基于CT 扫描的重构土壤孔隙结构及其对水盐运移影响

李华焜，郑刘根,2,*，陈永春，李 兵，陶鹏飞，李 浩

(1.安徽大学 安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230601；2.合肥综合性国家科学技术中心能源研究院，安徽 合肥 230601；3.深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室，安徽 淮南 232001)

煤矸石是煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物，占原煤总产量的15%～20%[1-2]，是矿区环境污染的主要原因之一。大量煤矸石的堆积不仅占用土地资源，而且带来空气污染、水资源污染和地质灾害等生态环境问题[3-4]。煤矸石作为土地复垦的充填材料，不仅具有孔隙结构优良、减少土壤黏结等优点，还可以减少其对环境的危害[5]。

土壤盐分是土壤评价的一项重要指标，是影响植物生长的重要因素[6]。土壤盐分含量高低直接影响植物水分和养分的吸收程度，盐分含量过高可引起植物生理性缺水，影响植物正常的营养吸收，导致植物发育不良进而导致减产或死亡[7]。土壤孔隙是土壤中水分与空气存在的场所，是植物根系与微生物的生活空间，土壤孔隙会影响土壤水、肥、气等性质，对生态环境、地下水系统及大气循环有着重要影响[8-9]。不同尺度的土壤孔隙会对土壤水分的运移产生不同的影响[10]。在水分运移过程中，土壤中的孔隙内部由于毛管力和重力的作用下会形成水分张力梯度，从而引起水分在孔隙中的移动[11]。王金满等[12]研究发现，采矿和排土等活动会降低土壤孔隙数量和孔隙率，尤其是大孔隙数量和大孔隙；土地复垦对增加土壤孔隙数量和孔隙率有一定作用，但过程比较缓慢。蔡太义等[13]研究发现，复垦年限对沉陷区土壤结构修复具有较大影响，土壤结构达到稳定状态需经过10 a 左右的时间。相较于土壤而言，煤矸石的质地更为粗糙，孔隙率较高，孔径较大，水分在其中的运移速度相对较快[14]。煤矸石复垦土壤的层间孔隙差异明显大于一般层状土壤，会影响表层土壤水肥气运动过程[15]。

土壤孔隙结构常采用实测的水分特征曲线、压汞曲线、标记穿透曲线等方法来间接获取[16]。随着土壤微形态学研究的发展，土壤切片法得到了更多的应用，但土壤切片法过程比较繁琐，并且在制备切片的过程中可能会破坏土壤孔隙结构[17]。相较于传统方法而言，CT 扫描技术可以在不破坏土壤原有孔隙结构的情况下获得其微观孔隙结构的三维图像[18]。目前CT 扫描技术已在分析土壤大孔隙数量、大小、形状和连通性等方面得到了广泛应用[19]。

目前重构土壤水盐运移的研究主要集中在土壤分层厚度[20]和分层数量[21]对土壤质量和生态恢复的影响，关于层间孔隙差异对层状重构土壤水盐运移的影响及影响机理的研究还比较少。因此，笔者采用CT 扫描技术分析复垦土壤层间界面的孔隙差异，通过室内模拟土柱实验，研究层间孔隙对重构土壤水盐运移的影响，以期为沉陷区土地复垦和生态修复提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在安徽淮南潘一矿矸石复垦区，选取合适的采样点，使用吸能锤，将土壤重金属分析采样器打进样品层中，分别采集原状土、覆土、泥矸混合和矸石层的土柱样品。将采集来的样品放于PVC 管(ø50 mm×H120 mm，H为高度)中密封，并利用保鲜膜包裹冷藏，以供CT 扫描实验。

煤矸石样品采自安徽淮南潘一矿区煤矸石山。在矸石山采样时，从矸石山表层的不同高度处分别采集相同质量的风化样品，将其混合均匀。在实验室测定煤矸石样品的机械组成，先将粒径大于50 mm 的煤矸石挑选出来，再分别用孔径为10、5 和2 mm 的土壤筛对煤矸石进行筛分测定质量，将筛分后的样品混合均匀后测定其饱和含水率[22]，结果见表1。

