煤礦區(qū)重構(gòu)土壤剖面水氣變化及其對溫度梯度的響應(yīng)

陳 敏，陳孝楊，王校剛，張凌霄，張 迪，朱建明

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤礦開采為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)帶來巨大貢獻(xiàn)的同時，也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題及地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。另外，煤炭生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，其中煤矸石作為主要廢棄物，占原煤總量的15%～20%[3]。在中國，煤矸石總量已達(dá)38億t，大量煤矸石的堆積也會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題[4-6]。盡管煤矸石資源化利用已成為一個重要的研究領(lǐng)域，但煤矸石的利用率仍未超過15%[7]。經(jīng)過長期的理論研究與實踐，利用煤矸石充填重構(gòu)土壤來恢復(fù)或改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)可行的，這不僅修復(fù)了受損土地，也在一定程度上解決了煤矸石的堆積問題[8-11]。因此，煤礦區(qū)用煤矸石作為基質(zhì)進(jìn)行土壤重構(gòu)，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境和土地復(fù)墾的立地條件工程大量存在。

但是，煤矸石的水氣熱力學(xué)性質(zhì)與土壤存在顯著差異，其飽和含水量遠(yuǎn)低于土壤，而飽和導(dǎo)水率、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)氣率均大于土壤[12-14]，這勢必會對重構(gòu)土壤水氣熱分布狀況及其變化產(chǎn)生影響。WANG等[15]研究發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)土壤表層土壤(0～30 cm)和填充基質(zhì)層(50～80 cm)的含水量存在顯著差異。宋楊睿等[16]研究發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)土壤含水量比自然土壤低，并且由于煤矸石持水能力極弱，無法實現(xiàn)地下水對表層土壤的有效補(bǔ)給。筆者所在研究團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)土壤導(dǎo)氣率受覆土類型和煤矸石的共同影響，覆土土壤導(dǎo)氣率決定了重構(gòu)土壤的導(dǎo)氣率大小，煤矸石導(dǎo)氣率決定了煤矸石對重構(gòu)土壤導(dǎo)氣率的影響系數(shù)[13];矸石層的存在會影響表層土壤溫度，當(dāng)覆土厚度較薄時，表層土壤溫度的晝夜變化幅度相對較大[17]，并且矸石層對土壤層溫度的影響隨著太陽輻射的增加而增強(qiáng)[14]。特別地，當(dāng)煤矸石中黃鐵礦(FeS2)含量較高時，會發(fā)生氧化反應(yīng)并伴有釋熱過程[18]。盡管氧化過程緩慢，但依舊會對重構(gòu)土壤的溫度狀況產(chǎn)生影響，導(dǎo)致土壤層與矸石層溫度的差異。鄭國強(qiáng)等[19]對覆土矸石山溫度進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同地塊覆土矸石山垂直方向80 cm深度溫度在28.69～52.9 ℃，溫度隨著深度的增加而升高，剖面存在顯著的溫度梯度，并且隨著熱量的持續(xù)上升，地表的溫度也隨之升高。溫度作為水氣運動的主要影響因素[20-21]，會對土壤水分和養(yǎng)分的有效性、土壤的呼吸過程以及微生物的活性等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育。那么，煤矸石氧化放熱過程對重構(gòu)土壤剖面的水氣變化的影響，勢必會影響矸石山及礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)效果。

然而，目前國內(nèi)對重構(gòu)土壤剖面水氣變化的研究還比較欠缺，特別是在煤矸石氧化放熱對重構(gòu)土壤剖面溫度分布及水氣變化影響這方面。因此，筆者設(shè)計了一種重構(gòu)土壤水氣熱耦合運移室內(nèi)模擬裝置，分析重構(gòu)土壤剖面水氣變化，并通過底部加熱裝置模擬煤矸石氧化放熱過程，分析其對重構(gòu)土壤剖面溫度分布及水氣變化的影響，旨在為矸石山及礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

煤矸石樣品采自安徽省淮南市潘集區(qū)某矸石山。潘集區(qū)屬于淮南典型的煤炭開采區(qū)，該矸石山現(xiàn)已停止煤矸石的輸入，呈“錐形”，表層有風(fēng)化跡象。從矸石山的山底、山腰和山頂處隨機(jī)采集等質(zhì)量風(fēng)化樣品充分混合，帶回實驗室。在實驗室內(nèi)，通過篩分法測定煤矸石樣品的質(zhì)地，將粒徑大于5 cm的煤矸石挑選出來，再分別用孔徑為2 mm和10 mm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，并對其飽和含水量進(jìn)行測定[12]，文中含水量均為體積含水量。煤矸石樣品的機(jī)械組成及飽和含水量見表1。

