阜新露天煤礦排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量分異特征

王　凱，張　亮，劉　鋒，王道涵，宋子嶺（.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 3000；.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 006）

阜新露天煤礦排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量分異特征

王凱1*，張亮1，劉鋒2，王道涵1，宋子嶺1（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

以阜新露天煤礦排土場(chǎng)邊坡為對(duì)象，分析坡向、坡位和恢復(fù)年限對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀的影響，并采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法，研究排土場(chǎng)邊坡植被恢復(fù)過(guò)程中土壤質(zhì)量變化規(guī)律.結(jié)果表明，排土場(chǎng)邊坡土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量、pH值以及脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性從坡上到坡下均逐漸增加；恢復(fù)10a陰坡土壤含水量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性高于陽(yáng)坡；隨著恢復(fù)年限增加，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和速效磷含量及陰坡堿性磷酸酶活性提高，而土壤 pH值、陽(yáng)坡堿解氮含量及脲酶和過(guò)氧化氫酶活性下降.排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量表現(xiàn)為陰坡＞陽(yáng)坡、坡下＞坡中＞坡上的變化規(guī)律；隨著恢復(fù)年限增加，陽(yáng)坡坡上和坡中及陰坡土壤質(zhì)量增加，而陽(yáng)坡坡下下降.以上結(jié)果說(shuō)明，坡位和坡向是影響排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量的重要因素，應(yīng)根據(jù)具體生境特點(diǎn)，采取不同治理措施，才能完成生態(tài)恢復(fù).

排土場(chǎng)；土壤質(zhì)量；坡向；坡位

土壤質(zhì)量作為土壤的一種固有屬性，是土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映，在維持生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量和動(dòng)植物健康等方面具有重要作用［1］.土壤質(zhì)量作為土壤動(dòng)態(tài)變化最敏感指標(biāo)，能體現(xiàn)自然因素及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤的影響［2］.土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣關(guān)系到生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程、演替方向以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性［3］，因此，土壤質(zhì)量問(wèn)題受到廣泛關(guān)注［4］.

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，煤礦開(kāi)采在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)利益同時(shí)，也嚴(yán)重影響礦區(qū)周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展［5］.露天煤礦排土場(chǎng)是在采煤過(guò)程中，采區(qū)內(nèi)外分層堆置剝離的巖土、矸石、尾礦等廢棄物堆積形成極度退化的生態(tài)系統(tǒng)［6］，其占用了大量耕地，造成土壤、地下水和大氣嚴(yán)重污染，特別是排土場(chǎng)邊坡水土流失嚴(yán)重，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害［7］.坡位和坡向是重要立地因子，不同坡位間水土流失程度不同，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和植被生長(zhǎng)存在差異；不同坡向間由于光照差異，影響了土壤溫度、水分和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化；二者間接影響土壤質(zhì)量和植被恢復(fù)進(jìn)程［8］.排土場(chǎng)邊坡治理過(guò)程中往往采用相同恢復(fù)措施，未區(qū)分不同坡位和坡向土壤性狀的差異性，導(dǎo)致土地復(fù)墾效果不明顯，甚至失?。?］.李海寬等［9］對(duì)內(nèi)蒙古黑岱溝露天煤礦排土場(chǎng)的不同復(fù)墾類(lèi)型土壤進(jìn)行了土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)喬灌混交模式能較好地提高土壤質(zhì)量.王金滿(mǎn)等［10］研究了內(nèi)蒙古伊敏礦區(qū)排土場(chǎng)不同復(fù)墾年限土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著土壤演替，土壤質(zhì)量狀況得到改善，逐漸接近原地貌土壤質(zhì)量.以往研究多集中在排土場(chǎng)平臺(tái)（平面），而對(duì)于面積更大、恢復(fù)更困難的邊坡研究報(bào)道較少.所以，本研究以阜新露天煤礦排土場(chǎng)邊坡為對(duì)象，采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法，研究坡位、坡向和恢復(fù)年限對(duì)土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀影響，探討邊坡植被恢復(fù)過(guò)程中土壤質(zhì)量演變規(guī)律，以尋求恢復(fù)和改善土壤質(zhì)量的對(duì)策，為排土場(chǎng)邊坡植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供理論依據(jù).

