不同植被措施下排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝發(fā)育時(shí)空特征*

崔志強(qiáng)，王文龍，郭明明，康宏亮，李建明，白 蕓，郭文召

不同植被措施下排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝發(fā)育時(shí)空特征*

崔志強(qiáng)1，2，王文龍1，3?，郭明明3，康宏亮3，李建明2，白 蕓4，郭文召3

（1. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；4. 榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林 719000）

為明確不同恢復(fù)年限植被措施對(duì)煤礦排土場(chǎng)邊坡水土流失的防治效應(yīng)，采用樣方調(diào)查法，以?xún)?nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗永利煤礦礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡為研究對(duì)象，以裸露邊坡（CK）為對(duì)照，研究不同恢復(fù)年限（1 a、3 a、5 a）的沙柳方格+沙棘+沙打旺（SHA）和沙柳方格+沙打旺（SA）2種措施對(duì)細(xì)溝發(fā)育的影響。結(jié)果表明：（1）1a時(shí)CK、 SHA與SA措施細(xì)溝寬度均集中分布在4～8 cm，細(xì)溝深度均集中分布在2～4 cm；3 a時(shí)CK、 SHA與SA措施細(xì)溝寬度則集中分布在4～8 cm、8～12 cm、4～8 cm，細(xì)溝深度均集中分布在4～6 cm；5 a時(shí)CK與SHA措施細(xì)溝寬度均集中分布在8～12 cm，而細(xì)溝深度則集中分布在4～6 cm和8～14 cm；（2）CK（1～5 a）、SHA措施（1～5 a）和SA措施（1～3 a）的細(xì)溝平均寬分別為7.57～11.35 cm、7.58～13.31 cm和5.57～6.14 cm，細(xì)溝平均深分別為3.38～6.23 cm、4.19～10.34 cm、2.59～4.24 cm，三者的細(xì)溝平均寬深比分別為2.39、2.12和2.05，平均細(xì)溝密度分別為1.52～5.25 m·m–2、1.42～1.68 m·m–2和1.88～2.25 m·m–2；（3）1 a時(shí)CK、SHA和SA措施的細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)變化幅度較大，隨著恢復(fù)年限增加，寬深比則呈下降趨勢(shì)，CK、SHA措施和SA措施的細(xì)溝密度和細(xì)溝侵蝕量均隨坡長(zhǎng)增加呈增大趨勢(shì)；（4）與CK相比，1 a時(shí)SHA和SA措施邊坡細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別減小25.0%和25.86%，兩種措施減蝕效果差別不大，而3 a時(shí)則分別減小了61.73%和35.31%，SHA措施減蝕效果顯著增強(qiáng)。研究結(jié)果可以為礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡的植被合理布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)與理論指導(dǎo)。

排土場(chǎng)邊坡；細(xì)溝侵蝕；植被措施；細(xì)溝形態(tài)；恢復(fù)年限

內(nèi)蒙古永利煤礦的開(kāi)采在給當(dāng)?shù)貏?chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也對(duì)項(xiàng)目區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的破壞[1-2]。其中，礦區(qū)排土場(chǎng)作為人工堆墊地貌，具有結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，其坡面可蝕性為自然坡面的10倍～100倍，侵蝕速率為撂荒地的43.6倍～239.2倍[3]。排土場(chǎng)邊坡的水土流失規(guī)律有別于一般意義上的坡耕地和原始地貌[4]，具有水土流失強(qiáng)烈、侵蝕類(lèi)型多樣、侵蝕過(guò)程復(fù)雜多變等特點(diǎn)[5-6]。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引起了學(xué)者們的高度重視，對(duì)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)問(wèn)題，張志權(quán)等[7]指出植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的必要前提，礦區(qū)植被恢復(fù)研究對(duì)促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展意義重大[8]。自然狀態(tài)下植被恢復(fù)，存在演替歷時(shí)長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜的特點(diǎn)[9]，單純依靠土壤與植被的自然生長(zhǎng)不能適應(yīng)礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡生態(tài)恢復(fù)的實(shí)際需要。郭建英等[10]指出通過(guò)采用合理的人工植被措施布設(shè)，能夠有效降低排土場(chǎng)邊坡的土壤侵蝕，實(shí)現(xiàn)更好的水土流失防治。同時(shí)在植被措施布設(shè)恢復(fù)初期，不合理的植被措施會(huì)對(duì)邊坡造成強(qiáng)擾動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)措施的排土場(chǎng)邊坡侵蝕量大于裸露地[11]。因此，在受損礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)階段，對(duì)于植被措施類(lèi)型的選取，以及對(duì)不同植被措施所對(duì)應(yīng)細(xì)溝發(fā)育狀況的研究就顯得十分必要。Vogel[12]通過(guò)對(duì)美國(guó)東部礦區(qū)邊坡復(fù)墾進(jìn)行研究得出了羊茅、鴨茅、小糠草等草本植物是礦區(qū)邊坡復(fù)墾的優(yōu)良植被。楊漢宏等[13]通過(guò)研究黑岱溝煤礦雨季內(nèi)38次降雨邊坡侵蝕情況，則進(jìn)一步指出了灌草結(jié)合的綜合植被配置能夠有效控制排土場(chǎng)坡面侵蝕；楊波等[14]通過(guò)人為模擬放水沖刷實(shí)驗(yàn)也指出恢復(fù)年限4a的排土場(chǎng)邊坡直、須根系混合搭配時(shí)的減水減沙效益高于單一根系；不同植被措施與根系結(jié)構(gòu)在減蝕效果方面有顯著差別[15-16]。

