海州露天煤矿复垦排土场不同土地利用土壤优先流特征研究
吕刚1a,2, 傅昕阳1a, 李叶鑫1a,1b, 李军2, 王婷1a
1. 辽宁工程技术大学a. 环境科学与工程学院,b. 矿业学院,辽宁阜新123000
2. 沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳110866

第一作者简介:吕刚(1979- ),男,吉林九台人,博士,副教授,研究方向为土壤侵蚀与土壤水文。E-mail: lvgang2637@126.com

摘要

复垦排土场土壤的大孔隙、管状通道和植物根系是形成优先流的主要原因。论文采用野外染色示踪试验和室内理化分析等研究方法,系统研究不同土地利用方式土壤优先流的形态特征与变化规律,揭示排土场复垦植被恢复过程中优先流的形成机理及影响因素。结果表明:1)排土场各样地土壤优先流多发生在0~40 cm土层,占整个0~60 cm土壤层的93%以上;不同样地土壤优先流特征存在差异,0~5 cm土层染色面积比依次为榆树林地(90.37%)>刺槐林地(79.84%)>混交林地(65.37%)>农地(44.36%)>灌木林地(41.54%)>荒草地(38.38%),均表现为乔木林地大于灌木林地和草地;2)各样地0~60 cm土层染色面积比大小依次为刺槐林地(26.48%)>榆树林地(20.12%)>混交林地(17.32%)>农地(15.06%)>灌木林地(13.97%)>荒草地(10.07%),染色面积比与土层深度之间具有较好的线性关系;3)选取土壤因子、水分因子、植物因子3大类环境因子与染色面积比进行Spearman相关分析,其染色面积比与砾石含量、大孔隙平均半径、饱和导水率、根重密度和<1 mm根长密度呈极显著正相关( P<0.01),与容重和含水率呈极显著负相关( P<0.01),与1~2 mm和2~5 mm根长密度呈显著性正相关( P<0.05)。研究结果为认识排土场优先流的形成机制、完善优先流研究体系以及排土场植被恢复与重建提供科学依据。

关键词: 优先流; 排土场; 复垦植被; 染色示踪试验; 露天煤矿
中图分类号:S152.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0037-15
Soil Preferential Flow Characteristics under Different Land Utilization Styles in the Reclaimed Dump of Haizhou Surface Coal Mine
LÜ Gang1a,2, FU Xin-yang1a, LI Ye-xin1a,1b, LI Jun2, WANG Ting1a
1. a. College of Environmental Science and Engineering, b. College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
2. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China
Abstract

The macrospores, tubular channels and plant roots in the reclaimed soils of dump were the main reason for the formation of soil preferential flow. To better understand the morphological characteristics and variation of soil preferential flow in different land utilization styles in the dump, the dye staining experiment was carried out and physical and chemical analyses were used in the paper to investigate the formation mechanism and influencing factors of preferential flow in the process of revegetation. The results showed that: 1) Soil preferential flow in dump centered in the 0-40 cm soil layer where the proportion of dyed area ratio occupied more than 93% of the 0-60 cm soil layer. The characteristics of soil preferential flow differed significantly in different soils. The dyed area ratio in the 0-5 cm soil layer of arbor forest was higher than those of shrub land and weeds, and the order was Ulmus pumila land (90.37%), Robinia pseudoacacia land (79.84%), mixed forests land (65.37%), farmland (44.36%), shrub land (41.54%) and weeds land (38.38%). 2) The order of dyed area ratio in the 0-60 cm soil layer of all samples in the dump was Robinia pseudoacacia land (26.48%), Ulmus pumila land (20.12%), mixed forests land (17.32%), farmland (15.06%), shrub land (13.97%) and weeds land (10.07%). There was a good linear relationship between the dyed area ratio and the depth of soil layer. The Spearman correlation analysis was carried out between the dyed area ratio and soil factors, water factors and vegetation factors. The dyed area ratio has significant positive correlation ( P<0.01) with gravel content, mean radius of soil macrospores, soil saturated hydraulic conductivity, root weight density and density of root with length less 1 mm density and significant positive correlation ( P<0.05) with density of root with length 1-2 mm and 2-5 mm, and it has significant negative correlation ( P<0.01) with bulk density, water content. The results provide a scientific basis for understanding the formation mechanism of preferential flow, restoring and reconstructing vegetation in dumps.