表1 煤矸石樣品的機(jī)械組成及飽和含水量Table 1 Mechanical composition and water content of coal gangue %

土壤樣品采自淮南市大通濕地公園。取樣時，去掉表層5 cm土壤，分別使用環(huán)刀和鋁盒取樣，用于測定樣品的容重與含水量;再采集5～20 cm深度的土壤若干袋，用于室內(nèi)土柱填充。在實驗室內(nèi)，用烘干法測定樣品的初始容重和含水量。從土壤樣品中隨機(jī)取樣3次，風(fēng)干后去除其中的碎石、枯枝等，研磨過2 mm篩，用Rise-2006激光粒度分析儀測定土壤顆粒組成，并依據(jù)國際分級標(biāo)準(zhǔn)對土壤質(zhì)地進(jìn)行命名，其結(jié)果見表2。

1.2 研究方法

1.2.1試驗裝置

筆者設(shè)計了一種重構(gòu)土壤水氣熱耦合運移室內(nèi)模擬裝置(圖1)，該裝置主要由土樣箱、加熱系統(tǒng)、傳感器、進(jìn)氣系統(tǒng)和計算機(jī)等組成。土柱箱長60 cm，寬60 cm，高120 cm，在土柱箱內(nèi)部周圍放置2 cm厚的隔熱棉，減少外界溫度對重構(gòu)土壤的影響，并在裝置底部用密封膠泥密封保證裝置的密封性。先將隨機(jī)采集的煤矸石混合樣均勻地填充在土柱底部并壓實，然后按初始容重將土樣分層均勻的填入土柱內(nèi)，在填充煤矸石和土樣的過程中，每20 cm放置一對溫濕度傳感器。其中0～60 cm為土壤層，60～100 cm為矸石層[14,17]，20,40,60,80和100 cm深度處為監(jiān)測點，埋有溫濕度傳感器。

表2 土壤樣品的機(jī)械組成及物理性質(zhì)Table 2 Mechanical composition and physical properties of soil

圖1 重構(gòu)土壤水氣熱耦合運移室內(nèi)模擬裝置Fig.1 Coupling simulation device of water,air and heat for reconstruction soil

1.2.2試驗設(shè)置

在土柱上方灌溉60 mm的水，通過濕度傳感器監(jiān)測水分的動態(tài)變化，待水分入滲過程穩(wěn)定后，通過CO2氣瓶以3 L/h的速率通氣，改變底部的初始CO2體積分?jǐn)?shù)，使用泵吸式CO2檢測儀每隔2 h測定一次監(jiān)測點的CO2體積分?jǐn)?shù)，再通過底部加熱板，分別設(shè)置30，40和50 ℃[19]，監(jiān)測重構(gòu)土壤溫度的變化，待溫度穩(wěn)定后持續(xù)加熱，記錄此刻剖面的穩(wěn)態(tài)溫度和含水量(Ⅰ-Ⅰ，Ⅰ-Ⅱ，Ⅰ-Ⅲ)，監(jiān)測重構(gòu)土壤水分的動態(tài)變化的同時并進(jìn)行相同的通氣試驗，最后再次在土柱上方灌溉60 mm量的水，重復(fù)上一階段試驗(Ⅱ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅱ-Ⅲ)，研究加熱條件下含水量對重構(gòu)土壤剖面氣體變化的影響。不同試驗階段重構(gòu)土壤剖面溫度及含水量狀況見表3。

1.2.3水分特征參數(shù)

土壤水分特征曲線作為土壤基本水力特性的重要參數(shù)之一，對土壤水分運移研究具有重要意義。一般土壤水分特征曲線用經(jīng)驗公式來描述，常用的有Brooks-Corey(BC)[22]和Van Genuchten(VG)[23]經(jīng)驗公式。

BC經(jīng)驗公式:

(1)

式中，θ為土壤吸力h(cm)下的土壤含水量，%;θr為滯留含水量,%;θs為飽和含水量,%;hd為土壤進(jìn)氣吸力，cm;N為擬合參數(shù)。

表3 不同試驗階段重構(gòu)土壤剖面溫度及含水量Table 3 Temperature and water content of reconstruction soil in different test stages

VG經(jīng)驗公式:

(2)

