石灰巖棄渣與農田土復配土壤水分蒸發及覆蓋物保水性能

王佳歡， 楊新兵, 劉彥林， 趙小勇， 趙迎雪， 魯紹偉

(1.河北農業大學林學院，河北 保定 071000；2.河北地礦建設工程集團有限責任公司，河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050000；3.北京市林業果樹科學研究院，北京 100093)

截止到2020年，礦山資源監測結果顯示，我國礦山資源占地面積已超過375萬hm，而礦山廢棄地土地的復墾率僅達到了20%的水平，對比發達國家70%的復墾率，相差甚遠。礦產資源在滿足人類社會發展的同時也留下了一系列生態安全問題：表土資源缺失導致植物難以存活、地表徑流引起水土流失、景觀破碎致使生態系統脆弱等等，因此，廢棄地生態環境亟待修復。為保證礦山綠化效果，前期養護投入較多，要想實現廢棄地生態系統的良性循環，后期土壤水分條件是植被成活與生長好壞的關鍵，因此，土壤重構成為生態恢復的首要條件。

針對廢棄地表土缺失問題，Kenton等采用風化褐砂巖、未風化灰砂巖以及混砂頁巖替代表土進行廢棄煤礦復墾，通過研究白蠟(Roxb.)、白樺(Suk.)、鵝掌楸((Hemsl.) Sargent.)等人工林的物種豐富度后發現風化褐砂巖作為表土替代材料更適于廢棄地造林。位蓓蕾等將草炭摻入亞黏土作為煤礦復墾替代材料發現，草炭施用量為10 g/kg(干土)時紫花苜蓿(L.)的生長量和酶活性最高。胡振琪等發明了煤基營養劑用于礦山土壤修復，其成分主要為草炭、風化煤、菌根以及化學試劑，該項發明既起到改善土壤性能，增強植物抗逆性的作用，又提高了草炭、風化煤的資源利用效率。

土壤水分條件是北方礦山修復綠化效果延續的重要制約因素，土壤覆蓋處理是常用方法之一。Dlamini等發現，塑料與礫石2種覆蓋物結合后可阻斷土壤毛細管力的連續性，減少向上運輸的水量，從而達到抑制水分蒸發的目的；車飛偉等探究不同有機材料對土壤的保水效果，結果表明，木片、樹皮以及1～3 cm的園林堆腐物覆蓋下土壤含水量均高于無覆蓋，木片的保水效果要強于樹皮和1～3 cm的園林堆腐物。

河北省西部太行山區礦產資源豐富，歷經大規模開采活動后出現大量基巖裸露的“白茬山”，表土缺失，植物難以存活，土壤重構成為山體植被恢復的必要方式。本研究于石家莊鹿泉區一廢棄石灰巖采石現場收集渣土，與附近農田土按不同體積比例進行復配，通過土柱模擬試驗研究重構土壤水分蒸發規律，從土壤本身性質與氣象條件2個角度闡述土壤水分蒸發的影響因素，同時試驗不同覆蓋條件下土壤水分蒸發情況，篩選出復配比例和覆蓋物的最佳組合，為當地治理采石廢棄地提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鹿泉區隸屬河北省石家莊市(37°88′08″—38°27′27″N，114°18′55″—114°51′36″E)，東臨石家莊市區，西接井陘，北鄰平山、靈壽，南連元氏，行政面積603 km。其地域南北狹長，地勢西高東低，西部為山巒起伏的太行山區，東部為地勢平坦的山前平原，海拔62.5～907 m。全區位于溫帶季風氣候區，夏季多雨，冬季干冷，7月氣溫最高，平均27.2 ℃，1月氣溫最低，平均-1.7 ℃，多年平均降水量542 mm，無霜期219天。境內河流均屬海河水系，如滹沱河、清水河、太平河等，土壤類型以石灰性褐土為主，森林類型以溫帶落葉闊葉林為主。試驗點海拔300～400 m。

1.2 試驗設計

2020年12月2日收集鹿泉區一采石廢棄地石灰巖棄渣，風干過2 cm篩子，與農田土進行復配，按照棄渣與農田土體積比0∶10(T1)，3∶7(T2)，5∶5(T3)，7∶3(T4)，10∶0(T5)，每個處理3組重復，土壤粒徑及孔隙度見表1。復配土拌勻后裝入內徑19 cm、深35 cm PVC管中，裝填高度30 cm，封底材料選用300目透水紗網，土柱置于深30 cm且內設排水口的水泥槽中，試驗布設于廢棄礦山半山腰處，以此模擬山體自然環境。在土壤水分蒸發模擬試驗基礎上測試覆蓋物對5種配比土壤的保水效果，分別設置礫石(LS)、滲水地膜(SS)和植物毯(ZW)共3種覆蓋物，每個處理3組重復，以不覆蓋作為對照(CK)。參考已有研究，礫石為廢棄地現場收集的直徑2～4 cm塊石，覆蓋厚度為5 cm；滲水地膜購于山西農科院(厚度5 μm)；植物毯購于北京華夏綠洲有限公司(厚度8～10 mm)。