Keyword: preferential flow; dump; revegetation; dye staining experiment; surface coal mine

煤炭是中国的主要能源, 其数量占能源结构的70%以上, 年产量居世界第一。我国的煤炭资源主要分布在干旱和半干旱地区, 生态环境极其脆弱, 大规模的露天开采活动会破坏当地的生态系统, 改变矿区及其周围的土壤理化性质和水文过程[1]。据美国国家研究委员会(NRC)公布数据, 美国露天开采1 240亿t煤炭将破坏约400万hm2的土地, 相当开采量下, 我国将破坏土地面积272.8万hm2。据现有勘查资料显示, 适合我国露天开发的煤炭资源占总量的10%~15%左右, 且资源分布地区差异较大, 主要分布在西北和华北地区[2]。排土场是在露天开采过程中形成的平台-边坡相间的阶梯宝塔状巨型人工松散堆积体, 具有平台岩土压实、高坡度大坡长的松散坡面、复杂的物质组成、特殊的孔隙和裂隙及洞穴分布等特性[3]。排土场不仅压占大量土地、破坏地表植被, 还破坏自然状态下的水文、地质、地貌条件, 是工矿建设区水土流失最为严重的区域。因此, 如何快速恢复植被是排土场复垦所要面临的首要问题。对于松散堆积体而言, 植物对其土壤物理性质的改善和保持水土至关重要, 不仅具有生态效益, 而且还创造了可观的经济效益。以往关于排土场的研究主要集中在植物物种的选择及其适应性以及生态重建与恢复等方面[4, 5, 6], 而关于植被恢复过程中土壤水文过程及其效应的研究较少[7, 8]

土壤优先流是土壤中非常普遍的一种水分运移形式, 它是指土壤在整个入流边界上接受补给, 水分和溶质绕过土壤基质, 仅通过少部分土体的快速运移, 又被称为优势流、优先路径流、短路流和管道流等[9, 10, 11]。优先流是用于描述在多种环境条件下发生的非平衡过程的术语[12], 作为土壤水分快速运移的一种现象, 具有环绕性和非平衡性两个重要特征[13]。Germann等[14]在对土壤大孔隙的研究中将优先流定义为快速穿过土壤大孔隙结构的水流, 水分运移路径不穿过土壤基质域, 且基本不与土壤基质域发生交互作用。优先流快速到达深层土壤甚至地下的非平衡水分运动, 极大地影响地表地下径流过程, 是山体崩塌、泥石流和滑坡等灾害事件形成的诱发因子之一。目前, 关于土壤优先流的研究多集中于林地[15, 16, 17, 18, 19]、农地[20, 21]以及土壤裂隙对优先流影响[22, 23]等方面, 而对于矿区废弃地复垦土壤优先流的研究较少, 且研究方法多为野外染色示踪。Guebert等[24]认为矿区非饱和土壤的水文过程主要受大孔隙流控制, 排土场的渗透能力和壤中流发育主要沿着粗颗粒之间的孔隙移动。Hangen等[25]揭示了排土场复垦林地优先流的形成机理及其对水分和溶质运移作用, 量化优先流的空间分布, 并指出与天然林地相比, 复垦初期的排土场优先流具有较强的时空异质性, 0~150 cm土层内优先流染色面积的变异系数可达156.72%。Garrido等[26]以矿区复垦土壤为研究对象, 分析土壤优先流的分布特征及其对重金属分布的影响, 研究结果表明优先流可影响矿物成分和污染物的空间分布, 优先流区域重金属含量显著高于其他区域。Clark等[27]采用染色示踪试验研究了露天煤矿排土场复垦林地(14 a)和草地(14 a)0~30 cm土层的优先流特征, 结果表明林地的染色面积(55.8 mm2)显著大于草地(32.9 mm2), 林地优先流的可视路径(7.2)显著小于草地(12.7)。Hangen等[28]研究了褐煤矿山复垦林地土壤优先流的运动过程, 分析植被根系系统和煤矸石沉积结构对其的影响。

