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        不同重構(gòu)方式下古交典型礦區(qū)土壤持水性差異研究

        2022-11-23 03:07:56周楊楊永剛

        周楊,楊永剛

        (1.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

        0 引言

        土壤持水性是土壤水源涵養(yǎng)功能最重要的因素之一,其制約著土壤對水的貯存與吸附,尤其是受損礦區(qū),土壤水分是穩(wěn)定礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子[1]。采礦過程表土剝離,土體開挖、運(yùn)輸與煤矸石壓占致使礦區(qū)植被破壞嚴(yán)重、土壤結(jié)構(gòu)與水文性質(zhì)發(fā)生明顯改變。由于人為采礦活動(dòng)影響,受損礦區(qū)土壤容重被壓實(shí)增大,土壤持水能力差,土壤生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力低下,處于嚴(yán)重退化狀態(tài)[2]。受損土壤生態(tài)修復(fù)一直是礦區(qū)亟待解決的科學(xué)問題。重構(gòu)后的土壤條件決定著生態(tài)修復(fù)成敗與產(chǎn)生效益的高低,提高礦區(qū)土壤持水能力是土壤基質(zhì)重構(gòu)中重要的一環(huán),通過土壤重構(gòu)措施恢復(fù)礦區(qū)被擾動(dòng)土壤的水文性質(zhì),其對之后植被生長、溶質(zhì)運(yùn)移以及土壤環(huán)境的變化起著至關(guān)重要的作用[3]。根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有土壤基質(zhì)條件,將固體廢棄物煤矸石與保水劑列為重構(gòu)材料重新構(gòu)造土壤物理結(jié)構(gòu)性質(zhì),不僅減少煤矸石因無效利用堆積壓占對礦區(qū)土壤破壞,還可在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)和提高礦區(qū)土壤水文性質(zhì),因此,確定土壤重構(gòu)方式在礦區(qū)土壤水文修復(fù)中不僅具有重大意義,還是土壤修復(fù)過程中的核心任務(wù)與研究重點(diǎn)。

        國內(nèi)外學(xué)者多通過人為干預(yù)改善土壤環(huán)境進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究,研究工作多集中在采用不同試驗(yàn)方案(植物群落構(gòu)建,植物物種選配和提升土壤肥力等)改善礦區(qū)受損土壤環(huán)境[4-6],一些學(xué)者注重植被群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù),但效果并不理想。在北方半干旱地區(qū),水土流失、土壤水分蓄存量不足一直是植物作物生長的制約因素。相比自然恢復(fù),人工造林并不適宜加速土壤生態(tài)修復(fù),還可能因?yàn)橥寥莱休d力不足造成植被退化。有些學(xué)者認(rèn)為土壤基質(zhì)恢復(fù)是決定生態(tài)修復(fù)成果的重要保證,因此需要不斷提升土壤肥力,進(jìn)而加快土壤理化性質(zhì)的修復(fù)進(jìn)程[7-8],由于礦區(qū)土壤退化嚴(yán)重,植被破壞程度較大,上述方法需要數(shù)十年甚至更長時(shí)間才能恢復(fù)土壤水文環(huán)境。嚴(yán)重受損的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)需要與礦區(qū)采礦工藝、地質(zhì)條件、土地恢復(fù)方向相適應(yīng),明確如何通過重構(gòu)礦區(qū)土壤提升持水性,為構(gòu)建適宜的植被群落以改善退化生態(tài)系統(tǒng),使重構(gòu)土壤最終發(fā)育并具有較好組分構(gòu)造具有研究意義。王志剛等[9]通過對露天礦區(qū)排土場的土壤重構(gòu),發(fā)現(xiàn)黏土與表土進(jìn)行1∶2配比不僅提高了土壤生產(chǎn)力和土壤持水性,在后期種植植物試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)重構(gòu)土壤種植下的三葉草可以提高生物量以及對氮、磷、鉀的吸收。Dunsford等[10]考慮了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)工藝可能造成的固體廢棄物影響,將硫化鐵礦中的泥炭作為重構(gòu)土壤成分,發(fā)現(xiàn)能夠提高荒地的土壤肥力和持水性能。礦區(qū)土壤水文性質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且大多煤礦區(qū)受損極其嚴(yán)重,探究不同土壤重構(gòu)方式對礦區(qū)土壤水文的影響,對改善礦區(qū)土壤生態(tài)水文環(huán)境及其對后期植物群落構(gòu)建具有指導(dǎo)作用。

