基于CT 掃描的重構(gòu)土壤孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)水鹽運(yùn)移影響

李華焜，鄭劉根,2,*，陳永春，李 兵，陶鵬飛，李 浩

(1.安徽大學(xué) 安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)技術(shù)中心能源研究院，安徽 合肥 230601；3.深部煤炭安全開采與環(huán)境保護(hù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

煤矸石是煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，占原煤總產(chǎn)量的15%～20%[1-2]，是礦區(qū)環(huán)境污染的主要原因之一。大量煤矸石的堆積不僅占用土地資源，而且?guī)砜諝馕廴?、水資源污染和地質(zhì)災(zāi)害等生態(tài)環(huán)境問題[3-4]。煤矸石作為土地復(fù)墾的充填材料，不僅具有孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)良、減少土壤黏結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，還可以減少其對(duì)環(huán)境的危害[5]。

土壤鹽分是土壤評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是影響植物生長(zhǎng)的重要因素[6]。土壤鹽分含量高低直接影響植物水分和養(yǎng)分的吸收程度，鹽分含量過高可引起植物生理性缺水，影響植物正常的營(yíng)養(yǎng)吸收，導(dǎo)致植物發(fā)育不良進(jìn)而導(dǎo)致減產(chǎn)或死亡[7]。土壤孔隙是土壤中水分與空氣存在的場(chǎng)所，是植物根系與微生物的生活空間，土壤孔隙會(huì)影響土壤水、肥、氣等性質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境、地下水系統(tǒng)及大氣循環(huán)有著重要影響[8-9]。不同尺度的土壤孔隙會(huì)對(duì)土壤水分的運(yùn)移產(chǎn)生不同的影響[10]。在水分運(yùn)移過程中，土壤中的孔隙內(nèi)部由于毛管力和重力的作用下會(huì)形成水分張力梯度，從而引起水分在孔隙中的移動(dòng)[11]。王金滿等[12]研究發(fā)現(xiàn)，采礦和排土等活動(dòng)會(huì)降低土壤孔隙數(shù)量和孔隙率，尤其是大孔隙數(shù)量和大孔隙；土地復(fù)墾對(duì)增加土壤孔隙數(shù)量和孔隙率有一定作用，但過程比較緩慢。蔡太義等[13]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)墾年限對(duì)沉陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)修復(fù)具有較大影響，土壤結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需經(jīng)過10 a 左右的時(shí)間。相較于土壤而言，煤矸石的質(zhì)地更為粗糙，孔隙率較高，孔徑較大，水分在其中的運(yùn)移速度相對(duì)較快[14]。煤矸石復(fù)墾土壤的層間孔隙差異明顯大于一般層狀土壤，會(huì)影響表層土壤水肥氣運(yùn)動(dòng)過程[15]。

土壤孔隙結(jié)構(gòu)常采用實(shí)測(cè)的水分特征曲線、壓汞曲線、標(biāo)記穿透曲線等方法來間接獲取[16]。隨著土壤微形態(tài)學(xué)研究的發(fā)展，土壤切片法得到了更多的應(yīng)用，但土壤切片法過程比較繁瑣，并且在制備切片的過程中可能會(huì)破壞土壤孔隙結(jié)構(gòu)[17]。相較于傳統(tǒng)方法而言，CT 掃描技術(shù)可以在不破壞土壤原有孔隙結(jié)構(gòu)的情況下獲得其微觀孔隙結(jié)構(gòu)的三維圖像[18]。目前CT 掃描技術(shù)已在分析土壤大孔隙數(shù)量、大小、形狀和連通性等方面得到了廣泛應(yīng)用[19]。

目前重構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移的研究主要集中在土壤分層厚度[20]和分層數(shù)量[21]對(duì)土壤質(zhì)量和生態(tài)恢復(fù)的影響，關(guān)于層間孔隙差異對(duì)層狀重構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移的影響及影響機(jī)理的研究還比較少。因此，筆者采用CT 掃描技術(shù)分析復(fù)墾土壤層間界面的孔隙差異，通過室內(nèi)模擬土柱實(shí)驗(yàn)，研究層間孔隙對(duì)重構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移的影響，以期為沉陷區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在安徽淮南潘一礦矸石復(fù)墾區(qū)，選取合適的采樣點(diǎn)，使用吸能錘，將土壤重金屬分析采樣器打進(jìn)樣品層中，分別采集原狀土、覆土、泥矸混合和矸石層的土柱樣品。將采集來的樣品放于PVC 管(?50 mm×H120 mm，H為高度)中密封，并利用保鮮膜包裹冷藏，以供CT 掃描實(shí)驗(yàn)。

