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  中国水土保持科学   2019, Vol. 17 Issue (4): 59-66.  DOI: 10.16843/j.sswc.2019.04.008
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引用本文 

吕春娟, 陈丹, 郭星星, 王煜, 郭岩松. 铁尾矿不同复垦模式土壤贮水能力及入渗特征[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(4): 59-66. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.04.008.
LV Chunjuan, CHEN Dan, GUO Xingxing, WANG Yu, GUO Yansong. Water storage capacity and the infiltration characteristics of soil in different reclamation modes in iron tailings[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(4): 59-66. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.04.008.

项目名称

国家自然科学青年基金"铁矿干排尾矿坡面生态恢复侵蚀调控机理研究"（41401619）；山西农业大学引进人才科研启动项目"铁矿尾砂库植被恢复基质改良研究"（2014ZZ07）

第一作者简介

吕春娟(1978-), 女, 博士, 副教授。主要研究方向:土壤侵蚀与土地整治。E-mail:lcjcwg@126.com

文章历史

收稿日期：2018-08-20
修回日期：2019-06-24
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
铁尾矿不同复垦模式土壤贮水能力及入渗特征
吕春娟 , 陈丹 , 郭星星 , 王煜 , 郭岩松     
山西农业大学资源环境学院, 030801, 山西太谷
收稿日期：2018-08-20; 修回日期：2019-06-24
项目名称：国家自然科学青年基金"铁矿干排尾矿坡面生态恢复侵蚀调控机理研究"（41401619）；山西农业大学引进人才科研启动项目"铁矿尾砂库植被恢复基质改良研究"（2014ZZ07）
第一作者简介：吕春娟(1978-), 女, 博士, 副教授。主要研究方向:土壤侵蚀与土地整治。E-mail:lcjcwg@126.com
摘要：为探究铁尾矿不同复垦模式下土壤水分特征，采用双环入渗法测定6种复垦模式（STJ尾矿砂-土-菌糠、ST1尾矿砂-土、ST2尾矿砂-土、SJ1尾矿砂-菌糠、SJ2尾矿砂-菌糠、T纯土）和对照裸尾矿的土壤入渗过程和贮水性能。结果表明：复垦对土壤贮水性能的提升表现为土壤滞留贮水量>土壤饱和贮水量>土壤吸持贮水量，掺菌糠复垦模式持水贮水量高于掺土复垦模式；6种复垦模式均渗率与初渗率变化趋势相同，是裸尾矿的1.17~4.93倍，其中纯土入渗性能最好，掺菌糠尾矿砂均渗率（1.958 mm/min）高于掺土尾矿砂（1.106 mm/min）。分别用Horton、Philip、Kostiakov模型拟合不同复垦模式水分入渗过程，模型拟合精度分析表明，Horton模型适合模拟裸尾矿水入渗过程，Kostiakov模型是描述其他6种复垦土壤水分入渗的最佳模型；对于复垦年限较短的修复模式，密度、孔隙度是影响该尾矿入渗性能的关键因素，与植被类型关系不明显。不同复垦模式下土壤水分入渗研究结果，可为铁尾矿生态修复和水土保持提供支撑，并为优化尾矿区复垦模式提供参考依据。
关键词：铁尾矿砂    复垦模式    水分入渗    贮水性能    入渗模型    
Water storage capacity and the infiltration characteristics of soil in different reclamation modes in iron tailings
LV Chunjuan , CHEN Dan , GUO Xingxing , WANG Yu , GUO Yansong     
College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, 030801, Taigu, Shanxi, China
Abstract: [Background] A large amount of solid waste results from the large-scale mining of iron ore, thus it seriously damages the ecological environment. The soil erosion, environmental pollution and soil degradation occur in the iron tailings area, thus reclamation of iron tailings is very important to improve the ecological quality of mining area. Because the tailings reconstituted soil type is different from the general natural soil, the effects of reclaimed soil types on water storage and infiltration processes remains being discussed. [Methods] In this research, the double-ring infiltration method was used to study the soil infiltration process and water storage characteristics of 6 reclamation patterns (STJ tailings-soil-mushroom residue, ST1 tailings-soil, ST2 tailings-soil, SJ1 tailings-mushroom residue, SJ2 tailings-mushroom residue, and T pure soil) and control bare sand(CK), and three infiltration models of Horton, Philip, and Kostiakov were used to simulate the water infiltration process. [Results] 1) The improvements of soil water storage performance by reclamation were as followed:soil non-capillary water storage > soil saturated water storage > soil capillary water storage. The water-holding capacity in the reclamation mode of mixed mushroom residue (SJ1, SJ2, and STJ)is higher than that in the reclamation patterns of mixed soil (ST1 and ST2). 2)The soils in 6 reclamation patterns had the same trend of average infiltration rate and initial infiltration rate, which was 1.17-4.93 times of the bare sand, and the infiltration performance of pure soil was the best in different reclamation patterns. The average infiltration of mixed mushroom residue (SJ1, SJ2, and STJ)(1.958 mm/min) was higher than that of mixed soil (ST1 and ST2)(1.106 mm/min). 3)The model fitting accuracy analysis showed that Horton model was suitable for simulating the infiltration process of bare tailings and Kostiakov model was the best model to describe the others. 4)For the seven reclamation patterns with short reclamation years, bulk density and porosity were the key factors affecting the infiltration performance of the tailings, and the relationship with vegetation types was not obvious. [Conclusions] The data of this study shows that the soil mixed mushroom residue has higher water storage capacity and infiltration performance, which is beneficial to plant absorption and accelerated vegetation restoration process. Considering the iron ore tail area is lacking soil source, in practice, it can be considered to apply mushroom residue as an modified material in iron tailings to repair the ecological environment, which is conducive to soil and water conservation and sustainable growth of vegetation. The results of water infiltration studies of soils in different reclamation patterns can provide theoretical support for further ecological restoration and soil-water conservation of iron tailings.
Keywords: iron tailings    reclamation patterns    water infiltration    water storage performance    infiltration model    

