砾石粒径及含量对露天采石矿松散堆积体入渗特性的影响

Effects of gravel particle size and content on infiltration characteristics of loose deposits in open-pit quarries

摘要

目的 探究露天采石矿排土场不同砾石粒径及含量对松散堆积体土壤水分入渗规律的影响，为露天采石矿山区水土流失预防与综合治理，加强生态修复提供依据。 方法 采用室内一维垂直定水头模拟土壤入渗过程，对不同粒径（5~10 mm、10~20 mm、20~40 mm、复合粒径）及砾石含量（30%，40%，50%）条件下采石矿松散堆积体进行入渗试验研究，并评价4种入渗模型在露天采石矿排土场的适用性。 结果 （1） 采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程可划分为渗润（0~20 min）、渗漏（20~180 min）、稳定（180 min以后）3个阶段。在渗润阶段，水分入渗速率最大，随着入渗时间的增加，入渗速率呈先减小后趋于稳定的变化趋势。（2） 单一变量条件下，随着砾石含量由30%增加至50%，土壤水分入渗速率、湿润锋运移距离逐渐减小。随着砾石粒径范围由5~40 mm增大，土壤入渗速率和湿润锋运移距离逐渐增加。（3） Kostiakov模型、Philip模型、通用模型、Horton模型对松散堆积体土壤水分入渗过程拟合结果存在差异，其中Kostiakov模型和通用模型拟合结果最优（R²>0.9，RMSE<0.25）。（4） 砾石粒径与初始入渗速率、平均入渗速率和累计入渗量呈显著正相关（p<0.01），与稳定入渗速率呈正相关关系（p<0.05）。砾石含量与渗透时间呈极显著正相关（p<0.001），与湿润锋运移距离呈显著负相关（p<0.01），与平均入渗速率、稳定入渗速率呈负相关关系（p<0.05）。 结论 通过优化砾石粒径与含量配比对土壤进行重构，能够抑制采石矿松散堆积体的水分流失，提高水分利用效率与生态稳定性，Kostiakov模型和通用模型对其入渗过程的拟合具有最佳适用性。

Abstract

Objective This study aims to investigate the effects of different gravel particle sizes and contents in the dump of an open-pit quarry on the soil water infiltration patterns of loose deposits， providing a basis for soil erosion prevention， comprehensive management， and ecological restoration in open-pit quarries. Methods A laboratory one-dimensional vertical constant-head method was used to simulate the soil infiltration process. Infiltration experiments were conducted on loose deposits under different gravel particle sizes （5~10 mm， 10~20 mm， 20~40 mm， and composite particle sizes） and gravel contents （30%， 40%， and 50%）， and the applicability of four infiltration models in open-pit quarries was evaluated. Results （1） The soil water infiltration process in loose deposits could be divided into three stages： wetting （0~20 min）， percolation （20~180 min）， and stabilization （after 180 min）. During the wetting stage， the infiltration rate was the highest. As the infiltration time increased， the infiltration rate first decreased and then tended to stabilize. （2） Under single-variable conditions， as gravel content increased from 30% to 50%， the soil water infiltration rate and wetting front migration distance gradually decreased. As the gravel size range increased from 5 mm to 40 mm， the soil infiltration rate and wetting front migration distance gradually increased. （3） The fitting results of the Kostiakov model， Philip model， General model， and Horton model for the soil water infiltration process in loose deposits showed differences. Among them， the Kostiakov model and the General model showed the best fitting performance （R²>0.9， RMSE<0.25）. （4） Gravel particle size showed a significant positive correlation with the initial infiltration rate， average infiltration rate， and cumulative infiltration （p<0.01）， and a positive correlation with the stable infiltration rate （p<0.05）. Gravel content showed a highly significant positive correlation with infiltration time （p<0.001）， a significant negative correlation with wetting front migration distance （p<0.01）， and a negative correlation with the average infiltration rate and stable infiltration rate （p<0.05）. Conclusion Optimizing the proportions of gravel particle size and content for soil reconstruction can suppress water loss in loose quarry deposits， thereby improving water use efficiency and ecological stability. The Kostiakov model and the General model demonstrate the best applicability for fitting the infiltration process of loose deposits in quarries.

