礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡不同植被配置模式的控蝕效益研究*

楊 波 王文龍，2? 郭明明 康宏亮 劉春春 陳卓鑫 王文鑫 趙 滿

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127）

神府東勝煤田的開采給當(dāng)?shù)貛砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，然而對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了大面積的破壞，其中露天采煤對(duì)環(huán)境破壞尤為嚴(yán)重。研究表明礦區(qū)受損生態(tài)的巖土每年以7 800 萬m3左右的速度被侵蝕和搬運(yùn)[1]。其中，棄土棄渣體結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，坡面可蝕性可達(dá)天然坡面的10 倍～100 倍，侵蝕速率是撂荒地的43.6 倍～239.2 倍[2-3]；排土場(chǎng)邊坡在突發(fā)性強(qiáng)降雨條件下易導(dǎo)致水土流失乃至泥石流、滑坡等自然災(zāi)害發(fā)生。

當(dāng)前在國家實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)一步被學(xué)者們所重視，對(duì)于受損礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)，項(xiàng)元和等[4]、張志權(quán)等[5]認(rèn)為任何的退化生態(tài)系統(tǒng)均是以植被恢復(fù)為前提的，適宜的植被恢復(fù)措施能提高破損土壤的活性、養(yǎng)分等[6-7]。研究證明植被覆蓋能夠顯著增加入滲并且減少地表徑流和土壤侵蝕[8-9]。但如果只依靠土壤和植被的自然恢復(fù)，植被自然演替到灌草和森林群落一般分別需要15～30 a 和100 a 甚至更長的時(shí)間[10]。郭建英等[11]通過對(duì)草原露天礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡觀測(cè)研究得出在植被恢復(fù)初期，不合理的治理措施會(huì)造成邊坡侵蝕量大于裸露地。因此，在礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中，對(duì)植被的選擇顯得尤為重要。研究表明人工種植冰草對(duì)礦區(qū)偏石質(zhì)和煤矸石棄渣體的減水和減沙效益優(yōu)于魚鱗坑措施[12]。在煤礦廢棄排土場(chǎng)種植豆科牧草可提升土壤氮素營養(yǎng)促進(jìn)植被生長[5，13-14]。Vogel[15]通過對(duì)美國東部地區(qū)礦區(qū)復(fù)墾植被研究得出，該區(qū)適宜生長高羊茅、鴨茅、小糠草等禾本科植物。而刺槐和新疆楊可作為安太堡露天煤礦植被恢復(fù)的優(yōu)良樹種[16]。對(duì)于砒砂巖礦區(qū)邊坡，檸條和草地坡面的減流和減沙效果可達(dá)35.31%～64.74%和80.70%～ 91.78%[17]；通過植被恢復(fù)，礦區(qū)受損土壤氮磷鉀等有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，土壤理化性質(zhì)進(jìn)一步得以改善，土壤抗蝕性提高，進(jìn)而減少水土流失[18]。目前針對(duì)該區(qū)排土場(chǎng)邊坡治理的植被恢復(fù)模式多為單一物種（沙棘、檸條、紫花苜蓿、冷蒿等），且多以直根系植物為主[19-21]。然而不同的植被類型和根系結(jié)構(gòu)有顯著不同的減沙效益[22-24]，因此，不同植被類型和根系結(jié)構(gòu)的合理搭配可能更有助于控制礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡水土流失，而目前針對(duì)不同植被配置模式對(duì)該區(qū)煤礦排土場(chǎng)邊坡徑流泥沙調(diào)控作用的研究還較為少見。此外，根據(jù)張漢雄[25]、周佩華和王占禮[26]、Tao 等[27]研究表明，遞增型降雨徑流造成的土壤侵蝕較均一型、遞減型和間歇型降雨類型更為嚴(yán)重。

