黏土夾層位置對黃河泥沙充填復墾土壤水分入滲的影響

王曉彤，胡振琪，賴小君，梁宇生

黏土夾層位置對黃河泥沙充填復墾土壤水分入滲的影響

王曉彤1，胡振琪2※，賴小君1，梁宇生1

（1.中國礦業(yè)大學（北京）土地復墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，徐州 221000）

在中國東部地區(qū)，土地復墾的一項重要任務是將采煤沉陷地復墾為耕地，復墾后的耕地生產力水平應接近損毀前的水平。然而，采用傳統(tǒng)的黃河泥沙一次性充填后覆蓋一定厚度土壤層的復墾方式，復墾后土壤持水性差，生產力水平低。夾層式充填復墾能夠有效改善傳統(tǒng)充填復墾土壤的水分特性，該文研究夾層位置對黃河泥沙填復墾土壤水分入滲過程的影響，共設計當地普通農田土壤剖面（CK1），傳統(tǒng)“上土下沙”土壤剖面構型（CK2）及5個夾層式土壤剖面構型處理T1～T5：在60 cm厚的黃河泥沙充填層中的不同位置夾20 cm厚心土層（黏土層），夾層距離表土距離分別為50 cm（T1），55 cm（T2），60 cm（T3），65 cm（T4）及70 cm（T5）。通過室內入滲試驗，分析不同位置設置夾層后土壤水分入滲特性及含水率分布情況，優(yōu)選適應于該地區(qū)的夾層式土壤剖面構型。結果表明：入滲率隨著夾層深度的增加呈先增加后減小的趨勢，即夾層位置距離土表55 cm為一臨界深度，此時重構土壤的入滲率最低、濕潤鋒的運移速度最慢、阻水效果最強，但考慮到研究區(qū)強降雨天氣，易形成地表徑流。當心土夾層位置距離土表60 cm時，更接近普通農田土壤水分入滲特性，是黃河泥沙夾層式充填復墾的理想選擇。該研究對深入探討黃河泥沙夾層式充填復墾內部作用機理和指導濱黃河地區(qū)采煤沉陷地的土地復墾具有重要意義。

泥沙；入滲；復墾；黃河；土壤重構；黏土夾層

0 引 言

井工煤礦開采往往導致地表下沉，造成大量沉陷地，對生態(tài)環(huán)境產生嚴重破壞。中國井工煤礦占75%以上[1-2]，預計到2020年采煤沉陷地面積將累積達184萬hm2[3]。在中國東部的煤糧復合區(qū)，大面積的耕地正在和將要被破壞，使得礦區(qū)耕地資源嚴重不足。耕地是人類賴以生存的基本資源，進入21世紀后人地矛盾逐漸加劇，因此采煤沉陷地復墾成為中國亟待解決的問題。

自20世紀80年代以來，徐州、淮南、濟寧、德州等地采用充填技術復墾了大量土地。該項技術通常利用待復墾區(qū)域易獲取的固體廢棄物，例如粉煤灰、煤矸石、淤泥及泥沙等，先將其一次性充填設計標高，然后將一定厚度的土壤覆蓋于表層。這樣既處理了廢棄物，又復墾了沉陷區(qū)被破壞的土地，經濟與環(huán)境效益十分突出[4]。但存在煤矸石、粉煤灰充填物料不足及污染的風險[5-6]，使得這種技術的推廣受到限制。相對而言，黃河泥沙中各項重金屬含量均不超出國家二級質量標準，可視作一種綠色安全的充填材料[7]。黃河是世界上含沙量最大的河，大量的泥沙在黃河的中下游淤積，政府每年都需要投入大量的資金進行黃河中下游的清淤工作。采用黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地實現了一舉兩全，既完成了黃河清淤工作，又能夠解決充填材料不足的問題。但是黃河泥沙質地屬壤砂類，砂粒質量分數將近80%，持水性差[8]，在覆蓋土壤層厚度不足40 cm的情況下，農作物在生長期內所需灌溉頻率是正常農田的2倍以上，即使如此，土壤剖面各層含水率仍顯著低于正常農田，小麥產量僅為正常農田的56%左右[7]。黃河泥沙充填層的存在使得充填復墾后的土壤剖面結構，較未損毀的農田土存在較大的差異，尤其是土壤的物理特性[9]。為了改善黃河泥沙一次性充填復墾所形成的“上土下下”土壤剖面漏水漏肥的不足，胡振琪等提出黃河泥沙夾層式充填復墾技術，即在黃河泥沙充填層中夾黏土層的方式[10]。然后，Hu等[11]又通過室內種植試驗從土壤理化性質、生物量等角度研究了黃河泥沙夾層式充填技術的優(yōu)勢及不足。同時，其團隊[10]為解決黃河泥沙夾層式充填復墾技術排水固結周期長的難題，在充填復墾工藝上進行了相應的完善，通過多層多次交替式充填復墾工藝，實現了夾黏土層式的多層土壤剖面的野外構建，并在山東省德州市邱集煤礦西側采煤沉陷地進行了黃河泥沙夾層式充填復墾的實踐驗證，驗證結果表明，夾層式土壤剖面構型的小麥產量當年可以當年達到甚至高于對照農田。然而，對夾層式土壤剖面結構內部的作用機理并未展開詳細的探討。