Graphical abstract

关键词

土壤入渗 / 入渗模型 / 松散堆积体 / 露天采石矿区 / 生态修复

Key words

soil infiltration / infiltration model / loose deposits / open-pit quarry / ecological restoration

随着我国经济的快速发展与大规模工程建设，为满足经济发展与建设需求，人们对矿山进行大规模开山取石活动，使得采矿区自然生态系统及景观遭到严重破坏^［1］。对采矿区排土场进行生态环境修复已成为我国当前所面临的困难之一，也是实施可持续发展策略的重要任务。在矿山开采过程中会产生大量的松散岩土介质^［2］，由一定量粒径大小不同的砾石和土壤基质共同构成^［3］，松散岩土介质堆积形成松散堆积体边坡。采石矿松散堆积体具有砾石含量高、粒径大、孔隙复杂等特征^［4］，土壤的水分运移和泥沙的迁移过程与其他土石混合介质存在明显差异^［5］。因此深入研究采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程中的变化规律，对揭示土石混合介质土壤的水分运移机制具有重要意义，更是防治采石矿区水土流失和修复生态环境的实践需要。

土壤水分入渗不仅是指降水或地表水分从土壤表层向土壤内部渗透的过程^［6］，也是陆地水分循环过程中的重要组成部分。已有研究表明土壤入渗主要受内外两类因素的影响，内部因素为土壤自身的理化性质，如砾石含量、土壤质地、土壤孔隙度等^［7-8］，外部因素为土壤表层的植被、微生物及其他物质影响，如生物结皮、砾石覆盖、植被等^［9-10］。砾石作为土壤的组成部分之一，是影响土壤入渗过程的重要内部因素。砾石含量多少及粒径的大小会改变土壤的结构和孔隙度，进而改变土壤的理化性质对土壤中水分运动造成的影响^［11］。砾石在土壤水文过程中发挥的重要作用已经得到了国内外众多学者的认可，然而针对砾石粒径、砾石含量与土壤水分入渗过程的关系研究较少。部分研究认为砾石的存在增强了土壤水分的入渗能力，减少了坡面径流，减弱了土壤侵蚀，对土壤的保水持水能力有积极作用^［12］。但由于地域性、气候性、海拔高度、地形等因素的影响，使得土壤的质地和结构发生改变。亦有研究表明砾石可降低土壤饱和导水率，抑制土壤入渗，从而促进径流的产生，增加坡面侵蚀^［11］。砾石含量、粒径与不同类型土壤入渗能力之间关系存在差异，在松散堆积体中砾石含量、粒径等特征直接影响水分入渗性能^［13］，而入渗能力又是调控坡面产流与侵蚀动力的关键因素，因此聚焦于砾石特性与入渗过程之间的作用机制，对于揭示不同土壤边坡的水文行为及侵蚀机理具有重要的理论与实际意义。

传统研究土壤入渗过程的方法是在野外或室内进行土壤水分入渗模拟试验，该方法耗时长，获取数据效率较低，且仅能获得较短时间范围内的测量数据。而采用理论模型进行拟合的方法，在较长时间尺度的土壤入渗特性研究中十分重要，在提高试验效率的同时，可通过短历时的测量数据对长历时的土壤入渗变化情况进行预测^［14］。目前对土壤入渗过程的模拟存在多种理论模型，在土壤水分入渗研究领域常用的理论模型包括Kostiakov模型^［15］、Horton模型^［16］以及Philip模型等^［17］。但不同的模型对不同的土壤类型、水分条件以及植被类型土壤入渗过程的拟合效果存在差异，在研究时需选用多种模型进行拟合，根据拟合结果选择合适的土壤入渗模型。

