郭宏忠，蔣光毅，江 東，汪三樹，史東梅

(1．重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶401147;2．西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶400715)

(責(zé)任編輯 孫占鋒)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量土、石、渣被無序堆棄，而這又為水土流失的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)來源。為減少水土流失，棄土棄渣場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾逐漸成為相關(guān)專家、學(xué)者的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。棄土棄渣場(chǎng)生態(tài)修復(fù)好壞除與棄渣土壤本身性質(zhì)有關(guān)外，還與棄土棄渣的肥力狀況和持水能力關(guān)系密切［1］。棄土棄渣物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)混亂、養(yǎng)分含量較低［2，3］，雖然其通透性較好，具有較好的土壤入滲性能，但與森林土壤所表現(xiàn)出的較高入滲率還是有著本質(zhì)區(qū)別的［4，5］。為深入了解棄土棄渣土體水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，筆者選取重慶市北碚十里溫泉城項(xiàng)目區(qū)的桑樹林地及施工擾動(dòng)后形成的棄土棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)棄土棄渣和林地土壤的水分運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析研究，以期為棄土棄渣場(chǎng)生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況及樣品采集

研究區(qū)位于北碚區(qū)十里溫泉城內(nèi)(E106°23'04″、N29°51'44″)，海拔221．10 m。屬典型的山地丘陵區(qū)，土壤為黃壤。多年平均氣溫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%。研究對(duì)象為北碚區(qū)十里溫泉城施工所產(chǎn)生的不同堆置年限棄土棄渣場(chǎng)及項(xiàng)目區(qū)內(nèi)未遭到破壞的桑樹林地，選用樣地情況見表1。

表1 樣地基本情況

2013年3月中旬在棄渣場(chǎng)平臺(tái)上多點(diǎn)采集0—20 cm 土壤樣品，混合后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理性質(zhì)分析，同時(shí)選擇較為平坦的地面除去表層雜草及枯枝落葉，將雙環(huán)入滲儀(內(nèi)環(huán)直徑15 cm、外環(huán)直徑30 cm、高20 cm)打入棄渣土壤，用穩(wěn)定水壓裝置向環(huán)內(nèi)注水，進(jìn)行雙環(huán)入滲試驗(yàn)，持續(xù)90 min，每個(gè)渣場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行3 個(gè)試驗(yàn)。

1．2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定

土壤容重、孔隙度等基本物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測(cè)定，土體顆粒分級(jí)采用GZS－1 高頻振篩器測(cè)試。入滲速率采用下式計(jì)算

式中:Rt為入滲速率，mL/min;Q 為時(shí)段Δt 的入滲量，mL;S 為入滲面積，即內(nèi)環(huán)面積，cm2;Δt 為時(shí)段，min。

初滲率為最初入滲時(shí)段內(nèi)的滲透量與入滲時(shí)間的比值，本研究選取初始10 min 求算初滲率;平均滲透速率為達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量與達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間的比值;穩(wěn)滲率為滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透速率。

土壤持水能力以土壤最大持水量和非毛管持水量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［6］。計(jì)算公式為

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

2 結(jié)果與分析

2．1 棄土棄渣與林地土壤物理性質(zhì)分析

與對(duì)照林地相比，棄土棄渣土壤物理性質(zhì)差異明顯(表2)。土壤容重反映了土體的松緊程度及孔隙狀況，與土體的透氣性、入滲性能、持水能力等密切相關(guān)［7－8］。棄渣屬于典型的土石混合體，其物質(zhì)組成的復(fù)雜性使其容重值要高于對(duì)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 棄土棄渣與林地土壤物理性質(zhì)對(duì)比分析

棄渣土體孔隙度影響著土體通氣透水性和土體中水分的運(yùn)動(dòng)及貯存，與植物根系穿插的難易程度、土體中水肥氣和微生物活性關(guān)系密切，決定了棄渣場(chǎng)生態(tài)修復(fù)的難易程度［1，7］。由表2 可知，兩個(gè)棄渣場(chǎng)的土體孔隙特征與林地土壤表現(xiàn)出一定的差異性，總孔隙度和毛管孔隙度均表現(xiàn)為L(zhǎng)d＞L3a＞L1a，非毛管孔隙度表現(xiàn)為L(zhǎng)3a＞Ld＞L1a。對(duì)照林地的總孔隙度為63．94%，非毛管孔隙度為18．53%，說明林地土壤通氣性、透水性和持水性能較好;而棄渣由于地表裸露，土石混合不均勻，土體通氣性、透水性和持水性能均較差。棄渣堆放時(shí)間越長(zhǎng)，土體之間越緊實(shí)，土體孔隙結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，穩(wěn)定性越高，堆置3年的棄渣的總孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度均比堆置1年棄渣的高，說明棄渣堆放時(shí)間越久，土體孔隙結(jié)構(gòu)越好、持水性能更佳。

2．2 棄土棄渣與林地土壤入滲性能分析

入滲與土壤孔隙結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、降雨等關(guān)系密切，是土壤中水分運(yùn)動(dòng)的主要形式之一［9－10］。棄土棄渣是一種人為產(chǎn)生的土石混合物質(zhì)，其土壤水分入滲過程較特殊。棄土棄渣與林地的土壤入滲特征見圖1。

