利用無(wú)人機(jī)技術(shù)探討地形因子對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

煤炭開采對(duì)環(huán)境、土地和人民生活造成了巨大影響，露天開采尤其嚴(yán)重。排土場(chǎng)即露天礦開采過(guò)程中采礦排棄物集中排放的場(chǎng)所，對(duì)于排土場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建已成為近年來(lái)土地合理高效利用所關(guān)注的焦點(diǎn)。李晉川等人對(duì)安太堡露天礦復(fù)墾地不同植被恢復(fù)模式下土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物區(qū)系進(jìn)行分析和土壤生態(tài)肥力評(píng)價(jià);劉衛(wèi)華等人以安太堡露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)復(fù)墾區(qū)刺槐+油松配置模式固定監(jiān)測(cè)樣地為研究平臺(tái)，在植被調(diào)查和土壤因子分析的基礎(chǔ)上，揭示種群基本特征與土壤因子之間的動(dòng)態(tài)規(guī)律;楊睿璇等人以安太堡露天礦內(nèi)排土場(chǎng)為研究對(duì)象運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析了土壤理化性質(zhì)空間變異性，為土壤改良和土壤質(zhì)量檢測(cè)提供有針對(duì)性的指導(dǎo);張雅楠等人以黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)為研究對(duì)象，將未受人工干擾的排土場(chǎng)作為對(duì)照，研究排土場(chǎng)復(fù)墾地的植被群落特征和土壤理化性質(zhì)的變化，并用主成分分析法對(duì)排土場(chǎng)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);李鵬飛等人以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)墾地不同恢復(fù)模式下的土壤理化性質(zhì)及相關(guān)性進(jìn)行測(cè)定與分析，以期為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù);張萌等人對(duì)山西平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦排土場(chǎng)4種重構(gòu)土壤方案的土壤粒徑分布進(jìn)行了多重分形參數(shù)計(jì)算，黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)土地復(fù)墾以及重構(gòu)土壤質(zhì)量的量化提供理論依據(jù)。

綜上所述，就西北部干旱半干旱地區(qū)露天礦復(fù)墾土壤質(zhì)量的研究，大都通過(guò)植被群落特征對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，從高精度地形出發(fā)，研究地形因子與土壤物理性質(zhì)之間的關(guān)系的研究較少。對(duì)于大型露天礦來(lái)講，排土場(chǎng)復(fù)墾是整個(gè)礦區(qū)復(fù)墾工程的重中之重，在排土場(chǎng)復(fù)墾的各個(gè)環(huán)節(jié)中，土壤重構(gòu)是其關(guān)鍵，土壤重構(gòu)本質(zhì)上也是地形重構(gòu)，研究地形因子與排土場(chǎng)復(fù)墾土壤的物理性質(zhì)的關(guān)系就顯得尤為重要。因此，本文以內(nèi)蒙古錫林浩特勝利田一號(hào)露天礦北排土場(chǎng)作為研究對(duì)象，以無(wú)人機(jī)影像獲 取 的 分 辨 率 為 0.06 m 的數(shù)字表面模型 （DSM） 為底圖， 選取土壤含水量、容重、比重和孔隙度4個(gè)物理指標(biāo)，探討地形因子對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，為露天礦排土場(chǎng)重構(gòu)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

勝利一號(hào)露天礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市西北部勝利蘇木境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°30′～116°26′，北緯43°57′～44°14′。境內(nèi)及其周圍地勢(shì)平坦， 草原植被發(fā)育，地形略呈西高東低。本區(qū)屬半干旱草原氣候，每年的6、7、8月為雨季，占全年降水量的71%。土壤類型主要由栗鈣土、 草甸栗鈣土、 草甸土等組成。 北排土場(chǎng)2006年 投入治理， 采取 “一 排、二覆、三沙障、四種、五灌、六養(yǎng)護(hù)” 的復(fù)墾模式，主要種植沙打旺、苜蓿、披堿草和檸條等植物，2009 年完成綠化復(fù)墾。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