本文以辽宁省阜新市海州露天煤矿排土场不同土地利用方式下的土壤为研究对象, 采用野外染色示踪试验研究排土场不同土地利用方式下土壤优先流的形态特征, 摸清不同土地利用方式下土壤剖面染色面积比随土层深度的变化规律, 确定排土场优先流的主要影响因素。研究结果为认识排土场优先流形成机制提供科学依据, 为加快排土场植被恢复与重建, 有效防治排土场水土流失、滑坡等地质灾害提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况

本研究试验区选择在辽宁省阜新市海州露天煤矿的西排土场, 位于露天矿坑西南部, 总面积约为13 km2, 呈阶梯状, 分为十多个大盘面, 复垦前每个盘面矸石林立、沟壑纵横, 陡坎坡平均坡度45° , 盘面海拔平均高度为270 m, 相对高差为3~60 m, 最高处接近325 m, 最低处不低于240 m, 大部分盘面已停止排矸13 a以上, 盘面地表矸石有风化, 但仍夹杂着碎石和少量大块矸石, 部分盘面近几年来由于当地居民无序的挖掘捡采排土场内的弃煤而形成了大量不均匀的坑、沟等地貌状况。2004年, 由国土资源部投资对该排土场开展了土地复垦工作。排土场复垦之初为大型的宝塔-阶梯状土石混合堆积体, 在复垦前期, 利用大型采矿复垦机械进行搬运、平整、压实工作, 使“ 人造场地” 恢复成较合理的地形地貌; 之后再进行客土回填工程, 覆土厚度为30 cm, 以此建立有利于植物生长的表层和生根层, 为后期生物复垦奠定基础。

由于排土场内部存在直径可达数厘米甚至更大的大量大孔隙或管状通道[29], 水分在向下运动的同时会携带大量的细小颗粒及土壤养分向深层搬运, 同时在水力侵蚀、风力侵蚀以及排土场自然沉降等共同作用下复垦土层变薄, 经过8 a的演变致使不同复垦植被下的土壤水分物理性质以及水文效应有所不同, 这在一定程度上反映植物对排土场的适应能力和改良作用。综合考虑植被类型、地形状况、岩土排弃等因素, 在保证立地条件基本一致的前提下, 本研究在西排土场内根据复垦植被恢复现状, 在排土场平台同一区域(复垦年限为8 a)内选取相邻但相互之间无影响的6种土地利用方式下的土壤作为研究对象, 分别为刺槐林地(Robinia pseudoacacia)、榆树林地(Ulmus pumila)、混交林地(刺槐和榆树)、灌木林地(紫穗槐, Amorpha fruticosa)、农地(玉米地)和荒草地。采用设置标准地的方法研究各个样地的植被恢复特征。在刺槐林地、榆树林地、混交林地内打一个20 m× 20 m的标准地, 在灌木林地打一个10 m× 10 m的标准地, 在荒草地打一个5 m× 5 m的标准地, 各样地基本特征见表1

表1 排土场各个样地基本特征 Table 1 The basic features of plots
1.2 研究方法

1.2.1 野外染色示踪观测

1)试验准备

染色示踪试验于2012年4月进行。在各个样地内分别选取3个试验点作为重复, 每个试验点面积为65 cm × 65 cm且位于相邻4株树木的中心, 使试验点到4株树木的距离基本相等, 以降低植株主根对染色试验的影响, 农地和荒草地则选择在试验点中且地表相对平坦的位置。在不扰动土壤腐殖质的条件下, 利用小铲子将地表的石块和枯枝落叶除去, 将长65 cm、宽50 cm的4块铁皮埋入土中30 cm, 地面部分保留20 cm, 使其成为一个封闭的方框。由于将铁皮埋入土壤中会对土壤造成一些影响, 为了避免亮蓝试剂沿内壁流失, 可夯实铁框内侧5 cm范围内的土壤, 以提高试验精度(图1)。试验前将亮蓝粉末配置为浓度4 g/L的溶液, 每个样地均采用20 L的亮蓝试剂作为入渗溶液, 并采用积水入渗的方式将亮蓝试剂均匀地倒入铁皮方框内, 再用不透水帆布覆盖在铁皮方框上并将其固定, 保证试验过程中没有其他水分和杂质进入。亮蓝试剂经过的区域会呈现蓝色, 为染色区域; 亮蓝试剂未经过的区域不会显色, 为未染色区域。

