植被在采矿后地貌侵蚀控制中的量化作用：一项实验水槽研究

语 本研究通过实验室水槽实验，创新性地量化了采矿后土壤在裸土与植被覆盖下的侵蚀率差异。利用澳大利亚Hunter Valley矿区材料，结合1-in-2-year暴雨模拟，揭示植被可降低侵蚀率至少5倍以上（RUSLE C因子），并有效抑制细沟形成（rilling）。成果为侵蚀模型（USLE/RUSLE、LEMs）参数化提供可靠数据，对矿区生态修复设计具有重要实践意义。

　　

文章内容归纳总结

ABSTRACT

采矿后地貌的侵蚀率需与周边环境相似，但现场监测耗时且昂贵。本研究采用实验室水槽（laboratory flume）量化澳大利亚Hunter Valley采矿后土壤的侵蚀动态。通过模拟1-in-2-year暴雨事件，测定裸土与植被覆盖条件下的侵蚀率（erosion rate）和侵蚀形式（erosion form）。结果显示，裸土侵蚀率高达642 t ha^?1 yr^?1，植被覆盖后降至<10 t ha^?1 yr^?1，降幅超5倍。植被清除虽增加侵蚀，但仍低于裸土水平。该方法为土壤侵蚀模型（如RUSLE、LEMs）提供了高效参数化途径。

1 Introduction

植被通过地上生物量（Above-Ground Biomass, AGB）降低雨滴冲击、增加地表粗糙度，以及地下生物量（Below-Ground Biomass, BGB）增强土壤抗剪强度，显著抑制侵蚀（Hudson, 1993; Willgoose, 2018）。采矿后地貌需确保侵蚀率达标（Queensland Government, 2023），但传统田间地块（field plots）依赖自然降雨，数据获取缓慢。实验室水槽可灵活调整坡度与径流（run-off），成为可靠替代方案。本研究聚焦三种采矿混合材料，量化植被在侵蚀控制中的角色。

2 Study Sites, Soils and Flume Operation

2.1 Material Preparation

研究选取Hunter Valley矿区三种代表性材料：Material 1（新构建表土与废石混合）、Material 2a（暴露1年）和Material 2b（新暴露）。材料经混合、干燥后，分析电导率（EC）、pH、粒径分布（表1）。Material 1为粉壤土（silty loam），RUSLE K值0.055；Material 2a为砂壤土（sandy loam），K值0.03；Material 2b为粉壤土，K值0.055。所有材料渗透率<5 mm h^?1。

2.2 Flume Description

水槽长3 m、宽0.3 m、深0.4 m，底部铺设砂层与土工布，坡度可调（0–35%）。顶部水箱控制径流，出口收集地表与地下水，实现水量平衡（water balance）。

2.3 Material Placement

材料分层填充至150 mm厚度，饱和后静置7天，确保初始条件一致。无边缘效应或裂隙干扰。

2.4 Rainfall and Water Balance

基于澳大利亚气象局1-in-2-year暴雨数据（图4），将降雨强度（mm h^?1）转换为水槽径流（0–20 L min^?1）。径流与入渗（infiltration）全程量化。

2.5 Flume Operation

从低强度长历时暴雨开始，逐步增加流量。采集“首冲”（first flush）与稳定径流样本，通过重量法（gravimetric method）计算侵蚀率（g s^?1，转换为t ha^?1 yr^?1）。坡度测试包括5%、15%和25%。

2.6 Influence of Vegetation on Erosion

裸土测试后，Material 1自然生长18个月；Materials 2a/2b播种日本粟（Jap Millet），生长3个月。植被成熟后复测侵蚀率，并评估清除植被的影响。

3 Results

3.1 Material Properties

材料物理性质差异显著（表1、表2）。Material 1黏粒含量26%，岩块>2 mm占比66%；Material 2b岩块占比86%，侵蚀风险最高。

3.2 Material Erosion Characteristics

• Material 1：裸土在25%坡度形成浅沟（rilling），侵蚀率298 t ha^?1 yr^?1（图7）。植被覆盖后侵蚀消失，清除植被后侵蚀率升至68 t ha^?1 yr^?1（图10）。
• Material 2a：裸土侵蚀率378 t ha^?1 yr^?1，植被覆盖后降至<10 t ha^?1 yr^?1（图8, 图11）。
• Material 2b：裸土侵蚀率642 t ha^?1 yr^?1，沟蚀明显（图9）；植被覆盖后侵蚀率接近零。

3.3 Sediment Loads

植被使侵蚀率平均降低20–130倍（表3）。Material 1清除植被后侵蚀率仍为裸土的1/5，显示地下生物量（BGB）与有机层（organic mat）的关键作用（图12）。

4 Discussion

4.1 Erosion, Erosion Resistance and Material Surface