楊漢宏, 張 勇, 鄭海峰, 吳麗萍, 吳國璽, 王鐵軍

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

不同人工植物配置對(duì)排土場邊坡水土流失的影響

楊漢宏1, 張 勇1, 鄭海峰1, 吳麗萍2, 吳國璽2, 王鐵軍2

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯010300； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院內(nèi)蒙古呼和浩特010050)

[目的] 揭示人工植被配置對(duì)露天礦排土場邊坡水土流失的影響，為半干旱地區(qū)露天礦區(qū)排土場邊坡水土流失控制提供依據(jù)。 [方法] 以不同植物配置和對(duì)照(未治理)邊坡為研究區(qū)，于2014年和2015年的5—10月，對(duì)邊坡徑流和土壤侵蝕量與降雨量的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。 [結(jié)果] (1) 控制坡面徑流。喬灌草和灌草配置是較好選擇，其坡面徑流僅為對(duì)照的42.9%和52.6%，二者無顯著性差異。 (2) 控制邊坡土壤侵蝕。3種植物配置措施都與對(duì)照區(qū)存在顯著性差異，其土壤侵蝕量僅為對(duì)照區(qū)的2.3%～6.7%。日降雨量與坡面徑流和土壤侵蝕量之間都存在顯著線性關(guān)系。 [結(jié)論] 不同植被配置對(duì)邊坡侵蝕控制優(yōu)于徑流深，與對(duì)照區(qū)相比侵蝕量減少93%以上，而徑流深僅減少了28%～57%。

降雨量; 徑流深; 侵蝕量; 半干旱地區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 楊漢宏, 張勇, 鄭海峰, 等.不同人工植物配置對(duì)排土場邊坡水土流失的影響[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：6-11.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.002； Yang Hanhong， Zhang Yong， Zheng Haifeng， et al. Impacts of different artificial plant collocations on soil and water loss at side slope in mine dump[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：6-11.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.002

礦產(chǎn)資源開采過程中廢棄物處理是影響礦區(qū)及周邊地區(qū)的主要因素，尤其是在大型露天開采區(qū)[1]。這種影響主要表現(xiàn)在二個(gè)方面，其一是開采造成的環(huán)境問題，如成為局地沙塵源區(qū)、水土流失區(qū)和植被嚴(yán)重退化地區(qū)等；其二是造成土地資源的浪費(fèi)[2]。我國是全球最大煤炭開采國家之一，而且多數(shù)大型露天煤礦大多分布在生態(tài)環(huán)境脆弱干旱、半干旱交錯(cuò)區(qū)[3]。尤其在內(nèi)蒙古草原區(qū)分布著中國最主要的露天礦區(qū)，如分布在鄂爾多斯地區(qū)的黑岱溝露天煤礦、神府東勝和大唐露天煤礦，分布在內(nèi)蒙古東部草原區(qū)的霍林河礦、伊敏露天煤礦等，這些礦區(qū)的開發(fā)面積甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一些中小型城鎮(zhèn)的規(guī)模，露天開采對(duì)礦區(qū)土地資源與生態(tài)環(huán)境的壓力日趨嚴(yán)重[4]。大型露天礦各種施工活動(dòng)所產(chǎn)生的人工排土堆是礦區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的地貌單元，是一種典型的由土壤、不同粒徑碎石組成的松散土石混合物，其與原地貌、土壤或均質(zhì)巖土體存在較大差別。在降雨條件下，土石混合體邊坡會(huì)發(fā)生較為明顯的水土流失，與原地貌侵蝕方式或程度存在差異[5-6]。從目前該領(lǐng)域研究特點(diǎn)來看主要集中在3個(gè)方面： (1) 針對(duì)排土堆的侵蝕與產(chǎn)沙規(guī)律、平臺(tái)與邊坡土壤侵蝕特征等開展的研究較多[7-9]； (2) 針對(duì)排土場堆積平臺(tái)和邊坡的工程堆積體物理力學(xué)性質(zhì)、侵蝕過程及邊坡穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究[10-13]； (3) 針對(duì)排土場穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行探討[14-15]。在這些研究中，排土場平臺(tái)或邊坡的性質(zhì)被予以了高度的關(guān)注并有較完整的研究結(jié)果，但是對(duì)于排土場人工植被恢復(fù)中喬灌草配置對(duì)邊坡土壤侵蝕的研究相對(duì)較少，已有的研究涉及到了植物與土壤侵蝕關(guān)系研究，但也是以排土場年限表征植被狀況進(jìn)行分析，而缺少了植物配置對(duì)土壤侵蝕影響的研究[16]。因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，從不同植被配置方式對(duì)排土場邊坡土壤侵蝕進(jìn)行研究，主要擬驗(yàn)證的科學(xué)問題是不同生長型植物(喬木、灌木、草本)配置對(duì)邊坡土壤侵蝕的影響機(jī)制，為干旱、半干旱地區(qū)大型露天礦區(qū)排土場基于水土流失控制的人工植被恢復(fù)最佳模式選擇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部的黑岱溝露天煤礦。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°10′—111°25′，北緯39°25’—39°59′，面積55 km2。該區(qū)地形地貌屬于晉、陜、蒙接壤的黃土高原地區(qū)，是中國也是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重地區(qū)之一。研究區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍緡?yán)寒而漫長，夏季溫?zé)岫虝?，晝夜溫差較大。年平均氣溫為5.3～7.6 ℃，多年平均降水量408 mm，其中60%～70%集中在每年的7—9月；降水量約占全年的60%～70%；年蒸發(fā)量為1 824.7～2 896.1 mm；日照3 119.3 h。礦區(qū)內(nèi)地帶性土壤不明顯，非地帶性土壤(黃綿土)分布廣泛，其中粉粒占64%～73%，黏粒占17%～20%；土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力弱，水土流失嚴(yán)重。礦區(qū)內(nèi)地帶性植被屬暖溫型草原帶，天然植被稀疏低矮，蓋度在30%以下。人工植被以油松(Pinustabuliformis)、小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganaintermedia)和沙棘(Hippophaerhamnoides)為主，林間坡地主要草本植物有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、白藜(Chenopodiumalbum)、本氏針茅(Stipabungeana)和白羊草(Bothriochloaischaemum)等為優(yōu)勢種。

