亢晨波,郭漢清,張 垚,劉 洋

(山西農(nóng)業(yè)大學林學院,030801,山西太谷)

煤矸石是煤炭開采和洗選過程產(chǎn)生的巖石廢棄物之一,其結構性差、大孔隙多、保水保肥能力差。矸石大量堆積形成的煤矸石山導致區(qū)域土壤貧瘠、氣候干燥、蒸發(fā)劇烈,對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。因此,植被恢復是礦區(qū)生態(tài)修復的重要舉措之一[1-2],而土壤水作為植被恢復的重要影響因子,關乎植被的生長及土壤環(huán)境的變化[3]。其中,在土壤水分循環(huán)過程中,入滲是至關重要的環(huán)節(jié),入滲不僅影響到地表徑流、降雨補給之外,還關系到土壤水分的再分布和各類溶質(zhì)遷移等方面[4];因此,如何提高復墾區(qū)土壤水分的利用效率,基于土壤入滲過程來揭示復墾區(qū)土壤的水源涵養(yǎng)和抗侵蝕能力,對復墾區(qū)水土流失防治和植被恢復具有重要意義。

近年來,較多學者進行了一些關于復墾區(qū)土壤入滲規(guī)律的研究并取得一定進展。李葉鑫等[5]、張耿杰[6]研究表明復墾區(qū)植被恢復能有效改善土壤密度、增加土壤有機質(zhì)含量、提高土壤的入滲性能。此外,呂剛等[7]研究表明復墾區(qū)喬灌復墾模式下土壤入滲性能強于草地復墾模式。續(xù)海龍等[8]研究表明復墾區(qū)喬木林對土壤入滲能力的改善強于荒地和耕地?？梢?目前研究多致力于分析復墾區(qū)不同植被類型對土壤入滲特征的影響[9-10],而缺乏對土壤入滲影響因子的系統(tǒng)性研究;筆者以陽泉五礦矸石復墾區(qū)為研究對象。該復墾區(qū)作為陽煤集團復墾示范工程,建成時間早、植被恢復好、保存較為完整。選取該復墾區(qū)4種主要土地利用類型:紫穗槐(Amorphafruticosa)林、楊樹(Populus)林、復墾耕地和草地,探究其不同土地利用類型土壤入滲規(guī)律及其影響因素,以期為礦區(qū)植被恢復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省陽泉市平定縣(E 112°49′～113°41′,N 37°05′～37°58′)。海拔760～906 m,地貌類型主要為中低山和黃土丘陵地形。該區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候,年均降水量為585.9 mm,夏季多雨且較為集中;年均氣溫10.8 ℃,無霜期114～180 d,最大凍土層厚度0.68 m,地帶性植被主要為暖溫帶落葉闊葉林,土壤類型主要為褐土、粗骨土、潮土和石質(zhì)土[11]。研究區(qū)原始地貌為荒溝,于2003年依據(jù)“由上向下、分層碾壓、黃土覆蓋、恢復植被”的治理方針,采用附近山體黃土對煤矸石進行復墾種植,其中平臺覆土1 m,邊坡覆土0.5 m[12]。復墾后土地類型均為林地和耕地,主要植被有垂柳(Salixbabylonica)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、蘆葦(Phragmitescommunis)、毛白楊(Populustomentosa)、紅葉李(Prunuscerasifera)和紫穗槐等[13]。耕地作物均為玉米(Zeamays) (優(yōu)迪919),管理方式按傳統(tǒng)方式進行粗放經(jīng)營,施肥為“一炮轟(結合整地播種,一次性將肥料施入土壤,生育期間不再追肥)”,中耕除草,復墾區(qū)內(nèi)無灌溉系統(tǒng),水分均來源于天然降水。