图1 野外染色示踪试验布置及剖面示意图Fig. 1 Diagram of experimental installation for Brilliant Blue FCF dye tracer test

2)剖面挖掘与土壤样品采集

24 h后除去帆布, 选取一个面作为染色试验的观测面, 在铁框中心50 cm× 50 cm区域开挖垂直剖面, 开挖深度依染色深度而定, 将土壤剖面铲平并除去表面附着的土粒。将用记号笔标记过的两把卷尺以直角尺的形式放在剖面表面, 以此确定尺寸大小。剖面修整完成后进行拍摄, 用1 200万像素的数码相机采集垂直染色剖面图像, 选取较好的照片3~5张进行下一步图片处理。拍照完成后, 按照10 cm为一个土层采集0~60 cm土壤剖面不同深度的土壤样品, 其中0~10 cm土层分为0~5 cm和5~10 cm 两个土层, 并在每个土层采集1 kg混合散样以测定土壤颗粒组成。各试验指标为3个重复, 试验方法如下, 试验结果见表2

表2 研究区各个样地基本物理性质 Table 2 The basic physical properties in the plots of the study area

含水率采用烘干法测定。容重、孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)和饱和导水率采用环刀法测定。砾石(质量)含量采用水洗法测定:将环刀内土壤置于2 mm土壤筛上用自来水进行冲洗, 在冲洗过程中左右转动筛子, 将洗后留在筛子里的砾石自然风干后称重以计算砾石含量。根重密度和根长密度采用根钻法:利用内径10 cm长10 cm根钻采集植物根系, 在距离标准植株30 cm处以10 cm为一个土层向下采集植物根系样品, 将其放入布袋内带回实验室, 用清水将根系洗净, 按照< 1 mm、1~2 mm和2~5 mm将植物根系进行分级, 采用WinRHIZO根系分析系统对各个径级根系长度进行分析, 测定根系生物量(恒温75 ℃条件下烘干至恒重)。

表3 优先流染色面积比(y)与土层深度(x)的关系 Table 3 The relationship between dyed area ratio (y) and depth of soil layer (x)

1.2.2 染色图像处理

染色图像的处理是提取各样地土壤优先流形态特征参数的必需工作。应用Photoshop 11.0和CAD 2004处理已导入计算机的拍摄照片。实际操作如下:

1)用Photoshop 11.0剪切并保存待处理的区域, 并用Photoshop 11.0再次打开, 选择替换颜色窗口, 将染色部分的明度调至100进行颜色的替换, 使染色部分为白色。

2)将图片调为灰度, 使染色部分呈白色或灰白色, 土壤仍然为黑色或灰色; 调节阈值并观察照片中染色范围的变化, 直到染色部分面积与实际部分基本一致; 选择图像-位图, 像素值为阈值一半, 保存。

3)用Photoshop 11.0打开所保存的gif图片, 打开窗口-导航器, 选择直方图信息, 在左下角“ 像素” 栏中会显示图片的像素值, 记录像素总值。用魔棒工具选取染色部分的一点, 即图中的明显白色区域, 然后右键选择“ 选取相似” , 此时, 在左下角“ 像素” 中会显示出另一个像素值, 记录下此时染色区域的像素值。

4)将处理完后的图片通过截图的方式以jpg的格式保存下来, 并将图片在CAD 2004下打开, 进行进一步的处理与保存; 在每个剖面各选一张清晰的图片, 通过同样的方法处理计算出每个土壤层次上的染色区域及未染色区域的像素值。