土壤水分入滲是水文循環(huán)的重要組成部分，它在灌溉、產流、水土流失、養(yǎng)分和污染物輸送等諸多現象中起著重要作用[12-13]。土壤結構由簡單到復雜的改變，使得土壤的入滲過程變得更為復雜[14]。Wang等[15]研究發(fā)現，煤矸石重構土壤剖面結構的改變對復墾后土壤水力特性及含水率分布情況均產生不同程度的影響。王春穎等[16-17]通過室內土柱一維入滲試驗，研究表明土壤結構中夾層的存在能夠起到阻水作用，同時證明層狀土壤夾層質地的不同能夠明顯改變水分的入滲特性。夾層結構會改變土壤水分的入滲性能，同時影響了水的分布狀況[18]，入滲結束后對土壤水分重新分配的研究也取得了豐富的成果[19-20]，由于粗層限制了細層孔隙壓力的增加，土壤含水率與基質勢之間存在明顯的延滯效應[21]，夾砂層的含水率較低，但其隨著深度的增加而呈現增加趨勢[22]。盡管對于層狀土壤水分入滲規(guī)律的研究，在土壤物理學領域起步較早，并取得了相對成熟的理論。但是關于夾層位置對黃河泥沙充填復墾土壤水分運動的研究還未曾涉及。

黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地，是對土壤剖面的重構，重構后的土壤屬于人造土壤，可納入到人為土的范疇[23]。本文針對黃河泥沙夾層式充填復墾土壤，研究水分在這種人為構造的夾層式土壤內入滲、擴散等的作用機理。通過垂直一維入滲試驗，分析不同夾層位置對重構土壤入滲規(guī)律的影響，并對照普通農田土壤的水分入滲特性，優(yōu)選出適宜的夾層位置，為黃河泥沙夾層式充填復墾在濱黃河地區(qū)采煤沉陷地的推廣應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

為模擬黃河泥沙夾層式充填復墾土壤，在中國礦業(yè)大學（北京）土地復墾與生態(tài)恢復重點實驗室進行土柱入滲試驗。填充土柱所需材料包括表土（0～20 cm）、心土（>20～60 cm）和黃河泥沙。表土和心土均采自于山東省德州市齊河縣邱集煤礦的采煤沉陷地（36°28′52″N，116°28′03″E），該地已有10 a未種植農作物。黃河泥沙采自于山東省德州市齊河縣邱集靳莊引黃干渠（36°29′40″N，116°28′54″E），距離采煤沉陷地1.89 km。采集運回的3種充填材料風干后，經過碾壓、磨碎、過2 mm篩，分別混合均勻后備用。采用時域反射儀（time domain reflectometry，TDR）測定表土、心土和黃河泥沙的初始體積含水率，分別為0.067、0.083、0.024 cm3/cm3。采用環(huán)刀法測定表土、心土和黃河泥沙的容重分別為1.35、1.43、1.5 g/cm3。通過吸管法測定供試土壤的顆粒組成，依據美國農部制，粒徑在≤0.002，＞0.002～0.05，＞0.05～2 mm的范圍，其中表土所占的體積分數分別為20.43%、70.16%、9.42%，其質地類型為粉黏壤；心土所占的體積分數分別為62.54%、33.16%、4.3%，其質地類型為黏土；黃河泥沙所占的體積分數分別為3.8%、18.28%、77.92%，其質地類型為壤砂土。按照毛管孔隙指0.0002～0.01 mm的孔隙，而非毛管孔隙指＞0.01 mm的孔隙[24]，計算得到表土、心土及黃河泥沙的毛管孔隙度分別為30.25%、24.82%及13.61%，非毛管孔隙度分別為17.52%、12.57%及31%。

