粉煤灰充填复垦土壤理化性状研究.pdf

第 2 7卷第 6期 2 0 0 2年l 2月 煤 炭 学 报 J OURNAL OF C HI NA C OAL S O CI E T Y Vo1 ． 2 7 No． 6 De c ． 2 0 o2 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 2 0 6 0 6 3 9 0 5 粉煤灰充填复垦土壤理化性状研究 胡振琪， 戚家忠， 司 继 涛 中国矿业 大学 北京 校区 ，北京1 0 0 0 8 3 摘要为 了进一步搞清粉煤灰充填复垦构成的复垦土壤的理化性质 ，指导今后的复垦工作 ，通 过选取 不同时间、不 同地点复垦土地 的样 点，采 用室 内外测 试化验手段 ，对其进行 了细致的研 究．结果认为复垦土壤入渗率小于农业土壤 ，土壤容重和土壤含水量大于农业土壤 ；复垦土壤 p H值大于 8 ，碱性过强．土壤有机质含量低 ，全氮含量低 ，速效磷含量低．全钾 含量和速效钾 含 量 充足 ． 关键词粉煤灰 ；复垦土壤 ；理化性质 ；时空变异性 中图分类号 T D 8 8 文献标识码A 粉煤灰充填复垦是现行采煤塌陷地复垦的主要技术之一，粉煤灰并不是严格意义上的土壤，其充填土 地后构成的复垦土壤与原土壤 的理化性质有何特点其理化特性 的时空变异性如何都是亟待深入研究的 问题．本文试图以实例进行初步探讨． 1 试验点与试验设计 试验选在安徽省某市，该市煤炭资源极其丰富，巨大采煤量导致土地破坏严重，塌陷地逐年增加．从 1 9 8 6年开始 ，将该市电厂粉煤灰直接 充填到塌陷区 ，粉煤灰上覆土 3 0 c m左右进行种植．首批复垦土地 于 1 9 8 8年开始农林间作 ，种植槐树 ，间作小麦 和大豆．第 2批 1 9 9 2年 ，第 3批 1 9 9 9年复垦好并开始种 植小麦和大豆．附近另一塌陷地进行了同样充填复垦，于 1 9 9 6年复垦好并种植小麦和大豆．上述复垦土 地 ，位置相邻 ，覆盖表土土质相 同，充填材料和方法 、所 种植作 物相同，所 以被作为试验 田进行采样分 析，进行复垦土壤理化性质时空变异规律研究．2 0 0 0年 1 1 月到现场采集土样，用 1 0 0 c m 的环刀取容重 样．将表土耕作层分为 2层 ，0 2 0 c m段记为 0 2 0土 ，向下依次为 2 0 3 0土 、3 0 4 0灰 、4 0 6 0灰和 6 0 8 0灰． 2 内容、方法与结果分析 室外测试入渗率，室内测试土壤和粉煤灰的容重、含水量 、p H值、有机质、氮、磷 、钾等，通过这 些参数反映复垦土壤的理化性质． 2 ． 1土壤入渗率 现场采用圆筒法在每块样点上同时做两个点的入渗率测试．设备包括铁皮圆筒，半径为3 8 e m，带刻 度玻璃管 、塑料软管 、支柱 、秒表等 ，结果见表 1 ． 表 1 的结果表明随着耕作年限的增加，入渗率逐渐增加，规律明显．复垦 4和 8 fl的土壤入渗率只 有0 ． 1 1 和0 ． 1 5 ，远小于对比农业土壤的0 ． 3 1 ．容易形成地表积水，局部涝灾，或者地表径流，造成水土 流失．复垦 1 2 a 的土壤，仍然小于农业土壤的值．因此粉煤灰层虽然孔隙度较大。非但不能促进水分渗 透，还阻碍了水分的运动⋯．相比复垦4 a 土壤的0 ． 1 1 ，耕性得到很大改善，已比较适合农作物种植． ⋯ 收稿 日期 2 0 0 2 0 4 1 1 基金项 目国家 自然科学 基金 资助项 目 4 9 7 0 1 0 1 0；4 0 0 7 1 045 ；中希 国际合作项 目和教 育部跨世 纪优秀人才计划 维普资讯 ● 煤 炭 学 报 2 0 0 2 年第2 7 卷 2 ． 2 土壤容重 一 般来说 ，砂质土壤 的容重为 1 ． 2～1 ． 8 g ／ c m。 ，黏质土壤 的容重为 1 ． 0～1 ． 5 g ／ c m ，壤质土壤介于两 者之间．一般土壤耕作层容重在 1 ． 0 5～1 ． 3 5 g ／ c m 之间 ，底土和紧实的耕作层 容重在 1 ． 3 5～1 ． 5 5 g ／ c m 之 间 ．现场取样 ，通过烘箱在 1 0 5℃下烘烤 8 h后得到土壤的净重 ，计算后得到容重．复垦土壤容重各 点的平均值见表 2 ． 