1.2 土壤樣品的采集及測(cè)定

露天礦排土場(chǎng)復(fù)墾分為邊坡和平臺(tái)。本次采集土壤樣品采用隨機(jī)取 樣 法， 利 用 環(huán) 刀 取 表 層0～10cm的土壤， 分別在邊坡取樣38 個(gè)， 平臺(tái)取樣79個(gè)，同時(shí)選擇附近未擾動(dòng)的表層土作為對(duì)照，并用 GPS確定采樣點(diǎn)位置。土壤樣品自然風(fēng)干后進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)包括土壤含水量、容重、比重 和孔隙度。其中土壤含水量采用烘干稱重法，容重 采用環(huán)刀法，比重采用排水稱重法，孔隙度采用土 壤容重和比重計(jì)算而得， 每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3 次， 取平均值。

1.3 地形專題圖獲取為了獲得高精度的地形專題圖，選用四旋翼無(wú)人機(jī) DJIMatriceM100平臺(tái)搭載ZenmuseX3非量測(cè)可見光數(shù)碼相機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)。航測(cè)時(shí)天氣晴朗，微風(fēng)，飛行相對(duì)航高為100 m，航向和旁向重疊度分別為80%和60%。航測(cè)影像經(jīng)快速處理檢核合格后進(jìn)入內(nèi)業(yè)處理，利用 Pix4D 軟件，得到排土場(chǎng)數(shù)字表面模型 （DSM）， 分辨率為0.06 m， 最后利用 ArcGIS獲得排土場(chǎng)坡度、高程、地表粗糙度等地形專題圖。其中，坡度按照 《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》 （GB-T15772-1995），結(jié)合實(shí)地情況分級(jí)，分為《5°、5°～25°、25°～35°和》35°這4 個(gè)級(jí)別;研究區(qū)復(fù)墾排土場(chǎng)屬于多臺(tái)階式，邊坡和平臺(tái)交替分布，故高程分別按邊坡和平臺(tái)進(jìn)行分級(jí)，其中平臺(tái)由低到高分為 G、L、M、H 這4個(gè)等級(jí)，邊坡由低到高分為 L、M、H 這3 個(gè)等級(jí); 地表粗糙度分為1.0～1.1、1.1～1.4、1.4～2.0這4個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

土壤物理性質(zhì)是土壤質(zhì)量的重要組成部分，反映土壤結(jié)構(gòu)屬性， 影響土壤保持和供應(yīng)水肥的能力。土壤基本物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析表見表1。

由表1可以看出，排土場(chǎng)土壤的物理性質(zhì)和當(dāng)?shù)匚磾_動(dòng)土相比有明顯的變化。土壤容重值約80%在1.4g/cm3 以上，說(shuō)明土壤結(jié)構(gòu)過(guò)緊實(shí)， 原因可能是復(fù)墾機(jī)械反復(fù)碾壓所致; 在一定范圍內(nèi)， 土壤的容重越小， 表明土壤的結(jié)構(gòu)性越好越疏松， 越有利于水氣的交換， 反之則土壤結(jié)構(gòu)性差， 板結(jié)，不利于植物生長(zhǎng)，因此研究區(qū)土壤不利于植物 生長(zhǎng)。排土場(chǎng)土壤比重、孔隙度和土壤含水量均小 于未擾動(dòng)土，其中土壤比重小于未擾動(dòng)土，這可能是排土場(chǎng)土壤經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后結(jié)構(gòu)較差所致。土壤孔隙度在30%～40% 之間， 原因是研究區(qū)土壤經(jīng)過(guò)剝離、排放，原有的土層順序被破壞，且排土場(chǎng)土壤與未擾動(dòng)土相比，多屬于砂土，大孔隙較多，更加不利于保水保肥。同時(shí)反映到土壤含水量與未擾動(dòng)土相比，下降了68%～76%。

2.2 地形因子對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2.2.1 地形因子與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性分析

不同的地形因子對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響效果不同，為此采用SPSS軟件對(duì)地形因子和土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性分析。地形因子與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性見表2。