1　研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海州露天煤礦排土場(chǎng)，地處遼寧省阜新市（121°38'33″E，41°57'16″N），排土場(chǎng)東西長(zhǎng)7km，南北寬3km，占地16km2.目前，煤礦開(kāi)采近尾期，已經(jīng)停止剝離外排.根據(jù)排土?xí)r間不同，分為東、西2大排土場(chǎng)，東排土場(chǎng)海拔290m，以近年新排剝離土壤為主；西排土場(chǎng)海拔 200m，其排放歷史較長(zhǎng)，現(xiàn)階段部分土地已進(jìn)行了復(fù)墾.該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量539mm，蒸發(fā)量 1800mm，年平均氣溫 7～10℃，平

均相對(duì)濕度 50%～60%.典型地帶性土壤主要為淋溶褐土和褐土性土，排土場(chǎng)基質(zhì)還夾雜著大量不同地層粉沙巖、礫巖、頁(yè)巖等巖石成分以及采煤廢棄物，邊坡土層較薄，約 10～20cm.植被屬華北與蒙古植物區(qū)系過(guò)度地帶，分布著較為旱生的草本和灌木.

1.2研究方法

表1　排土場(chǎng)邊坡植物群落特征Table 1　Character of plant communities on dump slopes

1.2.1樣地設(shè)置2012年7～8月，根據(jù)阜新礦務(wù)局資料記載和實(shí)地勘查，在東排土場(chǎng)植被自然恢復(fù)區(qū)域，選擇 5個(gè)典型坡面為研究對(duì)象，即自然恢復(fù)3a、5a和10a陰坡及5a和10a陽(yáng)坡（陽(yáng)坡植被演替緩慢，5a以?xún)?nèi)植被無(wú)明顯變化）.坡向采用手持羅盤(pán)儀測(cè)量，以北為起點(diǎn)（0°）順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，陰坡為24°，陽(yáng)坡為202°；各坡面長(zhǎng)約60m，坡度為35°左右（坡長(zhǎng)和坡度為排土場(chǎng)常見(jiàn)狀態(tài)）.根據(jù)坡面長(zhǎng)度，將每個(gè)坡面平均分成 3段，劃分出不同坡位（即坡上、坡中和坡下）作為研究樣地.同時(shí)在距離坡底約50m處平地設(shè)置恢復(fù)10a荒草地作為對(duì)照，排土場(chǎng)附近無(wú)高大山脈遮光，均為自然光照水平.共設(shè)置16個(gè)樣地，各樣地植物群落特征見(jiàn)表1.

1.2.2土壤采集與指標(biāo)測(cè)定方法每個(gè)樣地按照S型采集土壤樣品，重復(fù)5次，每個(gè)重復(fù)由隨機(jī)選取的5個(gè)土壤樣品混合而成.采集0～10cm（邊坡土層較薄）原狀土放入密封塑料袋中，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室.將土樣分為兩份，一份為鮮樣，保存于4℃冰箱中，用于土壤酶活性分析及物理性質(zhì)測(cè)定；另一份在自然狀態(tài)下風(fēng)干，用于分析土壤化學(xué)性質(zhì).土壤含水量采用鋁盒烘干法，容重和毛管孔隙度采用環(huán)刀法，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量用濕篩法分析；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用鉬銻抗比色法，pH值采用電位法分析［11］；土壤脲酶采用茶酚次氯酸鈉比色法，堿性磷酸酶采用苯磷酸二鈉比色法，過(guò)氧化氫酶采用KMnO4滴定法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法分析［12］.

1.2.3土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)根據(jù)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的主導(dǎo)性、敏感性、實(shí)用性和獨(dú)立性原則，以及以往研究資料［8］，選取土壤含水量、容重、毛管孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、pH值、脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶構(gòu)成土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo).采用隸屬度函數(shù)對(duì)各土壤因子評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，利用主成分因子負(fù)荷量值正負(fù)性來(lái)確定隸屬度函數(shù)分布的升降性，其中土壤容重和pH值用“S”降型函數(shù)（式 1）求隸屬度值，其它土壤因子用“S”升型函數(shù)求隸屬度值［5］（式2）：

式中：Xmax和Xmin為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值，分別代表測(cè)定土壤指標(biāo)最大值和最小值.

各土壤質(zhì)量指標(biāo)重要性不同，用權(quán)重系數(shù)計(jì)算各土壤質(zhì)量指標(biāo)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的權(quán)重：

式中：CCi為第i項(xiàng)土壤質(zhì)量因子的因子載荷.

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的模糊集加權(quán)綜合方法建立土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型：

式中：SQI 為土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Wi為各土壤質(zhì)量因子的權(quán)重向量；F（Xi）為各質(zhì)量因子的隸屬度值.

