露天煤矿排土场植被恢复的土壤水文效应研究

发布时间：2020-08-16 19:26

【摘要】：煤矿开采破坏土地资源,露天开采尤为严重,排土场是在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,其存在使得地表植被全部丧失,破坏了自然状态下的水文、地质、地貌条件,其土体结构性差或无结构,内部存在较大的孔隙,易发生优先流形式的降水入渗,进而影响植被对于土壤水分的利用,其形成的快速水分运移通道可能在一定程度上诱发崩塌、滑坡等水土流失灾害,是工矿建设区水土流失最为严重的区域。如何快速恢复植被是排土场复垦所要面临的首要问题。以往关于排土场植被恢复的研究主要集中在植物物种的选择及其适应性以及生态重建与恢复等方面,而从土壤水文效应的角度去分析排土场植被恢复程度也仅限于土壤性质指标的一般性比较,尚未建立土壤水文效应评价指标体系,缺乏系统性研究。因此,开展排土场植被恢复土壤水文效应评价的定量化研究对于矿区水文过程调控、生态环境改善等方面具有重要的理论价值和社会实践意义。本文以位于辽宁省阜新市海州露天煤矿排土场复垦区的刺槐林地、榆树林地、混交林地、灌木林地、耕地和荒草地为研究对象,通过野外调查、现场试验和室内分析相结合的方法,获取了不同植被恢复模式下的枯落物层水文特征、根系分布特征、土壤水分物理性质特征、入渗特征及影响因素;结合水分穿透曲线获取了土壤大孔隙的范围和密度,确定了土壤大孔隙分布的主要影响因素;基于亮蓝染色示踪法研究了不同植被恢复模式下土壤优先流的形态特征与变化规律,揭示了土壤优先流的形成机理及影响因素;首次从土壤优先流的角度出发,选取土壤因子(总孔隙度、毛管孔隙度、大孔隙半径、砾石含量、黏粒含量、砂砾:粉粒)、水分因子(土壤含水率、饱和导水率)和植物因子(根重密度、1mm、1~2 mm、2~5 mm根长密度)等12个与优先流染色面积最为相关的环境因子作为排土场植被恢复的土壤水文效应评价指标,基于AHP法建立了合理的土壤水文效应评价指标体系并进行了定量评价,筛选出了排土场植被恢复的最佳模式。研究主要结论如下:(1)刺槐林地、榆树林地和混交林地胸径、树高、冠幅的变化范围为4.03~6.53 cm、4.62~6.14 m、1.95~3.92 m,各个样地存在2~6种草本植物。不同植被恢复模式植物根系集中分布在0~40 cm,刺槐林地、榆树林地、灌木林地和荒草地根长密度占整个剖面的76.5%、93.55%、92.21%和95.1%。(2)林地枯落物厚度及其总蓄积量大于草地,不同植被恢复模式均以未分解层为主,其储量是分解层的1.68~2.08倍。未分解层和分解层枯落物的自然含水率、最大持水率和最大持水量差异显著。枯落物最大持水率在155.58%~206.58%之间。枯落物有效拦蓄率在119.74%~166.05%之间,有效拦蓄量在10.84~98.76 t·hm~(-2)之间,均表现为刺槐林地拦蓄能力最强。不同植被恢复模式枯落物的持水量随时间的延长而增加,其变化范围为1414.85~2247.41 g·kg~(-1)。不同植被恢复模式分解层的持水量和吸水速率均大于未分解层,表现为林地大于草地;各个样地吸水速率与时间具有较好的幂函数(V=at~(-b))关系,其决定系数R~2在0.99以上。(3)不同植被恢复模式表层的土壤容重表现为耕地荒草地林地,土壤孔隙度以毛管孔隙度为主,其数值为24.41%~50.92%;不同土层土壤相对含水量均为难效水,土壤水分很难被植被吸收利用,各个样地0~60 cm土层均存在不同程度的水分亏缺;表层土壤饱和贮水量和最大吸持贮水量表现为林地大于草地,而最大滞留贮水量则为草地大于林地。排土场不同植被恢复模式下砾石总量随土层深度呈现增加的趋势,并且土体剖面砾石总量的平均值表现为耕地最小,不同粒径砾石相对含量平均值的大小顺序为(2~10 mm)(20 mm)(10~20 mm);土壤饱和贮水量与2 mm砾石含量之间存在显著对数相关关系(p0.05),与2~10 mm砾石含量之间存在极显著线性正相关关系(p0.01),与10~20 mm砾石含量之间存在显著抛物线相关关系(p0.05)。(4)不同植被恢复模式土壤稳定入渗率大小依次为刺槐林地榆树林地混交林地灌木林地耕地荒草地,其数值在0.2~5.1 mm·min~(-1)之间;土壤入渗回归模型的拟合优度为Horton模型Kastiakov模型G-P综合模型;非毛管孔隙度、砾石含量、根长密度、根表面密度与土壤入渗性能之间关系密切;土壤入渗能力排序为刺槐林地榆树林地混交林地灌木林地耕地荒草地。(5)不同植被恢复模式土壤水分穿透曲线存在差异,其中表层土壤稳定出流速率在0.0193~0.0315 mm·s~(-1)之间,为50~60 cm的6.35~10.22倍,表现为乔木大于灌木大于草本。土壤水分穿透曲线呈现先快速增大后稳定的趋势,不同时期(活跃期、波动期、稳定期)具有不同的变化特征,砾石和植被根系是造成土壤穿透曲线波动的主要原因;不同植被恢复模式下土壤大孔隙半径介于0.03~4.71 mm之间,主要集中在0.11~2.36 mm之间;土壤大孔隙平均半径与稳定出流速率和饱和导水率之间存在极显著线性相关关系,土壤大孔隙率为0.03%~16.58%,决定稳定出流速率65%的变异和饱和导水率42%的变异。(6)不同植被恢复模式土壤优先流多发生在0~40 cm土层,占整个0~60 cm土壤层的93%以上;其中0~5 cm土层染色面积比依次为榆树林地刺槐林地混交林地耕地灌木林地荒草地,均表现为乔木林地大于灌木林地和草地;整个剖面0~60 cm土层染色面积比大小依次为刺槐林地(26.48%)榆树林地(20.12%)混交林地(17.32%)耕地(15.06%)灌木林地(13.97%)荒草地(10.07%),染色面积比与土层深度之间具有较好的线性关系(y=ax+b)。染色面积比与砾石含量、大孔隙平均半径、饱和导水率、根重密度和1 mm根长密度呈极显著正相关(P0.01),与容重和含水率呈极显著负相关(P0.01),与1~2 mm根长密度和2~5 mm根长密度呈显著性正相关(P0.05)。(7)选取土壤因子(总孔隙度、毛管孔隙度、大孔隙半径、砾石含量、黏粒含量、砂砾:粉粒)、水分因子(土壤含水率、饱和导入水率)和植物因子(根重密度、1mm、1~2 mm、2~5 mm)等12个与优先流染色面积最为相关的环境因子,采用AHP法建立排土场植被恢复土壤水文效应评价指标体系。各个评价指标的综合权重在0.032~0.146之间。刺槐林地、榆树林地、混交林地、灌木林地、耕地和荒草地土壤水文效应综合指数大小依次为刺槐林地混交林地榆树林地灌木林地荒草地耕地,较耕地(0.361)分别提高53.41%、48.17%、44.4%、18.89%和3.96%。因此,从土壤水文效应的角度出发优化的海州露天煤矿排土场植被恢复的最佳模式为刺槐林。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S714
【图文】：

