高寒矿区排土场植被恢复对边坡土体物理力学性质影响研究*

闫 聪 胡夏嵩 李希来 刘昌义 卢海静 付江涛 许 桐 申紫雁

(①青海大学地质工程系，西宁 810016，中国)(②青海大学农牧学院，西宁 810016，中国)(③青海大学农林科学院作物学博士后流动站，西宁 810016，中国)

0 引 言

青海木里煤田位于青藏高原祁连山中东段大通河谷地，地处黄河支流大通河上游，与祁连山自然保护区毗邻，是青海境内最大的煤炭(焦煤)资源集中分布区，也是优质焦煤和可燃冰资源整装勘查矿区，区内分布有江仓矿区、聚乎更矿区、哆嗦贡玛矿区和弧山矿区等煤炭开采区(李静等，2010)。矿区自20世纪70年代开始进行煤炭资源开发，至2000年以后开采强度逐渐增大，先后有多家矿业单位在木里煤田进行煤炭资源勘探与开发。由于该区地处高寒干旱区，其独特的地质和地理环境导致该地区生态系统极为脆弱，煤炭资源的过度开采引发了一系列矿山生态环境问题，致使地貌景观、植被、地表水系、湿地草甸和冻土遭到一定程度的破坏，导致水源涵养和水源输送功能下降，沼泽草甸退化，造成周边生态系统功能的损失(杨鑫光等，2019；钱大文等，2020；张大春等，2020)。因此，木里煤田及周边地区的生态保护与环境治理是一项亟待解决的问题，其中，对矿区开采过程中大量堆弃的排土场开展植被恢复，以实现科学有效地防治排土场边坡水土流失、滑坡等地质灾害现象发生，具有重要的理论研究价值和现实意义。

研究表明，植被恢复作为矿山生态修复的重要内容，是在对排土场采取削坡平整等工程措施治理基础上，因地制宜开展人工植被恢复，该措施不仅有利于当地生态修复及表层土体理化性质的持续改善(Liu et al.，2016；Zou，2019；Li et al.，2018)，还可通过植被根系加筋和锚固作用固持土体，提高排土场边坡土体抗剪强度，从而达到固土护坡的效果(郭勇，2014；Li et al.，2021)。国内外学者对此开展了研究，例如杨幼清等(2018)通过对高寒矿区排土场边坡不含根系素土和草本植物根-土复合体进行室内直剪试验，认为边坡土体抗剪强度受含水率、密度及根系数量等因素综合影响，表现在坡底至坡顶处根-土复合体黏聚力c值较不含根系素土增加幅度较显著，增幅分别为29.23%，54.40%和26.45%。Ranjan et al.(2017)通过对印度塔克拉里铁矿排土场种植复垦植物根-土复合体进行原位剪切试验，其结果也表明相比较于素土，根-土复合体的黏聚力c值和内摩擦角φ值平均提高30 kPa和2°。

采用植被恢复措施可有效增强土体抗剪强度起到提高排土场边坡稳定性的作用，国内外学者已开展了大量研究并已取得丰富研究成果；相比较而言，受植物生长特性及其生长环境等因素影响，植被对土体物理力学性质的影响亦表现出差异性(薛海龙等，2019；宗全利等，2019；林嘉辉等，2020)，因此在不同气候环境下，植物对土体抗剪强度的影响仍需通过土体抗剪强度试验研究进行验证分析(刘亚斌等，2020)，并根据分析结果确定适宜的植被种植恢复方案。毛旭芮等(2019)以新疆呼图壁西沟煤矿废弃地为研究区，对黑麦草(LoliumperenneL.)、青紫披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)等7种禾本科植物进行根-土复合体抗剪强度试验，并对其加筋固土性能进行讨论，得出根-土复合体含水率及含根量是影响不同植物固土性能产生差异的主要因素，因此将不同草种的水分吸收及根系发育特征，作为矿区植被生态修复及固土护坡的优选草种的主要依据。贺长彬等(2016)研究发现，土体密度、含水率和含根量是影响退化草地土壤-根系复合体结构抗剪强度的主要因素。此外，通过对不同环境条件下植物根-土复合体物理力学性质及根系含量等指标进行相关性分析，确定其相关关系(李旭昶等，2019；高志傲等，2020)，并根据土体密度、含水率、根系特性等因素对土体抗剪强度影响的主次顺序及交互作用，对生态修复方案进行综合评价，其结果有助于筛选优势植物种及组合，使草本植物固土护坡效应发挥出显著作用(单炜等，2012)，同时，对开展矿山生态修复与灾害防治提供理论依据和实际指导。