        目前關(guān)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究多集中于單因素或多因素對原有土壤水文系統(tǒng)的影響,通過重構(gòu)土壤水文性質(zhì)來改善礦區(qū)土壤水文環(huán)境方面研究相對較少。本研究將山西古交煤礦區(qū)表土、煤矸石以及保水劑作為重構(gòu)試驗(yàn)材料,通過表土、煤矸石、保水劑室內(nèi)環(huán)刀充填實(shí)驗(yàn),闡明不同重構(gòu)方式下土壤持水性的差異規(guī)律,揭示土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量與重構(gòu)土壤持水能力之間的關(guān)系,以期尋求最佳土壤重構(gòu)模式,為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)土壤基質(zhì)重構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于山西省古交礦區(qū),地處112°03′30″—112°06′12″E,37°56′35″—37°59′3″N,屬溫帶大陸性氣候,年平均氣溫9.6℃,年平均降水量426.1 mm,降雨集中在7—9月,年平均蒸發(fā)量2 093.8 mm。地形以山地為主,山地丘陵面積占全區(qū)面積的95.8%。研究區(qū)煤炭資源豐富且分布廣泛,占總面積的47.6%。目前研究區(qū)正在進(jìn)行矸石山削坡、覆土治理,進(jìn)行擋矸墻、防洪排水建設(shè)以及生態(tài)綠化與周邊矸石清理等工程,并種植油松、刺槐、沙棘等苗木進(jìn)行植被修復(fù)。

        1.2 樣品采集與重構(gòu)方案

        2019年5月至2019年8月在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行樣品采集,清除土壤表面覆蓋物,采集0~30 cm表土與礦區(qū)堆積的小粒徑煤矸石,表土與煤矸石樣品裝入鋁盒后封裝,運(yùn)回山西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi),在烘箱105℃條件下烘干12 h,確保表土與煤矸石內(nèi)無殘留水分,隨后將表土和煤矸石使用粉碎機(jī)進(jìn)行打碎研磨,煤矸石過5 mm孔徑網(wǎng)篩選取小粒徑進(jìn)行試驗(yàn),選用煤矸石粒徑為0~5 mm,重構(gòu)土壤所用的保水劑為北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供的BJ-2101S型號,白色顆粒狀,粒徑大小為0.1 mm~0.25 mm,是經(jīng)過脫鈉處理的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂材料。

        表1 重構(gòu)土壤基質(zhì)理化性質(zhì)Table 1 Physical properties of reconstructed soil

        表2 重構(gòu)土壤基質(zhì)土壤質(zhì)地Table 2 Soil texture of reconstructed soil matrix

        于2019年8月至9月用100 cm3環(huán)刀進(jìn)行土壤重構(gòu)填裝試驗(yàn),在環(huán)刀內(nèi)通過控制煤矸石土壤復(fù)配總量分層充填,進(jìn)行不同容重(1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3),不同煤矸石土壤復(fù)配比(1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5),不同保水劑添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.5%、1.0%)進(jìn)行試驗(yàn),為三因素不同水平完全組合實(shí)驗(yàn),共設(shè)置60組不同土壤重構(gòu)方式,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,共180個(gè)土樣。重構(gòu)土壤采用千分之一天平按照設(shè)計(jì)配比,將過篩的煤矸石、表土基質(zhì)以及保水劑稱重,充分均勻混合后充填到環(huán)刀內(nèi)(以容重1.3 g/cm3、煤矸石土壤復(fù)配比1∶9,保水劑添加量0.1%為例,稱量13.0 g煤矸石、117.0 g表土基質(zhì)以及0.13 g保水劑進(jìn)行100 cm3環(huán)刀充填)。本實(shí)驗(yàn)采用分層壓實(shí)法進(jìn)行充填,每2 cm充填一層,并采用與環(huán)刀橫截面積相同的夯土器壓實(shí)土樣,壓實(shí)后用毛刷將表層刷成粗糙狀。測定180個(gè)土樣的毛管持水量、15 d重構(gòu)土壤表面蒸發(fā)量。

