壓實處理對矸石充填復墾土壤水分的影響

1、壓實處理對矸石充填復墾土壤水分的影響*基金項目：國家科技支撐計劃（十一五）資助項目（2006BAC09B02、2006BAC09B06）魯葉江（煤炭科學研究總院唐山研究院，河北 唐山 063012）摘要：針對煤矸石充填復墾耕地土壤水分容易流失的問題，通過在矸石層和表土層之間設置兩種壓實層厚度和三種壓實梯度的土壤壓實層進行模擬復墾試驗，研究不同處理對復墾土壤水分和農作物產量的影響。結果表明，土壤水分在矸石復墾土壤剖面中隨深度增加先升高后降低，表現出與對照完全不同的剖面水分分布特征；表層（030 cm）土壤水分隨壓實層厚度和壓實梯度的增加而增加；作物產量與表層土壤水分含量成顯著正相關關系（r=0.

2、953*）。綜合分析表明，通過設置壓實層措施可有效改善表層土壤水分，提高矸石復墾耕地質量。本試驗條件下，壓實層厚度為20 cm、容重為1.42 g/cm3的中度壓實處理（TF20-2）是較優(yōu)的矸石充填土壤剖面構建方法。關鍵詞：采煤沉陷區(qū)；矸石復墾；壓實；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）Abst

3、ract: 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 wa

4、s 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 o

5、f 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

6、 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; soi

7、l water content我國的國情是人多地少，耕地形勢非常嚴峻，采煤破壞土地的復墾和恢復顯得尤為重要，因此，采煤沉陷地復墾是一項很有必要而又極為迫切的任務。用礦山固體廢棄物充填采煤沉陷地是我國土地復墾的主要技術措施之一1，在很多礦區(qū)的土地復墾中得到了廣泛應用2,3。煤矸石是采煤塌陷區(qū)復墾耕地較為常用的充填物料，值得注意的是，煤矸石顆粒粒徑較大，常常導致矸石充填復墾耕地的表層土壤水分向下流失嚴重，復墾耕地質量不高，特別是在覆土土源不足礦區(qū)。因此，如何在較低覆土厚度條件下減緩水分流失，改善表層土壤水分狀況，提高復墾耕地質量，是亟待解決的問題，而目前為止，還缺乏相關的科研研究，這與日益增長的礦

8、區(qū)土地復墾需求極不相稱。本文主要通過在矸石充填層上方設置兩種厚度的土壤壓實層，每種壓實層厚度設置三種壓實度處理，進行矸石充填復墾模擬試驗，并結合農作物（玉米）種植試驗，通過復墾土壤水分、作物產量監(jiān)測，探討不同處理對復墾土壤水分和作物產量的影響，為完善矸石充填復墾方法和提高土地復墾質量提供依據。1 材料與方法1.1 試驗設計本試驗在河北省唐山市煤炭科學研究總院唐山研究院試驗地進行，采用模擬沉陷坑小區(qū)試驗的方法，設置不同矸石充填復墾耕地構建處理，方法如下：構建長、寬、高分別為4 m、5 m、1.2 m的實驗小區(qū)模擬沉陷坑，下層充填矸石，矸石層上設置兩種厚度的土壤作為壓實層，每個壓實厚度設置三種壓實

9、度處理，然后其上覆蓋土壤構建耕作層，同時設置無充填矸石和無壓實層的完全土壤充填區(qū)作為對照。各小區(qū)間用用漿砌磚墻分割，避免土壤水分相互影響。試驗用矸石材料取自唐山開灤礦區(qū)的唐山礦，土壤材料為砂質壤土，材料機械組成見表1。模擬試驗小區(qū)設計參數詳見表2。農作物種植 試驗時期為2008年6月至2008年10月，種植農作物選擇的是夏玉米（邯鄲農科院選育的邯豐79），種植密度50000株/hm2，田間管理采用大田管理法。表1土壤剖面構建材料機械組成材料土壤矸石粘粒/<0.002 mm砂粒/>0.02 mm粉砂粒/0.0020.02 mm>100 mm>50 mm>25 mm&

