田秀民, 馬春霞, 魯旭東, 郭建英, 張鐵鋼

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古水土保持監(jiān)測(cè)站,呼和浩特 010020; 3.包頭市水土保持工作站, 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

全國(guó)采煤廢棄地面積超過(guò)200多萬(wàn)公頃，挖損和占?jí)褐苯佑绊懥嗣旱V礦區(qū)植被退化，土壤侵蝕和沙漠化是其退化的間接因素[1]。大型排土或棄渣場(chǎng)排棄物具有不規(guī)則性、特殊性及水土保持緊迫性和后滯性[2-3]，其水土流失不同于天然巖土侵蝕[4-5]，排土場(chǎng)平臺(tái)對(duì)邊坡的水土流失防治既有控制作用也有加速作用，平臺(tái)措施被破壞或者措施不完善時(shí)，平臺(tái)匯流就會(huì)加劇邊坡侵蝕，平臺(tái)被大型機(jī)械碾壓，匯流入滲慢，植物扎根困難[6]，特別是在暴雨條件下，由于徑流作用使表層覆土與碾實(shí)面分離，平臺(tái)產(chǎn)生了禿斑現(xiàn)象；若不分區(qū)塊進(jìn)行系統(tǒng)治理，則會(huì)加劇次生水土流失危害[7-8]。筆者在勝利東二號(hào)露天礦南排土場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)較差的排土場(chǎng)平臺(tái)出現(xiàn)了“天花板”現(xiàn)象，堅(jiān)硬的碾壓面裸露出來(lái)，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，而區(qū)域防治較好地塊，林草覆蓋率高，邊坡侵蝕溝密度小；因此，堅(jiān)硬的平臺(tái)是國(guó)內(nèi)外大型排土場(chǎng)水土流失治理及植被恢復(fù)需要重點(diǎn)治理的地帶[9]，也是保證邊坡水蝕調(diào)控及減小徑流的重要區(qū)域，克服大型排土場(chǎng)平臺(tái)水土保持“頑疾”是十分緊迫的科學(xué)命題。

為突破礦山排土場(chǎng)水土保持短板，專家學(xué)者進(jìn)行了大量理論研究與實(shí)踐應(yīng)用[10-12]，其中包括礦山廢棄地治理的植物措施、工程措施及土壤改良措施；雖然通過(guò)植被恢復(fù)及土壤改良措施能夠明顯控制礦區(qū)的水土流失現(xiàn)象，但是目前水土保持防治重點(diǎn)區(qū)劃分觀點(diǎn)不同，修復(fù)措施多集中于礦區(qū)空地及排土場(chǎng)邊坡，對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)的水土流失治理缺乏足夠重視。排土場(chǎng)平臺(tái)在排棄過(guò)程兼有運(yùn)輸任務(wù)，是呈緩坡螺旋形上升的通道，徑流流向復(fù)雜，既有平行平臺(tái)方向的，也有垂直平臺(tái)方向的，因此平臺(tái)防治水土流失必須控制這兩個(gè)方向的徑流。微地形改造對(duì)巖土侵蝕存在加劇和抑制兩種不同效果[13-14]。微地改造影響降雨入滲和調(diào)控水蝕過(guò)程[15]，改善地表生境[16]，促進(jìn)保水保土效果及植被恢復(fù)[17]，在礦區(qū)應(yīng)用微地形改造方法能較好防治水土流失[18]。

為此，本文基于大型排土場(chǎng)平臺(tái)治理短板，采用微地形改造方法，提出了一種治理大型露天礦排土場(chǎng)“頑疾”的水土保持技術(shù)；論文研究具有指導(dǎo)排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的指導(dǎo)性意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市東北部的勝利露天煤礦東2號(hào)南排土場(chǎng)，地理坐標(biāo)為116°06′41″—116°14′11″E，44°02′07″—44°07′05″N，水土保持區(qū)劃為錫林浩特高原保土生態(tài)維護(hù)區(qū)，排土場(chǎng)區(qū)原地形較平緩，海拔990～1 021 m，排土相對(duì)高度100～120 m，平均20 m為一個(gè)臺(tái)階。排土場(chǎng)排棄年限為9 a，邊坡安息角為30°～33°；平臺(tái)縱向坡度為8°～10°，橫向坡度為3°～5°。試驗(yàn)區(qū)為排土場(chǎng)產(chǎn)生禿斑區(qū)域的平臺(tái)，壓實(shí)面以上平均履土厚度為10～15 cm，根據(jù)上層土壤(0—15 cm)理化性質(zhì)測(cè)定，土壤容重為1.53 g/cm3，土壤粒徑以>0.25 mm的中砂為主，土壤質(zhì)量較差；平臺(tái)0—15 cm土層中全氮含量為0.12 g/kg，速效鉀含量為0.08 g/kg，速效磷含量為0.92 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為2.0 g/kg，pH值8.47。

