采石场松散体坡面两种治理措施的水土保持效益

冯明明，杨建英，史常青，张 华，康 勇，周千里

（1.北京林业大学 水土保持学院，北京100083；2.水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083；3.云南省交通规划设计研究院，云南 昆明650011；4.北京市工程咨询公司，北京100031）

为了满足建设工程对石材的需求，全国各地兴建了大量采石场。但在我国采石场数量多、规模小、分布零散布局不合理［1］。其中，中小型采石场绝大部分为山坡型采石场，年生产规模小，仅为3.00×104～5.00×104t，开采范围一般不足0.01km2，采石场最大采高一般为20～50m［2］。由于开采技术落后以及后期不及时的治理等原因造成了大规模的水土流失，自然景观破坏，生态环境恶化，生物多样性锐减等问题［2－5］。许多学者在采石场植被恢复重建以及水土流失的治理方面开展了很多相关研究。郑涛［6］、杨海军［7］等利用混合喷播技术、生态石笼护坡技术、边坡挂网技术、挡土墙措施稳定采石场边坡，避免滑坡、泥石流，采用植被措施和工程措施相结合的方式在采石场水土保持和植被恢复治理中取得了一定的成果。袁剑刚等［8］以采石场悬崖这种严重受损生态系统自然演替早期阶段的土壤和植被特征为研究对象，为采石场悬崖的生态恢复提供参考。结合工作实践，罗松、郑天媛［9］提出阶梯整形覆土绿化方法，为治理采石场遗留的石质开采面提供了新思路。此外，张艳等［10］研究了不同时间梯度的采石场植被多样性动态规律以及土壤分异特征，为矿山废弃地植被恢复和重建提供可借鉴的理论依据。本研究以北京市房山区周口店镇黄院采石场为试验区进行坡面径流量、径流泥沙含量的监测，对采石场区域的土壤、植被、降雨等方面进行观测与调查，对比分析不同坡度、不同治理措施、不同时间段、不同降雨强度下的水土流失情况。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验区位于北京市房山区周口店镇建设工程损毁林地植被修复试验示范区（115°25′—116°15′E，39°30′—39°55′N），南北跨纬度25′，东西经度相间50′［11］。该区域为典型的北方土石山区，属暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，秋季秋高气爽而短促。年平均气温10～12℃，多年平均降水量为655 mm左右［12］。试验区山高、坡陡，降水较集中，水土流失严重［13］。试验区主要组成树种有油松（Pinus tabuliformis）、侧 柏 〔Platycladus orientalis（L）Franco〕、辽 东 栎 （Quercus wutaishanica）、槲 栎（Quercus aliena）、蒙古栎（Quercus mongolica）、槲树（Quercus dentata）、栓皮栎（Quercus variabilis）、白桦 （Betula platyphylla）、山 杨 （Populus davidiana）、毛白杨（Populus tomentosa）、五角枫（Acer mone）、小叶白蜡（Fraxinus sogdiana）等。黄院采石场于20世纪40年代开始开采，开采面积约10km2，近10a来乱采现象日益严重，导致该区域地面支离破碎，地表植被遭到毁灭性破坏，表土剥离导致山体裸露，自然景观遭到了严重的破坏，废弃土石随处堆放，经雨水冲刷后，采石场多次发生滑坡、坍塌现象。2010年采用工程措施与植物措施相结合的方法开始对该区域进行绿化恢复，其中工程措施主要包括压实处理、挡墙措施、建立水平台、生态袋护坡措施、生态棒拦挡措施等；植被措施包括容器苗、成苗，播撒草籽；主要乔灌木包括油松、火炬树（Rhus typhina）、黄栌（Cotinus coggygria），主要草本植物为高羊茅（Festuca elata）、小冠花（Coronilla varia）、紫花苜蓿（Medicago sativa）等。

1.2 试验设计

标准径流小区规格为5m×20m（水平距），且顺坡向为长边；排水系统设置在径流小区上部和左右两侧，规格大小按20年一遇暴雨设计。每组小区之间隔板采用石材（厚3cm，高40cm），隔板上沿为一侧坡尖（向小区外呈60°倾斜，埋深20cm），小区顶部设截水沟，底部设集雨池，将径流泥沙导入集雨池。径流小区坡度设置选取20°，25°，30°，35°共4种坡度，坡向选取正西、东南、东北、正北4个坡向（表1）。