        重構(gòu)土壤填裝至環(huán)刀后,其下端置于裝有水的托盤內(nèi),在托盤內(nèi)使水分與環(huán)刀等高,隔天將環(huán)刀取出,在環(huán)刀上方放置棉花塞防止其蒸發(fā)并稱重,此時(shí)為重構(gòu)土壤的飽和持水量。將測定飽和持水量后的環(huán)刀放置至干燥的砂石上,每隔1 h更換砂石并記錄重量,環(huán)刀下側(cè)用濾紙包裹。當(dāng)更換砂石時(shí)環(huán)刀與土壤總重不變時(shí)記錄其質(zhì)量即為重構(gòu)土壤毛管持水量;

        式中:W為毛管持水量;M為濕土與環(huán)刀總重(g);G為環(huán)刀重量(g);ρ為土壤容重(g/cm3);V為環(huán)刀體積(cm3)。

        在浸水試驗(yàn)中,環(huán)刀一側(cè)由密封蓋密封,有孔隙一側(cè)的環(huán)刀蓋下用濾紙覆蓋,使重構(gòu)土壤在浸水后僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,總體積保持100 cm3不變。毛管持水量記錄完成后,維持恒溫25℃、恒濕40%條件下蒸發(fā)15 d,期間隨機(jī)更換不同環(huán)刀之間的位置以減少位置不同所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差,每隔24 h記錄一次所有環(huán)刀的重量。蒸散發(fā)過程中土壤持水量采用逐日稱重記錄。

        1.3 數(shù)據(jù)分析處理

        運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)分析確定毛管持水量、15 d土壤水分蒸發(fā)量、容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量等因子之間的關(guān)系;采用多元逐步回歸分析不同容重、不同煤矸石土壤復(fù)配比、不同保水劑添加量的土壤重構(gòu)方式下毛管持水量與此三因素的關(guān)系,對擬合的回歸方程根據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則AIC(Akaike Information Criterion)進(jìn)行篩選,使其擬合度最高,AIC值最小。數(shù)據(jù)分析處理及圖件制作均通過Origin Pro 2016、R studio及R 3.5.3進(jìn)行。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤水分與各控制變量間關(guān)系

        各組別之間土壤毛管持水量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。各個(gè)組別之間平均值差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,由試驗(yàn)結(jié)果來看,重構(gòu)土壤持水量與各控制變量間均有聯(lián)系并且密切相關(guān)。在相同吸水試驗(yàn)處理方式下,不同重構(gòu)方式重構(gòu)土壤毛管持水量具有顯著差異。重構(gòu)土壤毛管持水量整體趨勢隨著重構(gòu)土壤容重、煤矸石含量的增加而降低,重構(gòu)土壤毛管持水量隨保水劑添加量增加呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定甚至降低的趨勢。方差分析結(jié)果表明:土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量對重構(gòu)土壤持水量的影響均達(dá)到了顯著水平。

        表3 不同重構(gòu)方式下重構(gòu)土壤毛管持水量Table 3 Soil capillary water-holding capacity of new structure under different reconstruction methods