研究區(qū)地處內(nèi)蒙古高原腹地，屬中溫帶半干旱氣候，多年平均降水量289.2 mm，多集中于6—8月份，占全年降水量的69%，10 a一遇24 h最大降雨量為85.3 mm，20 a一遇24 h最大降雨量為111.5 mm。多年平均蒸發(fā)量1 805.1 mm，是降水量的6倍；全年主導(dǎo)風(fēng)向西南，多年平均風(fēng)速3.5 m/s，大風(fēng)(≥17 m/s)日數(shù)58 d；試驗(yàn)區(qū)原地帶性土壤為沙壤土，非地帶性土壤為栗鈣土；植被類型屬典型草原植被，以克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)為主要建群種，林草覆蓋率為35%～50%。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)

在勝利露天煤礦東2號(hào)南排土場(chǎng)第3個(gè)臺(tái)階的平臺(tái)上選擇坡度平緩均一的中段平臺(tái)布設(shè)PVC材料徑流小區(qū)4個(gè)，其中1#，2#，3#小區(qū)為微地形改造小區(qū)，4#小區(qū)為對(duì)照小區(qū)，詳見表1；各小區(qū)沿平臺(tái)縱向依次布設(shè)，平臺(tái)內(nèi)側(cè)預(yù)留200 cm寬施工道路；根據(jù)實(shí)地情況，每個(gè)小區(qū)規(guī)格為5 m×5 m，小區(qū)底部布設(shè)集流池；集流池為訂制圓柱形鐵桶，按10 a一遇24 h最大降雨量設(shè)計(jì)鐵桶容積為2.0 m3，半徑0.8 m，深1.0 m。

表1 平臺(tái)微地形改造小區(qū)布設(shè)情況

1#小區(qū)微地形改造方法為擋水圍埂+阻攔板，見圖1，距小區(qū)擋板50 cm處平行平臺(tái)外邊緣修筑1道縱向擋水圍埂，擋水圍埂防御暴雨標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇24 h最大降雨量，結(jié)合匯水面積確定其規(guī)格為頂寬20 cm，高30 cm，邊坡比為1∶1；縱向圍埂的主要作用是阻攔平臺(tái)匯流對(duì)邊坡的沖刷，攔蓄平臺(tái)橫向徑流；距小區(qū)上下邊緣55 cm處各修筑1道相同規(guī)格的橫向擋水圍埂，其主要作用是阻滯縱向擋水圍埂攔蓄的側(cè)向徑流，減緩平臺(tái)縱向徑流的流速。經(jīng)過(guò)4 a的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，勝利露天煤礦東2號(hào)南排土場(chǎng)對(duì)平臺(tái)沖刷較強(qiáng)的匯水來(lái)自于本級(jí)臺(tái)階邊坡產(chǎn)生的橫向水流，遇中大雨時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間短流速快；傾瀉的邊坡匯流易把平臺(tái)覆土沖向下一級(jí)邊坡，故在小區(qū)縱向方向布設(shè)阻攔板，減緩橫向水流沖刷。在擋水圍埂內(nèi)部區(qū)域沿小區(qū)縱向呈品字形布設(shè)阻攔扳(木制三合板)，阻攔板規(guī)格為：長(zhǎng)50 cm，寬20 cm，厚1 cm；阻隔板橫向間隔為150 cm，縱向間隔為20 cm；阻攔板豎向埋入的預(yù)先開挖的溝槽中，溝槽規(guī)格為寬10 cm，深10 cm，埋好后阻攔板地上高度為10 cm；阻攔板布置完后，小區(qū)內(nèi)空地進(jìn)行覆土，覆土厚度約10 cm，基本與阻攔板上沿持平；阻攔板的主要作用是防止匯流產(chǎn)生時(shí)平臺(tái)表面覆土與平臺(tái)壓實(shí)面產(chǎn)生滑動(dòng)或分離，使植物種子能均勻分布在平臺(tái)內(nèi)側(cè)區(qū)域，避免植被恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生禿斑現(xiàn)象。覆土完成后小區(qū)內(nèi)空地穴播檸條，株距為30 cm，行距為60 cm，穴狀整地規(guī)格為坑深5 cm，半徑5 cm，斷面為半圓形；其余空地混合撒播紫花苜蓿與披堿草，混播比例為1∶1。

