不同植被恢復模式對露天煤礦排土場土壤抗沖性的影響

2019-10-19 03:33:18王洪祿翟景軒

水土保持研究 2019年6期

肖鵬, 呂剛, 王洪祿, 翟景軒

(1.遼寧工程技術大學環境科學與工程學院, 遼寧阜新 123000; 2.鐵嶺市國土資源調查規劃局, 遼寧鐵嶺 112608; 3.杭州大地科技有限公司, 杭州 310004)

土壤抗沖性是土壤結構體間抵抗離散的能力[1-2]以及土壤抵御徑流沖刷對其機械破壞和推動下移的能力[3]。許多學者對土壤抗沖性的影響因素[4]、測試方法[5]、評價指標[6]以及其時空變化規律[7]等方面進行了細化和深入的研究。其中國外學者主要側重于研究侵蝕營力的作用過程，國內學者則側重于研究土壤在外營力作用下自身的變化，加快了土壤侵蝕機理的研究進程，為區域水土流失預測提供了科學理論依據。但我國地域遼闊，人口眾多，由于受到地形、土壤、植被、氣候等自然因素和人為因素的綜合影響，使得土壤自身的抗沖性能在地域上存在很大的差異，現有的成果主要集中在西北黃土高原[8-9]、南方紫色土區[10-11]和紅壤區[12-13]等水蝕嚴重的地區，且研究對象均為自然狀態下的土壤，而針對露天煤礦開采所形成的排土場等人工松散堆積體的土壤抗沖性的研究卻較為鮮見。董玉琨[14]對內蒙古鄂爾多斯永利露天煤礦排土場邊坡抗沖性的研究得出，植被恢復可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度；耿寶軍[15]研究指出，土壤抗沖指數與土壤機械組成、土壤初滲率和穩滲率具有一定的相關性。

我國大型露天煤礦多處于干旱、半干旱地區，生態環境十分脆弱，排土場作為一種典型人工松散堆積體，主要由煤矸石等多種土石混合介質組成，由于不均勻沉降和地表壓實的影響，使其具有了特別的洞穴以及裂縫孔隙分布，形成了與原地貌截然不同的水蝕特征，從而導致其水蝕更為嚴重[16]，是工礦建設過程中水土流失最為嚴重的區域[17]。采取合理有效的復墾措施來改善土壤結構進而提高土壤的抗沖性能是控制排土場水土流失的重要途徑。呂春娟等[18]對黃土區大型排土場抗沖性進行了研究，得出土壤抗沖性與根量密度之間呈現直線關系。呂剛等[19]曾對海州露天煤礦排土場邊坡抗沖性進行了研究，得出在相同沖刷強度和沖刷時間下，根系能顯著增強土壤抗沖性。研究不同復墾模式下土壤抗沖性的強弱對于評價復墾土壤土地生產力以及工礦區生態重建水平具有重要的意義。本文以海州露天煤礦排土場的6種復墾模式作為研究對象，采用改進的原狀土槽放水沖刷法對比分析不同復墾模式下的土壤抗沖性及影響因素，可為加快排土場水土流失治理進程提供理論依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

遼寧省阜新市海州露天煤礦排土場位于露天礦坑西南部(121°40′12″E，41°57′36″N)，總面積約為13 km2，夏季炎熱少雨，年蒸發量1 500 mm以上，年均氣溫7.3℃，無霜期154 d，年均風速3 m/s，年均降水量511.4 mm，降水集中在夏季，以北溫帶半干旱大陸性季風氣候為主。2004年國土資源部投資對該排土場開展了土地復墾工作，運用采礦復墾機械對進行了搬運、平整和壓實工作，之后進行客土回填，覆土厚度為30 cm。排土場分為十多個大盤面呈梯形分布，盤面海拔平均高度為270 m，相對高差為3～60 m，最高處接近325 m，最低處不低于240 m，盤面地表矸石在停止排矸13 a以上，但依然有少量大塊矸石以及碎石夾雜。近年來，隨著當地居民對排土場棄煤不合理挖掘，部分盤面出現了大量不均勻的坑、溝等地貌狀況[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 野外選點與土樣采集 2017年7月在排土場復墾區內根據人工植被恢復現狀，在同一區域(復墾年限為13 a)內選取相鄰但相互之間無影響的6種復墾模式作為研究對象，分別為榆樹林地、混交林地(刺槐和榆樹混交)、灌木林地(紫穗槐)、刺槐林地、耕地和荒草地，采用設置標準地的方法研究各個樣地的植被恢復特征。在刺槐林地、榆樹林地、混交林地內打一個20 m×20 m的標準地(種植密度為2 m×2 m)，在灌木林地(紫穗槐)打一個10 m×10 m的標準地(種植密度為0.5 m×0.5 m)，在耕地和荒草地打一個5 m×5 m的標準地，樣地概況見表1。

