煤矸石充填重構(gòu)土壤水分再分布與剖面氣熱變化試驗(yàn)研究.docx

1、第31卷第4期水土保持學(xué)報(bào)Vol.31N。.42017年8月JournalofSoilandWaterConservationAug.,2017一'.-.一一.一煤砰石充填重構(gòu)土壤水分再分布與剖面氣熱變化試驗(yàn)研究王順】，陳敏I,陳孝楊械，陳清華3,劉本樂。胡智勇】(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南23200J；2.安徽省煤炭勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州234000,3.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001)摘要：為研究煤礦區(qū)用砰石作為墊底基質(zhì)進(jìn)行土壤剖面重構(gòu)土壤水分再分布過程和削面熱擴(kuò)散與氣體濃度變化特征，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和重構(gòu)土壤熟化技術(shù)應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種煤礦

2、區(qū)重構(gòu)土壤水氣熱運(yùn)移模擬裝置，通過布設(shè)在土柱系統(tǒng)不同深度的溫濕度傳感器和CO2濃度檢測(cè)儀,連續(xù)監(jiān)測(cè)重構(gòu)土壤剖面含水晝、溫度和CO?濃度。結(jié)果表明：煤砰石層具有良好的阻水性，阻礙水分的入滲，增加上層土壤的持水能力。但是，煤砰石的持水性差.煤砰石層的含水量低于土壤層10%左右；煤砰石具有更佳的熱擴(kuò)散性，在加熱過程中煤葉石層的溫度遠(yuǎn)大于土壤層，在重構(gòu)土壤中容易形成穩(wěn)定的溫度梯度，尤其在煤砰石層與土壤層之間存在明顯的溫度差.土壤層的溫度受底部加熱的影響較小，短期內(nèi)主要受室溫影響，其變化曲線與室溫日變化曲線基本一致，最大波動(dòng)幅度在2.89C；底部通CO2對(duì)土壤層C()2濃度的影響非常小，氣體在煤砰石層向

3、土壤層擴(kuò)散時(shí)容易受到土壤層的阻隔，導(dǎo)致氣體在土壤層下界面累積；煤砰石層會(huì)對(duì)鄰近土壤層產(chǎn)生較大影響，影響微生物的生存環(huán)境，導(dǎo)致微生物的活性下降。當(dāng)覆土厚度為60cm時(shí)，煤砰石層對(duì)土壤層的影響較小，隨著覆土厚度的增加，煤砰石的影響會(huì)逐漸削弱。關(guān)鍵詞：重構(gòu)土壤；煤研石；溫度梯度；CO2擴(kuò)散；土壤水分入滲中圖分類號(hào)：S152；TD88文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2242(2017)04-0093-06DO1-10.13870/ki.stbcxb.2017.04.016WaterRedistributionandGas-HeatDiffusionofReconstructionSoilFilled

4、withGangueWANGShun1,CHENMin1,CHENXiaoyang1-2,CHENQinghua3,LIUBenle1,HUZhiyong1(1.SchoolofEarthandEnvironmentAnhuiUniversityofScienceandTechnology»Huainan,Anhui232001；2.EngineeringandTechnologyResearchCenteronCoalExplorationofAnhui»Suzhou»Anhui234000；3.CollegeofMechanicalEngineering,An

5、huiUniversityofScienceandTechnologyTHuainantAnhui232001)Abstract:Inordertocharacterizewaterredistributionandgas-heatdiffusionofreconstructionsoilfilledwithgangueincoalminingareas,guideengineeringdesignandrebuildsoilripeningtechnology*asimulatorwasdesignedinlaboratory.Soilwatercontent,temperatureands

6、oilC()2concentrationcouldbeconstantlymeasuredbylaidsensorsanddetectorsindifferentdepthofsoilcolumn.Theresultsshowedthatsoilwaterinfiltrationprocesswassloweddownandthewater-holdingcapacityoftheuppersoilwasincreasedbecauseofgoodwaterresistancefromcoalganguelayer.However,thewatercontentofcoalganguelaye

7、rwassignificantlylower,approximately10%,thanthatoftopsoilduetothepoorwater-holdingcapacityofgangue.Coalganguehadhigherthermaldiffusivity,highertemperaturethanthatoftopsoilwithheating,couldformsustainabletemperaturegradientandtemperaturedifferencewithtopsoillayerinreconstructionsoil.Theeffectsofheate