2 材料與方法

2.1 采樣與調(diào)查

于2020年7月中旬,根據(jù)試驗設計,對研究區(qū)地形地貌特征、植被生長狀況等因素進行調(diào)查。依據(jù)立地條件一致、不受外界環(huán)境干擾的原則,在復墾區(qū)同一區(qū)域(平臺,復墾年限為17 a)內(nèi)選取相鄰但之間無影響的草地(蘆葦)、紫穗槐林、楊樹林和復墾耕地作為研究對象。在4個樣地中分別布設3個標準樣地(20 m×20 m),隨后在各標準樣地的對角線及中心位置選取5個標準樣方(3 m×3 m),去除地表枯落物和土石雜物,挖掘土壤剖面,用容積200 cm3的環(huán)刀,按照0～20、20～40和40～60 cm分層取樣,每層3個重復。同時,取各剖面擾動土樣1 kg左右裝入自封袋帶回室內(nèi)風干,所測指標均為3個重復。研究區(qū)樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤密度、孔隙度等采用環(huán)刀法測定;重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量;比重計法測定土壤機械組成;濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團聚體。不同土地利用類型、土壤理化性質(zhì)見表2。土壤滲透速率采用環(huán)刀法測定,入滲試驗中對入滲速率進行10 ℃修正。參考前人研究結果[14],選取Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用經(jīng)驗方程4種常用模型對研究區(qū)4種土地利用類型土壤水分入滲過程進行擬合。

表2 不同土地利用類型土壤理化性質(zhì)比較

1)Kostiakov模型:

f(t)=at-n。

(1)

式中:f(t)為入滲速率,mm/min;a,b為擬合參數(shù),量綱為1;t為時間,min。

2)Horton模型:

f(t)=fc+(fo—fc)e-kt。

(2)

式中:fc、fo分別為穩(wěn)滲率和初滲率,mm/min;k為經(jīng)驗常數(shù)。

3)通用經(jīng)驗方程:

f(t)=at-n+b。

(3)

式中:a,b均為經(jīng)驗參數(shù);n為擬合參數(shù)。

4)Philip模型:

f(t)=0.5S-1/2+A。

(4)

式中:S為模型參數(shù),表示土壤吸水能力的強弱;A為穩(wěn)滲率,mm/min。

采用SPSS 26.0軟件進行方差分析、Duncan多重比較和Pearson相關性分析,采用Origin 2018軟件作圖。圖表數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

3 結果與分析

3.1 土壤入滲特征

通常采用初滲速率、穩(wěn)滲速率來評價土壤的滲透能力。筆者取前5 min的平均入滲速率作為初滲速率,穩(wěn)定入滲率為單位時間內(nèi)入滲量趨于穩(wěn)定時的滲透速率。由圖1可知,4種土地利用類型在不同土層間入滲速率存在差異;楊樹林、紫穗槐林、復墾耕地和草地表層土壤初滲速率依次為6.61、3.55、2.55和0.46 mm/min,穩(wěn)滲速率依次為0.89、0.51、0.35和0.08 mm/min。表層土壤初滲速率在0.46～6.61 mm/min之間,穩(wěn)滲速率在0.08～0.89 mm/min之間。其中,楊樹林下表層土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均最高,草地最低。

不同大寫字母表示同一土層和不同土地利用方式下差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示相同土地利用方式和不同土層差異顯著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant differences between the same soil layer and different land use patterns (P<0.05), and different lowercase letters indicate significant differences between the same land use methods and different soil layers (P<0.05)

3.2 土壤入滲過程模擬

由圖2可見,紫穗槐林、楊樹林、復墾耕地和草地土壤水分入滲速率隨時間的變化曲線基本相似,入滲均隨時間的延長逐漸降低并趨于穩(wěn)定。入滲速率在0～10 min之間降低最快,10～50 min逐漸平緩,在50 min左右土壤達到飽和狀態(tài),入滲速率基本不再變化。入滲速率在不同土層間表現(xiàn)出隨土層加深逐漸減小。

