閆 聰 胡夏嵩 李希來 劉昌義 盧海靜 付江濤 許 桐 申紫雁

(①青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧 810016，中國)(②青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016，中國)(③青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院作物學(xué)博士后流動(dòng)站，西寧 810016，中國)

0 引 言

青海木里煤田位于青藏高原祁連山中東段大通河谷地，地處黃河支流大通河上游，與祁連山自然保護(hù)區(qū)毗鄰，是青海境內(nèi)最大的煤炭(焦煤)資源集中分布區(qū)，也是優(yōu)質(zhì)焦煤和可燃冰資源整裝勘查礦區(qū)，區(qū)內(nèi)分布有江倉礦區(qū)、聚乎更礦區(qū)、哆嗦貢瑪?shù)V區(qū)和弧山礦區(qū)等煤炭開采區(qū)(李靜等，2010)。礦區(qū)自20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行煤炭資源開發(fā)，至2000年以后開采強(qiáng)度逐漸增大，先后有多家礦業(yè)單位在木里煤田進(jìn)行煤炭資源勘探與開發(fā)。由于該區(qū)地處高寒干旱區(qū)，其獨(dú)特的地質(zhì)和地理環(huán)境導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，煤炭資源的過度開采引發(fā)了一系列礦山生態(tài)環(huán)境問題，致使地貌景觀、植被、地表水系、濕地草甸和凍土遭到一定程度的破壞，導(dǎo)致水源涵養(yǎng)和水源輸送功能下降，沼澤草甸退化，造成周邊生態(tài)系統(tǒng)功能的損失(楊鑫光等，2019；錢大文等，2020；張大春等，2020)。因此，木里煤田及周邊地區(qū)的生態(tài)保護(hù)與環(huán)境治理是一項(xiàng)亟待解決的問題，其中，對(duì)礦區(qū)開采過程中大量堆棄的排土場(chǎng)開展植被恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效地防治排土場(chǎng)邊坡水土流失、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生，具有重要的理論研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

研究表明，植被恢復(fù)作為礦山生態(tài)修復(fù)的重要內(nèi)容，是在對(duì)排土場(chǎng)采取削坡平整等工程措施治理基礎(chǔ)上，因地制宜開展人工植被恢復(fù)，該措施不僅有利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)及表層土體理化性質(zhì)的持續(xù)改善(Liu et al.，2016；Zou，2019；Li et al.，2018)，還可通過植被根系加筋和錨固作用固持土體，提高排土場(chǎng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度，從而達(dá)到固土護(hù)坡的效果(郭勇，2014；Li et al.，2021)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了研究，例如楊幼清等(2018)通過對(duì)高寒礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡不含根系素土和草本植物根-土復(fù)合體進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，認(rèn)為邊坡土體抗剪強(qiáng)度受含水率、密度及根系數(shù)量等因素綜合影響，表現(xiàn)在坡底至坡頂處根-土復(fù)合體黏聚力c值較不含根系素土增加幅度較顯著，增幅分別為29.23%，54.40%和26.45%。Ranjan et al.(2017)通過對(duì)印度塔克拉里鐵礦排土場(chǎng)種植復(fù)墾植物根-土復(fù)合體進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，其結(jié)果也表明相比較于素土，根-土復(fù)合體的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值平均提高30 kPa和2°。

采用植被恢復(fù)措施可有效增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度起到提高排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的作用，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究并已取得豐富研究成果；相比較而言，受植物生長特性及其生長環(huán)境等因素影響，植被對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響亦表現(xiàn)出差異性(薛海龍等，2019；宗全利等，2019；林嘉輝等，2020)，因此在不同氣候環(huán)境下，植物對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響仍需通過土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證分析(劉亞斌等，2020)，并根據(jù)分析結(jié)果確定適宜的植被種植恢復(fù)方案。毛旭芮等(2019)以新疆呼圖壁西溝煤礦廢棄地為研究區(qū)，對(duì)黑麥草(LoliumperenneL.)、青紫披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)等7種禾本科植物進(jìn)行根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，并對(duì)其加筋固土性能進(jìn)行討論，得出根-土復(fù)合體含水率及含根量是影響不同植物固土性能產(chǎn)生差異的主要因素，因此將不同草種的水分吸收及根系發(fā)育特征，作為礦區(qū)植被生態(tài)修復(fù)及固土護(hù)坡的優(yōu)選草種的主要依據(jù)。賀長彬等(2016)研究發(fā)現(xiàn)，土體密度、含水率和含根量是影響退化草地土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的主要因素。此外，通過對(duì)不同環(huán)境條件下植物根-土復(fù)合體物理力學(xué)性質(zhì)及根系含量等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，確定其相關(guān)關(guān)系(李旭昶等，2019；高志傲等，2020)，并根據(jù)土體密度、含水率、根系特性等因素對(duì)土體抗剪強(qiáng)度影響的主次順序及交互作用，對(duì)生態(tài)修復(fù)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果有助于篩選優(yōu)勢(shì)植物種及組合，使草本植物固土護(hù)坡效應(yīng)發(fā)揮出顯著作用(單煒等，2012)，同時(shí)，對(duì)開展礦山生態(tài)修復(fù)與災(zāi)害防治提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。