8、dfrombelowontopsoilwassmall,whichitwasmainlyinfluencedfromindoortemperatureintheshortrun.Inaddition*thetemperaturechangingcurveoftopsoilissimilarwiththetemperatureoflaboratoryanditsbiggestfluctuationrangewasfor2.89*C.TheeffectsofaeratingCO2fromcolumnbottomonCO2concentrationoftopsoilsoilwasalsoverysm

9、all,becausegastransportfromcoalganguelayerstosoiloneswouldeasilybecutoffassotogasaccumulatedinthesoillayerbelow.Thecoalganguecouldhaveanegativeimpactonmicrobiallivingenvironmenttoadjacenttopsoillayersanddeclinedmicroorganismactivities.Theeffectsofcoalgangueontopsoillayerwerebroughtdownwhenthecoverso

10、il收稿日期,2017-03-20資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572333,51274013.41402309)第一作者：王順(1976-.男.山東濰坊人.博士研究生，主要從事礦山生態(tài)環(huán)境修夏研究.Email：6627528通偕作者：陳孝楊(1976).男，安徽肥西人.教授,博士.主要從事礦山環(huán)境修復(fù)與土地復(fù)鼠研究.E-mail：chenxythicknesswas60cm.Theinfluencesgraduallywouldbeweakenedwiththethicknessincreased.Keywords：reconstructionsoil；coalgangue；tempe

11、raturegradientjgasdiffusion；soilinfiltration煤砰石的理化性質(zhì)與土壤存在較大差異，特殊下墊面基質(zhì)的存在會(huì)造成自表層土壤至地下潛水位間復(fù)雜的氣體、水分與溫度梯度。土壤水、氣、熱因子是影響植物生長的重要因素。土壤溫度會(huì)影響植物生長發(fā)育、土壤水分運(yùn)移幻、土壤微生物的活性以及土壤呼吸。土壤水分也會(huì)影響農(nóng)作物的生長，特別在干早季節(jié)采取適當(dāng)?shù)谋Ｋ胧┗蚬喔却胧?，將?huì)增加作物的生物量，并且土壤水分對(duì)土壤溫度的變化起著重要作用。土壤導(dǎo)氣率是土壤水力特性研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的重要參數(shù)，直接影響土壤氣體交換能力，進(jìn)而影響土壤水分和養(yǎng)分的有效性。因此，對(duì)土壤水、氣、熱因子的

12、研究是目前熱點(diǎn)問題，但是煤礦區(qū)重構(gòu)土壤水氣熱耦合運(yùn)移及其參數(shù)確定方面的研究還少見于文獻(xiàn)報(bào)道。宋楊容等、Wang等MF研究發(fā)現(xiàn)采用煤砰石作為土柱底層充填基質(zhì)時(shí)，重構(gòu)土壤整體含水率均比自然土壤含水率低，并且由于煤砰石吸水持水能力極弱，無法實(shí)現(xiàn)地下水對(duì)表層土壤的有效補(bǔ)給；陳孝物等發(fā)現(xiàn)在煤砰石充填重構(gòu)土壤中，當(dāng)覆土厚度較薄時(shí)，表層土壤溫度的晝夜變化幅度相對(duì)較大；鄭永紅等在對(duì)潘一礦煤砰石充填重構(gòu)土壤呼吸的研究中發(fā)現(xiàn)土壤的Q】o值低于暖溫帶Qu,平均值，低于中國土壤呼吸Qi。平均值和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的平均值。目前，專家學(xué)者們雖然通過煤肝石充填重構(gòu)土壤的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，煤砰石基質(zhì)會(huì)對(duì)上覆土壤的水分、溫度和土壤

13、呼吸產(chǎn)生影響，但是對(duì)其影響的機(jī)理不清楚。因此.本文設(shè)計(jì)了一種煤礦區(qū)重構(gòu)土壤水氣熱運(yùn)移模擬裝置，通過對(duì)煤砰石充填重構(gòu)土壤剖面含水雖、溫度和CO?濃度監(jiān)測(cè)，研究土壤水分人滲與剖面氣熱梯度變化特征,為類似工程設(shè)計(jì)和表層土壤熟化技術(shù)應(yīng)用提供理論支撐。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)用煤砰石樣品采自安徽省淮南市潘集礦區(qū)某煤礦砰石山，潘集礦區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.316.0C,年平均降雨量937mm,是典型的煤炭開采區(qū)。該砰石山煤砰石主要成分與淮南礦區(qū)煤砰石相同，主要由泥巖、頁巖、粉砂巖、礫巖和石灰?guī)r等組成，能夠代表整個(gè)礦區(qū)的元素組成，現(xiàn)已停止對(duì)新砰石的輸入，呈“錐形"，表層有風(fēng)化跡象