1.2.3 数据处理

本文采用土壤剖面染色面积比(K)来分析土壤优先流的形态特征, 土壤剖面染色面积比是指土壤剖面范围内优先流染色面积占土壤剖面面积的比例, 按照式(1)计算:

K=PP+Q×100%(1)

式中:K为土壤剖面染色面积比(%); P为土壤剖面染色面积(cm2); Q为土壤剖面未染色面积(cm2)。

采用Excel软件绘图, 采用SPSS统计分析软件对试验数据进行Spearman相关分析、方差分析、回归分析和多元线性回归。

2 结果与分析
2.1 土壤优先流形态特征

图2为6个样地的土壤优先流形态特征, 由图2可知, 不同样地土壤优先流特征存在差异, 染色面积不均匀地分布在0~60 cm土层, 多集中在0~40 cm土层, 占整个土壤剖面的98.54%(刺槐林地)、98.12%(榆树林地)、93.93%(混交林地)、98.53%(灌木林地)、97.09%(农地)和98.71%(荒草地)。刺槐林地、榆树林地和混交林地的染色面积比随土层深度的增加而均匀减小, 刺槐林地在40 cm以下土层的染色面积比小于5%, 榆树林地和混交林地的染色面积比分别在40~50 cm和50~60 cm土层略有增加, 其染色面积比分别为17.28%和11.76%。农地0~20 cm土层内染色面积比在38.11%~44.36%之间, 没有明显的变化, 而农地20~30 cm土层染色面积比为9.52%, 相比10~20 cm降低了75.02%, 说明优先流接近或达到覆土层底层(30 cm)时受到较为明显的影响。

图2 不同样地土壤优先流特征图像
注:图中左侧为染色后拍摄的实际彩色图片, 中间为经过Photoshop 11.0处理后的黑白图像, 右侧为染色面积比随土层深度变化的曲线图。
Fig. 2 Image of preferential characteristic in different plots

以刺槐林地为例, 土壤优先流主要发生在土壤剖面35 cm深度内, 其锋部可达到约38 cm, 染色面积比为26.48%, 各层染色面积比分别为79.84%(0~5 cm)、73.19%(5~10 cm)、52.92%(10~20 cm)、22.86%(20~30 cm)、4.12%(30~40 cm)、2.15%(40~50 cm)和1.31%(50~60 cm)。由刺槐林地剖面照片可知, 优先流路径偏向土壤剖面的左侧, 发生优先流现象的区域分布着较多的植物根系, 而未发生优先流现象的区域没有或分布较少的植物根系。通过进一步挖掘染色剖面发现, 部分煤矸石内部也有亮蓝, 说明煤矸石风化速度较快, 优先流可能是沿着植物根系路径以及煤矸石内部形成的优先流路径向下运动。

2.2 优先流形态的纵向变化规律

由图2可知, 不同样地染色面积比随土层深度的增加而减小, 各个样地之间存在一定差异。6个样地0~60 cm土层的染色面积比依次为26.48%(刺槐林地)、20.12%(榆树林地)、17.32%(混交林地)、15.06%(灌木林地)、13.97%(农地)、10.07%(荒草地); 各样地染色面积比的最大值均出现在0~5 cm土层, 大小依次为榆树林地(90.37%)> 刺槐林地(79.84%)> 混交林地(65.37%)> 农地(44.36%)> 灌木林地(41.54%)> 荒草地(38.38%), 均表现为乔木林地大于灌木林地和草地, 即优先流在表层分布范围最大, 且与荒草地相比, 林地表层土壤优先流分布更加均匀, 这与Clark等[27]的研究结果相一致。

为进一步探讨排土场土壤优先流形态特征的纵向变化规律, 采用线性函数和逆函数回归方程将6个样地观测剖面染色面积比(y)及其对应的土层深度(x)进行回归分析, 具体结果见表3。由表3可知, 不同样地的拟合效果均较好, 其决定系数R2> 0.651, Sig.< 0.05, 说明拟合分析结果符合实际的变化状况。对比两个拟合函数可知, 线性函数的拟合效果优于逆函数, 线性函数的决定系数R2在0.784~0.910之间, 平均为0.860, Sig.< 0.01, 逆函数的决定系数R2在0.651~0.972之间, 平均为0.805, Sig.< 0.05。因此, 线性函数具有较好的拟合效果, 可用来预测和模拟排土场土壤优先流的染色面积、路径及锋部运动, 具有较好的现实指导意义。