1.3數(shù)據(jù)處理

以土壤含水量、容重、毛管孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、pH值、脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶指標(biāo)作為自變量，坡位、坡向和恢復(fù)年限為變量，進(jìn)行三因素方差分析（Three-way ANOVA），分析坡位、坡向和恢復(fù)年限及其交互作用對(duì)各土壤質(zhì)量指標(biāo)的影響；對(duì)于不同坡位、坡向和恢復(fù)年限土壤性狀間差異采用One-Way ANOVA進(jìn)行方差分析，運(yùn)用 Duncan檢驗(yàn)方法進(jìn)行多重比較；并對(duì)土壤酶與理化性狀的關(guān)系采用Spearman方法進(jìn)行相關(guān)分析.所有數(shù)據(jù)處理與分析均運(yùn)用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件完成.

2　結(jié)果與分析

2.1排土場(chǎng)邊坡土壤物理性狀分異

土壤水分是土壤理化性狀變化的介質(zhì)及植物生長(zhǎng)的必要條件.由表2可知，坡位、坡向和恢復(fù)年限對(duì)土壤含水量均具有顯著影響（P＜0.05），不同坡位間表現(xiàn)為坡下＞坡中＞坡上，不同坡向間為陰坡＞平地＞陽(yáng)坡（表3），這與在自然［13］和人工［14］邊坡的研究結(jié)果相似.研究還發(fā)現(xiàn)，排土場(chǎng)邊坡恢復(fù)初期土壤含水量較高，在陰坡表現(xiàn)為恢復(fù)3a＞5a和10a，陽(yáng)坡為恢復(fù)5a＞10a（表3）；這可能由于剛從井下排出的土壤或矸石較潮濕，隨著恢復(fù)年限增加，植被種類(lèi)和數(shù)量逐漸增加，消耗土壤水分增加，含水量下降.陰坡恢復(fù)10a后種間關(guān)系有所緩解，土壤水分逐漸增加，但與恢復(fù)5a差異不顯著（P＞0.05）.

表2　坡位、坡向和恢復(fù)年限對(duì)排土場(chǎng)邊坡土壤性狀影響的方差分析Table 2　Results of three-way ANOVA showing the P values for responses of soil properties to slope aspect，slope position，and recovery time on dump slopes

表3　排土場(chǎng)邊坡土壤物理性狀Table 3　Soil physical properties on dump slopes

土壤容重對(duì)土壤透氣性、入滲性、溶質(zhì)遷移以及持水和抗侵蝕性能具有較大影響.由表3可知，恢復(fù)5a和10a陰坡和陽(yáng)坡土壤容重表現(xiàn)為坡上＞坡中和坡下，這是由于坡上水土流失嚴(yán)重，石礫含量較多，其結(jié)果與在陡坡荒地［15］的研究結(jié)果一致.研究還發(fā)現(xiàn)，坡位和恢復(fù)年限間存在交互作用（P＜0.001）（表 2），隨著恢復(fù)年限增加，陰坡坡上土壤容重表現(xiàn)為恢復(fù) 10a＞5a＞3a，而坡中和坡下為恢復(fù)10a＜3a和5a，這可能由于坡上在植被恢復(fù)過(guò)程中，鐵桿蒿在群落中逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，周邊其他灌木和草本植物逐漸消失，地表蓋度下降，加重水土較流失，出現(xiàn)了砂礫化侵蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致坡上土壤容重逐漸增大；坡上土壤顆粒在水力和重力侵蝕作用下到達(dá)坡中，土層厚度增加，隨著恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，植被逐漸增多，攔蓄作用增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，所以坡中和坡下土壤容重降低.另外，排土場(chǎng)平地土壤容重大于坡中和坡下（P＜0.05）（表 3），這主要由于平地含有大量石礫，而邊坡上的石礫在重力作用下滾落到坡底，所以平地土壤容重較大.