1.2 試驗設計

試驗土柱高為120 cm，共設計7個處理，每個處理設置3個重復。7個處理如圖1所示，包括：普通農田土壤（CK1）、“上土下沙”的傳統(tǒng)土壤剖面構型（CK2）及含20 cm黏土夾層的夾層式黃河泥沙充填復墾土壤（T1~T5）。傳統(tǒng)黃河泥沙充填復墾土壤將黃河泥沙填充在土表以下60 cm，夾層式黃河泥沙充填復墾土壤在保留底層填充黃河泥沙的基礎上，考慮了研究區(qū)種植作物（小麥-玉米）根系的分布特征[25]，選取距離土柱上端50 （T1）、55 （T2）、60 （T3）、65（T4）、70 （T5）cm處，將原本覆蓋在黃河泥沙層上的部分（20 cm厚）心土層，分別夾在黃河泥沙充填層中。

注：表土為粉黏壤，心土為黏土。

1.3 試驗過程

室內一維薄積水入滲試驗在內直徑19 cm，高為130 cm的有機玻璃管中進行（填裝土柱高度為120 cm），如圖2所示。

圖2 入滲試驗裝置

有機玻璃管頂端5 cm用于供水，接下來120 cm用于填裝土柱，填裝土柱的土壤剖面設計如圖1所示，總共7個處理，每個處理重復3次。有機玻璃管壁最底部設有5 cm高的排氣、排水室，以減少空氣禁錮對入滲的影響。馬氏瓶內徑10 cm，高為50 cm，在整個入滲試驗過程中用于恒定供水水頭，另外通過讀取瓶內水分在一定時間內的下降刻度，并進行累積入滲量的計算，同時對應求出不同時刻的入滲率（取值為讀取累積入滲量的值和對應入滲時間的比）。土壤水分傳感器（ECH2O），連接數據采集器（EM50）用于記錄土壤剖面含水率隨時間的變化狀況。

由于研究區(qū)內地下水埋深較大，可看作自由排水，下邊界直接連通排氣排水室，不做地下水位的模擬處理。裝土前在土柱底層墊濾網，上覆濾紙，防止黃河泥沙顆粒，從底部擋板的小孔漏出。表土、心土、黃河泥沙分別按照約1.3、1.4及1.5 g/cm3的容重，稱取5 cm厚度的質量后分層填裝，層間打毛，并分別在距離土表10、30、45、55、75、85、105 cm處安插傳感器，土柱填裝完成后放置48 h，開始入滲試驗。上邊界條件為定水頭3 cm薄積水入滲。計算好設定水頭3 cm厚度所需水量，用量筒量出，瞬時灌入土柱，同時打開馬氏瓶出水口閥門，按下秒表，調整馬氏瓶的高度，保持恒定水頭3 cm，開始入滲試驗。試驗按照由密到疏的原則（每隔2、10、30、60、120 min），記錄濕潤鋒的位置及通過馬氏瓶讀取累積入滲量，同時設定數據采集器步長為5 min自動記錄土壤水分傳感器探頭處土壤含水率隨時間的變化。直至濕潤鋒到達土柱最底部，停止馬氏瓶供水，入滲試驗完成。

