压实处理对矸石充填复垦土壤水分的影响.doc

压实处理对矸石充填复垦土壤水分的影响*基金项目：国家科技支撑计划（十一五）资助项目（2006BAC09B02、2006BAC09B06）鲁叶江（煤炭科学研究总院唐山研究院，河北 唐山 063012）摘要：针对煤矸石充填复垦耕地土壤水分容易流失的问题，通过在矸石层和表土层之间设置两种压实层厚度和三种压实梯度的土壤压实层进行模拟复垦试验，研究不同处理对复垦土壤水分和农作物产量的影响。结果表明，土壤水分在矸石复垦土壤剖面中随深度增加先升高后降低，表现出与对照完全不同的剖面水分分布特征；表层（030 cm）土壤水分随压实层厚度和压实梯度的增加而增加；作物产量与表层土壤水分含量成显著正相关关系（r=0.953*）。综合分析表明，通过设置压实层措施可有效改善表层土壤水分，提高矸石复垦耕地质量。本试验条件下，压实层厚度为20 cm、容重为1.42 g/cm3的中度压实处理（TF20-2）是较优的矸石充填土壤剖面构建方法。关键词：采煤沉陷区；矸石复垦；压实；土壤水分Effects of Compaction on Reclamation Soil Water Content by Filling Coal WasteLU Ye-jiang（Tangshan Institute of China Coal Research Institute, Tangshan, Hebei 063012）Abstract: Based on the problem that soil water loss in reclamation land by filling coal waste, compaction layer with different thickness and compaction gradients was set up between coal waste layer and surface soil layer. Effects of different compaction treatments on soil water content and crop yield was investigated. The results showed that soil water content increased first and decreased afterwards with the increase of depth in the reclamation soil by filling coal waste, which hehaved distinct water characteristics to the control. Surface (030 cm) soil water content increased with the increase of compactness in corresponding filling thickness. A positive significantly correlation (r=0.953*) was found between crop yield and soil water content in surface layer. Accordingly, the surface soil water content can be kept effectively and the quality of reclaimed land by filling with coal waste can be improved through the compaction treatment measures. In this experiment the medium compactness treatment (TF20-2) with 20 cm filling thickness and bulk density with 1.42 g/cm3 could be the superior reclamation method.Key words: mining subsidence; reclamation by filling coal waste; compaction; soil water content我国的国情是人多地少，耕地形势非常严峻，采煤破坏土地的复垦和恢复显得尤为重要，因此，采煤沉陷地复垦是一项很有必要而又极为迫切的任务。用矿山固体废弃物充填采煤沉陷地是我国土地复垦的主要技术措施之一1，在很多矿区的土地复垦中得到了广泛应用2,3。煤矸石是采煤塌陷区复垦耕地较为常用的充填物料，值得注意的是，煤矸石颗粒粒径较大，常常导致矸石充填复垦耕地的表层土壤水分向下流失严重，复垦耕地质量不高，特别是在覆土土源不足矿区。因此，如何在较低覆土厚度条件下减缓水分流失，改善表层土壤水分状况，提高复垦耕地质量，是亟待解决的问题，而目前为止，还缺乏相关的科研研究，这与日益增长的矿区土地复垦需求极不相称。本文主要通过在矸石充填层上方设置两种厚度的土壤压实层，每种压实层厚度设置三种压实度处理，进行矸石充填复垦模拟试验，并结合农作物（玉米）种植试验，通过复垦土壤水分、作物产量监测，探讨不同处理对复垦土壤水分和作物产量的影响，为完善矸石充填复垦方法和提高土地复垦质量提供依据。