黑岱溝露天煤礦1992年建成投產(chǎn)。在開采近24 a里，礦區(qū)共設(shè)有北排土場、東排土場等6處。排土場標(biāo)高為分布在1 200～1 320 m，每15 m高程設(shè)一平臺(tái)，邊坡坡度在34°～38°之間。在排土場復(fù)墾過程中主要以防止水土流失為目標(biāo)，采用喬、灌、草不同混交配置。主要有油松、沙棘、山杏、無芒雀麥(Bromusinermis)和紫花苜蓿(Medicagosativa)等。本試驗(yàn)布置在北排土場，該小區(qū)從1995年開始復(fù)墾，到2003年完成，累計(jì)完成復(fù)墾面積147.96 hm2，分布在1 200～1 245 m邊坡上。無植被對(duì)照區(qū)設(shè)置在陰灣排土場，坡底標(biāo)高為1 450 m處。

2.2 研究方法

運(yùn)用坡面徑流小區(qū)研究天然降雨與水土流失關(guān)系是目前常用的研究方法。在本文的研究中，不同人工植被徑流小區(qū)設(shè)置在北排土場的西坡面(1993年開始植被恢復(fù)重建)，標(biāo)高選擇在1 200～1 275 m坡面上，徑流對(duì)照區(qū)設(shè)置在陰溝排土場(表1)。在每種植被類型和對(duì)照區(qū)上設(shè)長20 m、寬5 m徑流小區(qū)3個(gè)，共12個(gè)。徑流小區(qū)用PVC板材做隔離材料，在坡地平臺(tái)用磚砌混凝土抹面做匯水池并配有塑料遮布，匯水池長、寬、高分別為3，2和1 m，最大容量6 m3，可容納最大徑流量為60 mm。為了與氣象站日降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，在徑流小區(qū)入池口設(shè)分流調(diào)節(jié)閥，如降水過程超過晚12：00，則關(guān)閉入池閥，打開側(cè)閥將徑流小區(qū)水量排到池外，同時(shí)用塑料遮布蓋住匯水池。在匯水池最低處設(shè)排水口，一次降水過程測定后，將水、泥沙排干。由于研究區(qū)集中在很小范圍內(nèi)且經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化排土堆砌，地形(坡度、坡長)、土壤類型(擾動(dòng)黃綿土)基本一致，不同地是植被(人工配置)和降雨量的差異。因此，選取不同人工植被類型(表1)和日降雨量進(jìn)行坡面水土流失特征分析。其中，降雨量采用2014，2015年5—10月數(shù)據(jù)(11月到羿年4月多有降雪，故不進(jìn)行觀測)，期間如果發(fā)生連日降水事件，則只選擇最完整一天的測定數(shù)據(jù)參與分析；水土流失特征用坡面徑流深(mm)和土壤侵蝕量(kg/m2)2個(gè)參數(shù)來表征。日降雨量數(shù)據(jù)源于距黑岱溝最近的薛家灣氣象站數(shù)據(jù)，不同治理措施對(duì)之間的顯著性差異分析采用ANOVA方法在SPSS中完成。

