土石混合介质导气率变化特征试验

土壤中碎石的存在改变了土壤结构和孔隙分布,进而影响土壤通气性能。该文通过对碎石单粒径土石混合介质导气率变化特征研究,旨在探讨单粒径土石混合介质导气内在机理,为进一步研究复杂的野外土石混合介质的导气特性提供基础。为了研究土石混合介质中碎石对导气率的影响,该文通过试验研究,分析土壤颗粒小于2mm的样本(砂土、砂壤土、黏壤土)、碎石质量分数(10%、20%、30%、40%、50%)和碎石粒径(2～3、>3～5mm)对土石混合介质导气率的影响。结果表明:在土壤颗粒小于2mm的样本条件下,土壤导气率呈砂土>砂壤土>黏壤土;在相同碎石质量分数的土石混合介质中导气率呈砂壤土>砂土>黏壤土;碎石的存在改善黏壤土的导气性能,使黏壤土碎石混合介质的导气率大于黏壤土的导气率;降低了砂壤土和砂土的导气性能,且砂土的降低幅度远大于砂壤土;在砂壤土中碎石粒径2～3mm的导气率大于>3～5mm的导气率;在砂土中碎石质量分数30%之内,碎石粒径>3～5mm的导气率稍大于2～3mm的导气率,在40%则相反,但两种粒径下混合介质导气率差异不是很明显。     

耕作与覆盖措施对黄土塬区春玉米田土壤水气传输的影响

  【目的】  良好的土壤物理和水力学性质是土壤肥力可持续的基础。研究黄土高原旱作农业区长期不同耕作、覆盖措施对土壤水气传输性质的影响,为黄土塬区可持续的农田管理提供参考。  【方法】  基于设在渭北旱塬始于2002年的田间定位试验,选取传统耕作 (CT)、传统耕作+秸秆覆盖 (TS)、传统耕作+地膜覆盖 (TP)、传统耕作+全膜覆盖 (TWP)、免耕 (NT)、免耕+秸秆覆盖 (NS)、免耕+地膜覆盖 (NP)、免耕+生草覆盖 (NG) 共8个处理。于2019年春玉米收获期采集剖面土样,对0—10、10—20、20—30和30—40 cm土层土壤质量含水量、容重、导气率、相对气体扩散率和饱和导水率进行测定与分析。  【结果】  与CT处理相比,TS处理显著增加了0—40 cm土壤平均质量含水量,降低了0—40 cm各层土壤导气率,增加了各层土壤相对气体扩散率,表层 (0—10 cm) 土壤饱和导水率显著降低了75.9%;TP处理收获期耕层 (0—20 cm) 土壤容重增加,土壤总孔隙度显著降低,在0—10 cm土层,土壤导气率显著提高了54.1%;TWP处理耕层土壤容重显著增加,土壤总孔隙度显著降低,剖面0—40 cm土壤导气率和饱和导水率分别平均增加了64.8%和111.2%,尤其是表层土壤导气率显著提高了99.5%。与NT处理相比,NS处理耕层土壤容重降低,总孔隙度增加,表层土壤质量含水量、相对气体扩散率和饱和导水率分别显著提高了14.8%、25.3%和446.4%;NP处理耕层土壤容重增加,总孔隙度降低,表层土壤质量含水量和饱和导水率分别显著增加3.5%和145.2%,土壤导气率显著降低33.7%;NG处理耕层土壤容重降低,总孔隙度增加,表层土壤质量含水量显著提高了11.3%,土壤相对气体扩散率显著降低了42.1%。相同覆盖条件下与传统耕作比较,免耕处理能够降低下层20—40 cm土壤容重,增加土壤总孔隙度,提高土壤持水性,虽然降低了表层0—10 cm土壤导气率,但提高了土壤相对气体扩散率和饱和导水率。  【结论】  免耕秸秆覆盖可降低耕层土壤容重,增加总孔隙度,并且显著提高耕层土壤相对气体扩散率和饱和导水率,增加下层土壤导气率,是免耕处理组中最佳处理。传统耕作全膜覆盖可提高耕层土壤导气率、相对气体扩散率和饱和导水率,是传统耕作组中最佳处理,可有效保持渭北旱塬良好的土壤水气传输能力。     

