石灰岩弃渣与农田土复配土壤水分蒸发及覆盖物保水性能

2022-10-10王佳欢杨新兵刘彦林赵小勇赵迎雪鲁绍伟

水土保持学报 2022年5期

王佳欢，杨新兵, 刘彦林，赵小勇，赵迎雪，鲁绍伟

(1.河北农业大学林学院，河北保定 071000；2.河北地矿建设工程集团有限责任公司，河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050000；3.北京市林业果树科学研究院，北京 100093)

截止到2020年，矿山资源监测结果显示，我国矿山资源占地面积已超过375万hm，而矿山废弃地土地的复垦率仅达到了20%的水平，对比发达国家70%的复垦率，相差甚远。矿产资源在满足人类社会发展的同时也留下了一系列生态安全问题：表土资源缺失导致植物难以存活、地表径流引起水土流失、景观破碎致使生态系统脆弱等等，因此，废弃地生态环境亟待修复。为保证矿山绿化效果，前期养护投入较多，要想实现废弃地生态系统的良性循环，后期土壤水分条件是植被成活与生长好坏的关键，因此，土壤重构成为生态恢复的首要条件。

针对废弃地表土缺失问题，Kenton等采用风化褐砂岩、未风化灰砂岩以及混砂页岩替代表土进行废弃煤矿复垦，通过研究白蜡(Roxb.)、白桦(Suk.)、鹅掌楸((Hemsl.) Sargent.)等人工林的物种丰富度后发现风化褐砂岩作为表土替代材料更适于废弃地造林。位蓓蕾等将草炭掺入亚黏土作为煤矿复垦替代材料发现，草炭施用量为10 g/kg(干土)时紫花苜蓿(L.)的生长量和酶活性最高。胡振琪等发明了煤基营养剂用于矿山土壤修复，其成分主要为草炭、风化煤、菌根以及化学试剂，该项发明既起到改善土壤性能，增强植物抗逆性的作用，又提高了草炭、风化煤的资源利用效率。

土壤水分条件是北方矿山修复绿化效果延续的重要制约因素，土壤覆盖处理是常用方法之一。Dlamini等发现，塑料与砾石2种覆盖物结合后可阻断土壤毛细管力的连续性，减少向上运输的水量，从而达到抑制水分蒸发的目的；车飞伟等探究不同有机材料对土壤的保水效果，结果表明，木片、树皮以及1～3 cm的园林堆腐物覆盖下土壤含水量均高于无覆盖，木片的保水效果要强于树皮和1～3 cm的园林堆腐物。

河北省西部太行山区矿产资源丰富，历经大规模开采活动后出现大量基岩裸露的“白茬山”，表土缺失，植物难以存活，土壤重构成为山体植被恢复的必要方式。本研究于石家庄鹿泉区一废弃石灰岩采石现场收集渣土，与附近农田土按不同体积比例进行复配，通过土柱模拟试验研究重构土壤水分蒸发规律，从土壤本身性质与气象条件2个角度阐述土壤水分蒸发的影响因素，同时试验不同覆盖条件下土壤水分蒸发情况，筛选出复配比例和覆盖物的最佳组合，为当地治理采石废弃地提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鹿泉区隶属河北省石家庄市(37°88′08″—38°27′27″N，114°18′55″—114°51′36″E)，东临石家庄市区，西接井陉，北邻平山、灵寿，南连元氏，行政面积603 km。其地域南北狭长，地势西高东低，西部为山峦起伏的太行山区，东部为地势平坦的山前平原，海拔62.5～907 m。全区位于温带季风气候区，夏季多雨，冬季干冷，7月气温最高，平均27.2 ℃，1月气温最低，平均-1.7 ℃，多年平均降水量542 mm，无霜期219天。境内河流均属海河水系，如滹沱河、清水河、太平河等，土壤类型以石灰性褐土为主，森林类型以温带落叶阔叶林为主。试验点海拔300～400 m。