2.3 优先流形成的影响因素分析

土壤优先流的形成通常是通过外部因素和内部因素共同作用而实现的[30], 外部因素主要为土壤初始含水率、水分梯度、降水过程等水分条件, 内部因素为与植物-土壤相关的环境因子, 主要包括土壤容重、土壤颗粒组成、土壤含水率、饱和导水率、植物根系等相关指标。对染色面积比与土壤因子、水分因子、植物因子3大类环境因子进行Spearman相关分析, 其中土壤因子包括砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、砾石含量、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和大孔隙平均半径, 水分因子包括含水率和饱和导水率, 植物因子包括根重密度、< 1 mm根长密度、1~2 mm根长密度和2~5 mm根长密度, 共计15个环境因子(表4)。排土场不同土地利用方式优先流染色面积比与砾石含量、大孔隙平均半径、饱和导水率、根重密度和< 1 mm根长密度呈极显著正相关(P< 0.01), 与容重和含水率呈极显著负相关(P< 0.01), 与1~2 mm和2~5 mm根长密度呈显著性正相关(P< 0.05)。

表4 染色面积比与环境因子的Spearman相关性 Table 4 Spearman correlation between dyed area ratio and environmental factors

2.3.1 土壤因子

1)砾石含量

排土场不同样地砾石含量为45.34%~89.81%, 平均为69.02%, 变异系数为15.86%, 属中等变异。不同样地的染色面积比与砾石含量具有显著的正相关关系, 染色面积比随砾石含量的增加而增大。图3(a)中直线下部圈内数据的砾石含量虽然较高, 染色面积比却不是很大, 说明大量的水流是在砾石附近通过的, 从而降低了染色面积比。如果剔除这一部分数据, 砾石含量会明显降低, 染色面积比与砾石含量具有更好的相关性, 从而验证了砾石含量对优先流的作用。

图3 染色面积比与土壤因子关系Fig. 3 The relationship between dyed area ratio and soil factors

2)大孔隙平均半径

排土场不同样地大孔隙平均半径介于0.088~2.220 mm之间 [图3(b)], 平均为0.773 mm, 变异系数为81.98%, 属中等变异。不同样地染色面积比与大孔隙平均半径具有显著的正相关关系, 染色面积比随大孔隙平均半径的增加而增大。本研究结果表明, 大孔隙平均半径部分数据分布在1.5~2.5 mm之间, 其大孔隙平均半径及其相应的染色面积比均较大, 说明大孔隙平均半径越大的位置其染色面积比也越大, 更容易发生优先流。

3)容重

容重可反映土壤的紧实程度、孔隙状况和透水能力的高低, 容重的变化与大孔隙状况有着密切的关系, 进而影响优先流的路径和分布特征。本研究结果表明, 排土场不同样地容重介于1.12~1.49 g/cm3之间 [图3(c)], 平均为1.30 g/cm3, 变异系数为7.82%, 属弱变异性。不同样地的染色面积比与容重具有显著的负相关关系, 染色面积比随容重的增加而减小。

2.3.2 水分因子

1)饱和导水率

排土场饱和导水率在0.24~5.86 mm/min之间变化, 平均为1.49 mm/min, 变异系数为73.89%, 属中等变异。不同样地的染色面积比与饱和导水率具有显著的正相关关系, 染色面积比随饱和导水率的增加而增大。图4(a)中直线附近圈内5个数据点的饱和导水率和染色面积比均较大, 说明饱和导水率越大, 其染色面积比也越大, 更容易发生优先流。

2)含水率

初始含水率较高的土壤具有较低的水势梯度, 在一定程度上限制土壤水分和溶质的运移, 致使土壤含水率较低的地方优先流更为明显。本研究表明, 排土场不同样地含水率为4.9%~19.55% [图4(b)], 平均为13.20%, 变异系数为23.08%, 属中等变异, 不同样地染色面积比随含水率的增加而减小。

