采石場(chǎng)松散體坡面兩種治理措施的水土保持效益

馮明明，楊建英，史常青，張 華，康 勇，周千里

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083；2.水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明650011；4.北京市工程咨詢公司，北京100031）

為了滿足建設(shè)工程對(duì)石材的需求，全國各地興建了大量采石場(chǎng)。但在我國采石場(chǎng)數(shù)量多、規(guī)模小、分布零散布局不合理［1］。其中，中小型采石場(chǎng)絕大部分為山坡型采石場(chǎng)，年生產(chǎn)規(guī)模小，僅為3.00×104～5.00×104t，開采范圍一般不足0.01km2，采石場(chǎng)最大采高一般為20～50m［2］。由于開采技術(shù)落后以及后期不及時(shí)的治理等原因造成了大規(guī)模的水土流失，自然景觀破壞，生態(tài)環(huán)境惡化，生物多樣性銳減等問題［2－5］。許多學(xué)者在采石場(chǎng)植被恢復(fù)重建以及水土流失的治理方面開展了很多相關(guān)研究。鄭濤［6］、楊海軍［7］等利用混合噴播技術(shù)、生態(tài)石籠護(hù)坡技術(shù)、邊坡掛網(wǎng)技術(shù)、擋土墻措施穩(wěn)定采石場(chǎng)邊坡，避免滑坡、泥石流，采用植被措施和工程措施相結(jié)合的方式在采石場(chǎng)水土保持和植被恢復(fù)治理中取得了一定的成果。袁劍剛等［8］以采石場(chǎng)懸崖這種嚴(yán)重受損生態(tài)系統(tǒng)自然演替早期階段的土壤和植被特征為研究對(duì)象，為采石場(chǎng)懸崖的生態(tài)恢復(fù)提供參考。結(jié)合工作實(shí)踐，羅松、鄭天媛［9］提出階梯整形覆土綠化方法，為治理采石場(chǎng)遺留的石質(zhì)開采面提供了新思路。此外，張艷等［10］研究了不同時(shí)間梯度的采石場(chǎng)植被多樣性動(dòng)態(tài)規(guī)律以及土壤分異特征，為礦山廢棄地植被恢復(fù)和重建提供可借鑒的理論依據(jù)。本研究以北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)黃院采石場(chǎng)為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行坡面徑流量、徑流泥沙含量的監(jiān)測(cè)，對(duì)采石場(chǎng)區(qū)域的土壤、植被、降雨等方面進(jìn)行觀測(cè)與調(diào)查，對(duì)比分析不同坡度、不同治理措施、不同時(shí)間段、不同降雨強(qiáng)度下的水土流失情況。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)建設(shè)工程損毀林地植被修復(fù)試驗(yàn)示范區(qū)（115°25′—116°15′E，39°30′—39°55′N），南北跨緯度25′，東西經(jīng)度相間50′［11］。該區(qū)域?yàn)榈湫偷谋狈酵潦絽^(qū)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多風(fēng)，秋季秋高氣爽而短促。年平均氣溫10～12℃，多年平均降水量為655 mm左右［12］。試驗(yàn)區(qū)山高、坡陡，降水較集中，水土流失嚴(yán)重［13］。試驗(yàn)區(qū)主要組成樹種有油松（Pinus tabuliformis）、側(cè) 柏 〔Platycladus orientalis（L）Franco〕、遼 東 櫟 （Quercus wutaishanica）、槲 櫟（Quercus aliena）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、槲樹（Quercus dentata）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、白樺 （Betula platyphylla）、山 楊 （Populus davidiana）、毛白楊（Populus tomentosa）、五角楓（Acer mone）、小葉白蠟（Fraxinus sogdiana）等。黃院采石場(chǎng)于20世紀(jì)40年代開始開采，開采面積約10km2，近10a來亂采現(xiàn)象日益嚴(yán)重，導(dǎo)致該區(qū)域地面支離破碎，地表植被遭到毀滅性破壞，表土剝離導(dǎo)致山體裸露，自然景觀遭到了嚴(yán)重的破壞，廢棄土石隨處堆放，經(jīng)雨水沖刷后，采石場(chǎng)多次發(fā)生滑坡、坍塌現(xiàn)象。2010年采用工程措施與植物措施相結(jié)合的方法開始對(duì)該區(qū)域進(jìn)行綠化恢復(fù)，其中工程措施主要包括壓實(shí)處理、擋墻措施、建立水平臺(tái)、生態(tài)袋護(hù)坡措施、生態(tài)棒攔擋措施等；植被措施包括容器苗、成苗，播撒草籽；主要喬灌木包括油松、火炬樹（Rhus typhina）、黃櫨（Cotinus coggygria），主要草本植物為高羊茅（Festuca elata）、小冠花（Coronilla varia）、紫花苜蓿（Medicago sativa）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)規(guī)格為5m×20m（水平距），且順坡向?yàn)殚L(zhǎng)邊；排水系統(tǒng)設(shè)置在徑流小區(qū)上部和左右兩側(cè)，規(guī)格大小按20年一遇暴雨設(shè)計(jì)。每組小區(qū)之間隔板采用石材（厚3cm，高40cm），隔板上沿為一側(cè)坡尖（向小區(qū)外呈60°傾斜，埋深20cm），小區(qū)頂部設(shè)截水溝，底部設(shè)集雨池，將徑流泥沙導(dǎo)入集雨池。徑流小區(qū)坡度設(shè)置選取20°，25°，30°，35°共4種坡度，坡向選取正西、東南、東北、正北4個(gè)坡向（表1）。