式中,α,n,m為擬合參數(shù)，m=1-1/n。

重構(gòu)土壤水流模型采用VG模型，選擇無滯后效應(yīng)。樣品水分特征參數(shù)α，n，飽和含水量(θs)及殘余含水量(θr)通過VG模型擬合土壤含水量與水勢的關(guān)系進(jìn)行逆向求解獲得，主要水分特征參數(shù)數(shù)值見表4(Ks為飽和導(dǎo)水率,cm/h)。

表4 樣品水分特征參數(shù)Table 4 Hydraulic properties of samples

1.3 數(shù)據(jù)處理與計算

利用Excel 2010和Origin Pro 2016軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)及作圖，SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析并建立回歸方程，Hydrus-1D軟件對重構(gòu)土壤水分分布及入滲進(jìn)行數(shù)值模擬[24]。利用軟件模擬時，重構(gòu)土壤水流模型采用VG模型，選擇無滯后效應(yīng);將重構(gòu)土壤分為兩層，兩層的參數(shù)分別輸入上覆土壤和煤矸石的土壤非飽和參數(shù);上邊界選擇大氣邊界(無徑流)，下邊界選擇滲漏面邊界;上邊界在開始時，瞬時灌水量設(shè)為60 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 重構(gòu)土壤剖面水分變化及其數(shù)值模擬

2.1.1重構(gòu)土壤含水量分布及其數(shù)值模擬

通過對重構(gòu)土壤剖面含水量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)土壤層和矸石層之間含水量存在顯著差異(圖2)。矸石層含水量明顯低于土壤層，并且在層間界面(土壤層-矸石層)含水量發(fā)生突變，層間界面土壤層的含水量顯著高于煤矸石，這與自然土壤含水量分布存在明顯區(qū)別[25]。為了驗證現(xiàn)有模型能否準(zhǔn)確模擬重構(gòu)土壤的含水量分布，根據(jù)煤矸石和土壤的水分特征參數(shù)，不考慮滯后作用，對重構(gòu)土壤剖面含水量分布進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖2所示。通過對比，重構(gòu)土壤剖面含水量的模擬值與實測值之間雖然有些差別，但總體是相近的，特別是層間界面土壤層和矸石層的含水量。這說明根據(jù)水分特征參數(shù)模擬重構(gòu)土壤含水量時，能夠準(zhǔn)確表征不同基質(zhì)層的基質(zhì)勢差異。層間界面含水量突變主要是受基質(zhì)勢差異的影響，在同一吸力下，煤矸石的含水量要顯著低于土壤[26]。因此，當(dāng)層間界面水勢達(dá)到動態(tài)平衡時，層間界面矸石層的含水量要遠(yuǎn)低于土壤層。另外，土壤層含水量的模擬值要略低于實測值，這可能是受矸石層的影響，土壤層和矸石層存在顯著的基質(zhì)勢差異，而現(xiàn)有的方程尚未根據(jù)這種特殊的層狀土壤進(jìn)行修正。所以對重構(gòu)土壤含水量進(jìn)行擬合時，與實測值略有出入，但總體上能較好的描述重構(gòu)土壤的含水量分布狀況。

圖2 不同深度重構(gòu)土壤含水量監(jiān)測值與模擬值Fig.2 Monitored and simulated values of water content at different depths in reconstruction soil

