黃土區大型露天煤礦復墾排土場植被恢復立地類型劃分
——以安太堡露天煤礦為例

張 靈, 白中科,2, 景 明, 曹銀貴, 陳曉輝

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083; 2.國土資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035)

黃土區大型露天煤礦復墾排土場植被恢復立地類型劃分
——以安太堡露天煤礦為例

張 靈1, 白中科1,2, 景 明1, 曹銀貴1, 陳曉輝1

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083; 2.國土資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035)

露天開采對土地破壞嚴重，立地條件復雜。只有綜合環境因素與植被生態習性，針對不同的立地類型進行植被配置與管護才能達到對礦區生態修復的目的。為此以安太堡露天煤礦西排土場為研究對象，選定58個樣點，在樣點10 m×10 m范圍內對海拔、坡向、坡位、坡度、坡型、覆土基質、覆土厚度、土壤容重、土壤含水量、有機質含量、全氮含量、植被類型組合、歸一化植被指數(NDVI)、地面非均勻沉降、河流動能指數、地形起伏度，共18個立地因子進行調查。分析排土場立地條件及特征，運用SPSS聚類分析法對樣點進行立地類型劃分。最終劃分為平臺、邊坡2個立地小區；平臺小區化分為9個立地類型組、13個立地類型，邊坡小區化分為9個立地類型組、20個立地類型。研究結果可以為排土場立地改良、植被恢復與維護及生態系統恢復提供依據。

黃土區; 大型露天煤礦; 土地復墾; 排土場; 立地條件;SPSS聚類分析; 立地類型

我國大型露天煤礦大多處于干旱、半干旱的生態脆弱區，劇烈的采礦擾動，引發了地貌變遷、水土流失、農業受損、生態失衡等一系列問題[1]。在這種生態系統極度退化的狀態下，“地貌重塑—土壤重構—植被重建—生態系統恢復”的土地復墾模式是對露天礦區排土場這種特殊人工生態系統進行修復的有效措施。露天開采造成土地受損嚴重，立地條件復雜，只有綜合氣候、海拔、坡向、坡度、坡位、地表物質性狀等環境因素與植物生態習性，建立科學的立地類型體系，針對不同立地條件進行植物的配置、栽植及管護才能達到對礦區排土場生態修復與恢復的目的。

當前，我國森林立地的分類與評價研究已經較為成熟，其立地多屬于地質條件比較單一、土壤分布規律性較強的常態地貌區。隨著學科發展，立地類型劃分逐步延伸到植被恢復區：王德安等[2]對受自然條件和人為破壞影響的青島市基巖海岸進行了宜林地的立地類型的調查與劃分；樊華等[3]用MATLAB軟件對門頭溝區的植被恢復立地類型進行了聚類劃分；周應書等[4]對喀斯特山地的生態學特性與喬灌草植物分布的相關性進行多元回歸分析，應用Fuzzy聚類分析建立了喀斯特山地植被恢復的立地類型劃分系統；高華端等[5]在研究強度石漠化地區立地屬性指標空間分異特征及立地因子篩選的基礎上，建立了強度石漠化地區立地分類系統；王富等[6]利用聚類分析對淄博市城市周圍破壞山體進行了立地類型劃分；趙薈[7]把探針式TDR測得的土壤水分作為黃土區陽坡的主要限制因子，用SPSS進行聚類。

上述成果均為研究區的植被恢復及生態環境建設提供了科學依據。立地類型劃分是立地分類研究的中心環節，是研究人工林地立地特點與植被空間格局的科學方法。人工植被恢復建設只有以立地分類為基礎，才能營造出穩定高效的林地系統[8]。由于立地類型劃分具有地域差異性、半干旱黃土區生態環境的脆弱性，且針對大型露天礦區排土場此類劇烈人工擾動的植被恢復區的立地特點與類型劃分研究仍處于空白。因此，本文以平朔礦區安太堡露天煤礦排土場為研究對象，通過立地條件的綜合調查，分析了立地條件對植被恢復的影響，應用SPSS聚類分析進行立地類型劃分，以期為排土場立地改良、植被恢復與維護及生態系統恢復提供依據。

1 研究區概況

安太堡露天礦區位于朔州市區與平魯區交界處(地理坐標是112°10′58″—113°30′E，39°07′—39°37′N)，地處黃土高原晉、陜、蒙接壤地帶。該區位具有典型的大陸性氣候，干燥寒冷、風沙嚴重；年平均氣溫5.4～13.8℃；降水量分布極不均勻，多集中在7—9月，占全年降水量的75%～90%，年平均降水量426.7 mm；原地貌土壤黃土廣布，侵蝕切割作用強烈，土壤的物理風化強烈，土質偏砂，土體干旱，通氣良好。