煤矸石樣品采自安徽淮南潘一礦區(qū)煤矸石山。在矸石山采樣時(shí)，從矸石山表層的不同高度處分別采集相同質(zhì)量的風(fēng)化樣品，將其混合均勻。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤矸石樣品的機(jī)械組成，先將粒徑大于50 mm 的煤矸石挑選出來，再分別用孔徑為10、5 和2 mm 的土壤篩對(duì)煤矸石進(jìn)行篩分測(cè)定質(zhì)量，將篩分后的樣品混合均勻后測(cè)定其飽和含水率[22]，結(jié)果見表1。

表1 煤矸石樣品的機(jī)械組成及飽和含水率Table 1 Mechanical composition and saturated water content of the coal gangue sample

實(shí)驗(yàn)填充土柱土壤采自安徽淮南市煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院附近。采樣時(shí)，先去除表層5 cm 土壤，用環(huán)刀取樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定容重及土壤飽和含水率，用鋁盒取樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含水率測(cè)定，然后再采集5～20 cm 深度土樣帶回實(shí)驗(yàn)室填充土柱。土壤樣品的含水率和容重用烘干法測(cè)定。將采集的土壤樣品放置在通風(fēng)且干燥的地方進(jìn)行自然風(fēng)干，取出其中的石塊和植物大根系，風(fēng)干后的樣品研磨后過2 mm 的土壤篩用以充填土柱。取過篩后的土壤，用激光粒度分析儀測(cè)定土壤顆粒組成[23-24]。實(shí)驗(yàn)土壤的主要物理特性見表2。

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

1.2 試驗(yàn)裝置

重構(gòu)土壤水熱鹽耦合模擬裝置如圖1 所示，裝置主要由土壤剖面柱、傳感器、變送器、交換機(jī)和服務(wù)器組成。土壤剖面柱為裝置的主體部分，采用有機(jī)玻璃制成，土柱筒高120 cm、直徑26 cm，筒壁厚度為1 cm，筒底設(shè)有多孔板，為防止試驗(yàn)過程中土粒流失，多孔板上墊有過濾膜。土柱筒最底部設(shè)有閥門，用于排水。在土柱筒不同深度的側(cè)壁預(yù)留5 個(gè)小孔，分別安裝水熱鹽三合一傳感器(土壤深度分別為5、15、30、50、70 cm)。試驗(yàn)裝置采用圓盤花灑來模擬人工降雨，通過流量來控制水流大小。

圖1 土壤柱設(shè)計(jì)Fig.1 Soil column design

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 土壤CT 掃描實(shí)驗(yàn)

樣品掃描采用工業(yè)CT phoenix v|tome|x m 設(shè)備。設(shè)置掃描電流230 μA、電壓190 kV、分辨率30 μm。掃描前，在射線源與樣品中間加入2 mm 鋁制過濾片以防止掃描結(jié)果出現(xiàn)偽像。掃描時(shí)將樣品垂直放置于CT 掃描儀中間的轉(zhuǎn)臺(tái)上，用計(jì)算機(jī)調(diào)整掃描樣品區(qū)域，通過豎向掃描樣品獲得一系列連續(xù)切片圖像。

將切片圖像導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過濾波降噪處理。利用Avizo 軟件將切片圖像重構(gòu)為三維模型[25-26]。利用軟件切割工具切割，保留樣品中心?25 mm×H50 mm 的土柱圖像，以去除邊緣效應(yīng)帶來的誤差。根據(jù)孔隙與基質(zhì)之間的灰度差異，利用閾值分割的方法將孔隙提取出來；再利用Label Analysis 模塊對(duì)孔隙孔徑、表面積、體積和孔隙率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與提取。

1.3.2 土柱模擬實(shí)驗(yàn)

