海州露天煤矿排土场植被恢复的土壤水文效应评价

吕刚，刘雅卓，李叶鑫，傅昕阳，宋子岭

1. 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866；3. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000

海州露天煤矿排土场植被恢复的土壤水文效应评价

吕刚1,2，刘雅卓1，李叶鑫1,3，傅昕阳1，宋子岭1

1. 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866；3. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000

为揭示排土场复垦区植被恢复的土壤水文效应，选取12个环境因子作为排土场植被恢复过程中土壤水文效应评价指标，采用层次分析法确定各评价指标权重，建立排土场土壤水文效应评价指标体系和评价模型，并对6种复垦植被类型下（刺槐Robinia pseudoacacia林地、榆树林地、混交林地、灌木林地、农地和荒草地）土壤水文效应进行评价。结果表明：（1）土壤因子、水分因子和植被因子的权重值分别为0.513 8、0.193 0和0.293 2，各个评价指标的综合权重在0.031 8～0.146 2之间；（2）排土场不同植被恢复模式的土壤水文效应综合指数大小顺序为刺槐林地（0.553 85）＞混交林地（0.534 9）＞榆树林地（0.521 3）＞灌木林地（0.429 2）＞荒草地（0.375 3），较农地（0.361）分别提高53.41%、48.17%、44.4%、18.89%和3.96%；（3）植被恢复可以有效地改善排土场的土壤水文效应，且以乔木林恢复效果更佳。该研究可为排土场不同植被恢复过程中土壤水文效应的评价提供较为科学的评价指标体系，同时为排土场土地复垦和生态恢复与重建提供理论依据和新的分析角度。关键词：土壤水文；排土场；复垦植被；层次分析法；露天煤矿；评价

排土场是露天开采过程中形成的平台-边坡相间的阶梯宝塔状巨型人工松散堆积体，具有坡面较陡、结构松散、土壤贫瘠、植被覆盖度低、生态修复难度大等特性（魏忠义等，2003），是一种典型的重构土体，其水土流失程度和强度更为剧烈。因此，如何快速恢复植被是排土场复垦所要面临的首要问题。人工植被构建是生态恢复的主要措施，也是最有效的恢复方法之一，它可通过整治改造使丧失的生产能力重新得到利用，有效地恢复受损的生态系统，提高植物多样性和植被覆盖度，从而提高生态系统的稳定性、防治水土流失、增强土壤水源涵养功能，被广泛应用于矿区、荒漠区、湿地等地区的生态恢复（Henry et al.，2000）。

目前，关于排土场复垦土壤的研究已成为热点。从土壤侵蚀和土壤理化性质角度，白中科等（1997）研究了安太堡露天煤矿不同区域的水土流失特征及其危害，并提出矿区水土流失治理重点和水土保持措施。史倩华等（2016）以内蒙古永利煤矿不同排土年限和植被措施的排土场为研究对象，分析其边坡细沟侵蚀特征。郭建英等（2015）以不同治理措施的排土场为研究对象，研究植被生长-枯萎对边坡产流、产沙的影响，认为降雨强度和降雨量是边坡产流、产沙的主控因子，并提出合理的生物-工程措施是控制矿区排土场边坡土壤侵蚀的最有效途径之一。赵洋等（2015）研究了黑岱沟露天煤矿北排土场5种不同人工植被配置条件下草本植物的种类和数量，认为豆科植物可以促进排土场草本植物多样性恢复和改善土壤质量。方瑛等（2016）以黑岱沟露天煤矿排土场不同植被恢复方式下复垦土壤为研究对象，研究了不同植被恢复方式下土壤理化性质的差异。