表1 不同配比下土壤粒級組成和孔隙度

1.3 試驗方法

土壤水分蒸發試驗前土柱泡水24 h，其間不斷加水與土壤表層相平齊，泡水結束將土柱于沙層上靜置24 h瀝去重力水，隨后封底開始試驗。2021年8月4日上午將封底土柱置于水泥槽中，水泥槽底部平齊，以保證所有土柱接受的光照、風速、風向等氣象條件一致，用稱量分度值5 g的電子臺秤(型號TCS)于每天上午7：00進行稱重，當日與次日稱重差值即為當日蒸發量，采用蒸發量計算公式將質量值換算為高度值，計算公式為：

式中：為當日土壤水分蒸發量(g)；為當日稱重值(g)；+1為次日稱重值(g)；為水密度(1 g/cm)；為PVC管半徑(9.5 cm)。

試驗時間為8月4日至9月2日，共計30天，相關研究表示，土壤表層15 cm水分含量與水分蒸發關系最為密切，因而在試驗期間采用TDR 300土壤水分測量儀測量表層土壤體積含水量(15 cm)，并將體積含水量換算為質量含水量，計算公式為：

式中：為質量含水量(%)；為體積含水量(%)；為容重(g/cm)。

在試驗地附近架設TRM-ZS3型氣象儀采集氣象數據，包括太陽輻射、氣溫、相對濕度以及風速等(圖1)。試驗過程中搭設遮雨棚，降雨天氣進行遮雨，避免雨水對試驗造成影響。

圖1 研究期氣象變化

1.4 數據處理

采用累計蒸發失水比分析土壤抗旱性，計算方法為：

式中：為累計蒸發失水比(%)；為第天的累計蒸發量(mm)；為初始含水量(mm)。

土壤累計蒸發量趨勢線采用最小二乘法擬合得到，擬合公式為：

=+

式中：為累計蒸發量(mm)；為蒸發時間(天)；為斜率；為擬合參數。

試驗數據在Excel 2010軟件中進行初步整理，采用SPSS 24.0軟件進行方差分析和相關性分析，繪圖利用Origin 2021軟件。

2 結果與分析

2.1 不同配比下表層土壤含水量分析

不同配比下表層土壤含水量隨蒸發時間的推移逐漸下降，由圖2可知，表層土壤初始含水量范圍為7.69%～45.75%，大小排序為T1(45.75%)>T2(32.02%)>T3(24.23%)>T4(10.28%)>T5(7.69%)，差異達極顯著水平(<0.01)，歷經30天蒸發試驗后表層土壤含水量范圍為0.25%～14.86%，大小排序為T1(9.86%)>T2(4.68%)>T3(2.25%)>T4(1.45%)>T5(0.25%)，差異達極顯著水平(<0.01)，棄渣體積比例越大土壤含水量越低，說明棄渣可降低原本土壤中的水分含量。

圖2 不同配比下表層土壤含水量變化

2.2 不同配比下土壤水分蒸發分析

由圖3可知，不同配比下土壤水分逐日蒸發量呈下降趨勢，其波動式蒸發過程符合野外條件無水分補充的土壤水分蒸發規律。通過試驗發現，野外土壤水分蒸發大致分為3個階段：蒸發量波動較大的前期(第1～7天)、蒸發量波動較小的中期(第8～22天)和蒸發量趨于平穩的后期(第23～30天)。蒸發前期，蒸發量范圍為0.71～6.35 mm，平均蒸發量大小排序為T1(3.73 mm)=T2(3.73 mm)>T3(3.53 mm)>T4(3.22 mm)=T5(3.22 mm)，不同配比下土壤蒸發量差異不顯著(>0.05)。蒸發中期，蒸發量范圍為0～4.23 mm，平均蒸發量大小排序為T1(2.16 mm)>T2(1.74 mm)=T3(1.74 mm)>T4(1.13 mm)>T5(0.66 mm)，不同配比下土壤蒸發量差異達極顯著水平(<0.01)。蒸發后期，蒸發量范圍為0～0.71 mm，平均蒸發量大小排序為T1(0.53 mm)>T2(0.35 mm)=T4(0.35 mm)>T3(0.26 mm)=T5(0.26 mm)，不同配比下土壤蒸發量差異不顯著(>0.05)。綜上所述，棄渣配比增加對降低土壤水分蒸發的趨勢在蒸發中期較為明顯，在土壤水分充足的前期和土壤水分虧缺的后期不明顯。

