晋陕蒙能源区新构土体孔隙结构及土壤水分入渗特征研究.pdf

摘要 晋陕蒙能源区由于降雨不足常导致土壤水分短缺，复垦土地的植被恢复受到严重制 约。新构土体广泛存在于露天煤矿排土场复垦区域表层土壤中，主要包括排土场复垦区 域的回填土壤以及人工添加了粘土矿物等多孔材料的砂质改良土壤等。土体新构能够显 著改善土壤的壤孔隙结构及其空间分布特征，改善土壤水分条件，影响土壤水分运动。 因此，研究干旱半干旱地区新构土体孔隙结构及其空间分布特征，土壤水分运动及土壤 理化性质的变化规律，对于该区农业生产和生态恢复具有重要的指导意义和理论意义。 本文以黄土高原北部晋陕蒙能源区的民达露天煤矿排土场新构土体以及该区内沙质新 构土体为研究对象，探究了外源改良材料不同添加量对沙质土壤孔隙结构特征及持水保 水能力的影响，以及排土场不同土地利用对表层土壤水分入渗及优先流通道特征的影响。 结果如下： （1）添加砒砂岩和粉煤灰能够显著提高风沙土粉粒和粘粒含量，并且持水保水能 力提高了最高近10% 。粉煤灰的添加增加了沙土的稳定性系数，而砒砂岩却减小了土 壤稳定系数。其中粉煤灰添加量为 10%时，其稳定性系数最高，为12.9 。 （2 ）外源多孔材料的添加对沙土二维孔隙结构的多重分形奇点谱的左侧分支无明 显影响，其变化范围是0.22 至0.29；而对右侧分支产生了显著影响，变化范围为0.58 至0.9，这表明多孔材料的添加对沙土中小孔隙的影响最为显著。多重分形分析表明， 随着砒砂岩和粉煤灰添加量的增加，土壤孔隙结构空间尺度变异性也随之减小。 （3 ）我们对比了矿区排土场绿化复垦区域新构土体和原始草地土体优先流分布特 征。由于矿区土壤强烈的空间异质性以及植被根系生长的影响，导致其土壤优先路径 分布的复杂性要远高于原始草地土壤。原始草地土壤质地分布较均匀，但由于蚂蚁洞 穴以及局部粗大根系的存在，形成了局部区域水流的快速下渗，形成了优先水流通 道。在矿区绿化复垦土壤中，柠条等灌木的种植增加了土壤水分优先路径分布的空间 异质性。 （4 ）与原始草地土壤相比，矿区排土场重构表土在挖掘和回填过程中经历了土体 堆积及大型机械的碾压等人为因素的干扰，导致其土壤理化性质变异系数普遍高于原 始草地土壤。矿区新构土体的复垦及利用方式对土壤水分入渗过程产生极大影响。与 裸地相比，由于生产过程中大型机械和大量化肥的使用，导致排土场农业复垦区域土 壤出现不同程度的板结，容重过高，土壤水分入渗能力低。而绿化复垦过程由于人为 干预较少并且加上植被根系对土壤的穿插作用，使其土壤水分入渗速率高于农业复垦 区土壤。 关键词: 新构土体；孔隙结构；多重分形参数；水分入渗；优先流通道 目录 摘要VI ABSTRACT VII 第一章 文献综述 1 1.1 沙质新构土体以及分形方法在其研究中的应用 1 1.1.1 沙质土壤的改良 1 1.1.2 分形理论在土壤结构研究中的应用 2 1.2 排土场新构土体水分入渗过程研究 3 1.3 土壤优先流 4 1.3.1 土壤优先流研究现状 5 1.3.2 排土场优先流研究现状 5 1.4 研究的目的与意义 6 1.5 研究技术路线 7 第二章 沙质新构土体的孔隙结构及水力学特征 8 2.1 材料和方法 8 2.1.1 试验材料采集与处理 8 2.1.2 研究方法 9 2.2 结果与讨论 11 2.2.1 砒砂岩和粉煤灰添加对沙质土壤水力学特征的影响 11 2.2.2 砒砂岩和粉煤灰添加对沙质土壤孔隙结构多重分形参数特征的影响 12 2.3 本章小结 14 第三章 排土场土壤优先流特征及其影响因素研究 16 3.1 材料和方法 16 3.1.1 试验设计 16 3.1.2 染色溶液配制及入渗试验 16 3.1.3 水分入渗过程优先流数字图像采集及染色路径的提取 16 3