2.1.2重構(gòu)土壤水分入滲及數(shù)值模擬

重構(gòu)土壤水分入滲過程可以概化為特殊的層狀土壤水分運動問題，但與均質(zhì)土壤存在差異，其層間孔隙差異明顯。為了分析現(xiàn)有的土壤水分運動方程是否適用于重構(gòu)土壤，現(xiàn)仍然應(yīng)用Richards方程來描述重構(gòu)土壤水分運動。設(shè)置60 mm的灌溉量，模擬水分入滲過程，記錄灌溉后5，10，15和20 h不同深度的含水量變化，其結(jié)果如圖3所示。在實際水分入滲過程中，0～20 h時間段內(nèi)，20～40 cm土壤層含水量先增加后減少，最大變幅為10.76%。這主要是基質(zhì)勢的影響，基質(zhì)勢作為非飽和土壤水運動過程的主要驅(qū)動力[27]，水分總是從基質(zhì)勢大的地方向基質(zhì)勢小的方向運動，最后達(dá)到能量的動態(tài)平衡。在灌溉的條件下，水分由上向下運動，使20～40 cm的土壤層含水量增加，而后隨著表層土壤水分的蒸發(fā)，表層土壤含水量逐漸降低，20～40 cm土壤層開始對表層土壤進(jìn)行水分的補(bǔ)給，使得20～40 cm土壤層的含水量開始降低。在入滲過程中,20～40 cm土壤層的含水量有明顯的波動，而40 cm深度以下的土壤層及矸石層含水量沒有明顯變化，并且40 cm土壤層含水量要顯著高于60 cm土壤層含水量。這說明水分在入滲過程中，在20～40 cm土壤層有一個累積的過程。而在模擬過程中，20～40 cm土壤層的含水量同樣是先增加后減小，但是其變幅較小僅有3.47%，并且其含水量降幅要小于實際值。這表明重構(gòu)土壤實際的水分蒸發(fā)速率要大于模擬值，這可能是由于煤矸石的結(jié)構(gòu)孔隙與土壤存在顯著差異，其含水量偏低，毛細(xì)管作用小，不利于對表層土壤水分的補(bǔ)給[28]，并且矸石層的存在會降低了重構(gòu)土壤土壤層保水和蓄水能力[29]。另外，重構(gòu)土壤水分入滲時，水分主要在20～40 cm土壤層累積，而模擬值主要是在層間界面累積，與模擬值相比，該過程存在明顯的滯后性。這主要是受層間孔隙差異的影響，當(dāng)細(xì)質(zhì)土覆蓋粗質(zhì)土?xí)r，濕潤鋒穿過層間界面時，水分會滯留在層間界面[30]，并由于層間孔隙差異導(dǎo)致毛管障礙的存在，也會阻礙水分的入滲[31]。重構(gòu)土壤與自然層狀土壤相比，其層間孔隙差異更加明顯，這可能會增強(qiáng)層面界面的滯留效果，水分未達(dá)到層間界面就開始滯留，導(dǎo)致水分運動的滯后性，使得現(xiàn)有的水分運動方程不能很好地描述重構(gòu)土壤的水分入滲問題，而準(zhǔn)確模擬水分運動過程對重構(gòu)土壤水分管理具有重要意義[32]。

圖3 不同深度重構(gòu)土壤水分再分布監(jiān)測值與模擬值Fig.3 Monitored and simulated values of water redistribution at different depths in reconstruction soil

2.2 重構(gòu)土壤剖面氣體變化

重構(gòu)土壤不同深度CO2體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢基本一致。由于底部通氣，底部CO2初始體積分?jǐn)?shù)最高，其體積分?jǐn)?shù)快速下降;80 cm層CO2體積分?jǐn)?shù)先升高后降低;60 cm層CO2體積分?jǐn)?shù)呈緩慢上升趨勢;20 cm和40 cm層CO2體積分?jǐn)?shù)沒有明顯變化(圖4)。在整個監(jiān)測過程中，矸石層的CO2體積分?jǐn)?shù)擴(kuò)散速率要顯著高于土壤層。這主要是由于煤矸石的孔隙較大，在相同含水量下，其導(dǎo)氣率要顯著高于土壤，有利于氣體在矸石層中的運動[13]，并且矸石層的含水量要遠(yuǎn)低于土壤層，導(dǎo)氣率隨含水量的增加而降低[33]。同時，在80 cm層監(jiān)測到了體積分?jǐn)?shù)峰，這說明CO2在擴(kuò)散過程中在80 cm層有一個緩慢的累積過程。這可能是兩者導(dǎo)氣率和層間孔隙差異的影響，首先煤矸石的導(dǎo)氣率遠(yuǎn)高于土壤，氣體更易在矸石層中擴(kuò)散，當(dāng)氣體向土壤層擴(kuò)散時，氣體擴(kuò)散受到限制，CO2開始在矸石層中累積，并且受層間孔隙差異的影響，氣體在重構(gòu)土壤擴(kuò)散過程中表現(xiàn)出了明顯的滯后性，氣體擴(kuò)散至80 cm層后有一個受阻過程，導(dǎo)致氣體在80 cm層累積，該過程與水分入滲過程相似。

圖4 重構(gòu)土壤剖面CO2體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化Fig.4 Variation of CO2 concentration with time in recons-truction soil profile