        2.2 重構(gòu)土壤持水性變化

        土壤持水量隨時(shí)間變化關(guān)系見圖1,土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量影響著重構(gòu)土壤持水能力。在不考慮深層滲漏的情況下,土壤蒸發(fā)是土壤失水的主要形式,本研究測定了不同重構(gòu)方式下土壤15 d的土壤水分含量變化過程。蒸發(fā)試驗(yàn)組在15 d數(shù)據(jù)記錄后3 d土壤水分含量幾乎已不發(fā)生變化,且其他試驗(yàn)組在此期間水分含量變化趨勢不明顯,因此,確定測定重構(gòu)土壤持水時(shí)長為15 d。圖1表明,隨時(shí)間增長,土壤含水率均呈遞減趨勢。在相同煤矸石土壤復(fù)配比、相同保水劑添加量條件下,重構(gòu)土壤容重增大時(shí),重構(gòu)土壤水分含量逐漸變小。在相同容重、相同配比條件下,保水劑添加量增加時(shí),重構(gòu)土壤中的毛管持水量大于保水劑添加量相對小的重構(gòu)土壤,土壤水分到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間也相對延長。在相同容重、相同保水劑添加量下,當(dāng)土壤水分達(dá)到飽和時(shí),除重構(gòu)土壤(容重1.4 g/cm3,保水劑添加量0.2%)不同復(fù)配比例土壤持水量呈現(xiàn) 2∶8>1∶9>3∶7>4∶6>5∶5,其他重構(gòu)土壤持水量均顯示 1∶9>2∶8>3∶7>4∶6>5∶5,前項(xiàng)結(jié)果的出現(xiàn)可能是由于重構(gòu)土壤容重對土壤持水量影響小于煤矸石土壤復(fù)配比對其的影響。15 d自然狀態(tài)蒸發(fā)后,重構(gòu)土壤(保水劑添加量0.5%、1.0%)持水量都處于5%~10%范圍區(qū)間內(nèi),重構(gòu)土壤(保水劑添加量0.1%、0.2%)持水量都在0~5%范圍區(qū)間內(nèi)。在此后的試驗(yàn)中,重構(gòu)土壤(保水劑添加量0.5%)水分蒸發(fā)達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為20 d~25 d,重構(gòu)土壤(保水劑添加量1.0%)水分蒸發(fā)達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間大于30 d。

        圖1 不同重構(gòu)類型土壤持水量與蒸發(fā)天數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationships between soil water contents and evaporation days under different reconstructed types

        2.3 持水量與影響因素關(guān)系分析

        以重構(gòu)土壤毛管持水量(Y)作為因變量,以控制因子土壤容重(X1)、煤矸石土壤復(fù)配比(X2)、保水劑添加量(X3)作為自變量,建立多項(xiàng)式回歸方程:

        重構(gòu)土壤保水劑添加量確定時(shí),容重越接近 1.3 g/cm3(1.3 g/cm3~1.5 g/cm3范圍內(nèi)),煤矸石土壤重構(gòu)比例越接近 1∶9(1∶9~5∶5范圍內(nèi)),重構(gòu)土壤毛管持水量越大;在土壤容重和煤矸石土壤復(fù)配比例確定時(shí),根據(jù)拋物線函數(shù)求極值可知保水劑添加量處于0.1%~0.86%范圍內(nèi)時(shí),保水劑添加量越高,土壤持水量就越高;保水劑添加量為0.86%~1.0%時(shí),保水劑添加量越高,重構(gòu)土壤持水量則越低。不同重構(gòu)方式下土壤毛管持水量見圖2。

        圖2 不同重構(gòu)方式土壤持水量與控制因子間的關(guān)系Fig.2 Relationships between soil water contents and control factors under different reconstructed types