表1 不同人工治理坡面植物配置與優(yōu)勢種

3 結(jié)果分析

3.1 研究期間降水量日變化特征

在2014年5—10月和2015年5—10月的觀測期內(nèi)，發(fā)生降水天數(shù)2014年為64 d，2015年為60 d(表2)。從不同級(jí)別降水發(fā)生的頻率和降水量大小特點(diǎn)來看，<5 mm降水概率最高，在57%以上；>25 mm降水概率最低，不足2%；5～10和10～25 mm發(fā)生頻率在11.7%～21.9%之間。從累積降水量來看，10～25和5～10 mm所占比率較高，分別在23.0%～25.7%和43.6%～52.2%；>25 mm降水雖然每年只發(fā)生了一次，但所占比例分別為9.0%和12.1%；<5 mm降水盡管發(fā)生頻次較多，但所占比率僅為13.1%和21.3%。

表2 研究期間降水統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

需要補(bǔ)充說明地是在2014年6月24—25日，8月12—13日，9月22—23日和2015年的6月28—29日，9月29—30日發(fā)生了連續(xù)降水事件，因此在上述時(shí)段只選擇最完整一天的測定數(shù)據(jù)參與分析。在2 a的監(jiān)測期中共獲得有效監(jiān)測天數(shù)為38 d，其中2014年為23 d，2015年為15 d。監(jiān)測頻率最高的雨量在5～25 mm，共30 d(表2)。

3.2 不同人工植物配置對(duì)邊坡侵蝕的影響

在本文測定的38 d(次)中，小于5 mm降雨量收集到的雨水量和水沙樣品較少，沒有納入分析。收集到可準(zhǔn)確度量樣品的起始降雨量為5.1 mm，最大降雨量為35.8 mm。從表3可以看出，在研究時(shí)期內(nèi)對(duì)照區(qū)徑流深比喬灌草、灌草區(qū)和草本區(qū)分別多92.56，76.79和46.71 mm，是3種植被配置區(qū)的1.4～2.3倍。說明人工植被坡面治理對(duì)降雨產(chǎn)生徑流具有極大減少功能。從效果來看，喬灌草配置效果最好，灌草次之，單一草本效果相對(duì)最低。進(jìn)一步ANOVA分析表明，對(duì)照區(qū)和草本治理區(qū)徑流深之間沒有顯著性差異(p=0.020)；灌草治理區(qū)與喬灌草治理區(qū)(p=0.342)、草本治理區(qū)(p=0.002)之間也沒有顯著性差異。從降雨量對(duì)邊坡侵蝕量的影響分析中可以看出，對(duì)照區(qū)侵蝕量比喬灌草、灌草區(qū)和草本區(qū)分別多62.62，62.30和59.77 kg/m2，是3種植物治理區(qū)的14～44倍。說明不同人工植被坡面治理措施對(duì)降雨產(chǎn)生的邊坡土壤侵蝕量具有極大得減少功能，從效果來看不同植物措施效果都比較好。進(jìn)一步ANOVA分析表明，對(duì)照區(qū)與其他3種治理措施都存在顯著性差異(p<0.001)；不同植被治理措施中，灌草治理區(qū)與喬灌草治理區(qū)之間沒有顯著性差異(p=0.321)。

從降雨量與徑流深的關(guān)系來看(圖1)，無論是未

治理的裸坡還是經(jīng)過22 a不同植物措施治理的坡，二者之間都有較好的線性關(guān)系。從R值顯著性檢查結(jié)果來看，對(duì)于降雨量達(dá)到6.4 mm才測到有效數(shù)據(jù)的喬灌草治理區(qū)，R0.001,27=0.580，其他3個(gè)區(qū)R0.001,30=0.554，都小于擬合回歸方程R值，說明它們擬合趨勢可信。 從變化趨勢(回歸方程斜率)特點(diǎn)來看，對(duì)照區(qū)(0.361)大于植被治理區(qū)；在3種治理措施中喬灌草區(qū)(0.277)與灌草區(qū)(0.229)相差無幾，但草本治理區(qū)較低為0.219。

