晉陜蒙露天煤礦排土場不同新構土體土壤蒸發特征研究①

任志勝，解 倩，王彤彤，王曉琳，郭艷亮，鄭紀勇，2*，張興昌，2（ 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 7200；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室/中科院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 7200）

晉陜蒙露天煤礦排土場不同新構土體土壤蒸發特征研究①

任志勝1，解 倩1，王彤彤1，王曉琳1，郭艷亮1，鄭紀勇1，2*，張興昌1，2
（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室/中科院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

為研究不同新構土體改良模式下的土壤蒸發特征，采用微型蒸發器田間自然條件下測定土壤水分蒸發過程，分析了不同土體重構模式的日蒸發量、累積蒸發量上差異。結果表明，相對于沙黃土，沙黃土、砒砂巖摻混（7︰3，w/w）的新構土體土壤蒸發降低了14.81%（P＜0.05），風化煤對沙黃土蒸發特征無明顯影響，但顯著提高了沙黃土、砒砂巖摻混的新構土體蒸發10.3%（P＜0.05），而砒砂巖防滲層和工業防水布等不同防滲措施土體之間蒸發差異不顯著，但防滲層可以有效截留水分在蒸發過程中較長時間供給土體。試驗表明砒砂巖、防滲層等措施下的新構土體土壤蒸發較小，并較長時間內保證土壤水分供給，在旱區礦區排土場具有一定的實踐推廣意義。

沙黃土；砒砂巖；風化煤；新構土體；土壤蒸發

在鄂爾多斯高原、黃土高原交接的露天煤礦區，高溫干旱、蒸發強烈、水源稀少，加之在干旱半干旱區地表不能完全被植被覆蓋，農田灌溉或自然降雨的絕大部分都通過土壤蒸散損失［1-3］，所以在砒砂巖礦區排土場新構土體的首要目標就是減少土壤的無效蒸發提高水分利用效率，如果土壤蒸發能夠得到有效控制，土體水分利用效率會大幅提升，排土場農業生態恢復才有可能，這也是破解煤田開發導致地表破壞、植被衰退等生態環境受損問題困境的重要途徑［4］。

晉陜蒙礦區作為我國重要的能源基地，由于煤炭的大力開采而形成的大量排土場，給當地帶來了嚴重的生態和安全危機［5-6］。而礦區主要的土壤類型是沙黃土和砒砂巖，兩者均不適合直接作為排土場新構土體，但將兩者混合后，因砒砂巖中含大量保水性礦物蒙脫石，砒砂巖的保水特性和沙土透水性結合，可能產生一種新的土壤特性，相比于沙黃土，土壤蒸發較小，水分利用效率得到提高［7］。本課題組通過室內蒸發模擬試驗進行了分析驗證，綜合考慮土體的持水、供水能力，認為沙黃土、砒砂巖7︰3比例具有良好的改良潛質［8-10］，本文所用土體復配方案均以此為基礎。

土壤蒸發作為土壤-植物-大氣水分交換過程中的重要組成部分，是干旱半干旱地區土壤水分損失的重要途徑［11-13］，其強度大小受多種因素制約，如光照、地溫、近地溫濕度、土壤質地、冠層等，而土壤含水量的多少直接關系到土壤蒸發能否得到水分補給而影響土壤蒸發強度［12］。在減少土壤蒸發方面學者有許多研究成果，如礫石、秸稈、固化劑，均在抑制蒸發提高水分利用效率方面取得了一些效果［14-16］，張磊等［9，17］一些學者的室內試驗證明沙黃土、砒砂巖新構土體蒸發弱于沙黃土蒸發。但現階段學者在研究土壤蒸發過程多側重于土壤的純干燥過程或沒有自然降雨的條件下的蒸發，且多為室內模擬試驗，缺乏室外試驗的支撐［18-20］。降雨等自然條件下土壤的水力學、機械力學等性質會發生改變，因此不能簡單以室內模擬的蒸發來表征自然條件下的蒸發，特別是砒砂巖“干時疏松遇水變泥”的特殊性質［10］，自然條件下復配土壤的性質必然相應發生改變，沙黃土、砒砂巖新構土體能否長期保水保肥依然是一個問題。本試驗是新構土體第二年的蒸發試驗，取原狀土自然條件下蒸發，選擇蒸發強烈的8—9月份監測，能在一定程度上解答這個問題。