生態(tài)袋選用無紡布材料，具無毒、不降解、抗酸堿鹽以及微生物侵蝕的的理化優(yōu)點(diǎn)，透水不透土，且不妨礙袋中種子生長(zhǎng)［14］，規(guī)格為80cm×40cm。袋中填充種子為小冠花、高羊茅、紫花苜蓿。平鋪生態(tài)袋措施為沿坡面順直整齊壓實(shí)平鋪，常規(guī)整地法指坡面壓實(shí)、覆土、播撒草籽，其中覆土厚度為30cm，播撒主要草籽為高羊茅、小冠花、紫花苜蓿。

表1 徑流小區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析

利用Vantage pro2型自動(dòng)氣象站進(jìn)行降雨數(shù)據(jù)的采集。泥沙采樣分兩種情況進(jìn)行記錄：（1）無泥沙層，將桶中水樣混勻取樣，每個(gè)坡面至少取3個(gè)樣本。（2）有泥沙層，測(cè)量徑流桶中水層厚度及泥沙層厚度，至少在不同方位測(cè)量3次并取下層泥沙。泥沙樣本均取200ml［15］。將樣本稱重、烘干（105 ℃）并計(jì)算徑流小區(qū)的次降雨徑流量以及水土流失量。計(jì)算公式為：

式中：H徑流深——次降雨徑流桶內(nèi)水深；S底——徑流桶的底面積。

式中：m干——泥沙取樣烘干的干重；v樣——取樣體積；v總——徑流桶內(nèi)泥沙總體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被調(diào)查結(jié)果分析

采用樣方法調(diào)查徑流小區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度，在每個(gè)小區(qū)的上坡、中坡、下坡各設(shè)置1個(gè)1m×1m的小樣方，主要調(diào)查樣方內(nèi)的植物種和植被覆蓋度。由表2可以看出，松散體坡面治理當(dāng)年地表擾動(dòng)較大，植被覆蓋度較低。隨著時(shí)間的推移，徑流小區(qū)內(nèi)部的植被覆蓋度逐漸增加，其中2011年7—9月的植被覆蓋度增長(zhǎng)速度最快，平均增長(zhǎng)率為294.17%，主要植被為高羊茅、小冠花、紫花苜蓿等人工栽植植被；2012年6—10月植被覆蓋的平均增長(zhǎng)速度降低為11.78%，但是總覆蓋度明顯增大，小區(qū)內(nèi)部逐漸出現(xiàn)圓葉牽牛、葎草、鬼針草等自然演替植被。