从排土场生态重建与恢复角度，孙泰森等（2001）以平朔安太堡露天煤矿为例，论述了大型露天煤矿废弃地生态重建的理论与方法。白中科等（1998）研究了平朔安太堡露天煤矿土地扰动特征和生态重建适用技术，提出了5项工程复垦技术和3项生物复垦技术。台培东等（2002）研究认为沙棘是草原露天矿排土场理想的复垦植物，可以有效地防治水土流失、提高土壤肥力、减缓草场盐渍化。从排土场植被适宜性角度，李志强等（2007）采用极限条件法对待复垦土地对农林牧业的适宜性进行了评价，并对排土场复垦土地利用的效益进行了分析。樊文华等（2011）从重金属污染角度分析了复垦土壤中Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和As的污染程度及潜在的生态危害性。张紫昭等（2015）以新疆15个煤矿为研究背景，选取7个评价因子建立新疆煤矿土地复垦为草地的适宜性评价指标体系，其评价结果符合规范分类结果范围且更加精确和符合实际，为新疆煤矿土地复垦工作提供了参考。

目前，关于排土场复垦土壤水文效应的研究较少。杨国敏等（2015）以黑岱沟矿区排土场为研究对象，利用稳定性同位素示踪技术分析了排土场土壤水分的稳定性同位素特征，揭示了不同植被类型土壤水的入渗规律。杨政等（2015）以排土场不同人工草地为研究对象，分析不同草地地上生物量、土壤水分及土壤入渗性能特征。饶良懿等（2005）对重庆四面山林地枯落物及土壤的水文效应进行了研究。赵建生等（2013）从森林土壤的容重、孔隙度、持水能力和入渗能力等方面，研究了冀北山地6种典型森林的土壤水文效应。

本文以海州露天煤矿排土场6种复垦植被为研究对象，选取12个环境因子作为植被恢复的土壤水文效应评价指标，运用层次分析法建立排土场植被恢复土壤水文效应评价指标体系和评价模型并对其进行评价，确定排土场最优植被恢复模式，为排土场土地复垦和生态恢复与重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽宁省阜新市海州露天煤矿排土场位于露天矿坑西南部（E121°40′12″，N41°57′36″），总面积约为13 km²，属北温带大陆性半干旱季风气候，年蒸发量1790 mm，年均气温7.3 ℃，≥10 ℃年积温3476 ℃，无霜期154 d，年均日照时数2865.5 h，年均风速3 m·s-1，年均降水量511.4 mm，且多集中于7、8月份。排土场区呈阶梯状，分为十多个大盘面，每个盘面矸石林立、沟壑纵横，陡坎坡平均坡度45o，盘面海拔平均高度为270 m，相对高差为3～60 m。2004年由国土资源部投资对该排土场开展了土地复垦工作。在复垦前期，利用大型采矿复垦机械进行搬运、平整、压实工作，使“人造场地”恢复成较合理的地形地貌；之后再进行客土回填工程，覆土厚度为30 cm（如今覆土层厚度经不均匀沉降发生了不同程度的压缩），以此建立有利于植物生长的表层和生根层，为后期生物复垦奠定基础。

综合考虑植被类型、地形状况、岩土排弃等因素，在保证立地条件基本一致的前提下，本研究于2012年4月根据人工植被恢复现状在排土场同一区域（复垦年限为8年）内选取相邻但相互之间无影响的6种复垦植被下的土壤作为研究对象，分别为刺槐林地（Robinia pseudoacacia）、榆树林地（Elm）、混交林地（mixed forests，Robinia pseudoacacia和Elm）、灌木林地（Shrub）、农地（Farmland）和荒草地（weeds）。采用设置标准地的方法研究各个样地的植被恢复特征。在刺槐林地、榆树林地、混交林地内各设置1个20 m×20 m的标准地，在灌木林地设置1个10 m×10 m的标准地，在荒草地设置1个5 m×5 m的标准地，各样地基本情况见表1。