现有的研究主要集中于土壤质地对土壤水分变化的影响，而对于不同砾石粒径及砾石含量采石矿松散堆积体土壤水分入渗变化规律的研究较少，且入渗模型对采石矿松散堆积体的适用性及准确性仍需进一步研究。综上所述，本研究以露天采石矿排土场的松散堆积体为研究对象，运用室内一维垂直定水头土壤入渗试验，探究不同粒径（5~10 mm，10~20 mm，20~40 mm、复合粒径）及砾石含量（30%，40%，50%）条件下采石矿松散堆积体的入渗特征，揭示不同粒径及砾石含量采石矿松散堆积体土壤入渗参数的变化规律，通过比较分析得出适宜的采石矿松散堆积体土壤水分入渗评价模型，以期为采石矿山区的松散堆积体水分入渗机制及露天采石矿排土场水土流失预防与综合治理、生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京市房山区露天采石矿排土场（115°25′—117°30′E，39°28′—41°05′N）。该地区地处北温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温、年平均湿度和年平均降水量分别为13.6 ℃，50%~60%，585 mm^［18］。太阳辐射量全年平均为4 600~5 700 MJ/m²。研究区松散堆积体边坡以自然休止角方式进行堆置，堆积年限为3~5 a。在采样前对研究松散堆积体机械组成进行调查、取样与分析。

1.2 研究方法

1.2.1 研究区基本调查

在采样前，对排土场的松散堆积体进行机械组成调查、采样与分析。采用随机采样法，在房山区露天采石排土场内设置5 m×5 m的样地，各样地间距大于10 m。每个样地内设置5个1 m×1 m的小样方，采用环刀采集小样方内松散堆积体土壤样本。本研究以耕作层20 cm深度的土壤物理性质作为松散堆积体的物理性质。根据环刀尺寸，按5 cm深度分层进行采样，上层土壤采样后，去除上部5 cm土层，使用新的环刀再次取样，依次采集0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm分层的土样。共设置57个调查样地，采集285个样方的土壤样本。调查结果显示，砾石粒径主要分布于5~40 mm区间，占调查样本总量的82%以上（其中5~10 mm占28%，10~20 mm占30%，20~40 mm占24%）。松散堆积体边坡坡度多处于20°~40°，土壤容重为（1.59±0.19） g/cm³，土壤含水量为（10.63±4.55）%，田间持水量为（11.09±4.64）%。

1.2.2 试验材料

土样取自北京市房山区黄院采石矿区。在研究区内选择半阴与半阳坡的坡中位置，在裸露地表采集松散堆积体。剔除土样中的石砾、植物根系和枯枝落叶等杂质，并进行自然风干处理。将取样的松散堆积体过不同粒径的自制工程筛，筛分成小粒径（5~10 mm）、中粒径（10~20 mm）、大粒径（20~40 mm）3个粒径等级的砾石，并将筛分出小于5 mm的矿渣与土壤混合物作为土壤基质，将砾石（5~40 mm）与土壤基质（小于 5 mm）按照质量百分数 30%，40%，50%均匀混合。为进一步模拟堆积体的实际情况，根据调查结果增加复合粒径堆积体类型，复合粒径是以5~10 mm，10~20 mm，20~40 mm的砾石按照质量比3∶3∶2混合而成，然后同样与土壤基质按照质量百分数30%，40%，50%均匀混合。

1.2.3 试验设计

入渗试验于2023年1—3月在北京林业大学边坡绿化研究所生态修复教学基地进行。采用一维垂直定水头进行模拟土壤入渗试验，利用土柱装填松散堆积体混合物（土柱尺寸为高50 cm、直径14.4 cm）。土柱顶端开有排气口，侧开有进水管，底端有透气孔，利用马氏瓶实现恒定水头供水，试验装置如图1所示。根据矿区植被根系可以利用土壤水分的有效深度（约40 cm），将样土装入土柱。在装料前在土柱底部铺一层纱网，防止物料堵塞孔。分次将松散堆积体装入土柱并压实，使各层土壤分布均匀。每层厚度为5 cm，共8层、40 cm厚。共设置4种粒径类型与3种砾石含量组合，合计12种试验处理。每种试验处理进行3次重复试验。装填完成后对土柱进行容重和孔隙度的测定，堆积体土壤的基本物理性质如表1所示。在试验过程中，保持马氏瓶内水平面高度固定为4 cm。试验过程中，按先密后疏的时间间隔对马氏瓶读数与湿润锋运移距离进行观测。试验开始时进行供水，直至入渗时间达到720 min或水分渗过土柱后，停止供水并迅速吸干土柱上层积水。若渗透土柱，则记录开始渗透的时间。试验开始后，前5 min每0.5 min计数一次，5~20 min每1 min计数一次，20~60 min每2 min计数一次，1 h~3 h每5 min计数一次，3~5 h每10 min计数一次，5~10 h每30 min计数一次，10~11 h每60 min计数一次。