表2 2011－2012年各小區(qū)植被蓋度

2.2 相同降雨條件下不同措施的水土保持效益

對(duì)相同降雨強(qiáng)度下不同治理措施的徑流量以及水土流失量進(jìn)行對(duì)比研究，降雨強(qiáng)度取當(dāng)年降雨的中雨、大雨和暴雨。降雨強(qiáng)度根據(jù)2006年水文手冊(cè)分類，對(duì)施工當(dāng)年和施工翌年的徑流小區(qū)內(nèi)徑流量和土壤流失量分別進(jìn)行論述，分別對(duì)中雨、大雨、暴雨下不同年份的徑流量和土壤流失量進(jìn)行分析。由表3—4可以看出，施工當(dāng)年，地表擾動(dòng)幅度較大，坡面土壤較松散，植被覆蓋度為15%左右，不同措施、不同坡度的坡面徑流量與土壤流失量均較大，經(jīng)過幾次降雨之后，表層的土壤越來越少，坡面土壤的孔隙度增大，在發(fā)生較大降雨強(qiáng)度時(shí)地表徑流和徑流泥沙含量反而減少，其主要原因是坡面徑流隨著土壤空隙下滲形成壤中流。隨著時(shí)間的推移，不同措施小區(qū)內(nèi)部的植被覆蓋度出現(xiàn)了一定的差異，在相同降雨條件下，水土流失狀況產(chǎn)生明顯的差異。當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到80%左右，坡面植被攔蓄徑流能力和保土能力增強(qiáng)，在降雨強(qiáng)度較小的情況下，相同降雨條件產(chǎn)生的降雨徑流量和水土流失量明顯的減少，各小區(qū)之間的差異性也逐漸縮小；在較大降雨條件下，盡管徑流量較大，但是只能產(chǎn)生少量的土壤流失量。尤其是在2012年7月21日，試驗(yàn)區(qū)降雨量達(dá)到103mm，集水池均發(fā)生漫溢現(xiàn)象，但是集水池內(nèi)水質(zhì)較清澈，僅含有少量泥沙，其主要原因是坡面植被根系保土效果較好，坡面表層土壤不易被沖刷。

表3 施工當(dāng)年（2011年）相同降雨條件下徑流量和土壤流失量調(diào)查結(jié)果

表4 施工翌年（2012年）相同降雨條件下徑流量和土壤流失量調(diào)查結(jié)果

2.3 不同年份徑流小區(qū)土壤流失量對(duì)比分析

對(duì)2011和2012年不同徑流小區(qū)的土壤流失量進(jìn)行對(duì)比分析。圖1顯示，2011年的土壤流失量較大，常規(guī)整地自然恢復(fù)坡面土壤流失量最高達(dá)到686.83kg，平鋪生態(tài)袋的小區(qū)護(hù)坡措施出現(xiàn)不同程度的土壤流失，坡面土壤流失量最高達(dá)到494.73kg，坡度為25°時(shí)，平鋪生態(tài)袋坡面產(chǎn)生的土壤流失量最小，與常規(guī)整理自然恢復(fù)坡面相比減少了58.8%的土壤流失量；坡度為30°坡，平鋪生態(tài)袋坡面產(chǎn)生的土壤流失量較大，與常規(guī)整地自然恢復(fù)坡面相比僅減少了14.2%。與2011年相比較，2012年的土壤流失量明顯減少，松散體坡面坡度選取25°時(shí)治理效果最明顯，土壤流失量分別減少了97.0%和95.8%。整體減少了95%。施工當(dāng)年與施工翌年徑流小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的土壤流失量有較大差異的主要原因?yàn)椋菏┕ぎ?dāng)年對(duì)松散體坡面擾動(dòng)面積較大，土壤較松散，表層土壤容易隨著地表徑流移動(dòng)產(chǎn)生水土流失。在施工當(dāng)年經(jīng)歷雨季之后，徑流小區(qū)內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)良好，項(xiàng)目區(qū)域的植被覆蓋度逐步增長(zhǎng)。隨著植被覆蓋度的增加，徑流小區(qū)內(nèi)的土壤流失量明顯減少。

圖1 各徑流小區(qū)不同年度土壤流失量對(duì)比

2.4 不同時(shí)間段的土壤流失量動(dòng)態(tài)分析

2.4.1 施工當(dāng)年不同徑流小區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)分析

由圖2可以看出，在礦山植被恢復(fù)初期，降雨量較小，但是土壤流失量很大，其主要原因是，土壤較松散，植被覆蓋度極低，一旦出現(xiàn)降雨，坡面容易產(chǎn)生較大的地表徑流，表層松散體土壤將隨著雨水向坡下移動(dòng)，產(chǎn)生較大水土流失量。