目前針對(duì)植被恢復(fù)對(duì)煤礦排土場(chǎng)邊坡侵蝕防治的研究主要集中在特定時(shí)間的某一空間尺度上減水減沙效益的研究，在時(shí)間尺度上一般是在一個(gè)降雨季節(jié)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)[10]或者如蘇濤等[17]揭示植被對(duì)砒砂巖邊坡的減蝕效應(yīng)，主要是利用模擬沖刷實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。對(duì)于現(xiàn)實(shí)中野外植被恢復(fù)邊坡細(xì)溝發(fā)育的空間分布特征，以及在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上不同恢復(fù)時(shí)期內(nèi)植被發(fā)揮減蝕效益的變化過(guò)程研究還十分薄弱。因此，本文以?xún)?nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗永利露天煤礦周邊排土場(chǎng)邊坡為研究對(duì)象，對(duì)不同恢復(fù)年限（1 a、3 a、5 a）的3種典型排土場(chǎng)邊坡（裸坡、沙柳方格+沙打旺措施、沙柳方格+沙打旺+沙棘措施）細(xì)溝發(fā)育的空間特征進(jìn)行了研究，以期為排土場(chǎng)邊坡合理布設(shè)水土保持措施提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗永利煤礦排土場(chǎng)（39°41′52″N，110°17′2″E），排土場(chǎng)形成時(shí)間為2009—2013年。當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，年均氣溫?.2～7.2℃，年平均降雨量在379～420 mm 之間，雨季集中在 7—9 月份，且以暴雨居多，占年降雨總量的80%以上，年蒸發(fā)量為2 100～2 700 mm，氣候條件惡劣。地形為典型的丘陵溝壑地貌，當(dāng)?shù)睾０胃叨仍? 375～1 400 m之間。當(dāng)?shù)赝寥罏槔踱}土，孔隙度較大，透水性好，屬于輕砂壤土，成土母質(zhì)為砒砂巖，砒砂巖結(jié)構(gòu)性差，易發(fā)生風(fēng)蝕和重力侵蝕。自然植被主要為灌木與半灌木，夾雜少量喬木。該區(qū)域主要植被分布群系為百里香（）、本氏針茅（Linn）、達(dá)烏里胡枝子（）等。區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度低，在人為擾動(dòng)影響下，春季以風(fēng)蝕為主，夏季風(fēng)蝕水蝕交替發(fā)生，水土流失嚴(yán)重。

1.2 樣地布設(shè)及方法

通過(guò)采用實(shí)地調(diào)查法，調(diào)查了該礦區(qū)排土場(chǎng)的形成時(shí)間，坡長(zhǎng)、坡度等一系列坡面參數(shù)以及邊坡植被恢復(fù)措施。基于調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析，最終選取了1 a、3 a、5 a恢復(fù)年限的裸坡（坡面無(wú)天然恢復(fù)植被）（圖1a）和沙柳方格（Vegetation slope with）+沙棘（）+沙打旺（）措施邊坡（圖1b），以及恢復(fù)1 a、3 a的沙柳方格+沙打旺措施邊坡（圖1c）。這兩種邊坡措施植被主要施工技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）沙柳方格+沙棘+沙打旺措施（SHA措施）：在沙柳方格措施與播撒沙打旺草種措施一次完工后（規(guī)格同上），采用人工縫植的方式種植1 a生沙棘苗，株行距為1.0 m×2.5 m。調(diào)查期間無(wú)引起邊坡侵蝕的降雨過(guò)程發(fā)生。

（2）沙柳方格+沙打旺措施（SA措施）：在坡面上呈菱形（長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)5 m，短對(duì)角線長(zhǎng)3 m）排列，將長(zhǎng)度為35 cm 左右的沙柳條垂直插入坡面20 cm左右。在此基礎(chǔ)上，人工撒播沙打旺草種15 kg·hm–2。

