發(fā)布時間：2020-08-16 19:26

【摘要】：煤礦開采破壞土地資源,露天開采尤為嚴重,排土場是在露天開采過程中形成的平臺-邊坡相間的階梯寶塔狀巨型人工松散堆積體,其存在使得地表植被全部喪失,破壞了自然狀態(tài)下的水文、地質、地貌條件,其土體結構性差或無結構,內部存在較大的孔隙,易發(fā)生優(yōu)先流形式的降水入滲,進而影響植被對于土壤水分的利用,其形成的快速水分運移通道可能在一定程度上誘發(fā)崩塌、滑坡等水土流失災害,是工礦建設區(qū)水土流失最為嚴重的區(qū)域。如何快速恢復植被是排土場復墾所要面臨的首要問題。以往關于排土場植被恢復的研究主要集中在植物物種的選擇及其適應性以及生態(tài)重建與恢復等方面,而從土壤水文效應的角度去分析排土場植被恢復程度也僅限于土壤性質指標的一般性比較,尚未建立土壤水文效應評價指標體系,缺乏系統(tǒng)性研究。因此,開展排土場植被恢復土壤水文效應評價的定量化研究對于礦區(qū)水文過程調控、生態(tài)環(huán)境改善等方面具有重要的理論價值和社會實踐意義。本文以位于遼寧省阜新市海州露天煤礦排土場復墾區(qū)的刺槐林地、榆樹林地、混交林地、灌木林地、耕地和荒草地為研究對象,通過野外調查、現場試驗和室內分析相結合的方法,獲取了不同植被恢復模式下的枯落物層水文特征、根系分布特征、土壤水分物理性質特征、入滲特征及影響因素;結合水分穿透曲線獲取了土壤大孔隙的范圍和密度,確定了土壤大孔隙分布的主要影響因素;基于亮藍染色示蹤法研究了不同植被恢復模式下土壤優(yōu)先流的形態(tài)特征與變化規(guī)律,揭示了土壤優(yōu)先流的形成機理及影響因素;首次從土壤優(yōu)先流的角度出發(fā),選取土壤因子(總孔隙度、毛管孔隙度、大孔隙半徑、礫石含量、黏粒含量、砂礫:粉粒)、水分因子(土壤含水率、飽和導水率)和植物因子(根重密度、1mm、1~2 mm、2~5 mm根長密度)等12個與優(yōu)先流染色面積最為相關的環(huán)境因子作為排土場植被恢復的土壤水文效應評價指標,基于AHP法建立了合理的土壤水文效應評價指標體系并進行了定量評價,篩選出了排土場植被恢復的最佳模式。研究主要結論如下:(1)刺槐林地、榆樹林地和混交林地胸徑、樹高、冠幅的變化范圍為4.03~6.53 cm、4.62~6.14 m、1.95~3.92 m,各個樣地存在2~6種草本植物。不同植被恢復模式植物根系集中分布在0~40 cm,刺槐林地、榆樹林地、灌木林地和荒草地根長密度占整個剖面的76.5%、93.55%、92.21%和95.1%。(2)林地枯落物厚度及其總蓄積量大于草地,不同植被恢復模式均以未分解層為主,其儲量是分解層的1.68~2.08倍。未分解層和分解層枯落物的自然含水率、最大持水率和最大持水量差異顯著�？萋湮镒畲蟪炙试�155.58%~206.58%之間�？萋湮镉行r蓄率在119.74%~166.05%之間,有效攔蓄量在10.84~98.76 t·hm~(-2)之間,均表現為刺槐林地攔蓄能力最強。不同植被恢復模式枯落物的持水量隨時間的延長而增加,其變化范圍為1414.85~2247.41 g·kg~(-1)。不同植被恢復模式分解層的持水量和吸水速率均大于未分解層,表現為林地大于草地;各個樣地吸水速率與時間具有較好的冪函數(V=at~(-b))關系,其決定系數R~2在0.99以上。(3)不同植被恢復模式表層的土壤容重表現為耕地荒草地林地,土壤孔隙度以毛管孔隙度為主,其數值為24.41%~50.92%;不同土層土壤相對含水量均為難效水,土壤水分很難被植被吸收利用,各個樣地0~60 cm土層均存在不同程度的水分虧缺;表層土壤飽和貯水量和最大吸持貯水量表現為林地大于草地,而最大滯留貯水量則為草地大于林地。排土場不同植被恢復模式下礫石總量隨土層深度呈現增加的趨勢,并且土體剖面礫石總量的平均值表現為耕地最小,不同粒徑礫石相對含量平均值的大小順序為(2~10 mm)(20 mm)(10~20 mm);土壤飽和貯水量與2 mm礫石含量之間存在顯著對數相關關系(p0.05),與2~10 mm礫石含量之間存在極顯著線性正相關關系(p0.01),與10~20 mm礫石含量之間存在顯著拋物線相關關系(p0.05)。(4)不同植被恢復模式土壤穩(wěn)定入滲率大小依次為刺槐林地榆樹林地混交林地灌木林地耕地荒草地,其數值在0.2~5.1 mm·min~(-1)之間;土壤入滲回歸模型的擬合優(yōu)度為Horton模型Kastiakov模型G-P綜合模型;非毛管孔隙度、礫石含量、根長密度、根表面密度與土壤入滲性能之間關系密切;土壤入滲能力排序為刺槐林地榆樹林地混交林地灌木林地耕地荒草地。(5)不同植被恢復模式土壤水分穿透曲線存在差異,其中表層土壤穩(wěn)定出流速率在0.0193~0.0315 mm·s~(-1)之間,為50~60 cm的6.35~10.22倍,表現為喬木大于灌木大于草本。土壤水分穿透曲線呈現先快速增大后穩(wěn)定的趨勢,不同時期(活躍期、波動期、穩(wěn)定期)具有不同的變化特征,礫石和植被根系是造成土壤穿透曲線波動的主要原因;不同植被恢復模式下土壤大孔隙半徑介于0.03~4.71 mm之間,主要集中在0.11~2.36 mm之間;土壤大孔隙平均半徑與穩(wěn)定出流速率和飽和導水率之間存在極顯著線性相關關系,土壤大孔隙率為0.03%~16.58%,決定穩(wěn)定出流速率65%的變異和飽和導水率42%的變異。(6)不同植被恢復模式土壤優(yōu)先流多發(fā)生在0~40 cm土層,占整個0~60 cm土壤層的93%以上;其中0~5 cm土層染色面積比依次為榆樹林地刺槐林地混交林地耕地灌木林地荒草地,均表現為喬木林地大于灌木林地和草地;整個剖面0~60 cm土層染色面積比大小依次為刺槐林地(26.48%)榆樹林地(20.12%)混交林地(17.32%)耕地(15.06%)灌木林地(13.97%)荒草地(10.07%),染色面積比與土層深度之間具有較好的線性關系(y=ax+b)。染色面積比與礫石含量、大孔隙平均半徑、飽和導水率、根重密度和1 mm根長密度呈極顯著正相關(P0.01),與容重和含水率呈極顯著負相關(P0.01),與1~2 mm根長密度和2~5 mm根長密度呈顯著性正相關(P0.05)。(7)選取土壤因子(總孔隙度、毛管孔隙度、大孔隙半徑、礫石含量、黏粒含量、砂礫:粉粒)、水分因子(土壤含水率、飽和導入水率)和植物因子(根重密度、1mm、1~2 mm、2~5 mm)等12個與優(yōu)先流染色面積最為相關的環(huán)境因子,采用AHP法建立排土場植被恢復土壤水文效應評價指標體系。各個評價指標的綜合權重在0.032~0.146之間。刺槐林地、榆樹林地、混交林地、灌木林地、耕地和荒草地土壤水文效應綜合指數大小依次為刺槐林地混交林地榆樹林地灌木林地荒草地耕地,較耕地(0.361)分別提高53.41%、48.17%、44.4%、18.89%和3.96%。因此,從土壤水文效應的角度出發(fā)優(yōu)化的海州露天煤礦排土場植被恢復的最佳模式為刺槐林。
【學位授予單位】：沈陽農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S714
【圖文】：