基于上述實(shí)際情況，本項(xiàng)研究以位于高寒干旱環(huán)境木里煤田江倉礦區(qū)作為研究區(qū)，對(duì)排土場(chǎng)邊坡采用組合種植草本植物方式，分析了草本植物對(duì)邊坡土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的影響作用；在此基礎(chǔ)上，采用Pearson相關(guān)性分析法，評(píng)價(jià)邊坡土體抗剪強(qiáng)度與土體物理性質(zhì)、含根量指標(biāo)之間的相關(guān)性，以及草本根系對(duì)排土場(chǎng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。該研究結(jié)果對(duì)于高寒干旱環(huán)境礦山生態(tài)修復(fù)與坡面地質(zhì)災(zāi)害防治，具有一定的理論研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)木里煤田地處青藏高原東北部高海拔地帶，平均海拔為3900 m，位于黃河一級(jí)支流大通河源頭濕地生態(tài)區(qū)，該區(qū)既是青海湖和祁連山水源涵養(yǎng)地，又是我國西部生態(tài)安全屏障的重要組成部分，其生態(tài)地位極其重要。研究區(qū)江倉礦區(qū)主要以高原冰緣地貌為主，主要植被為高寒草甸。區(qū)內(nèi)氣候寒冷干旱，晝夜溫差變化大，且降雨主要集中在7～9月，降雪集中在1～5月，四季不分明，屬于典型高原大陸性氣候(劉德玉，2013)，年平均降雨量為277 mm，年平均蒸發(fā)量為1544.84 mm，最大蒸發(fā)量為1762.4 mm(據(jù)天峻縣氣象局2020年統(tǒng)計(jì)資料)。根據(jù)相關(guān)資料表明，區(qū)內(nèi)采礦活動(dòng)主要發(fā)生在除高山和丘陵之外的平原和臺(tái)地，由于煤炭資源露天開采，區(qū)內(nèi)形成采坑和規(guī)模不等的排土場(chǎng)；另外，因區(qū)內(nèi)工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)，地面修建諸多建筑物和通往采礦區(qū)的道路等基礎(chǔ)設(shè)施，嚴(yán)重影響和破壞區(qū)內(nèi)自然地貌景觀、高寒沼澤草甸及河流生態(tài)系統(tǒng)，造成區(qū)內(nèi)采坑、排土場(chǎng)、工業(yè)場(chǎng)地的工程景觀與周邊自然景觀不協(xié)調(diào)。如圖1所示為研究區(qū)地理位置示意圖。

圖1 研究區(qū)地理位置及排土場(chǎng)邊坡示意圖(據(jù)Li et al.(2019)修改)

2 試驗(yàn)方案

2.1 研究區(qū)草本植物篩選與種植

研究區(qū)排土場(chǎng)隸屬青海木里煤田江倉礦區(qū)五井田。該礦區(qū)自2010年起開始進(jìn)行露天煤礦開采，煤礦開采過程中所挖掘出的凍土塊石、基巖碎塊、煤矸石等廢棄物均堆積在礦區(qū)原生草甸層，并在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)形成2座分別位于露天廢棄礦坑南側(cè)和北側(cè)體積約1.3×106m3的排土場(chǎng)(金立群等，2020)。

