徐韓笑，曹銀貴,2①，羅古拜，白中科,2

〔1.中國地質(zhì)大學(北京)土地科學技術(shù)學院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035〕

露天開采是國際上主要產(chǎn)煤國家資源開發(fā)的重要方法，其產(chǎn)量占比一般在50%以上，有的國家甚至超過90%[1]。煤炭資源的大規(guī)模開采，一方面滿足經(jīng)濟建設(shè)需要，另一方面給局部地區(qū)帶來眾多生態(tài)環(huán)境和社會問題[2-4]。露天礦區(qū)在開采過程中，產(chǎn)生大量剝離物，開采形成的排土場是露天礦區(qū)最主要高生態(tài)風險區(qū)，極易導致人為水土流失，破壞礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，進而引發(fā)各種環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。因此，礦區(qū)排土場復墾對露天礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展有不可替代的意義[5-7]。在礦區(qū)土地復墾過程中，土壤物理性質(zhì)對礦區(qū)土地復墾效果具有顯著影響，對植被重建和生態(tài)恢復起決定性作用[8-11]。土壤容重是土壤重要物理性質(zhì)，是衡量土壤緊實度和土壤肥力的重要指標之一，對研究土壤持水保肥能力具有不可或缺的意義[12]。

復墾過程中，礦區(qū)排土場土壤容重因機械反復碾壓極易增大[13-18]，土壤緊實度過大，孔隙度變小，進而影響植被生長,影響礦區(qū)復墾進程。同時，重構(gòu)土壤典型物理性質(zhì)空間分異特征明顯，而傳統(tǒng)土壤采樣方法的采樣深度和采樣數(shù)量受復墾地障礙限制，給科學揭示土壤空間分異特征及形成機制帶來一定困難，并且傳統(tǒng)土壤采樣方法對土壤破壞性大，操作繁瑣，不適于大范圍使用[19-21]。探地雷達是近年發(fā)展起來的一種探測地下目標的無損探測技術(shù)，與其他常規(guī)地下探測方法相比，具有探測速度快、探測過程連續(xù)、分辨率高、操作方便靈活等優(yōu)點[22-23]。目前，探地雷達在國內(nèi)外土壤探測方面的應(yīng)用逐漸展開，而在礦區(qū)尤其是大型露天礦區(qū)重構(gòu)土壤探測的應(yīng)用較少，特別對礦區(qū)重構(gòu)土壤容重的研究較少。已有研究主要針對探地雷達無損探測技術(shù)的理論層面[23-24]，通常采用實驗室設(shè)計實驗構(gòu)造出具有單一變量的樣本。有研究[25-26]表明土壤體積含水率對介質(zhì)的介電常數(shù)影響較大，只有在土壤體積含水率低于0.5%條件下，介電常數(shù)與介質(zhì)容重呈顯著正相關(guān)。但在實際應(yīng)用過程中，土壤體積含水率低于0.5%的情況極少，而針對其他土壤含水條件下土壤容重與介電常數(shù)相關(guān)關(guān)系的研究較少[27]，導致探地雷達在探測土壤容重方面應(yīng)用推廣的理論依據(jù)不夠充分。