1 材料与方法1.1 试验设计本试验在河北省唐山市煤炭科学研究总院唐山研究院试验地进行，采用模拟沉陷坑小区试验的方法，设置不同矸石充填复垦耕地构建处理，方法如下：构建长、宽、高分别为4 m、5 m、1.2 m的实验小区模拟沉陷坑，下层充填矸石，矸石层上设置两种厚度的土壤作为压实层，每个压实厚度设置三种压实度处理，然后其上覆盖土壤构建耕作层，同时设置无充填矸石和无压实层的完全土壤充填区作为对照。各小区间用用浆砌砖墙分割，避免土壤水分相互影响。试验用矸石材料取自唐山开滦矿区的唐山矿，土壤材料为砂质壤土，材料机械组成见表1。模拟试验小区设计参数详见表2。农作物种植 试验时期为2008年6月至2008年10月，种植农作物选择的是夏玉米（邯郸农科院选育的邯丰79），种植密度50000株/hm2，田间管理采用大田管理法。表1土壤剖面构建材料机械组成材料土壤矸石粘粒/0.02 mm粉砂粒/0.0020.02 mm100 mm50 mm25 mm13 mm13 mm含量（%）0.0859.8940.027.5834.5812.8211.9733.05表2 不同复垦处理试验参数处理矸石层厚度/cm压实层厚度/cm压实度（容重）/g.cm-3覆土厚度/cmCK001.12100T309001.1230T507001.1350TF10-180101.2030TF10-280101.4130TF10-380101.5230TF20-170201.2230TF20-270201.4230TF20-370201.53301.2 测定方法土壤剖面水分测定采用英国Delta-T公司生产的PR2/6土壤剖面水分仪测定。预先在实验小区中埋设预埋探管，避免长期测定对实验小区的扰动。在农作物整个生长期内，定期（间隔20 d左右）对不同处理复垦土壤进行剖面水分测定。作物收获后，对各小区玉米进行单独收获、计产。1.3 数据处理数据应用Excel2000应用程序和SPSS11.5统计分析软件处理。2 结果与讨论2.1矸石充填对土壤剖面水分分配的影响矸石作为充填物料，由于自身的结构和物理特性与自然土壤物质差异显著，其对降雨在整个土壤剖面重新分配产生重要影响。下面将各试验小区玉米作物一个生长季5个时段内（2008年6月10月，）的土壤剖面水分监测数据平均后进行分析，避免单次测量误差对分析结果的影响，研究矸石充填复垦对土壤剖面水分分配的影响。图1不同处理土壤水分分布特征由图1可知，不同处理对土壤剖面水分分布影响差异较大，从土壤剖面水分分布规律来看，大致可以划分为2种变化趋势。作为对照的完全土壤构建小区（CK）的土壤水分含量在土壤剖面中表现出随深度（0120 cm）增加而逐步增加的趋势；而矸石充填小区水分含量在土壤剖面上的分布规律则与CK完全不同，表现为随着深度的增加先升高后降低的趋势，说明复垦构建材料的不同明显影响了水分在土壤剖面上的分布规律。从相同土壤深度不同处理间的水分大小比较来看，也表现出CK明显大于矸石充填处理的规律。矸石充填处理间土壤水分大小基本与压实层厚度、压实梯度及总覆土厚度（包括表层土壤厚度和压实层土壤厚度）成正相关关系，表现为TF30TF50TF10-1TF10-2TF10-3TF20-1TF20-213 mm粒径占矸石总量的65%以上，矸石充填层孔隙基本为大孔径，矸石本身对水分的吸附能力以及矸石层对水分的保持能力均很弱，导致了矸石层水分明显降低的现象。因此，利用矸石进行耕地复垦时必须要考虑充填材料本身的物理特性，在利用矸石复垦耕地时考虑这种不利因素，尤其在覆土不足时应采取必要的保水措施，避免复垦耕地质量不高。2.2 不同处理对表层土壤水分的影响表层土壤（030 cm）是农作物根系的主要活动层4,5，研究其持水能力对复垦耕地来说具有十分重要的现实意义。图2为不同处理表层土壤水分图（一个生长季内5次监测平均值）。abacabcbccdeef图2 不同处理对表层土壤（030 cm）水分含量的影响从图2中可以看出，压实程度对表层土壤水分含量的影响明显。TF10-1、TF10-2、TF10-3为压实层厚度10 cm的三种压实度梯度处理（见表2），从图2中可以看出，表层土壤平均含水量大小与压实度成正相关关系，表现为TF10-1（10.33%）TF10-2（10.96%）TF10-3（12.38%）的趋势，表明增大压实层压实度有利于表层土壤含水量的增加，高、中压实度土壤表层含水量比低压实度分别增加了19.83%、6.02%。相同的趋势也出现在压实层厚度为20 cm的处理上，不同压实梯度处理表层土壤水分含量大小表现为TF20-1（13.45%）TF20-2（16.86%）TF20-3（16.97%）的趋势，高、中压实度土壤表层含水量比低压实度分别增加了26.17%、25.35%，且达到显著性水平（P0.05）。土壤水分随着压实度的增加而增加，主要是由于增加压实度在一定程度上可有效减少压实层的孔隙度6，减少表层土壤水分向矸石层的渗漏量。当然，压实层的压实程度应控制在合理范围内，压实度过高一方面不利于农作物根系的生长发育7,8。从图2中也可以看出，压实层厚度对表层土壤水分含量影响也比较明显。压实层厚度为10 cm（TF10-1、TF10-2、TF10-3）的表层土壤含水量在10.33%12.38%之间，压实层厚度为20 cm（TF20-1、TF20-2、TF20-3）的表层土壤含水量在13.45%16.97%之间，压实层厚度20 cm处理的表层土壤含水量普遍大于压实层厚度为10 cm处理。