2.3 底部供熱對重構(gòu)土壤溫度的影響

當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，隨著加熱時間的增加，矸石層溫度迅速升高，土壤層溫度緩慢升高，后逐漸達(dá)到平衡(圖5)。越靠近加熱板，在開始階段溫度升高越快，溫度變化越明顯，而后溫度變化逐漸平緩，溫度穩(wěn)定所需的時間越短。在加熱 6 h時，矸石層的溫度迅速升高，而土壤層卻無明顯變化，在6 h之后土壤層溫度才緩慢上升。在整個加熱過程中，20，40，60，80和100 cm層溫度分別升高了2.06，2.33，4.04，7.99和13.47 ℃，矸石層的溫度明顯高于土壤層。這主要是因為熱量通過加熱裝置由矸石層傳向土壤層，隨著距離的增加，重構(gòu)土壤溫度的波動受加熱板的影響逐漸減小。但是，筆者所在課題組在潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)對重構(gòu)土壤剖面溫度監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，即使表層土壤溫度升高至30 ℃，對80～100 cm深度的矸石層溫度無顯著影響[14]，這與重構(gòu)土壤底部加熱對表層土壤溫度影響存在差異。這主要是受煤矸石熱力學(xué)性質(zhì)影響，煤矸石是一種灰色巖石，其熱容遠(yuǎn)小于土壤，但導(dǎo)熱率卻又遠(yuǎn)高于土壤，其熱擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)大于土壤。另外，熱擴(kuò)散系數(shù)主要受含水量、礦物組成和粒徑分布等影響[34]。煤矸石的孔隙結(jié)構(gòu)較大，并且矸石層的含水量遠(yuǎn)低于土壤層，這就有利于熱量由底部向土壤層中的傳輸，從而影響表層土壤的溫度。當(dāng)溫度達(dá)到平衡時，重構(gòu)土壤存在著顯著的溫度梯度。因此，通過改變底部加熱裝置的溫度，進(jìn)一步研究溫度對重構(gòu)土壤剖面溫度梯度的影響。

圖5 表層土壤30 ℃時剖面溫度隨時間的變化Fig.5 Change of profile temperature with time at topsoil 30 ℃

由圖6可知，隨著溫度的升高，矸石層的穩(wěn)態(tài)溫度和升幅要遠(yuǎn)大于土壤層，并且兩者的溫差也越來越明顯。重構(gòu)土壤20,40,60,80和100 cm的穩(wěn)態(tài)溫度分別為10.12～14.04，11.86～16.98，14.99～21.76，19.37～30.55和24.66～39.89 ℃。利用SPSS軟件對矸石層和土壤層的溫度與深度之間進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著的線性關(guān)系(P<0.05)，根據(jù)回歸方程的斜率計算出土壤層和矸石層的溫度梯度。矸石層的溫度梯度要高于土壤層，并且隨著溫度的增加，矸石層的溫度梯度增幅要大于高土壤層。隨著溫度的增加，矸石層的溫度梯度從0.25 ℃/cm增加到0.45 ℃/cm，而土壤層的溫度梯度僅從0.11 ℃/cm增加到0.19 ℃/cm。這可能是由于土壤含水量要高于矸石層，土壤的熱容隨著含水量的增加而提高[35]，使得溫度保持相對穩(wěn)定，溫度梯度相對較小。通過上述研究，可以說明當(dāng)煤矸石氧化放熱時不僅會使重構(gòu)土壤內(nèi)部形成溫度梯度，而且會影響表層土壤的溫度。溫度作為土壤水分運移和氣體擴(kuò)散的主要驅(qū)動力，重構(gòu)土壤內(nèi)部溫度梯度的存在將會改變重構(gòu)土壤內(nèi)部能量，驅(qū)動水分及氣體的運動[36]。

圖6 不同加熱溫度下重構(gòu)土壤剖面溫度梯度Fig.6 Temperature gradient of reconstruction soil profile at different heating temperatures

2.4 溫度梯度對重構(gòu)土壤水氣運動的影響

2.4.1溫度梯度對重構(gòu)土壤水分運動的影響

在溫度梯度的作用下，重構(gòu)土壤水分由底部向上遷移，100 cm層含水量顯著下降，其他層含水量逐漸增加(圖7)。

圖7 溫度梯度下重構(gòu)土壤剖面含水量的動態(tài)變化Fig.7 Dynamic change of water content in reconstruction soil profile under temperature gradient