選好樣地后，在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)斜坡長(zhǎng)度為16 m、寬度為3 m的樣方。從坡頂至坡腳，每隔2 m將樣方劃分為若干段，并按順序依次分別標(biāo)記為1，2，…，L（=8），并將每個(gè)測(cè)量坡段的中間位置作為測(cè)量斷面，用測(cè)尺法按照從左到右的順序依次測(cè)定第條細(xì)溝的溝長(zhǎng)（l），頂寬（w），底寬（w），溝深（d）；未通過(guò)坡段中線的細(xì)溝忽略不計(jì)（圖2）。在每個(gè)坡段內(nèi)隨機(jī)選取3點(diǎn)，采集約1 kg表層土壤，土樣自然風(fēng)干后采用四分法將土樣進(jìn)一步磨碎，之后對(duì)土粒進(jìn)行分散和去有機(jī)質(zhì)處理，最后利用 MS 2000 型激光粒度儀測(cè)定土壤各粒級(jí)的體積百分比（國(guó)際制），各樣地機(jī)械組成如表1所示。

注：CK、SHA、SA分別表示裸坡、沙柳方格+沙棘+沙打旺邊坡、沙柳方格+沙打旺邊坡 Note：CK，SHA and SA represent Bare slope，Vegetation slope with Salix cheilophila，Hippophaerhamnoides Linn. and Astragalus adsurgens Pall slope andVegetation slope with Salix heilophila and Astragalus adsurgens Pall slope respectively.

圖2 細(xì)溝測(cè)量方法簡(jiǎn)圖

表1 樣地概況

1.3 細(xì)溝參數(shù)描述

（1）細(xì)溝密度（）：?jiǎn)挝幻娣e上所有細(xì)溝的長(zhǎng)度之和。計(jì)算式為：

式中，為細(xì)溝密度，m·m–2；為研究區(qū)域坡面面積，m2；為測(cè)量坡段數(shù)；為每個(gè)斷面的細(xì)溝總條數(shù)；l為第個(gè)斷面第條細(xì)溝長(zhǎng)度，m。

（2）細(xì)溝侵蝕量（）與細(xì)溝侵蝕模數(shù)（）計(jì)算式為：

式中，S為第個(gè)測(cè)量坡段的細(xì)溝侵蝕量，kg；w、w、l、d為對(duì)應(yīng)測(cè)量坡段第條細(xì)溝的頂寬、底寬、長(zhǎng)、深，m；γ為土壤密度，kg·m–3；為測(cè)量坡面的細(xì)溝侵蝕模數(shù)，kg·m–2·a–1；為恢復(fù)年限，a。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

用SPSS 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果

2.1 不同植被措施對(duì)邊坡細(xì)溝寬、深的影響

不同植被措施（CK、SHA、SA）下細(xì)溝邊坡細(xì)溝寬分布如圖3?；謴?fù)年限1 a時(shí)，CK、SA的溝寬分布趨勢(shì)接近，均集中分布在4～12 cm，其分布頻率分別為87.49%和95.83%，而SHA的溝寬則主要分布在4～8 cm，其分布頻率為87.50%。3 a時(shí)，CK的溝寬在4～8 cm、8～12 cm、16～25 cm處的分布頻率分別為37.50%、25.0%、25.0%，SHA的溝寬集中分布在8～12 cm，其分布頻率分別為62.50%，而SA的溝寬則集中分布在4～8 cm，其分布頻率為87.50%；5 a時(shí)，CK的溝寬均大于8 cm，其中8～12 cm寬度的細(xì)溝分布頻率達(dá)50.0%，而SHA措施8～12 cm寬度細(xì)溝分布頻率則為62.50%。

對(duì)同一措施而言，CK在1 a和3 a時(shí)，溝寬以4～8 cm為主，5a時(shí)溝寬則集中分布在8～12 cm；SHA措施在1 a時(shí)溝寬集中分布在4～8 cm，恢復(fù)至3 a和5 a時(shí)溝寬則以8～12 cm為主；SA措施在1 a和3 a時(shí)，溝寬均集中分布在4～8 cm。1 a時(shí)，CK、SHA、SA細(xì)溝寬度均小于16 cm；3 a時(shí)，CK、SHA、SA措施16～25 cm寬度的細(xì)溝分布頻率分別為25.0%、8.33%、0；5 a時(shí)CK與SHA在16～25 cm處的分布頻率分別為25.0%和12.50%。

圖3 不同植被措施邊坡細(xì)溝溝寬的分布

圖4表示不同措施邊坡（CK、SHA、SA）溝深分布情況，恢復(fù)1 a時(shí)，CK與SA措施的溝深均集中分布在2～4 cm，其頻率分別為62.50%和79.17%；SHA的溝深在2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm處分布較平均，其分布頻率分別為37.50%、33.33%、20.83%?；謴?fù)3 a時(shí)，CK的溝深在8～14 cm處分布頻率為37.50%；SHA和SA的溝深均集中在4～6 cm處，其頻率分別為50.0%和54.17%?；謴?fù)年限為5 a時(shí)，CK的溝深集中分布在8～14 cm處，其頻率可達(dá)87.50%，SHA措施則有62.50%的細(xì)溝深度分布在4～6 cm。