由表2可以看出，土壤容重與坡度、地表粗糙度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即排土場(chǎng)邊坡土壤的容重值 小于平臺(tái)土壤的容重值，這與表1呈現(xiàn)的結(jié)果是一 致的，且地表粗糙度大的區(qū)域土壤容重值小，與高 程呈正相關(guān)關(guān)系， 即隨著高程降低， 容重值減小。土壤孔隙度則正相反，與坡度、地表粗糙度呈正相 關(guān)關(guān)系，即坡度越大土壤結(jié)構(gòu)越松散，隨地表粗糙 度增加， 孔隙度也隨之變大， 與高程成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即高程從高到低，孔隙度由小變大。而土壤比 重、含水量受地形因子影響較小。因此，下面重點(diǎn) 分析土壤容重、孔隙度與地形因子的空間關(guān)系。

2.2.2 土壤容重與地形因子的空間關(guān)系

首先將土壤容重以 0.1g/cm3 為間隔分為 5級(jí)，然后將其疊加到排土場(chǎng)坡度、高程、地表粗糙度專題圖上，得到采樣點(diǎn)土壤容重與地形因子的空間關(guān)系分布圖如圖2所示，并按照地形因子分級(jí)統(tǒng)計(jì)不同級(jí)別的土壤容重占比如圖3所示，進(jìn)而分析土壤容重受地形因子影響的空間分布趨勢(shì)。

圖2 采樣點(diǎn)土壤容重與地形因子的空間關(guān)系分布圖

圖3 不同地形因子分級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤容重分級(jí)占比

由圖3 （a） 可以看出，坡度為《5°的大部分區(qū)域?yàn)榕磐翀?chǎng)平臺(tái)， 容重值多集中在 1.5g/cm3 以上，其中大于1.5g/cm3 的采樣點(diǎn)占比約為43%。隨著坡度的增加，地形逐漸由平臺(tái)向邊坡過(guò)渡，低容重值土壤的占比逐漸增大，高容重值的土壤占比逐漸變小。

由圖2 （a） 可以看出， 低容重值多出現(xiàn)在平臺(tái)與邊坡的過(guò)渡地帶，分析原因是由于風(fēng)力和雨水等的侵蝕平臺(tái)邊緣或者邊坡土壤會(huì)塌落下來(lái)沉積在此處，邊坡塌落示意圖如圖4 所示， 因此較為松散，而且過(guò)渡地帶的坡度多集中分布在5°～25°之間，因此從圖2 （a） 和圖3 （a） 均可以看出， 坡度在5°～25°之間容重值小的土壤占比較高。

圖4 邊坡塌落示意圖

由圖2 （b） 和 （c） 可以看出， 排土場(chǎng)平臺(tái)土壤的容重值均大于邊坡土壤的容重值，這是由于平 臺(tái)受機(jī)械壓實(shí)程度大，而邊坡沒(méi)有機(jī)械壓實(shí)，故平臺(tái)土壤較緊實(shí)，容重較大; 由圖3 （c） 可以看出，平臺(tái) H 的容重值最大， 這可能與復(fù)墾年限和復(fù)墾工序有關(guān)，排土場(chǎng)由低層到高層復(fù)墾，低層排土場(chǎng)較早復(fù)墾， 自然恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng)， 土質(zhì)也更加疏松（容重值?。?但同時(shí)平臺(tái) G 的土壤容重值大于平臺(tái) M 和平臺(tái)L 的土壤容重值， 這是因?yàn)槠脚_(tái) G 作為整個(gè)排土場(chǎng)輸送排覆材料的主路徑，受到排土機(jī)械碾壓的影響面積最大，因此其容重值反而比上兩層平臺(tái)容重值高。

由圖2 （c） 可以看出， 邊坡粗糙度大于平臺(tái)部位，而排土場(chǎng)平臺(tái)的土壤容重值均大于對(duì)應(yīng)的邊坡土壤的容重值，因此二者呈負(fù)相關(guān)，與表2的結(jié)果一致。

從圖3 （d） 可看出， 隨粗糙度增大， 容重值小于1.5g/cm3 的土壤占比增加，分析原因可能是平臺(tái)在受機(jī)械壓實(shí)的過(guò)程中， 不僅增大了土壤容重，而且地表比較平整，而邊坡沒(méi)有壓實(shí)，故粗糙度比平臺(tái)大， 加之邊坡土壤容重小易出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕，且細(xì)溝侵蝕出現(xiàn)后進(jìn)一步導(dǎo)致地表糙度增大。

