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由于成土原因和人类活动,不同数量、不同种类的碎石覆盖表土和嵌入土壤以及碎石夹层经常存在,碎石的存在不仅会改变土壤的某些物理和化学性质,还会进而影响地表水文过程、土壤水分运动及有效性。但因为碎石存在增大了取样的困难,大部分研究将土壤概化为均质介质,因此含有碎石的土壤的水文过程研究还相当有限。本文根据室内土柱模拟试验和神木六道沟流域及露天煤矿复垦土壤的田间试验小区观测试验,对不同碎石的含量,碎石直径及碎石种类对土壤水分溶质运移的影响进行研究,主要取得了以下结论:(1)不同碎石含量、碎石直径、碎石夹层位置及碎石种类均对土壤水分运动过程产生较大影响。含有砾石、料礓石及煤矸石的土壤的入渗过程均可用Kostiakov入渗模型和Philip公式进行较好的表述;且湿润锋随时间的变化过程可以用幂函数进行较好拟合。三种碎石的存在,均对土壤水分入渗过程产生阻碍作用。形状规则、磨圆度接近1的砾石对土壤水分累积入渗量及湿润锋变化过程的影响效应基本一致。一定入渗历时内,二者均与碎石含量及直径成负相关性。饱和导水率随砾石含量先增大后减小,随砾石直径增大而减小,与砾石直径成指数函数关系;利用Peck-Watson和Bouwer-Rice方程对饱和导水率进行估算,砾石直径介于0.2-1.0cm时,结果较精确,砾石直径介于1.0-5.0cm时,估算结果偏大。含有形状较不规则的块状料礓石的混合介质土壤水分累积入渗量、湿润锋深度及饱和导水率小于均质土壤的累积入渗量,且随料礓石含量先减小后增加,在料礓石含量为40%时达到最低。Peck-Watson方程和Bouwer-Rice方程估算的饱和导水率的结果仅在料礓石含量10%及20%时较接近试验结果。料礓石夹层对土壤水分入渗过程阻渗作用,一定入渗历时内,料礓石夹层对累积入渗量及湿润锋深度变化明显减弱,使整个入渗过程进入稳渗阶段。形状不规则的片状煤矸石对累积入渗影响显著,一定入渗历时内,累积入渗量随煤矸石含量的增加而降低,湿润锋深度随煤矸石含量先增加而后减小,在煤矸石含量为30%时达到最小值。煤矸石存在可以减缓土壤水分蒸发作用,不同含量煤矸石的累积蒸发量的大小为:0>15%>30%>45%>60%>75%。相同碎石含量及直径条件下,煤矸石混合介质稳定入渗率及饱和导水率最大;碎石含量较低时,砾石与料礓石混合介质稳定入渗率差异不显著,随含量继续增加,料礓石混合介质入渗速率大于砾石混合介质。(2)含有砾石、料礓石、煤矸石的土壤的氯离子穿透曲线无论碎石含量高低,直径大小,均可获得与均质土壤类似的平滑穿透曲线,且CDE方程和两区模型均可对土石混合介质的溶质运移过程进行较好描述。砾石、料礓石、煤矸石的存在较均质土壤对溶质运移过程均产生较大影响。砾石含量较高情况下,初始穿透时间较早,但拖尾现象严重。粒径为0.5cm的砾石直径是初始穿透时间的转折点。当砾石直径小于0.5cm时,初始穿透时间增加,拖尾现象显著;但随砾石直径继续增加,并无明显相关关系。当料礓石含量为60%时,溶质初始穿透时间最小,相对浓度达到最大时所需时间相对较长;但当料礓石含量为40%时,溶质完全穿透时间最长;煤矸石混合介质开始穿透时间均小于均质土壤所需时间,且随煤矸石含量增加先减少而后增加,在含量为30%时达到最小。(3)砾石含量小于40%的土石混合介质,其弥散度均小于均质土壤。弥散度随砾石含量的增加先减小后增加,与砾石直径无显著相关关系。料礓石混合介质拟合参数Peclet值均远大于1,因此,含有料礓石的溶质运移过程中,对流为主要的运移方式,料礓石的存在抑制了溶质的弥散运动。β值在料礓石含量为10%-30%区间,变化不明显,当料礓石含量达到极限值时,β值急剧增加,但随料礓石含量继续增加,这种变化不再明显。煤矸石混合介质的溶质运移过程随煤矸石含量增加,穿透曲线变缓,弥散度变大;延迟因子随煤矸石含量增加先增加而后减小,在煤矸石含量为30%时达到最小,且煤矸石混合介质所得延迟因子数值均大于1;拟合参数β随煤矸石含量变化差异性显著,其值随煤矸石含量先降低而后增加,在煤矸石含量为30%时达到最小。碎石对于溶质运移过程阻碍作用显著,砾石及料礓石混合介质均在最大含量时最早检测出穿透氯离子,弥散度在碎石含量为40%时达到最大,而煤矸石恰与之相反。(4)田间试验小区分析不同含量及种类的碎石对土壤水分运动过程的影响,结果表明:不同吸力处理下,同一类型碎石的初始入渗速率在最初水头(-15 cm)下最大,而稳定入渗速率均表现为0 cm >-3 cm >-15 cm;同一吸力下,在碎石含量逐渐增加的过程中,不同碎石类型的稳定入渗率变化不同。对于砾石,较大稳定入渗率值出现在碎石含量51.5%,最小值出现在砾石含量31.5%;对于煤矸石,最小值出现在60%碎石含量,最大值出现在15%碎石含量;而对于料礓石,稳定入渗率最小值出现在碎石含量20%处,最大值出现在碎石含量50%处。一定含量的碎石对增加入渗,减小产流具有积极作用,并因碎石类型不同,促进作用也有所不同。煤矸石含量15%和30%时的饱和导水率分别是均质土壤饱和导水率的1.33和1.21倍;料礓石含量为15%时的饱和导水率是均质土壤饱和导水率的1.48倍。(5)马家塔露天煤矿复垦区四种不同土地利用类型的复垦土壤因回填填充材料及方法的不同,使得复垦土壤物理性质及水文性质产生较大差异。不同土地利用类型下的土壤水分入渗速率为:草地>林地>灌木>荒地,其特征在负压0cm时最为显著,且初始入渗速率与土壤初始含水量呈负相关关系。在入渗初期,负压对入渗速率影响效果不显著;随入渗历时增加,不同负压下四种土地利用类型的土壤入渗速率随入渗历时增加呈减小趋势明显,草地在三种不同负压下入渗速率随时间的变化趋势显著,荒地的变化趋势最弱。草地的土壤饱和导水率最大,其次是林地和灌木,荒地最小。饱和导水率与土壤容重成负相关关系。(6)料礓石覆盖度及料礓石嵌入含量均对入渗补给系数产生显著影响,且料礓石含量对于入渗补给系数的影响大于料礓石覆盖度的影响。随料礓石覆盖度增加,入渗补给系数逐渐减小,低碎石含量情况下,料礓石含量同样与入渗补给系数具有负相关关系。料礓石嵌入小区的平均入渗速率随料礓石含量的增加而缓慢增加。料礓石覆盖的试验小区,初始径流时间大于料礓石嵌入的试验小区。料礓石覆盖度较大,即达到45.6%和62.7%时,初始入渗速率最大。入渗速率基本随料礓石含量的增大而呈减小趋势。Kostiakov入渗经验公式和Philip方程均可以对降雨入渗过程进行描述。本文的研究结果及理论分析,有助于提高人们对含有碎石的土壤水分及溶质运移过程和机理的认识,,为土石山区生态恢复和环境改善具有重要意义。