1.4 入滲模型及評價指標

Kistiakov模型是一種常見的入滲模型[26]。本研究選擇Kistiakov模型，采用最小二乘法對各處理試驗數據進行擬合，分析模型模擬普通農田土壤（CK1）及2種黃河泥沙充填復墾方式下所形成的“上土下沙”土壤剖面（CK2）及“夾層式”土壤剖面（T1～T5）土壤水分入滲過程的適用性。

Kostiakov入滲模型為

除了機遇，周邊景區(qū)也對廬山西海的客源市場有較大的競爭力(例如廬山,星子,黃山等具獨特的文化旅游資源的景點)。在全國都在加大旅游開發(fā)的形勢下,廬山西海風景區(qū)還要面臨來自中部地區(qū)旅游景區(qū)的競爭。除此之外，地方保護主義和地域的條塊分割等弊端也會對廬山西海風景區(qū)的客源有一定的分流。

()=kt(0, 01)（1）

式中()為累積入滲量，cm；為入滲時間，min；和為模型經驗參數。

采用決定系數（R）及相對均方根誤差（relative root mean square error，RRMSE）作為評價Kostiakov模型和Horton模型模擬土壤水分入滲效果的指標參數，其中2的值越接近于1，RRMSE值越小，說明所選用的入滲模型擬合效果越好。

2 結果與分析

2.1 夾層位置對入滲率的影響

入滲率的大小是多種因素綜合作用的體現，這些因素主要包括土壤初始含水率、質地、土壤構造、供水等[27]。本研究在控制其他因素不變的情況下，研究土壤構造的改變（黃河泥沙層中心土夾層的不同位置）對入滲率的影響。為了更好地說明不同夾層位置對重構土壤入滲率的影響，分3種情況計算入滲率：1）各土柱整體的穩(wěn)定入滲速率；2）夾層式土柱濕潤鋒從到達到穿透心土夾層上方的黃河泥沙層的平均入滲率；3）夾層式土柱心土夾層的平均入滲率。

對于土柱整體的入滲率而言，不同處理隨時間的變化趨勢相同，均快速減小而后趨于穩(wěn)定（圖3）。主要原因是由于在入滲初期，表層土壤的初始含水率很低，具有較高的土壤水吸力，入滲率很大。隨時間的推進，土壤含水率不斷增加，土壤水吸力不斷減小，在1 000 min左右，不同處理的入滲率逐漸趨于穩(wěn)定，如表1所示。將各處理1 000 min后的穩(wěn)定入滲率進行單位轉化后分別統(tǒng)計，能夠更清晰地對比不同處理穩(wěn)定入滲率（為入滲穩(wěn)定后累積入滲量和入滲時間的比）的差異。CK2的穩(wěn)定入滲率最高，是CK1（0.288 cm/h）的1.18倍。T2、布設夾層后較CK2的穩(wěn)定入滲率均有了改善，降低了29.47%（<0.05）。T2均顯著性低于CK1、CK2、T1、T3、T4、T5，而T1與T3、T4、T5之間，CK1與T3之間不存在顯著性差異（>0.05）。說明T2的減滲效果最強，而T3的穩(wěn)定入滲率較CK1更為接近。

圖3 不同處理入滲率隨時間的變化

表1 不同處理的入滲特性統(tǒng)計

注：同列字母不同則存在顯著差異（＜0.05）。

Note: Different letter in same column indicates significant difference (＜0.05).

對夾層式土柱T1～T5，濕潤鋒從到達到穿透心土夾層上方的黃河泥沙層的平均入滲率及心土夾層的平均入滲率如表1所示。不同處理黃河泥沙層的平均入滲率：T5＞T4＞T3（或T1）＞T2（＜0.05）。濕潤鋒進入心土夾層后由于導水障礙，入滲率將進一步減小，不同處理心土夾層的平均入滲率：T5＞T4＞T1＞T3＞T2（＜0.05）。T2在心土夾層和其上的黃河泥沙層中平均入滲率均為最低，分別為0.280和0. 258 cm/h。