高潜水位采煤塌陷区重构土壤水分运移规律模拟研究

以江苏省徐州市贾汪矿区为研究区,通过野外采样与室内土柱试验模拟不同土壤重构模式,对固定地下水位不同重构模式下土壤水分运移过程进行了观测。试验设置土柱上层0—50cm为土壤充填,50—80cm为不同表土替代物充填。按照下层50—80cm充填物的不同,设置4组处理,其中处理1为对照组(土壤充填),处理2(粉煤灰充填)、处理3(煤矸石充填)、处理4(煤矸石-粉煤灰混合物充填)为试验组。结果表明:(1)重构土壤上层含水率与下层相比变化明显,底层含水率临近于饱和含水率,变化微小;(2)在不同充填物的分界线处含水率变化明显,充填物类型对土壤水分垂直变化有较大影响;(3)煤矸石、粉煤灰混合物充填重构模式含水率变化规律与土壤充填模式最为一致,且饱和含水率最为接近,具有良好的保水、透气性,是高潜水位采煤塌陷区土地复垦最理想的土壤重构模式。本研究可以为高潜水位采煤塌陷区土地复垦的土壤重构以及盐渍化控制等提供一定的理论依据和技术支撑。     

小碎石与细土混合介质的导水特性

含碎石土壤的导水性质研究有利于这种多孔介质水分运动的模拟。本文采用室内定水头法和离心机法分别测定两种质地土壤(壤土、黏壤土)和三种岩性小粒径(2~10 mm)碎石构成的土石混合介质的饱和导水率和水分特征曲线,采用van Genuchten-Mualem模型计算各土石介质的非饱和导水率,分析碎石对土壤导水能力的影响。试验结果显示,风化程度低的碎石对黏壤土具有明显的增大饱和导水率的作用,且碎石含量愈高,增加的效果愈明显;而风化程度高的碎石对土壤结构无明显的改善作用,且对黏壤土具有减小饱和导水率的作用。风化程度低碎石介质的非饱和导水率随土壤水吸力的增加呈现了先大于土壤和土石介质的后迅速减小到低于土壤和土石介质的变化过程。风化程度低的河卵石和风化程度高的粉泥页岩碎屑分别构成的土石介质的非饱和导水率较土壤的低,而风化程度中等的片麻状花岗岩碎块构成的土石介质的非饱和导水率较土壤的高。近饱和状态下,碎石含量高的土石介质的非饱和导水率也相应的高,而较大的土壤水吸力下,土石介质的非饱和导水率呈现随碎石含量的增大而减小变化趋势。试验结论可为含碎石土壤水分平衡研究提供参考。     

煤矸石和钙结石对植物生长和土壤含水量的影响

确定煤矸石和钙结石对植物生长和土壤水分变化的影响,是准确量化黄土高原地区土壤含水量和科学制定植被恢复策略的基础。通过小区试验实现,将土壤分别与煤矸石和钙结石混合后（碎石含量为 300 g?kg-1）填装至2 m3的地下小区中,以不含碎石土壤为对照,种植柠条（Caragana Korshinskii Kom.）和苜蓿（Medicago sativa.）,定期观测植物生长指标和含水量。研究结果表明：（1）煤矸石对植物生长具有抑制作用,钙结石则无显著影响。含煤矸石土壤中柠条和苜蓿累积生物量较无碎石土壤中分别低47%和21%,较含钙结石土壤中分别低45%和24%。苜蓿对含煤矸石土壤的适应性优于柠条。（2）介质类型对土壤含水量变化的影响较植物类型更为显著,含煤矸石土壤含水量显著高于其他两种介质,30~50 cm土层深度差异更显著。（3）柠条小区中,含煤矸石土壤与钙结石土壤中蒸散量的差值分别占土壤平均储水量的12%和23%。苜蓿小区中,含煤矸石、钙结石土壤与无碎石土壤中蒸散量的差值分别占土壤平均储水量的-11%和11%。可见,煤矸石和钙结石对土壤水分损失的抑制作用不同,随植物种类而变化。在预测区域土壤含水量时,煤矸石和钙结石对含水量的影响不可忽略,尤其在植被生长条件下。     

