黄土区露天煤矿排土场复垦后土壤与植被的演变规律

恢复受损的土壤和植被是矿区生态恢复的关键,植被恢复过程的实质是植被-土壤复合生态系统相互作用的过程。该文通过典型小区调查的方法,选择山西平朔州安太堡露天煤矿复垦排土场为研究区,分析了不同复垦年限（3、5、10、12和17 a）土壤环境因子和乔木林地植被生物量的动态演变规律,建立了黄土区露天煤矿排土场复垦土壤环境因子和乔木林地植被生物量Logistic演替模型,并构建了土壤-植被交互影响的偏微分方程组。相关系数及显著性检验表明所建立的土壤各环境因子演变模型和乔木林复垦地的植被生物量演变模型有效,能够很好地反映排土场的土壤因子和植被生物量的动态演变过程;随着复垦年限的增加,研究区土壤环境因子质量不断提升并逐渐接近原地貌,土壤因子和植被生物量都呈S型变化,符合Logistic生长演替模型;土壤环境因子与植被生物量二者交互作用明显,符合Kolmogorov捕食模型。该研究可为黄土区露天矿排土场土地复垦与生态恢复提供理论依据。     

风沙黄土区排土场不同植被类型下土壤生态化学计量特征

[目的]准确评价风沙黄土区露天矿区排土场不同植被类型下土壤改良效益，并揭示其植被恢复的养分限制性，进而为该区生态重建与环境改善构建高效的植被恢复模式提供理论依据。[方法]选取鄂尔多斯武家塔排土场乔、灌、草3种植被类型的10种恢复模式的土壤为研究对象，以新排土为对照，开展其土壤有机碳、全氮和全磷与其化学计量特征及关系的研究。[结果]风沙黄土区排土场土壤有机碳、全氮、全磷含量变化分别为0.62～18.60 g/kg, 0.09～0.36 g/kg和0.04～0.21 g/kg,其中乔、灌林地的土壤有机碳、全氮养分含量显著高于新排土(p≤0.05),乔木林地的全磷含量显著低于其他3种样地(p≤0.05);在土层垂直剖面，3种植被类型的土壤养分均表现为表层富集性，灌木林地的土壤全氮含量在不同土层均表现最高，乔木林地土壤有机碳平均含量最高，草地的全磷平均含量最多。土壤C/N在不同植被类型间无显著差异(p>0.05),土壤C/P和N/P受植被类型的影响较大，均表现为乔木林地>灌木林地>草地>新排土；在土层垂直剖面，C/N整体呈现增大的变化趋势，N/P先减小后增大的趋势。土壤...     

基于CT分析露天煤矿复垦年限对土壤有效孔隙数量和孔隙度的影响

露天煤矿排土场由于排土过程中大型机械压实等作用会对土壤的孔隙结构产生影响,重构适合于植被生长的土壤孔隙结构是排土场土地复垦的重要工作。为对排土场重构土壤孔隙结构进行定量分析,该文采用高精度无损计算机断层扫描技术(CT)对山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场平台全黄土母质覆盖的不同复垦年限(0、20、23 a)以及原地貌的土壤进行分层扫描成像,并利用Photoshop和Arcgis软件对扫描图像进行处理和统计分析,探讨了排土和复垦对土壤孔隙数量和孔隙度的影响,分析了排土场重构土壤大、中和小孔隙的变化。结果表明:原地貌土壤孔隙数量和孔隙度最大,其次是复垦23和20 a的土壤,排土后未复垦土壤孔隙数量和孔隙度最小。采矿和排土等活动由于大型机械压实作用降低了土壤孔隙数量和孔隙度,尤其是大孔隙数量和大孔隙度;土地复垦对增加土壤孔隙数量和孔隙度有一定的作用,但是过程比较缓慢。采矿和排土等活动对表层土壤孔隙数量和孔隙度的影响要高于底层土壤。该研究可为黄土区大型露天煤矿排土场重构土壤结构的优化与土地复垦措施选择提供依据。     