在溫度梯度的作用下，重構(gòu)土壤內(nèi)部基質(zhì)勢發(fā)生改變，導(dǎo)致水分由溫度較高的區(qū)域向較低的區(qū)域遷移[37]。利用SPSS軟件對含水量與時間之間進(jìn)行相關(guān)性分析并建立回歸方程，發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著的線性關(guān)系(P<0.05)。對回歸方程進(jìn)行分析，100 cm層含水量以0.142%/h的速度下降，20,40,60和80 cm層含水量分別以0.039，0.052，0.057和0.040%/h速度增加?？梢园l(fā)現(xiàn)，土壤層(40 cm和60 cm層)的含水量增速要大于矸石層(80 cm層)，并且層間界面(60 cm層)的含水量增速最大，這與重構(gòu)土壤氣體變化規(guī)律不一致。這可能是由于矸石層的溫度梯度高于土壤層，在溫度梯度的作用下，水分在矸石層中的運動速度要大于土壤層，這也是100 cm層含水率迅速降低的原因。另外，在加熱的條件下，加速了水分的蒸發(fā)，由于煤矸石充氣孔隙豐富，水汽更易在矸石層中擴(kuò)散[38]，當(dāng)水汽遇到溫度相對較低的土壤層時，水汽容易液化，導(dǎo)致水分在層間界面累積。隨著水分在層間界面的累積，其基質(zhì)勢也隨之增加，促使水分向40 cm土壤層運動，進(jìn)一步影響含水量的變化。

2.4.2溫度梯度及含水量對重構(gòu)土壤氣體運動的影響

與不加熱只通氣相比，溫度梯度的存在明顯改變了氣體在重構(gòu)土壤中的運動(圖4，圖8)。在溫度梯度的作用下，重構(gòu)土壤底部CO2初始體積分?jǐn)?shù)明顯升高，均達(dá)到5.0%以上;體積分?jǐn)?shù)峰出現(xiàn)的時間縮短，其峰值更高，CO2達(dá)到平衡時間縮短，并且在60 cm層也監(jiān)測到了體積分?jǐn)?shù)峰。而在未加熱條件下，底部CO2初始體積分?jǐn)?shù)僅為4.28%，而且在60 cm層未監(jiān)測到體積分?jǐn)?shù)峰。另外，不同加熱溫度條件下，氣體變化規(guī)律也有所不同。當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，60 cm和80 cm層的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值分別為1.17%和2.58%;當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，60 cm的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值為1.51%，80 cm層的峰值達(dá)到5.0%以上;當(dāng)?shù)撞考訜釡囟葹?0 ℃時，60 cm的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值為3.15%，80 cm層的峰值達(dá)到5.0%以上。隨著底部溫度的升高，60 cm和80 cm層的峰值逐漸升高，并且當(dāng)加熱溫度大于40 ℃時,80 cm層的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值均高于4.99%?？梢园l(fā)現(xiàn)，氣體容易在80 cm層及層間界面累積，并且累積效應(yīng)隨著加熱溫度的升高而升高，而土壤層CO2體積分?jǐn)?shù)沒有明顯的波動。這主要受土壤層的阻礙作用和層間孔隙差異的影響，并且在溫度梯度的作用下，溫度差會引起介質(zhì)的遷移，隨著溫度的升高會加快氣體分子的運動速度，進(jìn)而有利于氣體的擴(kuò)散[39]，而且煤矸石大孔隙發(fā)育良好，氣體會優(yōu)先通過大孔隙[40]，使得煤矸石的氣體擴(kuò)散系數(shù)明顯高于土壤層。

圖8 溫度梯度下重構(gòu)土壤剖面CO2體積分?jǐn)?shù)動態(tài)變化Fig.8 Dynamic change of CO2 concentration in reconstruction soil under temperature gradient

另外，在溫度梯度相近的情況下(表3)，含水量的增加改變了重構(gòu)土壤氣體的運動規(guī)律，特別是當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃和40 ℃時。當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，含水量的增加不僅降低了重構(gòu)土壤底部的初始體積分?jǐn)?shù)，其體積分?jǐn)?shù)僅為3.83%，而且降低了60 cm和80 cm層CO2的體積分?jǐn)?shù)峰值，其體積分?jǐn)?shù)分別為0.91%和1.19%;當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，含水量的增加降低了60 cm和80 cm層CO2的體積分?jǐn)?shù)峰值，其體積分?jǐn)?shù)分別為1.25%和3.75%;當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，60 cm的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值略微降低，為2.92%，80 cm層的峰值在5.0%以上。另外，當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃和40 ℃時，體積分?jǐn)?shù)峰出現(xiàn)的時間也明顯延遲，只有當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，體積分?jǐn)?shù)峰出現(xiàn)時間基本一致。這是由于含水量的增加降低了氣體在重構(gòu)土壤中的擴(kuò)散速率，土壤氣體擴(kuò)散主要是在土壤中相互連接的充氣孔隙進(jìn)行，而土壤中充氣孔隙與含水量密切相關(guān)，含水量的增加會使充氣孔隙減少，從而降低氣體的擴(kuò)散[41]。此外，當(dāng)?shù)撞繙囟葹?0 ℃時，雖然60 cm層的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值略微降低，但是總體上I-III和II-III的試驗結(jié)果基本一致。通過對比，可以說明含水率對氣體擴(kuò)散的影響隨溫度的升高而減小，當(dāng)溫度較低時，含水量作為重構(gòu)土壤氣體擴(kuò)散的主要影響因素;當(dāng)溫度較高時，溫度作為氣體擴(kuò)散的主要影響因素。