1 試驗設計與處理

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古準格爾旗準格爾召鄉典型砒砂巖區，如圖1所示。該地區位于39.69°N，110.27°E，海拔 1 409.90 m，極端高溫 39℃，極端最低氣溫-34.5℃，年平均氣溫為6.2 ～ 8.7℃左右。年平均降水量為400 mm，月際降水不均，主要集中于7、8、9月，年潛在蒸發量約2 000 ～ 3 000 mm，平均日照時數為2 900 ～ 3 100 h，總輻射熱143.4 kw/cm2，常年多風沙天氣，平均風速3.4 m/s，是黃土高原與鄂爾多斯高原交錯的風蝕水蝕交錯地帶，為大陸性干旱半干旱氣候。

圖1 研究區位置示意圖Fig. 1 Location of study area

1.2 試驗設計

試驗于 2014 年 8—10 月進行，針對該地區排土場土層薄、土壤水庫功能弱、質地差、保水保肥性能低、貧瘠肥力低等問題，根據“價格低廉、就地取材、工程易于實現、安全有效、效果持久”的原則，提出了以下土體重構及土壤改良方案：①針對土層薄、漏水漏肥、土壤水庫功能弱的問題，采取 50 cm深度鋪設砒砂巖層和工程防滲布兩種措施，砒砂巖防滲層壓實后厚度達 8 cm 以上，體積質量 1.8 g/cm3以上；②針對沙黃土質地差、保水保肥性能低的問題，一種措施是 0 ～ 50 cm 范圍內將砒砂巖按 7︰3（沙黃土：砒砂巖，w/w）比例與沙黃土混摻，另一種措施是將風化煤與沙黃土混摻，風化煤添加量為 600 kg/hm2；③針對土壤貧瘠的問題，對所有重構土體表層施加農家肥、微生物菌肥和化肥，農家肥為羊糞（450 kg/hm2）、菌肥為金寶貝微生物菌肥（60 kg/hm2）、化肥為磷酸二銨（400 kg/hm2），菌肥、農家肥、化肥均表施后翻耕。

根據以上措施，考慮到野外工作量和工程量，本研究采取不完全試驗設計，設置 6 個處理（表1），3個重復，于 2013 年 7 月修建 18 個規格為 5 m ×4 m、深 50 cm 小區，開展不同土體重構模式土壤生態效應研究。

表1 試驗處理Table1 Experimental treatments

土壤蒸發用稱重法直接測定，微型蒸發器如圖2，蒸發器由厚度8 mm的PVC管材制成，蒸發器內桶直徑16 cm，外桶直徑18 cm，高50 cm，內桶底部用2 mm鋼篩和透氣尼龍布兜底，外桶無底，內桶放在外桶內可以無摩擦提出。測定時內桶取各小區原狀土體，為保證每次操作時不破壞土體結構，將外桶打入小區內，使蒸發器頂部近似與地面平行，大氣蒸發力用蒸發皿測定，氣象數據由試驗地微型氣象站（HOBO，US）獲得。整個測量周期內實行嚴格的控水方案，無灌溉。

圖2 微型蒸發器示意圖Fig. 2 Micro-Lysimeter schematic diagram

1.3 試驗過程及相關計算

本試驗小區位于露天環境下，相對真實地模擬土壤自然狀態下的蒸發情況。試驗所用的6種土體均為裸土蒸發，不存在植物蒸騰作用，可以將土體每天減少的質量作為裸土日蒸發量。選擇8—10月份作為研究周期是因為此段時間溫度高、蒸發強烈，是研究蒸發的最佳時段。在土壤蒸發過程中，氣象條件也規律地發生變化，本試驗用時間變異來代替氣象因子作為影響因子。應用下列公式計算土壤蒸發：