綜上，不同心土夾層位置的減滲效果不同，隨著夾層位置（心土夾層上方泥沙層厚度）的增加，減滲效果呈先增加再減小的趨勢，當黃河泥沙中心土夾層離土表為55 cm（T2）時，減滲效果最強。其中，黃河泥沙中心土夾層離土表為60 cm（T3）時的穩(wěn)定入滲率更接近煤炭開采前普通農田土壤水平。當入滲水分從泥沙層進入到質地黏重的心土夾層時，入滲率受控于心土夾層。另外，由于黃河泥沙中心土夾層的飽和導水率和其上黃河泥沙層的飽和導水率相差較大，心土夾層相對于其上方的黃河泥沙層而言形成了隔水層，可能在界面處形成臨時水位。試驗數據說明當黃河泥沙中心土夾層離土表為55 cm（T2）時，減滲效果最強，而隨著夾層深度的增加，在界面處形成水壓將不斷增強，心土夾層的減滲效果將隨之減弱。

2.2 夾層位置對累積入滲量的影響

累積入滲量是一定時間段內，滲入單位土壤的總水量[27]。在入滲初期，水勢梯度大，累積入滲量增加較快，T1～T5累積入滲量隨時間的變化特征與CK1一致，均呈非線性變化，穿過交界面后，累積入滲量隨時間變化呈線性關系，斜率變小，如圖4所示。當入滲鋒面穿過“沙－土”的分界面以后，累積入滲量曲線的斜率將再一次減小，但其變小的程度較上一次轉折有所減弱。入滲鋒面到達黃河泥沙中的心土夾層（T1～T5）的累積入滲量分別為17.12、19.24、20.58、20.88及22.22 cm，可以看出夾層位置越靠上，入滲鋒面到達土夾層是的累積入滲量越小。由于入滲試驗在濕潤鋒到達土柱底端時結束，也就是說這個時刻的累積入滲量為入滲過程結束土柱的持水量。CK2累積入滲量僅為37.02 cm，比CK1（48.01 cm）低22.89%。從入滲開始至入滲結束CK2的總歷時為5 100 min，比CK1（6 960 min）低。說明當CK2灌溉量大于37.02 cm時，將出現水分的滲漏，不利于土壤水分的保持。在黃河泥沙層中夾心土層后，試驗處理組（T1～T5）均在不同程度上改善了CK2水分滲漏現象。入滲試驗結束時，T1～T5總的累積入滲量分別為39.57、41.85、42.69、41.16、40.96 cm，較CK2分別提高了6.89%、15.32%、11.18%、13.04%、10.64%，其中T3對CK2持水量的改善程度最大。

圖4 不同處理累積入滲量隨時間的變化

2.3 夾層位置對濕潤鋒運移的影響

不同處理濕潤鋒推進距離隨時間的變化關系，如圖5所示。CK1在入滲過程中濕潤鋒隨時間的延長而逐漸推進，可視為1條平滑的曲線。然而，CK2入滲的濕潤鋒推進距離隨時間的變化關系顯然不再符合此特征，受黃河泥沙質地及下邊界條件不同的影響，濕潤鋒在840 min穿越“土-沙”界面后，運移速度迅速增加，從入滲開始至入滲結束總歷時為5 100 min，僅為CK1總歷時的72.27%，在相同灌溉條件下，由于黃河泥沙充填層的存在，土壤水分由飽和入滲變?yōu)榉秋柡腿霛B，水分會優(yōu)先從大孔隙中流出，即土壤水分在穿越“土-沙”界面后會出現“指流”或者說是“漏斗流”的現象，采用傳統(tǒng)“上土下沙”土壤剖面構型不利于土壤水分的保持，若覆土厚度不足，農作物的長勢欠佳。

