《Sustainability》：Deep-Profile Soil Water Replenishment for Sustainable Water-Saving Restoration of Open-Pit Mine Dumps in Arid and Semi-Arid Regions
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水资源短缺、高非生产性土壤蒸发以及植被建立困难是干旱半干旱地区重建露天矿排土场可持续生态修复的主要制约因素。传统的表层补水可导致快速蒸发损失，从而降低有限水资源所获得的生态效益。然而，将水重新分配到更深的重建土壤层中，能否同时减少非生产性蒸发、稳定根区水热环境
水资源短缺、高非生产性土壤蒸发以及植被建立困难是干旱半干旱地区重建露天矿排土场可持续生态修复的主要制约因素。传统的表层补水可导致快速蒸发损失，从而降低有限水资源所获得的生态效益。然而，将水重新分配到更深的重建土壤层中，能否同时减少非生产性蒸发、稳定根区水热环境并改善植被生长，仍未得到充分验证。在本研究中，研究人员在重建的矿排土场土壤柱（种植了适应当地条件的针茅（Stipa））中测试了一种深剖面土壤水补给（deep-profile soil water replenishment, DPSWR）装置。通过单次模拟降雨比较、土壤持水与失水测量、10 cm和40 cm深度处的连续温度与水分监测以及植物生长指标，对表层补水（CK）和DPSWR进行了比较。在模拟降雨比较中，DPSWR在测试的降雨强度下均表现出较低的累积失水量，并改善了持水稳定性；CK下的蒸发速率约为DPSWR下的1.3倍，而DPSWR下的最终土壤持水能力约为CK下的2.4倍。DPSWR下的根鲜重、植株鲜重和幼苗数量显著高于CK（p < 0.01），最大株高和根长也显著增加（p < 0.05）。在等量水输入条件下，DPSWR减少了非生产性水分损失，延长了土壤持水时间，并支持了植被建立。这些发现表明，DPSWR可能为水资源有限地区重建矿排土场的可持续修复提供一种更节水的途径。
**研究背景与问题**
干旱半干旱地区生态系统脆弱，面临土壤侵蚀、土地退化和水分亏缺的严峻挑战。在露天矿区，大规模排土场严重扰动原始地貌和土壤结构，形成肥力低、结构稳定性差、蒸发强烈、植被建立困难的土壤剖面。中国西北部矿区年降水量常低于200 mm，潜在蒸发量远高于降水量，土壤颗粒组成、孔隙结构和人工层序的改变进一步削弱了长期土壤持水能力，使植被恢复高度依赖高效的水分补给。传统地表灌溉和地表滴灌系统在重建排土场土壤中存在明显局限：近地表管道和发射器易受热辐射、冻融和机械扰动破坏，且地表施水易导致非生产性蒸发损失。已有研究表明，灌溉深度和水分输送位置可影响土壤水分分布、蒸发过程、土壤温度及根区水分有效性，但在深层土壤中重新分配水分可能延长水分驻留时间并改变土壤水热动态。然而，现有证据多来自农田土壤、常规滴灌系统或自然土壤剖面，而重建排土场土壤的颗粒组成、孔隙结构和人工层序差异显著，相关结论无法直接迁移。因此，研究人员专门针对重建露天矿排土场土壤，评估深剖面土壤水补给（deep-profile soil water replenishment, DPSWR）的效果，旨在通过比较表层补水（CK）与DPSWR在等量水输入下的差异，量化水分垂直放置对土壤持水能力、累积失水量、土壤温度-水分动态及针茅（Stipa）生长的影响，从而为干旱半干旱地区分层重建排土场土壤提供节水修复策略的实验证据。该论文发表在《Sustainability》。
**关键技术方法**
研究人员在内蒙古鄂尔多斯市东胜区一复垦露天煤矿区开展实验，该区域代表中国西北干旱半干旱矿区，具有低降水、强蒸发、风蚀严重、重建土壤贫瘠等特点。实验土壤全部取自该矿区复垦区域，经自然风干、过筛后填入定制丙烯酸圆柱（高60 cm，直径40 cm，壁厚1 cm）中，构建包含基底隔水层、储水层、底土层、种植层和蒸发阻隔层的人工层序。DPSWR装置将滴灌管道出口置于储水层中50 cm深度处（位于隔水层上方、主根区下方），而CK采用地表均匀施水。在10 cm和40 cm深度处安装RS-485土壤温湿度传感器，每30分钟记录一次数据。采用单次模拟降雨比较实验（轻雨、中雨、大雨、暴雨），以及基于三个重复土壤柱的植被生长指标（最大株高、最大根长、根鲜重、植株鲜重、幼苗数、地上鲜重、地上干重、单株鲜重、单株干重）测量。
**研究结果**
**3.1 土壤水分变化阶段特征**
连续土壤水分记录显示植物生长过程中存在三个重复性过程阶段：雨后干燥阶段、无有效降雨的稳定至下降阶段，以及降雨或补水诱导的湿润阶段。根据降雨间隔长短，水分响应模式分为短间隔（新湿润事件发生在干燥序列完成前）和长间隔（完整湿润-稳定-干燥序列）两种类型。