在7月上旬到中旬，產(chǎn)生的水土流失量較少，主要原因可能是由于此階段的降雨較少，次降雨量多在10mm左右，產(chǎn)生的地表徑流較??；此外，松散體土壤的孔隙度較大，大部分降雨產(chǎn)生入滲形成壤中流，減少了地表徑流。7月下旬至8月中旬，降雨的頻率與降雨量明顯增加，相對(duì)應(yīng)的土壤流失量也明顯增加并呈正相關(guān)關(guān)系。

2.4.2 施工翌年不同徑流小區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)分析觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，2011與2012年的土壤流失量規(guī)律存在較大差別，主要表現(xiàn)為2012年的植被覆蓋度均超過80%，植被土壤流失量明顯減少。

由圖3可以看出，當(dāng)植被的覆蓋度達(dá)到80%以上，總的土壤流失量較小，次降雨的土壤流失量基本在0.05kg／m2以下，不同坡度對(duì)水土流失的影響無明顯差異，降雨強(qiáng)度對(duì)土壤流失的影響也無明顯區(qū)別。

2012年7月21日研究區(qū)突降強(qiáng)降雨，35°-W-2坡度與30°-EN-2坡度的土壤流失量明顯增加，但是由于植被覆蓋度較大，產(chǎn)生的土壤流失量與2011年7月份相比仍有明顯的減少。

圖2 不同徑流小區(qū)2011年土壤流失動(dòng)態(tài)

圖3 2012年不同徑流小區(qū)土壤流失動(dòng)態(tài)

3 結(jié)論

（1）采石場(chǎng)恢復(fù)治理的當(dāng)年，不同坡度采用常規(guī)整地自然恢復(fù)措施和平鋪生態(tài)袋綠化措施，所減少的水土流失量有較大的差異性。其中，坡度為25°時(shí)鋪設(shè)生態(tài)袋措施與自然恢復(fù)相比減少的水土流失量較多，減少了58.8%的土壤流失量；坡度為30°時(shí)鋪設(shè)生態(tài)袋與自然恢復(fù)相比減少水土流失量較少，僅減少了14.2%的土壤流失量。因此，在采石場(chǎng)恢復(fù)治理中，盡量避免出現(xiàn)較大坡度，當(dāng)坡度為25°時(shí)，建議采用鋪設(shè)生態(tài)袋措施。

（2）采石場(chǎng)恢復(fù)治理不同年份的土壤流失量差異性明顯。2012年徑流小區(qū)的土壤流失總量與2011年相比，常規(guī)整地自然狀態(tài)恢復(fù)條件下水土流失總量減少了90%左右；平鋪生態(tài)袋綠化措施下，水土流失總量減少了97%左右。其主要影響因素是植被覆蓋度，松散體土壤粒徑組成，坡面土壤孔隙度。當(dāng)覆蓋度小于15%時(shí)，不同徑流小區(qū)產(chǎn)生的水土流失量均較大且差異性?。划?dāng)覆蓋度在15%～50%之間，各小區(qū)的產(chǎn)生的水土流失量的差異性較大且隨著植被覆蓋度的增加而減少；當(dāng)覆蓋度大于50%時(shí)，各小區(qū)土壤流失量的差異性逐漸減?。恢脖桓采w度大于80%，土壤流失量與差異性均非常小。

（3）在相同的降雨情況下不同徑流小區(qū)產(chǎn)生的徑流量和土壤流失量有較大的差異。在植被恢復(fù)初期最為明顯，主要原是土地平整過程中，不同坡面土壤的粒徑組成、土壤的孔隙度差異性較大，大部分徑流入滲形成壤中流。隨著植被覆蓋度的增加，相同坡度地表徑流量和土壤流失量的差異性逐漸減小。當(dāng)植被的的覆蓋度大于50%以后，影響地表徑流和土壤流失量的主要因素不再是土壤的粒徑組成和夯實(shí)程度，植物根系固定土壤的效果成為主要影響因素，水土流失量與植被覆蓋率、降雨量、降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。

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