因此，以中煤平朔安太堡露天礦區(qū)南排土場、西排土場、西排土場擴大區(qū)和內(nèi)排土場為研究區(qū)域，以復墾土地重構(gòu)土壤容重數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對比分析法、顯著性分析法和擬合分析法對黃土露天礦區(qū)復墾地重構(gòu)土壤容重變化規(guī)律進行研究，分析黃土露天礦區(qū)重構(gòu)土壤容重總體特征和深度特征，以及不同重構(gòu)土壤容重在探地雷達圖像上的差異，驗證探地雷達技術(shù)應(yīng)用在重構(gòu)土壤容重研究中的可行性，建立基于探地雷達圖像的重構(gòu)土壤容重-介電常數(shù)擬合模型，旨在為利用探地雷達圖像進行快速無損探測重構(gòu)土壤容重及精準復墾提供有力支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于山西省朔州市，地處北緯39°23′～39°37′、東經(jīng)112°10′～113°30′，礦區(qū)總面積為380 km2，屬于溫帶半干旱大陸季風性氣候區(qū)，地帶性植被類型屬于干草原植被(圖1)。研究區(qū)是中煤平朔安太堡露天礦區(qū)的排土場，海拔高度為1 360～1 465 m，地帶性土壤主要為黃棉土、栗鈣土和紅黏土，呈微堿性和堿性，土壤有機質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)差，抗蝕能力弱。研究區(qū)于1985年開始進行初級土地復墾工作，迄今已經(jīng)持續(xù)30余年。南排土場屬于土石混排類型，其中粒徑≥50 mm的巖石占46.98%，粒徑為5～<50 mm的礫石占15.48%，粒徑<5 mm的礫石、土砂占37.54%，采用“草-灌-喬”的植被配置模式進行復墾[28-30]。西排土場、西排土場外擴區(qū)和內(nèi)排土場分別于2000、2005和2010年相繼開始復墾工作，主要復墾為草地和林地，種植作物為檸條、紫花苜蓿、小葉楊、刺槐、榆樹和油松等。

研究區(qū)地處黃土高原東部，冬春季節(jié)干旱多風，夏秋季節(jié)降水集中，年蒸發(fā)量超過降水量的4倍[30]。區(qū)域土壤物理風化強烈，侵蝕嚴重，較為貧瘠，土體干旱，土質(zhì)偏沙，是黃土高原典型生態(tài)脆弱區(qū)[14]。在此地區(qū)進行大規(guī)模露天開采，更是加劇了水土流失。

1.2 樣方設(shè)置與剖面建立

綜合考慮研究區(qū)氣候與土地覆蓋情況，于2018年5月在中煤平朔安太堡露天煤礦南排土場西側(cè)共設(shè)置5個樣點進行實地采樣,于2019年5月在內(nèi)排土場、西排土場和西排土場擴大區(qū)分別設(shè)置3個樣點進行實地采樣，并采用GPS記錄樣方中心點坐標，同時記錄樣點高程、地形、坡度、坡向以及植被類型和生長狀況。在4個排土場分別選取3個樣點，盡量保證選取的12個樣點處于近似高程，同時環(huán)刀取樣法只適用于純土壤剖面，因此只選擇純土壤剖面樣點，選取的樣點為南排土場(S1、S3、S4)、西排土場(W1、W2、W3)、西排土場擴大區(qū)(WK1、WK2、WK3)和內(nèi)排土場(N1、N2、N3)，具體分布情況見圖1。

排土場平臺傾斜角度在0～2°之間，直接在平臺上設(shè)置10 m×10 m的大樣方；在排土場邊坡上的大樣方寬度設(shè)置為10 m，樣方長度根據(jù)邊坡坡度確定，使其水平方向上也為10 m。在大樣方內(nèi)隨機設(shè)置1個1 m×1 m的小樣方，清理土壤表面植物殘留物和雜質(zhì)，在小樣方內(nèi)制作土壤剖面，剖面平均深度為60 cm。采用環(huán)刀(體積為100 cm3)在每個土壤剖面上分層采集0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～50和>50～60 cm土層樣品，同時對各土層樣品進行編號、保存。對采集的土層樣品立即稱重，并記錄土樣濕重?；氐綄嶒炇液髮⑼翗臃湃?05 ℃烘箱烘烤8 h至恒重，重復3次，計算土壤容重。土壤容重計算公式為

(1)

式(1)中，ρ為土壤容重，g·cm-3；V為環(huán)刀體積，100 cm3；m為環(huán)刀質(zhì)量，g；M為環(huán)刀和烘干土樣總質(zhì)量，g。

土壤孔隙度為土壤中孔隙體積與土壤體積的比值，其計算公式為

(2)