鑒于此，本文通過野外原位小區(qū)放水沖刷的試驗(yàn)方法來模擬遞增型降雨條件下，排土場(chǎng)匯流對(duì)邊坡不同植被冰草、沙蒿、沙棘及其搭配措施坡面（冰草、上冰草下沙蒿，冰草沙棘混合）的減水減沙效益及水沙關(guān)系的影響，分析該礦區(qū)排土場(chǎng)最佳植被恢復(fù)措施以及植被的控蝕機(jī)理，驗(yàn)證各措施抵御暴雨徑流侵蝕的能力，為該區(qū)采礦后期進(jìn)一步改善和加快生態(tài)修復(fù)提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗準(zhǔn)格爾召鎮(zhèn)的永利煤礦，試驗(yàn)地理位置為39°41′52″N，110°17′2″E。該區(qū)屬于風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)，海拔1 000～ 1 500 m，氣候?yàn)榘敫珊荡箨懶詺夂?，年均氣?.2～ 7.2℃，年蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，年降雨量379～ 500 mm，降雨多集中在7—9月，降雨量約占全年的80%，常以暴雨形式發(fā)生。該區(qū)土壤多以母質(zhì)為砒砂巖的栗鈣土和風(fēng)沙土為主，抗侵蝕能力差，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。前期通過對(duì)晉陜蒙接壤地能源區(qū)60 座煤礦的排土場(chǎng)、排矸場(chǎng)邊坡調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坡長在5～12 m 的邊坡占總邊坡的21.52%，坡度大于35°的高陡邊坡占總邊坡數(shù)量的35%，是較為常見的一種邊坡。而永利煤礦由于其地理位置以及煤礦開采規(guī)模、排土場(chǎng)堆積面積等方面在該區(qū)屬于具有代表性的典型礦區(qū)。其西棱臺(tái)狀排土場(chǎng)于2012年堆積而成，2013年被當(dāng)?shù)卣鳛槭軗p生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的示范基地，在該區(qū)展開了一系列生態(tài)恢復(fù)措施，如鋪設(shè)草方格、沙打旺（Astragalus adsurgens Pall）秸稈覆蓋以及撒播種植冰草（Agropyron cristatum（Linn.）Gaertn）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙打旺、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）等其他一些草被和藤本及灌木植被，截止到2017年，該區(qū)各類植被恢復(fù)年限為4 a年。綜合考慮植被植株高度、蓋度、均勻度相同且長勢(shì)良好的植被。選擇生長有冰草、沙蒿、沙棘植被及其不同配置模式的排土場(chǎng)坡面作為試驗(yàn)研究坡面，選取植被配置方式以及各配置樣地土壤機(jī)械組成見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)前期60 座煤礦調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合該排土場(chǎng)實(shí)際情況，本試驗(yàn)小區(qū)坡長定為長8 m、寬1 m，坡度為38°。首先在選取的各坡面通過米尺量取長寬分別為8 m×1 m 樣方，利用鐵鍬在邊界外圍向下挖深30 cm，將長4.0 m、寬0.3 m、厚度為0.5 cm 的PVC板埋入地下不低于25 cm 深。小區(qū)上部修成平臺(tái)用以放置穩(wěn)流槽，大小為1.0 m×0.4 m×0.5 m，在穩(wěn)流槽內(nèi)部鋪墊一層防滲塑料紙，在小區(qū)下方安置三角型鋼制集流槽，在集流槽下方修建大小適中的接樣池便于試驗(yàn)接取泥沙樣，并清理小區(qū)內(nèi)碎石以及枯枝雜物。小區(qū)修建完畢后設(shè)立警戒標(biāo)志，放置48 h 后測(cè)試邊界修建的緊密度。試驗(yàn)水源為排土場(chǎng)放置的大型儲(chǔ)水罐，利用型號(hào)為WB20XH 汽油泵抽取儲(chǔ)水罐中的水至紊流槽，用閥門來控制流量，安裝電磁流量計(jì)（GY-LED）監(jiān)測(cè)流量大小，小區(qū)模型如圖1所示。

表1 坡面配置要素和土壤顆粒組成 Table1 Slope parameters and soil particle composition

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D Fig.1 Sketch of experimental model