確定裝置密封性后，將隨機(jī)采集的煤矸石樣品篩分后混合均勻地填充在土柱底部并壓實(shí)。再根據(jù)測(cè)得的土壤實(shí)際密度將土壤樣品填充進(jìn)土柱筒內(nèi)，分層壓實(shí)，其中矸石層為40 cm，土壤層為60 cm。傳感器通過孔位安裝在土柱內(nèi)，在填充樣品時(shí)，當(dāng)樣品略高于孔位下端時(shí)插入傳感器，確保傳感器下端與樣品貼合，再將樣品覆蓋住傳感器后壓實(shí)，以使傳感器與樣品緊密貼合。傳感器及數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)記錄剖面含水率、含鹽量及電導(dǎo)率的變化情況。實(shí)驗(yàn)開始后，通過圓盤花灑在土柱上方灌溉20 cm 的水，通過傳感器監(jiān)測(cè)土壤剖面水分和鹽分的動(dòng)態(tài)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征

4 種土壤樣品的內(nèi)部孔隙可視化結(jié)構(gòu)模型如圖2所示(圖中顏色用于區(qū)分不同孔隙)。不同樣品的孔隙數(shù)量由大到小為泥矸混合＞覆土＞原狀土＞矸石。從圖中可以看出，4 份樣品的孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯差異。其中覆土樣品局部受到人為擾動(dòng)，排除擾動(dòng)裂隙后發(fā)現(xiàn)其孔隙密度較高，孔隙連通性較好。矸石樣品孔隙數(shù)量較少，大孔隙較多，且大多數(shù)孔隙呈現(xiàn)為局部密集分布。泥矸混合樣品的孔隙總數(shù)最多，孔隙較小，下部有少量大孔隙分布。泥矸混合樣品的連通性較差，缺乏連通通道，不利于水分運(yùn)移，這是層狀土壤出現(xiàn)層間障礙帶的主要原因之一。原狀土與泥矸混合樣品類似，孔隙結(jié)構(gòu)以細(xì)小孔隙為主，包含少量大孔隙，但孔隙延伸長(zhǎng)度較大，連通性較好。

圖2 土壤樣品三維孔隙模型Fig.2 3D pore models of different soil samples

2.1.1 土壤等效孔徑

土壤大孔隙與水鹽運(yùn)移密切相關(guān)。一般而言，將平均孔徑大于0.03 mm 的孔隙，土壤水分在重力作用下可移動(dòng)的非毛管孔隙定義為大孔隙[27]。為了更細(xì)化地表示每個(gè)土柱大孔隙孔徑在不同土壤樣品中的差異性，將0.03 mm 以上的孔徑進(jìn)一步細(xì)分為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。

從圖3 可以看出，覆土、泥矸混合、矸石和原狀土樣品中孔徑小于0.2 mm 的孔隙占據(jù)絕大多數(shù)，占比分別為71.07%、92.45%、46.68%和70.12%。4 份樣品中孔徑≥0.2 mm 的孔隙數(shù)量占比均迅速減小然后基本保持平穩(wěn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其平均孔徑分別為0.175、0.112、0.291 和0.178 mm。其中覆土與原狀土樣品的平均孔徑和孔徑分布都非常接近，0.1～<0.2 mm 孔徑的孔隙占比達(dá)到峰值，分別為38.39%和38.10%。而矸石樣品的平均孔徑較大，0.1～<0.2 mm 孔徑的孔隙占比達(dá)到峰值，為29.31%；≥0.2 mm 的各級(jí)孔隙占比均高于其他樣品，而0.03～<0.10 mm 和0.1～<0.2 mm 的孔隙占比則略低。這是由于矸石質(zhì)地粗糙，矸石之間縫隙較大[28]。泥矸混合樣品的平均孔徑最小，其0.03～<0.10 mm 的孔隙占比最大，遠(yuǎn)高于其他樣品，達(dá)到了58.73%，而≥0.2 mm的孔隙占比較低。這是因?yàn)樗窒聺B過程將上層土壤的細(xì)小顆粒帶入到矸石層的大孔隙之中淤積，阻塞孔隙，使得泥矸混合層的孔隙數(shù)目較多，孔隙直徑變小。

