基于無人機影像的復墾排土場地形因子與土壤物理性質的關系研究

趙艷玲 劉慧芳 王 鑫 鄒玉珠 田帥帥

(中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所, 北京市海淀區，100083)

煤炭開采對環境、土地和人民生活造成了巨大影響，露天開采尤其嚴重。排土場即露天礦開采過程中采礦排棄物集中排放的場所，對于排土場生態系統的恢復和重建已成為近年來土地合理高效利用所關注的焦點。李晉川等人對安太堡露天礦復墾地不同植被恢復模式下土壤理化性質、酶活性和微生物區系進行分析和土壤生態肥力評價；劉衛華等人以安太堡露天煤礦排土場生態復墾區刺槐+油松配置模式固定監測樣地為研究平臺，在植被調查和土壤因子分析的基礎上，揭示種群基本特征與土壤因子之間的動態規律；楊睿璇等人以安太堡露天礦內排土場為研究對象運用地統計學分析了土壤理化性質空間變異性，為土壤改良和土壤質量檢測提供有針對性的指導；張雅楠等人以黑岱溝露天煤礦北排土場為研究對象，將未受人工干擾的排土場作為對照，研究排土場復墾地的植被群落特征和土壤理化性質的變化，并用主成分分析法對排土場土壤質量進行綜合評價；李鵬飛等人以內蒙古準格爾旗黑岱溝露天煤礦北排土場為研究對象，對復墾地不同恢復模式下的土壤理化性質及相關性進行測定與分析，以期為礦區生態環境可持續發展提供理論依據；張萌等人對山西平朔礦區安太堡露天煤礦排土場4種重構土壤方案的土壤粒徑分布進行了多重分形參數計算，黃土區露天煤礦排土場土地復墾以及重構土壤質量的量化提供理論依據。

綜上所述，就西北部干旱半干旱地區露天礦復墾土壤質量的研究，大都通過植被群落特征對土壤質量進行評價分析，從高精度地形出發，研究地形因子與土壤物理性質之間的關系的研究較少。對于大型露天礦來講，排土場復墾是整個礦區復墾工程的重中之重，在排土場復墾的各個環節中，土壤重構是其關鍵，土壤重構本質上也是地形重構，研究地形因子與排土場復墾土壤的物理性質的關系就顯得尤為重要。因此，本文以內蒙古錫林浩特勝利煤田一號露天礦北排土場作為研究對象，以無人機影像獲取的分辨率為0.06 m的數字表面模型(DSM)為底圖，選取土壤含水量、容重、比重和孔隙度4個物理指標，探討地形因子對土壤物理性質的影響，為露天礦排土場重構提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

勝利一號露天礦位于內蒙古自治區錫林郭勒盟錫林浩特市西北部勝利蘇木境內，地理坐標為東經115°30′～116°26′，北緯43°57′～44°14′。境內及其周圍地勢平坦，草原植被發育，地形略呈西高東低。本區屬半干旱草原氣候，每年的6、7、8月為雨季，占全年降水量的71%。土壤類型主要由栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等組成。北排土場2006年投入治理，采取“一排、二覆、三沙障、四種、五灌、六養護”的復墾模式，主要種植沙打旺、苜蓿、披堿草和檸條等植物，2009年完成綠化復墾。研究區位置如圖1所示。

圖1 研究區位置示意圖

1.2 土壤樣品的采集及測定

露天礦排土場復墾分為邊坡和平臺。本次采集土壤樣品采用隨機取樣法，利用環刀取表層0～10 cm的土壤，分別在邊坡取樣38個，平臺取樣79個，同時選擇附近未擾動的表層土作為對照，并用GPS確定采樣點位置。土壤樣品自然風干后進行測定，測定指標包括土壤含水量、容重、比重和孔隙度。其中土壤含水量采用烘干稱重法，容重采用環刀法，比重采用排水稱重法，孔隙度采用土壤容重和比重計算而得，每個指標重復測定3次，取平均值。