草原地区露天矿排土场土地复垦技术研究

露天矿排土场的严重水土流失 ,导致周边土壤盐渍化和草场退化 ,是草原露天矿区环境治理的关键和重点。因随机排土 ,大部分排土场的表层土壤为深层绿色泥岩土 ,不适于植物生长 ,治理难度很大。风蚀作用是限制排土场植被恢复的主要因素 ,而一定密度的人工灌丛可以减轻排土场平台的风蚀强度 ,形成地表凋落物覆盖层 ,改良土壤 ,加速植被的恢复。沙棘是草原露天矿排土场理想的复垦植物 ,可以在短时期内形成郁闭的人工沙棘灌丛 ,土壤培肥和水土保持效果显著 ,并明显减缓坡下草场盐渍化程度。因此 ,以沙棘为主的人工灌丛 ,应该成为草原露天矿排土场环境整治的主要模式。     

黄土区大型露天矿排土场水力侵蚀计算与防治

以黄土区安太堡露天矿未复垦排土场为对象,研究未复垦排土场平台水力侵蚀(沟蚀)状况,通过实地外业采样和内业数据处理,结合数据统计分析平台,计算出了研究区内的沟蚀量分布情况,并分析了平台汇水面、土壤容重、坡度与沟蚀模数的关系,估算研究区水力侵蚀造成的直接经济损失,提出排土场平台复垦和水土流失防治措施。结果表明:(1)研究区水力侵蚀严重,总体沟蚀模数相当于自然地貌土壤侵蚀模数的6.8倍,其中平台汇水面对沟蚀模数的影响巨大;(2)排土场平台表层土壤压实,40cm以内土层压实最为严重,深层土壤土质较疏松;(3)排土场平台坡度和坡长在一定程度上可以反映出土壤侵蚀的高低,在水土流失防治措施中应予考虑。在平台复垦和土壤侵蚀防治中应采用减少平台汇水面积、增大地表水入渗能力和提高植被覆盖度的措施为主,本研究成果可为排土场复垦和水土流失防治提供参考。     

生物腐植酸对露天矿排土场黑麦草生长的影响

[目的]研究生物腐植酸对露天矿排土场土壤改良效果的影响,为进一步提高露天矿排土场的土壤质量提供科学参考。[方法]通过盆栽试验,研究不同生物腐植酸含量(0~400kg/hm2)对露天矿排土场不同土地利用类型〔(刺槐(Robinia pseudoacacia)林、榆树(Ulmus pumila)林、荆条(Vitex negundo)林、农田、未复垦土地〕下黑麦草(Lolium multiflorum)生长状况的影响。[结果]刺槐土、榆树土、荆条土、农田土、未复垦土出苗率最大值分别出现在加入生物腐植酸量为200,200,300,300,200kg/hm2的试验盆;5种土壤黑麦草幼苗株高所需生物腐植酸最大量值分别为200,200,200,300,300kg/hm2;5种土壤黑麦草根系长度最大值分别出现在300,100,300,300,300kg/hm2的试验盆;而生物量最大值分别出现在加入生物腐植酸量为200,100,200,300,300kg/hm2的试验盆。随着生物腐植酸量的增加,各土地利用类型条件下种植的黑麦草出苗率、株高、根系长度、生物量均表现出先增加后减小的趋势。[结论]生物腐植酸对露天矿排土场不同土壤植物更新与生长具有剂量效应,表现为"单峰型"变化规律,体现出适量的生物腐植酸对露天矿排土场植被恢复具有促进作用。     

黄土区大型排土场植被根系的抗蚀抗冲性研究

选取黄土区大型排土场不同复垦年限的植被为研究对象,分析了陡坡地(36~°42°)3种典型乔灌草植被根系的剖面分布特征及不同复垦年限(1~14年)不同复垦模式植被根系对土壤抗蚀抗冲性的影响。结果表明,与原地貌土壤剖面根系分布不同的是,排土场乔灌草的根系分布(Φ≤1 mm)从10 cm土层开始,随着土层深度的增加,呈现出幂函数减少的趋势;干土层出现的深度依次为刺槐林地>草地>柠条林地;不同复垦年限不同复垦模式(1~14年)55个样点的统计分析表明,土壤的抗蚀性指标和抗冲性指标都与根系密度在极显著水平上呈直线关系。     