表1 煤矸石样品的机械组成及饱和含水率Table 1 Mechanical composition and saturated water content of the coal gangue sample

实验填充土柱土壤采自安徽淮南市煤炭开采国家工程技术研究院附近。采样时，先去除表层5 cm 土壤，用环刀取样带回实验室测定容重及土壤饱和含水率，用铝盒取样带回实验室进行含水率测定，然后再采集5～20 cm 深度土样带回实验室填充土柱。土壤样品的含水率和容重用烘干法测定。将采集的土壤样品放置在通风且干燥的地方进行自然风干，取出其中的石块和植物大根系，风干后的样品研磨后过2 mm 的土壤筛用以充填土柱。取过筛后的土壤，用激光粒度分析仪测定土壤颗粒组成[23-24]。实验土壤的主要物理特性见表2。

表2 土壤样品主要物理特性Table 2 Primary physical properties of soil samples for soil column filling

1.2 试验装置

重构土壤水热盐耦合模拟装置如图1 所示，装置主要由土壤剖面柱、传感器、变送器、交换机和服务器组成。土壤剖面柱为装置的主体部分，采用有机玻璃制成，土柱筒高120 cm、直径26 cm，筒壁厚度为1 cm，筒底设有多孔板，为防止试验过程中土粒流失，多孔板上垫有过滤膜。土柱筒最底部设有阀门，用于排水。在土柱筒不同深度的侧壁预留5 个小孔，分别安装水热盐三合一传感器(土壤深度分别为5、15、30、50、70 cm)。试验装置采用圆盘花洒来模拟人工降雨，通过流量来控制水流大小。

图1 土壤柱设计Fig.1 Soil column design

1.3 实验方法

1.3.1 土壤CT 扫描实验

样品扫描采用工业CT phoenix v|tome|x m 设备。设置扫描电流230 μA、电压190 kV、分辨率30 μm。扫描前，在射线源与样品中间加入2 mm 铝制过滤片以防止扫描结果出现伪像。扫描时将样品垂直放置于CT 扫描仪中间的转台上，用计算机调整扫描样品区域，通过竖向扫描样品获得一系列连续切片图像。

将切片图像导入计算机中，经过滤波降噪处理。利用Avizo 软件将切片图像重构为三维模型[25-26]。利用软件切割工具切割，保留样品中心ø25 mm×H50 mm 的土柱图像，以去除边缘效应带来的误差。根据孔隙与基质之间的灰度差异，利用阈值分割的方法将孔隙提取出来；再利用Label Analysis 模块对孔隙孔径、表面积、体积和孔隙率等数据进行计算与提取。

1.3.2 土柱模拟实验

确定装置密封性后，将随机采集的煤矸石样品筛分后混合均匀地填充在土柱底部并压实。再根据测得的土壤实际密度将土壤样品填充进土柱筒内，分层压实，其中矸石层为40 cm，土壤层为60 cm。传感器通过孔位安装在土柱内，在填充样品时，当样品略高于孔位下端时插入传感器，确保传感器下端与样品贴合，再将样品覆盖住传感器后压实，以使传感器与样品紧密贴合。传感器及数据采集器与计算机系统连接，实时记录剖面含水率、含盐量及电导率的变化情况。实验开始后，通过圆盘花洒在土柱上方灌溉20 cm 的水，通过传感器监测土壤剖面水分和盐分的动态变化。

2 结果与分析

2.1 土壤孔隙结构特征

4 种土壤样品的内部孔隙可视化结构模型如图2所示(图中颜色用于区分不同孔隙)。不同样品的孔隙数量由大到小为泥矸混合＞覆土＞原状土＞矸石。从图中可以看出，4 份样品的孔隙结构存在明显差异。其中覆土样品局部受到人为扰动，排除扰动裂隙后发现其孔隙密度较高，孔隙连通性较好。矸石样品孔隙数量较少，大孔隙较多，且大多数孔隙呈现为局部密集分布。泥矸混合样品的孔隙总数最多，孔隙较小，下部有少量大孔隙分布。泥矸混合样品的连通性较差，缺乏连通通道，不利于水分运移，这是层状土壤出现层间障碍带的主要原因之一。原状土与泥矸混合样品类似，孔隙结构以细小孔隙为主，包含少量大孔隙，但孔隙延伸长度较大，连通性较好。