注：圖中單位為mm，下圖同。

2#小區(qū)微地形改造方法為小區(qū)內(nèi)布置擋水圍埂，見圖2；擋水圍埂布設(shè)位置及方法同1#小區(qū)；擋水圍埂布置完成后，小區(qū)內(nèi)空地進(jìn)行覆土。覆土厚度及方法同1#小區(qū)，草樹種選擇及種植方法同1#小區(qū)。

圖2 2號(hào)小區(qū)布置圖

3#小區(qū)微地形改造方法為小區(qū)內(nèi)布置阻攔板(木制三合板)，見圖3；阻攔板呈品字形布置于整個(gè)小區(qū)內(nèi)；阻攔板橫向間距150 cm，縱向間距為20 cm，縱向布設(shè)4行阻攔板，阻攔板規(guī)格與1#小區(qū)相同。阻攔板布設(shè)完成后，小區(qū)內(nèi)空地進(jìn)行覆土種草，覆土厚度、種植灌草的方式和方法與1#小區(qū)相同。

圖3 3號(hào)小區(qū)布置圖

4#小區(qū)為對(duì)照小區(qū)，見圖4，本小區(qū)不進(jìn)行微地形改造，僅實(shí)施表土回覆后種植灌草的措施。這種方法是本排土場(chǎng)經(jīng)常使用的植被恢復(fù)方法，也是周邊排土場(chǎng)常用的覆綠方法；所以選擇4#小區(qū)為對(duì)照小區(qū)；覆土厚度及種植灌草的方式與1#小區(qū)相同。4個(gè)小區(qū)于2018年5月20日竣工。

圖4 4號(hào)小區(qū)布置圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：降雨過(guò)程觀測(cè)，徑流量觀測(cè)，泥沙量觀測(cè)及植物群落學(xué)特征調(diào)查。具體的監(jiān)測(cè)方法及頻次如下：

1.3.1 降雨過(guò)程觀測(cè) 氣象數(shù)據(jù)獲取于項(xiàng)目區(qū)附近的小型氣象站，該氣象站距試驗(yàn)區(qū)東北150 m，為本單位設(shè)立的長(zhǎng)期小型氣象觀測(cè)點(diǎn)；站內(nèi)有2臺(tái)自記雨量筒記錄逐次降雨起始時(shí)間，每1 min記錄1次降雨量；試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為自然降雨情況下的觀測(cè)數(shù)據(jù)(表2)，本研究將發(fā)生產(chǎn)流的降雨稱為有效降雨，2018年有效降雨為11次，2019年有效降雨為13次，次降雨量范圍為5.28～43.89 mm；2 a共發(fā)生有效降雨24次，其中小雨(≤10 mm)9次、中雨(10.0～24.9 mm)9次、大雨(25.0～49.9 mm)6次。中雨和大雨占有效降雨總次數(shù)的65%，累計(jì)降雨量占有效降雨總量的82%，是大型露天礦排土場(chǎng)發(fā)生產(chǎn)流的主要降雨類型[11]。

1.3.2 削流率及減蝕率 采用徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)及比重瓶法計(jì)算和統(tǒng)計(jì)各個(gè)小區(qū)的徑流量及泥沙量，利用勝利煤礦排土場(chǎng)平臺(tái)4個(gè)徑流小區(qū)連續(xù)2 a測(cè)定的產(chǎn)流產(chǎn)沙量計(jì)算削流率及減蝕率；其測(cè)定方法和計(jì)算公式如下。

(1) 徑流量觀測(cè)：次降雨結(jié)束并產(chǎn)生徑流后，使用桶內(nèi)的水尺讀取集流桶內(nèi)水深，根據(jù)圓桶底面積計(jì)算徑流總量(m3)。由各小區(qū)的徑流總量計(jì)算削流率(X)。