图4 染色面积比与水分因子关系Fig. 4 The relationship between dyed area ratio and water factors

2.3.3 植物因子

1)根重密度

该排土场经过8 a复垦与治理, 其植被、生物多样性得到较好的恢复, 根重密度在0.010 2~0.707 6 g/cm3之间 [图5(a)], 平均为0.157 6 g/cm3, 变异系数为118.20%, 属强变异性, 说明排土场各样地植被根系生长状况受土壤结构和养分条件的影响较大。不同样地的染色面积比与根重密度具有显著的正相关关系, 染色面积比随根重密度的增加而增大; 结合图2可知, 染色面积多集中在植物根系附近, 说明根重密度对优先流具有重要影响。

图5 染色面积比与植物因子关系Fig. 5 The relationship between dyed area ratio and vegetation factors

2)根长密度

排土场不同样地根长密度在0.000 7~0.035 4 cm/cm3之间, 平均为0.009 85 cm/cm3, 变异系数为88.22%, 属中等变异。根长密度以< 1 mm为主, 占全部根长密度的68.97%~100%。不同样地的染色面积比与根长密度具有显著的正相关关系, 染色面积比随根长密度的增加而增大 [图5(b)(c)(d)]。染色面积比与< 1 mm、1~2 mm和2~5 mm根长密度的相关性较低, 这主要是由于部分径级的根长密度为0, 降低了两者之间的相关性。从本研究染色面积与根长密度的相关性可知, 相比1~2 mm和2~5 mm根长密度, 染色面积比与< 1 mm根长密度的相关性更高, 径级在0.005~0.015 mm之间的根系具有更高的染色面积比。

2.3.4 排土场优先流的综合分析

由上述分析可知, 排土场优先流染色面积比与砾石含量(x1)、容重(x2)、大孔隙半径(x3)、含水率(x4)、饱和导水率(x5)、根重密度(x6)和< 1 mm 根长密度(x7)呈极显著相关, 其耦合程度较高。因此, 建立刺槐林地、榆树林地、灌木林地和荒草地优先流染色面积比与上述7个指标之间的多元函数关系 [公式(2)], 探讨各影响因子对优先流特征的综合影响。由线性回归方程可知, 优先流染色面积比与各影响因子的拟合效果较好, 决定系数R2=0.972。

y=0.127x1-18.257x2+3.237x3-0.535x4+15.002x5+35.169x6+188.69x7+13.317(R2=0.972F=38.866Sig.=0.000)(2)

3 讨论

排土场是由人为方式通过不同重构工艺构成的松散堆积体, 其结构松散, 孔隙发达, 大量水分和养分沿优先流路径向深层土壤快速运动, 造成排土场土壤水分亏缺和土壤养分流失。Hangen等[28]研究认为植物根系和煤矸石沉积结构是影响矿山复垦林地土壤优先流运动的主要原因。从本研究来看, 土壤层和煤矸石风化层土壤优先流特征差异显著, 土壤层(0~30 cm)染色面积比在21.46%~57.20%之间, 而煤矸石风化层(30~60 cm)染色面积比在3.84%~9.12%之间, 两者差异显著。造成这一现象的原因有二:一是相比于煤矸石层, 土壤层具有更好的土壤结构, 植被根系发达, 在一定程度上促进了优先流发育; 二是经过8 a的风化, 煤矸石结构变得松散, 大量土壤水分沿煤矸石内部向下运动, 使得煤矸石内部也有亮蓝, 这一研究结果通过观察土壤剖面而得到较好的验证。相关研究表明, 降雨、温度、植物生物量和人为因素是影响煤矸石风化程度的主要因 素[31], 进而影响复垦区土壤优先流的形态特征, 今后应加强煤矸石风化程度对优先流特征、影响因素及作用机理等方面的系统研究。