图2 土壤样品三维孔隙模型Fig.2 3D pore models of different soil samples

2.1.1 土壤等效孔径

土壤大孔隙与水盐运移密切相关。一般而言，将平均孔径大于0.03 mm 的孔隙，土壤水分在重力作用下可移动的非毛管孔隙定义为大孔隙[27]。为了更细化地表示每个土柱大孔隙孔径在不同土壤样品中的差异性，将0.03 mm 以上的孔径进一步细分为0.03～<0.10、0.1～<0.2、0.2～<0.3、0.3～<0.4、0.4～<0.5、0.5～<0.6、0.6～<0.7、0.7～<0.8、0.8～<0.9、0.9～<1.0、1.0～<10.0、≥10.0 mm。

从图3 可以看出，覆土、泥矸混合、矸石和原状土样品中孔径小于0.2 mm 的孔隙占据绝大多数，占比分别为71.07%、92.45%、46.68%和70.12%。4 份样品中孔径≥0.2 mm 的孔隙数量占比均迅速减小然后基本保持平稳。经统计，其平均孔径分别为0.175、0.112、0.291 和0.178 mm。其中覆土与原状土样品的平均孔径和孔径分布都非常接近，0.1～<0.2 mm 孔径的孔隙占比达到峰值，分别为38.39%和38.10%。而矸石样品的平均孔径较大，0.1～<0.2 mm 孔径的孔隙占比达到峰值，为29.31%；≥0.2 mm 的各级孔隙占比均高于其他样品，而0.03～<0.10 mm 和0.1～<0.2 mm 的孔隙占比则略低。这是由于矸石质地粗糙，矸石之间缝隙较大[28]。泥矸混合样品的平均孔径最小，其0.03～<0.10 mm 的孔隙占比最大，远高于其他样品，达到了58.73%，而≥0.2 mm的孔隙占比较低。这是因为水分下渗过程将上层土壤的细小颗粒带入到矸石层的大孔隙之中淤积，阻塞孔隙，使得泥矸混合层的孔隙数目较多，孔隙直径变小。

图3 不同土壤样品孔径分析Fig.3 Pore sizes of different soil samples

2.1.2 土壤孔隙率

由于需要消除孔隙间细小连接的影响，将0.03～<0.10 mm 孔径排除，仅统计0.1～<0.2、0.2～<0.3、0.3～<0.4、0.4～<0.5、0.5～<0.6、0.6～<0.7、0.7～<0.8、0.8～<0.9、0.9～<1.0、1.0～<10.0、≥10.0 mm 的孔隙，4 份样品孔隙率分布如图4 所示。从图中可以看出，4 份样品的土壤总孔隙率由大到小为覆土＞矸石＞泥矸混合＞原状土。按孔径大小分布来看，原状土样品总孔隙率为2.331%，最大孔隙率所在孔径区间为1.0～<10.0 mm，为1.475%。覆土样品总孔隙率为21.003%，孔隙率峰值出现在孔径≥10.0 mm 处，达到19.86%。这是由于覆土样品在运输过程中发生人为扰动，出现了裂缝；排除人为扰动后，覆土的孔隙率与原状土样品接近。矸石样品的总孔隙率为8.299%，最大孔隙率所在孔径区间为≥10.0 mm，达到7.56%；孔隙率在0.1～<10.0 mm 的孔径区间内极小，基本集中在≥10.0 mm 的孔径区间内。泥矸混合样品总孔隙率为6.065%，最大孔隙率所在孔径区间为≥10.0 mm，达到4.696%；0.1～<1.0 mm 范围内孔隙率呈递减趋势，在≥1.0 mm 后孔隙率急剧增大。

图4 4 种土壤样品不同孔径孔隙率分布Fig.4 Porosity distributions of the four soil samples under different pore sizes