1.2 研究方法

选取土壤因子、水分因子、植物因子作为评价排土场植被恢复过程中土壤水文效应的环境因子。其中，土壤因子包括土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤大孔隙平均半径、砾石含量、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饱和导水率，植物因子包括根重密度、＜1 mm根长密度、1～2 mm根长密度和2～5 mm根长密度。在每一个试验样地内各自选取1个具有代表性的地段，取1个面积为65 cm×65 cm的地块进行野外染色示踪试验，24 h后开挖土壤剖面，用1200万像素的数码相机采集垂直染色剖面图像以分析土壤优先流分布特征并计算土壤优先流染色面积比；用环刀（高为5 cm、体积为200 cm3的钢环刀）分别采集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50和50～60 cm土层的土壤样品，并在每个土层采集1 kg混合散样以测定土壤自然含水率和土壤颗粒组成。各试验指标设置3个重复。

表1 排土场各个样地基本性质Table 1 The basic profiles in all plots

1.2.1 土壤因子测定方法

土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用环刀法测定；砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量采用MS 2000型激光粒度分析仪测定，并按照国际制进行划分和计算。

砾石（质量）含量采用水洗法测定：将环刀内土壤置于2 mm土壤筛上用自来水进行冲洗，在冲洗过程中左右转动筛子，将冲洗后留在筛子上的砾石自然风干后称重以计算＞2 mm砾石含量。

土壤大孔隙平均半径采用水分穿透曲线和Poesiulle方程测定并计算：将野外采集的土壤环刀样品带回实验室，使其达到田间持水量，利用马氏瓶测定土壤水分穿透曲线，其水头高始终保持1 cm。当第一滴水滴流出时开始计时，每5 秒记录1次出水量，直到流速达到稳定。根据土壤水分穿透曲线和Poesiulle方程计算从开始排水到饱和稳定流阶段大孔隙的大小分布，从而计算土壤大孔隙平均半径。

1.2.2 水分因子测定方法

土壤自然含水率采用烘干法测定；土壤饱和导水率采用环刀法测定：利用土壤水分穿透曲线稳定后的流量计算土壤饱和导水率，为了消除温度对水黏滞系数的影响，统一换算为10 ℃的饱和导水率。

1.2.3 植物因子测定方法

利用内径为10 cm、长为10 cm的根钻采集土壤剖面内的植物根系，每隔10 cm为1个土层，将其放入布袋内带回实验室，用清水将根系洗净，按照＜1 mm、1～2 mm和2～5 mm的划分方法对植物根系进行分级，采用WinRHIZO根系分析系统对各个径级根系长度进行分析，并测定根系生物量（恒温75 ℃条件下烘干至恒重）。

将上述试验数据结果与土壤优先流染色面积比进行Spearman相关性，以此筛选排土场复垦区土壤水文效应评价指标。具体结果见表2。

2 评价模型的建立

采用多指标综合评价法对排土场植被恢复土壤水文效应进行评价，基本步骤为：（1）将选取的相关指标进行分类，如土壤因子、水分因子和植物因子；（2）确定所选的评价指标的范围，即评价指标的最大值和最小值；（3）对选取的评价指标进行无量纲化和合成公式；（4）确定每个指标在评价指标体系中的权重；（5）对各个指标进行加权计算，得到土壤水文效应综合指数。

2.1 评价因子的选取

为评价植被恢复对排土场土壤水文效应的影响，选择与土壤水文效应关系密切的环境因子进行分析，以环境因子与染色面积比相关分析相关系数大于0.1（显著性系数小于0.4）为标准（王伟，2011），确定排土场植被恢复的土壤水文效应评价指标。选取土壤因子、水分因子和植物因子三大类环境因子构建排土场植被恢复的土壤水文效应评价指标体系。其中，土壤因子（B1）包括土壤总孔隙度C1、土壤毛管孔隙度C2、土壤大孔隙半径C3、砾石含量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、土壤饱和导水率C8；植物因子（B3）包括根重密度C9、＜1 mm根长密度C10、1～2 mm根长密度C11、2～5 mm根长密度C12（表3）。