在每種復墾模式下選擇代表性的區域分別用10 cm×10 cm×20 cm原狀土取樣器在表層取3份土樣。在每種復墾模式的樣地各取3個環刀樣品和3個鋁盒樣品，同時用塑料袋取2～3 kg土樣帶回實驗室，進行理化性質測定。帶回實驗室測定土壤容重、飽和含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、田間持水量、有機質、機械組成等指標(機械組成采用國際標準，砂粒為0.02～2 mm，粉粒為0.002～0.02 mm，黏粒為<0.002 mm)。測定方法詳見參考文獻[21]，不同復墾模式下的土壤理化性質見表2。

表1 樣地概況

注：樣地內榆樹林有2棵枯萎、刺槐林有9棵枯萎的未計入其中。

表2 土壤理化性質

1.2.2 原狀土沖刷試驗原狀土取回后，將取樣器置于水盤內，向水盤內注水，浸水24 h，使其達到毛管水飽和。本試驗采用原狀土沖刷水槽法，將原有沖刷槽進行改進設計，水槽設計見圖1。改進后的水槽增加設計了容積為5 L的靜水室，使徑流穩定。取樣器尺寸參考李勇等[22]設計的取樣器尺寸10 cm×10 cm×20 cm，通過恒壓水箱調整供水流量，流量設置為2 L/min，試驗坡度為15°，在水流穩定，將原狀土樣在水中取出，裝入抗沖水槽中的土樣室(土樣室的尺寸與取土器相同)，使土樣表面和槽面齊平，然后放水沖刷10 min并采集徑流泥沙過程樣，在沖刷開始后每2 min量取一次沖刷水流量并取樣，充分攪動后取樣、烘干、稱重。

采用土壤抗沖指數來評價土壤抗沖性。土壤抗沖性指數計算為每沖刷掉1 g的烘干土所需水量，用ANS(anti-scourability)表示(L/g)，ANS愈大，土壤的抗沖性愈強。

ANS=f×t/W

(1)

式中：f為沖刷流量(L/min)；t為沖刷時間(min)；W為烘干泥沙質量(g)。

1.2.3 根系測定原狀土沖刷試驗做完后將取樣器內土體在直徑0.5 mm篩網上沖洗，把取樣器內所有根系洗出，用WinRHIZO根系分析系統測定根系的根長、根表面積、根體積等指標。然后將根系置于105℃烘箱中烘干，然后置于墊子天平上稱重，測量根系密度RD(kg/m3)

RD=MD/V

(2)

式中：MD為根系烘干質量(kg)；V為采樣器體積(m3)。

圖1 土壤抗沖槽

根系對土壤抗沖性的強化值用ΔANS(min/g)與強化百分率(%)表示，其中：ΔANS=有根土壤ANS-無根土壤；強化百分率=ΔANS/無根土壤×100%。

2 土壤抗沖性的動態變化特征

2.1 土壤沖刷過程中含沙量變化特征分析

土壤抗沖性能的規律可以由土壤沖刷過程中含沙量隨時間變化看出。由圖2可知，在產流初始階段，不同復墾模式下的含沙量都比較大，隨著時間的延長含沙量呈遞減趨勢，各復墾模式初始徑流含沙量表現為耕地>荒草地>刺槐林地>混交林地>灌木林地>榆樹林地，各復墾模式在產流的開始時期泥沙量比較大。產流6 min后各復墾模式下的含沙量逐漸趨于穩定，不同復墾模式徑流含沙量總體趨勢為隨著沖刷時間的延長逐漸降低，其中灌木林地在沖刷過程中徑流含沙量最小，耕地的徑流含沙量在整個沖刷過程中均最大，這與耕作的頻繁擾動有關。不同復墾模式下土壤沖刷過程累計徑流含沙量表現為耕地>荒草地>榆樹林地>混交林地>刺槐林地>灌木林地。總體表現為耕地含沙量最大，荒草地次之，林地的徑流含沙量最低，其中以灌木林地含沙量最低。

