铁尾矿不同复垦模式土壤贮水能力及入渗特征

吕春娟， 陈 丹， 郭星星， 王 煜， 郭岩松

(山西农业大学资源环境学院，030801，山西太谷)

土壤水分入渗控制降水过程中地表产流水平、储水性能及地下径流量等而成为水循环的关键环节[1-2]，土壤贮水量和入渗率是水土保持和水源涵养功能的重要水文参数[3]。研究表明，土壤入渗性能越好，植物可吸收利用的有效水越多，植物生长发育越有利，还可以形成壤中流，减少地表径流，抑制土壤侵蚀的发生[4-5]。目前，在生态环境脆弱的工矿区，土壤水分的运移维系问题受到国内外学者的普遍关注[6-8]。研究水分入渗规律对合理利用调控矿区水资源、降低水土流失风险具有重要意义。

铁尾矿是矿区开采矿石产生的固体废弃物。中国作为全球第2大铁矿石生产国由于选矿技术限制铁尾矿排弃量大[9]，综合利用率不到10%，远落后于达60%的西方发达国家[10]。长期任意堆存的尾矿废弃物不仅压占了大量土地，而且被降雨和地表径流侵蚀后极易引发严重的水土流失问题。由于尾矿砂结构性差，通气透水能力弱，导致植物生长受限，很多学者针对铁尾矿基质改良利用方面进行相关研究，改良方法以掺土和施肥最为常见。付文昊等[11]研究了邢台市南沟地区铁尾矿复垦区客土改良模式、半客土改良模式下土壤物理性质变化。杨萌[12]研究了在铁尾矿与土按15%、30%、45%、60%比例混合对土壤理化性质的影响，表明土壤中适量施用铁尾矿砂能提高土壤有效孔隙，降低土壤黏性，调节养分含量。张宝娟等[13]研究发现在铁尾矿中掺土比例 75% 时可全面改善铁尾矿基质孔隙状况和持水性能。但有关尾矿区修复土壤水分存储及入渗的研究鲜见报道。鉴于此，笔者分析铁尾矿区7种不同复垦模式土壤贮水及入渗特征，并对尾矿复垦基质入渗过程进行模拟，以期为贫瘠、紧实的铁尾矿基质改良与植被重建提供科学支撑，并为铁尾矿区布设合理的复垦措施提供参考。

1 研究区概况

研究区为山西省垣曲县国泰矿业集团的泉子沟铁尾矿库，地理坐标E 111°30′～112°05′、N 34°59′～35°26′，位于山西省运城市东北隅，中条山南部、黄河北岸，年均气温13.3 ℃；年均相对湿度60%；年均降水量596.7 mm，年均蒸发量2 090.0 mm，属大陆性干旱半干旱气候。平均海拔约 950 m。该尾矿库为干排尾矿库，位于黄河一级支流——亳清河流域上游，占地面积约106.7 hm2。裸露的尾矿库因长期废弃，自然植被难以侵入，坡度较大，受降雨径流侵蚀，沟壑纵横，坡面侵蚀形态严重，严重威胁着亳清河流域水生态安全。2015年结合该尾矿库为土石山区、土源缺乏的实际情况，选用当地大量生产的蘑菇废料与秸秆、木屑等制成菌糠作为充填复垦基质，将菌糠、尾矿砂和客土按体积比混掺分别铺设于7个100 m2小区进行复垦试验，在尾矿坡面上选择了7类小区进行复垦试验，样地基本情况见表1。

表1 复垦样地基本情况

2 材料与方法

2.1 复垦基质土壤样品的采集与测定

采样时间为2017年10月，每个样地中用环刀采集表土层原状土，用环刀法测定土壤密度、孔隙度、田间持水量和饱和持水量等物理指标、比重瓶测定样品比重，同时采集1 kg左右的扰动土样，重铬酸钾氧化法测定有机质质量分数，用铝盒烘干法测定自然含水量。以上理化指标[14]均取3次重复的平均值，不同复垦样地理化性质如表2。