從圖5中可以看出，在黃河泥沙層中設置心土夾層后，T1~T5的濕潤鋒隨時間的運移過程中均出現多次轉折，使得重構土壤的濕潤鋒運移特性較CK2均得到不同程度的改善。在入滲初期T1～T5的入滲規(guī)律基本相同，主要是由于0～40 cm土壤質地、厚度及土層排列一致。他們之間的差異主要出現在1 020 min以后，T1～T5的濕潤鋒先后穿過“土-沙”界面，進入黃河泥沙層后，濕潤鋒的運移速率均有所提高，其中T3、T4、T5的運移速率高于T1、T2，此時T3~T5之間不存在顯著性差異，T1和T2之間不存在顯著性差異。由于夾層的位置不同，濕潤鋒穿過“沙-土”界面進入心土夾層的時間亦不相同，進入心土夾層后，T1～T5濕潤鋒的運移速率均有所降低，且T2的濕潤鋒速率最低。綜上，心土夾層的存在可以改善漏水現象，當濕潤鋒運移到“土-沙”分界面時，會出現暫時的停滯，然而濕潤鋒進入黃河泥沙層后濕潤鋒的運移速率變快，而進入心土夾層后濕潤鋒的運移速率變慢，這與王春穎等的研究結論相一致[16]。由于黃河泥沙層中心土夾層的位置不同，濕潤鋒在交界面處的轉折程度不同，濕潤鋒的推進速度也不同，其中，T2濕潤鋒的推進速度最慢，濕潤鋒運移到土柱底端，整個入滲過程的總歷時為8 040 min是CK1的1.16倍，隨著心土夾層深度的增加，濕潤鋒的運移速度逐漸增大。

圖5 不同處理濕潤鋒隨時間的變化

綜上，可以推測黃河泥沙層中所夾心土層的位置存在1個臨界值，當深度為該臨界值時，心土夾層的阻水作用最強。德州市位于山東西部，降水主要集中在夏季，據統(tǒng)計汛期（6－9月）降水量占全年降水量的75%以上。當夾層位置達到這一臨界值時，阻水效果最強，濕潤鋒的推進速度低于對照普通農田土壤剖面構型，在強降雨天氣條件下，入滲緩慢，易形成地表徑流，因此，結合研究區(qū)狀況，當黃河泥沙層中心土夾層距離土表60 cm（T3），濕潤鋒的推進速度更接近與普通農田土壤剖面構型（CK1），該剖面構型適合在當地于推廣應用。

2.4 夾層位置對累積入滲量與濕潤鋒之間關系的影響

對不同處理入滲過程中，累積入滲量與濕潤鋒推進距離Z之間的關系進行分析，得出兩者之間存在線性關系（2＞0.995）。兩者關系可通過=aZ+進行表達[31]，相關參數統(tǒng)計于表2。系數即為直線斜率，可作為濕潤鋒推進單位距離所需要的水量，亦可反映不同處理土壤剖面的持水能力。對比表3中的值可以發(fā)現，CK1推進單位距離所需的水量最大，而CK2所需的水量最小，說明CK1具有較大的持水能力，而CK2的持水能力較差。通過在黃河泥沙層中設置心土夾層后，增加了上層土體的持水能力，在下滲水量沒有達到它最大持水能力以前，心土夾層起到了阻止水流繼續(xù)向下滲流的作用。T1～T5的值較CK2分別提高了9.22%、11.73%、12.65%、8.68%、9.98%，從不同程度上改善了CK2的持水效果，其中T3值提高幅度最大，說明T3濕潤鋒推進單位距離所需水量水量較CK1更為接近。因此，在實際的充填復墾過程中可以將黃河泥沙充填層中心土夾層的位置控制在距離土表60 cm，能夠有效提高“上土下沙”剖面構型在入滲過程中土壤剖面的持水性。

表2 不同處理累積入滲量（I）和濕潤鋒推進距離（Zf）的線性回歸參數

2.5 夾層位置對剖面含水率的影響

數據采集器EM50連接水分傳感器EC-5自動采集CK1，CK2及T1～T5每層土壤剖面含水率隨時間的變化情況，如圖6所示。對比烘干法測得同一時刻剖面含水率，某些探針測得的剖面含水率略高，但不影響監(jiān)測整個入滲過程土壤水分的變化趨勢。隨著濕潤鋒向下推進，CK1在整個入滲過程中6根探針所測得的土壤剖面含水率的變化規(guī)律比較一致，各層的土壤含水率都存在急劇上升并趨于穩(wěn)定的過程。然而CK2土壤剖面含水率出現明顯的分層，60 cm以下黃河泥沙層的平均剖面含水率為0.32 cm3/cm3，僅為60 cm以上土壤層的0.63倍。