示意图,地理位置,示意图,榆树林

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、混交林地内打一个 20 m×20 m 的标准地，在灌木林地打一个 10 m×10 m 的标准地，在荒草地打一个 5 m×5 m 的标准地，各样地基本特征见表 2-1。本研究野外试验点如图 2-1 所示。表 2-1 排土场各样地的基本概况Tab. 2-1 Basic profiles of all sorts of places in the dump刺槐林地Robinia pseudoacacia land榆树林地Ulmus pumila land混交林地mixed forests land灌木林地shrub land耕地farmland荒草weeds理置N 41°57′22.39″ 41°57′27.42″ 41°57′36.62″ 41°57′11.75″ 41°57′43.34″ 41°57′E 121°39′40.09″ 121°40′08.64″ 121°40′06.76″ 121°39′26.62″ 121°40′06.37″ 121°39海拔/m 263.30 268.50 234.7 262.0 262.5 258枯落物厚度/cm 1-2 2-3 1-2 0.5-1 0 0.5落物覆盖度/% 98 99 60 60 0 9木层郁闭度/% 65 65 70 65 0 0植物总盖度/% 99 96 99 98 5 9

排土场,恢复模式,砾石含量,土层

图 5-10 排土场不同植被恢复模式下不同土层间砾石含量ontents in different soil layers in dump under different vegetation re，从排土场土体砾石总量的剖面平均值（即以 0~5、5~10~60 cm 这 7 个土层砾石总量的算术平均值）来看，其次为荒草地，平均值为 37.67%，而榆树林地和灌木表现为林地>荒草地>耕地。从差异分析结果来看，榆.05）；灌木林地、耕地和荒草地之间均有显著差异（p<恢复区砾石总量以表层 0~20 cm 深度内的砾石总量相对总量最低，为 28.97%，以 20~60 cm 深度内的砾石总量总量最高，达到了 55.48%，方差分析表明，不同土层5），变异系数均在 0.1~1 之间，属于中等变异，说明排间分布较为均一。剖面相对砾石含量分布特征来源于附近的同一荒草地地块，土壤机械组成基本一

土壤贮水,砾石

砾石对土壤贮水能力的影响

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