

由图2 可知，土壤最大持水量表现为Ld＞L3a＞L1a，具体为116．37、106．77、103．98 t/hm2。非毛管持水量表现为Ld＞L3a＞L1a，具体为82．65、51．74、43．22 t/hm2，对照林地分别比L1a、L3a弃渣大91．23%、59.74%。从土壤的最大持水量和非毛管持水量两方面来看，林地的水源涵养功能明显强于弃土弃渣，而堆置3年弃渣的持水性能要高于堆置1年的。

3 结 论

(1)弃土弃渣土壤容重显著高于林地，随着堆放时间增加，弃渣土体更紧实;弃土弃渣土质混合不均匀导致其孔隙结构较差，土壤总孔隙度、毛管孔隙度均显著小于林地。

(2)林地与弃土弃渣入渗过程最大的差异在于初始入渗阶段，弃土弃渣由于结构疏松，入渗率较大，入渗率下降迅速且呈波动性减少趋势。初始入渗速率表现为L3a＞L1a＞Ld，平均入渗率和稳定入渗率表现为Ld＞L3a＞L1a。

(3)最大持水量表现为Ld(116．37 t/hm2)＞L3a(106．77 t/hm2)＞L1a(103．98 t/hm2);非毛管持水量表现为Ld(82．65 t/hm2)＞L3a(51．74 t/hm2)＞L1a(43．22 t/hm2)，对照林地分别比堆置1年、3年弃渣大91．23%、59．74%。总体来看，林地的水源涵养功能明显强于弃土弃渣，而堆置3年弃渣持水性能要高于堆置1年弃土弃渣。

［1］时乐，张维，李占斌，等．石窑店煤矿水土保持与生态修复措施体系研究［J］．水资源与水工工程学报，2009，20(1):104－108．

［2］朱波，莫斌，汪涛．紫色丘陵区工程建设松散堆积物的侵蚀研究［J］．水土保持学报，2005，19(4):193－195．

［3］张乐涛，高照良，李永红，等．模拟径流条件下工程堆积体陡坡土壤侵蚀过程［J］．农业工程学报，2013，29(8):145－153．

［4］赵骍，景峰．阎家沟煤矿区弃土坡模拟降雨入渗规律研究［J］．山西水土保持科技，2008(3):17－19．

［5］王灿，任元．驻信高速公路弃渣场的治理［J］．中国水土保持，2002(11):34－35．

［6］彭明俊，郎南军，温绍龙，等．金沙江流域不同林分类型的土壤特性及其水源涵养功能研究［J］．水土保持学报，2005，19(6):106－109．

［7］朱元骏，邵明安．不同碎石含量的土壤降雨入渗和产沙过程初步研究［J］．农业工程学报，2006，22(2):64－67．

［8］蒋平，汪三树，李叶鑫，等．紫色丘陵区堆渣体物理性质变化及边坡稳定性分析［J］．中国水土保持，2013(1):27－30．

［9］Katridzidakis M，Pipinis E，Liapis A，et al．Restoration of slopes disturbed by a motorway company:Egnatia Odos，Greece［J］．Developments in Plaut and Soil Science，2007，130，401－409．

［10］符素华．土壤中砾石存在对入渗影响研究进展［J］．水土保持学报，2005，19(1):171－175．

［11］刘洁，李贤伟，纪中华，等．元谋干热河谷三种植被恢复模式土壤贮水及入渗特性［J］．生态学报，2011，31(8):2331－2340．