海州露天煤礦排土場植被恢復的土壤水文效應評價

呂剛，劉雅卓，李葉鑫，傅昕陽，宋子嶺

1. 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866；3. 遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000

海州露天煤礦排土場植被恢復的土壤水文效應評價

呂剛1,2，劉雅卓1，李葉鑫1,3，傅昕陽1，宋子嶺1

1. 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866；3. 遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000

為揭示排土場復墾區植被恢復的土壤水文效應，選取12個環境因子作為排土場植被恢復過程中土壤水文效應評價指標，采用層次分析法確定各評價指標權重，建立排土場土壤水文效應評價指標體系和評價模型，并對6種復墾植被類型下（刺槐Robinia pseudoacacia林地、榆樹林地、混交林地、灌木林地、農地和荒草地）土壤水文效應進行評價。結果表明：（1）土壤因子、水分因子和植被因子的權重值分別為0.513 8、0.193 0和0.293 2，各個評價指標的綜合權重在0.031 8～0.146 2之間；（2）排土場不同植被恢復模式的土壤水文效應綜合指數大小順序為刺槐林地（0.553 85）＞混交林地（0.534 9）＞榆樹林地（0.521 3）＞灌木林地（0.429 2）＞荒草地（0.375 3），較農地（0.361）分別提高53.41%、48.17%、44.4%、18.89%和3.96%；（3）植被恢復可以有效地改善排土場的土壤水文效應，且以喬木林恢復效果更佳。該研究可為排土場不同植被恢復過程中土壤水文效應的評價提供較為科學的評價指標體系，同時為排土場土地復墾和生態恢復與重建提供理論依據和新的分析角度。關鍵詞：土壤水文；排土場；復墾植被；層次分析法；露天煤礦；評價

排土場是露天開采過程中形成的平臺-邊坡相間的階梯寶塔狀巨型人工松散堆積體，具有坡面較陡、結構松散、土壤貧瘠、植被覆蓋度低、生態修復難度大等特性（魏忠義等，2003），是一種典型的重構土體，其水土流失程度和強度更為劇烈。因此，如何快速恢復植被是排土場復墾所要面臨的首要問題。人工植被構建是生態恢復的主要措施，也是最有效的恢復方法之一，它可通過整治改造使喪失的生產能力重新得到利用，有效地恢復受損的生態系統，提高植物多樣性和植被覆蓋度，從而提高生態系統的穩定性、防治水土流失、增強土壤水源涵養功能，被廣泛應用于礦區、荒漠區、濕地等地區的生態恢復（Henry et al.，2000）。

目前，關于排土場復墾土壤的研究已成為熱點。從土壤侵蝕和土壤理化性質角度，白中科等（1997）研究了安太堡露天煤礦不同區域的水土流失特征及其危害，并提出礦區水土流失治理重點和水土保持措施。史倩華等（2016）以內蒙古永利煤礦不同排土年限和植被措施的排土場為研究對象，分析其邊坡細溝侵蝕特征。郭建英等（2015）以不同治理措施的排土場為研究對象，研究植被生長-枯萎對邊坡產流、產沙的影響，認為降雨強度和降雨量是邊坡產流、產沙的主控因子，并提出合理的生物-工程措施是控制礦區排土場邊坡土壤侵蝕的最有效途徑之一。趙洋等（2015）研究了黑岱溝露天煤礦北排土場5種不同人工植被配置條件下草本植物的種類和數量，認為豆科植物可以促進排土場草本植物多樣性恢復和改善土壤質量。方瑛等（2016）以黑岱溝露天煤礦排土場不同植被恢復方式下復墾土壤為研究對象，研究了不同植被恢復方式下土壤理化性質的差異。

從排土場生態重建與恢復角度，孫泰森等（2001）以平朔安太堡露天煤礦為例，論述了大型露天煤礦廢棄地生態重建的理論與方法。白中科等（1998）研究了平朔安太堡露天煤礦土地擾動特征和生態重建適用技術，提出了5項工程復墾技術和3項生物復墾技術。臺培東等（2002）研究認為沙棘是草原露天礦排土場理想的復墾植物，可以有效地防治水土流失、提高土壤肥力、減緩草場鹽漬化。從排土場植被適宜性角度，李志強等（2007）采用極限條件法對待復墾土地對農林牧業的適宜性進行了評價，并對排土場復墾土地利用的效益進行了分析。樊文華等（2011）從重金屬污染角度分析了復墾土壤中Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和As的污染程度及潛在的生態危害性。張紫昭等（2015）以新疆15個煤礦為研究背景，選取7個評價因子建立新疆煤礦土地復墾為草地的適宜性評價指標體系，其評價結果符合規范分類結果范圍且更加精確和符合實際，為新疆煤礦土地復墾工作提供了參考。