比较两种压实层厚度表层土壤平均含水量，压实层厚度为20 cm处理表层土壤平均含水量（15.76%）比压实层厚度为10 cm处理（11.22%）增加明显，增加幅度达到40.46%，且差异达到极显著水平（p0.01）。表层土壤含水量随土壤压实层厚度增加而增加，可能与矸石充填复垦的覆土总厚度有关，因为压实层材料也是土壤物质，增加压实层厚度相应增加了总覆土厚度，总覆土厚度的增加可以延缓降水的下渗速度，增加降水在土壤层的存留时间。从图2中也可以看出，在压实度相近的处理中，土壤含水量在压实层厚度为20 cm中均大于压实层厚度为10 cm的现象，表现为TF10-1TF20-1、TF10-2TF20-2、TF10-3TF20-3的趋势。不同处理表层土壤含水量大小表现出T30T50TF10-1TF10-2TF10-3TF20-1TF20-2TF20-3CK的格局，土壤含水量大小基本与覆土厚度成正比，T30覆土最薄（30 cm），其表层土壤含水量也相应最低，只有8.86%，而CK覆土最厚（120 cm），其含水量24.26%，相差近3倍，表明在矸石充填复垦时增加覆土厚度是提高土壤含水量的有效方法。由于压实层的存在，很大程度上改变了表层土壤含水量大小，如覆土厚度均为50 cm的T50和TF20-1、TF20-2、TF20-3，有压实层处理的表层土壤含水量比T50增加幅度为46.09%84.31%；即使是总土层厚度为40 cm的TF10-1、TF10-2、TF10-3，虽然其覆土厚度小于T50，但其表层土壤含水量却比T50增加了12.21%34.00%，表明压实处理对增加矸石充填表层土壤含水量效果明显。2.3 不同处理对作物产量的影响图3 不同处理农作物（玉米）产量图3为不同处理玉米农作物产量，从图中可以看出，不同处理间玉米产量大小差异，T30最低，其次是T50、TF10、TF20，CK最高，总体上大小排序为T30(5172.66 kg/hm2)T50(5588.68 kg/hm2)TF10-1(5760.13 kg/hm2)TF10-3(6024.53 kg/hm2)TF10-2(6049.15 kg/hm2)TF20-1(6290.44 kg/hm2)TF20-3(6541.13 kg/hm2)TF20-2(6604.53 kg/hm2)CK(7116.84 kg/hm2)。对比玉米产量（图3）与表层土壤水分含量大小（见图2）来看，玉米产量表现出随着表层土壤水分含量增加而增加的趋势，相关性检验分析达到显著性水平（r=0.953*）。综合分析来看，压实层厚度和压实度通过改善表层土壤水分提高了玉米产量。值得注意的是，并不是压实度越高，玉米产量越大，高压实度处理玉米产量并没有中压实度处理的高，如TF10-3TF10-2、TF20-3TF20-2。不同处理间玉米产量差异可能存在多方面的原因：一方面与覆土厚度有关，覆土较薄影响农作物根系生长9；此外，较薄的覆土厚度也不利于土壤水分保持，而土壤水分是植物生长的一个重要影响因素10-13，土壤水分不足会制约农作物的生长发育。如T30玉米产量最低，在种植试验观察时也发现，T30小区农作物在夏季常常出现水分不足的萎蔫现象，而其他处理小区农作物缺水现象不明显；另一方面，适度的压实处理有利于土壤水分的保持，从而提高农作物的产量，但过高的压实度可能会增加根系的穿透阻力14，进而影响到农作物正常生长发育15-17。如高压实度处理TF10-3、TF20-3的玉米产量并没有相应的中压实度TF10-2、TF20-2的高。从玉米产量与土壤水分成显著正相关性的结果来看，矸石复垦耕地质量在一定程度上受制于土壤水分含量，因此，在覆土厚度有限的条件下，合理设置压实层是有效提高矸石充填复垦耕地质量的技术措施之一。3 结论（1）矸石充填复垦土壤剖面上下层构成材料的不同，是导致土壤水分在矸石充填复垦土壤剖面上的分布特征与CK明显差异的主要原因。（2）矸石充填复垦耕地表层土壤（030 cm）水分含量随压实层厚度和压实梯度的增加而增加，表明在矸石充填层上部设置一定压实度和厚度的土壤压实层可有效减少表层土壤水分向下渗漏损失，提高表层土壤水分含量。（3）通过相关分析，玉米产量与表层土壤水分含量成显著正相关关系（r=0.953*），表明覆土不足的条件下，土壤水分是影响玉米产量的重要因素，通过合理设置压实层改善土壤水分，有利于提高矸石充填复垦耕地质量。综合分析表明，通过一定的复垦技术措施来提高矸石充填复垦耕地质量是有效的、可行的。本试验条件下，设置压实层厚度为20 cm、容重为1.42 g/cm3的中度压实处理（TF20-2）可保证农作物正常生长，是较优的矸石充填土壤剖面构建方法。但需要注意的是，本次试验结果是在模拟实验条件下获得的，其试验条件与实际大规模矸石充填复垦还存在差异，最终的推广应用效果还有待于进一步的试验研究。参考文献：1 李树志, 周锦华, 张怀新, 等。矿区生态破坏防治技术M. 北京: 煤炭工业出版社, 1998 : 109-1122 周树理; 赵庆明; 冷国友, 等. 煤矸石复垦地肥力的试验研究J. 煤矿环境保护, 1994, 2: 19-203 李树志, 高荣久. 塌陷地复垦土壤特性变异研究J. 辽宁工程技术大学学报, 2006, 25(5): 792-7944 高阳, 段爱旺, 刘战东, 等. 玉米/大豆间作条件下的作物根系生长及水分吸收J. 应用生态学报, 2009, 20(2): 307-3135 Gale M R., Grigal D F. 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