粉煤灰充填重構(gòu)土壤水鹽變化特征與作物響應(yīng)研究.pdf

1、煤炭開采與燃燒利用引發(fā)兩大主要環(huán)境問題，一、是大面積地表塌陷的形成造成耕地?fù)p失，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境;二、是煤矸石等煤系伴生物產(chǎn)生和燃煤電廠固體廢棄物的排放壓占土地，通過揚(yáng)塵與淋濾液等污染周圍大氣、水體和土壤環(huán)境。為應(yīng)對(duì)這些環(huán)境問題給礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，利用固體廢棄物充填重構(gòu)土壤剖面進(jìn)行土地復(fù)墾和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的工程措施在礦區(qū)被較多地實(shí)施，其中燃煤電廠廢棄物（如粉煤灰）作為充填基質(zhì)是一種重要的形式。這種復(fù)墾地的土地利用方式若為林地或耕地

2、，其土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移機(jī)理是需要研究解決的關(guān)鍵問題之一。
　　論文應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室土柱試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)小區(qū)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究重構(gòu)土壤水分入滲和作物生長(zhǎng)條件下水量平衡規(guī)律，粉煤灰高可溶性鹽的遷移和污染深部土壤或地下水環(huán)境的可能性，以及重構(gòu)土壤鹽分剖面變化特征。在此基礎(chǔ)上，探討復(fù)墾地作物生長(zhǎng)對(duì)水鹽條件變化的響應(yīng)與重構(gòu)土壤肥力質(zhì)量。以期為完善煤礦區(qū)充填重構(gòu)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的理論研究和復(fù)墾地植物栽培的田間管理實(shí)踐等作出重要貢獻(xiàn)。
　　(1)設(shè)計(jì)

3、覆土厚度為20cm和35cm的試驗(yàn)土柱，并分別控制不同的地下水位(-115cm和-300cm)，研究重構(gòu)層狀土壤水分入滲和鹽分遷移規(guī)律。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種覆土厚度對(duì)入滲鋒下移速率影響的差異性存在但不顯著，表土和粉煤灰層間水分入滲有明顯的界面特征。強(qiáng)供水條件下，粉煤灰層中的K+和Cl-隨水分快速向下運(yùn)動(dòng)，若污染防治措施不當(dāng)，容易造成深部土壤或周圍地下水中鹽分離子濃度的短期急劇升高。地下水位對(duì)重構(gòu)土壤水分入滲有顯著影響，低地下水位時(shí)，

4、入滲鋒呈規(guī)則下移;高地下水位時(shí)，入滲鋒與毛管水上升面出現(xiàn)界面膠結(jié)現(xiàn)象，交鋒面約在-40cm處，所需時(shí)間約為灌溉后12h。
　　(2)對(duì)照安徽省淮南市2001-2010年降雨量和蒸發(fā)量資料，應(yīng)用Hydraus-1D軟件模擬極端氣象條件下重構(gòu)土壤水量平衡特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵滤惠^低(-300cm)時(shí)，含水量明顯受到氣象條件的影響，干旱年份與濕潤(rùn)年份相差0.100cm3/cm3左右，尤其是表層土壤含水量變化明顯。高地下水位(-115cm)時(shí)

5、，粉煤灰層含水量基本不受氣象條件影響，始終在近飽和狀態(tài)，表層土壤雖有變化，但幅度相對(duì)較小。無論干旱或濕潤(rùn)年份，表層土壤含水量均在田間含水量上下波動(dòng)，能夠滿足作物生長(zhǎng)需求。此時(shí)，試驗(yàn)的兩種覆土厚度對(duì)含水量的影響差異很小。
　　(3)分別建立覆土厚度25cm和45cm的田間試驗(yàn)小區(qū)，設(shè)置對(duì)照小區(qū)并控制地下水位（約-150cm），研究小麥生長(zhǎng)條件下重構(gòu)土壤水分平衡和鹽分剖面特征。結(jié)果表明，試驗(yàn)小區(qū)粉煤灰層的含水量在整個(gè)小麥生長(zhǎng)周期均接近

6、飽和含水量，受氣象條件的影響程度低，而表層土壤含水量與降雨量呈顯著正相關(guān)。試驗(yàn)小區(qū)的表層土壤含水量在小麥生長(zhǎng)各時(shí)期都低于對(duì)照小區(qū)，有限的表土厚度增加并不能改變粉煤灰充填重構(gòu)土壤的水分條件。通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)根系吸水條件下的Richards方程在描述重構(gòu)土壤田間含水量變化時(shí)存在缺陷，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比明顯偏低。文章?lián)藢?duì)Richards方程的源匯項(xiàng)進(jìn)行了修正，引入了λ值，其計(jì)算公式為λ=γ*(dρb/dθ）。同時(shí)，試驗(yàn)小區(qū)土壤中SO42-、Mg

7、2+和Ca2+含量較高，CO32-和HCO-含量較低。與對(duì)照小區(qū)相比，試驗(yàn)小區(qū)土壤總可溶性鹽分含量較高，在小麥生長(zhǎng)的整個(gè)周期內(nèi)，表土厚度越薄，重構(gòu)土壤對(duì)可溶性鹽分的聚集和保持能力越差。可溶性鹽組分在重構(gòu)土壤中的剖面特征明顯。CO32-和HCO-在小麥生長(zhǎng)的各個(gè)階段，自土壤表層至粉煤灰層，含量逐漸降低，而Cl-、SO42-和四種陽離子的含量自土壤表層至粉煤灰層，含量逐漸增加。
　　(4)粉煤灰充填重構(gòu)土壤水鹽條件與小麥籽粒產(chǎn)量間存在

8、明顯“相?！爆F(xiàn)象，即試驗(yàn)小區(qū)粉煤灰層含水量始終高于對(duì)照小區(qū)，而籽粒產(chǎn)量卻顯著低于對(duì)照小區(qū)(p＜0.05)。由研究結(jié)果揭示其原因主要有兩個(gè)方面:一是粉煤灰有低容重、大顆粒比表面積、強(qiáng)水分吸持能力等性質(zhì)，水分向上輸送困難，表層土壤含水量受其影響較小;二是重構(gòu)土壤鹽分含量總體不高，肥力質(zhì)量綜合指數(shù)較低，影響小麥生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量。覆土厚度與小麥產(chǎn)量間關(guān)系可用dY/dH=(-0.3632+0.0021H)*H+11.315經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砻枋?。?fù)墾地表層

9、土壤的最優(yōu)厚度為35～45cm。
　　(5)論文在研究重構(gòu)土壤理化性質(zhì)基礎(chǔ)上，構(gòu)建肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并應(yīng)用主成分分析法和專家打分法相結(jié)合，賦予各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，建立評(píng)價(jià)模型。評(píng)價(jià)結(jié)果揭示對(duì)照小區(qū)的土壤肥力綜合指數(shù)最高，其次為覆土厚度45cm的試驗(yàn)小區(qū)，覆土厚度25cm的試驗(yàn)小區(qū)最低，這與小麥籽粒產(chǎn)量結(jié)果一致。重構(gòu)土壤養(yǎng)分肥力指標(biāo)NFI值和土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)IFI值之間存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9784(p＜0.01