式(2)中，n為土壤孔隙度；2.65為土壤密度平均值，g·cm-3。

1.3 探地雷達參數(shù)確定與數(shù)據(jù)處理

探地雷達是利用電磁波的反射來探測地下介質(zhì)的一種無損探測技術(shù)。探地雷達主要由主機和天線組成，發(fā)射天線發(fā)射的電磁波在傳播過程中遇到介電常數(shù)存在差異的介質(zhì)時，電磁波在2種介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和能量衰減，使電磁波雙程走時、振幅和波形產(chǎn)生相應(yīng)改變，進而解譯出目標體形態(tài)、空間位置和結(jié)構(gòu)[19-20]。土壤剖面挖好后，在探地雷達探測面上，將管徑3、4和6 cm的鋼管分別打進剖面的不同深度，然后在地表利用探地雷達進行探測。使用探地雷達對大樣方和小樣方分別進行探測，探測時探地雷達設(shè)定電磁波在土壤中平均傳播速度為0.1 m·ns-1，介電常數(shù)為9。探測過程中采用整體增益和分段增益2種方式處理雷達數(shù)據(jù)，首先將整體增益調(diào)整到20 db,測量3次后取最優(yōu)結(jié)果，然后將分段增益調(diào)整到合適區(qū)間，同樣探測3次后取最優(yōu)結(jié)果。所用探地雷達型號為LTD-2600，頻率為900 MHz，由中國電波傳播研究所提供。采用IDSP 7.0雷達圖像處理軟件處理雷達圖像數(shù)據(jù)。

根據(jù)鋼管標定深度和傳播時間，確定電磁波在不同土壤層中傳播速度。介電常數(shù)計算公式為

(3)

式(3)中，ε為介電常數(shù)；c為光速，3.00×108m·s-1；v為電磁波信號在介質(zhì)中傳播速度，m·s-1，即土層深度與電磁波傳播時間的比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 重構(gòu)土壤容重總體特征及變化規(guī)律

將野外調(diào)研所得數(shù)據(jù)整理分析得到不同排土場重構(gòu)土壤容重，進一步計算其均值與標準差(表1)。

表1 采樣點重構(gòu)土壤容重及土壤孔隙度

W1樣點重構(gòu)土壤容重均值最小，為1.20 g·cm-3；N2樣點重構(gòu)土壤容重均值最大，達1.75 g·cm-3，兩者相差0.55 g·cm-3。同一排土場不同樣點重構(gòu)土壤容重均值之間存在差異，但差異較??；不同排土場重構(gòu)土壤容重均值之間存在明顯差異，尤其以西排土場(W1)和內(nèi)排土場(N2)之間差異最大(圖2)。

采用標準差表示樣點不同深度重構(gòu)土壤容重差異性。在0～60 cm土層，S1樣點標準差(0.24)最大，這是因為S1樣點0～10 cm土層重構(gòu)土壤容重較小，遠小于樣點平均值(1.51 g·cm-3)，而>10～60 cm土層重構(gòu)土壤容重明顯增加，尤其是>20～50 cm土層重構(gòu)土壤容重均超過1.55 g·cm-3，該樣點不同土層重構(gòu)土壤容重差異明顯；WK3樣點重構(gòu)土壤容重標準差(0.03)最小，這表明該樣點不同深度重構(gòu)土壤容重無明顯差異。

由圖2可知，分析不同排土場不同土層重構(gòu)土壤容重變化發(fā)現(xiàn)，各排土場0～10 cm土層重構(gòu)土壤容重均值由大到小依次為內(nèi)排土場、西排土場擴大區(qū)、西排土場和南排土場。各排土場>10～20、>20～30、>30～40、>40～50和>50～60 cm土層重構(gòu)土壤容重均值由大到小依次為內(nèi)排土場、西排土場擴大區(qū)、南排土場和西排土場。

2.2 利用探地雷達圖像定性分析重構(gòu)土壤容重差異

土壤容重與土壤孔隙度有關(guān)，土壤孔隙度越大，容重越小。土壤孔隙度越大，土壤中空氣越多，土壤對電磁波的吸收越不明顯，電磁波振幅也越大。同時，電磁波在傳遞過程中，遇到不同質(zhì)地時，探地雷達信號會出現(xiàn)明顯振幅反射[21]。可通過土壤孔隙度不同導致探地雷達信號圖上的差異，反演重構(gòu)土壤容重的差異。由表1可知，樣點W1土壤孔隙度均值最大，樣點N2土壤孔隙度均值最小，兩者相差0.21。所有樣點土壤孔隙度標準差均小于0.10，其中樣點S1土壤孔隙度標準差(0.09)最大，樣點WK3(0.01)最小，說明樣點WK3土壤均一性較高。所有樣點中只有樣點S3和W1土壤孔隙度均值大于0.50，標準差分別僅為0.03和0.02，說明這2個樣點土壤相對疏松。