(1)

式中：A0為對(duì)照小區(qū)徑流量(m3)；B0為微地形改造小區(qū)徑流量(m3)。

(2) 泥沙量測(cè)定：徑流測(cè)定結(jié)束，將池內(nèi)的水和泥沙均勻攪拌，采用比重瓶法在收集池內(nèi)不同部位取水樣3個(gè)，水樣體積為500 ml，充分沉淀后濾去清水，進(jìn)行烘干稱重，計(jì)算水樣的泥沙含量，取平均值；根據(jù)單位體積的泥沙含量及集流池徑流總量可計(jì)算出每個(gè)小區(qū)產(chǎn)沙總量。由產(chǎn)沙總量計(jì)算減蝕率(Y)。

(2)

式中：A1為對(duì)照小區(qū)產(chǎn)沙量(kg)；B1為微地形改造小區(qū)產(chǎn)沙量(kg)。

表2 徑流小區(qū)降雨及產(chǎn)流情況統(tǒng)計(jì)

1.3.3 生物多樣性調(diào)查統(tǒng)計(jì)

(1) 植物群落學(xué)特征調(diào)查：2019年8月中旬，分別在4個(gè)小區(qū)內(nèi)上中下隨機(jī)選取3個(gè)樣方(1 m×1 m)，測(cè)定每個(gè)樣方內(nèi)的各植物種個(gè)體高度、密度及蓋度，同時(shí)記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物種類[19]。

(2) 物種多樣性指數(shù)。物種多樣性指數(shù)選用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)及Margalef豐富度指數(shù)3類指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下[19-20]：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)：H′=-∑PilnPi

(3)

(4)

(5)

式中：Pi為相對(duì)重要值，即Pi=N/Ni,Ni為第i物種的重要值；N為調(diào)查樣方內(nèi)物種重要值總和；S為調(diào)查樣方內(nèi)物種數(shù)目。

重要值(I)的計(jì)算公式為：I=RC+RF+RD

(6)

式中：RC為相對(duì)蓋度；RF為相對(duì)頻度；RD為相對(duì)密度。

所有數(shù)據(jù)處理軟件為SPSS 22.0，使用Excel 2013軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微地形改造方法對(duì)年徑流量及泥沙量的調(diào)控分析

大型露天礦排土場(chǎng)壓實(shí)平臺(tái)與松散邊坡造成了人工堆墊地貌巖土侵蝕的特殊性，布設(shè)有效的工程與植物措施調(diào)控徑流，減少水蝕至關(guān)重要[3]。因此，通過(guò)不同的微地形改造方法對(duì)勝利煤礦排土場(chǎng)平臺(tái)進(jìn)行治理，可有效調(diào)控徑流及泥沙量。

通過(guò)圖5和圖6的分析可知，在有效降雨情況下，對(duì)照小區(qū)(4#)的年徑流量及年泥沙量均最大，4#小區(qū)2018年徑流總量及泥沙量分別為52.43 mm和322.87 kg，2019年徑流總量和泥沙量分別為52.35 mm和240.88 kg；對(duì)照小區(qū)2 a內(nèi)的徑流量基本無(wú)變化，2019年較2018年僅減少了0.08 mm，但泥沙量減少了81.99 kg，這說(shuō)明大型排土場(chǎng)壓實(shí)平臺(tái)易產(chǎn)流而不易起沙，這與楊婭雙等[3]的研究結(jié)果一致。使用微地形改造方法的小區(qū)年徑流量及泥沙量均小于對(duì)照小區(qū)(4#)，2018年徑流量及泥沙量由大到小的順序?yàn)?#>2#>3#>1#；2019年徑流量及泥沙量由大到小的順序?yàn)?#>2#>3#>1#。