大型排土场“径流分散”水蚀控制模式及其设计探讨——以山西省安太堡大型露天煤矿排土场为例

 以安太堡露天煤矿排土场16年水土保持实践为基础,通过调查观测,对半干旱黄土区大型排土场水蚀控制进行分析研究。初步提出排土场“径流分散”水蚀控制模式,将排土场划分为若干径流分散单元,使暴雨径流在各单元间均匀分散,避免暴雨径流大量汇集造成的冲蚀和灌缝,并在分散单元内实施径流调节和进行合理的植被配置,同时在径流关键汇集路径设置排水主渠,以抵御特大暴雨对分散单元的破坏。根据排土场径流小区1993—2002年定位观测和试验资料,对典型径流分散单元的挡水埂和植被配置进行初步设计。该径流分散模式可操作性强,不仅能有效控制半干旱区排土场水蚀,而且有利于排土场植被的快速建立和恢复。     

特大型露天煤矿土地损毁生态风险评价

露天矿在"剥－采－运－排－复"生产活动中的土地损毁对矿区生态系统产生直接和间接的危害或影响。该文以山西安太堡露天煤矿为例,将土地损毁过程作为矿区的风险源,通过构建黄土区特大型露天煤矿生态风险因果链,建立其综合生态风险的评价模型。根据露天煤矿不同土地损毁类型及矿区生态系统状态,利用生态遥感指数、实测数据与GIS空间分析方法进行风险源与风险受体评价,应用综合评价模型得出矿区综合风险值。结果表明：1）矿区土地损毁高生态风险区主要集中在未复垦的排土场,本身极不稳定,主要存在的风险为扬尘污染、水土流失、地质灾害等;2）已复垦排土场和工业场地由于多年实施复垦及管护措施,逐步恢复稳定性,而部分外排土场在早期排土过程中,由于排土工艺不合理以及后期管护不当,导致土壤和植被退化,风险相对较高;3）露天采区的生态风险性较小,其生态敏感度属于中值区,受土地损毁影响较大,人类活动对其产生剧烈扰动。该研究将矿区生态风险进行量化,实现了风险值的空间化和可视化,有利于制定基于不同风险值的分级分区防范措施。     

风沙黄土区排土场不同恢复类型植物群落与土壤种子库特征

风沙黄土区排土场作为一种人造生态系统,自然条件恶劣,土壤贫瘠,植被恢复困难。为了探明有效的人工促进植被恢复措施,采用植被调查与种子库萌发试验相结合的方法,通过研究不同植被类型地上植物群落与土壤种子库特征及二者的关系,探讨了其植被恢复效益及潜力。结果表明:研究区人工植被恢复下地上植物群落中共47种植物,分属16科40属,土壤种子库共14种植物,分属5科13属,其中均以禾本科、菊科、藜科、豆科占主导地位; 灌木植被的地上植被和土壤种子库的物种多样性均表现为最优; 地上植被与土壤种子库密度的变化范围为88.48～495.47株/m²,74.74～1422.91粒/m²,且均在草地类型下最大。土壤种子库和地上植被的相似性普遍较低,相似性系数仅为0.16～0.23。因此,风沙黄土区排土场的植被恢复与重建需要加强保护与管理,可以考虑构建以草灌配置为主的人工植被恢复模式,保障群落的恢复潜力,并提高群落多样性与稳定性,亦可考虑引入外源种子库提升群落恢复的潜力。     

黄土区大型露天矿排土场岩土侵蚀及其控制技术的研究

该文以平朔安太保露天矿为例，探讨了岩土侵蚀的形式，分布及成因，岩土侵蚀的危害和潜在危险。首次提出排土场岩蚀控制的方针为“以排为主，排蓄结合，调节水分，增强整体稳定性，迅速复垦，恢复植被，建立生物工程相结合的控制体系”，控制技术包括基底处理，平盘边坡防护，滑坡崩塌危险区控制及排土复垦工艺。     

不同人工林在草原露天矿区排土场边坡的水土保持效益及其环境影响

分析研究了３种不同人工灌木林地在草原露天矿区排土场边坡的水土保持效益和对周围环境的影响,结果表明：山杏和丁香两种人工林生长缓慢,很难在短时间形成郁闭灌丛,而沙棘可以迅速形成郁闭度很高的人工林,护坡和土壤培肥作用显著。露天矿区排土场的形成将会根本改变其周围地区的土壤环境和植被类型。如无有效措施,坡下汇水区土壤将发生盐碱化,植被向耐盐的水生和湿地植物群落演替,但护坡的人工沙棘林能明显改善坡下的土壤条件     