通過對比T1～T5與CK1，CK2剖面含水率隨時間的變化情況可以發(fā)現，黃河泥沙充填層中夾心土層后，所形成的多層土壤復合結構的水分入滲過程更加復雜，其含水率在不同土質土層土壤剖面上具有不連續(xù)的特點，從圖6中可以看出，T1～T5的藍色曲線（45 cm處探針實測心土夾層上方的黃河泥沙層的含水率）均得到了不同程度的抬高，明顯改善了CK2上土下沙土壤剖面含水率的分布情況。含水率由非飽和狀態(tài)逐漸達到飽和，主要由于心土夾層的存在，對水分在黃河泥沙層中的運移造成了強烈的導水障礙，進而提高了黃河泥沙層的剖面含水率，這與Aubertin等的研究結論相一致[32]。探針實測T1～T5土壤剖面含水率發(fā)生突變的時間基本一致，均發(fā)生在1 000 min左右，這主要是由于45 cm以上土層排列一致。但隨著心土夾層深度的增加，45 cm深的黃河泥沙層含水量從驟升到逐漸趨于平穩(wěn)的時間呈現逐漸增加的趨勢分別為1 170、2 050、2 130、2 980、3 770 min，說明，濕潤鋒通過心土夾層上方黃河泥沙層時，保持非飽和狀態(tài)，且非飽和狀態(tài)持續(xù)的時間隨心土夾層位置的下移，而逐漸延長。另外，通過對比各處理體積含水率的數據，發(fā)現在不同夾層位置T1～T5的45 cm處探針測得含水量隨時間的變化均表現為兩次增加，其中第2次增加極有可能是由于濕潤鋒到達心土夾層上方由于存在導水障礙水分開始在夾層上方蓄積，向上濕潤黃河泥沙層引起。

圖6 不同處理土壤剖面含水率隨時間的變化

2.6 模型分析

利用Kostiakov模型分別對不同處理重構土壤的入滲試驗實測入滲量（cm）和入滲時間（min）之間關系進行擬合，模型擬合結果如表3所示。Kostiakov 模型對各處理擬合的2均約0.99，RRMSE均不大于0.07，說明Kostiakov 模型能夠較好地模擬黃河泥沙充填復墾不同剖面構型土壤水分的入滲特性。

表3 Kostiakov模型模擬不同處理入滲過程

3 結 論

黃河泥沙充填層中夾黏土層后，重構土壤由雙層結構轉變?yōu)槎鄬訌秃辖Y構，使得土壤水分入滲過程變得更加復雜，在毛管障礙及導水障礙的用下，有效避免了水分的快速滲漏，改善了土壤剖面含水率分布狀況，提高了入滲過程中重構土壤剖面的持水性。研究發(fā)現在黃河泥沙層中夾黏土層位置的變化，對重構土壤入滲特性有明顯影響。具體結論如下：

1）入滲率隨著夾層深度的增加，呈現先增加而后減小的趨勢，即在黃河泥沙充填層中布設20 cm心土夾層位置距離土表55 cm（T2）時為一臨界深度，此時重構土壤的入滲率最低、濕潤鋒的運移速度最慢、阻水效果最強，比對照為普通農田土壤（CK1）穩(wěn)定入滲率還低19.5%?？紤]到研究區(qū)強降雨天氣，重構土壤的入滲率過低，易形成地表徑流。

2）濕潤鋒推進單位距離的需水量可反映土壤剖面的持水能力，夾層在不同程度上改善了“上土下沙”土壤剖面（CK2）的持水能力，其中心土夾層位置為距離土表60 cm（T3）改善程度最大，土壤剖面水分分布情況也得到了改善，因此在距離土表60 cm（T3）設置夾層，土壤水分入滲特性及入滲過程的土壤持水性更接近對照為普通農田土壤（CK1），是黃河泥沙夾層式充填復墾采煤沉陷地重構土壤剖面構型的理想選擇。