14、。采樣時(shí)，分別從煤砰石山的山底、山腰和山頂處采集等質(zhì)量風(fēng)化樣品充分混合后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。先將粒徑大于5cm的煤砰石挑選出來，再分別用孔徑為2mm和10mm的分子篩將煤砰石進(jìn)行篩分。測(cè)得煤砰石樣品的機(jī)械組成為：>50mm粒徑的煤6干石質(zhì)量占2.04%,1050mm的占15.12%,210mm的占47.49%,<2mm的占35.34%,飽和含水量為16.40%。供試土壤來自淮南市大通濕地公園。取樣時(shí)，先去掉表層5cm土壤.用環(huán)刀和鋁盒分別取樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其容重與含水量;然后采集深度5-20cm土壤帶回實(shí)驗(yàn)室用于土柱填充。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用烘干法測(cè)定土壤樣品的初始容重和含水量。從帶回的土

15、壤樣品中隨機(jī)取樣3次，風(fēng)干后過2mm篩，用Rise2006激光粒度分析儀測(cè)定土壤顆粒組成.并依據(jù)國際分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤質(zhì)地進(jìn)行命名。試驗(yàn)土壤樣品為粉壤土.其黏粒、粉粒和砂粒的占比分別為7.31%,76.85%,15.84%。土壤初始容重為1.89g/cm初始含水鼠為20.50%飽和含水最為33.06%。1.2研究方法1.2.1飽和導(dǎo)水率使用定水頭法測(cè)定飽和導(dǎo)水率。將試驗(yàn)樣品按初試容重:填充進(jìn)滲透系數(shù)測(cè)定儀，將滲透系數(shù)測(cè)定儀放置水中浸泡24h后拿出，用馬氏瓶為試臆供水，使水頭保持在5cm。供水開始后從漏斗滴下第一滴水時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔2min測(cè)雖漏斗下燒杯里的出滲水量Q,同時(shí)保持水層的高度不變，則飽和

16、導(dǎo)水率計(jì)算公式如下：V=(10QQ/(T”S)(1)K=VL/(/i+L)(2)式中：V為滲透速度(mm/min)；T為每次滲透間隔時(shí)間(min)；Q為間隔時(shí)間內(nèi)滲透水量(mm)；S為滲透面的橫斷面積(cm2)；K為飽和導(dǎo)水率(cm/min)；L為土層厚度(cm)；A為水層高度(cm)。1.2.2試驗(yàn)裝置為研究重構(gòu)土壤水分和氣熱運(yùn)移規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種煤礦區(qū)重構(gòu)土壤水氣熱運(yùn)移模擬裝置(RS-I型)。該裝置由土柱、支撐架、進(jìn)氣裝置祖成,內(nèi)置加熱板、溫度傳感器以及濕度傳感器.數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)讀取并實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。土柱長60cm,寬60cm,高120cm,柱體兩側(cè)留有孔位，用于連接傳感器以及C

17、O2檢測(cè)儀。1.2.3土柱填充在土柱內(nèi)周圍放置2cm厚的隔熱棉.減少外界Y溫對(duì)重構(gòu)土壤剖面溫度的影響。將煤砰石均勻填充在底部并壓實(shí)，然后按初始容重將土樣分層均勻的填入土柱內(nèi)。裝置底部用密封膠泥密封保證裝置的密封性，減少空氣對(duì)試驗(yàn)的影響。土柱底部為煤砰石樣品，上層為試驗(yàn)土壤，即060cm為土壤層，60100cm為煤砰石基質(zhì)(圖Do每20cm設(shè)有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，埋有溫度傳感器和濕度傳感器，其位置見圖1所示（H1、H2、H3、H4和H5）。H3H4監(jiān)測(cè)點(diǎn)土集層煤肝石層圖1RS-I型重構(gòu)土填傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)裝置的土柱剖面示意1.2.4試驗(yàn)方法2016年11月到翌年1月在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行。第