表2 不同复垦模式土壤基本理化性质

2.2 复垦土壤贮水能力计算

根据2.1中测定的孔隙度计算0～10 cm表层土壤的最大吸持贮水量Wc、最大滞留贮水量Wnc和饱和贮水量Wt，公式[3]为：

Wc=10 000Pch，Wnc=10 000Pnch，
Wt=10 000Pth。

(1)

式中：Wc为土壤水分吸持贮水量，t/hm2；Pc为毛管孔隙度，%；Wnc为土壤滞留贮水量，t/hm2；Pnc为非毛管孔隙度，%；Wt为土壤饱和贮水量，t/hm2；Pt为总孔隙度，%；h为土层深度，m。

2.3 复垦土壤水分入渗测定

在铁尾矿复垦区采用双环法[15]测定水分入渗过程。根据入渗速率与温度关系对入渗速率进行矫正，统一为10 ℃下的入渗速率，计算公式为

(2)

式中：V为入渗速率，mm/min；Qn为间隔时间灌入水量，mL；L为内环入土深度cm；tn为时间间隔，min；S为内环横截面积，cm2；h水层厚度，cm。

V10=V/(0.7+0.03θ)。

(3)

式中：V10为10 ℃下的入渗速率，mm/min；θ为温度计实测入渗水温，℃。

2.4 复垦土壤入渗模型

Kostiakov、Philip和Horton模型为物理意义较明确的常用野外入渗模型，广泛应用于各类土壤类型中[14]，本文利用非线性回归分析方法对野外入渗实测值进行拟合，探讨其在铁尾矿不同复垦模式下的适宜性。

Kostiakov模型：

i(t)=at-b。

(4)

Philip模型：

i(t)=at-1/2+c。

(5)

Horton

i(t)=ae-kt+c。

(6)

式中：i(t)为入渗速率，mm/min；t为时间，min；c为稳渗率，mm/min；a、b、k为入渗经验参数。

采用均方差(RMSE)和决定系数(R2)评价各入渗模型的拟合精度。

(7)

(8)

3 结果分析

3.1 不同复垦模式土壤贮水特征

土壤贮水能力是土壤涵养水源及地表产流的一个重要指标，土壤贮水能力由土壤厚度和孔隙特征决定[16]。在表土层范围内，不同复垦模式土壤贮水量差异明显，不同复垦地贮水能力均高于CK(图1)。饱和贮水量大小依次为：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，6种复垦模式比CK高7.14%～46.03%，其中掺菌糠模式(SJ2、STJ和SJ1)和掺土模式(ST1和ST2) 之间差异显著(P<0.05)。对于吸持贮水量，T、SJ2和SJ1分别比CK提高了33.33%、24.07%和6.75%，ST1、 ST2和CK三者之间无显著差异(P>0.05)。滞留贮水量表现为：STJ、SJ1、T、SJ2、ST1和ST2比CK高28.15%～135.13%，其中SJ1、T、SJ2之间滞留贮水能力相近。饱和贮水量和吸持贮水量均表现为T模式最高，分别为CK的146%和133%。掺菌糠模式(SJ1、SJ2)贮水能力整体大于掺土模式(ST1、 ST2)。此外，相同(ST1、ST2)或相近复垦模式(SJ1、SJ2、STJ)下贮水差异不明显，即相比于植被，不同复垦土壤对贮水性能的提高有更大的贡献。滞留贮水力在暴雨时可迅速吸纳雨水，减少地表产流和泥沙流失[17]，降低地表水蚀危害，不同复垦措施对铁尾矿滞留贮水量影响最明显，其次为饱和贮水量和吸持贮水量。

图1 不同复垦模式下土壤贮水特征Fig.1 Soil water storage characteristics of soils in different reclamation modes

土壤水与植物生长关系密切，一般分为饱和持水量、毛管持水量和田间持水量，其大小与土壤孔隙直接相关。由图2可知，不同复垦模式下T饱和持水量、田间持水量均为最大，显著高于其他模式(P<0.01)，持水量表现为：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，ST2和CK持水量无显著差异(P>0.05)。持水量(x)随总孔隙(y1)、毛管孔隙(y2)的增加而增大，二者成显著的线性正相关关系(图3)。