10、gt;13 mm<13 mm含量（%）0.0859.8940.027.5834.5812.8211.9733.05表2 不同復墾處理試驗參數處理矸石層厚度/cm壓實層厚度/cm壓實度（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 測定方法土壤剖面水分測定采用英國Delta-T公司生產的PR2/6土壤剖面水分儀測定。預先在實驗小區(qū)中埋設

11、預埋探管，避免長期測定對實驗小區(qū)的擾動。在農作物整個生長期內，定期（間隔20 d左右）對不同處理復墾土壤進行剖面水分測定。作物收獲后，對各小區(qū)玉米進行單獨收獲、計產。1.3 數據處理數據應用Excel2000應用程序和SPSS11.5統(tǒng)計分析軟件處理。2 結果與討論2.1矸石充填對土壤剖面水分分配的影響矸石作為充填物料，由于自身的結構和物理特性與自然土壤物質差異顯著，其對降雨在整個土壤剖面重新分配產生重要影響。下面將各試驗小區(qū)玉米作物一個生長季5個時段內（2008年6月10月，）的土壤剖面水分監(jiān)測數據平均后進行分析，避免單次測量誤差對分析結果的影響，研究矸石充填復墾對土壤剖面水分分配的影響。圖

12、1不同處理土壤水分分布特征由圖1可知，不同處理對土壤剖面水分分布影響差異較大，從土壤剖面水分分布規(guī)律來看，大致可以劃分為2種變化趨勢。作為對照的完全土壤構建小區(qū)（CK）的土壤水分含量在土壤剖面中表現出隨深度（0120 cm）增加而逐步增加的趨勢；而矸石充填小區(qū)水分含量在土壤剖面上的分布規(guī)律則與CK完全不同，表現為隨著深度的增加先升高后降低的趨勢，說明復墾構建材料的不同明顯影響了水分在土壤剖面上的分布規(guī)律。從相同土壤深度不同處理間的水分大小比較來看，也表現出CK明顯大于矸石充填處理的規(guī)律。矸石充填處理間土壤水分大小基本與壓實層厚度、壓實梯度及總覆土厚度（包括表層土壤厚度和壓實層土壤厚度）成正相關

13、關系，表現為TF30<TF50<TF10-1<TF10-2<TF10-3<TF20-1<TF20-2<TF20-3的趨勢。自然土壤水分在土壤剖面中的分布特征差異固然受降雨、植物根系活動、土壤質地等多種因素影響，但在本次控制試驗條件下，水分在土壤剖面的分配格局則受剖面構建材料性質自身的影響。矸石充填小區(qū)中土壤水分的剖面分布與CK明顯不同主要與土壤剖面充填材料差異有關，矸石充填層水分含量明顯小于上覆土壤層，主要與矸石充填材料有關，篩分試驗也表明（見表1），充填矸石粒徑普遍較大，>13 mm粒徑占矸石總量的65%以上，矸石充填層孔隙基本為大孔徑，矸石本

14、身對水分的吸附能力以及矸石層對水分的保持能力均很弱，導致了矸石層水分明顯降低的現象。因此，利用矸石進行耕地復墾時必須要考慮充填材料本身的物理特性，在利用矸石復墾耕地時考慮這種不利因素，尤其在覆土不足時應采取必要的保水措施，避免復墾耕地質量不高。2.2 不同處理對表層土壤水分的影響表層土壤（030 cm）是農作物根系的主要活動層4,5，研究其持水能力對復墾耕地來說具有十分重要的現實意義。圖2為不同處理表層土壤水分圖（一個生長季內5次監(jiān)測平均值）。abacabcbccdeef圖2 不同處理對表層土壤（030 cm）水分含量的影響從圖2中可以看出，壓實程度對表層土壤水分含量的影響明顯。TF10-1、