根據(jù)張漢雄[25]對(duì)黃土高原地區(qū)多年暴雨資料統(tǒng)計(jì)，大于60 min、小于180 min 的長歷時(shí)暴雨頻數(shù)占多年觀測(cè)資料的63.2%～86.5%，在該地較為常見，所以本試驗(yàn)遞增型沖刷歷時(shí)設(shè)計(jì)為3 h，模擬3～5年一遇的暴雨標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)依據(jù)王占禮和焦菊英[28]對(duì)黃土高原長歷時(shí)侵蝕性暴雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)，降雨歷時(shí)5～240 min 對(duì)應(yīng)的雨強(qiáng)為0.88～0.08 mm·min-1。該排土場(chǎng)匯水面積約為300 m2，當(dāng)?shù)貜搅飨禂?shù)為0.11，所以本試驗(yàn)遞增型流量設(shè)計(jì)為5-10-15-20 L·min-1，每種流量產(chǎn)流歷時(shí)45 min，實(shí)驗(yàn)重復(fù)2 次。

1.3 試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)前，對(duì)坡面進(jìn)行灑水潤濕，需保證各個(gè)坡面控制的含水量一致，試驗(yàn)開始時(shí)打開汽油泵，通過閥門和自動(dòng)流量計(jì)將流量控制在初始放水流量狀態(tài)。待水流穩(wěn)定后將水管放入穩(wěn)流槽，在水進(jìn)入穩(wěn)流槽消能后通過防滲塑料紙使水保持貼壁流進(jìn)入小區(qū)坡面時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，待徑流從急流槽出口流出時(shí)記錄下此段過程時(shí)間，并重新開始計(jì)時(shí)，在測(cè)流斷面采用高錳酸鉀染色法和秒表測(cè)流速，取4個(gè)斷面的平均值作為坡面流速，將所測(cè)流速乘以修正系數(shù)，層流為0.52，過渡流和紊流為0.75，從而得到較為理想的徑流流速[17]。在集流槽出口處用量筒接取泥沙樣，同時(shí)記錄接樣時(shí)間并讀數(shù)，用精度為0.01g 的電子稱稱量徑流泥沙樣，前6 min 每1 min用量筒接取一次泥沙樣，以后每隔3 min 接取一次，用塑料桶收集泥沙樣，試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)掉閥門同時(shí)取出穩(wěn)流槽中的水管停止供水。用溫度計(jì)測(cè)量水溫，烘箱保持105℃恒溫烘干泥沙樣并用電子天平（精度0.01g）稱重。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

侵蝕速率TS：即坡面小區(qū)徑流在單位時(shí)間內(nèi)剝蝕土壤的質(zhì)量，由式（1）計(jì)算：

式中，TS為侵蝕速率，g·min-1；M1為接樣時(shí)間t內(nèi)的泥沙干重，g；t為接樣時(shí)間，s。

徑流率Rr：坡面小區(qū)在單位時(shí)間內(nèi)流失水的質(zhì)量，采用式（2）計(jì)算：

式中，Rr為徑流率，L·min-1；M0為接樣時(shí)間t內(nèi)的徑流和泥沙總質(zhì)量，g；ρ為水的密度，g·cm-3；t為接樣時(shí)間，s。

減水效益η水：有植被防護(hù)小區(qū)相對(duì)于裸坡小區(qū)蓄水能力的百分比，采用式（3）計(jì)算：

式中，η水為防護(hù)措施的減水效益，Q為試驗(yàn)產(chǎn)流后總的放水流量，L；Tl為裸坡坡面的產(chǎn)流時(shí)間，min；lq為裸坡坡面產(chǎn)生的總徑流量，L；Tc為各植被配置坡面產(chǎn)流時(shí)間，min；qc為各植被配置坡面產(chǎn)生的總徑流量，L。