1.3 地形專題圖獲取

為了獲得高精度的地形專題圖，選用四旋翼無人機DJI Matrice M100平臺搭載Zenmuse X3非量測可見光數碼相機獲取影像數據。航測時天氣晴朗，微風，飛行相對航高為100 m，航向和旁向重疊度分別為80%和60%。航測影像經快速處理檢核合格后進入內業處理，利用Pix4D軟件，得到排土場數字表面模型(DSM)，分辨率為0.06 m，最后利用ArcGIS獲得排土場坡度、高程、地表粗糙度等地形專題圖。其中，坡度按照《水土保持綜合治理規劃通則》(GB-T15772-1995)，結合實地情況分級，分為<5°、5°～25°、25°～35°和>35°這4個級別；研究區復墾排土場屬于多臺階式，邊坡和平臺交替分布，故高程分別按邊坡和平臺進行分級，其中平臺由低到高分為G、L、M、H這4個等級，邊坡由低到高分為L、M、H這3個等級；地表粗糙度分為1.0～1.1、1.1～1.4、1.4～2.0這4個等級。

2 結果與分析

2.1 土壤物理指標統計分析

土壤物理性質是土壤質量的重要組成部分，反映土壤結構屬性，影響土壤保持和供應水肥的能力。土壤基本物理指標統計分析表見表1。

表1 土壤基本物理指標統計分析表

由表1可以看出，排土場土壤的物理性質和當地未擾動土相比有明顯的變化。土壤容重值約80%在1.4 g/cm3以上，說明土壤結構過緊實，原因可能是復墾機械反復碾壓所致；在一定范圍內，土壤的容重越小，表明土壤的結構性越好越疏松，越有利于水氣的交換，反之則土壤結構性差，板結，不利于植物生長，因此研究區土壤不利于植物生長。排土場土壤比重、孔隙度和土壤含水量均小于未擾動土，其中土壤比重小于未擾動土，這可能是排土場土壤經過擾動后結構較差所致。土壤孔隙度在30%～40%之間，原因是研究區土壤經過剝離、排放，原有的土層順序被破壞，且排土場土壤與未擾動土相比，多屬于砂土，大孔隙較多，更加不利于保水保肥。同時反映到土壤含水量與未擾動土相比，下降了68%～76%。

2.2 地形因子對土壤物理性質的影響

2.2.1 地形因子與土壤物理性質的相關性分析

不同的地形因子對土壤物理性質的影響效果不同，為此采用SPSS軟件對地形因子和土壤物理性質進行了相關性分析。地形因子與土壤物理性質的相關性見表2。

表2 地形因子與土壤物理性質的相關性

由表2可以看出，土壤容重與坡度、地表粗糙度呈顯著負相關關系，即排土場邊坡土壤的容重值小于平臺土壤的容重值，這與表1呈現的結果是一致的，且地表粗糙度大的區域土壤容重值小，與高程呈正相關關系，即隨著高程降低，容重值減小。土壤孔隙度則正相反，與坡度、地表粗糙度呈正相關關系，即坡度越大土壤結構越松散，隨地表粗糙度增加，孔隙度也隨之變大，與高程成負相關關系，即高程從高到低，孔隙度由小變大。而土壤比重、含水量受地形因子影響較小。因此，下面重點分析土壤容重、孔隙度與地形因子的空間關系。

2.2.2 土壤容重與地形因子的空間關系

首先將土壤容重以0.1 g/cm3為間隔分為5級，然后將其疊加到排土場坡度、高程、地表粗糙度專題圖上，得到采樣點土壤容重與地形因子的空間關系分布圖如圖2所示，并按照地形因子分級統計不同級別的土壤容重占比如圖3所示，進而分析土壤容重受地形因子影響的空間分布趨勢。

圖2 采樣點土壤容重與地形因子的空間關系分布圖

圖3 不同地形因子分級對應的土壤容重分級占比

由圖3(a)可以看出，坡度為<5°的大部分區域為排土場平臺，容重值多集中在1.5 g/cm3以上，其中大于1.5 g/cm3的采樣點占比約為43%。隨著坡度的增加，地形逐漸由平臺向邊坡過渡，低容重值土壤的占比逐漸增大，高容重值的土壤占比逐漸變小。

由圖2(a)可以看出，低容重值多出現在平臺與邊坡的過渡地帶，分析原因是由于風力和雨水等的侵蝕平臺邊緣或者邊坡土壤會塌落下來沉積在此處，邊坡塌落示意圖如圖4所示，因此較為松散，而且過渡地帶的坡度多集中分布在5°～25°之間，因此從圖2(a)和圖3(a)均可以看出，坡度在5°～25°之間容重值小的土壤占比較高。