基于黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地覆土材料的优选

黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地需要覆盖足够厚度的土壤以保证农作物生长,针对济宁市部分采煤沉陷地可取土量不足问题,该文提出利用当地表土、心土和黄河泥沙组配作为覆土材料研究,以达到增加覆盖土壤厚度和改良当地土壤质地的目的。研究表明,覆土材料有利于玉米生长发育,表土、心土和黄河泥沙组配(质量比)为1:1:1.33~1:1:2的覆土材料玉米苗期生物量显著高于对照土壤;组配为1:1:0.86~1:1:2的覆土材料质地为壤土,是较为理想的土壤类型;组配为1:1:0.86~1:1:2的覆土材料容重为1.38~1.41g/cm3,密度为2.64~2.68g/cm3,较为适宜农作物生长。覆土材料可以显著降低当地土壤p H值和电导率,对农作物不产生盐害作用;其入渗性能提升,增加了土壤储水能力,组配为1:1:0.86~1:1:2的覆土材料入渗能力接近多年耕种农田;其水分特征曲线左移,毛管孔隙度、有效水孔隙度和水分常数基本呈现下降趋势,持水和供水能力下降。根据尽量增加黄河泥沙充填层上覆土材料厚度原则,优选出表土、心土和黄河泥沙组配为1:1:2的覆土材料作为黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的覆土材料,可在大田试验中进行进一步的验证。     

添加矿化垃圾腐殖土对绿化土壤物理特性的影响

矿化垃圾腐殖土作为绿化基质使用可以增加土壤中有机质及养分质量分数,但同时可能会对土壤物理及水分特性造成影响。运用土壤物理及水动力学方法,通过不同矿化垃圾质量添加比(0%、25%、50%、75%)进行田间、室内对比试验,比较不同配比对土壤物理性质和水分特性的影响。结果表明:1)添加矿化垃圾腐殖土质量比为25%时,土壤物理性质(密度、孔隙度等)和水分特性均无明显变化,仅土壤砂粒体积分数增加;添加比为50%时,土壤密度、毛管孔隙度和饱和含水率均无显著变化,但土壤总孔隙度明显降低,土壤砂粒体积分数及饱和导水率显著升高;添加比为75%时,土壤物理性质和水分特性均影响显著,其中土壤砂粒体积分数升高约217%,土壤饱和含水量降低11%,毛管含水量降低26%,土壤饱和导水率增加约93%,土壤有效水含量减少24.9%;2)Gardner模型能较好地拟合不同处理土壤水分特征曲线;3)添加矿化垃圾腐殖土在作为绿化基质使用过程中,质量添加比为25%~50%较适宜。     

充填层对覆土层水分变化影响的模拟研究

水分变动状况是充填复垦土壤质量的重要指标.通过充填柱模拟实验研究了充填复垦中充填层物料孔隙度大小对覆土层含水量变化的影响.结果表明,充填层孔隙度略小于覆土层时,覆土层含水量减少最快,而充填层孔隙度大于覆土层时,覆土层含水量减少速度与充填层孔隙度成正相关.因此,在充填复垦实践时,应根据覆土层孔隙度情况设计充填层的孔隙以保证充填复垦土壤有较强的保水性能.     