在土壤垂直方向上，随着土层深度增加，4 种样品的大孔隙率变化规律不同(图5)。覆土层整体孔隙率较高，波动较小，是因为样品在运输过程中出现裂缝；原状土整体孔隙率较小且波动不大；矸石层孔隙率较大，随着深度的增加，其孔隙率先减小后增加再减小。泥矸混合样品的孔隙率波动较大，在0.8 cm 处达到峰值0.25%。而在2.5～3.5 cm 处又降低到只有0.02%。这主要是因为水分运移将上层土壤颗粒带入下层矸石孔隙中。泥矸混合样品土壤孔隙较小，孔隙率较低，孔隙连通性较差，形成重构土壤层间孔隙差异，出现层间障碍带，对重构土壤水盐运移产生影响。

图5 土壤样品不同深度孔隙率分析Fig.5 Porosity at different depths of different soil samples

2.2 重构土壤水盐耦合

样品填充后，传感器测量未注水时的土柱初始数据见表3。土壤层和矸石层之间含水率存在显著差异，矸石层深度70 cm 含水率明显低于土壤层。土柱填充到30 cm 后间隔一段时间才继续填充至结束，在重力作用下，5 和30 cm 土壤层水分向下入渗使15 和50 cm 土壤层含水率略高。不同深度土壤层的含盐量随水分含量变化而变化，5 和30 cm 土壤层水分入渗过程中也将含盐量带入下层土壤。电导率较低主要是因为土壤含水率较低出现了电阻现象。煤矸石层没有水流通过，含水率低，孔隙率较高，孔径较大，含盐量和电导率值均为0。

表3 重构土壤参数初始数据Table 3 Initial data of the reconstituted soil

2.2.1 剖面水分变化

通过不同剖面深度传感器监测的水分变化如图6所示。在注水1 min 后，5 cm 深度土壤含水率开始上升，并在2 min 后达到最大值34.3%。15 cm 深度土壤在15 min 时含水率开始上升，20 min 时达到最大值34.31%。在120 min 时，水分在重力势作用下向下层运移，15 cm 层土壤含水率有所下降，但总体下降幅度较小，仅1.03%。30 cm 深度土壤在50 min 时含水率开始上升，在70 min 时水分含量达到最大值34.3%；同样在120 min 时含水率有所下降，降幅为1.88%。从CT 扫描结果看，覆土层土壤孔隙连通性较好，水分运移速度较快，但随着土柱深度的增加，水分运移速度变慢，水分含量上升速度变缓[29]。50 cm 深度土壤水分含量在300 min 后开始上升，420 min 时达到最大值34.31%。土柱70 cm 深度为矸石层，水分含量在1 200 min 时开始上升，1 260 min 时含水率达到最大值16.7%。由于矸石层孔隙孔径较大，孔隙率较高，水分运移和含水率上升速度较快，但持水能力较差。在层状土壤中，由于层间障碍带的存在，水分穿过层间界面时会在层间界面滞留[30]。在微观上，经过CT 扫描并重建三维孔隙结构后可以发现，层间界面土壤孔隙孔径和体积都较小，孔隙数量多但孔隙连通性差，缺乏水盐及土壤养分的运移通道，是层间障碍带出现的主要原因之一。导致矸石层水分在1 200 min 时才开始上升，远大于水分到达其他土层所需的时间。由于水分缺乏入渗通道且上层水分在重力势作用下向下运移，50 cm 层土壤含水率没有出现下降，始终保持在近乎饱和的状态。

图6 4 类土壤样品不同深度水分随时间的变化Fig.6 Time-varying moisture content at different depths of four soil samples