1.3 入渗速率计算及入渗模型模拟

1.3.1 入渗速率测定

将土样填装到土柱中，采用马氏瓶进行供水，在试验过程中，保持水头高度固定为4 cm，且各处理水头均相同。

f(t)=\frac{\mathrm{\Delta }V\times \mathrm{10}}{S\mathrm{\Delta }\mathrm{t}}（1）

式中： f（t）为入渗速率（mm/min）；∆V为马氏瓶在t时间内下降的体积（cm³）；S为土柱表面积（cm²）；∆t为观测时间段（min）。

1.3.2 入渗模型选择

在获取土壤水分入渗参数的众多方法中，模型模拟法是应用较为普遍及广泛的一种方法。Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型^［15-17］以及通用模型^［19］是常用的土壤入渗模型，比较4种入渗模型在采石矿松散堆积体土壤入渗过程中的适用性，本文将实测结果与各模型进行拟合分析，根据决定系数及均方根误差来判断4种模型对水分入渗过程的拟合优度。4种土壤入渗模型形式为：

（1） Kostiakov模型

f(t)=a{t}^{-n}（2）

式中：f（t）为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；ɑ、n为拟合参数。

（2） Horton模型

f(t)=f_c+(f_o-f_c){\mathrm{e}}^{-kt}（3）

式中：f（t）为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；f_o 为初始入渗速率（mm/min）；f_c 为稳定入渗速率（mm/min）；k为拟合参数。

（3） Philip模型

f(t)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}S{t}^{-\mathrm{0.5}}+f_c（4）

式中：f（t）为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；f_c 为稳定入渗速率（mm/min）；S为拟合参数。

（4） 通用模型

f(t)=\mathrm{A}{t}^{-N}+B（5）

式中：f（t）为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；A， N， B为拟合参数。

1.3.3 模型评价

为进一步分析拟合模型的准确性，引入均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）来反映4种模型计算入渗率与实测入渗率之间的离散程度，计算公式为：

\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{E}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{m}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{\left(f_m-f_i\right)}^{\mathrm{2}}}（6）

式中：RMSE为均方根误差（mm/min）；f_m 为模型计算的入渗率（mm/min）；f_i 为实测入渗率（mm/min）。

1.4 数据分析

试验数据均取3次重复的平均值。初始入渗速率为入渗试验开始后前3 min的平均速率。稳定入渗速率为入渗过程达到稳渗阶段时的入渗速率。平均入渗速率为试验时间内的入渗速率均值。试验数据使用Excel 2019和 SPSS 21.0软件进行统计分析，采用Origin 8.5软件进行绘图和土壤入渗过程模拟。

2 结果与分析

2.1 不同砾石粒径及砾石含量对采石矿松散堆积体土壤水分入渗特征的影响

2.1.1 不同砾石粒径及砾石含量对采石矿松散堆积体入渗速率的影响

采石矿松散堆积体土壤水分入渗速率变化见图2。由图2可以看出，采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程可划分为3个阶段。第Ⅰ阶段为入渗速率迅速减小的阶段（0~20 min），各类处理入渗速率呈现出显著差异。表现为砾石含量越低，初始入渗速率越高。第Ⅱ阶段为入渗速率缓慢下降阶段（20~180 min），各类处理入渗速率波动范围差距较小。第Ⅲ阶段为入渗速率相对稳定阶段（180 min以后），各类处理入渗速率差异不显著。