18、一階段,在填充好的土柱上方進(jìn)行灌溉，灌溉量為60mm。同時(shí)，通過濕度傳感器測(cè)定剖面含水量在520h內(nèi)的變化情況;第二階段，當(dāng)土柱內(nèi)土壤剖面水分再分布過程結(jié)束后,通過溫度傳感器記錄室內(nèi)土壤剖面溫度日變化情況。然后通過土柱底部的加熱板對(duì)土柱進(jìn)行加熱，設(shè)置溫度分別為30,40,50當(dāng)土柱剖面溫度趨于穩(wěn)定后停止加熱.通過溫度傳感器i己錄重構(gòu)土壤剖面溫度的熱傳遞過程；第三階段，停止加熱后，當(dāng)重構(gòu)土壤剖面溫度梯度趨于穩(wěn)定，使用泵吸式CO?檢測(cè)儀每隔2h測(cè)定一次不同斷面的土壤0（）2濃度，探究CO2濃度日變化情況。測(cè)定完CO?濃度日變化后，通過CO?瓶以3L/h的速率分別通氣0.5,1,1.5h,來改變底部

19、初始CO?濃度.以研究重構(gòu)土壤中的氣體擴(kuò)散規(guī)律。1.3數(shù)據(jù)處理采用Excel2010和OriginPro2016軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)及作圖，并用SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。2結(jié)果與分析2.1重構(gòu)土壤水分入滲過程試驗(yàn)前，測(cè)得煤砰石層的飽和導(dǎo)水率為0.68cm/s,上覆土壤的飽和導(dǎo)水率為0.0057cm/s。由于沒有連續(xù)灌溉，未能測(cè)得重構(gòu)土壤的穩(wěn)定入滲率。但由Al-Maktoumi等皿研究可知，無論粗顆粒覆蓋細(xì)顆粒，還是細(xì)顆粒覆蓋粗顆粒，層狀土壤的穩(wěn)定入滲率均變小。因此，重構(gòu)土壤的穩(wěn)定入滲率將小于0.0057cm/s,但試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的初始入滲率卻很大，達(dá)1.17cm/so當(dāng)濕潤鋒到

20、達(dá)H2層前，隨著土壤水分的入滲，2040cm處土壤含水量不斷增加，H1層含水量最高為33.72%,基本達(dá)到飽和（圖2）。因沒有水分繼續(xù)補(bǔ)給，且表層土壤存在水分的自然蒸發(fā)，在15h時(shí)觀測(cè).H2層以上的含水窟:開始減少。在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，H2層以下的土壤水分沒有明顯變化。這可能是由于表層土壤水分蒸發(fā)導(dǎo)致表層土壤含水量降低，使得其基質(zhì)勢(shì)與H2層相比相對(duì)偏低，土壤水分開始向上遷移，H2層含水量開始降低。在水分入滲和再分布過程中，砰石層的含水量明顯低于土壤層，達(dá)10%左右。體積含水量/%日。、翅送M-H9M2.2重構(gòu)土壤剖面溫度日變化由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沒有恒溫裝置，室溫易受到室外太陽輻射的影響。上午太陽輻射

21、較強(qiáng)，室溫開始上升,下午太陽輻射削弱，室溫也隨之下降。重構(gòu)土壤溫度隨室溫的變化而變化，呈“單峰”曲線，土壤溫度先上升后下降（圖3）。表層土壤日最高溫度出現(xiàn)在14：30左右，日變幅為2.20C；20100cm深度的土壤溫度最高值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)與此基本一致，在15：00左右，日變化相對(duì)平緩。室內(nèi)重構(gòu)土壤溫度變化主要受室溫的影響，并隨著土壤深度的增加，土壤溫度受室溫的影響逐漸減小，溫度變幅逐漸平緩*。20-100cm深度的土壤最低溫度與表層土壤溫度相比，表現(xiàn)出了明顯的滯后性，H1和H5層滯后了2h,H2、H3和H4層滯后了3h。這主要是因?yàn)橥寥赖臒崛葺^大以及熱量由表層向深層傳遞需要時(shí)間，導(dǎo)致土壤溫度最

22、高值和最低值出現(xiàn)滯后現(xiàn)象口幻，但是最高溫度沒有表現(xiàn)出明顯的滯后性，這可能是由于冬季室溫偏低，且表層土壤最高溫度低于下層土壤溫度，導(dǎo)致其對(duì)深層土壤升溫過程的影響較小。000一00言008000二000耳099一000。00一00X0000一00言008000二000耳099一000。00一00X03重構(gòu)土堵不同深度土壤溫度日變化2.3加熱對(duì)重構(gòu)土壤剖面溫度變化的影響對(duì)煤肝石底部加熱時(shí)（30,40,50C）,H4層和H5層溫度迅速上升，越靠近加熱板溫度變化幅度越大，且隨著時(shí)間推移其升溫趨勢(shì)逐漸平緩。當(dāng)停止加熱時(shí)，H4和H5層溫度迅速下降,隨著時(shí)間推移其降溫趨勢(shì)逐漸平緩。表土、H1和H2層溫度在14