減沙效益η沙：有植被防護(hù)小區(qū)相對(duì)于裸坡小區(qū)減少的泥沙質(zhì)量的百分比，采用式（4）計(jì)算：

式中，η沙為防護(hù)措施的減沙效益，Tsl為裸坡的侵蝕泥沙質(zhì)量，g；Tsc為植被防護(hù)坡面侵蝕泥沙質(zhì)量，g。

產(chǎn)流貢獻(xiàn)率φw：試驗(yàn)中各階段產(chǎn)生的徑流量占總徑流量的百分比，采用式（5）計(jì)算：

式中，φw為產(chǎn)流貢獻(xiàn)率，Wi為各階段總的產(chǎn)流量，L；i表示試驗(yàn)的第1（5 L·min-1）、2（10 L·min-1）、3（15 L·min-1）、4（20 L·min-1）階段；W總為試驗(yàn)總的產(chǎn)流量，L。

產(chǎn)沙貢獻(xiàn)率Sφ：試驗(yàn)中各階段產(chǎn)生的侵蝕泥沙質(zhì)量占總侵蝕泥沙質(zhì)量的百分比，采用式（6）計(jì)算：

式中，Sφ為產(chǎn)流貢獻(xiàn)率，Si為各階段總的產(chǎn)沙量，kg；S總為試驗(yàn)總的產(chǎn)沙量，kg。

采用Excel 2016 和SPSS 17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 2016 進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié) 果

2.1 排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

2.1.1 徑流率隨時(shí)間的變化 在遞增型放水流量條件下邊坡徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化過程如圖2所示。隨著放水流量的遞增，坡面徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)的延長呈階梯式增長。各坡面徑流率分別在1.28～ 16.40、0.1～12.23、0.09～14.93、0.12～15.69 和0.06～ 12.48 L·min-1之間變化。流量由5 L·min-1遞增至10 L·min-1時(shí)，BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面瞬時(shí)徑流率（圖中45～48 min、90～93 min、135～ 138 min）增大2.20 倍、7.78 倍、6.48 倍、19.92 倍和16.11 倍；由10 L·min-1遞增至15 L·min-1，各坡面瞬時(shí)徑流率增大2.77 倍、1.97 倍、8.26 倍、1.99倍和1.96 倍；由15 L min-1遞增至20 L·min-1，瞬時(shí)徑流率增大1.43 倍、2.08 倍、1.13 倍、1.78 倍和2.07倍，可見首次流量遞增時(shí)徑流率變化最為明顯。坡面在經(jīng)歷初始流量5 L·min-1時(shí)（圖2中箭頭所示），C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面的徑流率變化較為穩(wěn)定，徑流率均在1 L·min-1以下波動(dòng)，各植被配置具有較好的防護(hù)作用，而BS 坡面徑流率明顯大于其余4 種植被防護(hù)坡面，且徑流率隨著產(chǎn)流歷時(shí)的延長呈“突增-下降-穩(wěn)定”變化的趨勢(shì)。由于坡面細(xì)小顆粒被沖刷時(shí)堵塞土壤表面空隙，從而短時(shí)間內(nèi)使入滲減小，導(dǎo)致產(chǎn)流突然增大；當(dāng)細(xì)顆粒逐漸被徑流搬運(yùn)后，下墊面結(jié)構(gòu)變得松散，入滲能力變大導(dǎo)致徑流率呈下降趨勢(shì)；最后由于坡面細(xì)顆粒已被基本沖刷完畢，徑流已在坡面形成穩(wěn)定的流路，從而使徑流率保持穩(wěn)定變化。隨著放水流量的遞增，未防護(hù)坡面瞬時(shí)徑流率反而小于其余植被配置坡面，即防護(hù)坡面與未防護(hù)坡面的差異性逐漸縮小。

圖2 不同植被配置坡面徑流率隨時(shí)間的變化 Fig.2 Temporal variation of soil runoff rate on the slope relative to pattern of the vegetation