基于上述实际情况，本项研究以位于高寒干旱环境木里煤田江仓矿区作为研究区，对排土场边坡采用组合种植草本植物方式，分析了草本植物对边坡土体物理力学性质指标的影响作用；在此基础上，采用Pearson相关性分析法，评价边坡土体抗剪强度与土体物理性质、含根量指标之间的相关性，以及草本根系对排土场边坡土体抗剪强度的增强作用。该研究结果对于高寒干旱环境矿山生态修复与坡面地质灾害防治，具有一定的理论研究价值和现实意义。

1 研究区概况

研究区木里煤田地处青藏高原东北部高海拔地带，平均海拔为3900 m，位于黄河一级支流大通河源头湿地生态区，该区既是青海湖和祁连山水源涵养地，又是我国西部生态安全屏障的重要组成部分，其生态地位极其重要。研究区江仓矿区主要以高原冰缘地貌为主，主要植被为高寒草甸。区内气候寒冷干旱，昼夜温差变化大，且降雨主要集中在7～9月，降雪集中在1～5月，四季不分明，属于典型高原大陆性气候(刘德玉，2013)，年平均降雨量为277 mm，年平均蒸发量为1544.84 mm，最大蒸发量为1762.4 mm(据天峻县气象局2020年统计资料)。根据相关资料表明，区内采矿活动主要发生在除高山和丘陵之外的平原和台地，由于煤炭资源露天开采，区内形成采坑和规模不等的排土场；另外，因区内工业场地建设，地面修建诸多建筑物和通往采矿区的道路等基础设施，严重影响和破坏区内自然地貌景观、高寒沼泽草甸及河流生态系统，造成区内采坑、排土场、工业场地的工程景观与周边自然景观不协调。如图1所示为研究区地理位置示意图。

图1 研究区地理位置及排土场边坡示意图(据Li et al.(2019)修改)

2 试验方案

2.1 研究区草本植物筛选与种植

研究区排土场隶属青海木里煤田江仓矿区五井田。该矿区自2010年起开始进行露天煤矿开采，煤矿开采过程中所挖掘出的冻土块石、基岩碎块、煤矸石等废弃物均堆积在矿区原生草甸层，并在试验区内形成2座分别位于露天废弃矿坑南侧和北侧体积约1.3×106m3的排土场(金立群等，2020)。

自2013年起，该露天废弃矿坑2处排土场在不覆盖客土条件下，通过人工种植草本进行了植被恢复。植被恢复过程中对植物种选择主要遵循以下6条原则(周德培等，2003；胡夏嵩等，2011)：(1)抗逆性强，能适应寒冷、干旱气候条件；(2)适应矿区排土场贫瘠土体条件；(3)能在短期内迅速生长覆盖坡面；(4)根系相对发达且具有较强抗拉和抗剪特性；(5)适应粗放管理且种植成本较低；(6)植物具有越年生或多年生特征且能产生适量种子。基于以上原则，本项研究选取的试验场地为组合种植垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)+冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng.)的排土场边坡，种植时间为2015年5月下旬，具体种植方法为：将垂穗披碱草和冷地早熟禾草种以2︰1播种比例混合撒播于样地，播种量为300 kg·hm-2，种植面积为6.0×105m2(金立群等，2020)，草本植物生长期为5 a。试验区组合种植草本植物生长量指标以及生长情况如表1、图2所示。

表1 研究区2种草本植物生长量指标统计结果

图2 研究区排土场边坡组合种植草本垂穗披碱草+冷地早熟禾生长情况(植株高者为垂穗披碱草、相对低矮为冷地早熟禾)

2.2 取样位置与样品采集

本项研究试验区位于露天废弃矿坑南侧和北侧排土场边坡，排土场与露天废弃矿坑相对分布位置如图1所示。排土场边坡为多台阶覆盖式排土堆置形成，由坡底至坡顶依次设置三级台阶。本项研究依据排土场台阶所在位置，将南侧和北侧排土场边坡坡面分别划分为如图3a和图3b所示的7个组成部分，即边坡Ⅰ、边坡Ⅱ、边坡Ⅲ、边坡Ⅳ，平台Ⅰ、平台Ⅱ、平台Ⅲ；根据坡向，北侧排土场边坡属于阳坡，南侧排土场边坡则属于半阴半阳坡。