采用設置標準地的方法研究各個樣地的植被恢復特征。在刺槐林地、榆樹林地、混交林地內打一個 20 m×20 m 的標準地，在灌木林地打一個 10 m×10 m 的標準地，在荒草地打一個 5 m×5 m 的標準地，各樣地基本特征見表 2-1。本研究野外試驗點如圖 2-1 所示。表 2-1 排土場各樣地的基本概況Tab. 2-1 Basic profiles of all sorts of places in the dump刺槐林地Robinia pseudoacacia land榆樹林地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落物覆蓋度/% 98 99 60 60 0 9木層郁閉度/% 65 65 70 65 0 0植物總蓋度/% 99 96 99 98 5 9

圖 5-10 排土場不同植被恢復模式下不同土層間礫石含量ontents in different soil layers in dump under different vegetation re，從排土場土體礫石總量的剖面平均值（即以 0~5、5~10~60 cm 這 7 個土層礫石總量的算術平均值）來看，其次為荒草地，平均值為 37.67%，而榆樹林地和灌木表現為林地>荒草地>耕地。從差異分析結果來看，榆.05）；灌木林地、耕地和荒草地之間均有顯著差異（p<恢復區(qū)礫石總量以表層 0~20 cm 深度內的礫石總量相對總量最低，為 28.97%，以 20~60 cm 深度內的礫石總量總量最高，達到了 55.48%，方差分析表明，不同土層5），變異系數均在 0.1~1 之間，屬于中等變異，說明排間分布較為均一。剖面相對礫石含量分布特征來源于附近的同一荒草地地塊，土壤機械組成基本一

礫石對土壤貯水能力的影響

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