自2013年起，該露天廢棄礦坑2處排土場(chǎng)在不覆蓋客土條件下，通過人工種植草本進(jìn)行了植被恢復(fù)。植被恢復(fù)過程中對(duì)植物種選擇主要遵循以下6條原則(周德培等，2003；胡夏嵩等，2011)：(1)抗逆性強(qiáng)，能適應(yīng)寒冷、干旱氣候條件；(2)適應(yīng)礦區(qū)排土場(chǎng)貧瘠土體條件；(3)能在短期內(nèi)迅速生長覆蓋坡面；(4)根系相對(duì)發(fā)達(dá)且具有較強(qiáng)抗拉和抗剪特性；(5)適應(yīng)粗放管理且種植成本較低；(6)植物具有越年生或多年生特征且能產(chǎn)生適量種子。基于以上原則，本項(xiàng)研究選取的試驗(yàn)場(chǎng)地為組合種植垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)+冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng.)的排土場(chǎng)邊坡，種植時(shí)間為2015年5月下旬，具體種植方法為：將垂穗披堿草和冷地早熟禾草種以2︰1播種比例混合撒播于樣地，播種量為300 kg·hm-2，種植面積為6.0×105m2(金立群等，2020)，草本植物生長期為5 a。試驗(yàn)區(qū)組合種植草本植物生長量指標(biāo)以及生長情況如表1、圖2所示。

表1 研究區(qū)2種草本植物生長量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 研究區(qū)排土場(chǎng)邊坡組合種植草本垂穗披堿草+冷地早熟禾生長情況(植株高者為垂穗披堿草、相對(duì)低矮為冷地早熟禾)

2.2 取樣位置與樣品采集

本項(xiàng)研究試驗(yàn)區(qū)位于露天廢棄礦坑南側(cè)和北側(cè)排土場(chǎng)邊坡，排土場(chǎng)與露天廢棄礦坑相對(duì)分布位置如圖1所示。排土場(chǎng)邊坡為多臺(tái)階覆蓋式排土堆置形成，由坡底至坡頂依次設(shè)置三級(jí)臺(tái)階。本項(xiàng)研究依據(jù)排土場(chǎng)臺(tái)階所在位置，將南側(cè)和北側(cè)排土場(chǎng)邊坡坡面分別劃分為如圖3a和圖3b所示的7個(gè)組成部分，即邊坡Ⅰ、邊坡Ⅱ、邊坡Ⅲ、邊坡Ⅳ，平臺(tái)Ⅰ、平臺(tái)Ⅱ、平臺(tái)Ⅲ；根據(jù)坡向，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡屬于陽坡，南側(cè)排土場(chǎng)邊坡則屬于半陰半陽坡。

圖3 研究區(qū)排土場(chǎng)邊坡實(shí)測(cè)剖面示意圖

區(qū)內(nèi)南側(cè)和北側(cè)排土場(chǎng)邊坡組合種植的垂穗披堿草和冷地早熟禾根系均以須根型為主，主要分布于地表以下0～20 cm(周林虎等，2019)?；诖耍卷?xiàng)研究選取排土場(chǎng)邊坡距地表以下0～20 cm深度內(nèi)制取草本根-土復(fù)合體和不含根系素土試樣。試樣制取過程為：沿南側(cè)和北側(cè)排土場(chǎng)邊坡所布設(shè)的取樣實(shí)測(cè)剖面，從邊坡Ⅰ至邊坡Ⅳ依次進(jìn)行取樣，在每處取樣位置制取2組草本根-土復(fù)合體試樣以及1組不含根系素土試樣，每組試樣分別在0～10 cm和10～20 cm取樣深度范圍內(nèi)制取上層和下層土體試樣，每層試樣制取4個(gè)環(huán)刀試樣和2個(gè)鋁盒試樣分別用于直剪試驗(yàn)及含水率測(cè)試；待試樣制備完畢后，立即對(duì)其進(jìn)行編號(hào)、密封并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)測(cè)定

2.3.2 根-土復(fù)合體試樣含根量試驗(yàn)測(cè)定

試驗(yàn)區(qū)南側(cè)和北側(cè)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體試樣含根量指標(biāo)采用洗根稱重法進(jìn)行測(cè)定。具體過程為：待直剪試驗(yàn)結(jié)束后，將根-土復(fù)合體試樣放置于孔徑為0.05 mm篩網(wǎng)中對(duì)附著于根系周圍的土體進(jìn)行清洗，然后用濾紙將根系表面水分吸干，再將根系按照試樣編號(hào)放置于85 ℃的烘箱內(nèi)，烘干至恒重后，采用精度為0.001 g電子秤依次稱量根-土復(fù)合體中根系干質(zhì)量，之后按照式(1)進(jìn)行計(jì)算得到每個(gè)根-土復(fù)合體試樣含根量：