圖3 不同土壤樣品孔徑分析Fig.3 Pore sizes of different soil samples

2.1.2 土壤孔隙率

由于需要消除孔隙間細(xì)小連接的影響，將0.03～<0.10 mm 孔徑排除，僅統(tǒng)計(jì)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 份樣品孔隙率分布如圖4 所示。從圖中可以看出，4 份樣品的土壤總孔隙率由大到小為覆土＞矸石＞泥矸混合＞原狀土。按孔徑大小分布來看，原狀土樣品總孔隙率為2.331%，最大孔隙率所在孔徑區(qū)間為1.0～<10.0 mm，為1.475%。覆土樣品總孔隙率為21.003%，孔隙率峰值出現(xiàn)在孔徑≥10.0 mm 處，達(dá)到19.86%。這是由于覆土樣品在運(yùn)輸過程中發(fā)生人為擾動(dòng)，出現(xiàn)了裂縫；排除人為擾動(dòng)后，覆土的孔隙率與原狀土樣品接近。矸石樣品的總孔隙率為8.299%，最大孔隙率所在孔徑區(qū)間為≥10.0 mm，達(dá)到7.56%；孔隙率在0.1～<10.0 mm 的孔徑區(qū)間內(nèi)極小，基本集中在≥10.0 mm 的孔徑區(qū)間內(nèi)。泥矸混合樣品總孔隙率為6.065%，最大孔隙率所在孔徑區(qū)間為≥10.0 mm，達(dá)到4.696%；0.1～<1.0 mm 范圍內(nèi)孔隙率呈遞減趨勢(shì)，在≥1.0 mm 后孔隙率急劇增大。

圖4 4 種土壤樣品不同孔徑孔隙率分布Fig.4 Porosity distributions of the four soil samples under different pore sizes

在土壤垂直方向上，隨著土層深度增加，4 種樣品的大孔隙率變化規(guī)律不同(圖5)。覆土層整體孔隙率較高，波動(dòng)較小，是因?yàn)闃悠吩谶\(yùn)輸過程中出現(xiàn)裂縫；原狀土整體孔隙率較小且波動(dòng)不大；矸石層孔隙率較大，隨著深度的增加，其孔隙率先減小后增加再減小。泥矸混合樣品的孔隙率波動(dòng)較大，在0.8 cm 處達(dá)到峰值0.25%。而在2.5～3.5 cm 處又降低到只有0.02%。這主要是因?yàn)樗诌\(yùn)移將上層土壤顆粒帶入下層矸石孔隙中。泥矸混合樣品土壤孔隙較小，孔隙率較低，孔隙連通性較差，形成重構(gòu)土壤層間孔隙差異，出現(xiàn)層間障礙帶，對(duì)重構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移產(chǎn)生影響。

圖5 土壤樣品不同深度孔隙率分析Fig.5 Porosity at different depths of different soil samples

2.2 重構(gòu)土壤水鹽耦合

樣品填充后，傳感器測(cè)量未注水時(shí)的土柱初始數(shù)據(jù)見表3。土壤層和矸石層之間含水率存在顯著差異，矸石層深度70 cm 含水率明顯低于土壤層。土柱填充到30 cm 后間隔一段時(shí)間才繼續(xù)填充至結(jié)束，在重力作用下，5 和30 cm 土壤層水分向下入滲使15 和50 cm 土壤層含水率略高。不同深度土壤層的含鹽量隨水分含量變化而變化，5 和30 cm 土壤層水分入滲過程中也將含鹽量帶入下層土壤。電導(dǎo)率較低主要是因?yàn)橥寥篮瘦^低出現(xiàn)了電阻現(xiàn)象。煤矸石層沒有水流通過，含水率低，孔隙率較高，孔徑較大，含鹽量和電導(dǎo)率值均為0。