图2 不同复垦模式土壤持水量特征Fig.2 Soil water-holding capacity characteristics of soils in different reclamation modes

图3 饱和持水量、田间持水量与总孔隙度、毛管孔隙的相关性Fig.3 Correlation between water-holding capacity and total porosity, capillary pores

土壤孔隙是水分贮蓄的主要场所，而土壤孔隙结构又主要与土壤理化性状相关联，二者直接或间接地影响土壤贮水持水能力。杨萌[12]试验证明在土壤中施加25%～35%铁尾矿可有效提高孔隙度，降低密度。谢修鸿等[18]研究发现菌糠对土壤理化性质有显著改善作用，土壤田间持水能力均随菌糠施用量增加而增强。本研究中，6种不同复垦模式与对照裸尾矿相比，土壤贮水量，田间持水量特征总体上表现为掺菌糠模式(SJ1、SJ2 、STJ)高于掺土模式(ST1、ST2)。其原因一方面是，菌糠能改善土壤理化性质，其分解形成的腐殖质也可增加砂土黏结力[19]，提高土壤机械稳定性，促进微团集聚[18]，增加孔隙度，SJ2、STJ和SJ1总孔隙度(53.08%～51.37%)、毛管孔隙(33.53%～39.45%)分别大于ST1、ST2和CK的(41.45%～47.74%)和(31.85%～33.41%)，STJ的非毛管孔隙度平均比CK增加98.8%；另一方面，有机质促进了团粒结构的形成，间接降低了土壤密度，提高供植物生长所需的有效水量，掺菌糠模式(SJ1、SJ2)平均有机质质量分数18.37 g/kg显著高于掺土模式(ST1、ST2)的4.88 g/kg，同时T模式(1.06 g/cm3)和SJ2模式(1.22 g/cm3)密度水平已达第2次土壤普查适宜作物种植标准。

3.2 不同复垦模式土壤水分入渗特征

由图4发现，不同模式土壤入渗曲线在0～3 min内迅速降低，此时土水势低，各基质水吸力大，入渗率急剧下降，为快速入渗阶段，此阶段除T外，其余模式初渗速率均远高于对应的稳渗速率，为其稳定入渗速率的7～17倍；3 min后水分逐渐填充土壤孔隙使含水量不断增加，各模式入渗曲线缓慢降低，为渐变入渗阶段；最后入渗率逐渐趋于恒定，STJ和SJ2、ST2和CK、ST1和SJ1模式分别在60、80、110 min左右达稳定入渗，而T模式在150 min才相对稳定。

图4 不同复垦模式土壤入渗过程曲线Fig.4 Soil infiltration process curve of soils in different reclamation modes

选用初渗率、稳渗率和均渗速率3个入渗特征值来综合分析不同复垦模式土壤渗透性的优劣，初渗率为前3 min的平均速率，稳渗率为最后3次稳渗率平均值。由表3可知，初渗率大小依次为：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，6种复垦模式为CK的1.31～3.85倍；均渗率与初渗率具有相同的变化趋势，复垦地均渗率为CK的1.17～4.93倍，STJ、SJ1和SJ2均渗率均值(1.958 mm/min)高于ST1和ST2的(1.106 mm/min)；稳渗率方面，纯土模式(2.58 mm/min)显著高于其他5种复垦模式(0.3～0.34 mm/min)，而裸尾矿最低，仅为0.121 mm/min。不同复垦模式入渗特征总体表现为纯土(T)>掺菌糠或掺土+菌糠(SJ、STJ)>掺土(ST)>裸尾矿(CK)。纯土模式T入渗性能最高，原因主要为该样地受人为耕作影响，土壤疏松，且油松乔木根径粗而发达，可疏松土壤，水流联通性好，利于产生优势流并向深处运移。掺菌糠或掺土+菌糠入渗性能优于掺土模式，原因是菌糠作为一种土壤有机改良剂，富含木质素[20]、有机质[21]、氮、磷、钾[22]等营养物质，有利于改良土壤结构和促进植物生长。野外调查发现掺菌糠模式有较高的林草覆盖度，而植物生长形成的残枝落叶聚积于地表形成腐殖质层，可降低尾矿紧实度，增强透水蓄水性。掺菌糠模式(SJ1、SJ2和STJ)比裸尾矿(CK)密度显著降低21%～30%，总孔隙度和非毛管孔隙度分别显著增加28%～38%和110%～112%(P<0.05)，故尾矿孔隙分布的改善显著影响水分渗透[23]。不同复垦模式入渗性能差异主要由复垦土壤所决定，与植被类型关系不明显，可能是因为复垦年限短，植被根系尚未充分拓展发育，枯落物较少，其改善土壤的作用还未能显现。