图3 研究区排土场边坡实测剖面示意图

区内南侧和北侧排土场边坡组合种植的垂穗披碱草和冷地早熟禾根系均以须根型为主，主要分布于地表以下0～20 cm(周林虎等，2019)。基于此，本项研究选取排土场边坡距地表以下0～20 cm深度内制取草本根-土复合体和不含根系素土试样。试样制取过程为：沿南侧和北侧排土场边坡所布设的取样实测剖面，从边坡Ⅰ至边坡Ⅳ依次进行取样，在每处取样位置制取2组草本根-土复合体试样以及1组不含根系素土试样，每组试样分别在0～10 cm和10～20 cm取样深度范围内制取上层和下层土体试样，每层试样制取4个环刀试样和2个铝盒试样分别用于直剪试验及含水率测试；待试样制备完毕后，立即对其进行编号、密封并及时带回实验室开展相关试验。

2.3 试验方法

2.3.1 土体物理力学性质指标试验测定

2.3.2 根-土复合体试样含根量试验测定

试验区南侧和北侧排土场边坡根-土复合体试样含根量指标采用洗根称重法进行测定。具体过程为：待直剪试验结束后，将根-土复合体试样放置于孔径为0.05 mm筛网中对附着于根系周围的土体进行清洗，然后用滤纸将根系表面水分吸干，再将根系按照试样编号放置于85 ℃的烘箱内，烘干至恒重后，采用精度为0.001 g电子秤依次称量根-土复合体中根系干质量，之后按照式(1)进行计算得到每个根-土复合体试样含根量：

(1)

2.3.3 数据处理与分析

采用Excel软件对试验区南侧和北侧2处排土场边坡共8个坡面取样点位置，其土体密度、含水率、根-土复合体含根量及其抗剪强度指标等进行统计分析；然后，采用SPSS 26.0软件对区内排土场边坡土体物理性质、含根量，以及土体抗剪强度指标进行Pearson相关性分析。

3 试验结果分析

3.1 排土场边坡土体物理力学性质指标及其根系特征

3.1.1 排土场边坡不同取样位置土体物理性质指标特征

图4 试验区排土场边坡不同取样位置根-土复合体与不含根系素土试样密度变化特征

图5 试验区排土场边坡不同取样位置根-土复合体与不含根系素土试样含水率变化特征

3.1.2 排土场边坡不同取样位置根-土复合体根系含量特征

图6 试验区排土场边坡不同取样位置根-土复合体试样含根量变化特征

根据相关研究结果可知，区内不同坡向因光照、水分、温度、土壤等差异可致株高、盖度、地上生物量等指标产生显著性差异(金立群等，2020)，而根系作为植物生长发育重要的营养器官，其生长分布对土体结构及水分条件等环境因素较为敏感(郑淼等，2021)。区内南侧排土场取样边坡为半阴半阳坡，而北侧排土场取样边坡则为阳坡，通过对比2处排土场边坡土体物理性质指标可知，相比较于南侧排土场边坡，北侧排土场边坡对应坡位和相同深度根-土体复合体与不含根系素土含水率均明显下降，降低幅度分别为29.08%～37.37%和25.60%～36.20%；此外，2处排土场边坡土体物质组成基本相同情况下，北侧排土场边坡与南侧排土场边坡对应坡位及相同深度根-土复合体与素土土体密度相比较，增加幅度分别为3.77%～10.01%和2.08%～7.33%，表明北侧排土场边坡土体结构相对更为密实，且受坡向影响，北侧排土场坡面受光照较为强烈，坡面浅层土体水分蒸散作用较强，其结果造成边坡土壤条件相对不利于草本根系在土壤中穿插延伸和生长发育，因此相同深度条件下南侧排土场边坡草本根系生长分布状况相对较好。