        3 討論

        3.1 不同重構(gòu)方式對土壤持水性的影響

        提升土壤持水能力是礦區(qū)受損土壤恢復(fù)的重要路徑之一。通過土壤重構(gòu)方式能改變土壤水文性質(zhì),提高土壤持水性能,并減少煤矸石堆積產(chǎn)生的一系列環(huán)境問題。土壤容重是土壤礦物、土壤有機(jī)質(zhì)、空氣與水孔隙等組分密度的加權(quán)平均值[11]。重構(gòu)土壤通過填充煤矸石實(shí)現(xiàn)廢物利用并且改善土壤環(huán)境;添加保水劑能夠根據(jù)其保水特性改善土壤貯存水分的方式,改良土壤結(jié)構(gòu),使土壤獲得更好的持水能力。本研究結(jié)果表明:重構(gòu)土壤煤矸石土壤復(fù)配比、保水劑添加量相同時(shí),重構(gòu)土壤容重增加,土壤毛管持水量降低,這是因?yàn)殡S著土壤容重的增加,重構(gòu)土壤內(nèi)部固相比例增高,氣相與液相比例下降,由于空間限制貯存在土壤中的液態(tài)水比例降低。當(dāng)重構(gòu)土壤容重、保水劑添加量相同時(shí),煤矸石在重構(gòu)土壤中含量越高土壤持水量越低,這是由煤矸石不吸水的性質(zhì)所決定;重構(gòu)土壤中煤矸石不具備貯存水分的能力,煤矸石含量越多,重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)越松散,土壤持水性能越低。當(dāng)重構(gòu)土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比相同時(shí),毛管持水量由于保水劑添加量不同出現(xiàn)差異,保水劑吸水后膨脹并將水分貯存在重構(gòu)土壤內(nèi)部,但添加量過多會導(dǎo)致保水劑吸水不充分,從而產(chǎn)生一定的間隙降低土壤持水性能。與表土基質(zhì)相比,煤矸石粒徑較大,為保水劑吸水膨脹提供了較大的孔隙,使保水劑吸水后具有較大空間用于儲存水分,因此,在重構(gòu)土壤中添加保水劑有利于改善土壤水文性質(zhì),彌補(bǔ)了重構(gòu)土壤中煤矸石不吸水的問題,提高了土壤水分含量,并且保水劑緩釋水分的特性為減緩?fù)寥浪稚⑹в兄匾饔谩?/p>

        重構(gòu)土壤中煤矸石含量越高,土壤持水量越低,同時(shí)土壤水分蒸發(fā)速率也會降低,在蒸發(fā)過程中達(dá)到緩慢釋水的效果;煤矸石質(zhì)量含量越低,在保水劑水分散失后土壤會形成更多孔隙,增加了空氣與重構(gòu)土壤的接觸面積,土壤水分蒸發(fā)過程中水分散失速率加快,15 d后土壤水分都趨近于零。保水劑添加量在達(dá)峰值前(0.86%),雖然重構(gòu)土壤持水量會隨保水劑添加量增加而提高,但并不會降低土壤水分蒸發(fā)速率,這是由于保水劑釋水后會縮小體積,土壤表面更多裸露在空氣中,水分隨空氣流動(dòng)散失。

        諸多研究表明土壤持水量與保水劑添加量關(guān)系呈一定比例增長[12],也有研究表明保水劑的施用量過多會制約保水性能,反而加快土壤表層水分的蒸發(fā)[13]。添加保水劑能夠有效吸附進(jìn)入土壤的水分,并在長時(shí)間內(nèi)保持快速吸水并緩慢釋水特性。尋找最佳保水劑添加量,是為植物生長提供有利水文條件,為礦區(qū)生態(tài)水文修復(fù)提供解決方法的有效途徑。本研究結(jié)果表明:當(dāng)保水劑用量增加到一定比例后,土壤毛管持水量并不會隨著保水劑添加量的增加而增加,甚至降低,這是由于保水劑添加過量時(shí)土壤過于密實(shí),缺乏足夠的孔隙供以保水劑吸水膨脹。因此,保水劑吸水膨脹的特性和煤矸石土壤重構(gòu)提高土壤孔隙度具有良好的因果關(guān)系。