15、TF10-2、TF10-3為壓實層厚度10 cm的三種壓實度梯度處理（見表2），從圖2中可以看出，表層土壤平均含水量大小與壓實度成正相關關系，表現為TF10-1（10.33%）<TF10-2（10.96%）<TF10-3（12.38%）的趨勢，表明增大壓實層壓實度有利于表層土壤含水量的增加，高、中壓實度土壤表層含水量比低壓實度分別增加了19.83%、6.02%。相同的趨勢也出現在壓實層厚度為20 cm的處理上，不同壓實梯度處理表層土壤水分含量大小表現為TF20-1（13.45%）<TF20-2（16.86%）<TF20-3（16.97%）的趨勢，高、中壓實度土壤表層含水

16、量比低壓實度分別增加了26.17%、25.35%，且達到顯著性水平（P<0.05）。土壤水分隨著壓實度的增加而增加，主要是由于增加壓實度在一定程度上可有效減少壓實層的孔隙度6，減少表層土壤水分向矸石層的滲漏量。當然，壓實層的壓實程度應控制在合理范圍內，壓實度過高一方面不利于農作物根系的生長發(fā)育7,8。從圖2中也可以看出，壓實層厚度對表層土壤水分含量影響也比較明顯。壓實層厚度為10 cm（TF10-1、TF10-2、TF10-3）的表層土壤含水量在10.33%12.38%之間，壓實層厚度為20 cm（TF20-1、TF20-2、TF20-3）的表層土壤含水量在13.45%16.97%之間，

17、壓實層厚度20 cm處理的表層土壤含水量普遍大于壓實層厚度為10 cm處理。比較兩種壓實層厚度表層土壤平均含水量，壓實層厚度為20 cm處理表層土壤平均含水量（15.76%）比壓實層厚度為10 cm處理（11.22%）增加明顯，增加幅度達到40.46%，且差異達到極顯著水平（p<0.01）。表層土壤含水量隨土壤壓實層厚度增加而增加，可能與矸石充填復墾的覆土總厚度有關，因為壓實層材料也是土壤物質，增加壓實層厚度相應增加了總覆土厚度，總覆土厚度的增加可以延緩降水的下滲速度，增加降水在土壤層的存留時間。從圖2中也可以看出，在壓實度相近的處理中，土壤含水量在壓實層厚度為20 cm中均大于壓實層厚

18、度為10 cm的現象，表現為TF10-1<TF20-1、TF10-2<TF20-2、TF10-3<TF20-3的趨勢。不同處理表層土壤含水量大小表現出T30<T50<TF10-1<TF10-2<TF10-3<TF20-1<TF20-2<TF20-3<CK的格局，土壤含水量大小基本與覆土厚度成正比，T30覆土最?。?0 cm），其表層土壤含水量也相應最低，只有8.86%，而CK覆土最厚（120 cm），其含水量24.26%，相差近3倍，表明在矸石充填復墾時增加覆土厚度是提高土壤含水量的有效方法。由于壓實層的存在，很大程度上改變了表

19、層土壤含水量大小，如覆土厚度均為50 cm的T50和TF20-1、TF20-2、TF20-3，有壓實層處理的表層土壤含水量比T50增加幅度為46.09%84.31%；即使是總土層厚度為40 cm的TF10-1、TF10-2、TF10-3，雖然其覆土厚度小于T50，但其表層土壤含水量卻比T50增加了12.21%34.00%，表明壓實處理對增加矸石充填表層土壤含水量效果明顯。2.3 不同處理對作物產量的影響圖3 不同處理農作物（玉米）產量圖3為不同處理玉米農作物產量，從圖中可以看出，不同處理間玉米產量大小差異，T30最低，其次是T50、TF10、TF20，CK最高，總體上大小排序為T30(5172

20、.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)。對比玉米產量（圖3）與表層土壤水分含量大小（見圖2）來看，玉米產量表現出隨著表層土壤水分含量增加而增加的趨勢，相關性檢驗分析達到顯著性水平（r=0.953*）。綜合分析來看，