3.1.3 排土场边坡不同取样位置土体抗剪强度特征

土体抗剪强度反映了其抵抗剪切变形破坏的能力，抗剪强度指标黏聚力c值反映土体内部间的黏结能力，内摩擦角φ值反映土体内部间的摩擦阻力(贺长彬等，2016；胡瑞林等，2020)。为研究排土场植被恢复对边坡土体抗剪强度影响，本项研究对比了不同取样位置处根-土复合体与不含根系素土的抗剪强度指标。如图7所示，南侧排土场边坡上层根-土复合体黏聚力c值为26.30～28.46 kPa，较对应深度不含根系素土增加9.87～10.58 kPa，增加幅度为53.73%～62.11%；下层根-土复合体黏聚力c值为25.61～26.72 kPa，较对应深度不含根系素土增加6.57～8.22 kPa，增加幅度为32.62%～46.46%。相应地，北侧排土场边坡上下两层取样深度内的根-土复合体黏聚力c值为22.82～27.96 kPa，较对应深度内的不含根系素土亦表现出不同程度的增加。区内除北侧排土场边坡Ⅲ与边坡Ⅳ位置处的根-土复合体黏聚力c值相比较于不含根系素土的增加幅度相对较低，为5.77%～25.65%外，2处排土场边坡其余各处取样位置的根-土复合体黏聚力c值增加幅度均相对较高，为26.15%～62.11%。通过比较分析排土场边坡各取样位置根-土复合体含根量及物理性质指标发现，北侧排土场边坡Ⅲ、边坡Ⅳ取样处的根-土复合体根系含量较其他取样位置有明显降低，其根-土复合体平均含根量仅为南侧排土场边坡根-土复合体的67.77%，其原因主要在于北侧排土场边坡因根-土复合体中含根量的降低，减弱了植物根系对土体的包裹缠绕作用，从而在一定程度上影响了草本植物对土体黏聚力c值的增强效果。

图7 试验区排土场边坡不同取样位置根-土复合体与不含根系素土试样黏聚力c值变化特征

如图8所示为排土场边坡根-土复合体与不含根系素土抗剪强度指标内摩擦角φ值的对比结果。由该图可知，区内南侧排土场边坡上下两层取样深度内的根-土复合体内摩擦角φ值为20.91°～23.92°，较对应深度内的不含根系素土仅增加0.04°～0.62°，增加幅度为0.19%～2.87%；相应地，北侧排土场边坡上下两层取样深度内根-土复合体内摩擦角φ值为23.90°～24.63°，较对应深度内的不含根系素土相比增加0.64°～1.73°，增加幅度为0.39%～3.85%。区内2处排土场边坡同一取样位置处根-土复合体与不含根系素土内摩擦角φ值变化幅度相比较于黏聚力c值均不显著，因此根-土复合体与不含根系素土黏聚力c值之间的差别即可反映其在抗剪强度上的差异，即草本植物根系主要通过提高土体黏聚力c值进而增强其抗剪强度，起到提高边坡稳定性的作用。

图8 试验区排土场边坡坡面不同取样位置根-土复合体与不含根系素土试样内摩擦角φ值变化特征

3.1.4 土体物理力学性质及根系含量随取样深度变化特征

由如图4～图8所示可知，区内南侧和北侧排土场边坡土体密度、含水率、黏聚力c值及根-土复合体含根量均随深度增加而呈现较明显的规律性变化，除内摩擦角φ值外，具体表现为：随取样深度的增加，2处排土场边坡各取样位置处根-土复合体密度、含水率亦随之增加，增加幅度分别为1.36%～6.02%、0.74%～7.66%，而含根量与黏聚力c值则随之降低，降低幅度分别为1.83%～14.82%、1.52%～10.01%，表明草本植物根系在浅表层土体中分布较集中，且固土能力相对较好，而较深层土体结构相对更为密实，水分含量较高；对于不含根系素土，其密度、含水率及黏聚力c值均表现为随深度增加而增加，增加幅度分别为1.56%～3.97%、1.96%～4.23%和3.20%～11.50%。通过上述对比结果可知，随深度变化根-土复合体与不含根系素土其物理性质变化趋势相一致，而抗剪强度则表现出不同的变化趋势，且根-土复合体抗剪强度随深度增加而减小的变化趋势与含根量变化趋势一致，这在一定程度上反映了植物根系分布对土体抗剪强度具有一定影响，且影响程度要高于土体物理性质随深度变化对抗剪强度的影响。