圖1 棄土棄渣與林地土壤入滲特征

研究表明，土壤水分入滲隨時(shí)間增加呈現(xiàn)逐漸減小且最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值的變化趨勢(shì)，可用Horton 公式較好地模擬描述［10］。由圖1 可知，棄土棄渣土體水分初始入滲率較大，隨著時(shí)間的推移，約45 min 后趨于穩(wěn)定。入滲過程可分為3 個(gè)不同階段:①0—10 min。入滲率下降迅速且處于較高水平，其中棄渣場(chǎng)入滲率呈現(xiàn)波動(dòng)性減小的變化趨勢(shì)。②10—45 min。入滲率降至最低值，以L1a表現(xiàn)最為明顯，從最初的35．5 mL/min 減少到12．6 mL/min，對(duì)照林地(Ld)降幅最小。該階段的入滲率隨著土壤中水分飽和度的增加而減少，說明當(dāng)土壤處于水分飽和狀態(tài)時(shí)，其非毛管孔隙中充滿水分，對(duì)土壤滲透性起決定性作用的主要為毛管孔隙。③45min 后。無論是對(duì)照林地還是棄土棄渣，均是在土壤達(dá)到完全飽和狀態(tài)后，土壤入滲率才開始達(dá)到穩(wěn)定入滲階段。與對(duì)照林地相比，棄土棄渣大約在60 min 后才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明經(jīng)過人為擾動(dòng)后，土壤的結(jié)構(gòu)和孔隙特征遭到破壞，對(duì)土壤滲透性影響較大。

土壤滲透性大小一般用土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率和一段時(shí)間的滲透總量來評(píng)價(jià)［9，11］。由圖1 可以看出，不同棄土棄渣的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率存在較大差異，L3a的初始入滲率最大，其平均為29．42 mL/min，對(duì)照林地Ld的穩(wěn)定入滲率和平均入滲率最大，分別為14．12 mL/min、17．81 mL/min。初始入滲率表現(xiàn)為L(zhǎng)3a＞L1a＞Ld，平均入滲率和穩(wěn)定入滲率表現(xiàn)為L(zhǎng)d＞L3a＞L1a。棄土棄渣初始入滲率比林地大，這主要是因?yàn)闂壨翖壴鳛橐环N人為地貌單元，土體剖面具有疏松多孔、物質(zhì)組成復(fù)雜、碎石含量較高等特點(diǎn)，入滲初期水流通過碎石間空隙快速下滲，但由于下滲水流攜帶細(xì)顆粒不斷填充碎石之間空隙，使棄土棄渣土體結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定和緊實(shí)，造成入滲率減少較大;而林地土壤未受人為因素影響，土壤孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，穩(wěn)定入滲速率較大。

2．3 棄土棄渣與林地土壤持水性能分析

由于棄土棄渣土壤結(jié)構(gòu)性差、物質(zhì)組成復(fù)雜等，導(dǎo)致其持水和蓄水能力與林地相比有顯著的差異(圖2)。

圖2 棄土棄渣與林地土壤持水性能比較

由圖2 可知，土壤最大持水量表現(xiàn)為L(zhǎng)d＞L3a＞L1a，具體為116．37、106．77、103．98 t/hm2。非毛管持水量表現(xiàn)為L(zhǎng)d＞L3a＞L1a，具體為82．65、51．74、43．22 t/hm2，對(duì)照林地分別比L1a、L3a棄渣大91．23%、59.74%。從土壤的最大持水量和非毛管持水量?jī)煞矫鎭砜矗值氐乃春B(yǎng)功能明顯強(qiáng)于棄土棄渣，而堆置3年棄渣的持水性能要高于堆置1年的。

3 結(jié) 論

(1)棄土棄渣土壤容重顯著高于林地，隨著堆放時(shí)間增加，棄渣土體更緊實(shí);棄土棄渣土質(zhì)混合不均勻?qū)е缕淇紫督Y(jié)構(gòu)較差，土壤總孔隙度、毛管孔隙度均顯著小于林地。

(2)林地與棄土棄渣入滲過程最大的差異在于初始入滲階段，棄土棄渣由于結(jié)構(gòu)疏松，入滲率較大，入滲率下降迅速且呈波動(dòng)性減少趨勢(shì)。初始入滲速率表現(xiàn)為L(zhǎng)3a＞L1a＞Ld，平均入滲率和穩(wěn)定入滲率表現(xiàn)為L(zhǎng)d＞L3a＞L1a。

(3)最大持水量表現(xiàn)為L(zhǎng)d(116．37 t/hm2)＞L3a(106．77 t/hm2)＞L1a(103．98 t/hm2);非毛管持水量表現(xiàn)為L(zhǎng)d(82．65 t/hm2)＞L3a(51．74 t/hm2)＞L1a(43．22 t/hm2)，對(duì)照林地分別比堆置1年、3年棄渣大91．23%、59．74%。總體來看，林地的水源涵養(yǎng)功能明顯強(qiáng)于棄土棄渣，而堆置3年棄渣持水性能要高于堆置1年棄土棄渣。

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