表3 不同人工植物配置與邊坡土壤侵蝕特征(日降雨量5.1～35.8 mm)

注：累計(jì)值上角字母有相同者，表示二者無顯著性差異(p>0.001)。

圖1 研究區(qū)日降雨量與坡面徑流深的關(guān)系

從降雨量與侵蝕量的關(guān)系來看(圖2)，在對(duì)照區(qū)和3種不同植物措施治理區(qū)中，二者之間同樣有較好的線性關(guān)系。從R值顯著性檢查結(jié)果來看，都小于擬合回歸方程R值，說明它們擬合趨勢可信。從變化趨勢(回歸方程斜率)特點(diǎn)來看，變化特點(diǎn)與降雨量和徑流深有所不同，對(duì)照區(qū)(0.151)大于植被治理區(qū)；在3種治理措施中喬灌草區(qū)(0.003)與灌草區(qū)(0.004)相差無幾，草本治理區(qū)較高為0.015。

圖2 研究區(qū)日降雨量與坡面侵蝕量的關(guān)系

4 討 論

土壤侵蝕敏感性是水土保持研究中的核心問題之一[17]。露天煤礦排土場邊坡土壤侵蝕不僅與水土流失所涉及的因子有關(guān)[9,18]，而且與排土場堆積平臺(tái)和邊坡的工程堆積體物理力學(xué)性質(zhì)也密切相關(guān)[6,11]。特別是對(duì)于排土場所導(dǎo)致的水土侵蝕過程研究，不僅對(duì)露天煤礦及周邊地區(qū)環(huán)境治理具有重要意義，而且因?yàn)楣こ淌┕ば纬傻钠露?、坡長一致和土壤性質(zhì)高度相似特點(diǎn)，對(duì)區(qū)域土壤侵蝕研究提供了較好的典型案例[6,18]

從本文研究的半干旱草原區(qū)黑岱溝露天煤礦排土場植被恢復(fù)22 a的邊坡土壤侵蝕特征來看，引起邊坡土壤徑流最小日降雨量大于5.1 mm。雖然在2 a的試驗(yàn)觀測中，在降水量小于5 mm的情況下監(jiān)測到6次(占該級(jí)別的7.4%)徑流現(xiàn)象，但所產(chǎn)生的徑流量很小，可以忽略。這種小概率事件的發(fā)生原因與雨型有關(guān)，因?yàn)樵诮涤炅啃∮? mm的情況下，如果降雨集中(陣雨)同樣可產(chǎn)生坡面徑流。這一點(diǎn)可以從控制試驗(yàn)是為研究報(bào)告中得到旁證[16,18]。從產(chǎn)生土壤侵蝕的降雨量天數(shù)來看以10～25 mm為主，發(fā)生概率在43.0%～43.5%；其次為5～10 mm，在33.3%～39.2%；而大于25 mm降雨量每年只發(fā)生了1次(表2)。