        3.2 重構(gòu)土壤持水影響因素分析

        土壤重構(gòu)在時(shí)間尺度上不僅能夠有效且快速提高固體廢棄物的再利用,而且可以恢復(fù)和提高重構(gòu)土壤的生產(chǎn)力,改善土壤水文條件,相對于自然恢復(fù)所需要的數(shù)十年時(shí)間,土壤重構(gòu)能夠大大縮短生態(tài)恢復(fù)時(shí)間。因此,生態(tài)恢復(fù)重建初期土壤重構(gòu)能夠達(dá)到“邊開采,邊治理”的恢復(fù)效果。在土壤重構(gòu)修復(fù)過程中,土壤是否能夠長時(shí)間蓄持水分是對土壤修復(fù)效果評價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。土壤重構(gòu)可以提高其表層的持水保水性能,并減少降雨沖刷對表層土的破壞,穩(wěn)固區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)。保水劑顆粒在充分吸水后,改變了水分蒸發(fā)時(shí)所需的熱量,水分散失所需熱量變高進(jìn)而達(dá)到持水效果。呂國華等[14]分析了保水劑顆粒在完全吸水飽和后在干土中的保水效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)保水劑吸附的水分能夠完全緩慢釋放給干旱條件下的土壤,增長水分在土壤中的保留時(shí)長。楊浩等[15]認(rèn)為保水劑添加量高于0.75%時(shí),土壤水分狀況與保水劑添加量低于0.75%時(shí)具有顯著差異。本研究結(jié)果與該文章類似,本研究得出當(dāng)容重、煤矸石土壤復(fù)配比統(tǒng)一時(shí),保水劑添加量為重構(gòu)土壤總重的0.86%時(shí)保水性與其余添加量相比最具有保水性,短期時(shí)間內(nèi)能夠減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)速率,提高土壤持蓄水能力,這對干旱半干旱礦區(qū)生態(tài)修復(fù)非常重要。

        Cao等[16]研究表明以0.25%~2.0%的重量混合比將保水劑添加到土壤中,與未添加保水劑的土壤相比土壤持水量提高19.2%~33.5%,并發(fā)現(xiàn)保水劑在夏季可降低土壤溫度以減少水分蒸發(fā)散失;Li等[12]研究表明保水劑更能夠延長土壤持水時(shí)長,且隨保水劑用量的增大而變長,這是由保水劑的特性所決定的[13],這與本研究結(jié)論一致。本研究結(jié)果表明:隨著保水劑添加量增加,土壤持水量不能明顯增加,甚至當(dāng)保水劑添加量增加過多時(shí)還會使得持水量下降,這是由于所選取的保水劑為小顆粒狀,吸水后以球狀漲大,保水劑添加量過多時(shí)吸水膨脹后相互擠壓導(dǎo)致每粒保水劑小球間留有更大的孔隙,保水劑添加量雖然高;但是每粒保水劑由于相互擠壓并不能充分吸水漲大,穩(wěn)定留存在重構(gòu)土壤中的水分并不會因?yàn)楸K畡┨砑恿康脑黾佣掷m(xù)增加。當(dāng)保水劑添加量為1.0%、0.5%的重構(gòu)土壤在15 d自然條件下蒸發(fā),土壤持水量始終高于保水劑添加量為0.2%、0.1%的重構(gòu)土壤,增加保水劑添加量可有效減緩重構(gòu)土壤的水分散失速率。

        3.3 土壤持水性與重構(gòu)因子間關(guān)系分析

        對于受損生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù),一些學(xué)者強(qiáng)調(diào)土壤基質(zhì)是決定生態(tài)修復(fù)成果的重要保證[17]。本研究認(rèn)為植被生長雖然對土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有良好效果,但由于礦區(qū)土壤損毀嚴(yán)重,需通過土壤基質(zhì)重構(gòu)修復(fù)改善土壤水文條件,使重構(gòu)土壤水文條件適合植物生長需要。確定重構(gòu)土壤的容重、煤矸石土壤復(fù)配比與保水劑添加量不僅能夠減少礦區(qū)矸石堆積產(chǎn)生的環(huán)境問題,還可以改良土壤蓄持水分的能力。不同的容重、煤矸石土壤復(fù)配比及保水劑添加量能夠有效改變土壤的毛管持水量。重構(gòu)土壤中,毛管持水量隨煤矸石含量減少,保水劑添加量增高而增高,煤矸石占比過低會導(dǎo)致土壤蒸發(fā)速率提高,重構(gòu)土壤水分散失過程加快,所以在選擇重構(gòu)土壤的容重、煤矸石土壤復(fù)配比和保水劑添加量時(shí),應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤辍⑼寥浪盅a(bǔ)充來源等來確定。

