豫西矿区土壤侵蚀因子及流失特点分析

张岩 徐凡 徐建昭

摘 要：豫西沿黃地区矿产资源丰富，矿山开采加剧了局部区域水土流失及其危害。为合理有效防治矿区水土流失，利用水土保持观测站的实测资料并通过典型矿区现场量测、高分辨率遥感影像解译、GIS分析计算等，对豫西沿黄典型矿区土壤侵蚀因子与土壤流失特点进行了分析，结果表明：降雨侵蚀力因子作为土壤侵蚀背景因子服从于区域性与潜在性整体规律，虽然其值大小不受采矿活动影响，但它是矿区土壤侵蚀的重要外营力，与矿区土壤侵蚀的其他因子共同作用，影响矿区土壤流失的时空分布;地形因子、土壤可蚀性因子、植被覆盖因子、水土保持措施因子是影响矿区土壤侵蚀发生发展与程度的关键因子，其抑制土壤侵蚀的作用受采矿活动的影响;矿区土壤流失在各时期的分布特点是开采期最大，从基建期到开采期再到停采后的恢复期，土壤流失量变化情况是由小变大再由大变小;土壤流失量空间分布特点是露天采场、排土场占比较大。矿区土壤流失量时空分布特点与矿区采矿活动对土壤侵蚀因子的改变密切相关，水土流失防治的重点时期是开采期、重点区域是露天采场和排土场。

关键词：土壤侵蚀因子;降雨侵蚀力;土壤可蚀性;土壤流失特点;矿区;豫西

中图分类号：S157.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.020

Abstract：There are rich mineral resources in the region along the Yellow River in western Henan Province and mining intensifies soil erosion and its harm in local area. In order to reasonable and effective prevent and control soil and water loss of the mining area， using the measured data of soil and water conservation station and through the typical mining field measurement， high resolution remote sensing image interpretation and GIS analysis and calculation， the soil erosion factors and the characteristics of soil erosion of typical mining area in the region along the Yellow River in western Henan Province were analyzed. The results show that the rainfall erosion factor is subject to the regional and potential overall rule as soil erosion background factors， although its value size is not affected by mining activities， but it is an important external agent of mining area of soil erosion， working together with the rest soil erosion factors of the mining area， impacting time and space distribution of mining area soil loss; terrain factor， soil corrosion factor， vegetation coverage factor， factor of soil and water conservation measures are the key factor of the occurrence and development of mining area soil erosion degree， which inhibit the action of the soil erosion is affected by mining activities; the distribution characteristics of mining area soil erosion in different periods is that the production period is the largest， from the construction phase to production period to stop mining recovery， the soil erosion is changed from small to large then from large to small; soil erosion spatial distribution characteristic is that open pit and waste dump account for a larger proportion. The characteristics of temporal and spatial distribution and mining activities are closely related with the change of soil erosion factors. The key period of water and soil erosion prevention and control is production period and key area is open pit and waste dump.

Key words： factor of soil erosion; rainfall erosion factor; soil corrosion; characteristics of soil erosion; mining area; loess region of western Henan Province

以采矿生产活动为外营力的土壤侵蚀是典型的现代人为加速侵蚀[1-2]。采矿生产活动不可避免地破坏矿区地形地貌和植被，使部分土地利用方式发生改变、原有功能丧失、裸露面积增加，加剧局部水土流失[3]。不同矿区水土流失在服从区域自然条件下水土流失规律的同时，因区域性背景因素和主导性人为因素的不同而具有自身特殊性[4-6]。豫西沿黄地区处于我国地势第二级阶梯与第三级阶梯的过渡地带，是河南省水土流失最严重的地区，同时矿产资源极其丰富，是河南省乃至全国重要的贵金属和能源开发基地，矿区人为加速侵蚀和水土流失比较严重。本文对豫西沿黄矿区土壤侵蚀因子及土壤流失特点进行分析，以期为该区水土流失的有效治理提供依据。

1 豫西沿黄矿区土壤侵蚀因子分析

利用2008年建立的三门峡金水河小流域观测站及五花岭径流观测场典型年份的实测资料，通过典型矿区现场量测、高分辨率遥感影像解译、GIS分析计算以及水土保持试验研究成果资料统计分析，对豫西沿黄矿区降雨、地形、土壤、植被、水土保持措施等土壤侵蚀影响因子进行分析。