表 1 复垦土壤入渗率 Ta b l e 1 W a t e r i n fi l t r a t i o n r a t e s o f r e c l a i m e d s o i l ram／ rai n 表 2 复垦土壤容重 平均值 Ta b l e 2 Bu l k d e n s i t y o f t h e r e c l a i me d s o il g ／ c m 由所测数据可以看出 ，复垦 1 a的土壤容重超过 了 1 ． 5，比正常土壤耕 作层 容重值要高 ，也高 出其它 年份，这是复垦机械压实所致．随着不断的翻种，加上土壤中各种微生物和小动物的作用，到第 4年土壤 容重已经得到了改良从第 4～ 1 2年，容重呈减小趋势．由此可得① 连年耕种，会有效地改 良表层土 壤容重；② 开始4 a ，土壤容重改良的幅度较大，以后逐渐减小，1 2 a 的耕种不足以完全彻底的改善．所 充填 的粉煤灰的变化规律正好相反 ，呈逐渐增大的趋势．这主要是因为连年耕作 ，受耕畜和犁的压力 以及 通过降水、灌溉使黏粒沉积，粉煤灰逐渐收缩下沉等原因造成的． 2 ． 3 含水量 1 测定方法在测定土壤 含水量 时，采用 烘干土为 基数计算 土壤水 分重量 百分数 ，即土壤 含水 量 [ 土壤水分 g ／ 干土重 g ] 1 0 0 ％．土壤水分测定的方法很多 ，采用恒温箱烘干法．土壤样品 在 1 0 5℃烘箱 中烘烤 8 h ，土重恒定后 ，即为干土重．见表 3 ． 2 时空变异性 由表 3可 以看 出 ，随 着复垦后耕作年限的增加 ，表土含水量呈明显 的增加趋 势 ，而粉煤灰 含水量呈 明显 减小趋 势．粉煤 灰的含水量 在 5 1 ％ ～5 9 ％之 间 ，远 大于表层土壤的含水量．表层土壤 的含水量除 第 1 年外 ，都超过了一般土壤耕作层的适宜含 水量 ，这主要是因为在采样前 2 5～5 d ，连续 阴雨不断 ，采样时刚 晴朗了 5 d ，所 以导致 土 壤含水量过大．各种土壤的宜耕含水范围一般 大小不同 ，凡质地黏重而有机质含量又少的土 表 3 复垦土壤 含水量 Ta b l e 3 Th e r e c l a i med s o il m o i s t u r e s ％ 壤，宜耕含水范围小；反之，质地较轻，宜耕含水范围就大．北方农民把土壤的含水量称为土壤墒情．根 据经验，土壤墒情可分为不同的类型，土壤含水量为 8 ％ ～ 2 0 ％即田间持水量的 3 0 ％ ～ 7 0 ％时，适合耕 作． 2 ． 4 土壤的 p H值 用 p H计测定样点复垦土壤的 p H值 ，结果如图 1 a 所示． 由图 l a 数据看 出，所有 的采样点的 p H值分布在 8 ． 1 6～ 9 ． 2之间 ，碱性过强 ，这将会破坏土壤结构 ，导致土壤 水 、气 、热状况 的恶化 ，间接 维普资讯 第 6期 胡振琪 等 粉煤灰充填 复垦土壤理化性状研 究 影响养分转化及其有效性．随着复垦年限的增加 ，p H值也没有呈现逐渐减小的规律，说明碱性过强的缺 点没有得到改善，因此对粉煤灰充填复垦土壤 ，应该采取专门的措施． 9 5 9O 8 。 7 ． 5 2 i 篓 忙 O o - 2 O土2 0 - -3 0土 3 0 - -4 0灰4 0 - 6 0灰6 0 - 8 0灰0-2 0土 2 0-3 0土 a b 图 l p H值和有机质含量的时空变异性 F i g ． 1 T h e s p a t i a l t e mp o r a l v a r i a b i l i t y o f t h e s o i l p H a n d o r g a ni c ma t t e r c o n t e n t 2 ． 5 有机质 有机质是土壤 的重要组成部分 ，并被看作是土壤肥力的物质基础．笔者用重铬酸钾法测得充填复垦土 壤的有机质含量 ，结果如图 1 b 所示．结果表 明，新复垦的土壤含有较低 的有机质含量 ；复垦 1 2 a的 土壤与农业土壤 的有机质含量相似．通常农业土壤的上层土 比下层土的有机质含量要高 ，而复垦土壤下层 土的有机质含量并不比上层土低 ，有时还比上层土高，这是复垦土壤与农业土壤的显著区别． 2 ． 6 土壤全氮 N含量 土壤氮素状况是土壤肥力的一项重要指标．