生态袋选用无纺布材料，具无毒、不降解、抗酸碱盐以及微生物侵蚀的的理化优点，透水不透土，且不妨碍袋中种子生长［14］，规格为80cm×40cm。袋中填充种子为小冠花、高羊茅、紫花苜蓿。平铺生态袋措施为沿坡面顺直整齐压实平铺，常规整地法指坡面压实、覆土、播撒草籽，其中覆土厚度为30cm，播撒主要草籽为高羊茅、小冠花、紫花苜蓿。

表1 径流小区设计标准

1.3 数据采集与分析

利用Vantage pro2型自动气象站进行降雨数据的采集。泥沙采样分两种情况进行记录：（1）无泥沙层，将桶中水样混匀取样，每个坡面至少取3个样本。（2）有泥沙层，测量径流桶中水层厚度及泥沙层厚度，至少在不同方位测量3次并取下层泥沙。泥沙样本均取200ml［15］。将样本称重、烘干（105 ℃）并计算径流小区的次降雨径流量以及水土流失量。计算公式为：

式中：H径流深——次降雨径流桶内水深；S底——径流桶的底面积。

式中：m干——泥沙取样烘干的干重；v样——取样体积；v总——径流桶内泥沙总体积。

2 结果与分析

2.1 植被调查结果分析

采用样方法调查径流小区内的植被覆盖度，在每个小区的上坡、中坡、下坡各设置1个1m×1m的小样方，主要调查样方内的植物种和植被覆盖度。由表2可以看出，松散体坡面治理当年地表扰动较大，植被覆盖度较低。随着时间的推移，径流小区内部的植被覆盖度逐渐增加，其中2011年7—9月的植被覆盖度增长速度最快，平均增长率为294.17%，主要植被为高羊茅、小冠花、紫花苜蓿等人工栽植植被；2012年6—10月植被覆盖的平均增长速度降低为11.78%，但是总覆盖度明显增大，小区内部逐渐出现圆叶牵牛、葎草、鬼针草等自然演替植被。

表2 2011－2012年各小区植被盖度

2.2 相同降雨条件下不同措施的水土保持效益

对相同降雨强度下不同治理措施的径流量以及水土流失量进行对比研究，降雨强度取当年降雨的中雨、大雨和暴雨。降雨强度根据2006年水文手册分类，对施工当年和施工翌年的径流小区内径流量和土壤流失量分别进行论述，分别对中雨、大雨、暴雨下不同年份的径流量和土壤流失量进行分析。由表3—4可以看出，施工当年，地表扰动幅度较大，坡面土壤较松散，植被覆盖度为15%左右，不同措施、不同坡度的坡面径流量与土壤流失量均较大，经过几次降雨之后，表层的土壤越来越少，坡面土壤的孔隙度增大，在发生较大降雨强度时地表径流和径流泥沙含量反而减少，其主要原因是坡面径流随着土壤空隙下渗形成壤中流。随着时间的推移，不同措施小区内部的植被覆盖度出现了一定的差异，在相同降雨条件下，水土流失状况产生明显的差异。当植被覆盖度达到80%左右，坡面植被拦蓄径流能力和保土能力增强，在降雨强度较小的情况下，相同降雨条件产生的降雨径流量和水土流失量明显的减少，各小区之间的差异性也逐渐缩小；在较大降雨条件下，尽管径流量较大，但是只能产生少量的土壤流失量。尤其是在2012年7月21日，试验区降雨量达到103mm，集水池均发生漫溢现象，但是集水池内水质较清澈，仅含有少量泥沙，其主要原因是坡面植被根系保土效果较好，坡面表层土壤不易被冲刷。