1.1 降雨因子

降雨是引起土壤侵蚀的动力，降雨因子用降雨侵蚀力R表征，即次降雨总动能E与最大30 min降雨强度I30的乘积，单位为MJ·mm/（hm2·h），其值大小与矿区气象条件有关，在不考虑矿区局地小气候条件改变的情况下，降雨与矿区开采无直接相关性，即不受采矿活动影响，在豫西沿黄矿区土壤侵蚀因子中为背景因子。

利用金水河小流域观测站2015—2017年实测降雨资料进行降雨侵蚀力计算，2015年、2016年、2017年降雨侵蚀力分别为1 009.22、1 504.06、787.18 MJ·mm/（hm2·h），3 a平均值为1 100.15 MJ·mm/（hm2·h）。

1.2 地形因子

地形因子由坡长因子L与坡度因子S组合而成，用LS表示，无量纲，是影响土壤侵蚀发生发展的关键因子，受开挖、堆弃等采矿活动的影响而改变。现场利用激光测距仪对12座典型矿区（见表1）排土场堆积坡面、露天采坑开挖坡面、矿区道路堆积坡面、堆土场堆积坡面、工业广场堆积坡面、平硐口开挖坡面等边坡长度进行测量，同时利用激光测距仪内置程序计算出边坡任意两点之间的高差，进而计算坡度，然后采用《水土保持遥感监测技术规范》（SL 592—2012）中的方法计算地形因子LS值，结果见表1。

由表1可知，典型矿区不同扰动类型坡面边坡地形因子LS值范围为1.971 5～19.591 4。点绘地形因子LS与坡长、坡度的对应情况（图略），可以看出：地形因子LS与坡度、坡长均呈正相关关系，坡长越大、坡度越陡地形因子LS值越大。应合理控制矿区各类边坡的坡长、坡度，才能有效减小地形因子对土壤流失的影响。

1.3 土壤因子

土壤因子与土壤理化性状、有机质含量等关系密切，用土壤可蚀性K表示。矿区开采彻底破坏了原地貌土壤状态，使其可蚀性发生重大变化，是影响矿区土壤侵蚀程度的关键因子。采用张科利等[7]计算我国土壤可蚀性因子的方法，利用五花岭径流观测场25°观测小区（裸地）单位面积年土壤流失量实测数据即2016年4 t/（hm2·a）和金水河小流域观测站降雨侵蚀力因子R的计算结果即2016年1 504.06 MJ·mm/（hm2·h），在对五花岭25°观测小区边坡和豫西沿黄12座典型矿区不同类型坡面边坡现场量测并以标准小区进行坡长与坡度修正的基础上，统计分析各典型矿区不同类型坡面土壤流失量，计算豫西沿黄12座典型矿区各类边坡和五花岭25°观测小区的土壤可蚀性因子K值，结果见表2。

豫西沿黄典型矿区各类坡面土壤可蚀性因子K值是五花岭25°观测小区的7.88～21.62倍，说明采矿活动对原地貌土壤扰动损坏越严重，造成的人为坡面坡长越大、坡度越陡，土壤可蚀性K值就越大，土壤侵蚀程度越严重。

1.4 植被因子

植被因子C反映植被覆蓋和管理状况，本研究主要依据植被覆盖度确定豫西沿黄矿区植被因子C。矿区开采在损坏原地貌的同时损毁开采区的植被，使其失去对土壤侵蚀的抑制作用，因此植被覆盖因子C是影响矿区土壤侵蚀程度的关键因子。通过夏态时相高分辨率遥感影像解译并在现场调查复核的基础上获得豫西沿黄12座典型矿区植被覆盖度，采用蔡崇法等[8]预测小流域土壤侵蚀量的方法进行植被覆盖因子C值的计算，结果见表3。