圖2 不同土地利用類型和不同剖面土壤入滲過程曲線

將土壤入滲速率隨時間的變化過程選取不同的入滲模型進行擬合,結果如表3和表4所示。Kostiakov模型擬合系數(shù)介于0.915～0.995之間,平均相關系數(shù)為0.973;Horton模型擬合系數(shù)介于 0.936～0.998之間,平均相關系數(shù)為0.977;通用經(jīng)驗方程擬合系數(shù)介于0.961～0.996之間,平均相關系數(shù)為0.988;Philip模型擬合系數(shù)介于0.906～0.990之間,平均相關系數(shù)為0.967。各樣地的最優(yōu)入滲模型決定系數(shù)在0.961～0.998之間,其中通用經(jīng)驗方程最多,占12個。這表明通用經(jīng)驗方程較Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型更適宜于該區(qū)域水分入滲過程的模擬預測。

表3 不同土地利用類型Kostiakov模型和Horton模型回歸擬合結果

表4 不同土地利用類型通用經(jīng)驗方程和Philip模型回歸擬合結果

3.3 土壤滲透性能影響因素

3.3.1 土壤理化性質(zhì)對入滲的影響 土壤密度與初滲速率和穩(wěn)滲速率分別呈極顯著(P<0.01)和顯著負相關關系(P<0.05)(表5),總孔隙度與入滲速率呈顯著正相關 (P<0.05),土壤含水量與初滲速率和穩(wěn)滲速率分別呈極顯著(P<0.01)和顯著正相關(P<0.05)。初滲速率、穩(wěn)滲速率與>2 mm和>1 mm水穩(wěn)性團聚體呈顯著正相關(P<0.05)。初滲速率與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(P<0.05)。

表5 土壤入滲性能與影響因子相關性分析

3.3.2 土壤入滲性能主導因子篩選 通過對土壤滲透性能主成分因子篩選(表6)可知:前4個主成分累積貢獻率達87.760%,可用來解釋各因子對土壤滲透性能的影響。影響土壤入滲性能的第1個主成分因子主要由水穩(wěn)性團聚體組成,貢獻率為44.708%,>5、>2、>1和>0.5 mm的水穩(wěn)性團聚體因子負荷量較大,該類土壤水穩(wěn)性團聚體含量較高;第2個主成分因子主要由土壤孔隙決定,方差貢獻率為18.703%,毛管孔隙度和非毛管孔隙度在第2主成分上載荷均較高;第3個主成分因子主要由土壤機械組成決定,方差貢獻率為15.540%,黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)含量較多,砂粒(0.02～0.2 mm)含量相比較少,三者負荷量均較高;第4個主成分因子主要由有機質(zhì)決定,因子負荷量為0.754。

表6 土壤水分入滲能力的PCA分析

由表7可知,通過綜合主成分得分評價得出不同土地利用方式下土壤水分入滲能力排序為楊樹林>紫穗槐林>復墾耕地>草地。

表7 土壤入滲能力評價

4 討論

通過對復墾區(qū)4種土地利用類型土壤入滲性能測量試驗,結果顯示林地土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率大于復墾耕地和草地。這與續(xù)海龍等[8]的研究結果相符。主要原因可能是林地較少受到人為擾動,保持原有的堆積狀態(tài),林內(nèi)枯落物有利于減少孔隙堵塞,林木根系的生長促使下層孔隙增大,增強土壤入滲性能。但也有學者得出不同結論,如溫明霞等[15]對神東集團馬家塔露天煤礦復墾區(qū)研究發(fā)現(xiàn),草地土壤水分下滲速率遠大于林地和灌木林。兩者結果不同的原因在于馬家塔露天煤礦位于鄂爾多斯高原南部。該區(qū)土壤類型以風沙土為主,風沙土結構疏松多孔,水分下滲速度較快,而林地對土質(zhì)結構的改良效果強于草地,土壤結構變好,土壤較為緊實,密度增大,從而導致草地的水分下滲過程強于林地和灌木。