采石矿松散堆积体土壤水分入渗参数如表2所示。在多种试验类型中，砾石含量为30%、砾石粒径为20~40 mm的堆积体土壤水分平均入渗速率最大，为其他类型堆积体的1.46~4.58倍。在相同砾石粒径的条件下，砾石含量为30%的松散堆积体水分入渗速率最高，随着砾石含量由30%增加至50%，松散堆积体土壤水分入渗率显著减小。说明在相同砾石粒径的条件下，松散堆积体中砾石含量的增大能有效减缓土壤水分入渗速率。而在相同砾石含量的条件下，砾石粒径为20~40 mm的松散堆积体水分入渗速率最高，随着砾石粒径由5~40 mm增大，松散堆积体的土壤水分入渗速率逐渐增大。复合粒径的松散堆积体水分入渗速率介于砾石粒径为5~10 mm和10~20 mm的松散堆积体之间，表明减小松散堆积体的砾石粒径及对松散堆积体中砾石粒径进行组合，能有效减缓土壤水分入渗速率。

2.1.2 不同砾石粒径及砾石含量对采石矿松散堆积体累计入渗量的影响

采石矿松散堆积体土壤水分累计入渗量变化如图3所示。各处理采石矿松散堆积体的累计入渗量均随入渗历时的延长呈先快速增长后缓慢增长的变化趋势，但多种试验类型的累计入渗量存在显著差异。在入渗历时相同且砾石粒径一定时，累计入渗量随着砾石含量的增大而减小，而在入渗历时相同且砾石含量一定时，累计入渗量随着砾石粒径的增大而增大。复合粒径处理相较于单一粒径处理，在相同砾石含量条件下，复合粒径的松散堆积体累计入渗量介于砾石粒径为5~10 mm和10~20 mm的松散堆积体之间。在各处理中，砾石含量为30%、砾石粒径为20~40 mm的松散堆积体累计入渗量最高，为其他类型堆积体的1.25~3.23倍。

2.1.3 不同砾石粒径及砾石含量对采石矿松散堆积体入渗湿润锋运移距离的影响

采石矿松散堆积体湿润锋运移距离随时间的变化特征见图4。各种处理的湿润锋运移距离均随入渗时间的增加呈增加趋势，但增长速率逐渐减缓，且不同处理运移速度存在差异。砾石含量为30%的松散堆积体均渗透至土柱底部，砾石含量为40%的松散堆积体处理中，仅复合粒径处理未渗透土柱，而砾石含量为50%的松散堆积体均未渗透土柱。在相同砾石粒径条件下，单一粒径处理及复合粒径处理的渗透时间均随着砾石含量的增大而增大，砾石含量为30%的堆积体渗透时间最短，比砾石含量为40%的堆积体渗透时间减少21.03%~25.61%。在相同砾石含量条件下，单一粒径堆积体渗透时间随着砾石粒径的增大而减小。砾石含量为30%的条件下，复合粒径堆积体与单一粒径处理相比，渗透时间较砾石粒径5~10 mm的松散堆积体减少5.92%~13.27%，较砾石粒径10~20 mm的松散堆积体增加19.31%~24.73%。复合粒径处理湿润锋的运移速度介于砾石粒径为5~10 mm和10~20 mm的松散堆积体之间。

2.2 不同砾石含量采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程拟合与误差分析

为进一步研究不同砾石粒径及含量对采石矿松散堆积体土壤入渗性能的影响，本研究选用Kostiakov， Horton， Philip和通用模型对入渗速率随时间变化关系进行拟合，结果如表3所示。Kostiakov， Horton， Philip和通用模型的拟合方程R²分别为0.926~0.988（均值为0.966），0.782~0.933（均值为0.849），0.809~0.914（均值为0.886），0.928~0.994（均值为0.970）。

土壤入渗模拟方程相对误差分析结果如表4所示。Kostiakov， Horton， Philip和通用模型计算入渗率与实测入渗率的RMSE均值分别为0.145 mm/min、0.143 mm/min、0.295 mm/min、0.135 mm/min。从拟合度上看，Kostiakov模型和通用模型的拟合效果较好，R²>0.9，Philip模型次之，Horton模型的拟合效果较差。从准确性分析看，Kostiakov， Horton和通用模型的精度较高，RMSE<0.25，Philip模型的精度较低。综合来看，Kostiakov和通用模型可以更好地模拟不同砾石含量采石矿松散堆积体的入渗速率。