對(duì)于同一措施而言，CK在1 a時(shí)溝深集中分布在2～4 cm，3 a時(shí)則在各深度處分布均較均勻，5 a時(shí)集中分布在8～14 cm。1 a時(shí)SHA措施細(xì)溝深在2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm處分布較平均，3 a和5 a時(shí)均集中分布在4～6 cm。1 a時(shí)SA措施的溝深集中分布在2～4 cm，3 a時(shí)集中分布在4～6 cm。CK和SHA措施在1 a、3 a、5 a時(shí)溝深為8～14 cm的分布頻率分別為0、37.50%、87.50%和8.33%、4.17%、12.50%；SA措施僅在恢復(fù)3 a時(shí)細(xì)溝深發(fā)育至8～14 cm，且其分布頻率僅達(dá)到4.17%，這表明SA措施能更好減緩細(xì)溝下切程度。

圖4 不同植被措施邊坡細(xì)溝溝深的分布

不同植被措施邊坡平均細(xì)溝寬度和深度見(jiàn)表2?；謴?fù)1 a時(shí)，CK、SHA、SA三種措施的平均溝寬分別為7.57、7.58、6.14 cm，SHA措施較CK增加了0.39%，SA措施較CK下降了18.89%?；謴?fù)3 a時(shí)，CK、SHA、SA三種措施的平均溝寬分別為10.91、9.26、5.57 cm，SHA與SA措施較CK分別下降了15.12%和48.95%。恢復(fù)5 a時(shí)，CK、SHA兩種措施下的平均溝寬分別為11.35、13.31cm。SHA措施較CK增大了17.27%。CK與SHA措施下的細(xì)溝平均溝寬均隨恢復(fù)年限增大而增大，而恢復(fù)3 a的 SA措施細(xì)溝平均溝寬則較1 a時(shí)減小9.28%。

對(duì)于溝深而言，恢復(fù)1 a時(shí)，CK、SHA、SA三種措施下的平均溝深分別為3.38、5.13、2.59 cm，SHA措施的平均溝深較CK增加了51.77%，而SA措施的平均溝深較CK減少了23.37%?；謴?fù)3 a時(shí)，CK、SHA、SA三種措施下的平均溝深分別為6.23、4.19、4.24 cm，SHA和SA措施的平均溝深較CK分別下降了32.74%和31.94%。5 a時(shí)SHA措施的平均溝深較CK增大了1.11倍。

表2 不同植被措施邊坡細(xì)溝形態(tài)基本特征

2.2 不同植被措施對(duì)邊坡細(xì)溝寬深比及細(xì)溝密度的影響

圖5表示細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)的變化情況?；謴?fù)1 a時(shí)，CK、SHA措施和SA措施的細(xì)溝寬深比變化分別為1.38～4.18、1.07～2.57和1.72～4.66；恢復(fù)3 a時(shí)，CK與SHA、SA措施下，細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)變化整體呈下降趨勢(shì)，三者的變化分別為1.17～2.74、1.55～4.15、1.11～2.31；恢復(fù)5 a時(shí)，CK的細(xì)溝寬深比變化范圍在0.98～1.96之間，SHA措施下細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)呈先驟降后緩慢波動(dòng)的趨勢(shì)，變化范圍在1.36～5.28之間。1 a時(shí)CK與SHA、SA措施的細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)變化幅度較大，隨恢復(fù)年限增加，整體上，三者的細(xì)溝寬深比均隨坡長(zhǎng)的增加呈下降趨勢(shì)。由表2可知，恢復(fù)1 a時(shí)，CK與SHA、SA措施的平均細(xì)溝寬深比分別為2.48、1.69、2.68，SHA措施的平均細(xì)溝寬深比較CK減小31.85%，SA措施平均細(xì)溝寬深比則較CK增大8.06%；3a時(shí)，SHA措施的平均細(xì)溝寬深比較CK增大30.73%，SA措施平均細(xì)溝寬深比則較CK減小25.52%；5a時(shí)，SHA措施細(xì)溝寬深比較CK減小22.66%。