1.2 试验设计

2020年12月2日收集鹿泉区一采石废弃地石灰岩弃渣，风干过2 cm筛子，与农田土进行复配，按照弃渣与农田土体积比0∶10(T1)，3∶7(T2)，5∶5(T3)，7∶3(T4)，10∶0(T5)，每个处理3组重复，土壤粒径及孔隙度见表1。复配土拌匀后装入内径19 cm、深35 cm PVC管中，装填高度30 cm，封底材料选用300目透水纱网，土柱置于深30 cm且内设排水口的水泥槽中，试验布设于废弃矿山半山腰处，以此模拟山体自然环境。在土壤水分蒸发模拟试验基础上测试覆盖物对5种配比土壤的保水效果，分别设置砾石(LS)、渗水地膜(SS)和植物毯(ZW)共3种覆盖物，每个处理3组重复，以不覆盖作为对照(CK)。参考已有研究，砾石为废弃地现场收集的直径2～4 cm块石，覆盖厚度为5 cm；渗水地膜购于山西农科院(厚度5 μm)；植物毯购于北京华夏绿洲有限公司(厚度8～10 mm)。

表1 不同配比下土壤粒级组成和孔隙度

1.3 试验方法

土壤水分蒸发试验前土柱泡水24 h，其间不断加水与土壤表层相平齐，泡水结束将土柱于沙层上静置24 h沥去重力水，随后封底开始试验。2021年8月4日上午将封底土柱置于水泥槽中，水泥槽底部平齐，以保证所有土柱接受的光照、风速、风向等气象条件一致，用称量分度值5 g的电子台秤(型号TCS)于每天上午7：00进行称重，当日与次日称重差值即为当日蒸发量，采用蒸发量计算公式将质量值换算为高度值，计算公式为：

式中：为当日土壤水分蒸发量(g)；为当日称重值(g)；+1为次日称重值(g)；为水密度(1 g/cm)；为PVC管半径(9.5 cm)。

试验时间为8月4日至9月2日，共计30天，相关研究表示，土壤表层15 cm水分含量与水分蒸发关系最为密切，因而在试验期间采用TDR 300土壤水分测量仪测量表层土壤体积含水量(15 cm)，并将体积含水量换算为质量含水量，计算公式为：

式中：为质量含水量(%)；为体积含水量(%)；为容重(g/cm)。

在试验地附近架设TRM-ZS3型气象仪采集气象数据，包括太阳辐射、气温、相对湿度以及风速等(图1)。试验过程中搭设遮雨棚，降雨天气进行遮雨，避免雨水对试验造成影响。

图1 研究期气象变化

1.4 数据处理

采用累计蒸发失水比分析土壤抗旱性，计算方法为：

式中：为累计蒸发失水比(%)；为第天的累计蒸发量(mm)；为初始含水量(mm)。

土壤累计蒸发量趋势线采用最小二乘法拟合得到，拟合公式为：

式中：为累计蒸发量(mm)；为蒸发时间(天)；为斜率；为拟合参数。

试验数据在Excel 2010软件中进行初步整理，采用SPSS 24.0软件进行方差分析和相关性分析，绘图利用Origin 2021软件。

2 结果与分析

2.1 不同配比下表层土壤含水量分析

不同配比下表层土壤含水量随蒸发时间的推移逐渐下降，由图2可知，表层土壤初始含水量范围为7.69%～45.75%，大小排序为T1(45.75%)>T2(32.02%)>T3(24.23%)>T4(10.28%)>T5(7.69%)，差异达极显著水平(<0.01)，历经30天蒸发试验后表层土壤含水量范围为0.25%～14.86%，大小排序为T1(9.86%)>T2(4.68%)>T3(2.25%)>T4(1.45%)>T5(0.25%)，差异达极显著水平(<0.01)，弃渣体积比例越大土壤含水量越低，说明弃渣可降低原本土壤中的水分含量。