注：1，2，3表示每個樣地3次重復試驗。
圖2 不同土地利用類型土壤含沙量動態變化

2.2 土壤沖刷過程中抗沖性指數變化特征分析

土壤抗沖指數數值越大，說明土壤抗沖性越強。由圖3可知，隨土壤沖刷時間延長，土壤抗沖性伴隨著沖刷時間的延長而增強。不同復墾模式土壤初始抗沖性指數較小，沒有顯著差異。當10 min沖刷結束時，不同復墾模式土壤抗沖指數變化表現為灌木林地(ANS=3.18 L/g)>榆樹林地(ANS=2.67 L/g)>混交林地(ANS=2.37 L/g)>刺槐林地(ANS=1.931 L/g)>荒草地(ANS=1.84 L/g)>耕地(ANS=109 L/g)。灌木林地土壤抗沖性指數顯著高于其他復墾模式，3種喬木復墾模式次之，荒草地和耕地抗沖性指數較小，其中耕地抗沖性指數最小。由圖4可知，綜合10 min不同復墾模式土壤平均抗沖性指數趨勢表現為灌木林地(ANS=0.55 L/g)>刺槐林地(ANS=0.45 L/g)>混交林地(ANS=0.44 L/g)>榆樹林地(ANS=0.42 L/g)>荒草地(ANS=0.41 L/g)>耕地(ANS=0.21 L/g)。表現為灌木林地土壤抗沖性抗沖性最強，灌木林地在表土層根系分布較廣，根系密度大，根系的固結作用能夠提升土壤的抗沖性。3種喬木林地復墾模式抗沖性指數小于灌木林地，3種喬木林地根系較為粗壯，自身枯枝落葉和根系對土壤有一定的改良作用，但是表層根系分布較灌木林地少，同時研究地為露天煤礦復墾區，其土壤結構性紊亂，養分相對貧瘠，喬木林地復墾后其根系發育相對較緩慢，所以其抗沖性沒有灌木林地強。荒草地和耕地，其根系不發達，根系較淺，以細小的須根為主，同時耕地還受到人工耕作活動和農作物的影響，其抗沖性指數最小。潘德成等[23]對阜新孫家灣煤矸石山6個典型坡面的表層土壤的抗沖性進行研究得出礦區次生裸坡土壤抗沖系數的變化是隨著沖刷時間的變化呈現出先快后慢的趨勢，與本文觀點基本一致。

3 土壤抗沖性的影響因素

3.1 土壤理化性質對土壤抗沖性的影響

土壤的理化性質是土壤自身固有的特性，表現了土壤質地結構，土壤松散程度等狀況。由于排土場土壤作為重構土體其土壤層序紊亂、土壤結構性差、養分貧瘠的特點[24]。所以土壤的理化性質對土壤抗沖性的影響可能與其他地區有所不同。不同復墾模式土壤理化性質由表2可知，土壤機械組成反映土壤顆粒大小不同，其抵抗徑流沖刷搬運的強弱也有所差異，復墾區土壤以>0.05 mm砂粒所占的值最高，復墾區土壤砂粒含量較高，達到了55%～65%，土壤中的砂粒(>0.05mm)含量越多，越利于水分下滲。所以相對于砂粒來說，黏粒對抗沖性的影響更大，相關性更強，這是因為土壤黏粒含量越多，土壤的通氣性和透水性也就越差，有利于提高土壤的抗沖性。不同復墾模式土壤黏粒含量為：混交林地>榆樹林地>刺槐林地>灌木林地>荒草地>耕地，耕地受人為耕作活動影響，黏粒含量較差，土壤通氣性和透水性較差，其抗沖性也較差；土壤容重、孔隙度可以較大程度反映土壤的松緊程度。土壤容重和孔隙度是土壤緊實程度的主要衡量指標，土壤抗沖性與土壤緊實程度息息相關，土壤緊實程度在一定程度上能夠影響土壤顆粒被水流沖刷的速度。各復墾模式土壤容重的表現為：耕地>荒草地>榆樹林地>刺槐林地>混交林地>灌木林地。各復墾模式土壤毛管孔隙度為：灌木林地>混交林地>刺槐林地>榆樹林地>荒草地>耕地。非毛管孔隙度為：灌木林地>榆樹林地>混交林地>刺槐林地>荒草地>耕地。這是因為隨著土壤容重的增加，土壤孔隙度的減小，土壤抗沖性能隨之減弱；有機質是衡量土壤肥力水平的重要指標，可以從微觀方面改善土壤的結構及性狀，不同復墾模式有機質含量表現為，混交林地>榆樹林地>刺槐林地>灌木林地>荒草地>耕地。喬木林地復墾模式有機質高于灌木林地、荒草地和耕地，張愛國[25]、景可[26]等的研究表明，土壤的化學性質對土壤抗沖性的影響較小，所以對抗沖性的提升并不明顯。