圖6表示不同措施邊坡細(xì)溝密度隨坡長(zhǎng)的變化特征。整體上CK、SHA和SA措施的細(xì)溝密度隨坡長(zhǎng)增加呈現(xiàn)出波動(dòng)式的上升趨勢(shì)，恢復(fù)1 a時(shí)，CK、SHA和SA措施的細(xì)溝密度隨坡長(zhǎng)變化分別為0.49～3.09、0.68～1.84和0.71～3.75 m·m–2，恢復(fù)3 a時(shí)，三者的細(xì)溝密度隨坡長(zhǎng)變化分別為0.65～1.75、0.95～2.03和0.50～3.29 m·m–2，恢復(fù)5 a時(shí)，CK和SHA措施的細(xì)溝密度隨坡長(zhǎng)變化分別為4.40～6.40 m·m–2和1.50～2.85 m·m–2。由表2可知，恢復(fù)1 a時(shí)，CK與SHA、SA措施下的平均細(xì)溝密度分別為1.88、1.42、2.25 m·m–2，SHA措施的細(xì)溝密度較CK減小22.34%，SA措施的細(xì)溝密度較CK增大19.68%；恢復(fù)3 a時(shí)SHA與SA措施的平均細(xì)溝密度較CK分別增大1.32%和21.05%；恢復(fù)5 a時(shí)，SHA的細(xì)溝密度較CK減小68.19%。與CK相比，SHA措施的平均細(xì)溝密度隨恢復(fù)年限增加，增大趨勢(shì)更為緩慢。

圖5 不同植被措施邊坡細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)的變化特征

圖 6 不同植被措施邊坡細(xì)溝密度隨坡長(zhǎng)的變化特征

2.3 不同植被措施對(duì)邊坡細(xì)溝侵蝕量及侵蝕模數(shù)的影響

各措施邊坡細(xì)溝侵蝕量隨坡長(zhǎng)的變化如圖7 a、圖7b、圖7c所示。整體上，CK、SHA和SA措施的細(xì)溝侵蝕量隨坡長(zhǎng)增加而增大，恢復(fù)1 a時(shí)，SHA與SA措施上坡段（2～9 m）細(xì)溝侵蝕量大于CK，CK在距坡頂13 m處的細(xì)溝侵蝕量達(dá)到最大值44.30 kg，SHA與SA措施最大細(xì)溝侵蝕量較CK分別下降48.71%和41.31%?；謴?fù)3 a時(shí)，距坡頂8 m處，SA措施細(xì)溝侵蝕量大于CK，8 m之后SA措施侵蝕量則小于CK；SHA措施細(xì)溝侵蝕量始終小于CK；CK細(xì)溝侵蝕量隨坡長(zhǎng)始終呈上升趨勢(shì)，最大值為176.46 kg（距坡頂15 m處），SHA與SA措施最大細(xì)溝侵蝕量較CK分別下降了72.84%和52.13%。恢復(fù)5 a時(shí)，SHA措施在各個(gè)坡段細(xì)溝侵蝕量遠(yuǎn)小于CK，且隨著坡長(zhǎng)的增加二者細(xì)溝侵蝕量之間的差距越大。如圖7 d所示，恢復(fù)1 a時(shí)，CK與SHA、SA條件下對(duì)應(yīng)細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別為3.48、2.58、2.61 kg·m–2·a–1，SHA與SA措施細(xì)溝侵蝕模數(shù)相差僅0.03 kg·m–2·a–1?；謴?fù)3 a時(shí)，CK、SHA、SA措施細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別為4.05、1.55、2.62 kg·m–2·a–1，SHA與SA措施較CK的侵蝕模數(shù)分別下降了61.73%和35.31%，其中SHA措施細(xì)溝侵蝕模數(shù)下降更明顯?；謴?fù)5 a時(shí)，CK與SHA條件下對(duì)應(yīng)細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別為19.55 kg·m–2·a–1和1.74 kg·m–2·a–1，CK條件下細(xì)溝侵蝕模數(shù)為SHA條件下的11.24倍。CK細(xì)溝侵蝕模數(shù)隨恢復(fù)年限增加而增大，而恢復(fù)3 a的 SHA措施細(xì)溝侵蝕模數(shù)較1 a時(shí)下降39.92%，恢復(fù)3 a的SA措施細(xì)溝侵蝕模數(shù)較1 a下降0.38%。

圖 7 不同植被措施下邊坡細(xì)溝侵蝕量和侵蝕模數(shù)