式中：E標為土壤日蒸發（mm/d）；E0為蒸發器初始重量（g）；Es為蒸發器第2 天重量（g）；d為蒸發器內筒半徑（cm）；E相為土壤相對蒸發量（%）；ET0為大氣潛在蒸發。

2 結果與分析

2.1 雨后新構土體典型蒸發過程

為了研究土體自然條件下的蒸發過程，選擇一次較大的降雨（4.8 mm）后開始測定土體蒸發，不同新構土體自然條件下雨后的土壤累積蒸發量隨時間變化的過程如圖3A所示。在自然蒸發條件下，各處理的蒸發過程階段性明顯，為典型蒸發過程，各土體第一階段蒸發速率較大，但第一階段持續時間1 天左右，第 3 天蒸發速率明顯降低并保持在較低水平，其中Z4土體第一天相對蒸發強度達 82%，其余土體第 1天蒸發強度在50% ～ 67%（圖3B）；其次為土體蒸發的第二階段，其中沙黃土Z6第二階段時間大約持續5天，其他處理只持續約2 天，沙黃土Z6穩定蒸發速率明顯大于其他處理，隨著土壤水分的快速損失（第一階段結束）土壤蒸發速率急速下降，土壤孔隙水的逐漸減少，土壤蒸發由液體流蒸發逐漸變化為蒸汽流蒸發，符合一般土體不飽和水分運動規律。改良材料砒砂巖、風化煤可能切斷了毛細管作用，迫使土壤水分向上運輸到空氣始終處于蒸汽流階段，試驗中表現為Z1、Z2、Z3、Z5等處理穩定蒸發速率顯著（20%）小于沙黃土Z6（29%），因此砒砂巖能抑制土壤蒸發特別是在含水量較高的階段，抑制作用更加明顯。

圖3 不同新構土體雨后累積蒸發、相對蒸發量變化Fig. 3 Cumulative evaporations and relative evaporations of soils contrast after rain

土壤相對蒸發（圖3B）可以看出，降雨過后蒸發開始，供水充足蒸發強烈，此過程損失水分主要為大孔隙水，各土體相對蒸發強度超過60%。蒸發前期，風化煤添加的Z4、Z3處理的相對蒸發均大于其他處理，砒砂巖添加的Z1、Z2、Z5相對蒸發強度較小，隨著蒸發過程的持續和土壤含水率不斷降低，土壤中沒有充足的水分用于蒸發，蒸發強度大幅降低，蒸發中后期各處理相對蒸發強度非常低，在 2% 以下，此過程中Z6相對蒸發高于其他土體，而此階段的蒸發強度主要取決于土壤含水量即土壤水分的供給。沙黃土Z6蒸發過程中一直保持較強的土壤蒸發強度，相對蒸發均高于Z1、Z2、Z5土體，與砒砂巖、沙黃土、風化煤改良土體相比，沙黃土Z6累積蒸發近似是一條平滑曲線，說明砒砂巖對土壤水分蒸發特征產生了影響，可能是砒砂巖中較高的黏粒含量（主要是蒙脫石）使土壤孔隙結構發生改變，增大了其毛管孔隙，因此毛管水占土體水分比例增大，與沙黃土相比砒砂巖摻混的新構土體水分不易蒸發，因此砒砂巖添加的Z1、Z2、Z5土體在整個蒸發過程中蒸發強度變化較平緩，蒸發過程中相對蒸發強度均小于 Z6，特別是在水分供應充足的前中期，砒砂巖對蒸發的抑制作用更加明顯。