2.3 采石矿松散堆积体土壤水分入渗与土壤物理性质的相关性分析

土壤水分入渗特征与土壤物理性质相关性网络热图如图5所示。初始入渗速率、平均入渗速率与砾石粒径呈显著正相关（p<0.01），与土壤孔隙度呈正相关关系，与砾石含量、土壤容重呈负相关关系；稳定入渗速率与砾石粒径呈正相关关系，与砾石含量、土壤容重和土壤孔隙度呈负相关关系。累计入渗量与砾石粒径呈显著正相关（p<0.01），与砾石含量、土壤容重和土壤孔隙度呈负相关关系。湿润锋的运移距离与砾石含量呈显著负相关（p<0.01），与土壤容重呈负相关关系，与砾石粒径、土壤孔隙度呈正相关关系。渗透时间与砾石含量呈极显著正相关（p<0.001），与土壤容重呈正相关关系，与砾石粒径、土壤孔隙度呈负相关关系。

3 讨 论

砾石粒径及含量对土壤水分入渗过程的影响十分复杂。砾石的存在影响土壤的理化性质和水力特性^［20］。一方面由于砾石的形状不规则，砾石粒径大小及砾石含量增大导致土壤中大孔隙数量增多，进而有利于土壤水分入渗^［21］。另一方面由于砾石存在不透水性，水分入渗的过水断面面积减小，水分入渗路径复杂，进而抑制土壤水分入渗^［22］。因此，砾石对土壤水分入渗的作用需根据土壤类型、砾石含量、砾石粒径大小等进行综合分析。本研究发现无论单一粒径还是复合粒径的松散堆积体，砾石含量由30%增加至50%时，对土壤水分入渗存在阻碍作用。具体表现在相同粒径大小的条件下，随着砾石含量的增大，土壤水分入渗速率逐渐减小，湿润锋运移距离减小及同一时刻的累计入渗量逐渐减小，砾石含量的增加对土壤水分入渗产生阻碍作用。该试验结果与吕刚等^［11］对棕壤、李燕^［23］与李雪垠^［8］等对紫壤的研究结果一致。由于砾石含量的增加，使得土壤中细土基质和孔隙减少，水分入渗路径变得更加曲折和狭窄，有效过水断面减小，实际水流路径延长，增加了水分下渗的阻力，使得水分入渗速度减慢。在相同砾石含量的条件下，土体中砾石粒径范围由5增大至40 mm时，对土壤入渗具有促进作用。单一粒径的堆积体随着砾石粒径的增大，土壤入渗速率、湿润锋运移速率及同一时刻的累计入渗量逐渐增大。该结果与吕文聪^［24］、Chow和王慧芳^{［12，25］}等对砾石粒径在土壤入渗过程中影响的研究结果一致。由于砾石粒径主要通过改变土壤大孔隙数量与“优先流”通道影响土壤水分入渗，大粒径砾石形成的大孔隙结构更加稳定与连续，能够持续发挥导水作用，且有利于土壤“优先流”通道的形成，水分会优先通过这些通道快速向下渗透，土壤中水分的流动区域增加，入渗通道增加，进而促进水分下渗^［26］。相较于含较小粒径砾石的堆积体，其内孔隙较小且不稳定，在水分入渗的过程中孔隙结构容易发生改变，且水分入渗路径弯曲程度增大，从而阻碍土壤水分下渗运动。与单一粒径堆积体相比，复合粒径堆积体土壤入渗速率、累计入渗量及湿润锋运移速率介于5~10 mm粒径和10~20 mm粒径堆积体之间。这主要由于复合粒径的堆积体存在不同大小粒径的砾石，虽然大粒径砾石的存在形成了较大孔隙与水分运移通道，但是小粒径砾石的存在会填充空间，减小土壤孔隙，堵塞部分水分下渗通道。与10~20 mm粒径的堆积体相比，复合粒径堆积体中大孔隙被小颗粒填充，使得快速通道减少，水分下渗的阻力增大，因此土壤水分入渗速率减小。与5~10 mm粒径的堆积体相比，尽管部分大孔隙被填充，但复合粒径堆积体内部仍存在大粒径的砾石，具有更大的孔隙与更多的水分入渗通道。土壤水分入渗过程更多地受到机械组成的影响，且土壤质地也会影响其他土壤物理参数，使得松散堆积体土壤水分入渗过程具有其特殊性^［27］。采石矿松散堆积体作为一种特殊的土体，与棕壤、紫壤等其他土壤类型相比存在着一定的差异。采石矿松散堆积体的砾石含量及粒径较大，且土体中以粉粒为主，黏粒含量较少^［4］。使得土体中存在更多的孔隙和入渗通道，水分更容易通过这些通道流动，增强土壤水分的入渗能力，使得土体具有较高的渗透性^［28］。因此在设计采石矿松散堆积体时应该优化砾石粒径与含量的配比，在保证部分水分下渗、减少地表径流冲刷的同时，还应保证一定持水能力，有助于植物生长。