植物根系对露天矿排土场边坡抗冲性的影响

以阜新海州露天矿排土场为例,采用野外定位观测、取样与室内实验分析相结合的方法,研究植物根系对排土场边坡抗冲性影响。结果表明:植物根系在减小排土场边坡土壤的冲刷、增强土壤的抗冲性方面起着非常重要的作用。土壤抗冲性的强弱与植物根系的分布、盘绕及固结状况密切相关。与石砾质边坡相比,岩土混合边坡和土质边坡是水土流失的多发地带,要尽快通过植被恢复加以治理。     

露天煤矿排土场不同植被土壤水分特征及其时间稳定性

选择晋陕蒙接壤区永利煤矿排土场沙打旺草地、紫花苜蓿草地、沙棘林地和原地貌草地土壤水分为对象,研究其蒸散、剖面分布、时间变化等特征,以期揭示土体重构及不同复垦植被模式对土壤水分及其时间稳定性影响。结果表明:排土场3种人工植被条件下土壤平均含水量同原地貌草地相比提高了50.7%~62.3%,另外,沙打旺复垦草地土壤含水量显著低于苜蓿复垦草地和沙棘复垦灌木林地(均降低了7.2%)。沙打旺和苜蓿会导致深层(120—260,120—220 cm)土壤水分亏缺,但有利于20—80 cm的土壤水分的保持;而沙棘易导致浅层(20—80 cm)土壤水分亏缺,但对深层(100—280 cm)土壤水分影响较小。上述结果说明,矿区排土场土体重构过程能够改善排土场土壤的水分条件,并且在进行植被重建的过程中,不同复垦植被对土壤水分的保持与利用形式有所不同,在本研究中,苜蓿和沙棘更有利于缓解土壤水分亏缺。     

植被重建下露天煤矿排土场边坡土壤碳储量变化

植被重建是治理排土场边坡水土流失最直接也是最有效的生物措施,研究不同植被重建模式下土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量的空间分布规律是筛选适宜排土场边坡生长的植被模式的重要条件。选取内蒙古黑岱沟露天煤矿治理15年的排土场边坡中4种植被重建模式(自然恢复地、草地、灌木林、乔木林),采集270个土壤剖面(0~100 cm)样品,研究不同重建模式下SOC储量的变化。结果表明:(1)植被重建模式显著影响剖面SOC、TN含量及分布(p0.05),0~10 cm和10~20 cm SOC、TN均呈草地灌木乔木自然恢复地,20 cm以下各土层SOC、TN虽然也表现相似的特征,但差异随土层深度增加越来越小。(2)剖面SOC密度和储量表现为原地貌区治理排土场新建排土场。经15年植被重建后,排土场边坡表现出巨大的固碳能力,1 m深度的林地和草地碳储量分别增加了5.38、11.85 t hm-2,但仅原地貌水平的1/2和3/5。(3)林地和草地的固碳速率分别为35.87、79.01 g m-2a-1,草地的固碳速率是林地的2.2倍,从土壤固碳及水土流失防治的角度考虑,建议矿区排土场边坡植被重建优先选择草地,其次灌木。     

平朔安太堡露天矿排土场土壤种子库研究

采用萌发试验法研究了安太堡露天矿排土场土壤种子库特征,结果表明:排土场土壤中有活性种子存在,且以1年生植物为主,可为植被恢复提供物质基础;随着复垦时间的延长,土壤微环境改善,种子库的组成种类增加,数量增多,幼苗生长加快;复垦10年的沙棘、草地、刺槐林地,土壤种子库组成种类较新排土区明显增多,且优势种因复垦模式不同而异;未复垦的空旷区有利于种子传播,但土壤微环境差,不利于种子萌发,幼苗生长较差.     