3 討 論

3.1 細(xì)溝寬度與深度的坡面分異特征

本研究各恢復(fù)年限CK與SHA措施的排土場(chǎng)邊坡的細(xì)溝寬度集中分布在4～12 cm，1 a、3 a時(shí)，SA措施的細(xì)溝寬度集中分布在4～8 cm，與蘇嫄等[18]、毛晶晶和汪光勝[19]指出各類(lèi)常見(jiàn)土地類(lèi)型的細(xì)溝寬度一般小于15 cm的結(jié)論基本一致。隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，SHA措施大部分細(xì)溝溝寬由4～8 cm逐漸發(fā)育至8～12 cm；而SA措施坡面大部分細(xì)溝溝寬始終集中分布在4～8 cm，這表明隨恢復(fù)年限增加，SHA措施邊坡細(xì)溝寬度隨恢復(fù)年限增加呈增大趨勢(shì)，而SA措施的細(xì)溝寬度隨恢復(fù)年限增大變化不明顯。1 a時(shí)，CK、SHA、SA在16～25 cm處均無(wú)細(xì)溝分布；3 a時(shí)，CK、SHA、SA在16～25 cm溝寬處的分布頻率分別為25.0%、8.33%、0；5 a時(shí)CK與SHA在16～25 cm溝寬處的分布頻率分別為25.0%、12.50%。同一恢復(fù)時(shí)間，SHA與SA措施在16～25 cm溝寬處的分布頻率均小于CK，這表明植被措施能夠抑制細(xì)溝寬度向16 cm以上發(fā)育。此外，3 a時(shí)SHA和SA坡面16～25 cm溝寬處的細(xì)溝分布頻率分別為8.33%和0，這表明恢復(fù)3 a的SA措施對(duì)于溝寬發(fā)育有更好的抑制作用；結(jié)合CK、SHA、SA三種措施的平均溝寬，1 a時(shí)SHA的平均溝寬較CK增加了0.39%，而SA平均溝寬較CK下降18.89%；3 a時(shí)，SHA與SA的平均溝寬較CK分別下降15.12%和48.95%，說(shuō)明SA措施對(duì)于溝寬發(fā)育有更好的抑制作用，恢復(fù)3 a后沙棘對(duì)細(xì)溝的抑制效應(yīng)才逐漸凸顯。

就溝深而言，CK和SHA措施在1 a、3 a、5 a時(shí)溝深為8～14 cm的分布頻率分別為0、37.50%、87.50%和29.2%、16.7%、12.50%；SA在1 a、3 a時(shí)溝深為8～14 cm的分布頻率分別為8.30%、4.17%?；謴?fù)1 a時(shí)，SHA的平均溝深較CK增加51.77%，而SA的平均溝深則較CK減少了23.37%；3 a時(shí)，SHA和SA措施的平均溝深較CK分別下降32.74%和31.94%。5 a時(shí)SHA的平均溝深較CK增大1.11倍。這表明在控制水流下切方面SA措施較SHA措施效果更好，SHA措施甚至?xí)觿∷飨虑?，但是?duì)于深度在8 cm以上的細(xì)溝的產(chǎn)生也具有一定抑制作用。這是因?yàn)樯臣瑢儆凇皬?fù)合型”直根系，其主根不發(fā)達(dá)，主要依靠側(cè)根的“不斷替代”形成較為發(fā)達(dá)的垂直根系，其72.36%的根系分布在0～40 cm表土層[20]，黨曉宏等[21]還指出在砒砂巖地區(qū)沙棘根系的徑粗與埋深呈反比，并且與距離植株中心距離也呈反比，調(diào)查過(guò)程發(fā)現(xiàn)較深的細(xì)溝主要分布在沙棘植株中心位置附近，此處沙棘根系較粗，對(duì)于水流有較強(qiáng)匯集作用，在一定程度上加劇了水流的下切，但同時(shí)沙棘側(cè)根形成的密集層又抑制了8 cm以上較深細(xì)溝的發(fā)育。

3.2 細(xì)溝寬深比與細(xì)溝密度的坡面分布特征

細(xì)溝寬深比是反映細(xì)溝發(fā)育形態(tài)的重要指標(biāo)，CK與SHA、SA措施的細(xì)溝寬深比隨坡長(zhǎng)增大整體上呈減小趨勢(shì)，但具有較大波動(dòng)性；這與裴冠博等[22]通過(guò)模擬放水試驗(yàn)得出的邊坡細(xì)溝寬深比會(huì)隨坡長(zhǎng)增大而減小的結(jié)果基本一致，存在波動(dòng)性的原因可能是排土場(chǎng)邊坡存在一定的起伏溝槽，其阻隔了水流下滲，且自然狀態(tài)下的邊坡存在潛流，情況復(fù)雜，因此導(dǎo)致明顯的波動(dòng)?；謴?fù)3 a時(shí)，SHA措施細(xì)溝寬深比大于CK，SA措施下細(xì)溝寬深比則小于CK，結(jié)合SHA與SA措施的溝寬和溝深的發(fā)育特征，說(shuō)明3 a時(shí)SHA措施會(huì)加速細(xì)溝下切至8 cm深度以?xún)?nèi)，SA措施對(duì)于細(xì)溝發(fā)育有更好抑制效果。

