阜新煤矿区次生裸坡土壤抗冲性动态变化

潘德成，李海燕，吴祥云，宋品玉，邓春晖，齐鹏春，张丹丹

（1.辽宁省水土保持研究所，辽宁 朝阳 122000；2.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000；3.阜蒙县农业综合开发办公室，辽宁 阜新 123100；4.辽宁省朝阳市科技情报研究所，辽宁 朝阳 122000）

矿区次生裸地是指矿业生产过程中产生的弃土废渣及受重金属污染而失去经济利用价值的土地。它是一种极端裸地，植被稀少，水土流失严重［1］。对于煤矿来说，煤矸石是煤炭生产过程中所必然形成的固体废弃物，矸石的排出量约为原煤的10%～30%。据有关资料统计［2－3］，全国工业固体废弃物最多的是煤矸石，历年累计煤矸石排出量约3.0×109t，占全国工业固体废料的30%。且限于经济技术等原因，目前我国矸石的利用率还不到30%，大量的废弃煤矸石不断堆积形成煤矸石山，已累计占用土地近5500 hm2，且今后每年我国排放矸石仍达3.0×108t，约占用土地面积300～400hm2。降水是造成矿区次生裸坡土壤侵蚀的主要因子，矿区次生裸坡的水土流失的强度大，并常伴有滑坡等次生地质灾害，给当地生态环境造成极大破坏［4－5］。近年来我国矿区水土流失的理论与实践研究虽然取得显著成绩，但对矿区次生裸坡自然风化土壤的动态侵蚀规律的研究尚显不足，缺乏指导性的定量分析成果。因此，以阜新煤矿典型的次生裸坡为研究对象，开展矿区次生裸坡土壤抗冲性的动态规律研究，将对科学评价我国矿区次生裸坡水土流失与生态治理方略具有重要的理论和现实意义［6－8］。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省阜新市，地理坐标为北纬41°41′—42°56′，东经121°01′—122°56′。属北温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，雨热同季。近50a平均降水量481mm，蒸发量1765 .9mm。秋冬春三季降水少且多风，夏季高温，雨量集中，且常以大雨的形式出现，约占全年的60%。阜新年均气温7.8℃，最低气温－28.4℃（1966年），最高气温40.6℃（1972年）。相对湿度59%。≥10℃积温3341 .4℃。无霜期154d［9］。

以阜新市孙家湾煤矸石山坡面（地理坐标为北纬41°58′28″，东经121°40′39″）为研究对象，根据矸石山不同的坡向和坡位，分别在矸石山阳坡和阴坡的上、中、下坡位进行选点，共选取6个具有代表性的样地。对照样地选在阜蒙县平安地镇，为自然丘陵类型，地理坐标为北纬42°30′，东经121°56′，共选取丘陵林地、丘陵耕地和天然崖壁3个对照类型［10］。样地概况详见表1。

表1 研究区样地概况

2 研究方法

土壤抗冲性是研究土壤水土流失的重要指标。从泥沙动力学原理出发，用径流含沙量（g／L）和抗冲系数两个指标来分析土壤的抗冲性。径流含沙量采用稳定水流对土壤样品冲刷10min，用水桶收集冲刷过程的径流泥沙进行采样、烘干、称重，在冲刷开始后前4min内每1min采集1次，以后每3min采集1次。土壤抗冲系数M（为每冲走单位干土重所需的水量和时间的乘积）计算公式为:

式中:M——土壤抗冲系数﹝（L·min）／g﹞；T——冲刷历时（min）；W——冲失干土重（g）。土壤抗冲系数可直观反映水蚀过程中土壤抗径流冲刷破坏能力的大小。

土壤抗冲性试验采用改进的原状土冲刷水槽法，每个样点0—l0cm原状土采用长宽高分别为20cm×10cm×10cm的方型环刀取土样。试验选择冲刷坡度为35°，设计供水流量水平为3L／min，其它见参考文献［10—12］。