2.1.2 侵蝕速率變化過程 遞增型放水流量條件下各坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化過程如圖3所示。BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面侵蝕速率分別在419～9 775 g·min-1、11.35～1 717 g·min-1、3.34～ 1 537 g·min-1、1.97～1 789 g·min-1和 4.17～3 258 g·min-1之間變化。 相對(duì)于徑流率在遞增型放水流量條下隨產(chǎn)流時(shí)間的階梯式增長，整體上侵蝕速率在流量遞增階段隨產(chǎn)流時(shí)間的變化差異較小，坡面侵蝕速率僅在流量改變初期波動(dòng)較大。各流量條件下未防護(hù)坡面（BS）侵蝕速率高于4 種植被防護(hù)坡面，即植被配置坡面侵蝕量小于未防護(hù)的裸坡。流量由5 L·min-1遞增至10 L·min-1時(shí)，由10 L·min-1遞增至15 L·min-1，由15 L·min-1遞增至20 L·min-1時(shí)，BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面瞬時(shí)侵蝕速率（圖中45～48 min、90～93 min、135～138 min）增大了7.77～8.90 倍、4.15～38.09 倍、123.3～204.6 倍、57.98～75.67 倍和2.73～199.5 倍。在流量突增階段，瞬時(shí)侵蝕速率均為明顯增大趨勢(shì)。但侵蝕速率突增僅維持在流量改變初期的9 min 以內(nèi)，而后侵蝕速率表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且部分坡面侵蝕速率低于前一個(gè)放水流量，整體上與徑流率突增改變后依然保持大放水流量下大產(chǎn)流的趨勢(shì)不同。坡面經(jīng)初始 5 L·min-1放水流量條件下（圖3中箭頭所示），未防護(hù)坡面侵蝕速率遠(yuǎn)高于C3H7、C7H3、QC 和CG 四種植被配置坡面，且BS 坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間的變幅大于4 種不同植被配置的防護(hù)坡面。與徑流率的變化情況一致，侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間也為“突增-下降-穩(wěn)定”的變化趨勢(shì)，4 種植被防護(hù)坡面侵蝕速率變幅則較低，保持在200 g·min-1以下變化，遠(yuǎn)低于未采取防護(hù)措施的裸露坡面。

圖3 不同植被配置坡面侵蝕速率隨時(shí)間的變化 Fig.3 Temporal variation of soil erosion rate on the slope relative to pattern of the vegetation

2.2 不同植被配置模式對(duì)邊坡的減水減沙效應(yīng)

圖4為遞增型放水流量條件下各邊坡累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量統(tǒng)計(jì)情況。如圖4a 所示，BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面的累積徑流量分別為1 267、848.1、1 070、1 098、811.7 L。相較于裸坡，兩種不同類型根系的草本植被搭配C3H7 和C7H3 坡面的減水效益分別為31.99%和18.72%，單一根系植被QC 坡面為15.29%，而冰草和沙棘混合配置CG坡面具有最好的減水效益，為34.36%；流量由5 L·min-1遞增至20 L·min-1時(shí)，BS、C3H7、C7H3、QC 和 CG 坡面的產(chǎn)流貢獻(xiàn)率分別為9%～47%、1%～56%、1%～55%、1%～53%和1%～57%，各流量對(duì)總產(chǎn)流的貢獻(xiàn)率隨放水流量的增大而增大；圖4b表明，BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面累積產(chǎn)沙量分別為350.9、65.72、44.61、53.35 和144.8 kg，各植被防護(hù)坡面的減沙效益分別為 81.28%、87.29%、84.80%和58.73%，其中CG 配置坡面相對(duì)其他坡面減沙效益最低，而C7H3 配置坡面最高。4種流量條件下各坡面的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)率分別為7%～36%、3%～40%、2%～79%、2%～61%和2%～48%。隨著流量的遞增，部分坡面的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)率有下降趨勢(shì)，即流量由5 L·min-1依次遞增至10、15、20 L·min-1時(shí)，坡面平均侵蝕速率和總侵蝕量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。原因是當(dāng)流量增大到一定條件時(shí)，徑流經(jīng)過的坡面易蝕性細(xì)顆粒物質(zhì)逐漸被侵蝕完畢，導(dǎo)致徑流的挾沙能力保持穩(wěn)定，當(dāng)流量再次增大時(shí)，坡面侵蝕細(xì)顆粒物質(zhì)卻遠(yuǎn)低于前次放水時(shí)坡面所保留的易蝕性細(xì)顆粒，進(jìn)而出現(xiàn)流量增大產(chǎn)沙減小。