圖3 不同配比下土壤水分逐日蒸發量

由圖4可知，野外條件下不同配比土壤的累計蒸發量隨時間的延續而增加，但累計值的增加速率呈下降趨勢，不同配比下土壤累計蒸發量差異達極顯著水平(<0.01)，大小排序為T1(62.78 mm)>T2(55.02 mm)>T3(52.91 mm)>T4(42.33 mm)>T5(34.57 mm)。

圖4 不同配比下土壤水分累計蒸發量

2.3 土壤水分蒸發相關性分析

土壤水分蒸發影響因素眾多，包括氣溫、風速、太陽輻射等氣象因子以及土壤粒徑組成、孔隙度等物理性質。通過土壤水分逐日蒸發量與氣象因子、物理性質相關關系的顯著性檢驗，闡明土壤水分蒸發的影響因素。由表2可知，逐日蒸發量與氣溫、風速呈極顯著正相關(<0.01)，與太陽輻射呈顯著正相關(<0.05)，與濕度沒有顯著性相關關系(>0.05)。

表2 土壤逐日蒸發量與氣象因子相關性分析

由表3可知，逐日蒸發量與毛管孔隙度呈極顯著正相關(<0.01)，與非毛管孔隙度呈極顯著負相關(<0.01)，與黏粒體積含量、粉粒體積含量、總孔隙度呈顯著正相關(<0.05)，與砂粒體積含量、容重呈顯著負相關(<0.05)。

表3 土壤逐日蒸發量與物理性質相關性分析

2.4 土壤抗旱性分析

土壤含水量和水分蒸發量因復配比例產生差異，且二者變化趨勢相反，但憑其中一項難以判斷土壤的抗旱性，因此，采用土壤累計蒸發失水比進行土壤抗旱性分析。由圖5可知，土壤蒸發失水比T1范圍為0.04～0.52，T2范圍為0.07～0.85，T3范圍為0.03～1.21，T4范圍為0.04～2.57，T5范圍為0.12～2.85，T1和T2累計蒸發量均小于表層土壤含水量，而T3、T4和T5均出現累計蒸發量大于表層土壤含水量情況，說明無外界水源補充下連續蒸發30天，混合土壤中棄渣體積比例超過30%，表層土壤水分無法滿足蒸發需求。T1～T5表層土壤末期含水量分別為9.86%，4.68%，2.25%，1.45%，0.25%，初期含水量和累計蒸發量差值分別為6.63%，2.44%，-0.44%，-7.47%，-6.72%，對比發現，前者均大于后者，說明棄渣體積比例越大，混合土壤下層蓄水能力越弱，土壤抗旱性越差。

圖5 不同配比下土壤累計蒸發失水比

2.5 覆蓋物保水性能分析

由圖6可知，不同配比下覆蓋物均能降低土壤水分蒸發。T1條件下土壤水分累計蒸發量差異達極顯著水平(<0.01)，由大到小為CK(62.78 mm)>SS(52.20 mm)>LS(45.15 mm)>ZW(38.80 mm)；T2條件下土壤水分累計蒸發量差異達極顯著水平(<0.01)，由大到小為CK(55.02 mm)>LS(44.03 mm)>SS(40.91 mm)>ZW(38.09 mm)；T3條件下土壤水分累計蒸發量差異達顯著水平(<0.05)，由大到小為CK(52.91 mm)>SS(40.91 mm)>LS(40.21 mm)>ZW(35.98 mm)；T4條件下土壤水分累計蒸發量差異達極顯著水平(<0.01)，由大到小為CK(42.33 mm)>SS(37.39 mm)>ZW(34.57 mm)>LS(26.81 mm)；T5條件下土壤水分累計蒸發量差異達顯著水平(<0.05)，由大到小為CK(34.57 mm)>ZW(33.15 mm)>SS(31.74 mm)>LS(24.69 mm)。覆蓋物不僅有效降低了土壤水分蒸發，還具有一定減緩蒸發速度的能力，由趨勢線方程參數可知，T1條件下CK(2.02 mm/d)>SS(1.55 mm/d)>LS(1.16 mm/d)>ZW(1.08 mm/d)；T2條件下CK(1.64 mm/d)>SS(1.33 mm/d)>ZW(1.24 mm/d)>LS(1.23 mm/d)；T3條件下CK(1.68 mm/d)>SS(1.36 mm/d)>ZW(1.08 mm/d)>LS(1.00 mm/d)；T4條件下CK(1.21 mm/d)>SS(1.02 mm/d)>ZW(0.90 mm/d)>LS(0.57 mm/d)；T5條件下ZW(1.05 mm/d)>SS(0.99 mm/d)>CK(0.84 mm/d)>LS(0.71 mm/d)，當棄渣比例為100%時，覆蓋滲水地膜和植物毯并不能有效降低土壤水分蒸發速度。