排土場作為礦區閉坑前的主要土地損毀區之一，是在極短時間內形成的巨型松散堆積體，屬于典型的再塑地貌。安太堡露天礦共有排土場7座，其中外排土場5座和內排土場2座，排土場呈平臺邊坡相間分布梯式地形，相對高度為100～150 m。開采和排棄工藝決定了排土場的巖土侵蝕性及不穩定性，其既繼承了原地貌的地域特征又孕育了一種新的動態變化[9]。

安太堡礦區自1985年以來，先后在內外排土場試種植物98種，進行喬、灌、草不同的配置模式的種植，常見植被復墾模式及侵入植被如表1所示[10]。

表1 不同復墾模式下的植被配置模式

2 研究方法

2.1 立地因子劃分

礦區實行采、排、復一體化流程作業，排土場經過地貌重塑、土壤重構、植被重建過程，較原地貌立地條件發生徹底改變。綜合排土場特性將其立地因子劃分為工程性因子、生物性因子及風險性因子。工程性因子是指在復墾過程中隨時間推移性狀不易改變的因子，包括地形特征的海拔、坡度、坡位、坡向、坡型和土壤機械特性的覆土基質、覆土厚度；生物性因子是指在復墾過程中由于時間的推移及生物措施的影響，性狀隨時間推移會改變的因子，包括土壤理化指標的土壤容重、土壤含水量、有機質含量、全氮含量，土壤化學污染指標的鎘、汞、硫、多環芳烴含量和植被特征指標的植被類型、歸一化植被指數(NDVI)；風險性因子是指在復墾過程中易引發地質災害的不穩定性因子，包括平臺地面非均勻沉降、河流動能指數、地形起伏度。

2.2 立地條件調查

根據排土場地形地貌、土壤、植被等特征，于2013年8月，在排土場平臺及邊坡布設58個典型樣點(平臺21個、邊坡37個)。在樣點10 m×10 m范圍內，進行立地條件的取樣與調查。由GPS測定各樣點的海拔及地理坐標；每個樣點去除表層植物，用環刀采取表層土進行土壤容重、土壤含水量測定。由3分點混合得到一個土層土樣，測定0—20 cm土層土壤有機質、全氮含量；分3個土層(0—20 cm，20—50 cm，50—100 cm)進行鎘、汞、鉛、硫、多環芳烴含量測定；采用礦方地測部提供1 m間距等高線及高程點，在GIS平臺下生成的DEM(柵格為2 m×2 m)，通過DEM數字地形分析，提取坡向、坡位、坡度、坡型[11]、地形起伏度、河流動能指數；以2012年7月WorldView-2衛星遙感影像為數據源提取植被NDVI[12]；在樣點10 m×10 m范圍內，進行地表植被類型、巖土侵蝕情況等調查；通過資料查取與現場觀測獲得覆土厚度、覆土基質信息[9，13-18]。

3 立地條件分析

3.1 排土場立地因子選擇與分級

研究區海拔變化不大，土壤中的鎘、汞、鉛、硫、多環芳烴含量符合土壤環境質量標準(修訂版)，無污染。因此，海拔、土壤化學污染作為共性因子在立地條件分析及劃分中不予與考慮。定性因子量化時，遵循各因子對植被恢復的限制(強、中、弱)程度大小，通過評分法(分值分別為3，2，1)確定非共性立地因子體系表(表2)。

表2 立地因子表

3.2 平臺立地條件分析

(1) 平臺立地特殊性。坡向影響光照的時間和強度、風力強弱、水分等狀況，研究區坡向分為陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡和全坡；坡度主要影響土壤水土保持能力。坡度大則土壤發展受到影響，降雨條件下，水土流失發生風險大，不利于養分、水分積累[19-20]。平臺平地范圍占67%，低坡地占28%，緩坡地占5%；研究區為土石混排的堆砌體，地表物質組成復雜、覆土具有隨機性。黃土及黃土狀物質占大部分，局部漏蓋地段覆蓋紅黏土，只有少量地段母質為土石混雜物。不同的地表物質決定了土壤的物理結構、保水保肥性、養分以及巖土侵蝕形式；不同植被的根群圈不同，覆土厚度選需求亦不同[21]，平臺主要為厚層覆土；受排土及大型機械的輾壓影響，平臺土壤容重較大且分布不具規律性，主要在1.3～1.9 g/cm3之間比原地貌土壤容重大約0.2～0.5 g/cm3。不利于水分入滲，降雨后易形成高動能的地表匯流，是平臺巖土侵蝕的最根本原因。土壤結構也發生較大變化，易板結，限制了植被的扎根與生長；研究區土壤養分總體偏低，有機質、全氮虧缺，均值分別為1.073%，0.047%；由于排土場堆置厚度各部位不等，顆粒組成差異大，自然固結率不同，在重力和水流入滲作用下，很容易產生地面非均勻沉降，加重平臺水土流失。地面徑流匯入沉降裂縫及潛蝕，可能誘發排土場整體失衡[22-23]。