本研究通过4种模型模拟采石矿松散堆积的土壤水分入渗过程。比较入渗模型拟合的决定系数（R²）及RMSE得出，Kostiakov模型和通用模型拟合效果较好（R²>0.9， RMSE<0.25）。Kostiakov和通用模型属于经验模型，适用范围较广，对多种质地的土壤均适用。相较于其他模型，经验模型的参数可以更好地反映入渗速率的变化趋势。发现Kostiakov模型在砒砂岩土壤水分入渗模型研究中具有较强的适用性。通用模型是在Kostiakov模型的基础上加入常数项，提高拟合的相关性及精度，能进一步反映入渗的真实情况。Philip模型更适用于均质土壤水分入渗的拟合，在采石矿堆积体的拟合中效果不够理想。Horton模型适用于非饱和土壤水分入渗的拟合，且在拟合时需考虑外界因素，而松散堆积体结构存在多种不可控制因素^［29］。综上所述，Kostiakov模型和通用模型效果更佳，在模拟采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程中推荐选用Kostiakov模型和通用模型拟合。

砾石粒径与初始入渗速率、平均入渗速率及累计入渗量均呈极显著正相关（p<0.01），湿润锋运移距离与砾石含量呈极显著负相关（p<0.01），而渗透时间与砾石含量呈极显著正相关（p<0.001），而土壤容重与多数入渗参数呈负相关趋势，而孔隙度呈正相关趋势，但这些关系均未达到统计上的显著水平，这表明砾石粒径与砾石含量是控制松散堆积体入渗过程的关键因素。土壤容重与孔隙度相关性不显著的原因可能是在松散堆积体中含有大量砾石，水分入渗路径并非均匀的基质流，而是由砾石之间的堆叠孔隙、裂隙所形成的下渗通道^［26］。这种大孔隙流的速度和范围，主要受控于砾石含量和砾石粒径，而土壤容重和孔隙度的影响便被显著削弱或掩盖^［30］。

本研究揭示了不同砾石粒径及含量对采石矿松散堆积体水分入渗的影响机制，为优化露天采石矿排土场水土流失预防与综合治理提供科学依据。未来研究应进一步结合植物措施，并探索植物根系与不同砾石条件下水分运移规律的耦合机制，从而构建更加稳定、高效和可持续的矿区排土场生态系统恢复技术体系。

4 结 论

（1） 采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程明显分为3个阶段，渗润（0~20 min）、渗漏（20~180 min）、稳定（180 min以后）入渗阶段。随着时间的推移土壤水分入渗特征变化明显，土壤水分入渗开始时，入渗速率最大。随着入渗时间的增加，入渗速率呈先减小后趋于稳定的变化趋势，累计入渗量随着入渗时间的推移呈增加趋势。

（2） 随砾石含量的增加，水分下渗的阻力增大，使得土壤水分的入渗速率减小。而随着砾石粒径的增大，堆积体中孔隙增大，下渗路径增加，对土壤水分入渗具有促进作用。相比单一粒径，复合粒径的堆积体形成更稳定的孔隙结构，具有稳定的水分运移通道且能贮存部分水分。

（3） 入渗模型的拟合结果表明，Kostiakov模型、 Horton、 Philip和通用模型均可模拟入渗速率，且Kostiakov和通用模型具有较好的拟合效果（R²>0.9， RMSE<0.25），因此适用于描述采石矿松散堆积体土壤水分入渗过程。

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基金资助

国家自然科学基金(41907047)

内蒙古自治区科技计划项目(2023YFDZ0025)