圖5 不同微地形改造小區(qū)年徑流量比較

圖6 不同微地形改造小區(qū)年泥沙量比較

1#微地形改造小區(qū)年產(chǎn)流及產(chǎn)沙量最小，隨著治理年限的增加，3#小區(qū)年產(chǎn)流產(chǎn)沙量小于2#微地形改造小區(qū)，說(shuō)明單獨(dú)阻攔板微地形改造方法(3#)要好于實(shí)施單獨(dú)擋水圍埂措施的2#小區(qū)；實(shí)施微地形改造方法的小區(qū)年徑流及泥沙量呈逐年減少趨勢(shì)，1#，2#，3#小區(qū)2019年徑流量較2018年分別減少了33%，28%，36%，泥沙量分別減少了71%，43%，45%。經(jīng)過(guò)分析，第1年控制徑流及泥沙量起主要作用的是微地形改造方法，隨著治理年限的增加，在微地形改造方法的保護(hù)下小區(qū)植被生長(zhǎng)較好，微地形改造與植被的綜合作用發(fā)揮效果。綜合年際變化分析結(jié)果，微地形改造方法對(duì)減少排土場(chǎng)平臺(tái)水土流失起到了良好的效果，與對(duì)照小區(qū)相比，實(shí)施擋水圍埂+阻攔板方法(1#)小區(qū)效果最好，次之為單獨(dú)實(shí)施阻攔板小區(qū)(3#)。

2.2 微地形改造方法對(duì)削流率和減蝕率的影響

微地形改造方法對(duì)地表水文過(guò)程和土壤侵蝕過(guò)程有著十分顯著的影響[21]。由表3看出，與對(duì)照小區(qū)相比，單獨(dú)實(shí)施擋水圍埂方法的小區(qū)(2#)削流率及減蝕率最小，2018年分別為18.23%和55.80%，2019年分別為40.98%和66.33%；實(shí)施擋水圍埂+阻攔板方法的小區(qū)(1#)削流率及減蝕率最大，2018年分別為43.05%和71.04%，2019年分別為62.03%和88.81%；次之為單獨(dú)實(shí)施阻欄板方法的小區(qū)(3#)，2018年分別為32.99%和64.50%，2019年分別為56.81%和74.01%；2018年和2019年削流率及減蝕率由高到低的順序?yàn)?#>3#>2#。

組合不同的微地形改造方法，塑造了不同形態(tài)的微地形及集水區(qū)，從而對(duì)相同條件下的微景觀、土壤水文和植被恢復(fù)進(jìn)程產(chǎn)生重要影響[22]。通過(guò)分析表明，擋水圍埂+阻攔板方法的小區(qū)(1#)水沙控制效果最好，擋水圍埂將小區(qū)分成較大的區(qū)塊，埋入平臺(tái)的阻攔板又將小區(qū)均勻分成更小區(qū)塊，產(chǎn)流后阻攔板減緩了平臺(tái)小區(qū)內(nèi)表層土壤的橫向位移，從而減緩徑流對(duì)表土的沖刷；擋水圍埂阻攔了小區(qū)內(nèi)縱向及橫向徑流和泥沙，雙重作用下1#小區(qū)的水沙調(diào)控效果最好。3#小區(qū)雖然使用埋入平臺(tái)的阻欄板劃分了小區(qū)塊，減緩或阻止了平臺(tái)橫向的水沙運(yùn)輸，但沒有攔蓄縱向的產(chǎn)流，使得集流桶內(nèi)的徑流和泥沙量增加。2#小區(qū)僅使用擋土圍埂對(duì)平臺(tái)內(nèi)的表層覆土進(jìn)行了圍擋，產(chǎn)流后對(duì)擋水圍埂內(nèi)部的水沙運(yùn)移未進(jìn)行調(diào)控，使其在3個(gè)微地形改造小區(qū)中水沙調(diào)控效果最差。

2.3 不同雨強(qiáng)下微地形改造方法的產(chǎn)流產(chǎn)沙量分析

本研究中小雨強(qiáng)的徑流量和泥沙量是每年有效降雨中小雨強(qiáng)的徑流總量和泥沙總量各自取平均值[6]，中雨強(qiáng)及大雨強(qiáng)的徑流量和泥沙量計(jì)算方法與小雨強(qiáng)相同。

本文將2018年和2019年共24場(chǎng)有效降雨分為3種雨強(qiáng)類型：大雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)及小雨強(qiáng)；以便準(zhǔn)確評(píng)價(jià)微地形改造方法對(duì)大型排土場(chǎng)平臺(tái)次降雨條件下水沙調(diào)控效果。由圖7和圖8可以看出，從平臺(tái)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況來(lái)看，所有的24場(chǎng)有效降雨中，實(shí)施微地形改造方法的3個(gè)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量均小于對(duì)照小區(qū)(4#)，說(shuō)明排土場(chǎng)平臺(tái)微地形改造方法對(duì)各類型的降雨均有好的調(diào)控效果。