23、h內(nèi)并沒有受底部加熱影響，其變化曲線與室溫日變化一致,最大波動(dòng)幅度在2.89C,說明0-40cm土壤層溫度短時(shí)間內(nèi)主要受室溫影響(圖4)。而H3層溫度先受室溫的影響，隨室溫的變化而變化，后受到底部砰石層溫度的影響，有小幅度的升高。H3層受底部加熱的影響,表現(xiàn)出了一定的滯后性，其溫度變化幅度明顯小于H4和H5層,這主要是由煤肝石本身熱性質(zhì)以及含水量所引起。煤砰石導(dǎo)熱性強(qiáng)，熱容小，且煤砰石層含水量明顯低于土壤層，水的熱容大，所以煤砰石層的熱擴(kuò)散性明顯高于土壤層。因此，在煤砰石充填重構(gòu)土壤中，煤砰石層與土壤層極易形成溫度梯度。in0cm20cm40cm20P、劃購25-。0言006-00K00M00

24、二000NZ刻0W時(shí)0®9I00SI0001A60cm80cmo100cm05050504332211P、弱癖00忘5050505044332211p、«建0W0008000二0006-00N0008000二000N§§§Sg,卜OE96。IB圖4不同加熱溫度過程恒構(gòu)土填溫度隨時(shí)間的變化2.4重構(gòu)土填剖面CO?濃度日變化特征重構(gòu)土壤不同深度CO2濃度變化規(guī)律基本一致，都呈先升高后降低的趨勢(shì)(圖5)。在10：0013：00點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，下午14：0022：00呈下降趨勢(shì),CO2濃度最高值出現(xiàn)在下午1：00-2：00之間，變化規(guī)律與土壤溫度日變化曲

25、線相似。H1和H2層CO?濃度明顯高于H3.H4和H5層CO?濃度，并且其波動(dòng)幅度也明顯大于H3.H4和H5層。H1和H2層CO2濃度日變幅分別為0.098%和0.079%,H3、H4和H5層CO?濃度變化范圍在0.022%0.044%之間。這是因?yàn)槊焊问瘜拥挠袡C(jī)質(zhì)含量偏低且其環(huán)境不利于微生物的生長微生物含量較低，因此其CO,濃度波動(dòng)較小。一般非擾動(dòng)土壤CO?濃度會(huì)隨著土壤深度的增加而增大，因?yàn)殡S著深度的增加土壤氣休交換會(huì)受到阻礙；擾動(dòng)的重構(gòu)土壤由于土壤結(jié)構(gòu)重建，有效孔隙增大，促進(jìn)土壤與大氣之間的氣體交換.從而不同深度土壤之間CO2濃度變化幅度基本不會(huì)有明顯的差異。但是重構(gòu)土壤中H3層的CQ濃

26、度明顯低于H1和H2層，這說明煤砰石層會(huì)對(duì)鄰近土壤層產(chǎn)生影響.不利于微生物生物量碳的累積m】，將抑制土壤層微生物的活性。0.700.65-0.60-¥0.55-私0.50-槌0.45-O0.40-°0.35-0.300.25-09:0011:0013:0015:0017:0019:0021:0023:00時(shí)刻圖5重構(gòu)土壤不同深度土娘CO,濃度日變化由于表層土壤(0-20cm)結(jié)構(gòu)疏松，孔隙相對(duì)較多，有利于表層土壤與空氣CO?的交換。而隨著深度的增加，下層土壤受到上層土壤的壓實(shí)作用，容重相對(duì)較高，孔隙相對(duì)較少，不利于土壤7體的交換。因此，土壤微生物呼吸產(chǎn)生的CO2會(huì)在H2層逐

27、漸累積，而H1層會(huì)與空氣進(jìn)行氣體交換，導(dǎo)致在10：0()16：00,H2層C()2濃度要高于H1層。然后隨著土壤溫度的降低，土壤微生物活性降低，H2層CO,濃度開始降低，而H1層會(huì)與空氣進(jìn)行氣體交換，其CO?逐漸高于H2層。而在砰石層中，隨著深度的增加，CO?濃度逐漸降低。土壤中CO?濃度主要受微生物活性的影響，而微生物的活性又會(huì)受到土壤水分影響。土壤水分不僅會(huì)影響微生物的活動(dòng)，而且會(huì)占據(jù)土壤透氣孔隙，使得土壤中的C()2濃度升高，而H5層含水量遠(yuǎn)低于H4層.從而H5層的CO?濃度會(huì)低于H4層。2.5煤肝石充填重構(gòu)土壤氣體擴(kuò)散特征不同通氣時(shí)長下，H3、H4和H5層CO,濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一