2.2 新構土體累積蒸發量差異

圖4為試驗期內各處理的累積蒸發量。各處理在連續 52 天測定期間內累積土壤蒸發量大小依次為Z6＞Z4＞Z3＞Z2＞Z1＞Z5，各土體蒸發曲線明顯可分為兩個階段，10 天以前的典型蒸發階段和 10 天以后的非典型蒸發階段。砒砂巖添加的處理的Z1、Z2、Z5在測定時期內累積蒸發量顯著低于Z6處理，砒砂巖抑制土壤蒸發作用明顯，沙黃土累計蒸發量為125 mm，占同期大氣蒸發力的45%，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5土體的蒸發量分別為106、111、124、125、102 mm，分別占同期大氣蒸發力的38%、40%、45%、45%、37%；而風化煤添加的 Z3、Z4與沙黃土 Z6累計蒸發量無顯著差異，但高于Z1、Z2、Z5（P＜0.05）。從總的蒸發量來說，由于第10天開始試驗地降雨較多，52 天內降雨量達188 mm，土體一直處于濕潤狀態，蒸發過程很可能均是處于蒸發前中期，即降雨后蒸發速率穩定上升并保持在較高水平，與時間呈近似為線性關系，屬土壤的非典型蒸發。Z5、Z6曲線的差異反映了砒砂巖對沙黃土土壤蒸發進程的影響，可以看出砒砂巖添加顯著抑制土體蒸發。質地相同防滲層不同的Z1、Z2蒸發特征曲線近乎重合，說明不同防滲層處理的土體蒸發特征沒有顯著差異，但二者累積蒸發量略高于 Z5，沒有達到顯著水平，說明防滲層在一定程度上截留水分，雨后特別是在較大的降雨后土體底部不會出現水分滲漏的情況，有防滲層的土體在蒸發中后期可以持續補給土壤蒸發損失的水分，因而Z1、Z2土體累積蒸發量高于Z5。10 天后降雨豐富，蒸發特征曲線分為兩部分：沙黃土、砒砂巖摻混和無摻混，因土體一直處于含水量較高的階段，砒砂巖摻混土體抑制蒸發的作用更加明顯。圖中 Z4、Z6蒸發-時間關系曲線基本一致，只是在土壤水分含量較大的雨后有些差異，總體來說風化煤對沙黃土整個蒸發過程并無大的影響。但圖中Z3、Z4曲線重疊，而明顯區別于 Z2，說明風化煤對沙黃土、砒砂巖新構土體的蒸發有促進作用，對其蒸發過程產生了影響。沙黃土Z6累積土壤蒸發量比砒砂巖摻混的新構土體Z1、Z2、Z5高出14.81%（P＜0.05），說明砒砂巖能抑制土壤蒸發，使新構土體累積蒸發量降低，提高保水持水能力，有利于新構土體在干旱氣候區抗旱能力的提高。

圖4 不同重構土體累計土壤蒸發量隨時間的變化Fig. 4 Relationships between cumulative soil evaporations and time

圖5 不同重構土體土壤日蒸發量、降雨與時間關系Fig. 5 Relationships between daily soil evaporation， rain and time

2.3 不同土體日蒸發量

圖5為不同重構土體自然降雨條件下土壤日蒸發量的對比圖，可以看出，在蒸發的52 天內有多次顯著的降雨過程，降雨后土壤水分以蒸發為主，在連續的降雨過后土壤蒸發顯著降低，甚至出現土壤水分補給的情況（即土壤蒸發為負值），這可能與雨后的天氣狀況有關。總體來說土壤蒸發隨時間的推移而減少，各重構土體土壤蒸發處于劇烈變化之中。降雨后的1 ～ 2 天內土壤水分隨著蒸發過程的進行，同一質地改良不同防滲層處理下蒸發強度基本一致。由于沙黃土水分分布及運移的整體性很弱，多個降雨周期內沙黃土土壤蒸發劇烈變化，由于沙黃土土壤水分毛管力弱，表現為持續蒸發后不能持續供水，在表層可能出現了干土層，微弱降雨將很快蒸發，較大降雨滲漏損失，導致深層土壤對表土水分供給不足，而到了蒸發后期土壤含水量極低，蒸發較弱。相對于Z6土體，砒砂巖摻混的Z1、Z2、Z5土體在每次雨后蒸發過程中均以一個較小穩定蒸發速率蒸發，蒸發前期即降雨后的1 ～ 2 天內土壤含水量較高，此階段蒸發過程主要受溫度、近地面水分壓、風速等氣象條件的影響，而此過程中 Z6、Z4有著較大的蒸發速率，而 Z1、Z2、Z5蒸發速率較低。在整個蒸發過程中砒砂巖改良處理Z1、Z2、Z5蒸發速率分別為2.04、2.14、1.97 mm/d，裸土Z6處理為2.51 mm/d，Z1、Z2、Z3相對于Z6蒸發強度分別降低了18.72%、14.74%、21.51%；Z3、Z4蒸發速率分別為2.28、2.4 mm/d，顯著高于無風化煤添加的Z1、Z2、Z5處理。總體來看，相對于沙黃土 Z6，砒砂巖摻混使新構土體 Z1、Z2、Z5蒸發速率降低了16% 左右，而風化煤則提高了沙黃土、砒砂巖新構土體的蒸發速率 10.3%（P＜0.05），對沙黃土蒸發特征沒有較大影響。另外，無論是砒砂巖、工業防水布作為防滲層，如Z1、Z2土體，整個蒸發過程差異很小，說明不同防滲層在截留水分、供給土體方面沒有顯著差異。