表3 重構(gòu)土壤參數(shù)初始數(shù)據(jù)Table 3 Initial data of the reconstituted soil

2.2.1 剖面水分變化

通過不同剖面深度傳感器監(jiān)測(cè)的水分變化如圖6所示。在注水1 min 后，5 cm 深度土壤含水率開始上升，并在2 min 后達(dá)到最大值34.3%。15 cm 深度土壤在15 min 時(shí)含水率開始上升，20 min 時(shí)達(dá)到最大值34.31%。在120 min 時(shí)，水分在重力勢(shì)作用下向下層運(yùn)移，15 cm 層土壤含水率有所下降，但總體下降幅度較小，僅1.03%。30 cm 深度土壤在50 min 時(shí)含水率開始上升，在70 min 時(shí)水分含量達(dá)到最大值34.3%；同樣在120 min 時(shí)含水率有所下降，降幅為1.88%。從CT 掃描結(jié)果看，覆土層土壤孔隙連通性較好，水分運(yùn)移速度較快，但隨著土柱深度的增加，水分運(yùn)移速度變慢，水分含量上升速度變緩[29]。50 cm 深度土壤水分含量在300 min 后開始上升，420 min 時(shí)達(dá)到最大值34.31%。土柱70 cm 深度為矸石層，水分含量在1 200 min 時(shí)開始上升，1 260 min 時(shí)含水率達(dá)到最大值16.7%。由于矸石層孔隙孔徑較大，孔隙率較高，水分運(yùn)移和含水率上升速度較快，但持水能力較差。在層狀土壤中，由于層間障礙帶的存在，水分穿過層間界面時(shí)會(huì)在層間界面滯留[30]。在微觀上，經(jīng)過CT 掃描并重建三維孔隙結(jié)構(gòu)后可以發(fā)現(xiàn)，層間界面土壤孔隙孔徑和體積都較小，孔隙數(shù)量多但孔隙連通性差，缺乏水鹽及土壤養(yǎng)分的運(yùn)移通道，是層間障礙帶出現(xiàn)的主要原因之一。導(dǎo)致矸石層水分在1 200 min 時(shí)才開始上升，遠(yuǎn)大于水分到達(dá)其他土層所需的時(shí)間。由于水分缺乏入滲通道且上層水分在重力勢(shì)作用下向下運(yùn)移，50 cm 層土壤含水率沒有出現(xiàn)下降，始終保持在近乎飽和的狀態(tài)。

圖6 4 類土壤樣品不同深度水分隨時(shí)間的變化Fig.6 Time-varying moisture content at different depths of four soil samples

2.2.2 剖面含鹽量變化

土壤入滲時(shí)，水分進(jìn)入土壤孔隙中浸潤(rùn)土壤顆粒，土壤中的鹽分被溶解，隨著水分的運(yùn)移而遷移[31]。土壤各深度鹽分含量變化如圖7 所示。注水后土壤鹽分受到淋洗，由于覆土層孔隙連通性較好，鹽分隨水分快速向深層移動(dòng)，各深度土壤含鹽量均先增加后減小，5 cm 深度土壤層含鹽量在5 min 時(shí)達(dá)到最大值498.23 mg/L。含鹽量峰值出現(xiàn)時(shí)間略晚于土壤水分峰值出現(xiàn)時(shí)間，隨后持續(xù)降低到220 mg/L 左右。15 cm深度土壤層含鹽量在21 min 時(shí)達(dá)到最大值660.32 mg/L，隨后持續(xù)降低至260 mg/L 左右。30 cm 深度土壤層含鹽量在70 min 時(shí)達(dá)到最大值920.69 mg/L。然后緩慢下降至360 mg/L。50 cm 深度土壤層含鹽量在1 190 min 時(shí)達(dá)到最大值944.63 mg/L，隨后逐漸降低至870 mg/L。在土壤層中，土壤含鹽量的峰值隨著土壤深度的增加而增加，表明土壤鹽分隨水分進(jìn)一步下移，深層土壤得到壓鹽。70 cm 深度矸石層因?yàn)閷娱g界面孔隙連通性差，存在層間障礙帶，水分難以突破障礙帶，導(dǎo)致其含鹽量在1 300 min 時(shí)才達(dá)到最大值197.64 mg/L。“鹽隨水來，鹽隨水去”是土壤鹽分運(yùn)移的一般規(guī)律[32]，矸石層含水率較低直接導(dǎo)致了其含鹽量遠(yuǎn)低于土壤層，鹽分無法下滲也導(dǎo)致50 和30 cm 土壤層鹽分含量下降緩慢，鹽分含量高于上層土壤，呈積鹽狀態(tài)。上層土壤鹽分隨水分下移，經(jīng)歷了一次脫鹽過程。