目前，關于排土場復墾土壤水文效應的研究較少。楊國敏等（2015）以黑岱溝礦區排土場為研究對象，利用穩定性同位素示蹤技術分析了排土場土壤水分的穩定性同位素特征，揭示了不同植被類型土壤水的入滲規律。楊政等（2015）以排土場不同人工草地為研究對象，分析不同草地地上生物量、土壤水分及土壤入滲性能特征。饒良懿等（2005）對重慶四面山林地枯落物及土壤的水文效應進行了研究。趙建生等（2013）從森林土壤的容重、孔隙度、持水能力和入滲能力等方面，研究了冀北山地6種典型森林的土壤水文效應。

本文以海州露天煤礦排土場6種復墾植被為研究對象，選取12個環境因子作為植被恢復的土壤水文效應評價指標，運用層次分析法建立排土場植被恢復土壤水文效應評價指標體系和評價模型并對其進行評價，確定排土場最優植被恢復模式，為排土場土地復墾和生態恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

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（E121°40′12″，N41°57′36″），總面積約為13 km2，屬北溫帶大陸性半干旱季風氣候，年蒸發量1790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3476 ℃，無霜期154 d，年均日照時數2865.5 h，年均風速3 m·s-1，年均降水量511.4 mm，且多集中于7、8月份。排土場區呈階梯狀，分為十多個大盤面，每個盤面矸石林立、溝壑縱橫，陡坎坡平均坡度45o，盤面海拔平均高度為270 m，相對高差為3～60 m。2004年由國土資源部投資對該排土場開展了土地復墾工作。在復墾前期，利用大型采礦復墾機械進行搬運、平整、壓實工作，使“人造場地”恢復成較合理的地形地貌；之后再進行客土回填工程，覆土厚度為30 cm（如今覆土層厚度經不均勻沉降發生了不同程度的壓縮），以此建立有利于植物生長的表層和生根層，為后期生物復墾奠定基礎。

綜合考慮植被類型、地形狀況、巖土排棄等因素，在保證立地條件基本一致的前提下，本研究于2012年4月根據人工植被恢復現狀在排土場同一區域（復墾年限為8年）內選取相鄰但相互之間無影響的6種復墾植被下的土壤作為研究對象，分別為刺槐林地（Robinia pseudoacacia）、榆樹林地（Elm）、混交林地（mixed forests，Robinia pseudoacacia和Elm）、灌木林地（Shrub）、農地（Farmland）和荒草地（weeds）。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、混交林地內各設置1個20 m×20 m的標準地，在灌木林地設置1個10 m×10 m的標準地，在荒草地設置1個5 m×5 m的標準地，各樣地基本情況見表1。

1.2 研究方法

選取土壤因子、水分因子、植物因子作為評價排土場植被恢復過程中土壤水文效應的環境因子。其中，土壤因子包括土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤大孔隙平均半徑、礫石含量、砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量；水分因子包括土壤自然含水率和土壤飽和導水率，植物因子包括根重密度、＜1 mm根長密度、1～2 mm根長密度和2～5 mm根長密度。在每一個試驗樣地內各自選取1個具有代表性的地段，取1個面積為65 cm×65 cm的地塊進行野外染色示蹤試驗，24 h后開挖土壤剖面，用1200萬像素的數碼相機采集垂直染色剖面圖像以分析土壤優先流分布特征并計算土壤優先流染色面積比；用環刀（高為5 cm、體積為200 cm3的鋼環刀）分別采集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50和50～60 cm土層的土壤樣品，并在每個土層采集1 kg混合散樣以測定土壤自然含水率和土壤顆粒組成。各試驗指標設置3個重復。

表1 排土場各個樣地基本性質Table 1 The basic profiles in all plots

1.2.1 土壤因子測定方法

土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用環刀法測定；砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量采用MS 2000型激光粒度分析儀測定，并按照國際制進行劃分和計算。