煤矸石充填重构土壤水分再分布与剖面气热变化试验研究

为研究煤矿区用矸石作为垫底基质进行土壤剖面重构土壤水分再分布过程和剖面热扩散与气体浓度变化特征,以指导工程设计和重构土壤熟化技术应用,在实验室设计了一种煤矿区重构土壤水气热运移模拟装置,通过布设在土柱系统不同深度的温湿度传感器和CO_2浓度检测仪,连续监测重构土壤剖面含水量、温度和CO_2浓度。结果表明:煤矸石层具有良好的阻水性,阻碍水分的入渗,增加上层土壤的持水能力。但是,煤矸石的持水性差,煤矸石层的含水量低于土壤层10%左右;煤矸石具有更佳的热扩散性,在加热过程中煤矸石层的温度远大于土壤层,在重构土壤中容易形成稳定的温度梯度,尤其在煤矸石层与土壤层之间存在明显的温度差。土壤层的温度受底部加热的影响较小,短期内主要受室温影响,其变化曲线与室温日变化曲线基本一致,最大波动幅度在2.89℃;底部通CO_2对土壤层CO_2浓度的影响非常小,气体在煤矸石层向土壤层扩散时容易受到土壤层的阻隔,导致气体在土壤层下界面累积;煤矸石层会对邻近土壤层产生较大影响,影响微生物的生存环境,导致微生物的活性下降。当覆土厚度为60cm时,煤矸石层对土壤层的影响较小,随着覆土厚度的增加,煤矸石的影响会逐渐削弱。     

添加木本泥炭和膨润土对侵蚀退化黑土理化性质的影响

为减缓黑土农田侵蚀退化,提高农田地力。本研究选取典型侵蚀退化黑土地,向土壤中添加木本泥炭和膨润土,利用室内模拟和田间原位观测相结合,进行土壤饱和导水率、导气率和相对气体扩散率以及持水性、有机碳含量和作物产量研究。结果显示：室内条件下添加2%或4%木本泥炭会使饱和导水率分别降低14.3%和增加9.9%、导气率分别增加18.9%和4.1%、相对气体扩散率分别增加15.5%和6.6%、有机碳含量分别增加39.4%和71.5%、盆栽玉米产量分别增加2.0倍和1.9倍;添加1%膨润土会使饱和导水率、导气率和相对气体扩散率分别降低63.2%、55.3%和7.6%,有机碳含量和盆栽玉米产量分别增加1.0%和1.1倍;添加2%或4%木本泥炭和1%膨润土会使饱和导水率分别降低65.8%和73.1%、导气率分别降低33.2%和32.8%、相对气体扩散率分别增加0.2%和降低4.7%、有机碳含量分别增加37.8%和70.6%、盆栽玉米产量分别增加1.9倍和1.5倍。大田中添加木本泥炭会使土壤饱和导水率、相对气体扩散率、有机碳含量和大豆产量分别增加75.0%、32.0%、36.1%和43.2%,土壤导气率降低45.2%;添加膨润土会使土壤饱和导水率、导气率和相对气体扩散率分别降低39.1%、44.4%和44.0%,有机碳含量和大豆产量分别提高3.6%和4.2%,但有机碳含量和大豆产量差异不显著。混合添加木本泥炭和膨润土会使土壤饱和导水率、相对气体扩散率、有机碳含量和大豆产量分别增加134.4%、28.0%、36.0%和26.3%,土壤导气率降低38.2%。添加木本泥炭和膨润土均可提高土壤持水能力,添加膨润土的处理有机碳分解减慢。总之,混合添加效果最好,可提高土壤通气透水性、持水能力、有机碳含量和作物产量,并有助于有机碳累积。     

基于植被重建的宁东矿区煤矸石山立地类型及其特征

[目的]研究煤炭开采形成的煤矸石山占压土地并造成的地表植被破坏,正确划分煤矸石山立地类型,为矿区生态恢复与重建提供依据。[方法]以宁东矿区煤矸石山为研究对象,选取微地形、海拔、覆土厚度、土壤质地等10个立地因子进行调查分析,利用主成分分析和聚类分析等方法,划分煤矸石山立地类型。[结果]应用主成分分析法确定出主导立地因子为:微地形、覆土厚度、土壤质地;再依据主导因子对研究样地进行聚类分析划分出宁东矿区煤矸石山3个立地类型组,5个立地类型亚组,8个立地类型。煤矸石山平台面积较大,边坡坡度32°～40°之间,覆土厚度多在30 cm以上,土壤田间持水量16.82%～34.85%,全K含量34.29～46.61 g/kg,属于极高水平,全P含量0.31～0.62 g/kg,为中下或低水平,而土壤有机质、全N含量均属于极低水平,煤矸石山土壤偏碱性。[结论]在宁东矿区煤矸石山重建时应因地制宜,覆土砾石含量较少时,选择以乔木为主的乔灌型混交模式,或以灌木为主的灌木林或灌草型;砾石含量较多时,选择以草本为主的灌草型;土壤为轻砾石土时,撒播草籽。     