土壤毛管孔隙度代表土壤持水能力，毛管孔隙度越大說(shuō)明土壤能夠吸持更多水分，有利于邊坡植被生長(zhǎng)與恢復(fù).由表2可知，坡位和恢復(fù)年限對(duì)毛管孔隙度影響顯著（P＜0.01），陰坡恢復(fù)3a毛管孔隙度表現(xiàn)為坡下＞坡上＞坡中，恢復(fù)10a為坡中和坡下＞坡上（P＜0.05）（表 3）；坡中在植被恢復(fù)初期毛管孔隙度較低可能由于坡上水土流失嚴(yán)重，坡中截留了大量粒徑較大的石礫，導(dǎo)致土壤毛管孔隙度降低.坡下土壤含水量較高，植被生長(zhǎng)較好，枯落物數(shù)量較多，導(dǎo)致土壤毛管孔隙度較大.恢復(fù)5a和10a陽(yáng)坡土壤毛管孔隙度均表現(xiàn)為坡中和坡下＞坡上的變化規(guī)律（P＜0.05）（表 3），這可能與植被恢復(fù)狀況和枯落物積存數(shù)量較多有關(guān)［13］，其結(jié)果與在丘陵侵蝕區(qū)［16］和天然林［17］邊坡研究結(jié)果相似.研究還發(fā)現(xiàn)，陰坡和陽(yáng)坡坡中和坡下土壤毛管孔隙度大于平地，而坡上小于平地；這可能由于平地土壤在降雨后易發(fā)生板結(jié)，而邊坡土壤在重力作用下易發(fā)生位移在一定程度上減少了板結(jié)發(fā)生.但坡上由于水土流失原因土壤中黏粒數(shù)量較少，毛管孔隙度降低；中下坡位植被和枯落物數(shù)量較多，毛管孔隙度增加.

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體具有機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，能夠反映土壤抗蝕能力.由表2可知，坡位、坡向和恢復(fù)年限對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響顯著（P＜0.001），總體表現(xiàn)為陰坡＞陽(yáng)坡，隨著恢復(fù)年限增加而增大的變化趨勢(shì)（表3），這與植被恢復(fù)有關(guān)，陰坡植被恢復(fù)效果好于陽(yáng)坡，隨恢復(fù)年限增加，植被種類(lèi)和數(shù)量增多，植物根系分泌物及其死亡分解后形成的新鮮多糖和腐殖質(zhì)能團(tuán)聚土粒，有利于形成穩(wěn)定團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，該結(jié)果與在巖石山區(qū)邊坡的研究結(jié)果相似［18］.研究還發(fā)現(xiàn)，坡位和坡向存在交互作用（P＜0.001），水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在恢復(fù)3a和5a陰坡及恢復(fù)5a和10a陽(yáng)坡從坡上到坡下逐漸增加，而恢復(fù)10a陰坡在坡中最大（表3）.水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量從坡上到坡下增加的規(guī)律與以往在坡耕地的研究結(jié)果相似［19］，這主要由于坡面土壤顆粒富集程度從上到下逐漸增加，土層逐漸變厚，從而促進(jìn)了團(tuán)聚體形成；恢復(fù)10a陰坡土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最大值出現(xiàn)在坡中，這主要由于陰坡土壤水分含量較高，坡上土壤在重力、水力和風(fēng)力作用下到達(dá)坡中，增加了坡中土層厚度和土壤中黏粒含量，植被覆蓋度逐漸增大，截留作用增強(qiáng)，有利于團(tuán)聚體形成.此外，平地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量小于坡中和坡下（P＜0.05）（表3），這可能由于坡上土壤在重力和水蝕作用下發(fā)生位移，使坡中和坡下積存黏粒數(shù)量增加，有利于形成團(tuán)聚結(jié)構(gòu).

2.2排土場(chǎng)邊坡土壤化學(xué)性狀分異

土壤養(yǎng)分含量和pH值是限制植物存活與生長(zhǎng)的重要因素，養(yǎng)分有效性影響著植被恢復(fù)進(jìn)程以及演替過(guò)程中種間和種內(nèi)關(guān)系［20］.土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源，是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo).由表4可知，排土場(chǎng)邊坡土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為坡下＞坡中＞坡上的變化規(guī)律，這是由于坡上易發(fā)生水土流失，水分在重力作用下往下排泄，產(chǎn)生土壤侵蝕，造成表層土壤流失，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量下降；從坡上到坡下，土壤顆粒在地表植被和枯落物截留作用下逐漸堆積，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量提高［21］.由表 4還可知，隨著恢復(fù)年限增加，陰坡坡上土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不顯著（P＞0.05），而坡中和坡下表現(xiàn)為恢復(fù)10a＞3a和5a；這可能由于坡上水土流失作用導(dǎo)致植被改良土壤效果不明顯，而中下坡位植物根系分泌物及枯落物分解促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)形成與轉(zhuǎn)化過(guò)程.陽(yáng)坡土壤有機(jī)質(zhì)含量隨恢復(fù)年限變化不顯著（P＞0.05），這主要由于陽(yáng)坡土壤過(guò)度干旱影響了養(yǎng)分循環(huán).可見(jiàn)，陰坡中下坡位土壤養(yǎng)分逐漸積累，更利于植被恢復(fù).此外，排土場(chǎng)平地土壤有機(jī)質(zhì)含量小于陰坡坡中和坡下及陽(yáng)坡坡下（表4），這是由于邊坡土壤在重力作用下，增加了中下坡位土層厚度；而平地土層厚度較薄，影響了植被生長(zhǎng)及土壤改良.