土壤水分入渗控制降水过程中地表产流水平、储水性能及地下径流量等而成为水循环的关键环节[1-2]，土壤贮水量和入渗率是水土保持和水源涵养功能的重要水文参数[3]。研究表明，土壤入渗性能越好，植物可吸收利用的有效水越多，植物生长发育越有利，还可以形成壤中流，减少地表径流，抑制土壤侵蚀的发生[4-5]。目前，在生态环境脆弱的工矿区，土壤水分的运移维系问题受到国内外学者的普遍关注[6-8]。研究水分入渗规律对合理利用调控矿区水资源、降低水土流失风险具有重要意义。

铁尾矿是矿区开采矿石产生的固体废弃物。中国作为全球第2大铁矿石生产国由于选矿技术限制铁尾矿排弃量大[9]，综合利用率不到10%，远落后于达60%的西方发达国家[10]。长期任意堆存的尾矿废弃物不仅压占了大量土地，而且被降雨和地表径流侵蚀后极易引发严重的水土流失问题。由于尾矿砂结构性差，通气透水能力弱，导致植物生长受限，很多学者针对铁尾矿基质改良利用方面进行相关研究，改良方法以掺土和施肥最为常见。付文昊等[11]研究了邢台市南沟地区铁尾矿复垦区客土改良模式、半客土改良模式下土壤物理性质变化。杨萌[12]研究了在铁尾矿与土按15%、30%、45%、60%比例混合对土壤理化性质的影响，表明土壤中适量施用铁尾矿砂能提高土壤有效孔隙，降低土壤黏性，调节养分含量。张宝娟等[13]研究发现在铁尾矿中掺土比例75%时可全面改善铁尾矿基质孔隙状况和持水性能。但有关尾矿区修复土壤水分存储及入渗的研究鲜见报道。鉴于此，笔者分析铁尾矿区7种不同复垦模式土壤贮水及入渗特征，并对尾矿复垦基质入渗过程进行模拟，以期为贫瘠、紧实的铁尾矿基质改良与植被重建提供科学支撑，并为铁尾矿区布设合理的复垦措施提供参考。

1 研究区概况

研究区为山西省垣曲县国泰矿业集团的泉子沟铁尾矿库，地理坐标E 111°30′~112°05′、N 34°59′~35°26′，位于山西省运城市东北隅，中条山南部、黄河北岸，年均气温13.3 ℃；年均相对湿度60%；年均降水量596.7 mm，年均蒸发量2 090.0 mm，属大陆性干旱半干旱气候。平均海拔约950 m。该尾矿库为干排尾矿库，位于黄河一级支流——亳清河流域上游，占地面积约106.7 hm2。裸露的尾矿库因长期废弃，自然植被难以侵入，坡度较大，受降雨径流侵蚀，沟壑纵横，坡面侵蚀形态严重，严重威胁着亳清河流域水生态安全。2015年结合该尾矿库为土石山区、土源缺乏的实际情况，选用当地大量生产的蘑菇废料与秸秆、木屑等制成菌糠作为充填复垦基质，将菌糠、尾矿砂和客土按体积比混掺分别铺设于7个100 m2小区进行复垦试验，在尾矿坡面上选择了7类小区进行复垦试验，样地基本情况见表 1。