植被自然恢复对煤矸石堆场Fe/Mn淋溶迁移的影响及其作用效果

[目的] 探讨植被自然恢复下植被类型对煤矸石堆场Fe，Mn淋溶迁移的影响及其作用效果，为煤矿区煤矸石堆场的生态环境治理及生态修复提供科学依据。[方法] 通过对贵州省中部废弃煤矿区不同植被条件下煤矸石堆场地表径流进行采样分析，同时通过移植煤矸石堆场上生长的马尾松、光皮桦和类芦进行盆栽试验以及采集基质渗透水样品。[结果] 马尾松、光皮桦及类芦生长的煤矸石基质渗透水和煤矸石堆场地表径流水中Fe，Mn含量均显著地低于无植物生长的煤矸石，煤矸石堆场植被自然恢复后地表径流水中Fe，Mn含量下降率分别达45.27%~85.60%，60.17%~90.13%，植被作用效果的大小顺序为：马尾松幼林 > 阔叶树幼林 > 类芦草丛。同时，马尾松幼林、阔叶树幼林、类芦草丛煤矸石堆场地表径流水中泥沙含量分别比无植被裸露的煤矸石堆场平均减少了40.18%，30.67%，27.91%。煤矸石中矿物颗粒态Fe，Mn的迁移量也出现明显的降低。[结论] 植被自然恢复能显著地减少煤矸石堆场Fe，Mn向水体的迁移及改善废弃煤矿区地表水环境质量。植物生长，特别是马尾松生长对减少煤矸石中Fe向水体迁移产生的环境效应大于Mn。     

煤矸石山风化堆积物水分动态研究

以位于贵州省赤水市的"黔北20万吨/年竹浆林纸一体化工程项目"为例,研究了低山丘陵区开发建设项目中的水土保持和生态建设问题.针对该工程水土流失的现状和特点,结合竹原料林基地建设,提出了水土流失的防治原则和采取的防治对策.实施水土保持方案后,能有效控制工程区的水土流失,恢复和改善项目区的生态环境,保障了工程建设的安全,实现了社会、经济、环境的协调与可持续发展.     

煤矸石对盐碱土壤绿化和土壤微生物的影响

为探究煤矸石对盐碱土壤绿化的改良效果和对土壤微生物的影响,将不同用量(0,10%,20%,30%,40%,50%)和不同粒径(小粒径1mm,中粒径1～5mm,大粒径5mm,以及小中大粒径等比例的混合粒径)煤矸石施用于盐碱土壤,进行紫花苜蓿盆栽试验,测定紫花苜蓿株高、生物量以及土壤微生物量和酶活性指标。结果表明,不同粒径煤矸石处理的土壤微生物量碳氮,土壤的脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性,以及紫花苜蓿株高、生物量均随着煤矸石用量的增加呈先增大后降低的趋势,混合粒径、小粒径、中粒径、大粒径煤矸石处理的盐碱土上述指标分别在20%,20%,30%,40%用量下达到峰值。其中,20%用量的混合粒径煤矸石在盐碱土壤的绿化方面应用效果最好,将紫花苜蓿株高和鲜重分别显著提高了34.86%和45.28%。因而,一定用量的煤矸石可以改善盐碱土壤的生态质量,20%用量的混合粒径煤矸石可以作为盐碱土壤绿化的改良剂。     