表2 环境因子与土壤优先流染色面积比的Spearman相关性Table 2 The spearman correlation between the environmental factors and staining area ratio

表3 评价指标体系Table 3 Evalation index system

2.2 评价指标无量纲化

由于评价体系中各个指标的经济意义和度量单位不同，需要对数据指标进行无量纲化以消除量纲的影响。结合前文分析和排土场各评价指标变化范围，采用下列标准化方法对排土场植被恢复的土壤水文效应评价指标进行无量纲化，正指标和负指标分别采用公式（1）和（2）计算，式中各指标含义见前文研究方法：

2.3 评价指标权重确定

层次分析法是一种将定性与定量相结合的决策分析方法，是一种决策分析者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程，是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在因素之间进行简单的比较和计算，从而得到不同方案的权重，为最佳方案的选择提供依据（梁嘉骅等，1992；韩武波等，2004）。对同一层的各元素关于上一层某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验。判断矩阵以1～9级建立判断尺度（表4）。

表4 判断矩阵标度定义Table 4 Definition of the scale of the judgment matrix

在计算指标体系的综合权重时，首先要确定准则层B的权重因子，准则层B包括土壤因子（B1）、水分因子（B2）和植被因子（B3）3项指标，然后再确定准则层C中各评价指标的权重，从而确定综合权重。一致性检验的步骤如下：

（1）计算一致性指标C.I.：

式中，n为判断矩阵阶数。

超深矿井提升机卷筒是提升系统的关键部件，它承受着提升过程中全部有效载荷。仅对卷筒结构进行静强度分析，通过分析几种典型计算工况得出卷筒最大应力值，无法准确得到提升系统在上提、下放全过程中卷筒结构的应力动态变化情况。因此针对目前我国正在创新设计的1 500 m超深矿井多层缠绕式提升机卷筒的设计需要，有必要对作业过程中卷筒结构进行强度分析，得到卷筒作业过程中关键部位的动态载荷与应力分布，从而对卷筒结构的疲劳寿命作出较准确的预测。

（2）计算平均随机一致性指标R.I.。

（3）计算一致性比例C.R.：

（4）计算各层要素对系统总目标的总权重，其计算结果见表5。

2.4 评价模型

为了综合评价排土场复垦区植被恢复过程中土壤水文效应，引入土壤水文效应综合指数SHEI，SHEI越大，排土场土壤水文效应越好。土壤水文效应综合指数SHEI的计算模型如下所示：

式中，SHEI（Soil hydrological effect index）为土壤水文效应综合指数；Wi为第i项指标权重；Ri为各个样地第i项指标的无量纲化数据矩阵；m为评价指标个数，m=12。

3 评价结果与分析

3.1 评价指标标准化结果

由表6可知，各指标系数在0～1之间，各个样地最大系数所对应的指标有所不同。刺槐林地最大系数出现在1～2 mm根长密度，为0.876；灌木林地最大系数出现在砾石含量，为0.6091；荒草地最大系数出现在＜1 mm根长密度，为0.7376。

3.2 评价结果

结合表5和表6，计算得到排土场复垦区不同植被恢复模式的土壤水文效应综合指数和综合排序（表7）。由表7可知，各个样地评价系数分别在0.0159～0.0821、0.0119～0.1172、0.0159～0.0915、0.0074～0.076、0.0078～0.0749、0.0104～0.0838之间，其最大系数所在指标各有不同，主要集中在砾石含量、根重密度、土壤大孔隙、土壤饱和导水率，说明土壤砾石对土壤结构、植物根系对土壤水文效应有着重要的影响。

表5 排土场植被恢复的土壤水文效应评价指标体系Table 5 Index system of Soil Hydrological Effect of vegetation restoration of dump

表6 指标标准化矩阵Table 6 The matrix of index standardization

表7 排土场不同植被恢复的土壤水文效应综合评价Table 7 Comprehensive evaluation of soil hydrological effects of different vegetation restoration of dump