(1)

2.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)區(qū)南側(cè)和北側(cè)2處排土場(chǎng)邊坡共8個(gè)坡面取樣點(diǎn)位置，其土體密度、含水率、根-土復(fù)合體含根量及其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；然后，采用SPSS 26.0軟件對(duì)區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡土體物理性質(zhì)、含根量，以及土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 排土場(chǎng)邊坡土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及其根系特征

3.1.1 排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置土體物理性質(zhì)指標(biāo)特征

圖4 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置根-土復(fù)合體與不含根系素土試樣密度變化特征

圖5 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置根-土復(fù)合體與不含根系素土試樣含水率變化特征

3.1.2 排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置根-土復(fù)合體根系含量特征

圖6 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置根-土復(fù)合體試樣含根量變化特征

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果可知，區(qū)內(nèi)不同坡向因光照、水分、溫度、土壤等差異可致株高、蓋度、地上生物量等指標(biāo)產(chǎn)生顯著性差異(金立群等，2020)，而根系作為植物生長發(fā)育重要的營養(yǎng)器官，其生長分布對(duì)土體結(jié)構(gòu)及水分條件等環(huán)境因素較為敏感(鄭淼等，2021)。區(qū)內(nèi)南側(cè)排土場(chǎng)取樣邊坡為半陰半陽坡，而北側(cè)排土場(chǎng)取樣邊坡則為陽坡，通過對(duì)比2處排土場(chǎng)邊坡土體物理性質(zhì)指標(biāo)可知，相比較于南側(cè)排土場(chǎng)邊坡，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡對(duì)應(yīng)坡位和相同深度根-土體復(fù)合體與不含根系素土含水率均明顯下降，降低幅度分別為29.08%～37.37%和25.60%～36.20%；此外，2處排土場(chǎng)邊坡土體物質(zhì)組成基本相同情況下，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡與南側(cè)排土場(chǎng)邊坡對(duì)應(yīng)坡位及相同深度根-土復(fù)合體與素土土體密度相比較，增加幅度分別為3.77%～10.01%和2.08%～7.33%，表明北側(cè)排土場(chǎng)邊坡土體結(jié)構(gòu)相對(duì)更為密實(shí)，且受坡向影響，北側(cè)排土場(chǎng)坡面受光照較為強(qiáng)烈，坡面淺層土體水分蒸散作用較強(qiáng)，其結(jié)果造成邊坡土壤條件相對(duì)不利于草本根系在土壤中穿插延伸和生長發(fā)育，因此相同深度條件下南側(cè)排土場(chǎng)邊坡草本根系生長分布狀況相對(duì)較好。

3.1.3 排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置土體抗剪強(qiáng)度特征

土體抗剪強(qiáng)度反映了其抵抗剪切變形破壞的能力，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c值反映土體內(nèi)部間的黏結(jié)能力，內(nèi)摩擦角φ值反映土體內(nèi)部間的摩擦阻力(賀長彬等，2016；胡瑞林等，2020)。為研究排土場(chǎng)植被恢復(fù)對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度影響，本項(xiàng)研究對(duì)比了不同取樣位置處根-土復(fù)合體與不含根系素土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。如圖7所示，南側(cè)排土場(chǎng)邊坡上層根-土復(fù)合體黏聚力c值為26.30～28.46 kPa，較對(duì)應(yīng)深度不含根系素土增加9.87～10.58 kPa，增加幅度為53.73%～62.11%；下層根-土復(fù)合體黏聚力c值為25.61～26.72 kPa，較對(duì)應(yīng)深度不含根系素土增加6.57～8.22 kPa，增加幅度為32.62%～46.46%。相應(yīng)地，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡上下兩層取樣深度內(nèi)的根-土復(fù)合體黏聚力c值為22.82～27.96 kPa，較對(duì)應(yīng)深度內(nèi)的不含根系素土亦表現(xiàn)出不同程度的增加。區(qū)內(nèi)除北側(cè)排土場(chǎng)邊坡Ⅲ與邊坡Ⅳ位置處的根-土復(fù)合體黏聚力c值相比較于不含根系素土的增加幅度相對(duì)較低，為5.77%～25.65%外，2處排土場(chǎng)邊坡其余各處取樣位置的根-土復(fù)合體黏聚力c值增加幅度均相對(duì)較高，為26.15%～62.11%。通過比較分析排土場(chǎng)邊坡各取樣位置根-土復(fù)合體含根量及物理性質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡Ⅲ、邊坡Ⅳ取樣處的根-土復(fù)合體根系含量較其他取樣位置有明顯降低，其根-土復(fù)合體平均含根量僅為南側(cè)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體的67.77%，其原因主要在于北側(cè)排土場(chǎng)邊坡因根-土復(fù)合體中含根量的降低，減弱了植物根系對(duì)土體的包裹纏繞作用，從而在一定程度上影響了草本植物對(duì)土體黏聚力c值的增強(qiáng)效果。

