植物根系对矿区排土场边坡细沟发育过程的影响研究

作     者：李瑞栋 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王文龙

授予年度：2023年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 090707[农学-水土保持与荒漠化防治] 0907[农学-林学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：细沟侵蚀 根系 排土场边坡 矿区 原位放水冲刷试验 

摘      要：鄂尔多斯地区因煤矿开采形成的排土场数量庞大、分布十分广泛,是新时期新增水土流失的重要地貌单元,其中细沟侵蚀是排土场边坡土壤侵蚀的主要方式之一,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的70%左右。植物措施在防治边坡细沟侵蚀过程中发挥重要作用,尤其是植物根系通过改良土壤性质和结构,有效抑制细沟发育过程,但植物根系对排土场边坡细沟侵蚀的影响研究还十分薄弱,直接影响排土场水土流失防治和生态环境建设的效果。因此,本研究以鄂尔多斯典型矿区排土场边坡为研究对象,选取披碱草和油蒿分别作为须根系和直根系植物的典型代表,采用原位冲刷试验,研究两种植物不同根系对排土场边坡细沟发育过程、产流产沙、水动力学特性的影响,阐明植物根系对细沟侵蚀的影响,为矿区排土场边坡水土流失措施有效配置提供科学参考。取得如下主要结论:(1)细沟宽度、细沟深度、细沟面积、细沟体积与冲刷流量呈极显著正相关。油蒿根系、披碱草-油蒿混合根系、披碱草根系控制细沟宽度发育的效果并无显著差异,其中披碱草根系控制细沟宽度的效果最佳,与裸地小区相比细沟宽度减小了31.0%。植物根系有效抑制细沟沟深的发育,相较裸地小区减小14%～75.3%。裸地小区细沟平均宽深比均小于1,细沟沟型表现为“窄深型,其他三个植被根系小区细沟平均宽深比均大于1,细沟沟型表现为“宽浅型。冲刷流量2 L/min条件下,植物根系对于细沟面积发育的抑制效果较弱;冲刷流量4 L/min条件下,植物根系有效抑制细沟面积的发育,其中披碱草根系和披碱草-油蒿混合根系抑制效果更好,与裸地小区相比细沟面积减少58.9%～59.0%。披碱草根系对于细沟体积发育的抑制效果最佳,与CK小区相比最大可减小77.1%。(2)植物根系有效削弱径流剪切力和径流功率,提高径流阻力系数,作用效果从小到大排序依次为油蒿根系、披碱草-油蒿混合根系、披碱草根系。各小区产流率、产沙率均与冲刷流量呈极显著正相关。植物根系存在使各小区产流率和产沙率显著降低,作用效果从小到大排序依次为油蒿根系、披碱草-油蒿混合根系、披碱草根系。植物根系对于排土场边坡细沟侵蚀均具有一定的抑制作用,披碱草根系的作用最大,其次为油蒿-披碱草混合根系,油蒿根系作用最弱。产沙率与径流剪切力、径流功率、阻力系数、产流率呈极显著线性相关(R=0.44～0.84,P油蒿-披碱草混合小区油蒿小区。(4)细沟深度、细沟体积与各小区土壤颗粒组成、有机质含量、土壤孔隙度均存在显著或极显著相关。土壤粘粒、粉粒含量、有机质含量、土壤孔隙度越大,土壤砂粒含量越小对细沟深度、细沟体积发育的抑制作用越大,植物根系对细沟侵蚀抑制效果排序为披碱草根系油蒿-披碱草混合根系油蒿根系。(5)细沟深度、细沟面积与根表面积密度、根体积密度、根长密度、根质量密度均呈极显著负相关,各根系特征参数均与产沙率呈显著负相关,相关系数表现为r(根体积密度)r(根质量密度)r(根长密度)r(根表面积)。植物根系对于细沟发育过程的影响主要通过改变土壤特征来实现,植物根系和土壤均对细沟发育过程产生重要影响。二者一方面通过直接参与细沟发育过程,影响细沟形态,另一方面通过影响坡面径流(径流功率、阻力系数)对细沟发育过程产生间接影响。