礫石（質量）含量采用水洗法測定：將環刀內土壤置于2 mm土壤篩上用自來水進行沖洗，在沖洗過程中左右轉動篩子，將沖洗后留在篩子上的礫石自然風干后稱重以計算＞2 mm礫石含量。

土壤大孔隙平均半徑采用水分穿透曲線和Poesiulle方程測定并計算：將野外采集的土壤環刀樣品帶回實驗室，使其達到田間持水量，利用馬氏瓶測定土壤水分穿透曲線，其水頭高始終保持1 cm。當第一滴水滴流出時開始計時，每5 秒記錄1次出水量，直到流速達到穩定。根據土壤水分穿透曲線和Poesiulle方程計算從開始排水到飽和穩定流階段大孔隙的大小分布，從而計算土壤大孔隙平均半徑。

1.2.2 水分因子測定方法

土壤自然含水率采用烘干法測定；土壤飽和導水率采用環刀法測定：利用土壤水分穿透曲線穩定后的流量計算土壤飽和導水率，為了消除溫度對水黏滯系數的影響，統一換算為10 ℃的飽和導水率。

1.2.3 植物因子測定方法

利用內徑為10 cm、長為10 cm的根鉆采集土壤剖面內的植物根系，每隔10 cm為1個土層，將其放入布袋內帶回實驗室，用清水將根系洗凈，按照＜1 mm、1～2 mm和2～5 mm的劃分方法對植物根系進行分級，采用WinRHIZO根系分析系統對各個徑級根系長度進行分析，并測定根系生物量（恒溫75 ℃條件下烘干至恒重）。

將上述試驗數據結果與土壤優先流染色面積比進行Spearman相關性，以此篩選排土場復墾區土壤水文效應評價指標。具體結果見表2。

2 評價模型的建立

采用多指標綜合評價法對排土場植被恢復土壤水文效應進行評價，基本步驟為：（1）將選取的相關指標進行分類，如土壤因子、水分因子和植物因子；（2）確定所選的評價指標的范圍，即評價指標的最大值和最小值；（3）對選取的評價指標進行無量綱化和合成公式；（4）確定每個指標在評價指標體系中的權重；（5）對各個指標進行加權計算，得到土壤水文效應綜合指數。

2.1 評價因子的選取

為評價植被恢復對排土場土壤水文效應的影響，選擇與土壤水文效應關系密切的環境因子進行分析，以環境因子與染色面積比相關分析相關系數大于0.1（顯著性系數小于0.4）為標準（王偉，2011），確定排土場植被恢復的土壤水文效應評價指標。選取土壤因子、水分因子和植物因子三大類環境因子構建排土場植被恢復的土壤水文效應評價指標體系。其中，土壤因子（B1）包括土壤總孔隙度C1、土壤毛管孔隙度C2、土壤大孔隙半徑C3、礫石含量C4、黏粒含量C5、砂粒含量C6；水分因子（B2）包括土壤自然含水率C7、土壤飽和導水率C8；植物因子（B3）包括根重密度C9、＜1 mm根長密度C10、1～2 mm根長密度C11、2～5 mm根長密度C12（表3）。

表2 環境因子與土壤優先流染色面積比的Spearman相關性Table 2 The spearman correlation between the environmental factors and staining area ratio

表3 評價指標體系Table 3 Evalation index system

2.2 評價指標無量綱化

由于評價體系中各個指標的經濟意義和度量單位不同，需要對數據指標進行無量綱化以消除量綱的影響。結合前文分析和排土場各評價指標變化范圍，采用下列標準化方法對排土場植被恢復的土壤水文效應評價指標進行無量綱化，正指標和負指標分別采用公式（1）和（2）計算，式中各指標含義見前文研究方法：

2.3 評價指標權重確定

層次分析法是一種將定性與定量相結合的決策分析方法，是一種決策分析者對復雜系統的決策思維過程模型化、數量化的過程，是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在因素之間進行簡單的比較和計算，從而得到不同方案的權重，為最佳方案的選擇提供依據（梁嘉驊等，1992；韓武波等，2004）。對同一層的各元素關于上一層某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較判斷矩陣，并進行一致性檢驗。判斷矩陣以1～9級建立判斷尺度（表4）。

表4 判斷矩陣標度定義Table 4 Definition of the scale of the judgment matrix

在計算指標體系的綜合權重時，首先要確定準則層B的權重因子，準則層B包括土壤因子（B1）、水分因子（B2）和植被因子（B3）3項指標，然后再確定準則層C中各評價指標的權重，從而確定綜合權重。一致性檢驗的步驟如下：