2.2.3 土壤孔隙度與地形因子的空間關(guān)系

首先以10% 為間隔將土壤孔隙度分成四級(jí)，將采樣點(diǎn)的孔隙度分級(jí)圖疊加到排土場(chǎng)坡度、高程、地表粗糙度專題圖上，得到采樣點(diǎn)土壤孔隙度的空間分布圖如圖5所示，并按照地形因子分級(jí)統(tǒng)計(jì)不同級(jí)別的土壤孔隙度占比，進(jìn)一步分析土壤孔隙度受地形因子影響的空間分布趨勢(shì)。地形分級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤孔隙度分級(jí)占比如圖6所示。

圖5 采樣點(diǎn)土壤孔隙度空間分布圖

圖6 地形分級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤孔隙度分級(jí)占比

由圖6 （a） 可以看出， 除了坡度在5°～25°的區(qū)域， 其 余 區(qū) 域 的 土 壤 孔 隙 度 大 部 分 集 中 在30%～40%之間。

由圖5 （a） 可以看出，5°～25°屬于邊坡- 平臺(tái)過(guò)渡地帶，和土壤容重的分析原因類似，由于侵蝕或者邊坡塌落現(xiàn)象，這一部分的土壤多為松散的沉積物，因此孔隙度為40% ～50% 之間的土壤占比增大。

由圖5 （b） 可以看出， 邊坡土壤的孔隙度整體高于平臺(tái)土壤孔隙度，這是由于平臺(tái)部位受機(jī)械碾壓所致，隨碾壓次數(shù)的增加，土壤孔隙度呈逐漸遞減的趨勢(shì)， 其中平臺(tái) G 的土壤的孔隙度最小，原因是平臺(tái) G 作為整個(gè)排土場(chǎng)輸送排覆材料的主路徑，受到排土機(jī)械碾壓的影響面積最大。

由圖6 （d） 可以看出， 不同級(jí)別的粗糙度下，孔隙度在30%～40%的均占比最大。從整體來(lái)看，隨著地表粗糙度的增加， 孔隙度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。綜合比較，地表粗糙度對(duì)孔隙度的影響小于坡度和高程對(duì)孔隙度的影響。

3 結(jié) 論

（1） 排土場(chǎng)土壤的物理性質(zhì)與當(dāng)?shù)匚磾_動(dòng)土相比，土壤容重、比重、孔隙度和含水量都發(fā)生了明顯的變化。容重明顯變大，主要是因?yàn)閺?fù)墾排土場(chǎng)受人為擾動(dòng)大， 對(duì)土壤的壓實(shí)程度大， 土壤密實(shí)。其余指標(biāo)均小于對(duì)照土，尤其是土壤含水量，下降了57%以上。對(duì)于內(nèi)蒙古干旱地區(qū)， 水分是考量土壤重構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo)，是制約礦區(qū)植被重建生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵因子。因此在復(fù)墾排土場(chǎng)初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)土壤水分的管理。

（2） 不同的地形因子與不同的土壤物理性質(zhì)之間的關(guān)系不同， 排土場(chǎng)的土壤容重和孔隙度與坡度、高程和地表粗糙度之間存在相關(guān)關(guān)系。土壤容重與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，排土場(chǎng)邊坡的土壤容重值小于平臺(tái)的土壤容重值; 與高程呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著高程降低，容重減小;土壤孔隙度則正相反，與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，坡度越大土壤結(jié)構(gòu)越松散;與高程成負(fù)相關(guān)關(guān)系，從高到低，孔隙度由小變大。綜合考慮， 復(fù)墾排土場(chǎng)邊坡坡度不宜太大，最大控制在25°～30°之間。平臺(tái)受機(jī)械壓實(shí)影響較大， 復(fù)墾工作完成后， 要采取一定的生物措施、物理措施減少壓實(shí)造成的影響，逐步向自然狀態(tài)土壤恢復(fù)。

（3） 無(wú)人機(jī)作為一種新型手段，可以為排土場(chǎng)此類中尺度區(qū)域的研究提供更加詳細(xì)的信息，諸如侵蝕溝/排土場(chǎng)主路徑等信息， 對(duì)于準(zhǔn)確分析排土場(chǎng)的影響因素具有一定的幫助。

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