3 討 論

在層狀土壤中，當(dāng)細(xì)質(zhì)土覆蓋粗質(zhì)土?xí)r，由于毛管障礙的存在，濕潤鋒穿過層間界面時會在層間界面滯留[42]。而在煤礦區(qū)重構(gòu)土壤中，水分入滲過程存在明顯的滯后性，在土壤層(40 cm)累積，而非層間界面(60 cm)。同樣的，氣體擴(kuò)散過程也存在明顯的滯后性，氣體在擴(kuò)散過程中在矸石層(80 cm)累積。在底部加熱的情況下，發(fā)現(xiàn)氣體在矸石層中和層間界面均有累積的過程。氣體在擴(kuò)散過程中，首先在矸石層中受阻，當(dāng)氣體穿過矸石層后，又受到層間界面的阻礙作用。這說明在重構(gòu)土壤中可能存在一個層間界面“障礙帶”，當(dāng)水分和氣體接觸到層間界面“障礙帶”時開始受阻，而非層間界面。這可能是由于矸石層孔隙較大，層間孔隙差異明顯，導(dǎo)致毛管障礙加強(qiáng)[43]，形成層間界面“障礙帶”。因此，在重構(gòu)土壤中，層間界面對水氣運動過程的影響持續(xù)時間更長，滯后性更顯著，從而導(dǎo)致現(xiàn)有的水分運動方程不能很好地描述重構(gòu)土壤的水分入滲過程。另外，卜囡等[30]在層狀土入滲試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)質(zhì)土覆蓋粗質(zhì)土?xí)r，由于粗質(zhì)地土壤的斥水性會導(dǎo)致指流的形成，并且下層介質(zhì)粒徑越大越易出現(xiàn)指流，且指流行進(jìn)速度越快。汪順生等[44]在層狀土毛管水運動特性研究中發(fā)現(xiàn)，層狀土層間界面存在較大的毛細(xì)屏障，毛管水穿過層間界面需要一定的時間，導(dǎo)致層狀土中毛管水上升速率明顯低于均質(zhì)土。因此，由于“障礙帶”的存在，增加了水分在土壤層中累積時間，短期時間更有利于土壤水分的保持，阻礙水分的流失。但是，這也使得重構(gòu)土壤中更易形成指流，當(dāng)水分突破“障礙帶”時，導(dǎo)致水分更易流失，并且受“障礙帶”的影響，下層毛管水上升速度更慢，不利于對土壤層水分的補(bǔ)給，使得表層土壤含水量偏低，從而影響礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的效果。因此，在煤矸石充填復(fù)墾區(qū)域，特別是覆土厚度較薄時，應(yīng)通過少量多次灌溉來防止水分突破“障礙帶”，保障水分在土壤層中的累積以減少水分的流失。另外，由于重構(gòu)土壤層間孔隙差異顯著導(dǎo)致“障礙帶”的形成，那么在利用煤矸石進(jìn)行充填重構(gòu)時，應(yīng)先將煤矸石破碎，以減小層間孔隙的差異，防止“障礙帶”的形成，并適當(dāng)增加覆土厚度，增加“障礙帶”的深度，削弱對表層土壤的影響。