表 1 复垦样地基本情况 Tab. 1 Basic conditions of reclaimed plot
2 材料与方法 2.1 复垦基质土壤样品的采集与测定

采样时间为2017年10月，每个样地中用环刀采集表土层原状土，用环刀法测定土壤密度、孔隙度、田间持水量和饱和持水量等物理指标、比重瓶测定样品比重，同时采集1 kg左右的扰动土样，重铬酸钾氧化法测定有机质质量分数，用铝盒烘干法测定自然含水量。以上理化指标[14]均取3次重复的平均值，不同复垦样地理化性质如表 2。

表 2 不同复垦模式土壤基本理化性质 Tab. 2 Basic physical and chemical properties of soils in different reclamation mode
2.2 复垦土壤贮水能力计算

根据2.1中测定的孔隙度计算0~10 cm表层土壤的最大吸持贮水量Wc、最大滞留贮水量Wnc和饱和贮水量Wt，公式[3]为：

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{W_{\rm{c}}} = 10\;000{P_c}h, {W_{{\rm{nc}}}} = 10\;000{P_{{\rm{nc}}}}h, }\\ {{W_{\rm{t}}} = 10\;000{P_{\rm{t}}}h。} \end{array} $ (1)

式中：Wc为土壤水分吸持贮水量，t/hm2；Pc为毛管孔隙度，%；Wnc为土壤滞留贮水量，t/hm2；Pnc为非毛管孔隙度，%；Wt为土壤饱和贮水量，t/hm2；Pt为总孔隙度，%；h为土层深度，m。

2.3 复垦土壤水分入渗测定

在铁尾矿复垦区采用双环法[15]测定水分入渗过程。根据入渗速率与温度关系对入渗速率进行矫正，统一为10 ℃下的入渗速率，计算公式为

$ V = \frac{{10{Q_{\rm{n}}}}}{{{t_{\rm{n}}}S}} \cdot \frac{L}{h}。$ (2)

式中：V为入渗速率，mm/min；Qn为间隔时间灌入水量，mL；L为内环入土深度cm；tn为时间间隔，min；S为内环横截面积，cm2；h水层厚度，cm。

$ {V_{10}} = V/(0.7 + 0.03\theta )。$ (3)

式中：V10为10 ℃下的入渗速率，mm/min；θ为温度计实测入渗水温，℃。

2.4 复垦土壤入渗模型

Kostiakov、Philip和Horton模型为物理意义较明确的常用野外入渗模型，广泛应用于各类土壤类型中[14]，本文利用非线性回归分析方法对野外入渗实测值进行拟合，探讨其在铁尾矿不同复垦模式下的适宜性。

Kostiakov模型：

$ {i_{(t)}} = a{t^{ - b}}。$ (4)

Philip模型：

$ {i_{(t)}} = a{t^{ - 1/2}} + c。$ (5)

Horton

$ {i_{(t)}} = a{e^{ - kt}} + c。$ (6)

式中：i(t)为入渗速率，mm/min；t为时间，min；c为稳渗率，mm/min；a、b、k为入渗经验参数。

采用均方差(RMSE)和决定系数(R2)评价各入渗模型的拟合精度。

$ {\mathop{\rm RMSE}\nolimits} = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{O_i} - {S_i}} \right)}^2}} }}{n}} 。$ (7)
$ {R^2} = \frac{{\sum\limits_{1 = 1}^n {{{\left( {{O_i} - {{\bar O}_i}} \right)}^2}} {{\left( {{S_i} - {{\bar S}_i}} \right)}^2}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{O_i} - {{\bar O}_i}} \right)}^2}} \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{S_i} - {{\bar S}_i}} \right)}^2}} }}。$ (8)

