基于CT的煤礦區(qū)復(fù)墾土壤微結(jié)構(gòu)特征研究.pdf

1、采礦和復(fù)墾過(guò)程都會(huì)對(duì)土壤的環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)復(fù)墾土壤理化特性和生物條件都產(chǎn)生巨大的影響，因而，復(fù)墾土壤綜合質(zhì)量一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。土壤結(jié)構(gòu)是土地利用在微觀尺度上的直觀表現(xiàn),其蘊(yùn)含有諸如礦物組合、物質(zhì)遷移、耕作方式、土壤肥力、土地利用方式等豐富的信息，土壤結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是表征土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。不同的土壤因顆粒的組成結(jié)構(gòu)和孔隙狀況不同,持水與持肥特征也不一樣。因此，研究復(fù)墾土壤顆粒機(jī)械組成和孔隙狀況是一個(gè)極具現(xiàn)實(shí)意義的研究課題與

2、研究方向。
　　本研究選取濟(jì)寧鄒城市未塌陷和不同復(fù)墾年限下（1年、3年、5年、10年）典型復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)，同時(shí)建立不同復(fù)墾模式下的模擬復(fù)墾試驗(yàn)區(qū)，利用非破壞性成像技術(shù)，即計(jì)算機(jī)X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影（computerized tomography，CT）快速獲取原狀土體孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用winner2000激光顆粒儀獲取復(fù)墾土壤顆粒分布狀況，同時(shí)室外采樣用于土壤容重、土壤養(yǎng)分等其它物理化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。利用分形幾何學(xué)來(lái)定量分析不同復(fù)墾條件

3、下的土壤結(jié)構(gòu)變化模型并建立其與土壤其他物理化學(xué)性狀的數(shù)量關(guān)系。
　　研究結(jié)果表明：
　?。?）不同復(fù)墾年限下土壤微結(jié)構(gòu)特征
　　隨著復(fù)墾年限的增加，土壤粘粒、粉粒含量增加，砂粒含量減少，在顆粒組成上有細(xì)化現(xiàn)象。土壤顆粒體積分形維數(shù)與粘粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)含量、容重存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤堿解氮、速效鉀、速效磷呈顯著正相關(guān)，與砂粒含量、孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)。
　　不同復(fù)墾年限的土壤顆粒分形維數(shù)是不同的，復(fù)墾1年、3

4、年、5年、10年、未塌陷地的土壤顆粒分形維數(shù)分別為2.4959，2.5005，2.5177，2.6211，2.6270。隨著復(fù)墾年限的增加，土壤顆粒分形維數(shù)也逐漸增大。分形維數(shù)與土壤肥力表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，土壤顆粒分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、速效磷均顯著正相關(guān)，因此可將表征土壤顆粒組成的土壤顆粒分形維數(shù)用于作為評(píng)價(jià)煤礦塌陷區(qū)復(fù)墾土壤肥力特征的一個(gè)因子。
　　隨復(fù)墾年限增加，土壤孔隙成圓率增加，復(fù)墾1年，3年，5年，10年的土

5、壤孔隙成圓率分別為0.7141、0.7379、0.7507、0.7589，土壤孔隙的分形維數(shù)分別為1.5113、1.6057、1.7290、1.7531，說(shuō)明隨著復(fù)墾年限的增加，土壤孔隙的形態(tài)逐漸得到改善并接近于圓，復(fù)墾5年之后的土壤形態(tài)逐漸趨于良好。由于機(jī)械壓實(shí)，復(fù)墾1年的土壤孔隙成圓率與其他3種年限的成圓率差別比較大。
　　（2）不同復(fù)墾機(jī)械下土壤微結(jié)構(gòu)特征
　　自卸汽車作為碾壓機(jī)械復(fù)墾時(shí)，在碾壓3次時(shí)土壤顆粒組成與對(duì)照

6、耕地的相似度最高達(dá)到0.9537；在履帶式推土機(jī)復(fù)墾碾壓過(guò)程中，碾壓5次時(shí)土壤顆粒組成與對(duì)照耕地的相似度最高達(dá)到0.9945。再增加碾壓次數(shù)，會(huì)造成土壤的嚴(yán)重壓實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)差。
　　自卸汽車復(fù)墾，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，土壤顆粒均勻指數(shù)呈現(xiàn)“W”型變化；履帶式推土機(jī)復(fù)墾，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，土壤顆粒均勻指數(shù)呈現(xiàn)倒“V”型變化。
　　兩種復(fù)墾機(jī)械相比，在土壤顆粒機(jī)械組成方面，履帶式推土機(jī)復(fù)墾土壤分形維數(shù)（2.785）<自卸汽車復(fù)墾

7、土壤分形維數(shù)（2.843），自卸汽車作用下的土壤比履帶式推土機(jī)要細(xì)化，兩種機(jī)械作用下的土壤顆粒分形維數(shù)在垂直剖面上變化較大，變化值域分別為0.026，0.077，自卸汽車作用下的土壤上下層維數(shù)變化比履帶式推土機(jī)要大得多；與機(jī)械顆粒組成分維相比,土壤孔隙組成在各層之間變異較大,分維在2.3-2.7之間,上下層變化值域?yàn)?.378，說(shuō)明土壤顆粒間孔隙在各層的組成要比土壤顆粒大小組成復(fù)雜，履帶式推土機(jī)作用下的土壤孔隙分形維數(shù)（2.586）>自

8、卸汽車作用下的土壤孔隙分形維數(shù)（2.446），說(shuō)明履帶式推土機(jī)壓實(shí)后的土壤相比較自卸汽車而言，孔隙組成較均一,通透性要相對(duì)較好。
　　（3）不同填充材料下，土壤微結(jié)構(gòu)特征
　　采用煤矸石作為填充物質(zhì)的地塊，土壤顆粒含量百分比在“物理性粘粒”粒徑范圍內(nèi)的含量均明顯高于建筑垃圾和粉煤灰這兩種填充物質(zhì)。
　　土壤顆粒分形維數(shù)，粉煤灰充填復(fù)墾土壤<建筑垃圾充填復(fù)墾土壤<煤矸石充填復(fù)墾土壤<對(duì)照土壤。相關(guān)系數(shù)r=0.7867，也