2.3 不同植被配置模式下的坡面水沙關(guān)系

圖5為BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面侵蝕速率和徑流率的回歸分析。BS、C3H7、QC 和CG坡面的侵蝕速率和徑流率均呈極顯著（R2=0.522～0.827，P＜0.01，n=64）的冪函數(shù)關(guān)系，而C7H3 坡面侵蝕速率和徑流率則為極顯著的線性關(guān)系（R2=0.447，P＜0.01，n=64）。說明，當(dāng)增加相同單位的徑流率時(shí)，C7H3 坡面侵蝕速率增加值要低于其余4 種坡面，即坡面徑流率增大的速率大于侵蝕量增大的速率，同理可知，增加相同單位的徑流率時(shí)，BS 坡面增加侵蝕量的值遠(yuǎn)高于其他植被配置坡面，進(jìn)一步說明本研究中排土場(chǎng)坡面具有最好減沙效應(yīng)的為須根系和直根系搭配C7H3 配置坡面。由以上關(guān)系可知，邊坡無論有無植被措施防護(hù)，侵蝕速率均隨徑流率的增大而增大，坡面水沙情況表現(xiàn)為水大沙大的特征[29-30]，由于植被的阻控效應(yīng)，即植被地上部分對(duì)降雨徑流的攔截作用，以及植被地下根系的固土和蓄水作用，使坡面在放水流量相同時(shí)，即各坡面徑流率一致時(shí)，植被坡面侵蝕量明顯小于裸露坡面。

3 討 論

3.1 坡面水沙過程時(shí)空差異性

圖4 不同植被配置坡面總徑流量和總侵蝕量 Fig.4 Variation of total runoff volume and total erosion volume on the slope relative to pattern of the vegetation

圖5 不同植被配置坡面侵蝕速率與徑流率相關(guān)性 Fig.5 Correlation between erosion rate and runoff rate on the slope relative to pattern of the vegetation

相對(duì)于5 L·min-1時(shí)，流量依次遞增至10、15、20 L·min-1時(shí)，BS 坡面與其余4 種植被配置坡面徑 流率變化差異縮小。原因是由于同一種植被配置坡面在經(jīng)過初始5 L·min-1放水流量沖刷之后，坡面侵蝕溝已基本形成，即流路已經(jīng)形成，待流量增長至10、15、20 L·min-1時(shí)，由于重力作用，裸坡與植被配置坡面水流均會(huì)自然流入之前沖刷形成的溝道內(nèi)向前流動(dòng)。其次，由于經(jīng)歷了前期沖刷，土壤含水量已達(dá)飽和，水流下滲基本保持穩(wěn)定，從而導(dǎo)致有植被防護(hù)坡面徑流率變化與裸坡差異性縮小，而且流量越大此規(guī)律越明顯；隨產(chǎn)流歷時(shí)變化，侵蝕速率易出現(xiàn)突增突減的峰值、谷值點(diǎn)，其中裸坡由于無植被防護(hù)此現(xiàn)象更為嚴(yán)重。主要是由于隨著流量的遞增，高陡邊坡下徑流更易匯集，下切作用更強(qiáng)，溝壁土體失穩(wěn)形成崩塌體進(jìn)入徑流路徑，阻滯水流運(yùn)動(dòng)和泥沙的輸移，致侵蝕速率短暫降低，之后上方坡面徑流繼續(xù)快速匯集，待其抗剪強(qiáng)度不足以抵擋水流的沖刷時(shí)，崩塌體將被沖開并形成高濃度的固液二相體被搬運(yùn)出坡面，然而溝壁崩塌與徑流匯集沖刷不時(shí)交替進(jìn)行，使得侵蝕過程為多峰多谷，波動(dòng)劇烈[12，31]。