由表3可知，土壤容重、砂粒含量和粉粒含量與土壤抗沖性指數呈負相關，飽和含水率、毛管孔隙度、田間持水量、有機質和黏粒含量與土壤抗沖性指數呈正相關，非毛管孔隙度與土壤抗沖性指數呈顯著正相關關系。上述分析表明復墾區土壤容重越大，孔隙度越小，黏粒含量越少，土壤結構越松散，其抗沖性能越弱。在徑流短歷時的沖刷過程中，土壤容重越小，孔隙度越大，黏粒含量越高，土壤緊實程度越高，土壤不易被沖蝕、搬運，表現出更強的抗沖性能。

3.2 植物根系對土壤抗沖性的影響

根系對土壤抗沖性的增強效應是植被控制水土流失的重要方面[27]，植物根系能夠通過網絡串聯、根土粘結作用強化土壤抗沖性能[28]。由圖5可知，不同復墾模式下根密度大小依次為：刺槐林地>荒草地>灌木林地>混交林地>榆樹林地>耕地，根表面積密度大小依次為：灌木林地>混交林地>榆樹林地>刺槐林地>耕地>荒草地，根體積反映了植物根系所占的空間大小，不同復墾模式下大小依次為：灌木林地>刺槐林地>榆樹林地>混交林地>耕地>荒草地。不同復墾模式的根重大小依次為：灌木林地>混交林地>刺槐林地>榆樹林地>荒草地>耕地。通過分析根密度、根表面積、根體積和根重可以看出，灌木林地根系在表層密度大，與土體接觸多，形成了良好的根系網絡。

表3 土壤抗沖指數與土壤理化性質相關性分析

注:**表示在0.01水平下極顯著，*表示在0.05水平下顯著，樣本總數為6。

圖5 不同復墾模式根系指標

6種復墾模式的根系徑級分布特征可知(表4)，荒草地以≤1mm徑級為主，雖然荒草地根系密度較大，但是根系以細小須根為主，抵抗水流沖刷能力較差。灌木林地以≤1mm徑級和2～5mm徑級為主，擁有良好的根系網絡，對抗沖性提升明顯。榆樹林地、刺槐林地和混交林地植物根系以2～5mm和>5mm的根系為主，植物根系強壯且網絡較好，但是數量相對較少，在表層土壤中對抗沖性的提升不如灌木林地明顯。植物根系在土壤中交錯穿插、網絡固持土壤，對抗沖性的增強主要取決于根系的纏繞和固結作用[29]。李強等[30]研究黃土風沙區土壤抗沖性時得出植物根系的固持作用能增強土體穩定性，提高其土壤抗沖性，進而減少水土流失。綜合表土層各復墾模式的根系指標，灌木林地和3種喬木林地根系網絡較好，相對粗大，尤其是灌木林地，在表層土壤中分布較好，對于土壤抗沖性提升作用明顯。而荒草地和耕地以細小的須根為主，沒有形成根系網絡，其質量和數量對提升抗沖性并不明顯。

根系對土壤抗沖性的增強作用系指在相同條件下，有根土壤的流失量比無根土壤流失量減少的百分數。不同復墾模式的根系分布特征不同，對土壤抗沖性產生的影響也不同，以土壤中無根系的樣點作為對照，其ANS為0.08 min/g為基礎計算根系對土壤抗沖性能的強化值，由圖6可知，不同復墾模式土壤抗沖性能強化值ΔANS范圍為0.06～0.73，強化百分率為28%～630%，根系對灌木林地抗沖性能的增強作用最強，顯著高于其他幾種復墾模式，這表明在相同徑流沖刷強度與相同沖刷時間條件下，灌木林地提高土壤抗沖性能的效果比其他5種復墾模式更明顯，其次是混交林地、刺槐林地、榆樹林地和荒草地，耕地根系對提高土壤抗沖性的作用最弱。呂剛等[19]對海州露天煤礦排土場邊坡抗沖性進行了研究得出在相同沖刷強度和沖刷時間下，根系能顯著增強土壤抗沖性。與本研究結果一致。呂春娟等[18]在研究黃土區大型排土場植被根系的抗沖性時發現，灌木林地抗沖性最好。本研究與呂春娟的研究均得出灌木林地在排土場的抗沖性最好，從水土保持角度出發，建議在日后工礦區土地復墾中優先考慮林地尤其是灌木林地復墾模式。