表3 施工当年（2011年）相同降雨条件下径流量和土壤流失量调查结果

表4 施工翌年（2012年）相同降雨条件下径流量和土壤流失量调查结果

2.3 不同年份径流小区土壤流失量对比分析

对2011和2012年不同径流小区的土壤流失量进行对比分析。图1显示，2011年的土壤流失量较大，常规整地自然恢复坡面土壤流失量最高达到686.83kg，平铺生态袋的小区护坡措施出现不同程度的土壤流失，坡面土壤流失量最高达到494.73kg，坡度为25°时，平铺生态袋坡面产生的土壤流失量最小，与常规整理自然恢复坡面相比减少了58.8%的土壤流失量；坡度为30°坡，平铺生态袋坡面产生的土壤流失量较大，与常规整地自然恢复坡面相比仅减少了14.2%。与2011年相比较，2012年的土壤流失量明显减少，松散体坡面坡度选取25°时治理效果最明显，土壤流失量分别减少了97.0%和95.8%。整体减少了95%。施工当年与施工翌年径流小区内产生的土壤流失量有较大差异的主要原因为：施工当年对松散体坡面扰动面积较大，土壤较松散，表层土壤容易随着地表径流移动产生水土流失。在施工当年经历雨季之后，径流小区内植被长势良好，项目区域的植被覆盖度逐步增长。随着植被覆盖度的增加，径流小区内的土壤流失量明显减少。

图1 各径流小区不同年度土壤流失量对比

2.4 不同时间段的土壤流失量动态分析

2.4.1 施工当年不同径流小区水土流失动态分析

由图2可以看出，在矿山植被恢复初期，降雨量较小，但是土壤流失量很大，其主要原因是，土壤较松散，植被覆盖度极低，一旦出现降雨，坡面容易产生较大的地表径流，表层松散体土壤将随着雨水向坡下移动，产生较大水土流失量。

在7月上旬到中旬，产生的水土流失量较少，主要原因可能是由于此阶段的降雨较少，次降雨量多在10mm左右，产生的地表径流较小；此外，松散体土壤的孔隙度较大，大部分降雨产生入渗形成壤中流，减少了地表径流。7月下旬至8月中旬，降雨的频率与降雨量明显增加，相对应的土壤流失量也明显增加并呈正相关关系。

2.4.2 施工翌年不同径流小区水土流失动态分析观测数据表明，2011与2012年的土壤流失量规律存在较大差别，主要表现为2012年的植被覆盖度均超过80%，植被土壤流失量明显减少。

由图3可以看出，当植被的覆盖度达到80%以上，总的土壤流失量较小，次降雨的土壤流失量基本在0.05kg／m2以下，不同坡度对水土流失的影响无明显差异，降雨强度对土壤流失的影响也无明显区别。

2012年7月21日研究区突降强降雨，35°-W-2坡度与30°-EN-2坡度的土壤流失量明显增加，但是由于植被覆盖度较大，产生的土壤流失量与2011年7月份相比仍有明显的减少。

图2 不同径流小区2011年土壤流失动态

图3 2012年不同径流小区土壤流失动态

3 结论

（1）采石场恢复治理的当年，不同坡度采用常规整地自然恢复措施和平铺生态袋绿化措施，所减少的水土流失量有较大的差异性。其中，坡度为25°时铺设生态袋措施与自然恢复相比减少的水土流失量较多，减少了58.8%的土壤流失量；坡度为30°时铺设生态袋与自然恢复相比减少水土流失量较少，仅减少了14.2%的土壤流失量。因此，在采石场恢复治理中，尽量避免出现较大坡度，当坡度为25°时，建议采用铺设生态袋措施。

（2）采石场恢复治理不同年份的土壤流失量差异性明显。2012年径流小区的土壤流失总量与2011年相比，常规整地自然状态恢复条件下水土流失总量减少了90%左右；平铺生态袋绿化措施下，水土流失总量减少了97%左右。其主要影响因素是植被覆盖度，松散体土壤粒径组成，坡面土壤孔隙度。当覆盖度小于15%时，不同径流小区产生的水土流失量均较大且差异性小；当覆盖度在15%～50%之间，各小区的产生的水土流失量的差异性较大且随着植被覆盖度的增加而减少；当覆盖度大于50%时，各小区土壤流失量的差异性逐渐减小；植被覆盖度大于80%，土壤流失量与差异性均非常小。

（3）在相同的降雨情况下不同径流小区产生的径流量和土壤流失量有较大的差异。在植被恢复初期最为明显，主要原是土地平整过程中，不同坡面土壤的粒径组成、土壤的孔隙度差异性较大，大部分径流入渗形成壤中流。随着植被覆盖度的增加，相同坡度地表径流量和土壤流失量的差异性逐渐减小。当植被的的覆盖度大于50%以后，影响地表径流和土壤流失量的主要因素不再是土壤的粒径组成和夯实程度，植物根系固定土壤的效果成为主要影响因素，水土流失量与植被覆盖率、降雨量、降雨强度呈正相关关系。

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