3.2 不同配置模式坡面減水減沙機(jī)制

防護(hù)坡面減水效益從大到小依次為CG＞C3H7＞ C7H3＞QC，減沙效益從大到小為C7H3＞QC＞C3H7＞ CG。這說明，（1）試驗(yàn)條件下草灌（CG）恢復(fù)模式具有較好的減水效益，但其減沙效益卻相對(duì)較低。是由于冰草和沙棘所組成草灌坡面的特殊性，本研究沙棘主要生長在上半坡，而冰草主要分布在下半坡，由于沙棘作為此坡面的優(yōu)勢(shì)種，對(duì)于光照、水分以及土壤養(yǎng)分的吸收均大于冰草，從而導(dǎo)致沙棘周圍冰草生長較少，即部分坡面變?yōu)闊o植被覆蓋的裸露坡面，同時(shí)沙棘屬于主直根系型灌木，在砒砂巖地區(qū)其根系垂直方向上一般可達(dá)40 cm 深，水平方向可達(dá)137 cm，遠(yuǎn)大于冰草和沙蒿草本植被根系的分布范圍；同時(shí)種植沙棘可增加土壤含水量和孔隙度，具有平衡坡位對(duì)土壤水分的影響作用[19，32-33]。李鵬飛等[34]對(duì)內(nèi)蒙古礦區(qū)排土場(chǎng)不同植被林帶的研究得出，沙棘林的土壤孔隙度最大，能蓄持較多水分，因此在直根系沙棘和須根系冰草的共同作用下，導(dǎo)致草灌坡面的蓄水效益要高于其他坡面。而另一方面，由于部分坡面無植被覆蓋，當(dāng)放水流量達(dá)到一定條件時(shí)，裸露位置土壤含水量相對(duì)于具有植被防護(hù)位置處已經(jīng)提前達(dá)到飽和，在進(jìn)一步放水的情況下，裸坡位置由于沒有植被根系的吸附牽拉，易發(fā)生小型滑坡崩塌等較高含沙水流現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致其產(chǎn)流量小而產(chǎn)沙量大。（2）冰草坡面減水效益相對(duì)較低，減沙效益卻高達(dá)84.80%。原因是冰草坡面相對(duì)于其他防護(hù)坡面生物結(jié)皮的覆蓋度更大，約為50%～60%，進(jìn)而降低了其減水效益，但卻增加了減沙效益。已有研究表明[35-37]，生物結(jié)皮，特別是藻結(jié)皮可降低土壤水分滲透性，增強(qiáng)表層土壤的抗蝕性，因此，導(dǎo)致冰草坡面徑流較其他植被配置坡面增加，而泥沙卻較少。（3）單從冰草不同配置模式進(jìn)行減沙效益分析，可知全為冰草坡面的減沙效益大于“冰草-沙蒿3∶7”配置坡面而小于“冰草-沙蒿7∶3”配置坡面，即冰草和沙蒿在坡面搭配比例可能存在閾值，本研究中二者上下比例為7∶3 時(shí)可為臨界配置比例，為該區(qū)最佳坡面防護(hù)配置措施。進(jìn)一步分析可知，降雨試驗(yàn)時(shí)植被的地上和地下部分均起蓄水?dāng)r沙作用，但在徑流沖刷試驗(yàn)時(shí)，起防護(hù)作用的主要是植被的地下部分，即植被的根系。而根系對(duì)土體進(jìn)行穿插、網(wǎng)絡(luò)和固結(jié)作用，使土壤入滲能力增加，從而影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的過程[38]，不同的根系，蓄水?dāng)r沙效益不同。冰草為禾本科須根系植被，沙蒿[39]為菊科直根系植物，表明二者的合理配置才能達(dá)到最佳防護(hù)效益[24，40]。