（1）計算一致性指標C.I.：

式中，n為判斷矩陣階數。

超深礦井提升機卷筒是提升系統的關鍵部件，它承受著提升過程中全部有效載荷。僅對卷筒結構進行靜強度分析，通過分析幾種典型計算工況得出卷筒最大應力值，無法準確得到提升系統在上提、下放全過程中卷筒結構的應力動態變化情況。因此針對目前我國正在創新設計的1 500 m超深礦井多層纏繞式提升機卷筒的設計需要，有必要對作業過程中卷筒結構進行強度分析，得到卷筒作業過程中關鍵部位的動態載荷與應力分布，從而對卷筒結構的疲勞壽命作出較準確的預測。

（2）計算平均隨機一致性指標R.I.。

（3）計算一致性比例C.R.：

（4）計算各層要素對系統總目標的總權重，其計算結果見表5。

2.4 評價模型

為了綜合評價排土場復墾區植被恢復過程中土壤水文效應，引入土壤水文效應綜合指數SHEI，SHEI越大，排土場土壤水文效應越好。土壤水文效應綜合指數SHEI的計算模型如下所示：

式中，SHEI（Soil hydrological effect index）為土壤水文效應綜合指數；Wi為第i項指標權重；Ri為各個樣地第i項指標的無量綱化數據矩陣；m為評價指標個數，m=12。

3 評價結果與分析

3.1 評價指標標準化結果

由表6可知，各指標系數在0～1之間，各個樣地最大系數所對應的指標有所不同。刺槐林地最大系數出現在1～2 mm根長密度，為0.876；灌木林地最大系數出現在礫石含量，為0.6091；荒草地最大系數出現在＜1 mm根長密度，為0.7376。

3.2 評價結果

結合表5和表6，計算得到排土場復墾區不同植被恢復模式的土壤水文效應綜合指數和綜合排序（表7）。由表7可知，各個樣地評價系數分別在0.0159～0.0821、0.0119～0.1172、0.0159～0.0915、0.0074～0.076、0.0078～0.0749、0.0104～0.0838之間，其最大系數所在指標各有不同，主要集中在礫石含量、根重密度、土壤大孔隙、土壤飽和導水率，說明土壤礫石對土壤結構、植物根系對土壤水文效應有著重要的影響。

表5 排土場植被恢復的土壤水文效應評價指標體系Table 5 Index system of Soil Hydrological Effect of vegetation restoration of dump

表6 指標標準化矩陣Table 6 The matrix of index standardization

表7 排土場不同植被恢復的土壤水文效應綜合評價Table 7 Comprehensive evaluation of soil hydrological effects of different vegetation restoration of dump

由表7可知，排土場不同植被恢復的土壤水文效應評價排序結果為刺槐林地＞混交林地＞榆樹林地＞灌木林地＞荒草地＞玉米地，刺槐林地、混交林地、榆樹林地、灌木林地和荒草地的綜合指數分別為0.5538、0.5349、0.5213、0.4292和0.3753，較農地分別提高了53.41%、48.17%、44.4%、18.89和3.96%，說明植被恢復可以有效地改善排土場土壤水文效應，且以喬木林恢復效果最為突出，而喬木林又以刺槐林效果最佳。因此，在今后的排土場植被恢復重可優先選用刺槐作為先鋒樹種。

4 結論

（1）選取與影響土壤優先流分布特征關系密切的12個環境因子作為排土場植被恢復的土壤水文效應評價指標，采用AHP從土壤、水分和植被3個角度建立較為合理的評價指標體系。

（2）土壤因子、水分因子和植被因子的權重值分別為0.5138、0.1930和0.2932，各個評價指標的綜合權重在0.0318～0.1462之間；排土場不同植被恢復模式的土壤水文效應綜合指數大小順序為刺槐林地（0.55385）＞混交林地（0.5349）＞榆樹林地（0.5213）＞灌木林地（0.4292）＞荒草地（0.3753），較農地（0.361）分別提高了53.41%、48.17%、44.4%、18.89和3.96%。

（3）植被恢復可以有效地改善排土場的土壤水文效應，且以喬木林恢復效果最為突出，而喬木林又以刺槐林效果最佳。因此，在今后排土場土地復墾和植被恢復中可優先選用刺槐作為先鋒樹種。