細(xì)溝密度是反映坡面破碎程度的重要指標(biāo)。CK細(xì)溝密度會(huì)隨恢復(fù)年限增加而增大，這與王萬(wàn)忠等[23]、陳同德等[24]研究成果基本一致?；謴?fù)1 a和5 a的SHA措施細(xì)溝密度較CK分別減小了22.34%和68.19%，而SA措施（1～3 a）細(xì)溝密度則較CK分別增大19.68%和21.05%，結(jié)合細(xì)溝溝寬和溝深特征，說(shuō)明SA措施能更好地控制細(xì)溝的寬深發(fā)育，但是會(huì)明顯增加細(xì)溝發(fā)育的數(shù)量，由上文可知，SHA措施由于沙棘根系的作用，會(huì)匯集水流，在一定程度上加劇細(xì)溝下切，但同時(shí)減少了新生細(xì)溝的出現(xiàn)，沙棘側(cè)根形成的密集層有效阻止了水流的無(wú)規(guī)則溢散，有效控制了邊坡細(xì)溝數(shù)量。3 a時(shí)SHA措施下細(xì)溝密度與CK較為接近，其原因可能是因?yàn)樯臣鳛橹备抵参?，? a生長(zhǎng)期內(nèi)主要以主根生長(zhǎng)為主，2～3 a生長(zhǎng)期內(nèi)以側(cè)根生長(zhǎng)為主，側(cè)根在一定程度上破壞了邊坡地表的形態(tài)[25]，導(dǎo)致細(xì)溝數(shù)量無(wú)明顯的減小。整體上，恢復(fù)1 a、5 a時(shí)SHA措施細(xì)溝密度在各坡長(zhǎng)均小于CK，3 a時(shí)在2～4 m、8～16 m坡長(zhǎng)略大于CK，其余位置均小于CK，這也進(jìn)一步證明SHA措施的沙棘側(cè)根形成的密集層對(duì)細(xì)溝數(shù)量有較好的控制作用。

3.3 細(xì)溝侵蝕量與侵蝕模數(shù)的差異性

就侵蝕量而言，排土場(chǎng)邊坡的細(xì)溝侵蝕量隨坡長(zhǎng)增加呈增大趨勢(shì)，總體上，在坡段的11～16 m處SHA、SA措施下的細(xì)溝侵蝕量小于CK，距離坡頂越遠(yuǎn)，減蝕效果越明顯，這可能是因?yàn)閺搅髟诮?jīng)過(guò)植被根系與沙柳方格的阻礙作用后消耗了大量能量，導(dǎo)致挾沙能力下降?；謴?fù)1 a時(shí)，SHA、SA的細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別為2.58、2.61 kg·m–2·a–1，SHA措施的侵蝕模數(shù)比SA措施減小了1.15%。結(jié)合細(xì)溝寬、深與密度特征，SHA措施一定程度上加劇水流下切，但是對(duì)于細(xì)溝數(shù)量有較好控制作用，1 a時(shí)在SHA與SA措施細(xì)溝數(shù)量均較少的情況下，SHA措施的減蝕效果與SA措施基本接近?；謴?fù)3 a時(shí)，SHA與SA措施較CK侵蝕模數(shù)分別下降61.73%和35.31%，SHA措施的減蝕效果更明顯，進(jìn)一步證明了SHA措施能夠更好地控制細(xì)溝數(shù)量?；謴?fù)5 a時(shí)，CK條件下細(xì)溝侵蝕模數(shù)是SHA條件下的11.24倍，隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)，SHA措施的減蝕作用更加明顯。SA條件下3 a相較于1 a時(shí)侵蝕模數(shù)下降了0.38%，SA措施的侵蝕模數(shù)隨恢復(fù)年限增大變化不大；SHA條件下3 a相較于1 a時(shí)侵蝕模數(shù)下降了39.92%，SHA措施的侵蝕模數(shù)隨恢復(fù)年限增大降低明顯，說(shuō)明SHA措施在3 a時(shí)才開(kāi)始較充分發(fā)揮減蝕作用，因此，本研究建議將SHA措施作為排土場(chǎng)邊坡的主要植被恢復(fù)措施。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗永利煤礦不同恢復(fù)年限（1 a、3 a、5 a）和不同植被措施的排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝發(fā)育特征進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：SHA與SA措施主要在3 a時(shí)發(fā)揮作用，SHA與SA措施細(xì)溝寬度集中分布范圍分別為8～12 cm和4～8 cm，溝深集中分布范圍分別為4～6 cm和2～6 cm，SA措施在抑制細(xì)溝溝寬和溝深發(fā)育方面作用更顯著；SHA和SA措施的平均細(xì)溝密度分別為1.42～1.68 m·m–2和1.88～2.25 m·m–2，SHA措施對(duì)于細(xì)溝數(shù)量的控制更加顯著；兩種植被措施在距離坡頂越遠(yuǎn)位置減蝕效果越明顯，1 a時(shí)SHA措施的侵蝕模數(shù)較SA措施減小1.15%，隨著恢復(fù)年限增加至3 a，SHA、SA條件下對(duì)應(yīng)細(xì)溝侵蝕模數(shù)分別為1.55、2.62 kg·m–2·a–1，SHA措施減蝕效果更好。本研究結(jié)果可為煤礦排土場(chǎng)邊坡植被的合理布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