表3 不同复垦模式土壤入渗特征值

注：同行不同字母表示不同复垦模式之间差异显著(P<0.05)。Notes：Different letters in the same place indicate significant differences between different reclamation patterns (P<0.05).

3.3 不同复垦模式水分入渗过程模拟

由表4可知，3个入渗模型对尾矿砂不同复垦模式土壤入渗过程拟合精度存在差异，Kostiakov模型回归决定系数平均值最高，为0.941，Philip模型和Horton模型分别为0.925和0.923，均方差平均值最小，为0.256，低于Philip模型(0.263)和Horton模型(0.287)，且由于Philip模型对稳渗率的拟合有一处为负值，与实际不符，故总体上Kostiakov模型拟合程度较高，拟合误差最小，但是Horton模型(R2=0.981)对CK的拟合精度远高于Kostiakov模型(R2=0.887)。因此，Kostiakov模型是描述该区尾矿砂不同复垦模式下入渗过程的最优模型，Horton模型能更好的模拟裸尾矿入渗过程。

表4 不同复垦模式水分入渗过程模拟及精度检验结果

4 结论

1)铁尾矿不同复垦模式(尾矿砂-土-菌糠、尾矿砂-土、尾矿砂-菌糠、纯土、裸尾矿)土壤贮水能力以纯土模式最高，其他模式中尾矿砂-菌糠或尾矿砂-土-菌糠模式高于掺土模式。不同复垦模式对裸尾矿贮水力的提升效果表现为：滞留贮水量(28%～138%)>土壤饱和贮水量(7%～46%)>吸持贮水量(3%～33%)，因此铁尾矿纯土和掺菌糠修复对提高土壤储水性能、抵抗径流冲刷有重要现实意义。

2)不同复垦模式对裸尾矿水分初渗率、均渗率和稳渗率均有提高作用，其中复垦铁尾矿土壤稳渗率显著高于裸尾矿。不同复垦模式间入渗性能总体表现为纯土>尾矿砂-菌糠或尾矿砂-土-菌糠>掺土>裸尾矿，且掺菌糠模式高于掺土模式。研究区铁尾矿水分入渗差异主要与孔隙、密度等物理结构特性差异有关，与植被类型关系不明显。

3)采用R2和RMSE 2种精度评价指标比较分析了Kostiakov、Philip和Horton 3种模型拟合铁尾矿区不同复垦模式土壤入渗过程，表明Kostiakov(R2=0.941)和Horton模型(R2=0.925)精度较高，其模型参数能较好的表征铁尾矿区土壤入渗过程。今后研究中，可分别选择Kostiakov和Horton模型预测铁尾矿复垦土壤和裸尾矿水分入渗过程。

4)铁尾矿中施入菌糠可以显著降低复垦土壤紧实度，增加孔隙度，提高大孔隙之间联通性，使掺菌糠复垦模式土壤有较高的贮水持水量和入渗性能，有利于植物吸持利用，加速植被恢复进程；因此，对于土源缺乏的铁矿尾区，在实践中可以考虑掺入菌糠修复生态环境，有利于保水固土和植被的可持续生长。