基于流域系统地貌信息熵的贺斯格乌拉露天矿区稳定性评价

[目的]开展露天矿区稳定性评价,为矿区地貌重塑、生态环境修复及水土流失监测等提供技术支撑。[方法]以流域系统地貌信息熵为评价指标,基于ArcHydro水文模型及流域自相似原理,对露天矿区及周边未扰动区地貌形态稳定性进行评价,探究矿区水土流失风险及其侵蚀强度。[结果]受矿区剥离、采掘、运输及排弃等一系列工艺的影响,内蒙古贺斯格乌拉露天矿区现状地貌信息熵多集中在0.105～0.145,流域地貌系统发育多为幼年期或壮年偏幼年期,流域侵蚀风险较高;原始地貌及未扰动区地貌信息熵多大于0.40,为稳定的壮年期或老年期,地势平缓,土壤侵蚀模数较小。[结论]以贺斯格乌拉露天煤矿为例,受矿区原始地貌、矿区开采顺序及排土场位置等影响,水土流失风险呈现由南向北逐渐递增的趋势特征,可以作为露天矿区地貌重塑及生态环境修复的依据。     

阜新露天矿排土场边坡植物多样性与生产力特征

[目的]以阜新露天矿排土场边坡为对象,分析坡向、坡位和恢复年限对植物多样性和生产力的影响,探讨二者的关系。[方法]采用植物群落多样性测度方法分析植物多样性、均匀度和丰富度,用烘干法测量植物生产力,并运用相关分析法分析植物多样性与生产力的关系。[结果]排土场阴坡坡下植物多样性和均匀度最高,而阳坡在坡上最高;随着恢复年限增加,阴坡植物多样性逐渐下降,而阳坡表现出增加趋势。排土场阴坡地上植被、枯落物和地上总生物量的最大值在坡上,而阳坡在坡中最大;阴坡的枯落物和地上总生物量显著大于阳坡(p<0.05)。排土场阴坡地上植被、枯落物和地上总生物量均与Shannon—Wiener多样性指数呈显著负相关(p<0.05),而其他多样性指标与生产力之间无显著相关关系(p>0.05)。[结论]坡位和坡向是影响阜新露天矿排土场边坡生态恢复过程中植物多样性和生产力的重要因子,应根据不同生境特性,采取不同恢复措施,才能完成生态恢复。     

晋陕蒙接壤区露天矿层状土壤水分入渗特征与模拟

分析4种不同结构层状土水分入渗规律,为晋陕蒙接壤区露天矿排土场建设筛选合适的层状土体。设置沙土、砒砂岩、黄绵土和红黏土4种均质土柱以及黄-沙-红、黄-红-沙、沙-黄-砒、黄-砒-沙4种层状土,借助室内土柱自动观测系统测定矿区土壤的入渗过程,通过入渗速率、累积入渗量、湿润锋运移、剖面含水量变化分析不同结构层状土入渗特征,结合晋陕蒙接壤区自然条件,评价适合排土场建设的层状土体。结果表明:黄-沙-红、沙-黄-砒型层状土在短时间内能储存大量水分,且第三层土体阻水作用强,黄-沙-红型层状土下层红黏土阻水效果尤其显著,这两种层状土体是矿区排土场较理想的新土体结构。但是,黄-红-沙型层状土入渗速率慢,在强降雨条件下不能使水分迅速入渗。黄-砒-沙型层状土湿润锋到达第三层土体后运移速率仍很快,阻水效果差,水分容易渗漏到深层土壤,这两种层状土结构不宜应用到晋陕蒙矿区排土场建设中。最后探讨了HYDRUS-1D对入渗过程的模拟,利用均质土剖面含水量反演土壤水力参数模拟4种层状土的入渗过程,得到较好的模拟效果。本文对4种层状土入渗特征的测定与模拟,对于指导露天矿区排土场新土体构筑有一定的理论和现实意义。     

不同人工植物配置对排土场边坡水土流失的影响

[目的]揭示人工植被配置对露天矿排土场边坡水土流失的影响,为半干旱地区露天矿区排土场边坡水土流失控制提供依据。[方法]以不同植物配置和对照(未治理)边坡为研究区,于2014年和2015年的5—10月,对边坡径流和土壤侵蚀量与降雨量的关系进行了统计学分析。[结果](1)控制坡面径流。乔灌草和灌草配置是较好选择,其坡面径流仅为对照的42.9%和52.6%,二者无显著性差异。(2)控制边坡土壤侵蚀。3种植物配置措施都与对照区存在显著性差异,其土壤侵蚀量仅为对照区的2.3%~6.7%。日降雨量与坡面径流和土壤侵蚀量之间都存在显著线性关系。[结论]不同植被配置对边坡侵蚀控制优于径流深,与对照区相比侵蚀量减少93%以上,而径流深仅减少了28%~57%。