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Spatial and Temporal Characteristics of Rill Development on Slopes of Waste Dump of Mining as Affected by Revegetation Measures

CUI Zhiqiang1, 2, WANG Wenlong1, 3?, GUO Mingming3, KANG Hongliang3, LI Jianming2, BAI Yun4, GUO Wenzhao3

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resource, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A＆F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 4. Life Science College, Yulin University, Yulin, Shaanxi 719000, China)

Slopes of coal mine dump are characterized by severity of soil erosion, diversity of erosion type and complexity of erosion processes. The law of soil erosion on the slopes is different from that on slopes of original landform in mining areas. In order to explore effects of revegetation controlling soil erosion on slopes of coal mine dumps, survey of a dumping site was carried out in the Yongli Coal Mining of Zhungeer Banner, Inner Mongolia.The survey, using the quadrat survey procedure, covered a bare slope as CK, and slopes revegetated in the pattern ofAnd(SHA) orand(SA), for a different time period of 1a, 3a or 5a, in an attempt to explore spatial and temporal effects of the revegetation on rill development on the slopes.Results show: (1) on all the slopes, the rills varied in the range of 4-8 cm in width and in the range of 2-4 cm in depth in the first year, on the slopes of CK, SHA and SH did in the range of 4-8 cm, 8-12 cm and 4-8 cm in width, respectively, and all in the range of 4-6 cm in depth in the third year, and on the slopes of CK and SHA, they did in the range of 8-12 cm in width and in the range of 4-6 cm and 8-14 cm in depth respectively; (2) Over the five years, the rills on Slopes CK, SHA and SA varied in the range of 7.57-11.35 cm, 7.58-13.31 cm and 5.57-6.14 cm, respectively, in mean width, in the range of 3.38-6.23 cm, 4.19-10.34 cm, and 2.59-4.24 cm, respectively in mean depth, and in the range of 1.52-5.25 m·m–2, 1.42-1.68 m·m–2and 1.88-2.25 m·m–2, respectively, in density; (3) For the first year, the rills in all the slopes increased with length of the slope in ratio of width and depth quite sharply, but with the time going on, they showed a decreasing trend in the ratio, while they varied in an increasing trend in rill density and rill erosion amount with length of the slope; and(4)Compared with CK, SHA and SA decreased the slope rill erosion modulus by 25.0% and 25.86%, respectively, showing little erosion controlling effect in the first year, but they did by 61.73% and 35.31% respectively, showing significantly enhanced erosion controlling effect.SHA and SA come to be effective only in the third year and on. The rills on Slopes SHA and SA varied in the range of 8 -12 cm and 4-8 cm, respectively, in width and in a range of 4-6 cm and 2-6 cm, respectively, in depth, which indicates SA is more effective in controlling development of rills, in terms of width and depth of rills. And the rills on Slopes SHA and SA varied in the range of 1.42-1.68 m·m–2and 1.88-2.25 m ·m–2, respectively, in density, which suggests that SHA is more effective in terms of number of rills per unit area. Both of the effects become more significant with increasing distance from the top of the slope. Erosion modulus was 1.15% lower in SHA than in SA in in the first year, and then came up to 1.55 kg·m–2·a–1and 2.62 kg·m–2·a-1, respectively, in the two, suggesting that SHA is more effective in controlling erosion. All the findings in this survey may serve as a scientific basis and theoretical guidance for rational revegetation of mine dump slopes.

Coal mine dump slope; Rill erosion; Revegetation measures; Rill form; Revegetation age

S157.1

A

10.11766/trxb201904240128

崔志強(qiáng)，王文龍，郭明明，康宏亮，李建明，白蕓，郭文召. 不同植被措施下排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝發(fā)育時(shí)空特征[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（5）：1155–1165.

CUI Zhiqiang，WANG Wenlong，GUO Mingming，KANG Hongliang，LI Jianming，BAI Yun，GUO Wenzhao. Spatial and Temporal Characteristics of Rill Development on Slopes of Waste Dump of Mining as Affected by Revegetation Measures[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1155–1165.

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40771127，41701316，41761062）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0501604）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 40771127，417701316，41761062）and the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFC0501604）

：王文龍，男，陜西大荔人，博士生導(dǎo)師，研究員，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。E-mail：wlwang@nwsuaf.edu.cn

崔志強(qiáng)（1994—），男，山西呂梁人，博士研究生，研究方向?yàn)樯a(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持。E-mail：cuizhiqiang17@mails.ucas.edu.cn

2019–04–24；

2019–06–22；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–07–18

（責(zé)任編輯：檀滿枝）