3 结果与分析

3.1 径流含沙量的动态变化

从图1可以看出，各样地的径流含沙量存在明显差别，且自然对照的径流含沙量总体大于矸石山，说明因组成矸石山的物质为矸石风化物，大颗粒较多，可被水流冲刷的小颗粒含量较少而导致径流含沙量小；在矸石山的6个样地中，阳坡的径流含沙量大于阴坡，这与阴坡的风化程度较阳坡强烈，植被盖度较高有关［13－14］；对于阳坡，径流含沙量表现为:下坡位（37.55g／L）＞中坡位（35.67g／L）＞上坡位（13.41 g／L），且下坡位和中坡位的径流含沙量相似，明显大于上坡位，表明中、下坡位因矸石风化程度好，细颗粒较多，而导致径流含沙量高于上坡位；对于阴坡，径流含沙量表现为:上坡位（19.94g／L）＞下坡位（11.79 g／L）＞中坡位（6.20g／L），表明在阴坡的不同坡位除了矸石风化程度外，植被盖度对径流含沙量的影响更显著。矸石山的6个样地和自然对照的3个样地的径流含沙量的曲线又存在较为一致的变化规律，即它们的初始径流含沙量均较大，之后骤减，到一定的时刻逐渐趋于稳定，矸石山样地的径流含沙量是到第2 min后基本趋于稳定，而自然对照则是到第4min后才趋于稳定。表2的相关分析表明，不同样地土壤径流含沙量y与时间t之间存在显著的多项式回归关系，且显著服从于回归方程:

式中:a，b——多项式系数，相关系数R2为0.685～0.982，达到显著相关水平。

表2 冲刷试验径流含沙量变化回归参数

3.2 土壤抗冲系数的动态变化

从图2的土壤抗冲系数与冲刷时间相关性曲线可以看出，矸石山不同坡面、不同坡位的土壤抗冲系数，以及3个对照样地的土壤抗冲系数均存在较大差异，阳坡整体抗冲系数小于阴坡，表明阴坡因矸石风化程度较阳坡高，植被盖度较高而使抗冲系数相对较大［13－14］。阳坡的不同坡位的抗冲系数表现为:上坡位﹝6.43（L·min）／g﹞＞中坡位﹝2.53（L·min）／g﹞＞下坡位﹝2.45（L·min）／g﹞，这可能与阳坡的上坡位矸石颗粒较中、下坡位大，而耐冲刷有关；阴坡不同坡位的抗冲系数表现为:中坡位﹝16.30（L·min）／g﹞＞下坡位﹝15.07（L·min）／g﹞＞上坡位﹝5.00（L·min）／g﹞，这可能与阴坡中、下坡位的植被覆盖度较上坡位高，植被根系对土壤抗冲系数有明显加强效应有关［13－14］。6个矸石山样地和3个对照样地的土壤抗冲系数总体存在较为一致的变化趋势，表现出随着冲刷时间的延长，抗冲系数逐渐增大，曲线呈先缓慢后快速增大的趋势，且前10min矸石山的抗冲系数大于自然对照。通过表3的回归关系分析表明，矸石山的土壤抗冲系数y与时间t之间显著服从于方程:

式中:a，b——回归系数。复相关系数R2在0.455～0.987之间，其中只有天然崖壁的相关系数相对较小，但也达到显著水平。

图2 研究区土壤抗冲系数与冲刷时间相关性曲线

表3 矸石山不同坡面和坡位土壤抗冲系数与冲刷时间回归参数

4 结论

（1）采用径流含沙量和抗冲系数对矿区次生裸坡土壤的抗冲性进行了分析。结果表明，不同样地、不同坡向、不同坡位的径流含沙量和抗冲系数存在较大差异，但其动态变化规律存在相似趋势，其中径流含沙量的总体表现为初始含沙量均较大，之后骤减，到一定时刻后逐渐趋于稳定，矸石山样地的径流含沙量是到第2min后基本趋于稳定，而自然对照则是到第4min后才趋于稳定。不同样地的径流含沙量y与时间t之间显著服从于幂函数关系；抗冲系数总体变化是随着冲刷时间的增长，抗冲系数呈现出先缓慢后快速增大趋势，前10min矸石山的抗冲系数大于自然对照。不同样地的土壤抗冲系数y与时间t之间显著服从于指数函数关系，该公式结合径流含沙量指标，可直观地用来判断各样地土壤抗冲能力的大小，并用来判断引起滑坡和石流灾害的可能性。

（2）由于自然降雨的作用，导致矸石山上坡位的细小颗粒被冲到中下坡位，使剩余的矸石粒径较大，土层较薄，不利于植被的直接恢复，且遇暴雨容易形成土石流而对中下坡位造成危害。因此矸石山阳坡的中、上坡位和阴坡的上坡位，是水土流失的多发地和重灾区，是工程措施治理的重点；矸石山阴坡的中、下坡位虽然风化土层相对较好，但仍面临严重的水土流失，是实施工程措施与植被措施的重点。

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