由表7可知，排土场不同植被恢复的土壤水文效应评价排序结果为刺槐林地＞混交林地＞榆树林地＞灌木林地＞荒草地＞玉米地，刺槐林地、混交林地、榆树林地、灌木林地和荒草地的综合指数分别为0.5538、0.5349、0.5213、0.4292和0.3753，较农地分别提高了53.41%、48.17%、44.4%、18.89和3.96%，说明植被恢复可以有效地改善排土场土壤水文效应，且以乔木林恢复效果最为突出，而乔木林又以刺槐林效果最佳。因此，在今后的排土场植被恢复重可优先选用刺槐作为先锋树种。

4 结论

（1）选取与影响土壤优先流分布特征关系密切的12个环境因子作为排土场植被恢复的土壤水文效应评价指标，采用AHP从土壤、水分和植被3个角度建立较为合理的评价指标体系。

（2）土壤因子、水分因子和植被因子的权重值分别为0.5138、0.1930和0.2932，各个评价指标的综合权重在0.0318～0.1462之间；排土场不同植被恢复模式的土壤水文效应综合指数大小顺序为刺槐林地（0.55385）＞混交林地（0.5349）＞榆树林地（0.5213）＞灌木林地（0.4292）＞荒草地（0.3753），较农地（0.361）分别提高了53.41%、48.17%、44.4%、18.89和3.96%。

（3）植被恢复可以有效地改善排土场的土壤水文效应，且以乔木林恢复效果最为突出，而乔木林又以刺槐林效果最佳。因此，在今后排土场土地复垦和植被恢复中可优先选用刺槐作为先锋树种。

5 讨论

我国露天煤矿多位于干旱半干旱区，生态环境极其脆弱，年降雨量在300～500 mm之间，而年蒸发量又较大，同时排土场结构松散、透水性强，水分入渗表层土壤后快速向下运动，通过植物根系吸水层而直接汇入地下水，严重影响植物正常生长。因此，植物根系无法较好地利用水分，致使大量复垦植物因缺水而死亡，这是排土场复垦失败的主要原因。相关研究表明（王改玲等，2002），安太堡露天煤矿排土场1～3年生刺槐春季地上部分因脱水而抽梢严重，甚至死亡；7～8年后，在密度较大的种植区，40 cm以下土壤出现明显干层，也会使刺槐死亡。杨国敏等（2015）也认为矿区土壤中活塞流和优先流并存于降水入渗过程中，加快了深层土壤水分或地下水的补给，进而改变整个水文过程。因此，为提高排土场复垦植物成活率，首先要解决排土场水分快速流失这一问题，提高植物对水分的利用效率。

本文从土壤水文效应角度系统地分析排土场复垦区植被恢复效果及其对排土场土壤物理性质的影响，采用层次分析法建立排土场植被恢复条件下土壤水文效应评价指标体系，引入土壤水文效应综合指数评价土壤水文效应对排土场不同恢复模式的响应，以期为排土场不同植被恢复过程中土壤水文效应的评价提供较为科学的评价体系，同时为排土场土地复垦和生态恢复与重建提供理论依据和新的分析角度。但是，本文只是初步探讨不同植被恢复模式对土壤水文效应的影响，除本文所涉及的评价指标外，土壤水文过程还受到林分结构特征、林下枯落物层持水特性、地表径流、土壤水分蒸发等多方面因素共同影响，影响过程复杂，今后应加强该方面及排土场土壤水文过程的研究，进一步完善评价指标体系。

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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

吕刚, 刘雅卓, 李叶鑫, 傅昕阳, 宋子岭. 2017. 海州露天煤矿排土场植被恢复的土壤水文效应评价[J]. 生态环境学报, 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.

国家自然科学基金项目（51474119）

吕刚（1979年生），男，副教授，博士，主要从事土壤侵蚀与土壤水文学的教学和科研工作。E-mail: lvgang2637@126.com

2016-12-20