采用IDSP 7.0雷達圖像處理軟件對各樣點雷達圖像進行校正零偏、調(diào)節(jié)零點、調(diào)整增益、整體法背景消除和滑動平均等處理，最后進行RGB調(diào)色，顏色越深表示探地雷達信號振幅越大(圖3)。大振幅信號越多，土壤孔隙度越大，重構(gòu)土壤容重越小。在0～10 cm土層，南排土場雷達圖像(對應(yīng)時間為0～1.25 ns)與內(nèi)排土場(對應(yīng)時間為0～2.00 ns)之間差異顯著，南排土場雷達圖像具有更多大振幅信號，而內(nèi)排土場雷達圖像顏色相對一致。在10～30 cm土層，西排土場雷達圖像(對應(yīng)時間為2.50～4.20 ns)與西排土場擴大區(qū)(對應(yīng)時間為2.50～4.50 ns)和內(nèi)排土場(對應(yīng)時間為2.10～4.50 ns)之間差異顯著，相對于西排土場擴大區(qū)和內(nèi)排土場，西排土場雷達圖像有較多大振幅信號，而西排土場擴大區(qū)和內(nèi)排土場雷達圖像顏色相對均一。

2.3 介電常數(shù)反演重構(gòu)土壤容重

在內(nèi)排土場(N1、N2和N3)、西排土場擴大區(qū)(WK1、WK2和WK3)以及西排土場(W1、W2和W3)各樣點分別采用直徑為3、4和6 cm鋼管測定土壤介電常數(shù)，在南排土場(S1、S3和S4)各樣點使用直徑為4和6 cm鋼管測定土壤介電常數(shù)。在雷達圖像振幅原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提取電磁波傳播走時(圖4)。39組實測重構(gòu)土壤容重數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同深度探地雷達探測參數(shù)

由于土壤體積含水率差異對介電常數(shù)影響較大，選擇土壤體積含水率小于15%的19組重構(gòu)土壤容重實測值，采用式(3)計算得到不同土層的介電常數(shù)，并利用各土層重構(gòu)土壤容重實測數(shù)據(jù)與對應(yīng)介電常數(shù)構(gòu)建擬合關(guān)系模型，擬合分析結(jié)果見圖5。

通過擬合關(guān)系可知，不同排土場重構(gòu)土壤容重與相應(yīng)介電常數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系，其擬合關(guān)系R2=0.508，P=0.001，擬合結(jié)果可信。將19組介電常數(shù)代入擬合關(guān)系模型反演重構(gòu)土壤容重(表3)。由表3可知，模型反演所得重構(gòu)土壤容重略高于實測值，由2種方式得到的重構(gòu)土壤容重差值絕對值最大為0.227 g·cm-3，最小為0.01 g·cm-3。