图2 不同配比下表层土壤含水量变化

2.2 不同配比下土壤水分蒸发分析

由图3可知，不同配比下土壤水分逐日蒸发量呈下降趋势，其波动式蒸发过程符合野外条件无水分补充的土壤水分蒸发规律。通过试验发现，野外土壤水分蒸发大致分为3个阶段：蒸发量波动较大的前期(第1～7天)、蒸发量波动较小的中期(第8～22天)和蒸发量趋于平稳的后期(第23～30天)。蒸发前期，蒸发量范围为0.71～6.35 mm，平均蒸发量大小排序为T1(3.73 mm)=T2(3.73 mm)>T3(3.53 mm)>T4(3.22 mm)=T5(3.22 mm)，不同配比下土壤蒸发量差异不显著(>0.05)。蒸发中期，蒸发量范围为0～4.23 mm，平均蒸发量大小排序为T1(2.16 mm)>T2(1.74 mm)=T3(1.74 mm)>T4(1.13 mm)>T5(0.66 mm)，不同配比下土壤蒸发量差异达极显著水平(<0.01)。蒸发后期，蒸发量范围为0～0.71 mm，平均蒸发量大小排序为T1(0.53 mm)>T2(0.35 mm)=T4(0.35 mm)>T3(0.26 mm)=T5(0.26 mm)，不同配比下土壤蒸发量差异不显著(>0.05)。综上所述，弃渣配比增加对降低土壤水分蒸发的趋势在蒸发中期较为明显，在土壤水分充足的前期和土壤水分亏缺的后期不明显。

图3 不同配比下土壤水分逐日蒸发量

由图4可知，野外条件下不同配比土壤的累计蒸发量随时间的延续而增加，但累计值的增加速率呈下降趋势，不同配比下土壤累计蒸发量差异达极显著水平(<0.01)，大小排序为T1(62.78 mm)>T2(55.02 mm)>T3(52.91 mm)>T4(42.33 mm)>T5(34.57 mm)。

图4 不同配比下土壤水分累计蒸发量

2.3 土壤水分蒸发相关性分析

土壤水分蒸发影响因素众多，包括气温、风速、太阳辐射等气象因子以及土壤粒径组成、孔隙度等物理性质。通过土壤水分逐日蒸发量与气象因子、物理性质相关关系的显著性检验，阐明土壤水分蒸发的影响因素。由表2可知，逐日蒸发量与气温、风速呈极显著正相关(<0.01)，与太阳辐射呈显著正相关(<0.05)，与湿度没有显著性相关关系(>0.05)。

表2 土壤逐日蒸发量与气象因子相关性分析

由表3可知，逐日蒸发量与毛管孔隙度呈极显著正相关(<0.01)，与非毛管孔隙度呈极显著负相关(<0.01)，与黏粒体积含量、粉粒体积含量、总孔隙度呈显著正相关(<0.05)，与砂粒体积含量、容重呈显著负相关(<0.05)。

表3 土壤逐日蒸发量与物理性质相关性分析

2.4 土壤抗旱性分析

土壤含水量和水分蒸发量因复配比例产生差异，且二者变化趋势相反，但凭其中一项难以判断土壤的抗旱性，因此，采用土壤累计蒸发失水比进行土壤抗旱性分析。由图5可知，土壤蒸发失水比T1范围为0.04～0.52，T2范围为0.07～0.85，T3范围为0.03～1.21，T4范围为0.04～2.57，T5范围为0.12～2.85，T1和T2累计蒸发量均小于表层土壤含水量，而T3、T4和T5均出现累计蒸发量大于表层土壤含水量情况，说明无外界水源补充下连续蒸发30天，混合土壤中弃渣体积比例超过30%，表层土壤水分无法满足蒸发需求。T1～T5表层土壤末期含水量分别为9.86%，4.68%，2.25%，1.45%，0.25%，初期含水量和累计蒸发量差值分别为6.63%，2.44%，-0.44%，-7.47%，-6.72%，对比发现，前者均大于后者，说明弃渣体积比例越大，混合土壤下层蓄水能力越弱，土壤抗旱性越差。