從日降水量與邊坡徑流深的特征來看(表3)，油松+山杏+無芒雀麥組成的喬灌草配置具有最佳減少邊坡徑流深的作用，在2 a的觀測期內(nèi)產(chǎn)生徑流僅為對(duì)照區(qū)42.9%；由山杏+無芒雀麥為主的灌草區(qū)為52.6%；以無芒雀麥為主的草本區(qū)為71.2%。其中對(duì)照區(qū)與草本區(qū)之間無顯著性差別(0.001水平)，說明從減少坡面徑流角度來看，單一草本治理坡面效果較差不宜采用；而喬灌草區(qū)和灌草區(qū)之間同樣無顯著性差異，表明在水保措施實(shí)施中考慮到資金約束，這二種措施可以相互代替。從控制土壤侵蝕量角度來看，由喬灌草區(qū)僅為對(duì)照區(qū)2.3%，灌草區(qū)為2.8%，草本區(qū)為6.7%。其中對(duì)照區(qū)與不同植物配置區(qū)之間都存在顯著性差異(0.001水平)，說明從減少坡面土壤侵蝕量角度來看，3種配置模式都可起到較好效果。從日降雨量與徑流深和侵蝕量的關(guān)系來看(圖1—2)，對(duì)照區(qū)和3種植物配置區(qū)都有較好的正相關(guān)線性關(guān)系(最小R值為0.871，0.001水平上顯著)。這一結(jié)果與朱高立等[17]在模擬控制坡度、覆蓋度和降雨量條件下獲得的結(jié)果基本相似，即在坡度一定的條件下，面產(chǎn)流時(shí)間與覆蓋成正相關(guān)。而不同地是降雨量與徑流深的變化趨勢大于降雨量與侵蝕量，二類線性斜率分別變化在0.219～0.361，0.003～0.151之間，這表明坡面徑流對(duì)降雨量變化的響應(yīng)要快于土壤侵蝕量。從變化趨勢來看二類共同點(diǎn)是斜率都為正值，說明隨降雨量(降雨侵蝕力)增加，土壤侵蝕加劇。這一結(jié)果與陳海遲等[16]的模擬降雨控制試驗(yàn)結(jié)果相比較，在變化趨勢上一致，但在在擬合回歸表達(dá)上有所區(qū)別。因?yàn)樵谀M降雨試驗(yàn)中，降雨量與徑流深、土壤侵蝕量的關(guān)系最佳擬合關(guān)系為冪函數(shù)，其特點(diǎn)是在降雨量較低時(shí)徑流深和土壤侵蝕量的變化較小，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)變化增加。產(chǎn)生這種差異的原因與控制試驗(yàn)降雨量是在設(shè)計(jì)的時(shí)間內(nèi)完成的(控制試驗(yàn)以30和45 min為時(shí)間尺度設(shè)定降雨量)，這直接導(dǎo)致與本文以天為單位的研究結(jié)果之間存在一些細(xì)節(jié)差異。

5 結(jié) 論

不同植被配置方式對(duì)排土場邊坡土壤侵蝕有顯著的影響。從控制坡面徑流來看，喬灌草和灌草配置是較好選擇，其產(chǎn)生的坡面徑流僅為對(duì)照的42.9%和52.6%，二者無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異。從控制坡面侵蝕量來看，3種植物配置措施都與對(duì)照區(qū)存在顯著性差異，土壤侵蝕量僅為對(duì)照區(qū)的2.3%～6.7%。日降雨量與坡面徑流和土壤侵蝕量之間都存在顯著線性關(guān)系，但與徑流深的關(guān)系的線性變化斜率大于與土壤侵蝕量。

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[18] 張樂濤,高照良,李永紅,等.模擬徑流條件下工程堆積體陡坡土壤侵蝕過程[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(8):145-153.

Impacts of Different Artificial Plant Collocations on Soil and Water Loss at Side Slope in Mine Dump

YANG Hanhong1， ZHANG Yong1， ZHENG Haifeng1， WU Liping2， WU Guoxi2， WANG Tiejun2

(1.Shenhua Group Zhungeer Energy Co., LTD., Erdos, Inner Mongolia 010300, China; 2.Water Conservancy Science Research Institute of Inner Mongolia, Hohhot, Inner Mongolia 010050, China)

[Objective] It is a foundational mechanism to indicate different impacts of artificial vegetation collocation on the runoff deepth and soil erosion amount at the side slope of mine dump in semi-arid zone. [Methods] Based on three artificial plant collocations(tree with shrub and grass, shrub with grass, and grass) and contrast plot(no vegetation), we employed statistics method to analyze relationship between the side slope erosion(including side slope runoff and soil erosion amount) and rainfall in daily scale from May to Sep. in 2014 and 2105. [Results] (1) For controlling effect of the runoff, tree with shrub and grass, and shrub with grass performed better in three types and its runoff amounts had no significant difference, their values were 42.9% and 52.6% of the contrast ones , respectively. (2) For the erosive controlling effect, no significant differences between the three types and the contrast plot were found, the amounts of the three types were 2.3%～6.7% of the contrast. There were linear relation between daily rainfall and the side slope erosion. [Conclusion] Vegetation collocations had better effects in erosive control than in runoff prevention, and over 93% of erosion control and 28%～57% of runoff prevention were obtained in comparison the corresponding contrast.

rainfall;runoffdeepth;erosionamount;semi-aridregion

A

： 1000-288X(2017)04-0006-06

： S157.1， S157.2

2016-12-13

：2017-02-24

神華集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目“現(xiàn)代露天煤礦水土保持生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究”(SHJT-04-02-5)

楊漢宏(1960—),男(漢族),陜西省綏德縣人,碩士,教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事礦山建設(shè)與復(fù)墾技術(shù)研究。E-mail:yanghanhong_001@163.com。

吳麗萍(1961—),女(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,碩士,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail:huanpingwlp@126.com。