用凯氏定氮仪法测得全氮含量．结果如 图 2所示． O ． O 8 0 ． 0 6 ■ 缸0 ． 0 4 裱 寸 }{ 0 ．0 2 O 0-2 0土2 0-3 0土 3 o - 4 O灰 4 0 - - 6 0灰 6 0-8 0灰 a 9 ■6 缸 嚣 校3 煅 O ● l a●4a D 8 a口 1 2 a 1 ．J ． ． ． 0-2 0土 2 0-3 0土 3 o - 4 O灰 4 0 - 6 0灰 6 0 - 8 0灰 b 图 2 全氮 和速效磷含量 的时空变异性 F i g ． 2 T h e s p a t i a l t e mp o r a l v a r i a b i l i t y o f t h e s o i l t o t al n i t r o g e n c o n t e n t and o l s e n p h o s p h o r u s c o n t e n t 空间变异规律一般农田土壤表层含氮量为 0 ． 0 5 ％ ～ 0 ． 3 0 ％，低于 0 ． 0 5 ％即可视为贫瘠地．从图 2 a 看出，1 ， 4和 1 2 a 的表层土全氮含量都低于0 ． 0 5 ％，只有 8 a 的表层土壤超过了0 ． 0 5 ％，而粉煤灰 里的全氮含量则更低 ， 说明复垦土壤整体缺氮．从整体含量来看，表层土壤里的全氮含量要高于充填粉煤 灰里的含量．全氮含量呈波浪形分布，到 1 2 a 时，规律性明显 ，表层耕作土壤里的含量明显高于充填粉 煤灰的含量 ，且从上到下依次降低． 时间变异规律 表层土壤第 8年的含量明显偏高，其它各年的含量差异不太大．经调查得知，该样点 复垦土地离村庄只有几百米远 ，村 民施肥较多 ，特别是有机肥较多 ，所 以全氮含量较高．而其它各年各层 的土壤随着时间的推移，全氮含量没有明显的提高，特别是复垦 1 2 a 的各层土壤和粉煤灰仍然缺氮． 2 ． 7 速效磷 P含量的时空变异性 土壤全磷含量范围为 0 ． 0 5 ％ ～ 0 ． 2 5 ％，当全磷量低于 0 ． 0 8 ％ ～ 0 ． 1 0 ％时，即可视为缺磷．对试验田 复垦土壤 ，采用钼锑抗法法测得速效磷的含量 ，结果如 图 2 b 所示． 空间变异规律从整体含量来看，表层土壤里的全磷含量要高于下层充填的粉煤灰里的含量．4 a 复 垦土壤空间变异性质规律性不明显，表土层和粉煤灰里的全磷含量呈波浪形分布．到8 a 和 1 2 a 时，规律 1 | 一 维普资讯 一 煤 炭 学 报 2 0 0 2 年第2 7 卷 性比较性明显，表层耕作土壤里的含量明显高于粉煤灰里的含量，且从上到下依次降低，接近纯土壤母质 的全磷含量空间分布规律 ，对作物生长是有利的． 时间变异规律 随着复垦时间的增加 ，表层土壤速效磷含量呈 明显的规律性 ，复垦时间越长，速效磷 含量越高．各层粉煤灰之间的变化趋势各不相同．从整体看 ，浅层 的粉煤灰规律性要接近于表层土壤 的规 律性 ，到 6 08 0灰 时，同表层土壤的规律正好相反 ，说 明深层 的速效磷含量 ，随着水分蒸发和对流 ，有 向表层转移的趋势．但即使复垦 1 2 a 的表层土壤仍然缺磷严重，说明粉煤灰复垦土壤需要专门施加磷肥， 以改善土壤养分状况．土壤 p H值对速效磷的含量影响很大 ，碱性土壤 p H值越 高，速效磷含量越低．除 此之外，有机质含量对速效磷含量影响很大．有机质含量多的土壤 ，速效磷的含量一般也较丰富．例如复 垦 8 a 的土壤，由于农民施用有机质较多，其各层的速效磷含量均接近或超过了复垦 1 2 a 的土壤母质．从 上述两个影响 因素来看 ，调节土壤酸碱度及增施有机质 ，对活化土壤磷素 ，增加其有效 度有重要作 用． 2 ． 8 钾 K含量的时空变异性 通过 I C P方法测得全钾含量 ，用火焰光度计法测得速效钾含量 ，结果如图 3所示． 2 5 0 o 0 b 2 0 0 0 0 面 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 嚣 剞5 0 0 0 0 2 5 0 2 0 0 嘲1 5 0 加 取 l o 0 籁 潮5 O 0 ● l a ● a 口 8 a口 l 2 a 一 一 一 ． ． | r] ．