(2) 平臺立地因子相關性分析。對平臺的工程性因子、風險性因子與生物性因子進行Pearson相關性分析。由于人為擾動劇烈，研究區平臺除坡向與土壤有機質及全氮含量、地形起伏度與NDVI、覆土基質與土壤容重及植被類型顯著負相關，地面穩定性與土壤含水量顯著正相關外，其他立地因子間的相關性極低(表3)。

(3) 平臺風險性分析。平臺立地特殊性決定了其具有較高的巖土侵蝕風險，選取坡度、覆土基質、覆土厚度、土壤容重、植被類型、NDVI、地面非均勻沉降、河流動能指數、地形起伏度作為平臺巖土侵蝕風險的影響因素。計算樣點巖土侵蝕風險值：E=Pi·Qi；其中，E為平臺巖土侵蝕風險，Pi為影響因素的分值；Qi為各影響因素的權重，采用對比求和評分法中的0～4評分法[10]確定權重系數(表4)。結合平臺的實際情況，將平臺巖土侵蝕(1.32～2.15)分為三個等級：E1無風險：1.32～1.74(42.9%)；E2低風險：1.74～2(48.5%)；E3：高風險>2(8.6%)。

表3 平臺工程性因子、地質災害因子與生物性因子Pearson相關性

注：*為<0.05水平(雙側)上顯著相關，**為<0.01水平(雙側)上顯著相關。

表4 平臺巖土侵蝕風險影響因素權重

3.3 邊坡立地條件分析

(1) 邊坡立地特殊性。坡向由陰坡向陽坡過渡中，邊坡的NDVI變化規律與原地貌相符；排土場邊坡緩坡、斜坡各占約50%；自上坡—中坡—下坡，土壤含水量、土壤有機質、全氮含量及NDVI變化規律與原地貌相同，呈增加趨勢(表5)。上坡優勢群種為草灌類，中下坡草灌喬比例增加。巖土侵蝕強度隨坡位的不同而異，下坡發生侵蝕頻次及侵蝕溝寬深比均大于中坡和上坡；坡型包括凹型坡、直型坡、凸型坡，邊坡的剖面形態對滑坡的孕育有著重要影響作用。凸型坡、直型坡發生滑坡的概率高于凹型坡。其中邊坡與平臺交界處以凸型坡為主，由中坡到下坡坡型逐漸由直型坡過渡到凹型坡。接近的41%邊坡為直型坡，凹型坡大約32%，凸型坡約27%；邊坡物質組成同樣具有隨機性，有的坡面覆有薄層黃土狀物質，有的坡面地表裸露著碎礫或石塊。土狀物質的土壤顆粒較細，易于植物的扎根、生長。砂質、礫質土機械組成較差，其中部分混有大礫。還有一些是石礫土，地表植被稀疏，以草本為主；邊坡未經機械壓實，土體較疏松(1.2～1.6 g/cm3)、顆粒大、膠結差，易產生土壤侵蝕。不同物質構成對侵蝕程度或破壞類型不同：在黃土邊坡，在中下坡出現輕微細溝侵蝕。紅黏土斜坡上，坡面細溝侵蝕交織成網，有發生瀉溜的危險。砂質、礫質坡在重力作用下，沙土向坡角傾瀉，飽和后可能引發泥石流。土石混排區砂礫化較為明顯。在煤矸石埋深淺的部位易發生自燃，其對植被立地條件的破壞幾乎是不可修復的。

表5 不同坡位上相關因子差異特征

(2) 邊坡立地因子相關性分析。對邊坡的工程性因子、風險性因子與生物性因子進行Pearson相關性分析。研究區邊坡除坡向與NDVI顯著負相關，坡位與植被類型顯著正相關外，其他立地因子間的相關性極低(表6)。

(3) 邊坡穩定性分析。邊坡立地特殊性決定了其具有不穩定性，選取坡位、坡度、坡型、覆土基質、土壤容重、植被類型、NDVI、河流動能指數、坡度起伏度作為邊坡穩定性影響因素，同平臺侵蝕風險分析確定影響因素權重、計算穩定性分值：S=Bi·Qi；S為邊坡穩定性，Bi為影響因素分值，Qi為各影響因素的權重(表7)，最終將邊坡穩定性分值(1.3～2.4)分為兩類：S1穩定：1.3～2.3(70%)，S2不穩定：>2.3(30%)。