28、致,H5層CO,濃度呈快速下降趨勢(shì)，H4層(：02濃度先上升后下降，H3層CO,濃度呈緩慢上升趨勢(shì)，而通氣對(duì)H1和H2層CO2濃度的影響不明顯(圖6)o2.42.01.81.61.41.21.00.80.6%云堤80.4汶、狙安OW09:0011:0013:0015:0017:0019:0021:0023:00時(shí)刻圖6不同初始CQ濃度下重構(gòu)土壤剖面CO,濃度隨時(shí)間的變化在通氣0.5h和1h時(shí)，H1和H2層的CO2濃度在短期內(nèi)(12h)不受底部通氣的影響，其變化趨勢(shì)與不通氣時(shí)C()2日變化基本一致；當(dāng)通氣1.5h時(shí),H2層的C()2濃度有輕微上升。不同深度C()2濃度存在濃度差時(shí)，氣體會(huì)由高濃度

29、向低濃度擴(kuò)散.其擴(kuò)散速率會(huì)受濃度差影響。當(dāng)通氣剛完成時(shí)，底部氣體濃度較大，H5層與H4層之間存在較大濃度差，所以H5層的CO?會(huì)快速向H4層擴(kuò)散，H4層CO?濃度有明顯上升趨勢(shì)。當(dāng)H4層CO?濃度達(dá)到峰值時(shí),H5層與H4層間的氣體濃度差較小，此時(shí)H5層CO2濃度向H4層的氣體擴(kuò)散速率比H4層向上層的擴(kuò)散速率小，H4層的CO2濃度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而H3層的CO?濃度卻沒有呈明顯上升趨勢(shì)。這是因?yàn)橥寥乐械臍怏w擴(kuò)散不僅受氣體濃度差的影響，也與通氣孔隙含量、孔隙彎曲度、孔隙連通性m和含水量有關(guān)而煤砰石粒徑大，存在較多的大孔隙，與土壤相比，煤砰石具有更好的導(dǎo)氣性，并且煤砰石層的含水量遠(yuǎn)小于土壤層，當(dāng)水分占

30、據(jù)土壤孔隙時(shí)，氣體的擴(kuò)散會(huì)受到阻礙。因此，氣體容易在煤砰石層中擴(kuò)散，當(dāng)氣體擴(kuò)散至土壤層下界面時(shí)，擴(kuò)散受到限制co2并在土壤層下界面累積。3討論3.1重構(gòu)土壤水分運(yùn)移及氣熱擴(kuò)散特征在煤砰石充填重構(gòu)土壤中，肝石層的含水量遠(yuǎn)低于土壤層，這一方面是因?yàn)槊号槭念w粒密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤；另一方面，秦倩等通過對(duì)煤肝石水分特征曲線的研究發(fā)現(xiàn)，煤砰石的持水性差，在低吸力段時(shí)大部分水分就會(huì)被排空，繼續(xù)隨著吸力的增加，含水量不再明顯發(fā)生變化；在同一吸力下，煤肝石的含水量會(huì)明顯低于正常土壤。所以，當(dāng)土壤層與煤砰石層的水勢(shì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，兩者的含水最會(huì)存在差異。在非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)過程中，基質(zhì)勢(shì)是主要驅(qū)動(dòng)力。土壤水總是從基

31、質(zhì)勢(shì)大向基質(zhì)勢(shì)小的方向運(yùn)動(dòng)，然后達(dá)到能量平衡。由于煤砰石在低含水量時(shí)就能達(dá)到較大基質(zhì)勢(shì)，這就會(huì)導(dǎo)致土壤層水分不易向煤砰石層運(yùn)動(dòng)，水分就會(huì)在土壤層中累積，同時(shí)入滲過程也會(huì)受阻。因此在灌溉和降雨的情況下，砰石層的存在有利于土壤水分的保持，阻礙水分的下滲流失，但是煤砰石層的含水量低，當(dāng)表層土壤含水量因水分蒸發(fā)降低時(shí)，煤砰石層卻不能及時(shí)對(duì)土壤層進(jìn)行水分的補(bǔ)給。所以在煤砰石重構(gòu)土壤中，在灌溉或降雨后的短期時(shí)間內(nèi)土壤層的含水量會(huì)明顯增加，但是隨著表層土壤水分的蒸發(fā)，土壤層的含水量反而偏低。同時(shí)砰石層的水分豎直上移遷移也會(huì)受到煤砰石性質(zhì)的顯著影響當(dāng)有地下水對(duì)煤砰石層水分補(bǔ)給時(shí)，由于煤砰石顆粒組分較大，毛細(xì)管