煤矿复垦区重构土壤溶解性有机碳空间分布特征

为探究煤矿复垦区重构土壤中溶解性有机碳(DOC)含量的空间分布特征,以淮南潘一矿区煤矸石山和周边复垦区林地土壤为研究对象,从空间分布和颗粒组成上,分析了煤矸石山山顶、山腰和山脚的煤矸石风化物及周边林地土壤中DOC的含量。结果表明:自上而下山顶、山腰、山脚的煤矸石风化物中DOC含量呈递减趋势,并随采样深度的增加而增大;但林地土壤中DOC含量随采样深度的增加而减少。不同粒径颗粒物中DOC含量分布不同,煤矸石风化物和林地土壤均以细砂(0.2~0.05 mm)DOC含量最高,石砾(10~2 mm)DOC含量最低。在雨水淋溶作用下,煤矸石风化物对周边土壤DOC含量贡献较大,距离山脚1~100 m范围,随着距离的增加,土壤中DOC含量由325.46 mg/kg减少至177.89 mg/kg,煤矸石风化物对周边土壤DOC含量的贡献率由85.78%降低到1.54%,在距离山脚100 m处土壤中DOC含量已接近正常对照土壤含量。     

马尾松人工林地浅沟表层土壤颗粒的空间分布特征

为研究马尾松林地浅沟侵蚀对地表特征的影响,选取南方红壤区马尾松人工林地发育完整的浅沟为研究对象,采用野外调查与室内试验分析相结合的方法,研究浅沟表层(0—5cm)土壤颗粒分布的空间差异性。结果表明:(1)研究区内表层土壤颗粒中石砾含量较高,约占78.68%,土壤为多砾质沙土,土壤水蚀使得浅沟表层土壤粗化。(2)浅沟不同部位间表层土壤颗粒分布差异明显,其中石砾含量表现为沟底沟坡沟缘,沟底的石砾含量极显著小于沟坡和沟缘的含量(P0.01);极粗砂、中粗砂、细砂粒、粉粒和黏粒含量均表现为沟底沟坡沟缘,且沟底的含量均极显著大于沟坡和沟缘的含量(P0.01);而沟坡和沟缘土壤颗粒含量差异不显著(P0.05)。(3)沿沟长方向从沟头到沟口,沟底表层土壤中粗颗粒含量呈减小趋势,细颗粒含量呈增大趋势;而沟坡和沟缘趋势正好相反,说明在浅沟沟底中上部主要为侵蚀作用,而在中下部主要为沉积作用。(4)不同粒级土壤颗粒含量最优半方差函数理论模型均为高斯模型,土壤颗粒含量的块金系数最大仅为0.36%,远小于25%,不同粒级土壤颗粒含量表现出强烈的空间自相关性。本研究可为南方红壤区人工林地土壤侵蚀治理提供理论支持。     

阳泉矿区自燃煤矸石山绿化中覆盖层碾压效果试验

自燃煤矸石山是矿区环境主要的污染源之一,对其实施封闭并绿化,需要构建具备一定阻隔空气能力的覆盖层,而覆盖层多为土质材料经碾压构成,空气阻隔性受其碾压质量的影响。结合阳泉三矿煤矸石山治理现场进行野外碾压试验,研究了煤矸石山现场碾压工具及碾压条件下的压实效果。通过对不同铺土厚度的黄土进行碾压,测定紧实度和干密度来表征碾压效果,分析以压实度(85%)作为压实质量控制标准的条件下合理的碾压工程参数。结果表明,利用现场自制碾磙(4t)进行平碾碾压,浅部土层受到碾压遍数的影响较大,深部土层受到碾压遍数的影响较小,其特征深度在15—25cm;建议的施工方案及碾压参数为:含水量接近最优含水率(相差不超过±2%),松铺厚度20~40cm,碾压3~5遍。     

煤矸石障蔽对沙地土壤的改良作用研究

试验研究表明 ,煤矸石沙障对沙地土壤有明显的改良作用 ,使沙地土壤中细粒物质增加 ,土壤水分含量提高 ,土壤结构发生改变 ;土壤中有机质、全 N、速效 P、速效 K含量显著增加 ,分别是流沙对照地的 2 .6 5 ,2 .6 6 ,1.30 ,1.2 4倍。同时 ,分析结果表明 ,障蔽规格对土壤养分、水分的影响较显著 ,而矸石粒径影响不显著。