圖4 邊坡塌落示意圖

由圖2(b)和(c)可以看出，排土場平臺土壤的容重值均大于邊坡土壤的容重值，這是由于平臺受機械壓實程度大，而邊坡沒有機械壓實，故平臺土壤較緊實，容重較大；由圖3(c)可以看出，平臺H的容重值最大，這可能與復墾年限和復墾工序有關，排土場由低層到高層復墾，低層排土場較早復墾，自然恢復時間更長，土質也更加疏松(容重值小)，但同時平臺G的土壤容重值大于平臺M和平臺L的土壤容重值，這是因為平臺G作為整個排土場輸送排覆材料的主路徑，受到排土機械碾壓的影響面積最大，因此其容重值反而比上兩層平臺容重值高。

由圖2(c)可以看出，邊坡粗糙度大于平臺部位，而排土場平臺的土壤容重值均大于對應的邊坡土壤的容重值，因此二者呈負相關，與表2的結果一致。

從圖3(d)可看出，隨粗糙度增大，容重值小于1.5 g/cm3的土壤占比增加，分析原因可能是平臺在受機械壓實的過程中，不僅增大了土壤容重，而且地表比較平整，而邊坡沒有壓實，故粗糙度比平臺大，加之邊坡土壤容重小易出現細溝侵蝕，且細溝侵蝕出現后進一步導致地表糙度增大。

2.2.3 土壤孔隙度與地形因子的空間關系

首先以10%為間隔將土壤孔隙度分成四級，將采樣點的孔隙度分級圖疊加到排土場坡度、高程、地表粗糙度專題圖上，得到采樣點土壤孔隙度的空間分布圖如圖5所示，并按照地形因子分級統計不同級別的土壤孔隙度占比，進一步分析土壤孔隙度受地形因子影響的空間分布趨勢。地形分級對應的土壤孔隙度分級占比如圖6所示。

圖5 采樣點土壤孔隙度空間分布圖

圖6 地形分級對應的土壤孔隙度分級占比

由圖6(a)可以看出，除了坡度在5°～25°的區域，其余區域的土壤孔隙度大部分集中在30%～40%之間。

由圖5(a)可以看出，5°～25°屬于邊坡-平臺過渡地帶，和土壤容重的分析原因類似，由于侵蝕或者邊坡塌落現象，這一部分的土壤多為松散的沉積物，因此孔隙度為40%～50%之間的土壤占比增大。

由圖5(b)可以看出，邊坡土壤的孔隙度整體高于平臺土壤孔隙度，這是由于平臺部位受機械碾壓所致，隨碾壓次數的增加，土壤孔隙度呈逐漸遞減的趨勢，其中平臺G的土壤的孔隙度最小，原因是平臺G作為整個排土場輸送排覆材料的主路徑，受到排土機械碾壓的影響面積最大。

由圖6(d)可以看出，不同級別的粗糙度下，孔隙度在30%～40%的均占比最大。從整體來看，隨著地表粗糙度的增加，孔隙度呈現減小的趨勢。綜合比較，地表粗糙度對孔隙度的影響小于坡度和高程對孔隙度的影響。

3 結論

(1)排土場土壤的物理性質與當地未擾動土相比，土壤容重、比重、孔隙度和含水量都發生了明顯的變化。容重明顯變大，主要是因為復墾排土場受人為擾動大，對土壤的壓實程度大，土壤密實。其余指標均小于對照土，尤其是土壤含水量，下降了57%以上。對于內蒙古干旱地區，水分是考量土壤重構質量的重要指標，是制約礦區植被重建生態恢復的關鍵因子。因此在復墾排土場初期養護過程中，要加強對土壤水分的管理。

(2)不同的地形因子與不同的土壤物理性質之間的關系不同，排土場的土壤容重和孔隙度與坡度、高程和地表粗糙度之間存在相關關系。土壤容重與坡度呈顯著負相關關系，排土場邊坡的土壤容重值小于平臺的土壤容重值；與高程呈正相關關系，即隨著高程降低，容重減小；土壤孔隙度則正相反，與坡度呈正相關關系，坡度越大土壤結構越松散；與高程成負相關關系，從高到低，孔隙度由小變大。綜合考慮，復墾排土場邊坡坡度不宜太大，最大控制在25°～30°之間。平臺受機械壓實影響較大，復墾工作完成后，要采取一定的生物措施、物理措施減少壓實造成的影響，逐步向自然狀態土壤恢復。

(3)無人機作為一種新型手段，可以為排土場此類中尺度區域的研究提供更加詳細的信息，諸如侵蝕溝/排土場主路徑等信息，對于準確分析排土場的影響因素具有一定的幫助。