圖7 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡不同取樣位置根-土復(fù)合體與不含根系素土試樣黏聚力c值變化特征

如圖8所示為排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體與不含根系素土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ值的對(duì)比結(jié)果。由該圖可知，區(qū)內(nèi)南側(cè)排土場(chǎng)邊坡上下兩層取樣深度內(nèi)的根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ值為20.91°～23.92°，較對(duì)應(yīng)深度內(nèi)的不含根系素土僅增加0.04°～0.62°，增加幅度為0.19%～2.87%；相應(yīng)地，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡上下兩層取樣深度內(nèi)根-土復(fù)合體內(nèi)摩擦角φ值為23.90°～24.63°，較對(duì)應(yīng)深度內(nèi)的不含根系素土相比增加0.64°～1.73°，增加幅度為0.39%～3.85%。區(qū)內(nèi)2處排土場(chǎng)邊坡同一取樣位置處根-土復(fù)合體與不含根系素土內(nèi)摩擦角φ值變化幅度相比較于黏聚力c值均不顯著，因此根-土復(fù)合體與不含根系素土黏聚力c值之間的差別即可反映其在抗剪強(qiáng)度上的差異，即草本植物根系主要通過提高土體黏聚力c值進(jìn)而增強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度，起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用。

圖8 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡坡面不同取樣位置根-土復(fù)合體與不含根系素土試樣內(nèi)摩擦角φ值變化特征

3.1.4 土體物理力學(xué)性質(zhì)及根系含量隨取樣深度變化特征

由如圖4～圖8所示可知，區(qū)內(nèi)南側(cè)和北側(cè)排土場(chǎng)邊坡土體密度、含水率、黏聚力c值及根-土復(fù)合體含根量均隨深度增加而呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律性變化，除內(nèi)摩擦角φ值外，具體表現(xiàn)為：隨取樣深度的增加，2處排土場(chǎng)邊坡各取樣位置處根-土復(fù)合體密度、含水率亦隨之增加，增加幅度分別為1.36%～6.02%、0.74%～7.66%，而含根量與黏聚力c值則隨之降低，降低幅度分別為1.83%～14.82%、1.52%～10.01%，表明草本植物根系在淺表層土體中分布較集中，且固土能力相對(duì)較好，而較深層土體結(jié)構(gòu)相對(duì)更為密實(shí)，水分含量較高；對(duì)于不含根系素土，其密度、含水率及黏聚力c值均表現(xiàn)為隨深度增加而增加，增加幅度分別為1.56%～3.97%、1.96%～4.23%和3.20%～11.50%。通過上述對(duì)比結(jié)果可知，隨深度變化根-土復(fù)合體與不含根系素土其物理性質(zhì)變化趨勢(shì)相一致，而抗剪強(qiáng)度則表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，且根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨深度增加而減小的變化趨勢(shì)與含根量變化趨勢(shì)一致，這在一定程度上反映了植物根系分布對(duì)土體抗剪強(qiáng)度具有一定影響，且影響程度要高于土體物理性質(zhì)隨深度變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。

3.2 排土場(chǎng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度影響因素相關(guān)性分析