2.2.2 剖面含盐量变化

土壤入渗时，水分进入土壤孔隙中浸润土壤颗粒，土壤中的盐分被溶解，随着水分的运移而迁移[31]。土壤各深度盐分含量变化如图7 所示。注水后土壤盐分受到淋洗，由于覆土层孔隙连通性较好，盐分随水分快速向深层移动，各深度土壤含盐量均先增加后减小，5 cm 深度土壤层含盐量在5 min 时达到最大值498.23 mg/L。含盐量峰值出现时间略晚于土壤水分峰值出现时间，随后持续降低到220 mg/L 左右。15 cm深度土壤层含盐量在21 min 时达到最大值660.32 mg/L，随后持续降低至260 mg/L 左右。30 cm 深度土壤层含盐量在70 min 时达到最大值920.69 mg/L。然后缓慢下降至360 mg/L。50 cm 深度土壤层含盐量在1 190 min 时达到最大值944.63 mg/L，随后逐渐降低至870 mg/L。在土壤层中，土壤含盐量的峰值随着土壤深度的增加而增加，表明土壤盐分随水分进一步下移，深层土壤得到压盐。70 cm 深度矸石层因为层间界面孔隙连通性差，存在层间障碍带，水分难以突破障碍带，导致其含盐量在1 300 min 时才达到最大值197.64 mg/L。“盐随水来，盐随水去”是土壤盐分运移的一般规律[32]，矸石层含水率较低直接导致了其含盐量远低于土壤层，盐分无法下渗也导致50 和30 cm 土壤层盐分含量下降缓慢，盐分含量高于上层土壤，呈积盐状态。上层土壤盐分随水分下移，经历了一次脱盐过程。

图7 土壤样品不同深度含盐量随时间的变化Fig.7 Time-varying salt content at different depths of different soil samples

2.2.3 剖面水盐再分布过程

在注水后6 d 内，不同时间各深度土壤含盐量变化如图8 所示。注水后第1 天内各深度土壤含盐量达到峰值，之后5、15、30、50 cm 深度土壤层含盐量均呈现先减小后增加的趋势。其中50 cm 深度土壤层含盐量在第5 天降低到最低值550.08 mg/L，之后逐渐升高，其变化幅度最大，为38.34%。5、15、30 cm 土壤层含盐量均在第2 天降低到最小值，分别为334.00、339.75、432.70 mg/L，然后逐渐上升。5 cm 土壤层变化幅度最小，为10.62%。层间界面孔隙连通性较差，导致土壤水盐入渗较为困难，盐分随水分在50 cm 土壤层间累积。水分入渗土壤后，土壤水力特性较注水前明显改善，层间界面累积的盐分随着毛管力作用向上运移，如果此时形成适合蒸散的外界环境，地表蒸发会促进毛管力进一步发挥作用，5、15、30 cm 土壤层含盐量出现缓慢上升，上层土壤出现反盐现象[33]。重构土壤层间界面孔隙连通性较差出现层间障碍带，毛管水难以穿过，使50 cm土壤层含盐量在第5 天才开始缓慢上升[22]。由于煤矸石持水能力较差，盐分随水分运移至上层土壤，矸石层含盐量始终保持缓慢下降。

图8 土壤剖面含盐量再分布变化情况Fig.8 Redistribution of salt content along the soil profiles

3 结论

a.煤矸石重构土壤中，矸石样品孔隙较大，孔隙率较高；覆土与原状土样品孔隙结构非常接近，孔隙连通性较好；泥矸混合样品小孔隙占比较高，孔隙数量较多，但孔隙连通性差，缺乏水分运移通道，导致层间障碍带的形成。

b.土柱注水后，矸石层孔隙率较大导致其持水能力较差；由于层间界面孔隙连通性较差，水分在层间界面有明显的累积过程；入渗过程结束后，在毛管力作用下，深层土壤水分向上运移，矸石层水分难以突破层间障碍带使其含水量有少量下降。水分入渗时，土壤盐分随水分运移，各土壤层含盐量均先升高后降低；入渗结束后，表层土壤完成脱盐，深层土壤呈现积盐状态。

c.在注水后6 d 内，土壤层含盐量均先降低后升高；深层土壤盐分借助毛管力上升，地表蒸发促进毛管力进一步发挥作用，土壤则可能出现表层反盐现象；矸石层盐分在层间障碍带的影响下，向上运移缓慢，含盐量持续缓慢下降。

d.在矿区生态修复时，为了减小层间孔隙差异对重构土壤水盐运移的影响，利用煤矸石进行充填重构时，应选择颗粒较细的煤矸石，以减小层间孔隙的差异。由于层间障碍带的存在，土壤水分难以向上运移，同时表层土壤反盐现象均会影响矿区生态修复效果，因此，在煤矸石充填复垦区域应通过少量多次灌溉以减少水分流失，防止表层土壤含盐量过高。