32、作用小，會(huì)限制水分向上運(yùn)動(dòng)。因此，在煤肝石充填復(fù)墾地，特別是覆土厚度較薄的區(qū)域，應(yīng)通過少量多次灌溉來保障重構(gòu)土壤的水分。當(dāng)氣體擴(kuò)散至土壤層下界面時(shí)，由于砰石層大孔隙特征明顯，氣體擴(kuò)散會(huì)受到土壤層阻礙,導(dǎo)致氣體在土壤層下界面緩慢累積，形成氣體濃度梯度，影響土壤層的氣體交換。有的煤砰石含硫量高，且主要以黃鐵礦形式賦存，煤砰石層的大孔隙結(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(huì)釋放熱量并生成硫酸、硫酸亞鐵和硫酸鐵w】。土壤微生物活性易受土壤溫度的影響，隨著溫度的升高，土壤微生物活動(dòng)會(huì)加強(qiáng)，增強(qiáng)自身的呼吸作用以及對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解,使得土壤CQ濃度升高。并且煤肝石與土壤相比具有更好的熱擴(kuò)

33、散性，導(dǎo)致重構(gòu)土壤內(nèi)形成溫度梯度。當(dāng)溫度梯度存在時(shí)，土壤內(nèi)部會(huì)形成能量梯度，改變土壤內(nèi)部水分、水汽和氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。煤砰石層在高溫的環(huán)境下，土壤水分容易蒸發(fā)形成水汽，和氣體一同向上擴(kuò)散。當(dāng)水汽遇到溫度較低的土壤層時(shí)，水汽容易凝結(jié),所以在煤砰石層中,底部的含水量會(huì)相對(duì)較低。當(dāng)黃鐵礦氧化釋放的熱量在煤砰石層中累積達(dá)到煤砰石中可燃物的燃燒臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)引發(fā)自然，釋放多種酸性氣體，致使煤砰石層局部酸化。在溫度梯度的影響下，一旦酸性氣體向上擴(kuò)散并與煤肝石層的水分結(jié)合，將降低煤砰石層的pH值，進(jìn)而影響土壤層，特別是煤砰石與土壤的界面層環(huán)境。3.2土壤剖面重構(gòu)時(shí)覆土厚度的選擇土壤空氣中CQ濃度主要決定于植物根系

34、呼吸、土壤微生物活性、土壤溫度和含水量等：農(nóng)。在沒有植物根系呼吸和其他條件影響下，H3層土壤微生物的活性明顯比H1和H2層弱。煤砰石會(huì)改變相鄰?fù)寥缹拥沫h(huán)境，影響土壤微生物的活性。但研究結(jié)果顯示,煤砰石層對(duì)H1和H2層微生物活性的影響較小，說明煤砰石層僅容易對(duì)煤砰石界面以上20cm深度內(nèi)的土壤層產(chǎn)生影響。H1層土壤的含水量在灌溉后1020h內(nèi).受表土水分蒸發(fā)的影響，其波動(dòng)較大，含水量明顯降低。H2層的土壤含水量沒有明顯變化，而20-40cm土壤層的含水量隨著H1層含水量的降低對(duì)H1層進(jìn)行水分的補(bǔ)給而降低。利用煤砰石進(jìn)行充填復(fù)昱時(shí)，若覆土厚度為40cm,當(dāng)20-40cm土壤層對(duì)表土進(jìn)行水分補(bǔ)給，其