土壤堿解氮包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)氮，能反映土壤近期氮素供應(yīng)狀況.由表2可知，坡位和恢復(fù)年限對(duì)堿解氮含量影響顯著（P＜0.001），陰坡恢復(fù)3a和5a堿解氮含量表現(xiàn)為坡下＞坡上和坡中，陽(yáng)坡恢復(fù)5a為坡下＞坡中＞坡上（P＜0.05）.總的來(lái)說(shuō)，堿解氮含量從坡上到坡下逐漸增加（表4），這與土壤有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律相似.研究還發(fā)現(xiàn)，隨著恢復(fù)年限增加，陰坡表現(xiàn)為恢復(fù) 3a＞5a和 10a，陽(yáng)坡為恢復(fù)5a＞10a（表4）；這可能由于隨著排土場(chǎng)恢復(fù)年限增加，植被種類(lèi)和數(shù)量逐漸提高，消耗土壤養(yǎng)分增加，導(dǎo)致土壤中可利用氮含量下降.此外，排土場(chǎng)平地土壤堿解氮含量與陰坡和陽(yáng)坡無(wú)顯著差異（P＞0.05）（表4）.土壤氮主要來(lái)源為凋落物的歸還，凋落物分解是個(gè)復(fù)雜而緩慢的過(guò)程；由于排土場(chǎng)土壤干旱影響了枯落物腐爛分解，外源氮素補(bǔ)充極少，植物主要利用已有氮素水平，從坡上到坡下隨著土層厚度增加，土壤氮含量呈增加趨勢(shì)，但不同坡向間差異不顯著.

表4　排土場(chǎng)邊坡土壤化學(xué)性狀Table 4　Soil chemical properties on dump slopes

土壤速效磷指土壤中磷的有效性，是衡量土壤中存在的磷能為植物吸收利用的程度.由表 2可知，坡位和恢復(fù)年限對(duì)速效磷含量具有顯著影響（P＜0.001）.陰坡恢復(fù)3a和5a表現(xiàn)為坡下＞坡上，恢復(fù)10a為坡中和坡下＞坡上；陽(yáng)坡恢復(fù)5a表現(xiàn)為坡下＞坡中和坡上，恢復(fù) 10a為坡下＞坡中＞坡上，陰坡和陽(yáng)坡均隨恢復(fù)年限增加而增加（表 4）.說(shuō)明土壤磷在下層積累較多，隨著恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤中可利用的磷含量增加，這可能由于坡下植被恢復(fù)較好，植物根系分泌的有機(jī)酸和磷酸酶增強(qiáng)了土壤磷素的轉(zhuǎn)化.此外，排土場(chǎng)平地土壤速效磷含量大于坡上，小于坡中和坡下，這是由于中下坡位土層厚度增加，促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)與分泌物釋放.

土壤pH值是限制植物存活與生長(zhǎng)的重要因素，過(guò)低或過(guò)高均不利于植物生長(zhǎng).由表 2可知，坡位和恢復(fù)年限對(duì)pH值影響顯著（P＜0.01）.排土場(chǎng)排放初期，土壤pH值屬于中性偏堿，隨著恢復(fù)年限增加pH值逐漸降低，恢復(fù)10a時(shí)，pH值基本呈中性（表 4），對(duì)植被存活生長(zhǎng)沒(méi)有限制作用.土壤pH值從坡上到坡下表現(xiàn)出逐漸升高的變化規(guī)律，這可能是雨水淋溶及土壤顆粒位移導(dǎo)致的結(jié)果.此外，排土場(chǎng)平地土壤pH值與陰坡和陽(yáng)坡無(wú)顯著差異（P＞0.05）（表4）.