式中：Si为模拟值；Oi为实测值；Si为模拟平均值；Oi为实测平均值；n为样本总数。

3 结果分析 3.1 不同复垦模式土壤贮水特征

土壤贮水能力是土壤涵养水源及地表产流的一个重要指标，土壤贮水能力由土壤厚度和孔隙特征决定[16]。在表土层范围内，不同复垦模式土壤贮水量差异明显，不同复垦地贮水能力均高于CK(图 1)。饱和贮水量大小依次为：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，6种复垦模式比CK高7.14%~46.03%，其中掺菌糠模式(SJ2、STJ和SJ1)和掺土模式(ST1和ST2)之间差异显著(P < 0.05)。对于吸持贮水量，T、SJ2和SJ1分别比CK提高了33.33%、24.07%和6.75%，ST1、ST2和CK三者之间无显著差异(P>0.05)。滞留贮水量表现为：STJ、SJ1、T、SJ2、ST1和ST2比CK高28.15%~135.13%，其中SJ1、T、SJ2之间滞留贮水能力相近。饱和贮水量和吸持贮水量均表现为T模式最高，分别为CK的146%和133%。掺菌糠模式(SJ1、SJ2)贮水能力整体大于掺土模式(ST1、ST2)。此外，相同(ST1、ST2)或相近复垦模式(SJ1、SJ2、STJ)下贮水差异不明显，即相比于植被，不同复垦土壤对贮水性能的提高有更大的贡献。滞留贮水力在暴雨时可迅速吸纳雨水，减少地表产流和泥沙流失[17]，降低地表水蚀危害，不同复垦措施对铁尾矿滞留贮水量影响最明显，其次为饱和贮水量和吸持贮水量。

图 1 不同复垦模式下土壤贮水特征 Fig. 1 Soil water storage characteristics of soils in different reclamation modes

土壤水与植物生长关系密切，一般分为饱和持水量、毛管持水量和田间持水量，其大小与土壤孔隙直接相关。由图 2可知，不同复垦模式下T饱和持水量、田间持水量均为最大，显著高于其他模式(P < 0.01)，持水量表现为：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，ST2和CK持水量无显著差异(P>0.05)。持水量(x)随总孔隙(y1)、毛管孔隙(y2)的增加而增大，二者成显著的线性正相关关系(图 3)。

图 2 不同复垦模式土壤持水量特征 Fig. 2 Soil water-holding capacity characteristics of soils in different reclamation modes
图 3 饱和持水量、田间持水量与总孔隙度、毛管孔隙的相关性 Fig. 3 Correlation between water-holding capacity and total porosity, capillary pores

土壤孔隙是水分贮蓄的主要场所，而土壤孔隙结构又主要与土壤理化性状相关联，二者直接或间接地影响土壤贮水持水能力。杨萌[12]试验证明在土壤中施加25%~35%铁尾矿可有效提高孔隙度，降低密度。谢修鸿等[18]研究发现菌糠对土壤理化性质有显著改善作用，土壤田间持水能力均随菌糠施用量增加而增强。本研究中，6种不同复垦模式与对照裸尾矿相比，土壤贮水量，田间持水量特征总体上表现为掺菌糠模式(SJ1、SJ2、STJ)高于掺土模式(ST1、ST2)。其原因一方面是，菌糠能改善土壤理化性质，其分解形成的腐殖质也可增加砂土黏结力[19]，提高土壤机械稳定性，促进微团集聚[18]，增加孔隙度，SJ2、STJ和SJ1总孔隙度(53.08%~51.37%)、毛管孔隙(33.53%~39.45%)分别大于ST1、ST2和CK的(41.45%~47.74%)和(31.85%~33.41%)，STJ的非毛管孔隙度平均比CK增加98.8%；另一方面，有机质促进了团粒结构的形成，间接降低了土壤密度，提高供植物生长所需的有效水量，掺菌糠模式(SJ1、SJ2)平均有机质质量分数18.37 g/kg显著高于掺土模式(ST1、ST2)的4.88 g/kg，同时T模式(1.06 g/cm3)和SJ2模式(1.22 g/cm3)密度水平已达第2次土壤普查适宜作物种植标准。

3.2 不同复垦模式土壤水分入渗特征

由图 4发现，不同模式土壤入渗曲线在0~3 min内迅速降低，此时土水势低，各基质水吸力大，入渗率急剧下降，为快速入渗阶段，此阶段除T外，其余模式初渗速率均远高于对应的稳渗速率，为其稳定入渗速率的7~17倍；3 min后水分逐渐填充土壤孔隙使含水量不断增加，各模式入渗曲线缓慢降低，为渐变入渗阶段；最后入渗率逐渐趋于恒定，STJ和SJ2、ST2和CK、ST1和SJ1模式分别在60、80、110 min左右达稳定入渗，而T模式在150 min才相对稳定。

图 4 不同复垦模式土壤入渗过程曲线 Fig. 4 Soil infiltration process curve of soils in different reclamation modes