特別地，當(dāng)煤矸石氧化放熱時，重構(gòu)土壤中會形成穩(wěn)定的溫度梯度，甚至影響表層土壤的溫度。在溫度梯度的作用下，重構(gòu)土壤水分會向上遷移，并在層間界面“障礙帶”累積。這也會縮短毛管水穿過層間界面“障礙帶”需要的時間，增加毛管水的上升速率。在這個過程中，可能會伴隨著矸石層污染物的遷移，導(dǎo)致污染物在層間界面“障礙帶”累積并影響土壤層。鄭永紅等[45]發(fā)現(xiàn)重構(gòu)土壤層間界面土壤層重金屬元素Cu，Ni，Pb和Cd 的含量要明顯高于表層土壤，表明重金屬在層間界面富集，也證實了這一點。不管是水分入滲還是向上遷移過程中，受層間孔隙差異的影響，水分易在層間界面“障礙帶”累積。水分作為污染物遷移的重要媒介，其運動過程會對污染物遷移過程產(chǎn)生重要影響，所以水分在層間界面“障礙帶”的累積必然會伴隨著污染物的累積。在重構(gòu)土壤中，當(dāng)水分入滲時，易形成指流，可能會攜帶著污染物對地下水造成污染;當(dāng)毛管水向上遷移時，毛管水穿過層間界面時可能會攜帶著污染物，對土壤層造成污染。另外，在溫度梯度的作用下，氣體易在層間界面“障礙帶”累積。那么，當(dāng)煤矸石中黃鐵礦(FeS2)含量較高時，矸石層的大孔隙結(jié)構(gòu)有利于黃鐵礦與空氣和水接觸，在微生物的催化作用下，會釋放多種酸性氣體[46]，酸性氣體易在層間界面“障礙帶”累積，則會導(dǎo)致重構(gòu)土壤內(nèi)部局部酸化[47]，并隨著水分運動過程遷移。因此，在利用煤矸石進(jìn)行充填重構(gòu)時，應(yīng)先測定煤矸石中有毒微量元素及黃鐵礦的含量，考慮其有毒微量元素及酸性氣體在累積遷移過程中對土壤及地下水環(huán)境的影響。

綜上，由于層間界面“障礙帶”的存在，使重構(gòu)土壤中水分和氣體的運動規(guī)律與均質(zhì)土壤具有很大的差異，變得更加復(fù)雜。在重構(gòu)土壤中，層間界面“障礙帶”對水氣運動的阻礙作用更大，持續(xù)時間更長，但目前對層間界面“障礙帶”對水氣流障礙發(fā)展與突變機(jī)理的研究鮮有報道。而這方面的研究，可以了解水氣流在重構(gòu)土壤中的滯留空間、障礙時間、突變條件及突變流通量變化，修正現(xiàn)有土壤水氣運動方程或建立重構(gòu)土壤數(shù)值模型，這對準(zhǔn)確預(yù)報污染物在土壤中運移及土壤水分、養(yǎng)分遷移具有重要理論和實際意義[48]。另外，重構(gòu)土壤截面孔隙結(jié)構(gòu)和剖面土層結(jié)構(gòu)是人為因素引起的[49]，揭示其水氣流微觀機(jī)理及其與自然土壤的差異，可以探究原因進(jìn)行有效調(diào)控。因此，課題組下一步將開展這方面的研究，這對矸石山管理及礦區(qū)生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1)Hydrus-1D軟件能夠較好地模擬重構(gòu)土壤含水量分布，但受矸石層的影響，水分入滲受阻并在土壤層累積，導(dǎo)致重構(gòu)土壤水分入滲實際過程比模擬過程存在明顯的滯后性，使得現(xiàn)有的水分運動方程不能很好地描述重構(gòu)土壤的水分入滲過程。

(2)底部加熱時，重構(gòu)土壤剖面會形成穩(wěn)定的溫度梯度，并且矸石層的溫度明顯高于土壤層。隨著距離的增加，重構(gòu)土壤溫度的波動受加熱板的影響逐漸減小。另外，矸石層的溫度梯度要高于土壤層，并且隨著溫度的增加，矸石層的溫度梯度增幅要大于土壤層。

(3)在溫度梯度的作用下，重構(gòu)土壤剖面水分向上遷移并在層間界面累積，層間界面的含水量增速最大，為0.057%/h;氣體擴(kuò)散速率增加，在80 cm層及層間界面累積，并且累積效應(yīng)隨著加熱溫度的升高而上升，而土壤層CO2體積分?jǐn)?shù)沒有明顯的波動。溫度和含水量均會影響重構(gòu)土壤氣體的擴(kuò)散，但溫度梯度的增加會削弱含水量對氣體擴(kuò)散的影響。

(4)由于矸石層孔隙較大，層間孔隙差異明顯，導(dǎo)致毛管障礙加強(qiáng)，可能在層間界面形成“障礙帶”。當(dāng)水分和氣體接觸到層間界面“障礙帶”時開始受阻，從而導(dǎo)致水分在土壤層開始累積，而氣體在擴(kuò)散過程中，首先在矸石層中受阻，當(dāng)氣體穿過矸石層后，又在層間界面累積。