煤矸石重构土壤的水气变化与温度梯度响应：实验模拟与影响机制

本文主要探讨了煤矿区在采用煤矸石重构土壤的过程中，土壤剖面的水气变化以及这些变化对温度梯度的响应。煤矿区的土地复垦工程普遍采用煤矸石作为基质，然而，煤矸石在氧化过程中释放热量，这会对重构土壤的水气平衡产生显著影响，进而影响生态修复的效果。 研究者设计了一种专门的室内模拟装置，用于监测重构土壤剖面的温湿度、二氧化碳体积分数，并通过底部加热来模拟实际温度变化。实验发现，Hydrus-1D软件能够有效模拟重构土壤的体积含水量分布，然而，水分的渗透过程显示出明显的滞后性，导致水分在土壤各层中逐渐累积。气体扩散同样表现出滞后性，尤其是在80厘米的矸石层内积累较多。 当底部加热时，重构土壤会形成稳定的温度梯度，这一梯度促使水分从底部向上传输，导致底层含水量显著下降，而其他层次的含水量则有所增加。具体来说，60厘米深度的含水量增速最为明显，达到了每小时0.057%。在此过程中，气体倾向于在矸石层和土壤层间界面积聚，且这种累积效应随温度梯度的增大而增强。 温度和含水量都对重构土壤中的气体扩散有影响，但温度梯度的提升会削弱含水量对气体扩散的直接影响。此外，研究还指出在重构土壤的层间界面可能存在一个“障碍带”，当水分和气体遇到这个界面时，扩散会受到阻碍，从而导致水分在土壤层内累积，而气体则主要积聚于矸石层和界面处。 这项研究的重要性在于，它提供了关于如何更精确地预测和控制重构土壤中水气运动的关键参数，这对于优化煤矿区土壤修复策略，提高生态恢复效率具有重要的实践指导意义。未来的研究可以进一步探索如何通过调控温度梯度和优化管理措施来减少负面的水气效应，以实现更可持续的煤矿区土地利用。