表6 邊坡工程性因子、地質災害因子與生物性因子Pearson相關性

注：*為<0.05水平(雙側)上顯著相關，**為<0.01水平(雙側)上顯著相關。

表7 邊坡穩定性影響因素權重

4 排土場微立地類型劃分

依據上述植被恢復立地因子特點，按立地類型小區、立地類型組、立地類型的三級分類系統進行分類。

4.1 平臺立地類型

根據平臺立地特點，選取坡度、坡向、覆土基質、覆土厚度、土壤容重、地面非均勻沉降、地形起伏度、河流動能指數8個非生物性因子為變量，運用SPSS軟件，采用組間聯接的聚類方法、以平方Euclidean距離為度量標準，Z得分標量進行標準化，對排土場平臺各樣點進行系統聚類[18，24]。

結合平臺立地條件分析及立地因子相關性分析，選取坡向、覆土厚度、覆土基質為主導因子。按照“坡向+覆土基質”，二段式命名法對平臺立地類型組進行命名；按照“坡向+覆土厚度+覆土基質+風險性”，四段式命名法對平臺立地類型進行命名[13-18，24](表8)，完全組合可得到135種立地類型，在調查范圍內有9種立地類型組、13種立地類型。

表8 平臺立地類型劃分結果

平臺立地類型特征及植被恢復狀況：類型Ⅰ陽坡黃土型，植被覆蓋度高，土壤有機質及全氮含量較低。厚層覆土區，植物生長無明顯限制因子。薄層覆土區，檸條等灌木長勢較好；類型Ⅱ陽坡礫質型，土質疏松，土壤有機質及全氮含量低，有大面積沙棘枯死，出現小陷坑等巖土侵蝕痕跡；類型Ⅲ半陽坡黃土型，土壤有機質及全氮含量較高。植被覆蓋率高的區域土壤容重??；類型Ⅳ半陽坡紅黏土型，土質緊實，植被較稀疏，水土流失嚴重，土壤較貧瘠；類型Ⅴ半陽坡礫質型，土質疏松，土層薄，土壤養分貧瘠，導致“小老樹”產生。地面有非均勻沉降痕跡；類型Ⅵ半陰坡黃土型，土層厚，土質緊實，土壤含水量、土壤有機質及全氮含量較高。植物生長限制因素少，具有很好的立地條件；類型Ⅶ半陰坡礫質型，厚層覆土，土質偏緊實，土壤養分較貧瘠。地形起伏較大，是水土流失易發區域；類型Ⅷ陰坡黃土型，土層厚，土壤含水量及土壤養分較高。植物生長限制因素少，具有較好的立地條件；類型Ⅸ全坡黃土型，為平臺頂部地區。土層厚，土質疏松，土壤有機質及全氮較高，主要為農用地及其防護林帶。

4.2 邊坡立地類型

根據邊坡立地特點，選取坡度、坡向、坡位、坡型、基質、土壤容重、地形起伏度、河流動能指數8個非生物性因子為變量，采用與平臺相同的方法對邊坡各點進行聚類。

結合邊坡立地條件分析及立地因子相關性分析，選取坡向、坡位、坡度、基質為主導因子。按照“坡向+坡位”，二段式命名法對邊坡立地類型組進行命名；按照“坡向+坡位+基質+穩定性+坡度”，五段式命名法對邊坡立地類型進行命名[13-18，24](表9)，完全組合可得到144種立地類型，在調查范圍內有9種立地類型組、20種立地類型。

邊坡立地類型特征及植被恢復狀況：類型Ⅰ陽坡上部坡，土壤含水量及土壤養分最低，土質疏松，凸形坡多見，礫質及坡度大的地區易產生土壤侵蝕；類型Ⅱ陽坡中部坡，土壤養分低。直型坡，在礫質坡面易產生溝蝕；類型Ⅲ陽坡下部坡，土壤含水量及土壤養分有所增加，有冰草、榆樹等植被侵入[25-26]。礫質陡坡上，植被稀疏，石礫化嚴重，有發生滑坡的危險性；類型Ⅳ半陽坡中部坡，土壤養分較低。石礫質坡面上，有大塊石頭裸露，只有草本和稀疏灌木生長；類型Ⅴ半陽坡下部坡，土壤含水量及土壤養分較高，有較高穩定性；類型Ⅵ半陰坡上部坡，紅黏土質坡面有小細溝侵蝕，礫質坡面有輕微礫化；類型Ⅶ半陰坡中部坡，偏土質緊實，土樣養分較好，植被覆蓋度較高，在礫質坡面有侵蝕溝逐漸變小；類型Ⅷ半陰坡下部坡，土壤養分較高。土質坡面具有很好的立地條件；類型Ⅸ陰坡上部坡，礫質坡面，土壤較疏松，易發生水土流失。