        在土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比確定的情況下,添加保水劑可提高土壤毛管持水量,進(jìn)而為植物生長創(chuàng)造良好環(huán)境[18]。土壤持水能力受土壤理化性質(zhì)以及氣象因素等影響,其容重、粒度等因素會改變土壤孔隙狀況。本試驗(yàn)以三元二次多項(xiàng)式擬合土壤容重(X1)、煤矸石土壤重構(gòu)比例(X2)、保水劑添加量(X3)與土壤毛管持水量(Y)的關(guān)系,通過逐步回歸分析,得到擬合度最優(yōu)方程為:Y=0.557-0.195X1-0.026X2+0.201X3-0.117X32,并 且 X1、X2、X3、X32均達(dá)到了極顯著水平(P< 0.01),說明土壤容重、煤矸石土壤復(fù)配比以及保水劑添加量對土壤毛管持水量的大小起關(guān)鍵作用,本模型的二次項(xiàng)系數(shù)小于零,說明保水劑添加量在施用時(shí)存在一個(gè)值,在添加量大于此值時(shí)反而會降低土壤的持水量。同時(shí)可知各變量之間的交互作用并不明顯,即當(dāng)不同重構(gòu)方式下自變量間的關(guān)系對土壤的持水量影響并不大。由此可以得出保水劑添加量需要在適宜的范圍內(nèi)施用,過少施用不會起到預(yù)期效果,過多施用不僅會增加重構(gòu)土壤構(gòu)成成本,還會因?yàn)橹貥?gòu)土壤氣相部分減少造成“濕害”,降低土壤的持水能力。在土壤重構(gòu)中,選取適當(dāng)?shù)耐寥廊葜?,有利于調(diào)整重構(gòu)土壤固、液、氣三相的比例關(guān)系;確定適宜的煤矸石土壤復(fù)配比,有助于減少礦區(qū)固體廢棄物的堆積,并且協(xié)助調(diào)整土壤液相、氣相大小;添加適量的保水劑,以求最大程度增加重構(gòu)土壤蓄持水能力。

        4 結(jié)論

        (1)從逐步回歸方程看,土壤重構(gòu)方式為容重1.3 g/cm3,煤矸石土壤復(fù)配比為1∶9,保水劑添加量為0.86%時(shí),重構(gòu)土壤具有顯著于其他重構(gòu)方式的持水性能,有效增加了土壤的保水性。此外,土壤毛管持水量總體隨容重增大、煤矸石質(zhì)量含量比例增大而減小,但隨保水劑添加量增加呈現(xiàn)先增高后降低的變化。

        (2)土壤持水能力受保水劑添加量影響極顯著(P<0.01),保水劑在土壤中表現(xiàn)出良好的保水與釋水性能。根據(jù)模擬分析預(yù)測,重構(gòu)土壤毛管持水量隨保水劑添加量增大表現(xiàn)為先增大后減小,重構(gòu)土壤毛管持水量在保水劑添加量為0.86%時(shí)出現(xiàn)最大值。自然狀態(tài)下蒸發(fā)15 d后,保水劑添加量為0.1%,0.2%,0.5%和1.0%的重構(gòu)土壤持水量分別為1.4%,2.2%,6.3%和6.6%;在無外界水源補(bǔ)給的情況下,保水劑添加量為1.0%的重構(gòu)土壤水分達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)最長歷時(shí)30 d。氣候長期干燥無雨時(shí),保水劑能夠有效從土壤中吸收水分,在無水源補(bǔ)給時(shí)減少土壤水分蒸發(fā),繼而增加重構(gòu)土壤水分的貯存時(shí)間。

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