排土场土体内部存在大孔隙、管状通道和植物根系, 其优先流现象显著不同于原生土壤层次, 且不同复垦植被条件下土壤优先流也存在一定差异。Clark等[27]通过露天煤矿复垦区土壤水文特征的研究表明, 林地土壤的渗透系数和染色面积大于草地。从本研究6个样地优先流特征来看, 其形态特征和垂直深度有所不同, 各样地优先流染色面积比大小依次为刺槐林地(26.48%)、榆树林地(20.12%)、混交林地(17.32%)、灌木林地(15.06%)、农地(13.97%)和荒草地(10.07%), 优先流最大运移深度分别为38 cm(刺槐林地)、50 cm(榆树林地)、54 cm(混交林地)、46 cm(灌木林地)、44 cm(农地)、43 cm(荒草地)。结合图2可知, 在积水渗透试验过程中表层土壤水分入渗较为均匀, 土壤优先流染色面积比较为接近且表层相对较高, 可达90%, 但在40 cm土层迅速下降, 60 cm已经接近0。造成染色面积比骤变的主要原因是排土场复垦土壤在空间上分布大小不等、形态各异的砾石和煤矸石, 加剧了优先流路径的差异。本文采用染色示踪试验对排土场不同土地利用方式的优先流进行了初步研究, 今后应加强砾石直径、含量以及空间分布对优先流形态特征以及优先流侧向扩散等方面的研究。

大量研究表明, 土壤性质[17, 32, 33]、初始含水率[34, 35]、砾石含量[36, 37, 38]、降雨强度[18, 19, 39]、植物根系[16, 28, 40]是影响土壤优先流的主要因素。本文综合考虑本研究和相关研究成果, 筛选15个环境因子来评价排土场复垦区土壤优先流, 并将其划分为土壤因子、水分因子和植物因子, 结果表明染色面积比与根重密度、根长密度、砾石含量、大孔隙平均半径和饱和导水率具有显著的正相关关系, 对优先流发育起到促进作用。植物根系对优先流的影响更为明显, 主要表现在根重密度和根长密度两个方面。优先流染色面积比随根重密度的增加而增大, 根重密度促进了优先流的发生发育。相关研究表明[34], 土壤优先流染色区域与未染色区域的植物根重密度差异显著, 染色面积比与根重密度呈显著正相关。根长密度则以< 1 mm更为显著, 不仅其比例占全部根长密度的68%以上, 且与优先流染色面积比的相关性更强, 这与张英虎等[40]研究的径级< 1 mm细根对土壤优先流贡献率的研究结果一致。砾石含量对土壤优先流同样存在较为明显的影响, 但是砾石含量的增加不利于排土场蓄水保土, 进一步加快了土壤水分和养分的流失, 应采取适当措施以降低砾石含量对优先流的影响。今后应加强各个环境因子对土壤优先流的定量影响, 确定适用于排土场复垦区土壤优先流的评价指标体系, 从而为完善排土场优先流研究体系、矿区土壤水文过程与水文效应以及区域植被恢复与重建提供科学依据。

4 结论

1)各样地优先流多发生在0~40 cm土层, 占0~60 cm土层的98.54%(刺槐林地)、98.12%(榆树林地)、93.93%(混交林地)、98.53%(灌木林地)、97.09%(农地)和98.71%(荒草地); 各样地染色面积比在40 cm土层迅速下降, 60 cm已经接近0。优先流不仅分布在孔隙通道附近, 也出现在风化煤矸石内部。

2)排土场不同样地优先流特征存在差异, 乔木林地优先流染色面积比显著大于农地和荒草地, 植物根系的存在促进优先流的形成与发育。各样地0~60 cm土层染色面积比依次为26.48%(刺槐林地)、20.12%(榆树林地)、17.32%(混交林地)、15.06%(灌木林地)、13.97%(农地)、10.07%(荒草地), 染色面积比与土层深度之间具有较好的线性关系, 其决定系数R2在0.78以上。

3)排土场砾石含量、大孔隙平均半径、饱和导水率、根重密度和根长密度对优先流发育起到促进作用, 但是砾石含量的增加不利于排土场蓄水保土, 加剧水分和养分的流失。因此, 在排土场复垦工作中要着重考虑砾石的存在及其作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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