由圖7可知，小雨強(qiáng)下對(duì)照小區(qū)的年徑流量最大，為2.07 mm；擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法小區(qū)(1#)2 a的徑流總量分別為0.57 mm和1.85 mm，比對(duì)照小區(qū)(4#)減少了72.6%和10.48%；單獨(dú)實(shí)施阻攔板的微地形改造方法的小區(qū)(3#)2 a的徑流總量比對(duì)照小區(qū)分別減少了51.64%和65.58%；2#小區(qū)2 a的徑流總量比對(duì)照小區(qū)分別減少了16.51%和50.91%。中雨強(qiáng)時(shí)，擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法小區(qū)(1#)2 a的徑流總量分別比對(duì)照小區(qū)(4#)減少了54.36%和62.97%，其他2個(gè)微地形改造方法的小區(qū)為24.10%～70.04%。大雨強(qiáng)時(shí)，擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法小區(qū)(1#)2 a的徑流總量分別比對(duì)照小區(qū)(4#)減少了35.98%和52.57%，其他2個(gè)微地形改造方法的小區(qū)為15.21%～41.46%。通過(guò)分析可知，除1#小區(qū)外，其他兩個(gè)微地形改造小區(qū)對(duì)小雨強(qiáng)的調(diào)節(jié)效果最好；與對(duì)照相比，擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法(1#)小區(qū)2018年調(diào)控徑流效果要好于其他2個(gè)微地形改造小區(qū)；隨著治理年限的增加，1#小區(qū)對(duì)大雨強(qiáng)的徑流調(diào)控效果要好于其他小區(qū)。說(shuō)明大雨強(qiáng)條件下，組合不同的微地形改造方法的攔水蓄水效果要好于其他單一的微地形改造方法。

表3 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙及調(diào)控效果統(tǒng)計(jì)

圖7 不同微地形改造小區(qū)雨強(qiáng)徑流比較

由圖8可知，小雨強(qiáng)下對(duì)照小區(qū)(4#)的泥沙量最大，為4.45 kg；擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法小區(qū)(1#)2 a的泥沙總量分別為0.43 kg和1.40 kg，比對(duì)照小區(qū)(4#)減少了90.40%和66.80%；單獨(dú)實(shí)施阻攔板的微地形改造方法的小區(qū)(3#)2 a的泥沙總量比對(duì)照小區(qū)分別減少了45.35%和75.31%；2#小區(qū)2 a的泥沙總量比對(duì)照小區(qū)分別減少了16.12%和63.38%。中雨強(qiáng)時(shí)，擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法小區(qū)(1#)2 a的泥沙總量分別比對(duì)照小區(qū)(4#)減少了68.52%和86.71%，其他2個(gè)微地形改造方法的小區(qū)為59.61%～73.77%。大雨強(qiáng)時(shí)，擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法小區(qū)(1#)2 a的泥沙總量分別比對(duì)照小區(qū)(4#)減少了70.71%和89.59%，其他2個(gè)微地形改造方法的小區(qū)為56.88%～73.99%。通過(guò)分析可知，在小、中、大雨強(qiáng)時(shí)，實(shí)施微地形改造方法的3個(gè)小區(qū)泥沙量逐年減少；與對(duì)照相比，擋水圍埂+阻欄板微地形改造方法(1#)小區(qū)2018年在小雨強(qiáng)下調(diào)控泥沙效果要好于其他2個(gè)微地形改造小區(qū)；隨著治理年限的增加，1#小區(qū)對(duì)中、大雨強(qiáng)的泥沙調(diào)控效果要好于其他小區(qū)。說(shuō)明中、大雨強(qiáng)條件下，組合不同的微地形改造方法的保土攔沙效果要好于其他單一的微地形改造方法。

圖8 不同微地形改造小區(qū)雨強(qiáng)泥沙比較

2.4 微地形改造方法對(duì)植物群落多樣性的影響

科學(xué)布設(shè)不同的微地形改造方法能充分發(fā)揮植被的恢復(fù)效果[17]，進(jìn)一步研究表明，微地形改造方法在植被恢復(fù)狀況與對(duì)應(yīng)的生態(tài)功能、水文特征和生物多樣性方面都有非常緊密的聯(lián)系[22]。據(jù)此，本研究于2019年8月中旬，對(duì)3個(gè)微地形改造小區(qū)及對(duì)照小區(qū)進(jìn)行了植物群落學(xué)特征調(diào)查，供試的4個(gè)小區(qū)共出現(xiàn)15種植物，分屬5科14屬；植物種類及植物重要值(Pi)見表4，物種多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 不同小區(qū)出現(xiàn)植物重要值Pi