图5 不同配比下土壤累计蒸发失水比

2.5 覆盖物保水性能分析

由图6可知，不同配比下覆盖物均能降低土壤水分蒸发。T1条件下土壤水分累计蒸发量差异达极显著水平(<0.01)，由大到小为CK(62.78 mm)>SS(52.20 mm)>LS(45.15 mm)>ZW(38.80 mm)；T2条件下土壤水分累计蒸发量差异达极显著水平(<0.01)，由大到小为CK(55.02 mm)>LS(44.03 mm)>SS(40.91 mm)>ZW(38.09 mm)；T3条件下土壤水分累计蒸发量差异达显著水平(<0.05)，由大到小为CK(52.91 mm)>SS(40.91 mm)>LS(40.21 mm)>ZW(35.98 mm)；T4条件下土壤水分累计蒸发量差异达极显著水平(<0.01)，由大到小为CK(42.33 mm)>SS(37.39 mm)>ZW(34.57 mm)>LS(26.81 mm)；T5条件下土壤水分累计蒸发量差异达显著水平(<0.05)，由大到小为CK(34.57 mm)>ZW(33.15 mm)>SS(31.74 mm)>LS(24.69 mm)。覆盖物不仅有效降低了土壤水分蒸发，还具有一定减缓蒸发速度的能力，由趋势线方程参数可知，T1条件下CK(2.02 mm/d)>SS(1.55 mm/d)>LS(1.16 mm/d)>ZW(1.08 mm/d)；T2条件下CK(1.64 mm/d)>SS(1.33 mm/d)>ZW(1.24 mm/d)>LS(1.23 mm/d)；T3条件下CK(1.68 mm/d)>SS(1.36 mm/d)>ZW(1.08 mm/d)>LS(1.00 mm/d)；T4条件下CK(1.21 mm/d)>SS(1.02 mm/d)>ZW(0.90 mm/d)>LS(0.57 mm/d)；T5条件下ZW(1.05 mm/d)>SS(0.99 mm/d)>CK(0.84 mm/d)>LS(0.71 mm/d)，当弃渣比例为100%时，覆盖渗水地膜和植物毯并不能有效降低土壤水分蒸发速度。

图6 不同覆盖处理下土壤水分累计蒸发量

2.6 覆盖物保水性能灰色关联分析

通过上述分析发现，因覆盖种类和复配比例的不同，产生的保水效果也不一致，为筛选出最优覆盖物，采用灰色关联分析。采用最优值化方法，将不同覆盖处理下复配土的蒸发量和蒸发速度数值分别除以各组最优值，从而得到新的数列，即数值无纲量化处理(表4)。

表4 覆盖物保水性能数值无纲量化处理

灰色关联分析结果为同列灰关联系数做平均得到的灰关联度，其数值越接近1.000则表示覆盖物保水性能越好。由表5可知，不同覆盖条件下土壤蒸发量大小为LS(0.869)>ZW(0.841)>SS(0.694)>CK(0.521)，蒸发速度大小为LS(0.977)>ZW(0.779)>SS(0.610)>CK(0.512)，通过比较蒸发量和蒸发速度2个保水性能指标发现，砾石覆盖相对最优。

表5 覆盖物保水性能灰关联系数和灰关联度

3 讨论

3.1 不同配比下表层土壤含水量差异

土壤重构过程中，随着土壤弃渣体积比例增大，土壤颗粒变化趋势表现为黏粒和粉粒减少，砂粒增加，这将导致土壤颗粒表面积减少，吸附性降低，对水分的吸附能力也会因此而下降，伴随弃渣体积比例增加，黏粒含量降低89.40%，粉粒含量降低36.61%，砂粒含量增加78.36%，致使表层土壤含水量初期和末期分别降低38.06%和9.61%。土壤粒径的差异还会通过改变土壤本身的孔隙度，间接对土壤含水量造成影响。一般认为，毛管孔隙主要受细颗粒影响，数量越多则储水能力越强，本研究中毛管孔隙度最大可达48.82%，而非毛管孔隙主要受粗颗粒影响，数量越多则通透性越好，本研究中非毛管孔隙度最大可达5.36%，弃渣体积比例的增加通过提高土壤粗颗粒体积占比间接导致总孔隙度中非毛管孔隙比例上升，从而影响土壤含水量。表层土壤末期含水量与初期含水量和累计蒸发量的差值存在一定差异，原因在于历经30天连续蒸发后上层土壤(15 cm以上)与下层土壤(15 cm以下)形成水势差，下层水分借助毛管作用向上补充，致使表层土壤末期含水量不同于蒸散后的水分差值。