_『 0 - 2 0土2 0-3 0土3 o _ 4 0灰4 0 - - 6 0灰 6 0 - - 8 0灰0- 2 0土2 0- 3 0土3 0 - - 4 0灰4 0 L _ 6 0灰6 0 - - 8 0灰 a b 图3 全钾和速效钾含量的时空变异性 F i g ． 3 T h e s p a t i a lt e mp o r al v a r i a b i l i t y o f t o t al K c o n t e n t a n d p l a n t a v a i l ab l e K c o n t e n t 空间变异规律 从整体含量来看 ，由上往下表层土壤里的全钾含量要远高于下面充填的粉煤灰里的含 量．速效钾 的含量空间变异规律不显著．4 ，8和 1 2 a各不相 同，这是因为速效性钾 的消耗和损失受影响 因素较多 ，常因作物 、土壤 、气候 的不 同而不 同，难 以根据人为的分层呈现明显的规律．从整体含量来 看，由上往下速效钾含量表土要低于下层粉煤灰里的含量．分析认为有 3个原因① 采样时小麦正在苗 期，表层土壤里大量的速效钾被消耗掉了；② 粉煤灰是高碱性的，不适合于微生物生存，表层里大量的 微生物也需要钾素营养；③ 采样时刚晴了5 d ，表层土壤里的速效性钾大量淋失，导致含量降低，同时也 说明土壤里被固定的钾元素较多．即矿物态和缓施态的钾较多，速效性钾较少，而粉煤灰里的速效性钾较 多 ，即交换性钾和水溶性钾较多 ，较易被作物吸收，随着水分 的蒸发 ，会上升到表层土壤里供作物吸收 ， 充填 的粉煤灰成为作物速效钾的一个供应库． 时间变异规律随着耕作年限的增加，表层土壤里的全钾含量变化不大，维持了较高的含量水平．随 着耕作年限的增加和深度的加深，粉煤灰里的全钾含量呈降低趋势．在 6 0 8 0 c m深灰层，随着年限的增 加，全钾含量降低最多．这是因为深层的速效钾被消耗以后 ，全钾里面的缓施钾逐渐释放出来成为速效 钾．由于深度较深，补充不足，最终导致全钾含量降低．速效钾的含量随着复垦时间的增加呈增长趋势， 说 明复垦年限越长 ，土壤母质里 的速效钾含量越多．在一个生长季节里 ，植物生长所需要 的钾素能否得到 满足 ，主要是看这一形态钾的数量 ，所 以复垦时间越长 ，对农作物的生长越有利．为了保证作物生长期间 土壤 中速效钾的充分供应 ，在土壤管理及施肥措施上 ，应 注意防止钾 的固定 和淋失 ，并设法促进钾 的释 放．根据所测数据可以看出，土壤里的全钾含量都超过了 1 ． 5 ％，含量充足；粉煤灰里的全钾含量集中在 1 ％左右，也很充足．各年表层土壤速效钾的含量占全钾的0 ． 4 ％ 一 0 ． 9 ％，与正常土壤相比差异不大．但 是粉煤灰 的速效钾含量高于表层土壤 ，这为及时补充表层土壤 的速效钾含量提供 了良好的补充源．速效钾 的水平直接决定 了该土地是否需要增施钾肥．粉煤灰充填复垦土地表层土壤速效钾的含量分布在 7 5 ． 9 维普资讯 第 6期 胡振琪等粉煤灰充填复垦土壤理化性状研究 6 4 3 1 9 0 1 0 之间 ，含钾量适 中，无需专门施加钾肥． 3结 语 粉煤灰复垦土壤与农业土壤相比，许多理化性状较差，要加以改良．随着耕作年限的增加入渗率逐渐 增加 ，复垦 4，8和 1 2 a的土壤人渗率仍然小于农业土壤 ，容易形成地表积水 ，局部涝灾或地表径流 ，造 成水土流失．复垦土壤表层土容重比农业土壤大 ，随耕作时间逐渐减少 ，但到 1 2 a后仍 略大于农业土壤 ． 复垦土壤的含水量整体上大于农业土壤． 粉煤灰复垦土壤 p H值大于8 ，碱性过强，并不随耕作时间的增加而减少，需采取专门措施改良土壤． 复垦土壤有机质含量低，随着耕作时间而增加；全氮含量低 ，不随时间增加而增加，必须补氮；速效磷含 量低，虽然随着耕作年限的增加而增加，但到 1 2 a 后复垦土壤仍然缺磷．因此，调节土壤酸碱度及增施 有机质，对活化土壤磷素，增加其有效度有重要作用．复垦土壤全钾含量和速效钾含量充足，不需要专门 补充钾肥． 本文仅仅是初步探讨 ，许多方面还需进一步采样与分析． 参考文献 [ 1 ] 姚贤良，程云生．土壤物理学 ， [ M] ．北京农业出版社，1 9 8 6 [ 2 ] 朱祖祥．土壤学 上 、下册[ M] ．北京农业出版社，1 9 8 3 ． 