3.2.1 排土場(chǎng)邊坡不含根系素土抗剪強(qiáng)度與土體物理性質(zhì)相關(guān)性分析

如表2所示為區(qū)內(nèi)南、北兩側(cè)排土場(chǎng)邊坡不含根系素土黏聚力c值與其密度、含水率指標(biāo)之間的相關(guān)性分析結(jié)果。由該表可知，南側(cè)排土場(chǎng)邊坡不含根系素土黏聚力c值與土體密度、含水率之間的相關(guān)系數(shù)R分別為0.502*(P<0.05)、-0.532*(P<0.05)，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡不含根系素土黏聚力c值與土體密度、含水率之間相關(guān)系數(shù)R則分別為0.613**(P<0.01)、-0.431*(P<0.05)。由此可知，區(qū)內(nèi)南、北兩側(cè)排土場(chǎng)邊坡不含根系素土黏聚力c值與密度之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與含水率之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即不含根系素土密度增加及含水率下降與黏聚力c值的增大顯著相關(guān)。因此，為有效降低排土場(chǎng)邊坡未開展植被恢復(fù)和植被退化處變形破壞，除可對(duì)坡面進(jìn)行適度壓實(shí)增加土體密度以增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度外，還可通過修建排水溝等措施減輕邊坡坡面降水的入滲，避免邊坡土體因含水率上升造成抗剪強(qiáng)度下降，影響邊坡穩(wěn)定，防止邊坡因局部積水和降雨入滲引發(fā)坡體變形、水土流失和滑坡等淺層地表災(zāi)害(Pan et al.，2021)。

表2 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡不含根系素土黏聚力c值與密度、含水率之間相關(guān)性分析結(jié)果

3.2.2 排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與土體物理性質(zhì)及根系特征相關(guān)性分析

如表3所示為區(qū)內(nèi)南、北兩側(cè)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體黏聚力c值與其密度、含水率、含根量之間的相關(guān)性分析結(jié)果。由該表可知，區(qū)內(nèi)南側(cè)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體黏聚力c值與密度、含水率間的相關(guān)系數(shù)R分別為0.371*(P<0.05)、-0.339*(P<0.05)，與含根量間的相關(guān)系數(shù)R為0.431**(P<0.01)，北側(cè)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體黏聚力c值與密度、含水率間的相關(guān)系數(shù)R分別為0.348*(P<0.05)、-0.334*(P<0.05)，與含根量間的相關(guān)系數(shù)R為0.428**(P<0.01)。

表3 試驗(yàn)區(qū)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體黏聚力c值與密度、含水率及含根量之間相關(guān)性分析結(jié)果

由上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，南、北兩側(cè)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體黏聚力c值與土體密度、含水率之間分別呈顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與含根量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，即根-土復(fù)合體密度增大、含水率降低以及含根量增加均與根-土復(fù)合體黏聚力c值的增大呈顯著相關(guān)性。此外，通過對(duì)比根-土復(fù)合體黏聚力c值與密度、含水率、含根量間相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值大小可知，2處排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體含根量與黏聚力c值間的相關(guān)系數(shù)|R|均大于其密度及含水率與黏聚力c值之間的相關(guān)系數(shù)|R|，該對(duì)比結(jié)果表明，根-土復(fù)合體黏聚力c值與含根量之間的相關(guān)程度相對(duì)最高，即含根量對(duì)根-土復(fù)合體黏聚力c值影響程度相對(duì)較高。

4 結(jié) 論

本研究通過對(duì)青海北部木里煤田江倉礦區(qū)南、北兩側(cè)排土場(chǎng)邊坡，采用草本垂穗披堿草+冷地早熟禾組合種植，開展了草本根-土復(fù)合體與不含根系素土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析方法評(píng)價(jià)了排土場(chǎng)邊坡土體黏聚力c值與密度等3項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)性。主要得到如下結(jié)論：

(1)區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡組合種植草本形成根-土復(fù)合體結(jié)構(gòu)，相比較于不含根系素土，根-土復(fù)合體密度降低幅度6.31%～11.05%，含水率增幅4.47%～26.11%，表明組合種植根系起到顯著改變邊坡土壤物理性質(zhì)和水理性質(zhì)作用。

(2)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均顯著高于不含根系素土，相比較于不含根系素土，根-土復(fù)合體黏聚力c值平均增加36.92%，內(nèi)摩擦角φ值平均增加2.23%，反映出組合種植草本對(duì)增強(qiáng)排土場(chǎng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度和提高邊坡穩(wěn)定性起到顯著作用。

(3)排土場(chǎng)邊坡根-土復(fù)合體黏聚力c值與密度、含水率之間分別呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)與顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與含根量間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，表明土體密度、含水率和含根量對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均具有不同程度影響，其中根-土復(fù)合體含根量與黏聚力c值之間的相關(guān)程度相對(duì)最高。