选用初渗率、稳渗率和均渗速率3个入渗特征值来综合分析不同复垦模式土壤渗透性的优劣，初渗率为前3 min的平均速率，稳渗率为最后3次稳渗率平均值。由表 3可知，初渗率大小依次为：T>SJ2>STJ>SJ1>ST1>ST2>CK，6种复垦模式为CK的1.31~3.85倍；均渗率与初渗率具有相同的变化趋势，复垦地均渗率为CK的1.17~4.93倍，STJ、SJ1和SJ2均渗率均值(1.958 mm/min)高于ST1和ST2的(1.106 mm/min)；稳渗率方面，纯土模式(2.58 mm/min)显著高于其他5种复垦模式(0.3~0.34 mm/min)，而裸尾矿最低，仅为0.121 mm/min。不同复垦模式入渗特征总体表现为纯土(T)>掺菌糠或掺土+菌糠(SJ、STJ)>掺土(ST)>裸尾矿(CK)。纯土模式T入渗性能最高，原因主要为该样地受人为耕作影响，土壤疏松，且油松乔木根径粗而发达，可疏松土壤，水流联通性好，利于产生优势流并向深处运移。掺菌糠或掺土+菌糠入渗性能优于掺土模式，原因是菌糠作为一种土壤有机改良剂，富含木质素[20]、有机质[21]、氮、磷、钾[22]等营养物质，有利于改良土壤结构和促进植物生长。野外调查发现掺菌糠模式有较高的林草覆盖度，而植物生长形成的残枝落叶聚积于地表形成腐殖质层，可降低尾矿紧实度，增强透水蓄水性。掺菌糠模式(SJ1、SJ2和STJ)比裸尾矿(CK)密度显著降低21%~30%，总孔隙度和非毛管孔隙度分别显著增加28%~38%和110%~112%(P < 0.05)，故尾矿孔隙分布的改善显著影响水分渗透[23]。不同复垦模式入渗性能差异主要由复垦土壤所决定，与植被类型关系不明显，可能是因为复垦年限短，植被根系尚未充分拓展发育，枯落物较少，其改善土壤的作用还未能显现。

表 3 不同复垦模式土壤入渗特征值 Tab. 3 Infiltration characteristic values of soils in different reclamation patterns
3.3 不同复垦模式水分入渗过程模拟

由表 4可知，3个入渗模型对尾矿砂不同复垦模式土壤入渗过程拟合精度存在差异，Kostiakov模型回归决定系数平均值最高，为0.941，Philip模型和Horton模型分别为0.925和0.923，均方差平均值最小，为0.256，低于Philip模型(0.263)和Horton模型(0.287)，且由于Philip模型对稳渗率的拟合有一处为负值，与实际不符，故总体上Kostiakov模型拟合程度较高，拟合误差最小，但是Horton模型(R2=0.981)对CK的拟合精度远高于Kostiakov模型(R2=0.887)。因此，Kostiakov模型是描述该区尾矿砂不同复垦模式下入渗过程的最优模型，Horton模型能更好的模拟裸尾矿入渗过程。

表 4 不同复垦模式水分入渗过程模拟及精度检验结果 Tab. 4 Simulation of water infiltration process and accuracy test in reclamation modes
4 结论

1) 铁尾矿不同复垦模式(尾矿砂-土-菌糠、尾矿砂-土、尾矿砂-菌糠、纯土、裸尾矿)土壤贮水能力以纯土模式最高，其他模式中尾矿砂-菌糠或尾矿砂-土-菌糠模式高于掺土模式。不同复垦模式对裸尾矿贮水力的提升效果表现为：滞留贮水量(28%~138%)>土壤饱和贮水量(7%~46%)>吸持贮水量(3%~33%)，因此铁尾矿纯土和掺菌糠修复对提高土壤储水性能、抵抗径流冲刷有重要现实意义。

2) 不同复垦模式对裸尾矿水分初渗率、均渗率和稳渗率均有提高作用，其中复垦铁尾矿土壤稳渗率显著高于裸尾矿。不同复垦模式间入渗性能总体表现为纯土>尾矿砂-菌糠或尾矿砂-土-菌糠>掺土>裸尾矿，且掺菌糠模式高于掺土模式。研究区铁尾矿水分入渗差异主要与孔隙、密度等物理结构特性差异有关，与植被类型关系不明显。

3) 采用R2和RMSE 2种精度评价指标比较分析了Kostiakov、Philip和Horton 3种模型拟合铁尾矿区不同复垦模式土壤入渗过程，表明Kostiakov(R2=0.941)和Horton模型(R2=0.925)精度较高，其模型参数能较好的表征铁尾矿区土壤入渗过程。今后研究中，可分别选择Kostiakov和Horton模型预测铁尾矿复垦土壤和裸尾矿水分入渗过程。

4) 铁尾矿中施入菌糠可以显著降低复垦土壤紧实度，增加孔隙度，提高大孔隙之间联通性，使掺菌糠复垦模式土壤有较高的贮水持水量和入渗性能，有利于植物吸持利用，加速植被恢复进程；因此，对于土源缺乏的铁矿尾区，在实践中可以考虑掺入菌糠修复生态环境，有利于保水固土和植被的可持续生长。

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