5 討論

我國露天煤礦多位于干旱半干旱區，生態環境極其脆弱，年降雨量在300～500 mm之間，而年蒸發量又較大，同時排土場結構松散、透水性強，水分入滲表層土壤后快速向下運動，通過植物根系吸水層而直接匯入地下水，嚴重影響植物正常生長。因此，植物根系無法較好地利用水分，致使大量復墾植物因缺水而死亡，這是排土場復墾失敗的主要原因。相關研究表明（王改玲等，2002），安太堡露天煤礦排土場1～3年生刺槐春季地上部分因脫水而抽梢嚴重，甚至死亡；7～8年后，在密度較大的種植區，40 cm以下土壤出現明顯干層，也會使刺槐死亡。楊國敏等（2015）也認為礦區土壤中活塞流和優先流并存于降水入滲過程中，加快了深層土壤水分或地下水的補給，進而改變整個水文過程。因此，為提高排土場復墾植物成活率，首先要解決排土場水分快速流失這一問題，提高植物對水分的利用效率。

本文從土壤水文效應角度系統地分析排土場復墾區植被恢復效果及其對排土場土壤物理性質的影響，采用層次分析法建立排土場植被恢復條件下土壤水文效應評價指標體系，引入土壤水文效應綜合指數評價土壤水文效應對排土場不同恢復模式的響應，以期為排土場不同植被恢復過程中土壤水文效應的評價提供較為科學的評價體系，同時為排土場土地復墾和生態恢復與重建提供理論依據和新的分析角度。但是，本文只是初步探討不同植被恢復模式對土壤水文效應的影響，除本文所涉及的評價指標外，土壤水文過程還受到林分結構特征、林下枯落物層持水特性、地表徑流、土壤水分蒸發等多方面因素共同影響，影響過程復雜，今后應加強該方面及排土場土壤水文過程的研究，進一步完善評價指標體系。

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Evaluation of Soil Hydrology Effects of the Vegetation Restortion in Haizhou Open-pit Coal Mine Dump

LV Gang1,2, LIU Yazhuo1, LI Yexin1,3, FU Xinyang1, SONG Ziling1
1. College of Environmental Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;
2. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;
3. College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

To reveal the soil hydrology effect of vegetation restoration in the reclamation dump, 12 environmental factors were selected as the evaluation indexes, the weight of each evaluation index was determined by the AHP method, the evaluation system and model was established, then, the soil hydrology effects of 6 reclaimed vegetation (Robinia pseudoacacia Linn. forest, Ulmus pumila L. forest, mixed forest, shurb, farmland, waste-grassland) were evaluated. The results showed that: (1) the weight value of soil, water and vegetation was 0.513 8, 0.193 0 and 0.293 2, respectively. The comprehensive weight of each evaluation index was ranged from 0.031 8 to 0.146 2. (2) The comprehensive index was in the order of Robinia pseudoacacia Linn. forest (0.553 85)＞mixed forest (0.534 9)＞Ulmus pumila L. forest (0.521 3)＞shrub (0.429 2)＞waste-grassland (0.375 3). Compared with the farmland, the comprehensive index of Robinia pseudoacacia Linn. forest, mixed forest, Ulmus pumila L. forest, shurb, waste-grassland increased by 53.41%, 48.17%, 44.4%, 18.89% and 3.96%, respectively. And (3) the soil hydrology effect of the dump was effectively improved through vegetation restoration, especially the arbor forest. This study not only provide scientific evaluation index system in the process of vegetation restoration, but also provide theoretical basis and the new analytical perspective for ecological restoration and reconstruction in the dump.

soil hydrology; dump; reclaimed vegetation; AHP; open-pit coal mine; evaluation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.011

S152.7; X171.4; TD7

A

1674-5906（2017）01-0067-06

呂剛, 劉雅卓, 李葉鑫, 傅昕陽, 宋子嶺. 2017. 海州露天煤礦排土場植被恢復的土壤水文效應評價[J]. 生態環境學報, 26(1): 67-72.

LV Gang, LIU Yazhuo, LI Yexin, FU Xinyang, SONG Ziling. 2017. Evaluation of soil hydrology effects of the vegetation restortion in Haizhou open-pit coal mine dump [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 67-72.

國家自然科學基金項目（51474119）

呂剛（1979年生），男，副教授，博士，主要從事土壤侵蝕與土壤水文學的教學和科研工作。E-mail: lvgang2637@126.com

2016-12-20