作者简介 胡振琪 1 9 6 3一 ，男，安徽嘉山人 ，教授，博士生导师 ，1 9 9 1年毕业于中国矿业大学并获工学博士学位 ，1 9 8 9年 2 月 一 1 9 9 1 年 5 月留学美国南伊利诺斯大学． 1 9 9 6 ． 9 1 9 9 7 ． 9在 E x e t e r 大学坎伯恩矿院客座研究员 ，从事土地复垦与生态重 建研究 ，先后承担纵横向课题 2 0余项 其中国家自然科学基金项目3项 ，出版 露天煤矿土地复垦研究和 采煤沉陷 地的土地资源管理与复垦2本专著，参与编写 3部 ，发表 “ 试论土地复垦学”等 1 0 0余篇论文．T e l 0 1 06 2 3 9 4 9 8 0 ，E mi a l h u z q c u mt b ． e d u ． c a ． Ph y s i c a l a nd c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f r e c l a i m e d s o i l伽 e d wi t h fly a s h H U Z h e n q i ，Q I J i a z h o n g ，S I J i t a o B e ij i n g C a mp u s ，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o c l e a r i n g t h e p h y s i c a l a n d c h e mi c al p r o p e r t i e s o f r e c l a i me d s o i l fi l l e d w i t h fl y a s h S O t h a t g u i d e r e c l a i me d w o r k i n f u t u r e ，b a s e d o n s o i l t e s t s f o r s a mp l e s i n d i ffe r e n t r e c l a ma t i o n t i me a n d p o s i t i o n s ，t h e p h y s - i c a l a n d c h e mi c a l p r o p e r t i e s o f r e c l ai me d s o i l w i t h n y a s h w a s s t u d i e d i n t h i s p a p e r ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e - c l a i me d s o i l h a d mu c h l o we r i n fil t r a t i o n r a t e a n d h i g h e r b u l k d e n s i t y an d s o i l mo i s t u r e c o n t e n t tha n t h a t o f a g r i c u l - t u r al s o i l ．T h e s o i l p H v alu e wa s o v e r 8，s t r o n g alk ali n i t y ．I t h a d als o l o w e r c o n t e n t o f s o i l o r g an i c ma t t e r s ，t o t al n i - t r o g e n a n d o l s e n - p h o s p h o r u s ，wh i l e p l a n t a v a i l a b l e p o t a s s i u m c o n t e n t W as e n o u g h ． Ke y wo r d sfl y a s h；r e c l a i me d s o i l ；p h y s i c al a n d c h e mi c a l p r o p e r t i e s ；s p a t i al- t e mp o r a l v a r i a b i l i t y 维普资讯