已有研究[16-17]表明,土壤密度、有機質(zhì)含量、各粒級含量和團聚體等土壤理化性質(zhì)對土壤的入滲性能影響較大。土壤密度決定土壤的緊實和松散程度。密度越大,土壤孔隙越小,則土壤的透水通氣性能越差,導致土壤滲透能力減弱[18]。土壤有機質(zhì)含量通過促進土壤團聚體的形成,進而增強土壤的滲透性能。經(jīng)過對復墾區(qū)前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),楊樹林和紫穗槐林地枯落物豐富,有機質(zhì)歸還量大,團聚體結構穩(wěn)定、密度小,土質(zhì)疏松,孔隙度大,入滲性能較好。草地根系細且發(fā)育深度較低是造成入滲速率小的關鍵因素。研究區(qū)多為短歷時降雨,土壤初滲速率越大,降雨產(chǎn)生的地表徑流就越少,土壤所攔蓄的水分就越多,這對礦區(qū)植被的生長具有重要意義[19]。不同土地利用類型土壤的初滲速率大于穩(wěn)滲速率。一方面是因為表層土壤遇水快速濕潤過程中土壤團聚體迅速膨脹崩解,加之原狀土表面細顆粒的堵塞,導致土壤孔隙連通性變差,造成入滲速率明顯減小;另一方面,復墾區(qū)下層土壤較為緊實,密度大,導致下層土壤入滲性能差,入滲速率偏低,且本文研究發(fā)現(xiàn)入滲速率與土壤密度呈顯著負相關。這與楊政等[19]研究結果相符。

針對不同土地利用類型土壤入滲規(guī)率進行的模擬研究發(fā)現(xiàn),通用經(jīng)驗方程的擬合程度明顯優(yōu)于Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型,這與劉潔等[20]的研究結果相符。對于Kostiakov方程,其模型是假設起始入滲速率無窮大,隨時間的無限延長,入滲速率將趨近于0。但在本研究中,由于在垂直入滲的過程中有重力勢的存在,入滲速率隨時間的無限延長將接近穩(wěn)滲速率從而保持穩(wěn)定,這較為符合土壤水動力學[9]。通用經(jīng)驗方程是在Kostiakov模型垂直入滲的基礎上增加常數(shù)項b,來反映時間無限長的情況下在重力作用下達到穩(wěn)定入滲[20]。根據(jù)擬合得到的相關系數(shù)大小,通用經(jīng)驗方程對該區(qū)域土壤入滲過程的模擬效果最好。白中科和康示勇指出[21-22],礦區(qū)復墾地與黃土高原相比土壤更易發(fā)生水土流失,導致地貌加重,土壤水蝕模數(shù)增加59%;復墾后水蝕模數(shù)減少至原地貌的34%。因此,對礦區(qū)復墾后土壤水分運移規(guī)律及其影響因子還需深入研究,從而為我國礦區(qū)復墾工作的開展和植被恢復提供科學依據(jù)。

5 結論

1)不同土地利用類型的入滲速率存在差異,初滲速率和穩(wěn)滲速率均表現(xiàn)為楊樹林>紫穗槐林>復墾耕地>草地;初滲速率和穩(wěn)滲速率均隨土層厚度增加逐漸減小,但同一土地利用類型在不同土層間入滲速率不存在顯著差異。

2)對不同土地利用類型下土壤水分入滲過程的擬合發(fā)現(xiàn)通用經(jīng)驗方程的相關擬合系數(shù)最好,決定系數(shù)均在0.961以上;各樣地的最優(yōu)入滲模型決定系數(shù)在0.961～0.998之間,其中通用經(jīng)驗方程最多占12個,通用經(jīng)驗方程較Kostiakov模型、Horton模型和Philip模型,可以較好地模擬預測該區(qū)土壤水分的入滲過程。

3)土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均與土壤密度呈極顯著負相關(P<0.01),入滲速率與總孔隙度和有機質(zhì)含量均呈顯著正相關關系(P<0.05);主成分分析表明土壤水穩(wěn)性團聚體、孔隙度、機械組成和有機質(zhì)含量是影響土壤滲透性的4個主要因子,四者累積貢獻率達87.760%。通過計算各土地利用類型土壤入滲能力綜合得分,得出不同土地利用類型土壤入滲能力由強到弱依次為楊樹林地(0.813)、紫穗槐林地(0.243)、復墾耕地(-0.117)和草地(-0.937)。