综述：有机质含量对沙质材料水力特性的影响

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Organic matter content influence on the hydraulic properties of sandy material

本研究通过实验室测试评估了有机质（OMC）对砂土混合物水保持曲线（WRC）和饱和水力传导率（k_sat）的影响，并基于Fredlund和Xing模型建立了预测WRC的方程。结果表明，OMC增加导致k_sat显著降低，但空气进入值（AEV）变化不大。模型预测与实测数据高度吻合（R2≥0.977），验证了其适用性。

　　本研究围绕矿场复垦中使用的覆盖系统性能展开，重点探讨了有机质含量（OMC）对砂质材料的水力特性的影响。水力特性通常包括体积含水量、吸力和饱和渗透系数（k_sat），这些参数对于评估土壤的水流动性和水保持能力至关重要。然而，这些参数可能受到多种因素的影响，如土壤矿物化、温度以及有机质含量，这使得准确评估覆盖系统的性能变得复杂。为了更深入地理解OMC对水力特性的影响，本研究设定了两个主要目标：（i）评估不同有机质含量对砂质材料的水力特性曲线（WRC）和^k_sat的影响；（ii）提出基于Fredlund和Xing模型的预测方程，用于估算添加有机质后的砂质材料的WRC。研究通过实验室测试获得了不同有机质浓度下的砂质材料的WRC和^k_sat，并分析了这些数据，以验证预测模型的准确性。

有机质因其独特的物理和化学特性，在土壤中具有极强的水保持能力。它像海绵一样能够吸收并储存大量水分，从而提高土壤的水力性能。然而，有机质的添加对土壤的渗透性影响并不总是显著，其效果取决于多种因素，如土壤颗粒的组成、有机质的类型以及环境条件等。某些研究发现，当有机质含量较低时，其对土壤的水保持能力影响较小，但在高有机质含量的情况下，这种影响则更加明显。此外，有机质的添加可以促进土壤颗粒的聚集和大孔隙的形成，从而改善土壤的结构，提升其持水能力。这种持水能力的提升可能导致^k_sat的下降，因为水分的存储和传输受到了限制。

在本研究中，实验使用了不同浓度的泥炭（从0%到15%）对砂质材料进行改性，并通过实验室测试获得了其水力特性数据。实验结果显示，随着泥炭浓度的增加，^k_sat呈现出逐渐下降的趋势，这表明泥炭的添加显著影响了砂质材料的渗透性。然而，空气进入值（AEV）的变化则较为有限，仅在特定浓度下出现了显著差异。这一现象可能与泥炭在不同分解阶段的物理特性有关，未完全分解的泥炭具有更高的纤维含量和较大的活性孔隙，因此其释放水分的能力较强，而在高度分解的泥炭中，水分被更有效地储存，导致其释放能力下降。

此外，研究还提出了基于Fredlund和Xing模型的预测方程，用于估算砂质材料在不同有机质含量下的WRC。Fredlund和Xing模型因其灵活性和对复杂非饱和介质的准确建模能力，被广泛应用于土壤水力特性预测。该模型能够更好地描述高吸力区域的水分保持特性，而不像传统模型那样假设残余含水量为常数。通过将模型参数与土壤的物理特性进行相关性分析，研究团队建立了多个预测方程，以估算WRC的关键参数，如^ψ_i、<sup>ψ_r和θ_i。实验结果表明，这些预测方程在六个混合材料中表现出较高的准确性，R2值达到0.979至0.998之间，这表明模型在预测土壤水分保持能力方面具有良好的适用性。

研究还分析了有机质含量对土壤水分保持能力的影响。结果表明，随着有机质含量的增加，土壤的水分保持能力显著提高，这体现在WRC的曲线形态上。WRC在较高吸力下表现出更宽的水保持范围，意味着在相同吸力条件下，水分含量更高。这一现象表明，有机质的添加不仅改变了土壤的物理结构，还影响了其水分传输机制。例如，有机质的加入可以增加土壤的孔隙度，促进水分的储存，但同时也可能减少大孔隙的连通性，从而降低k_sat。

在矿场复垦过程中，覆盖系统的性能直接影响土壤的水文行为和生态环境的恢复。因此，准确评估覆盖系统的水力特性对于确保其长期稳定性和有效性至关重要。本研究通过实验室测试和模型预测，为矿场复垦中使用有机质改良土壤提供了科学依据。研究结果表明，有机质的添加可以显著影响砂质材料的水力特性，但其具体影响因材料的原始特性、有机质的类型和添加比例而异。因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的有机质类型和添加比例，以达到最佳的水力调控效果。

本研究的结论表明，有机质含量的增加会降低砂质材料的k_sat，这主要是由于有机质增强了水分的保持能力，从而减少了水分的快速流动。同时，WRC的曲线向上和向右移动，意味着在相同吸力条件下，水分含量更高，这表明有机质的添加提高了土壤的水分保持能力。此外，研究团队开发的预测方程在多个实验条件下均表现出良好的预测能力，能够有效估算不同有机质含量下的WRC参数，这为未来的土壤水力特性研究提供了新的工具和方法。

研究还强调了有机质在土壤水力特性调控中的重要性。有机质的添加不仅改变了土壤的物理结构，还影响了其水分传输机制，从而对覆盖系统的性能产生深远影响。在矿场复垦中，有机质的使用可以帮助减少酸性矿井排水（AMD）的发生，因为其能够形成毛细屏障效应（CCBE），通过在不同粒径层之间建立水力屏障，防止水分的快速流失。这一效应在实际工程中具有重要的应用价值，特别是在需要维持土壤湿度和防止地下水污染的场景中。

总体而言，本研究为矿场复垦中使用有机质改良土壤提供了重要的科学依据和实用工具。通过实验和模型预测，研究团队揭示了有机质含量对水力特性的影响机制，并验证了预测模型的准确性。这些结果不仅有助于理解土壤的水力行为，还为优化覆盖系统的设计和管理提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索不同有机质类型和添加比例对土壤水力特性的影响，以及在不同环境条件下的应用效果。此外，还可以考虑将有机质与其他改良材料结合使用，以提高土壤的综合性能。</sup>