35、含水量開始降低時(shí)，由于煤砰石層含水量和基質(zhì)勢(shì)較低,無法對(duì)20-40cm土壤層進(jìn)行水分后續(xù)補(bǔ)給，將導(dǎo)致整個(gè)土壤層的含水量會(huì)偏低，不利于植被生長。綜合考慮煤砰石對(duì)土壤層的多種影響.當(dāng)覆土厚度為60cm時(shí)，煤砰石對(duì)土壤層的影響較小，并隨著覆土厚度的增加.煤砰石的影響會(huì)逐漸削弱。陳孝楊等速通過對(duì)覆土厚度不同的4類試驗(yàn)小區(qū)的土壤晝夜呼吸變化研究也發(fā)現(xiàn)*60-100cm是最有利于土壤生物活動(dòng)的覆土厚度。4結(jié)論(1) 煤砰石充填重構(gòu)土壤中，煤砰石層對(duì)土壤層具有良好的阻水性，使下滲水流在一定限度內(nèi)滯留于土壤層中，增加了上層土壤的持水能力；但是，煤砰石的持水性差，含水量低，在表層土壤水分蒸發(fā)的情況下不利于對(duì)土壤

36、水分的補(bǔ)給。(2) 煤砰石層具有良好的熱擴(kuò)散性,在重構(gòu)土壤中容易形成穩(wěn)定的溫度梯度，特別在媒砰石層與土壤層之間存在明顯的溫度差。底部溫度的變化對(duì)土壤層的影響較小，土壤層溫度變化主要受環(huán)境溫度影響。(3) 煤砰石層具有良好的導(dǎo)氣性，氣體容易在煤砰石層中擴(kuò)散，當(dāng)氣體擴(kuò)散至土壤層下界面時(shí)，氣體擴(kuò)散容易受到阻隔，導(dǎo)致氣體在煤肝石下界面累積。(4) 在煤砰石充填重構(gòu)土壤中，煤砰石層會(huì)對(duì)鄰近土壤層產(chǎn)生較大影響，影響微生物生存的環(huán)境.導(dǎo)致微生物的活性下降。在利用煤砰石進(jìn)行土地復(fù)墾時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)覆土厚度在60cm以上。參者文獻(xiàn)：1 蔡毅，嚴(yán)家平.陳孝楊.等.表生作用下煤砰石風(fēng)化特征研究：以淮南礦區(qū)為例J.中國礦

37、業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,44(5) :937-943.2 DedrickDD,RobertH.JoshuaLH,etal.Anexperimentalstudyofcoupledheatandwatertransferinwet-lableandartificiallyhydrophobizedsoilsJ.SoilScienceSocietyofAmericaJournal.2014.78(1)125-132.3 辛繼紅，高紅貝，邵明安.土壤溫度對(duì)土壤水分入滲的影響J.水土保持學(xué)報(bào).2009,23(3)；217220.4 陳麗蛆.張新民.王小軍.等.不同上壤水分處理對(duì)膜上灌春小麥土壤溫度的影響

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42、同一節(jié)點(diǎn)處水分含量也越大，水分分布均勻性越高；建立了以各向濕潤鋒運(yùn)移距離為因變址，入滲時(shí)間和土壤初始含水率為自變站的濕潤鋒運(yùn)移距離經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?經(jīng)驗(yàn)證該模型具有較高的可靠性。(3) 灌施結(jié)束時(shí)刻，濕潤體內(nèi)鉉態(tài)氧分布區(qū)域主要集中在灌水器出水孔附近土壤中；土壤初始含水率越大，鉉態(tài)氮的分布范圍相對(duì)越大。隨著土壤水分再分布的進(jìn)行，濕潤體內(nèi)鉉態(tài)氮含址逐漸減小，鉉態(tài)氮分布區(qū)域基本不受再分布時(shí)間的影響。(4) 濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮分布特性與水分相似；在距離涌泉根灌灌水器出水孔較遠(yuǎn)位置，土壤初始含水率越大，濕潤體內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)處硝態(tài)氮質(zhì)信分?jǐn)?shù)越大。濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在再分布1天之內(nèi)，最大值減小，分布范圍變大；再分布1天直至再分布15天,濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出不同程度的增加；越接近土壤表層，硝態(tài)氮變化趨勢(shì)越明顯。參考文獻(xiàn)：LU吳普特朱德蘭,汪布科涌泉根灌技術(shù)研究與應(yīng)用J.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào).2010,28(4):354-357,368.2 汪有科，黎朋紅.馬理輝，等.涌泉根灌在黃土坡地的水分運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)J.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào).2010,28(5)：449-454.3 費(fèi)良軍，曹俊，聶衛(wèi)波.涌泉根灌土壤濕潤體特性試驗(yàn)口.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào).2011,29(3):260-265.4 黎朋紅，汪有科.馬理輝，等.涌泉根海濕潤體特征值變化規(guī)律研究J.水土保持學(xué)