3）通過Kostiakov模型對入滲量和入滲時間之間關系進行擬合，2均約為0.99，RRMSE均不大于0.07，擬合效果良好，研究表明Kostiakov模型能夠較好地模擬黃河泥沙夾層式充填重構土壤水分入滲特性。

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Influence of clay interlayer position on infiltration of reclaimed soil filled with Yellow River sediment

Wang Xiaotong1, Hu Zhenqi2※, Lai Xiaojun1, Liang Yusheng1

(1.,<>,100083,; 2.,,221000,)

Coal is the primary energy source in china, large-scale coal mining causes serious ecological and environmental problems in China. For restoring farmland in such areas, reclaiming subsided land with Yellow River sediment is an effective reclamation technology. In this study, we investigated the influence of interlayer positions on soil water infiltration process of reclaimed soil filled with Yellow River sediment. The laboratory experiments of infiltration were conducted in the soil columns of 120 cm with 2 control treatments (CK1, CK2) and 5 interlayer treatments (T1-T5). CK1 consisted of 20-cm topsoil overlying subsoil, representing native undisturbed farmland. CK2 represented conventional reconstructed soil profile consisted of 20-cm topsoil and 40-cm subsoil overlying sediment and 60 cm Yellow River sediment on the bottom. Treatments T1–T5 represented reconstruct multi-layered soil profiles consisted of 20-cm topsoil, 20-cm subsoil and different combinations of sediment and 20-cm thick subsoil interlayer located at different position between the Yellow River sediment layer. In treatments of T1-T5, subsoil interlayer was filled into the column at the 50, 55, 60, 65, 70 cm away from the soil surface, respectively. The soil texture of subsoil was clay. Thus, the subsoil interlayer was also the clay interlayer. By the laboratory infiltration experiments, the influence of interlayer position on water infiltration was analyzed, and the subsoil interlayer position of the reclaimed soil filled with Yellow River sediment was optimized. Calculated index included infiltration rate, cumulative infiltrationdepth to the wetting front, and water content volume distribution of the reclaimed soils. Finally, the filtration was fitted by Kostiakov model. The results showed that subsoil clay interlayer was more effective in inhibiting water leakage and improving the water-holding capacity of conventional reconstructed soil profile. The infiltration rate increased and then decreased with the increasing depth of subsoil interlayers with the same thickness. The position of the subsoil interlayer at 55 cm below the soil surface was a threshold where the infiltration rate was the lowest, the migration speed of the wetting front was the slowest, and the water resistance effect was the strongest. However, considering the heavy rainfall in the study area, surface runoff was easy to form. When the position of interlayer was 60 cm below the soil surface, the water infiltration characteristic was closer to that of undamaged farmland, and it was the optimal position of interlayer for land reclamation with Yellow River sediments. Moreover, the Kostiakov model could fit the infiltration process well for the reclaimed soil with clay interlayer in the Yellow River sediment layer (2was higher than 0.99 and relative root mean square error was not higher than 0.07). This study has important practical significance for extension of interlayer soil profile reclamations with Yellow River sediment.

sediments; infiltration; reclamation; Yellow River; soil reconstruction; clay interlayer

王曉彤，胡振琪，賴小君，梁宇生. 黏土夾層位置對黃河泥沙充填復墾土壤水分入滲的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(18)：86－93.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.011 http://www.tcsae.org

Wang Xiaotong, Hu Zhenqi, Lai Xiaojun, Liang Yusheng. Influence of clay interlayer position on infiltration of reclaimed soil filled with Yellow River sediment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 86－93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.011 http://www.tcsae.org

2019-04-29

2019-08-10

國家自然科學基金資助項目（41771542）

王曉彤，博士生，主要從事土地復墾與生態(tài)修復研究。Email：xiaotong0532@126.com

胡振琪，教授，博士生導師，主要從事土地復墾與生態(tài)修復研究。Email：huzq1963@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.011

TD88

A

1002-6819(2019)-18-0086-08