植被覆盖因子C值的变化与植被覆盖度相关，矿区开采导致原地貌损坏、植被损毁、地表裸露，植被对采矿扰动范围内土壤侵蚀的抑制作用“从有到无”，利用GIS分析计算时取值“从0到1”，即植被覆盖度越低越接近于0，则植被覆盖因子C值越大、越接近于1，植被对土壤侵蚀的抑制作用越小、土壤侵蚀越严重。由表3可以看出，11号矿区未采取人工恢复植被措施的裸地的植被覆盖因子C值达到最大值1.000 0，而10号矿区4 a自然恢复草地+农作物的植被覆盖度达到41%，植被覆盖因子C值仅为0.096 6，说明10号矿区植被对土壤侵蚀的抑制作用较11号矿区增强约10倍;人工恢复乔木+灌木+草的植被覆盖因子C值明显小于纯草或农作物的，即人工恢复乔木+灌木+草对土壤侵蚀的抑制作用高于纯草或农作物。因此，矿区应多物种恢复植被，以提高对土壤侵蚀的抑制作用。

1.5 水土保持措施因子

水土保持措施因子反映水土流失治理措施对土壤侵蚀的抑制作用，用P表示。矿区不同开采阶段、不同扰动部位，应根据土壤侵蚀发生发展特点采取不同的水土流失防治措施。通过豫西沿黄典型矿区现场调查及试验观测资料统计分析，把矿区水土保持措施分为工程措施、植物措施、临时措施三类。各矿区根据开采扰动部位和特点，采取了不同的水土流失防治措施体系，其关键防治措施主要有斜坡防护、弃土弃渣拦挡、截排水、植被重建等。由于各类措施的防护对象、结构标准、布设位置等不同，对土壤侵蚀的防治效果也不同，其影响因素复杂且多变，因此水土保持措施因子P值的计算尚无统一方法。在豫西沿黄矿区土壤侵蚀因子分析时，参照植被覆盖因子C值的计算方法，确定水土保持措施因子P的取值范围为0～1，0表示有完善有效的水土流失防治措施体系，1时表示未采取任何水土流失防治措施，可根据矿区开采过程中采取的水土流失防治措施的完善性、有效性等进行取值。

2 豫西沿黄矿区土壤流失特点

采矿活动使矿区地形因子、土壤可蚀性因子、植被覆盖因子、水土保持措施因子等发生不同程度的改变，形成特殊的人为加剧土壤侵蚀。在豫西沿黄12座典型矿区中选择采矿工艺具有代表性、各项观测成果资料完善的1号、4号、8号、11号典型矿区进行土壤流失时空分布特点分析，见表4、表5。

由表4可知，豫西沿黄典型矿区土壤流失量在各时期的分布特点是开采期最大，基建期土壤流失量占总量的比例为9.58%～18.31%、平均占比为16.89%，开采期土壤流失量占总量的比例为65.58%～81.99%、平均占比为76.98%，恢复期土壤流失量占总量的比例为2.06%～24.84%、平均占比为6.13%，说明矿区采矿活动从开始建设、采矿达产到停采后恢复植被，土壤侵蚀各因子变化情况为弱→强→弱、土壤流失量变化情况为小→大→小。

由表5可知，豫西沿黄典型矿区土壤流失量空间分布特点是露天采场、排土场占比较大，最大占比分别为73.48%、70.99%，露天采场、排土场土壤流失量平均占比分别为55.78%、32.90%，说明露天采场开挖、排土场堆积对原地形地貌、土壤、植被损毁严重，且开采过程中各因子抑制土壤侵蚀作用减弱甚至消失。

3 结 论

（1）降雨侵蚀力因子R作为背景因子服从于区域性与潜在性整体规律，虽然其值大小不受采矿活动影响，但它是矿区土壤侵蚀的重要外营力，与矿区土壤侵蚀的其他因子共同作用，影响矿区土壤流失的时空分布。

（2）地形因子LS、土壤可蚀性因子K、植被覆盖因子C、水土保持措施因子P是影响矿区土壤侵蚀发生发展与程度的关键因子，其抑制土壤侵蚀的作用受采矿活动的影响。

（3）豫西沿黄矿区土壤流失在各时期的分布特点是开采期最大，从基建期到开采期、再到停采后的恢复期，土壤流失量变化情况是由小变大再由大变小;土壤流失量空间分布特点是露天采场、排土场占比较大。矿区土壤流失量时空分布特点与矿区采矿活动对土壤侵蚀因子的改变密切相关，水土流失防治的重点时期是开采期、重点区域是露天采场和排土场。

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【责任编辑 张智民】