表3 重構(gòu)土壤容重實測值與模型反演結(jié)果對比

3 討論

3.1 不同排土場重構(gòu)土壤容重差異原因分析

研究區(qū)不同排土場重構(gòu)土壤容重大小差異明顯。有研究[14,30-31]表明，重構(gòu)土壤容重會隨復墾年限的增加而呈下降趨勢。筆者研究中，不同排土場0～60 cm實測重構(gòu)土壤容重均值由大到小依次為內(nèi)排土場、西排土場擴大區(qū)、南排土場和西排土場，南排土場在復墾時，0～20 cm深為表土，20 cm以下土壤均質(zhì)性差，重構(gòu)土壤容重明顯增加，同時植被類型為刺槐和檸條，根系主要分布于0～25 cm土層，導致40～60 cm土層重構(gòu)土壤容重較大，使得南排土場樣點重構(gòu)土壤容重均值大于西排土場。就不同排土場同一深度重構(gòu)土壤容重而言，0～10 cm土層重構(gòu)土壤容重均值隨復墾年限增加而減小，由大到小為內(nèi)排土場、西排土場擴大區(qū)、西排土場和南排土場；這是由于隨復墾年限增加，地表植被生長發(fā)育并進行自然演替，導致表土細根逐漸增加，特別是草本植物根系非常密集，植物殘渣豐富，增大了土壤孔隙[30]，從而降低了重構(gòu)土壤容重。各排土場>10～20、>20～30、>30～40和>50～60 cm土層重構(gòu)土壤容重均值由大到小為內(nèi)排土場、西排土場擴大區(qū)、南排土場和西排土場。內(nèi)排土場各土層重構(gòu)土壤容重均值均最大，這是由于內(nèi)排土場復墾年限最短，植被生長演替情況較差，土壤由粉(砂)壤土和砂質(zhì)壤土組成，因土地在平整過程中被大型機械車輛壓實，導致土壤呈片狀、塊狀，自然條件下容重發(fā)育消失[30]，且后期復墾容重修復較慢所致。

3.2 重構(gòu)土壤容重的探地雷達圖像識別

根據(jù)雷達圖像上的大振幅信號或顏色深淺差異可以定性分析土壤質(zhì)地均一性，并大致顯示出某范圍內(nèi)重構(gòu)土壤容重差異。電磁波在遇到2種電性差異較大的介質(zhì)時，在2種介質(zhì)分界面上會發(fā)生反射和能量衰減，這在探地雷達信號圖上表現(xiàn)為大振幅信號[27]，這為基于探地雷達信號圖定性分析重構(gòu)土壤容重提供了理論依據(jù)。在土壤體積含水率較低條件下，不同深度重構(gòu)土壤容重不同時，介質(zhì)的電導率或介電常數(shù)也不同。

筆者研究中，為減少土壤體積含水率對介電常數(shù)的影響，選取土壤體積含水率較接近的典型樣點進行定性分析。W2樣點>10～20、>20～30和>30～40 cm土層土壤體積含水率均為16%左右且差異較小，大振幅信號數(shù)量較少，雷達信號分布較均勻，實測結(jié)果也顯示重構(gòu)土壤容重差異較??；W3樣點>10～20、>20～30和>30～40 cm土層土壤體積含水率均為15%左右且差異較小，而>20～40 cm土層雷達圖像有較多大振幅信號，實測結(jié)果也表明>20～40 cm土層重構(gòu)土壤容重存在較大差異；WK1樣點>10～20、>20～30和>30～40 cm土層土壤體積含水率均為18%左右且差異較小，而>20～40 cm土層雷達圖像有較多大振幅信號，這與該土層重構(gòu)土壤容重實測值差異較大一致。綜上所述，利用雷達圖像對重構(gòu)土壤容重差異進行定性分析時，大振幅信號與重構(gòu)土壤容重差異之間存在相關(guān)關(guān)系，大振幅信號較多時，重構(gòu)土壤容重差異較小。但土壤體積含水率或土壤質(zhì)地差異較大時，利用該原則得到的結(jié)論有一定偏差，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

3.3 重構(gòu)土壤容重-介電常數(shù)擬合效果評價

在影響介電常數(shù)的因素中，土壤體積含水率對介電常數(shù)的影響較大[25-26]，因此筆者所選采樣時間均為非雨季，且盡量選擇處于非飽和狀態(tài)的土壤，使重構(gòu)土壤容重成為影響電磁波能量衰減的重要因素之一，避免土壤體積含水率差異過大對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。擬合結(jié)果顯示，當土壤體積含水率小于15%時，重構(gòu)土壤容重(y)與介電常數(shù)(x)之間呈正向線性相關(guān)，擬合函數(shù)為y=0.054 3x+1.019 2。筆者通過多次實地測試發(fā)現(xiàn)，土壤體積含水率小于15%條件下，重構(gòu)土壤容重對土壤介電常數(shù)的影響仍十分明顯。由擬合結(jié)果可知，土壤體積含水率小于15%條件下，重構(gòu)土壤容重隨介電常數(shù)的增大而增大，擬合關(guān)系R2為0.508 3，P值為0.001，這說明對于晉北露天煤礦區(qū)不同復墾排土場，重構(gòu)土壤容重與介電常數(shù)均存在正相關(guān)關(guān)系，這與其他對介電常數(shù)與土壤容重關(guān)系的研究結(jié)論[24]一致。