表9 邊坡立地類型劃分結果

5 植被恢復優化措施

植被重建是土地復墾的基礎與成敗關鍵，不同的立地類型決定著植被恢復的難易程度、植被類型的配置類型及演替規律。其中，平臺厚層黃土型、邊坡土質中/下部坡型具有良好的立地條件，有利于植被恢復。在排土場構筑過程中，應避免礫質、礫石質覆土的出現；豆科牧草(如：沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等)能夠短期內取得水土保持、改善土壤營養狀況的成效；通過培植耐干旱、耐貧瘠、生命力強、防風固沙能力較強的植被(如：沙棘、檸條等)使植物生境逐步得到改善；陽坡栽植喜光植被(如：沙棘、沙棗、油松、刺槐、新疆楊等)，陰坡應栽植耐陰植被(如：沙柳、榆樹、旱柳等)；合理配置植物空間，減少植物內部的相互競爭。喜光、速生的植物種植宜稀一些，耐陰、生長慢的宜密一些；采用較好的混交林種植模式(如：刺槐×油松×檸條林、刺槐×油松林、刺槐×沙棘林)，充分利用營養空間，有利于立地條件的改善、防護效能的發揮、抵抗災害能力的提升；必要時增施肥料，加快復墾土壤熟化，改善其營養狀況；對于水土流失嚴重的區域及不穩定邊坡，加強平臺堆狀地面、坡面截排工程、道路硬化等工程措施的實施；采取“苗木防凍、鋤草、施肥、修枝、間伐”等植被維護及管理技術，防范植被退化、推動復墾區植被與生態系統的恢復與正向演替。

6 結 論

(1) 本文立地類型劃分的數據建立在安太堡礦區西排土場基礎上，雖然調查范圍未涵蓋露天礦區所有排土場，但是分類方法具有一定科學性，分類體系較為完整、涉及了排土場范圍內所有可能的立地類型。

(2) 本文立地類型劃分的對象是復墾后的排土場，其劃分方法及體系同樣適用于未復墾的排土場。針對不同的立地類型以及復墾區呈現出的立地條件變化、植被恢復規律，對未復墾排土場的植被選配等重建技術具有指導意義。

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TypeClassificationforVegetationRestorationonDumpofLargeOpencastCoal-MineinLoessArea-TakingAntaibaoOpencastCoal-MineasanExample

ZHANG Ling1, BAI Zhong-ke1,2, JING Ming1, CAO Yin-gui1, CHEN Xiao-hui1

(1.CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofLandConsolidationandRehabilitation,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

Opencast mining has led to severe land damage and intricate site conditions, only by taking full accounts of environmental factors and ecological habits of vegetation and, according to different site types, conducting appropriate vegetation configuration and management can make the goal of ecological restoration of mining area achieved. Thus, the western dump of Antaibao opencast coal mine was selected as the site, 58 samples were taken in this research site. Within the scope of 10 m×10 m at each sample plot, the total amount of 18 site factors were examined, such as altitude, aspect, slope position, slope, slope type, soil matrixes, soil thickness, soil bulk density, soil water content, organic matter content, total nitrogen content, vegetation type, NDVI, non-uniform settlement of ground, relief degree of land surface and rivers momentum index. Based on the analysis of site conditions and characteristics of dump, site type was divided by using the clustering analysis method of SPSS. The study area was eventually divided into 2 site areas: the platform and the slope. The platform area was classified into 9 site groups and 13 site types; similarly, the slope area was divided into 9 site groups and 20 site types. This classification can provide the guidance for the improvement of mine site conditions, vegetation restoration and maintenance as well as the local ecosystem restoration.

loess area; large opencast coal-mine; land reclamation; dump; site conditions; SPSS clustering analysis; site type

2014-01-21

：2014-03-25

國土資源部公益行業科研專項課題(201311088-02)

張靈(1989—),女,河北省定州人,博士生,主要從事土地整理復墾與生態修復研究。E-mail:zhangling19891101@163.com

白中科(1963—),男,山西省運城人,博士,教授,博士生導師,主要從事土地整理復墾與生態修復、環境影響評價研究工作。E-mail:baizk@cugb.edu.cn

S718.5；S725.1

：A

：1005-3409(2014)06-0054-07