**3.2 不同补水模式下关键生态修复指标的变化模式**
**3.2.1 补水模式对土壤蒸发和持水能力的影响**
通过线性回归分析，DPSWR处理较CK表现出更稳定的持水优势：初始土壤持水能力更高，且随时间下降速率更慢。累积失水方面，CK组增加更快，DPSWR组则较平缓。基于协方差分析（ANCOVA）的重复测量模型显示，处理对土壤持水能力有显著影响（p = 0.0067），DPSWR的7天平均持水能力（22.53 ± 1.40%）显著高于CK（16.10 ± 1.65%）；处理对累积失水量也有显著影响（p = 0.0108），DPSWR的7天平均累积失水（8.90 ± 1.71%）显著低于CK（15.52 ± 1.89%）。
**3.2.2 日土壤失水与持水能力的趋势关系**
Pearson相关分析显示，CK下日失水与持水能力呈弱正相关（r = 0.3120），DPSWR下呈负相关（r = -0.5838），均未达统计显著水平（p > 0.05），但两种处理表现出不同的方向性趋势。
**3.3 DPSWR下土壤蒸发随降雨的变化**
在单次模拟降雨比较中，所有降雨强度下CK的累积失水曲线均高于DPSWR。轻、中、重、暴雨条件下，实验结束时CK与DPSWR的累积失水差值分别为0.248、0.465、1.657和3.722 kg，表明处理差异随降雨强度增大而增大。CK在第一个观测间隔内失水占最终累积量的41.5–53.0%，而DPSWR仅占5.3–6.4%。DPSWR的7天曲线下面积（AUC）较CK低55.7%–62.6%。
**3.4 不同补水模式下土壤水热变化特征与分析**
（1）前期阶段（7.23–7.30）：补水后，DPSWR在10 cm和40 cm深度处的平均土壤水分（18.86%和19.35%）均高于CK（14.61%和15.63%），表明DPSWR具有更强的土壤持水能力。
（2）前中期阶段（8.01–8.12）：CK下40 cm深度水分（均值27.78%）明显高于10 cm（17.97%），而DPSWR下10 cm深度水分（均值24.75%）高于40 cm（16.45%），反映不同的水分再分布模式。
（3）中期阶段（8.13–8.30）：自然降雨后，CK下40 cm深度水分保持高且稳定（峰值约52%），DPSWR下10 cm深度水分保持较高（峰值约47%），而40 cm深度相对较低。
（4）后期阶段（9.01–9.11）：CK下层水分（31.80%）远高于DPSWR（15.60%），表明CK后期存在局部残留积水，而DPSWR维持较低但更稳定的下层水分模式。
**3.5 植物生长相关指标的差异分析**
所有9项植物生长指标（最大株高、最大根长、根鲜重、植株鲜重、幼苗数、地上鲜重、地上干重、单株鲜重、单株干重）在DPSWR下的均值均高于CK。Welch’s t检验及Benjamini–Hochberg假发现率（FDR）校正后，所有指标的p值均小于0.05。例如，DPSWR下的平均植株鲜重（9.54 g）约为CK（5.18 g）的1.84倍；平均最大根长从CK的16.02 cm增加到DPSWR的21.36 cm。
**讨论与结论**
讨论部分指出，DPSWR通过改变水分在土壤剖面中的初始分布，减少了早期水分损失，保持了更高的土壤持水能力，其蒸发速率约为CK的1.3倍，最终持水能力约为CK的2.4倍。单次模拟降雨比较显示，随着降雨强度增大，CK与DPSWR的累积失水差距扩大，表明DPSWR结构可减少暴雨后早期失水。土壤水热监测显示，DPSWR在前中期阶段维持了较高的上层水分，而后期CK下层存在局部残留积水，DPSWR则维持了更稳定的下层水分模式。植物生长方面，DPSWR下所有9项指标均显著高于CK，表明根区水分稳定促进了根系发育和生物量积累。研究局限性包括：仅使用3个重复土壤柱，统计功效有限；实验条件特定，结果适用性需在不同场景下验证；未测量水分迁移路径、蒸散发分配、植物生理指标等。未来研究需结合稳定同位素示踪、根系扫描、植物生理测量及长期田间试验。
研究结论部分翻译如下：
（1）本研究表明，在干旱半干旱地区露天矿排土场重建土壤剖面中，补水位置是影响土壤保水效率的重要因素。与传统的表层补水相比，DPSWR改变了水分在土壤剖面中的初始分布，将更多水分保留在受地表蒸发影响较小的土层中。CK下的水分蒸发速率约为DPSWR下的1.3倍，DPSWR下的最终土壤持水能力约为CK下的2.4倍，表明DPSWR具有改善重建土壤剖面持水稳定性的潜力。
（2）在单次模拟降雨比较中，DPSWR在测试的降雨情景下均表现出较低的累积失水趋势。在轻雨、中雨、大雨和暴雨条件下，CK与DPSWR的最终累积失水差值分别为0.248、0.465、1.657和3.722 kg，且CK下的早期失水更为集中。这表明将水输送到更深土层可能有助于削弱降雨或补水后的早期非生产性蒸发。
（3）DPSWR也在一定程度上影响了土壤水热过程和植物生长响应。CK与DPSWR下的土壤水分和温度表现出阶段特异性差异；例如，后期CK下层水分保持较高，而DPSWR维持了较低但相对稳定的下层水分模式。所有9项测量植物生长指标在DPSWR下均较高，且FDR校正后p值均小于0.05，但小样本量需谨慎解读。这些结果表明，DPSWR的保水效应与改善的植物生长趋势之间存在相对一致的证据链，但具体的水热耦合和生理机制仍需进一步验证。
（4）在类似测试条件下，DPSWR可能为矿区生态修复提供一种潜在的节水方案。在工程应用前，需通过特定地点的长期田间试验评估其补水深度与频率、装置稳定性、维护需求及成本效益。