21、壓實層厚度和壓實度通過改善表層土壤水分提高了玉米產量。值得注意的是，并不是壓實度越高，玉米產量越大，高壓實度處理玉米產量并沒有中壓實度處理的高，如TF10-3<TF10-2、TF20-3<TF20-2。不同處理間玉米產量差異可能存在多方面的原因：一方面與覆土厚度有關，覆土較薄影響農作物根系生長9；此外，較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長的一個重要影響因素10-13，土壤水分不足會制約農作物的生長發(fā)育。如T30玉米產量最低，在種植試驗觀察時也發(fā)現，T30小區(qū)農作物在夏季常常出現水分不足的萎蔫現象，而其他處理小區(qū)農作物缺水現象不明顯；另一方面，適度的壓實處理有利于

22、土壤水分的保持，從而提高農作物的產量，但過高的壓實度可能會增加根系的穿透阻力14，進而影響到農作物正常生長發(fā)育15-17。如高壓實度處理TF10-3、TF20-3的玉米產量并沒有相應的中壓實度TF10-2、TF20-2的高。從玉米產量與土壤水分成顯著正相關性的結果來看，矸石復墾耕地質量在一定程度上受制于土壤水分含量，因此，在覆土厚度有限的條件下，合理設置壓實層是有效提高矸石充填復墾耕地質量的技術措施之一。3 結論（1）矸石充填復墾土壤剖面上下層構成材料的不同，是導致土壤水分在矸石充填復墾土壤剖面上的分布特征與CK明顯差異的主要原因。（2）矸石充填復墾耕地表層土壤（030 cm）水分含量隨壓實層

23、厚度和壓實梯度的增加而增加，表明在矸石充填層上部設置一定壓實度和厚度的土壤壓實層可有效減少表層土壤水分向下滲漏損失，提高表層土壤水分含量。（3）通過相關分析，玉米產量與表層土壤水分含量成顯著正相關關系（r=0.953*），表明覆土不足的條件下，土壤水分是影響玉米產量的重要因素，通過合理設置壓實層改善土壤水分，有利于提高矸石充填復墾耕地質量。綜合分析表明，通過一定的復墾技術措施來提高矸石充填復墾耕地質量是有效的、可行的。本試驗條件下，設置壓實層厚度為20 cm、容重為1.42 g/cm3的中度壓實處理（TF20-2）可保證農作物正常生長，是較優(yōu)的矸石充填土壤剖面構建方法。但需要注意的是，本次試驗

24、結果是在模擬實驗條件下獲得的，其試驗條件與實際大規(guī)模矸石充填復墾還存在差異，最終的推廣應用效果還有待于進一步的試驗研究。參考文獻：1 李樹志, 周錦華, 張懷新, 等。礦區(qū)生態(tài)破壞防治技術M. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1998 : 109-1122 周樹理; 趙慶明; 冷國友, 等. 煤矸石復墾地肥力的試驗研究J. 煤礦環(huán)境保護, 1994, 2: 19-203 李樹志, 高榮久. 塌陷地復墾土壤特性變異研究J. 遼寧工程技術大學學報, 2006, 25(5): 792-7944 高陽, 段愛旺, 劉戰(zhàn)東, 等. 玉米/大豆間作條件下的作物根系生長及水分吸收J. 應用生態(tài)學報, 2009,

25、20(2): 307-3135 Gale M R., Grigal D F. Vertical root distributions of northern tree species in relation to successional statusJ. Canadian Journal of Forest Research, 1987, 17: 8298346 Hamza M A, Anderson W K. Soil compaction in cropping systems. A review of the nature, causes and possible solutionsJ

26、. Soil and TillageResearch, 2005, 82: 121-145.7 BENGOUGH A G. Modeling rooting depth and soil strength in a drying soil profileJ. Journal of Theoretical Biology, 1997, 25:327-338.8 Materechera S A, Dexter A R, Alston A M. Penetration of very strong soils by seedling roots of different plant speciesJ. Plant and Soil, 1991, 25: 31-34.9 王志強; 劉寶元; 海春興. 土壤厚度對天然草地植被蓋度和生物量的影響J. 水土保持學報, 2007, 21(4): 164-16710 吳永成, 張永平, 周順利, 等. 不同灌水條件下冬小麥的產量、水分利用與氮素利用特點J. 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(5): 2082-2