3.3 排土場(chǎng)防護(hù)措施適用性評(píng)價(jià)

在遞增型放水流量條件下，研究得出C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面的減水和減沙效益為15.29%～ 34.36%和58.73%～87.29%。與蘇濤等[17]在礦區(qū)排土場(chǎng)研究得出冰草和沙棘的減水和減沙效益分別為35.51%～75.57%和80.70%～98.74%相比，可以看出各措施減水效益相對(duì)于減沙效益均較低。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，未防護(hù)的裸坡在經(jīng)歷遞增型放水流量沖刷下，發(fā)育的侵蝕溝寬可達(dá)70 cm，深為42 cm，導(dǎo)致坡面損毀嚴(yán)重；而C3H7、C7H3、QC 和CG 不同植被配置的坡面在經(jīng)歷4 種遞增型放水流量沖刷下，除坡面有小的溝蝕發(fā)育外，并未出現(xiàn)大的侵蝕溝以及滑坡、崩塌等較大規(guī)模侵蝕現(xiàn)象。因此，坡面4 不同植被的配置模式具有較好的防護(hù)能力，能抵御較大連續(xù)暴雨徑流的沖刷。然而在礦區(qū)坡面防護(hù)工程中，對(duì)徑流的消減和攔蓄是防治排土場(chǎng)侵蝕的關(guān)鍵，盡管種植植被可對(duì)排土場(chǎng)水土流失起到較好的防護(hù)作用，但上方匯水的流入同樣還會(huì)造成一定的侵蝕發(fā)生，尤其是水的流失還較為嚴(yán)重，植被防護(hù)還未達(dá)到理想的效果，因此在排土場(chǎng)坡面的治理過程中除在坡面配置不同植被進(jìn)行防護(hù)外，還應(yīng)在坡頂修建攔水梗和邊坡蓄排水措施，以進(jìn)一步增加對(duì)降雨徑流的調(diào)控作用，從而降低徑流挾沙能力，減少坡面土壤侵蝕。

4 結(jié) 論

采用原位放水沖刷的試驗(yàn)方法，以內(nèi)蒙古永利煤礦植被恢復(fù)4 a 的排土場(chǎng)邊坡為對(duì)象，研究遞增型（5-10-15-20 L·min-1）放水沖刷條件下BS、C3H7、C7H3、QC 和CG 坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律和水沙關(guān)系以及4 種植被配置措施坡面的減水減沙效益。流量遞增初期（0～9 min），徑流率與侵蝕速率急劇增大，后波動(dòng)減小，隨著放水流量的遞增，坡面徑流率隨產(chǎn)流歷時(shí)的延長呈階梯式增長。侵蝕速率隨放水流量的變化較徑流率的變化趨勢(shì)小，且后期較大流量下，坡面侵蝕速率有下降趨勢(shì)；C3H7、C7H3、QC、CG 坡面的累積減水和減沙效益分別為 31.99%、18.72%、15.29%、34.36%和81.28%、87.29%、84.80%、58.73%。CG 和C7H3 配置模式分別具有最優(yōu)的減水和減沙效益；坡面不同根系植被混合搭配時(shí)的減水減沙效益高于單一根系植被防護(hù)坡面，直根系與須根系植被合理配置具有更好的防護(hù)效果；各坡面侵蝕速率和徑流率呈極顯著的冪函數(shù)（BS、C3H7、QC、CG）和線性（C7H3）關(guān)系。各植被配置模式在該區(qū)能較好地抵御持續(xù)暴雨徑流的沖刷襲擊。本試驗(yàn)未對(duì)各防護(hù)植被進(jìn)行更深層次的分析，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)根系密度掃描以及根系分布情況進(jìn)行細(xì)致研究，以及更多須根系和直根系植被配置比例和不同植被蓋度、水分入滲以及其他雨型和模擬降雨下的相關(guān)試驗(yàn)工作。