圖6 不同覆蓋處理下土壤水分累計蒸發量

2.6 覆蓋物保水性能灰色關聯分析

通過上述分析發現，因覆蓋種類和復配比例的不同，產生的保水效果也不一致，為篩選出最優覆蓋物，采用灰色關聯分析。采用最優值化方法，將不同覆蓋處理下復配土的蒸發量和蒸發速度數值分別除以各組最優值，從而得到新的數列，即數值無綱量化處理(表4)。

表4 覆蓋物保水性能數值無綱量化處理

灰色關聯分析結果為同列灰關聯系數做平均得到的灰關聯度，其數值越接近1.000則表示覆蓋物保水性能越好。由表5可知，不同覆蓋條件下土壤蒸發量大小為LS(0.869)>ZW(0.841)>SS(0.694)>CK(0.521)，蒸發速度大小為LS(0.977)>ZW(0.779)>SS(0.610)>CK(0.512)，通過比較蒸發量和蒸發速度2個保水性能指標發現，礫石覆蓋相對最優。

表5 覆蓋物保水性能灰關聯系數和灰關聯度

3 討 論

3.1 不同配比下表層土壤含水量差異

土壤重構過程中，隨著土壤棄渣體積比例增大，土壤顆粒變化趨勢表現為黏粒和粉粒減少，砂粒增加，這將導致土壤顆粒表面積減少，吸附性降低，對水分的吸附能力也會因此而下降，伴隨棄渣體積比例增加，黏粒含量降低89.40%，粉粒含量降低36.61%，砂粒含量增加78.36%，致使表層土壤含水量初期和末期分別降低38.06%和9.61%。土壤粒徑的差異還會通過改變土壤本身的孔隙度，間接對土壤含水量造成影響。一般認為，毛管孔隙主要受細顆粒影響，數量越多則儲水能力越強，本研究中毛管孔隙度最大可達48.82%，而非毛管孔隙主要受粗顆粒影響，數量越多則通透性越好，本研究中非毛管孔隙度最大可達5.36%，棄渣體積比例的增加通過提高土壤粗顆粒體積占比間接導致總孔隙度中非毛管孔隙比例上升，從而影響土壤含水量。表層土壤末期含水量與初期含水量和累計蒸發量的差值存在一定差異，原因在于歷經30天連續蒸發后上層土壤(15 cm以上)與下層土壤(15 cm以下)形成水勢差，下層水分借助毛管作用向上補充，致使表層土壤末期含水量不同于蒸散后的水分差值。

3.2 不同配比下土壤蒸發量差異

從土壤水分蒸發量來看， 整體上逐日蒸發量和累計蒸發量均隨棄渣體積比例增加而降低，逐日蒸發量可分為3個階段：蒸發前期主要受當地氣象條件的控制，即大氣蒸發力控制階段，在充分供水條件下，水通過毛管作用源源不斷輸出，同等大氣蒸發力致使前期逐日蒸發量差異不明顯，因此，本研究中平均逐日蒸發量最小的T4(3.22 mm)和T5(3.22 mm)僅比最大T1(3.73 mm)和T2(3.73 mm)低13.67%。當表層土壤水分降至某一臨界值時，此時進入土壤導水率控制階段，氣象因素退居次要地位，該階段內以薄膜水形式向外擴散，質地偏黏、孔隙度高的T1含有較多薄膜水，平均逐日蒸發量達2.16 mm，是質地偏砂、孔隙度低T5(0.66 mm)的3.27倍。當薄膜水運動停止后進入第3階段，即水汽擴散控制階段，該階段內土壤中的水分以汽化的方式逸入大氣，土層間的水汽壓梯度和下層土壤的含水量是蒸發量的決定性因素，農田土體積比例大的配比，其保水性好，土層水汽壓梯度大，因而T1平均逐日蒸發量為T5的2.04倍，但以水汽擴散方式蒸發掉的水分還是少量的，平均逐日蒸發量最大0.53 mm，與最小0.26 mm僅差0.27 mm，差異不顯著。累計蒸發量是逐日蒸發量的累計結果，盡管不同蒸發階段的逐日蒸發量有所不同，但最終累計蒸發量隨棄渣體積比例增加而降低。