3 討論

土壤蒸發是土壤-大氣水分交換的重要形式，受到大氣狀況、近地面小氣候、土壤狀況等多種因素的影響［21-22］，室內試驗研究發現，砒砂巖可以提高沙黃土的持水能力，降低沙黃土的標準蒸發量，一些研究還發現砒砂巖能改善沙土土壤孔隙結構、降低入滲速率、提高土壤飽和含水量進而抑制土壤水熱交換、減小土壤蒸發［23-24］。本試驗中自然條件下砒砂巖添加改變了土體的蒸發過程，減少了土體蒸發水分損失，表現為砒砂巖摻混的土體累積蒸發、相對蒸發均小于沙黃土。砒砂巖抑制土壤蒸發一方面是因為砒砂巖含有大量蒙脫石，蒙脫石是一種具有大比表面的層狀結構黏土礦物，添加后土壤水合位點豐富、毛管水增多，相對于沙黃土的大孔隙水有著較小的蒸發速率［9］；此外砒砂巖質地偏黏，細顆粒較多，與沙黃土摻混后黏粒礦物可能堵塞土壤孔隙（大孔隙、通氣孔隙），增大水汽擴散阻力進而減小蒸發、保蓄水分［25-26］。研究中砒砂巖添加的新構土體相對于沙黃土土壤蒸發顯著減小，特別是在土壤含水量較高的階段，表現為第 3 天后砒砂巖摻混的 Z1、Z2、Z5土體土壤日蒸發量顯著小于沙黃土 Z6，在蒸發初期土壤水分在毛管力作用下充足補給土壤蒸發，除Z4外其余土體差異不大。一般來說沙黃土質地偏砂，體積質量較小（1.2 g/cm3左右），土體主要以非毛管孔隙為主，土壤蒸發較強，表現為Z4、Z6土體在蒸發前期蒸發速率顯著高于新構土體，而隨著蒸發的進行，土壤水分逐漸減少，下層土體由于無法通過毛管孔隙補給蒸發損失導致后期蒸發強度急劇減弱，這與尹瑞平等［27］、周學雅等［28］的研究結果一致。

關于風化煤添加對土體蒸發過程的影響，現階段學者研究較少，本試驗中風化煤對土體蒸發有促進作用，原因一方面可能是黑色風化煤的物理增溫效應，室外監測發現風化煤添加的土體地表溫度平均比對照高1 ～ 2℃，因此溫度較高致蒸發強烈，另一方面風化煤由于其大比表面、官能團豐富等特點使土體疏松多孔［29-30］，促進土壤水熱交換而導致風化煤添加的土體蒸發較大。而Z1、Z2與Z5土體相比，在蒸發后期防滲層處理的Z1、Z2比Z5有著較高的蒸發損失，防滲層土體防滲層和砒砂巖有交互作用，在蒸發中后期保證土壤水分供給。綜合來說，防滲層能截留降水并蓄積，而砒砂巖會減小土體蒸發、提高土壤含水量，所以新構土體相對于沙黃土具有較好的蓄水保墑能力。