3.2 不同配比下土壤蒸发量差异

从土壤水分蒸发量来看，整体上逐日蒸发量和累计蒸发量均随弃渣体积比例增加而降低，逐日蒸发量可分为3个阶段：蒸发前期主要受当地气象条件的控制，即大气蒸发力控制阶段，在充分供水条件下，水通过毛管作用源源不断输出，同等大气蒸发力致使前期逐日蒸发量差异不明显，因此，本研究中平均逐日蒸发量最小的T4(3.22 mm)和T5(3.22 mm)仅比最大T1(3.73 mm)和T2(3.73 mm)低13.67%。当表层土壤水分降至某一临界值时，此时进入土壤导水率控制阶段，气象因素退居次要地位，该阶段内以薄膜水形式向外扩散，质地偏黏、孔隙度高的T1含有较多薄膜水，平均逐日蒸发量达2.16 mm，是质地偏砂、孔隙度低T5(0.66 mm)的3.27倍。当薄膜水运动停止后进入第3阶段，即水汽扩散控制阶段，该阶段内土壤中的水分以汽化的方式逸入大气，土层间的水汽压梯度和下层土壤的含水量是蒸发量的决定性因素，农田土体积比例大的配比，其保水性好，土层水汽压梯度大，因而T1平均逐日蒸发量为T5的2.04倍，但以水汽扩散方式蒸发掉的水分还是少量的，平均逐日蒸发量最大0.53 mm，与最小0.26 mm仅差0.27 mm，差异不显著。累计蒸发量是逐日蒸发量的累计结果，尽管不同蒸发阶段的逐日蒸发量有所不同，但最终累计蒸发量随弃渣体积比例增加而降低。

3.3 土壤水分蒸发影响因子分析

气象因素是引起土壤水分蒸发的重要外源因素，土壤水分蒸发与气温、太阳辐射以及相对湿度等气象因子具有紧密联系，本研究中，太阳辐射、气温和风速与土壤水分蒸发呈正相关，太阳辐射作用于地表，促使地表温度升高，加速土壤水分蒸发，因此太阳辐射与温度的协同作用促进土壤水分蒸发加快；风速带走近地表处湿润空气，以干燥空气代之，风速大则蒸发量大，以此方式促进土壤水分蒸发。从相关性显著程度分析，温度和风速的显著性大于太阳辐射，其原因在于太阳辐射是通过提高近地表温度间接影响土壤水分蒸发，其影响程度不如温度和风速的作用直接。相对湿度与土壤水分蒸发不存在显著相关性的原因可能是山峦气候多变，空气相对湿度昼高夜低致使日变化不明显。粒径、孔隙度为影响水分蒸发的土壤自身因子，粒径通过影响孔隙度进而对土壤水分蒸发造成影响，较细颗粒易形成毛管孔隙并发挥其毛管作用，土壤表层水分减少形成水势差，下层水分借助毛管孔隙沿水势梯度向上扩散，补充上层土壤蒸发散失的水分。土壤中弃渣体积比例越大，较大土壤颗粒对毛管孔隙的阻断效应越强，抑蒸效应越强，与Xiao等研究结果一致。

3.4 覆盖物保水性能差异

覆盖物对土壤的保水性能具有显著性，综合不同配比土壤在不同覆盖方式下的蒸发量和蒸发速度发现，任意覆盖方式下的土壤水分蒸发量均低于CK，与王丽丽等研究结果相似。LS覆盖通过形成干燥表层切断向上运输水分的毛细管从而抑制水分蒸发，弃渣体积比例达到30%时蒸发速率最小，为1.23 mm，保水效果初见；ZW覆盖则是通过降低表层土壤的热通量达到抑制水分蒸发的目的，弃渣体积比例达到50%时蒸发量最小为35.98 mm，弃渣体积比例超过50%时ZW对土壤水分保有能力弱于LS；SS覆盖既未形成干燥表层，也未降低表层土壤热通量，而是在土壤与大气之间的形成隔膜抑制水分蒸发，但膜下高温积累也会产生一定的水分蒸发，同一土壤条件下覆盖SS其蒸发量和蒸发速度均未达到最优。

结合土壤累计蒸发量和蒸发速度分析发现，同一配比条件下，蒸发速度随累计蒸发量增加而变慢，说明覆盖物不仅可有效降低土壤水分蒸发，还具有一定减缓蒸发速度的能力，而T5条件下不符合这一规律，CK(34.57 mm)累计蒸发量高于其他覆盖处理，其0.84 mm/d的蒸发速度低于SS的0.99 mm/d和ZW的1.05 mm/d，原因在于该处理水分蒸发集中于试验开始前期，中期和后期水分蒸发微弱。