3.3 土壤水分蒸發影響因子分析

氣象因素是引起土壤水分蒸發的重要外源因素，土壤水分蒸發與氣溫、太陽輻射以及相對濕度等氣象因子具有緊密聯系，本研究中，太陽輻射、氣溫和風速與土壤水分蒸發呈正相關，太陽輻射作用于地表，促使地表溫度升高，加速土壤水分蒸發，因此太陽輻射與溫度的協同作用促進土壤水分蒸發加快；風速帶走近地表處濕潤空氣，以干燥空氣代之，風速大則蒸發量大，以此方式促進土壤水分蒸發。從相關性顯著程度分析，溫度和風速的顯著性大于太陽輻射，其原因在于太陽輻射是通過提高近地表溫度間接影響土壤水分蒸發，其影響程度不如溫度和風速的作用直接。相對濕度與土壤水分蒸發不存在顯著相關性的原因可能是山巒氣候多變，空氣相對濕度晝高夜低致使日變化不明顯。粒徑、孔隙度為影響水分蒸發的土壤自身因子，粒徑通過影響孔隙度進而對土壤水分蒸發造成影響，較細顆粒易形成毛管孔隙并發揮其毛管作用，土壤表層水分減少形成水勢差，下層水分借助毛管孔隙沿水勢梯度向上擴散，補充上層土壤蒸發散失的水分。土壤中棄渣體積比例越大，較大土壤顆粒對毛管孔隙的阻斷效應越強，抑蒸效應越強，與Xiao等研究結果一致。

3.4 覆蓋物保水性能差異

覆蓋物對土壤的保水性能具有顯著性，綜合不同配比土壤在不同覆蓋方式下的蒸發量和蒸發速度發現，任意覆蓋方式下的土壤水分蒸發量均低于CK，與王麗麗等研究結果相似。LS覆蓋通過形成干燥表層切斷向上運輸水分的毛細管從而抑制水分蒸發，棄渣體積比例達到30%時蒸發速率最小，為1.23 mm，保水效果初見；ZW覆蓋則是通過降低表層土壤的熱通量達到抑制水分蒸發的目的，棄渣體積比例達到50%時蒸發量最小為35.98 mm，棄渣體積比例超過50%時ZW對土壤水分保有能力弱于LS；SS覆蓋既未形成干燥表層，也未降低表層土壤熱通量，而是在土壤與大氣之間的形成隔膜抑制水分蒸發，但膜下高溫積累也會產生一定的水分蒸發，同一土壤條件下覆蓋SS其蒸發量和蒸發速度均未達到最優。

結合土壤累計蒸發量和蒸發速度分析發現，同一配比條件下，蒸發速度隨累計蒸發量增加而變慢，說明覆蓋物不僅可有效降低土壤水分蒸發，還具有一定減緩蒸發速度的能力，而T5條件下不符合這一規律，CK(34.57 mm)累計蒸發量高于其他覆蓋處理，其0.84 mm/d的蒸發速度低于SS的0.99 mm/d和ZW的1.05 mm/d，原因在于該處理水分蒸發集中于試驗開始前期，中期和后期水分蒸發微弱。

4 結 論

(1)土壤重構中，棄渣體積比例越大表層土壤含水量越低，累計蒸發失水比越大，土層蓄水能力越弱，土壤抗旱能力越差，結合土壤累計蒸發失水比與表層土壤含水量和累計蒸發量關系分析得知，棄渣∶農田土以3∶7體積比例復配混合土壤抗旱性最強。

(2)蒸發中期(第8～22天)不同配比土壤逐日蒸發量和累計蒸發量差異顯著，在土壤水分充足的蒸發前期(第1～7天)和土壤水分虧缺的蒸發后期(第23～30天)差異不顯著。礫石覆蓋在蒸發量和蒸發速度方面優于植物毯和滲水地膜。

(3)影響土壤水分蒸發的氣象因子主要是太陽輻射、氣溫、風速，土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度對土壤水分蒸發存在極顯著影響，各粒級含量、容重以及總孔隙度對土壤水分蒸發存在顯著影響。

綜上分析，棄渣∶農田土以3∶7體積比例復配覆蓋礫石為石灰巖礦山廢棄地土壤重構最佳保水搭配方案。