目前通過質量差表征土體真實蒸發量還有缺陷［31］，土壤實際蒸發包括充分濕潤和非充分濕潤兩種情況下的蒸發，即較多的降雨會對蒸發器測量蒸發量產生影響，一般認為不同土體土壤蒸發差異主要體現在土壤水分含量較高的階段［32］，Matthias 等［33］、Ailen［34］認為土壤在水潤狀態下測得的土壤蒸發量偏高，本研究位于潛在蒸發極大的西北干旱半干旱地區，熱量是土壤蒸發的主控因子，蒸發器土柱在蒸發過程中會出現熱量集聚而水熱平衡有別于原狀土體，可能導致蒸發與實際不符，此外風化煤、砒砂巖在影響土壤蒸發方面存在一定的交互作用，這些問題有待進一步研究。

綜合來說，重構土體相對于沙黃土能顯著抑制土壤蒸發，特別是在土壤含水率較高的階段。在干旱半干旱的礦區排土場地區，由于氣候干燥、土層薄，地表蒸發強烈，土壤含水率下降很快，難以維持土壤生態系統。砒砂巖和防滲層的處理的新構土體土壤蒸發較小、土壤水分供給穩定，可以長期涵養土壤“水庫”，這在礦區排土場具有很好的應用推廣前景。

4 結論

1） 7︰3摻混沙黃土、砒砂巖相對于沙黃土裸土來說對土壤蒸發顯著減小，砒砂巖使土壤蒸發降低了14.81%，特別是在含水量較高的階段抑制作用更加明顯。風化煤使新構土體土壤蒸發增大了10.3%，而對沙黃土裸土蒸發過程沒有顯著影響。

2） 在新構土體蒸發過程中，防滲層處理可以有效截留底部滲漏水分并持續供給土體，而不同防滲層處理土體之間土壤蒸發沒有顯著差異。

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Characteristics of Evaporation of Different Reconstruction Soils in Mining Area's Earth Disposal Sites of Shanxi-Shaanxi-Inner Monglia Adjacent Area

REN Zhisheng1， XIE Qian1， WANG Tongtong1， WANG Xiaolin1， GUO Yanliang1，ZHENG Jiyong1，2*， ZHANG Xingchang1，2
（1 College of Resources and Environment， Northwest A & F University， Yangling， Shaanxi 712100， China； 2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau， Northwest A & F University / Insitute of Soil and Water Conservation， CAS & Ministry of Water Resources， Yangling， Shaanxi 712100， China）

In order to study the evaporation of soil under different soil reconstruction conditions， the evaporation process of soil moisture was determined by micro-evaporator under natural conditions. The results showed that， compared to sandy loess， the sandy loess and soft sandstone （7︰3， w/w） doped with bulk soil significantly inhibited soil evaporation （P＜0.05） by 14.81%， and weathered coal mixed with bulk soil had no significant effect on evaporation characteristics of the sandy loess， but significantly increased soil water evaporation of the bulk soil that mixed with sandy loess and soft sandstone by 10.3% （P＜0.05）. Soil evaporation were not significant among soft sandstone impervious layer， industrial waterproof and other anti-seepage measures. Overall， impervious layer can effectively intercept precipitation and accumulation of soil moisture， and soft sandstone reduce soil evaporation， also increase soil water content. In addition the new structure of bulk soil with respect to the sandy loess has better moisture storage capacity， which has a certain practical significance in mining area's earth disposal sites under arid and semi-arid climate conditions.

Sandy loess； Soft sandstone； Weathered coal； Soil structure； Soil water evaporation

S152.7

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.029

中國科學院西部行動計劃項目（ KZCX2-XB3-13）和科技部科技惠民計劃項目（2012GS610203）資助。

（zhjy@ms.iswc.ac.cn）

任志勝（1989—），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事露天煤礦區修復方面的研究。E-mail： renzhishang@foxmail.com