圖7 土壤樣品不同深度含鹽量隨時(shí)間的變化Fig.7 Time-varying salt content at different depths of different soil samples

2.2.3 剖面水鹽再分布過程

在注水后6 d 內(nèi)，不同時(shí)間各深度土壤含鹽量變化如圖8 所示。注水后第1 天內(nèi)各深度土壤含鹽量達(dá)到峰值，之后5、15、30、50 cm 深度土壤層含鹽量均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。其中50 cm 深度土壤層含鹽量在第5 天降低到最低值550.08 mg/L，之后逐漸升高，其變化幅度最大，為38.34%。5、15、30 cm 土壤層含鹽量均在第2 天降低到最小值，分別為334.00、339.75、432.70 mg/L，然后逐漸上升。5 cm 土壤層變化幅度最小，為10.62%。層間界面孔隙連通性較差，導(dǎo)致土壤水鹽入滲較為困難，鹽分隨水分在50 cm 土壤層間累積。水分入滲土壤后，土壤水力特性較注水前明顯改善，層間界面累積的鹽分隨著毛管力作用向上運(yùn)移，如果此時(shí)形成適合蒸散的外界環(huán)境，地表蒸發(fā)會(huì)促進(jìn)毛管力進(jìn)一步發(fā)揮作用，5、15、30 cm 土壤層含鹽量出現(xiàn)緩慢上升，上層土壤出現(xiàn)反鹽現(xiàn)象[33]。重構(gòu)土壤層間界面孔隙連通性較差出現(xiàn)層間障礙帶，毛管水難以穿過，使50 cm土壤層含鹽量在第5 天才開始緩慢上升[22]。由于煤矸石持水能力較差，鹽分隨水分運(yùn)移至上層土壤，矸石層含鹽量始終保持緩慢下降。

圖8 土壤剖面含鹽量再分布變化情況Fig.8 Redistribution of salt content along the soil profiles

3 結(jié)論

a.煤矸石重構(gòu)土壤中，矸石樣品孔隙較大，孔隙率較高；覆土與原狀土樣品孔隙結(jié)構(gòu)非常接近，孔隙連通性較好；泥矸混合樣品小孔隙占比較高，孔隙數(shù)量較多，但孔隙連通性差，缺乏水分運(yùn)移通道，導(dǎo)致層間障礙帶的形成。

b.土柱注水后，矸石層孔隙率較大導(dǎo)致其持水能力較差；由于層間界面孔隙連通性較差，水分在層間界面有明顯的累積過程；入滲過程結(jié)束后，在毛管力作用下，深層土壤水分向上運(yùn)移，矸石層水分難以突破層間障礙帶使其含水量有少量下降。水分入滲時(shí)，土壤鹽分隨水分運(yùn)移，各土壤層含鹽量均先升高后降低；入滲結(jié)束后，表層土壤完成脫鹽，深層土壤呈現(xiàn)積鹽狀態(tài)。

c.在注水后6 d 內(nèi)，土壤層含鹽量均先降低后升高；深層土壤鹽分借助毛管力上升，地表蒸發(fā)促進(jìn)毛管力進(jìn)一步發(fā)揮作用，土壤則可能出現(xiàn)表層反鹽現(xiàn)象；矸石層鹽分在層間障礙帶的影響下，向上運(yùn)移緩慢，含鹽量持續(xù)緩慢下降。

d.在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)時(shí)，為了減小層間孔隙差異對(duì)重構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移的影響，利用煤矸石進(jìn)行充填重構(gòu)時(shí)，應(yīng)選擇顆粒較細(xì)的煤矸石，以減小層間孔隙的差異。由于層間障礙帶的存在，土壤水分難以向上運(yùn)移，同時(shí)表層土壤反鹽現(xiàn)象均會(huì)影響礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效果，因此，在煤矸石充填復(fù)墾區(qū)域應(yīng)通過少量多次灌溉以減少水分流失，防止表層土壤含鹽量過高。