3.2 排土场边坡土体抗剪强度影响因素相关性分析

3.2.1 排土场边坡不含根系素土抗剪强度与土体物理性质相关性分析

如表2所示为区内南、北两侧排土场边坡不含根系素土黏聚力c值与其密度、含水率指标之间的相关性分析结果。由该表可知，南侧排土场边坡不含根系素土黏聚力c值与土体密度、含水率之间的相关系数R分别为0.502*(P<0.05)、-0.532*(P<0.05)，北侧排土场边坡不含根系素土黏聚力c值与土体密度、含水率之间相关系数R则分别为0.613**(P<0.01)、-0.431*(P<0.05)。由此可知，区内南、北两侧排土场边坡不含根系素土黏聚力c值与密度之间均呈显著正相关关系，与含水率之间呈显著负相关关系，即不含根系素土密度增加及含水率下降与黏聚力c值的增大显著相关。因此，为有效降低排土场边坡未开展植被恢复和植被退化处变形破坏，除可对坡面进行适度压实增加土体密度以增强土体抗剪强度外，还可通过修建排水沟等措施减轻边坡坡面降水的入渗，避免边坡土体因含水率上升造成抗剪强度下降，影响边坡稳定，防止边坡因局部积水和降雨入渗引发坡体变形、水土流失和滑坡等浅层地表灾害(Pan et al.，2021)。

表2 试验区排土场边坡不含根系素土黏聚力c值与密度、含水率之间相关性分析结果

3.2.2 排土场边坡根-土复合体抗剪强度与土体物理性质及根系特征相关性分析

如表3所示为区内南、北两侧排土场边坡根-土复合体黏聚力c值与其密度、含水率、含根量之间的相关性分析结果。由该表可知，区内南侧排土场边坡根-土复合体黏聚力c值与密度、含水率间的相关系数R分别为0.371*(P<0.05)、-0.339*(P<0.05)，与含根量间的相关系数R为0.431**(P<0.01)，北侧排土场边坡根-土复合体黏聚力c值与密度、含水率间的相关系数R分别为0.348*(P<0.05)、-0.334*(P<0.05)，与含根量间的相关系数R为0.428**(P<0.01)。

表3 试验区排土场边坡根-土复合体黏聚力c值与密度、含水率及含根量之间相关性分析结果

由上述统计分析结果可知，南、北两侧排土场边坡根-土复合体黏聚力c值与土体密度、含水率之间分别呈显著正相关和显著负相关关系，而与含根量之间呈极显著正相关关系，即根-土复合体密度增大、含水率降低以及含根量增加均与根-土复合体黏聚力c值的增大呈显著相关性。此外，通过对比根-土复合体黏聚力c值与密度、含水率、含根量间相关系数R的绝对值大小可知，2处排土场边坡根-土复合体含根量与黏聚力c值间的相关系数|R|均大于其密度及含水率与黏聚力c值之间的相关系数|R|，该对比结果表明，根-土复合体黏聚力c值与含根量之间的相关程度相对最高，即含根量对根-土复合体黏聚力c值影响程度相对较高。

4 结 论

本研究通过对青海北部木里煤田江仓矿区南、北两侧排土场边坡，采用草本垂穗披碱草+冷地早熟禾组合种植，开展了草本根-土复合体与不含根系素土物理力学性质指标试验；在此基础上，运用Pearson相关性分析方法评价了排土场边坡土体黏聚力c值与密度等3项指标之间的相关性。主要得到如下结论：

(1)区内排土场边坡组合种植草本形成根-土复合体结构，相比较于不含根系素土，根-土复合体密度降低幅度6.31%～11.05%，含水率增幅4.47%～26.11%，表明组合种植根系起到显著改变边坡土壤物理性质和水理性质作用。

(2)排土场边坡根-土复合体抗剪强度指标均显著高于不含根系素土，相比较于不含根系素土，根-土复合体黏聚力c值平均增加36.92%，内摩擦角φ值平均增加2.23%，反映出组合种植草本对增强排土场边坡土体抗剪强度和提高边坡稳定性起到显著作用。

(3)排土场边坡根-土复合体黏聚力c值与密度、含水率之间分别呈显著正相关关系(P<0.05)与显著负相关关系(P<0.05)，与含根量间呈极显著正相关关系(P<0.01)，表明土体密度、含水率和含根量对根-土复合体抗剪强度均具有不同程度影响，其中根-土复合体含根量与黏聚力c值之间的相关程度相对最高。