表5 不同小區(qū)群落多樣性、均勻度及豐富度指數(shù)比較

物種多樣性是生境中物種豐富度及分布均勻性的一個(gè)綜合數(shù)量指標(biāo)，可較好地反映群落的結(jié)構(gòu)[23]。由表5看出，實(shí)施微地形改方法的3個(gè)小區(qū)物種個(gè)數(shù)、多樣性指數(shù)(H′)、均勻度指數(shù)(J)和豐富度指數(shù)均高于對(duì)照小區(qū)(4#)。3個(gè)微地形改造小區(qū)多樣性指數(shù)最高的為擋水圍埂+阻欄板的小區(qū)(1#)，值為2.35；其次為僅實(shí)施阻攔板的微地形改造小區(qū)(3#)，值為2.26；再次之為僅實(shí)施擋水圍埂的微地形改造小區(qū)(2#)。群落均勻度指數(shù)反映的是群落植物分布的均勻程度，3個(gè)微地形改造小區(qū)均勻度指數(shù)最高的為1#小區(qū)，值為0.87；其次為3#，2#，其值分別為0.83，0.80。物種豐富度指數(shù)表明群落物種豐富程度，3個(gè)微地形改造小區(qū)豐富度指數(shù)最高的為1#小區(qū)，值為1.94；其次為3#，2#，其值分別為1.90，1.78。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)能客觀反映植物群落內(nèi)物種組成的變化情況，兼顧了物種豐富度和均勻度的不足，更能反映不同群落的多樣性，因此，實(shí)施微地形改造方法的1#小區(qū)內(nèi)植物群落表現(xiàn)出較高的物種多樣性。

1#小區(qū)實(shí)施了擋水圍埂+阻攔板的方法，組合的微地形改造方法攔蓄了平臺(tái)內(nèi)橫向及縱向的徑流，減緩徑流流速，增加了地表入滲；且埋入平臺(tái)內(nèi)部的阻攔板防治了表土與平臺(tái)壓實(shí)面分離，這些都可能為植物生長(zhǎng)提供安全穩(wěn)定的環(huán)境，有利于植被恢復(fù)，所以1#小區(qū)植物群落多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)最高；3#小區(qū)僅實(shí)施阻欄板的微地形改造方法，細(xì)化小區(qū)內(nèi)部空間，保證初始階段植物種分布的均勻性；雖然防治了表土與平臺(tái)壓實(shí)面分離，但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)其縱向沖刷高于1#小區(qū)，這可能是其多樣性指數(shù)低于1#小區(qū)原因。2#小區(qū)僅實(shí)施擋水圍埂的微地形改造方法，對(duì)小區(qū)內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，擋水圍埂內(nèi)部空地有0.01 m2～0.09 m2面積不等的禿斑；物種數(shù)量少，有禿斑現(xiàn)象產(chǎn)生，故2#小區(qū)生物多樣性低于3#小區(qū)。4#小區(qū)僅實(shí)施了覆土種植的方法，對(duì)平臺(tái)內(nèi)的橫縱向徑流未實(shí)施調(diào)控，平臺(tái)壓實(shí)面與表土分離，平臺(tái)壓實(shí)面開始裸露；小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)0.16 m2～0.36 m2面積不等的“禿斑”，物種數(shù)量更少，禿斑面積較大，故4#小區(qū)植物群落多樣性最低。結(jié)合2 a的調(diào)查表明，2018年各供試小區(qū)植物種類組成單一，主要為人工種植初期成活的植物種，無(wú)層次分化，僅為單層結(jié)構(gòu)；2019年，除對(duì)照小區(qū)外，其他3個(gè)微地形改造的小區(qū)物種種類都有增加，層次開始分化，微地形改造措施能充分發(fā)揮植被的恢復(fù)效果。

3 討 論

3.1 微地形改造方法對(duì)平臺(tái)產(chǎn)流產(chǎn)沙的響應(yīng)