筆者在采集相關(guān)數(shù)據(jù)時，對土壤質(zhì)地影響的考慮不足，存在某一采樣土層砂質(zhì)土與黏質(zhì)土混合的情況，這增大了擬合曲線與擬合函數(shù)的誤差，未來研究可以考慮分別采集不同土質(zhì)數(shù)據(jù)，以提高擬合函數(shù)精確性。同時，筆者研究未深入討論土壤體積含水率高于15%條件下重構(gòu)土壤容重與介電常數(shù)之間的關(guān)系，如何通過技術(shù)手段有效減少過高體積含水率對介電常數(shù)的影響，使重構(gòu)土壤容重與介電常數(shù)擬合關(guān)系誤差減小，這也是未來的研究方向。

3.4 探地雷達在反演重構(gòu)土壤容重方面的可行性

早期有研究人員采用電磁波波速和振幅反演土壤容重，認為土壤容重與電磁波波速呈反比關(guān)系，與電磁波最大振幅呈負相關(guān)關(guān)系,且建立了土壤容重-介電常數(shù)數(shù)學模型，土壤容重和介電常數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[24]。綜上所述，在土壤非飽和狀態(tài)下，利用介質(zhì)電導率參數(shù)可在探地雷達信號圖上定性分析重構(gòu)土壤容重相對差異，利用介質(zhì)介電常數(shù)-重構(gòu)土壤容重模型可定量分析重構(gòu)土壤容重真實值。但多數(shù)研究只停留在實驗室驗證階段，實際應(yīng)用較少，尤其在針對礦區(qū)復墾地重構(gòu)土壤這類復雜情況時，基于探地雷達的重構(gòu)土壤容重分析往往達不到預期效果。筆者研究結(jié)果表明，當土壤體積含水率差異較小時，通過分析雷達大振幅信號分布情況可以判斷不同深度重構(gòu)土壤容重之間是否存在較大差異，雷達圖像有較多大振幅信號時，說明該深度重構(gòu)土壤容重差異明顯，大振幅信號越多，重構(gòu)土壤容重差異越大。

當土壤體積含水率小于15%時，探地雷達可實現(xiàn)對重構(gòu)土壤容重的定量分析，利用雷達圖像上電磁波傳播到設(shè)定深度處的雙程走時，可以得到電磁波在該土壤深度范圍的傳播速度，將傳播速度代入經(jīng)驗公式即可得到相應(yīng)介電常數(shù)，再根據(jù)筆者所得擬合關(guān)系，即可得到所測范圍重構(gòu)土壤容重估測值。筆者研究思路可用于與研究區(qū)具有相似氣候特點的其他露天礦區(qū)土地復墾質(zhì)量檢測工作中。但在推廣使用時，對于土壤質(zhì)地存在較大差異和土壤體積含水率大于15%的地區(qū)，該方法具有局限性，利用該方法得到的重構(gòu)土壤容重估測值可能與實際值存在較大差異。

4 結(jié)論

(1)晉北露天礦區(qū)不同復墾排土場及同一剖面不同深度重構(gòu)土壤容重差異明顯。各排土場0～10 cm土層重構(gòu)土壤容重由大到小為內(nèi)排土場、西排土場擴大區(qū)、西排土場和南排土場，重構(gòu)土壤容重隨復墾年限增長而增加。

(2)針對晉北露天礦區(qū)不同復墾排土場，根據(jù)雷達大振幅信號分布情況可定性分析重構(gòu)土壤容重相對大小。電磁波大振幅信號越多，土壤孔隙度越大，重構(gòu)土壤容重越小；雷達圖像顏色越均一，說明該范圍重構(gòu)土壤容重差異越小。

(3)針對晉北露天礦區(qū)不同復墾排土場，在土壤體積含水率小于15%條件下，可通過土壤介電常數(shù)反演重構(gòu)土壤容重，重構(gòu)土壤容重隨著介電常數(shù)增大而呈線性增加趨勢。