Study on Stability and Fractal Characteristics of Soil Aggregates in Mine Spoil Areas

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0210

Abstract

Abstract:

The condition of soil aggregates within mining-disturbed areas critically determines the selection and design of ecological restoration strategies for mined ecosystems. This study focused on open-pit mining-disturbed sites in eastern Yunnan. Specifically, representative soil samples were systematically collected from five typical mining-disturbed sites and one undisturbed control site at Dushi Mountain Mine, to characterize the stability of soil aggregates and their fractal dimension properties in mining-impacted environments. The results showed that mining operations significantly altered the distribution of mechanical soil aggregates and water-stable aggregates, further influencing key soil aggregate parameters including mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD), and the proportion of aggregates exceeding 0.25 mm in diameter (R>0.25). These changes led to reduced soil structural stability, evidenced by the percentage of aggregate destruction (PAD) in both surface and subsurface layers of the mining-disturbed sites, which were 1.88-28.66 percentage points higher than control (CK) plots. Conversely, the water-stable aggregate stability rate (WASR) in mining areas was consistently lower than that of CK. Notably, under both dry and wet sieve methodologies, the fractal dimension of soil aggregates decreased significantly with increasing content of aggregates >0.25 mm. Therefore, the fractal dimension could be reduced and soil structural stability enhanced by increasing the content of soil aggregates larger than 0.25 mm. This study elucidated the stability and fractal characteristics of soil aggregates in mining-disturbed sites, providing a scientific basis for the selection and configuration of ecological restoration measures in post-mining ecosystems.

Key words: spoil areas, soil aggregates, stability, fractal dimension

GUO Yiwei, ZHANG Yongying, GAO Zihang, FAN Chunmei. Study on Stability and Fractal Characteristics of Soil Aggregates in Mine Spoil Areas[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2025, 41(29): 38-45.

Figures/Tables 10

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采样点/试验处理编号	经纬度		海拔/m		平均坡度/°		坡长/m		采样点/个
CK	103°44′44″ E，25°40′15″ N		2120		0		—		5
K1	103°44′44″ E，25°40′15″ N		2100		30		13.8		5
K2	103°44′48″ E，25°40′12″ N		2100		50		15		5
K3	103°44′47″ E，25°40′13″ N		2110		42		9.8		5
K4	103°44′52″ E，25°40′12″ N		2092		36		4.5		5
K5		103°44′45″ E，25°40′15″ N		2100		0		—		5

采样点/试验处理编号	经纬度		海拔/m		平均坡度/°		坡长/m		采样点/个
CK	103°44′44″ E，25°40′15″ N		2120		0		—		5
K1	103°44′44″ E，25°40′15″ N		2100		30		13.8		5
K2	103°44′48″ E，25°40′12″ N		2100		50		15		5
K3	103°44′47″ E，25°40′13″ N		2110		42		9.8		5
K4	103°44′52″ E，25°40′12″ N		2092		36		4.5		5
K5		103°44′45″ E，25°40′15″ N		2100		0		—		5

采样点编号	土层深度/cm		>5 mm		2~5 mm		1~2 mm	0.5~1 mm		0.25~0.5 mm		<0.25 mm
CK	0~20		34.67a		34.92ah		9.22 a	11.86 aeh		4.93 a		4.40 a
CK	20~40		42.56af		29.97ag		6.75 befg	10.24 adf		5.43 a		5.04 a
K1	0~20		38.81ag		30.96 ag		7.67 aef	12.14 ae		5.61 a		4.80 a
K1	20~40		54.55bf		26.00 bg		5.60 cef	7.50 fgh		3.30 ac		3.04 a
K2	0~20		37.47ah		33.32 ai		7.55 aef	10.97 aef		5.10 a		5.60 a
K2	20~40		50.44cfgh		30.40 ag		5.94 befh	7.00 bdf		2.83 ac		3.40 a
K3	0~20		28.41 a		27.06 cgi		7.80 af	15.19 e		10.25 b		11.28 b
K3	20~40		29.92 a		26.77 dgi		8.09 agh	15.30 e		10.03 b		9.89 b
K4	0~20		70.92di		17.40 ej		2.95 d	4.33 bgij		2.01 c		2.39 a
K4	20~40		77.87ei		14.29 fj		2.25 d	2.59 ci		1.34 c		1.67 a
K5		0~20		38.88ah		41.06 h	5.48 e		8.26 afj		3.35 ac	2.97 a
K5		20~40		35.35ah		38.16 hi	6.79 befh		10.09 af		4.94 a	4.66 a

采样点编号	土层深度/cm		>5 mm		2~5 mm		1~2 mm	0.5~1 mm		0.25~0.5 mm		<0.25 mm
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K2	0~20		37.47ah		33.32 ai		7.55 aef	10.97 aef		5.10 a		5.60 a
K2	20~40		50.44cfgh		30.40 ag		5.94 befh	7.00 bdf		2.83 ac		3.40 a
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K4	0~20		70.92di		17.40 ej		2.95 d	4.33 bgij		2.01 c		2.39 a
K4	20~40		77.87ei		14.29 fj		2.25 d	2.59 ci		1.34 c		1.67 a
K5		0~20		38.88ah		41.06 h	5.48 e		8.26 afj		3.35 ac	2.97 a
K5		20~40		35.35ah		38.16 hi	6.79 befh		10.09 af		4.94 a	4.66 a

采样点编号	土层深度/cm	>5 mm	2~5 mm	1~2 mm	0.5~1 mm	0.25~0.5 mm	<0.25 mm
CK	0~20	0.32 a	12.71 ace	10.86 a	29.78 a	13.94 a	32.38 a
CK	20~40	1.86 ac	18.85 a	7.99 b	22.20 ac	11.71 a	37.39 ac
K1	0~20	3.34 ab	11.12 c	3.50 cgh	16.67 cde	16.10 ab	49.28 be
K1	20~40	4.99 bc	4.20 bde	4.08 cd	24.76 adf	18.35 ac	43.62 bcij
K2	0~20	4.37 bc	2.94 be	2.04 e	12.16 beg	18.20 ac	60.29 de
K2	20~40	5.77 bd	4.02 bde	2.71 ce	18.22 cfgh	17.03 ad	52.27 bdf
K3	0~20	3.15 acd	9.18 bc	5.36 d	19.29 cfgh	15.60 ae	47.43 cfgk
K3	20~40	2.73 acd	6.12 bce	4.71 dg	14.40 cg	17.07 ae	54.96 efh
K4	0~20	3.99 acd	10.07 cd	7.51 b	30.01 a	15.36 a	33.06 ai
K4	20~40	3.01 acd	7.29 bce	5.48 d	24.92 adhi	22.20 bcdef	37.10 agj
K5	0~20	1.37 ac	2.16 e	2.35 eh	23.88 adhi	25.22 f	45.02 bchj
K5	20~40	1.31 ac	1.93 e	2.00 ef	21.21 cfi	24.55 cf	49.00 bhk