本研究實(shí)施微地形改造方法的小區(qū)年徑流及泥沙量呈逐年減少趨勢(shì)，2019年最高削流率為62.03%，最大減蝕率為88.81%，說(shuō)明微地形改造方法的應(yīng)用遏制了排土場(chǎng)平臺(tái)水土流失，這與李斯佳、秦朝亮等研究結(jié)果一致；與對(duì)照小區(qū)相比，3種雨強(qiáng)下，產(chǎn)流產(chǎn)沙量最少的是擋水圍埂+阻攔板的微地形改造小區(qū)(1#)，調(diào)控年徑流及泥沙量效果也是1#小區(qū)最好，說(shuō)明組合微地形方法能夠達(dá)到最好的蓄水?dāng)r沙效果；這與楊婭雙[3]、田飛[24]等研究結(jié)果一致。本研究創(chuàng)新了微地改造材料和微地形組合方法，取得了較好的保土蓄水效果；但是，本研究?jī)H進(jìn)行了為期2 a的微地形改造方法水沙調(diào)控效果觀測(cè)，缺乏長(zhǎng)期的水土保持作用研究，今后要加強(qiáng)微地形重塑后排土場(chǎng)平臺(tái)保土蓄水效果的量化研究；與對(duì)照相比，3#小區(qū)的削流率比2#小區(qū)高14.76%～15.83%，3#小區(qū)的減蝕率比2#小區(qū)高7.68%～8.70%；本文分析的原因是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查侵蝕狀況得出的，未對(duì)其水文過(guò)程及土壤侵蝕過(guò)程進(jìn)行研究；針對(duì)3個(gè)實(shí)施微地形改造方法的小區(qū)控制水土流失機(jī)理還有待明確。

3.2 微地形改造方法對(duì)生物多樣性的響應(yīng)

實(shí)施微地形改方法可為植被恢復(fù)、生物多樣性創(chuàng)造條件[25]，本研究通過(guò)植物群落學(xué)特征調(diào)查，與對(duì)照小區(qū)相比，實(shí)施擋水圍埂+阻攔板措施的小區(qū)(1#)物種數(shù)量最多(15種)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最高、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)最高，分別為2.35，0.87,1.94；實(shí)施微地形改造方法的3個(gè)小區(qū)的多樣性指數(shù)均高于對(duì)照小區(qū)(4#)，說(shuō)明單一或組合的微地形改造方法在排土場(chǎng)平臺(tái)塑造出不同的微生境，為物種的生殖繁衍創(chuàng)造條件，這與楊婭雙[3]、衛(wèi)偉[17]等研究結(jié)果一致。在植被恢復(fù)方面，本研究創(chuàng)新了微地形組合方法與生物多性的緊密聯(lián)系，取得了一定的效果；但是，本研究?jī)H在2019年8月中旬植物生長(zhǎng)旺盛期進(jìn)行了群落學(xué)特征調(diào)查，未明確微地形改造是否促進(jìn)植物群落的正向演替。本研究中，多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)由高到低的順序?yàn)?#>3#>2#>4#；這個(gè)結(jié)果是基于植物群落學(xué)特征調(diào)查得出的，單一或組合的微地形改造方法對(duì)植物群落動(dòng)態(tài)變化有待研究。

4 結(jié) 論

利用徑流小區(qū)觀測(cè)設(shè)施，研究了單一或組合的微地形改造方法對(duì)大型排土場(chǎng)平臺(tái)產(chǎn)流、產(chǎn)沙及生物多樣性的影響，為突破大型排土場(chǎng)平臺(tái)治理短板，提供方法支撐和生產(chǎn)實(shí)踐方面的借鑒，初步得出以下結(jié)論：

(1) 大型排土場(chǎng)平臺(tái)單一或組合的微地形改造措施的水沙調(diào)控效果均好于單一覆土種植措施。

(2) 實(shí)施微地形改造方法在小雨強(qiáng)下，減流減沙效果最好，在大雨或極端降雨條件下調(diào)控效果略差；組合微地形改造加植物措施的防護(hù)效果最優(yōu)。

(3) 實(shí)施微地形改造措施后生物多樣性指數(shù)均高于單一覆土種植措施；組合微地形改造加植物措施防治了大型排土場(chǎng)平臺(tái)覆土層滑動(dòng)和分離，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造了安全穩(wěn)定的微環(huán)境。