2.3排土場(chǎng)邊坡土壤酶活性分異

土壤酶是土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的重要媒介，是土壤質(zhì)量演變的重要生物學(xué)指標(biāo)；其活性高低可以反映土壤生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度與方向［22］，能夠預(yù)報(bào)土壤利用和生物變化的程度［23］，同時(shí)也受多種因素影響［24］.由表2可知，坡位、坡向和恢復(fù)年限對(duì)排土場(chǎng)邊坡不同土壤酶活性影響程度不同.土壤脲酶能促進(jìn)有機(jī)分子肽鍵水解生成氨和 CO2，是衡量土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化強(qiáng)度的重要指標(biāo).由表5可知，脲酶活性從坡上到坡下逐漸增加，說(shuō)明土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化強(qiáng)度逐漸增加，從坡上到坡下土壤中可被植物利用的氮增多，所以導(dǎo)致土壤中堿解氮含量也呈相似的變化規(guī)律（表4）.排土場(chǎng)陰坡脲酶活性為恢復(fù) 5a＞3a，表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；而恢復(fù)10a陰坡坡下和陽(yáng)坡均表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，即恢復(fù) 10a＜5a，土壤中可被植物利用的氮減少.這可能由于排土場(chǎng)恢復(fù)5a到10a，陰坡由草本群落轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄荆ò牍嗄荆┤郝?，?yáng)坡逐漸由一年生草本群落轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄晟荼救郝?在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，植物種類(lèi)和數(shù)量增加，生長(zhǎng)期延長(zhǎng)；對(duì)土壤養(yǎng)分吸收增多，而供給不足，導(dǎo)致脲酶活性下降.此外，平地土壤脲酶活性大于陽(yáng)坡，與陰坡中下坡位無(wú)顯著差異，這可能由于陽(yáng)坡土壤含水量較低，土壤過(guò)度干旱不利于土壤微生物和動(dòng)植物生長(zhǎng)和繁衍［25］，減少了土壤酶來(lái)源.

表5　排土場(chǎng)邊坡土壤酶活性Table 5　Soil enzyme activities on dump slopes

堿性磷酸酶能催化磷酸單脂水解及磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，直接影響有機(jī)磷分解轉(zhuǎn)化及其有效性，其活性高低可作為有效磷轉(zhuǎn)化強(qiáng)弱的指標(biāo).由表5可知，堿性磷酸酶活性從坡上到坡下逐漸增加，陰坡表現(xiàn)為恢復(fù)10a＞3a和 5a，陽(yáng)坡恢復(fù)10a 和5a差異不顯著（P＞0.05），說(shuō)明隨著恢復(fù)年限增加，陰坡土壤中可被植物利用的磷增加.研究發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)10a陰坡＞平地＞陽(yáng)坡（表5），說(shuō)明土壤中磷素供給在陰坡好于陽(yáng)坡，這與在黃土高原［26］的研究結(jié)果相似.這可能由于陰坡蒸發(fā)量小，土壤含水量大，植被生長(zhǎng)旺盛，凋落物不斷增加，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán)；同時(shí)，植物根系伸展和凋落物增加使得微生物不斷繁衍，提高了土壤酶活性［24］.因此，陰坡土壤酶（堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶）活性大于陽(yáng)坡.研究還發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶活性與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)（表 6）；土層厚度增加，促進(jìn)了團(tuán)聚體形成，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造了較好條件，促使植物根系分泌的磷酸酶增加，有機(jī)質(zhì)和速效磷得到提高.

過(guò)氧化氫酶能對(duì)土壤生化過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化氫進(jìn)行破壞，從而減輕其對(duì)植物傷害，其活性能表征土壤腐殖質(zhì)化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累程度.由表2可知，坡向和恢復(fù)年限對(duì)過(guò)氧化氫酶活性均具有顯著影響（P＜0.01）.隨著恢復(fù)年限增加，陰坡表現(xiàn)為恢復(fù) 5a和 10a＞3a，而陽(yáng)坡為恢復(fù)5a＞10a（表 5）；說(shuō)明陰坡土壤腐殖化強(qiáng)度提高，有利于有機(jī)質(zhì)積累，而陽(yáng)坡土壤腐殖化強(qiáng)度降低，養(yǎng)分含量將下降.研究還發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化氫酶活性在恢復(fù)10a陰坡=平地＞陽(yáng)坡，這可能由于植被生長(zhǎng)和恢復(fù)在陰坡好于陽(yáng)坡［8］，其結(jié)果與在黃土丘陵區(qū)［23］相似.此外，過(guò)氧化氫酶與蔗糖酶活性密切相關(guān)，蔗糖酶在土壤呼吸過(guò)程中酶促低聚糖水解生成葡萄糖和果糖，土壤在呼吸作用等生化過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫酶廣泛存在于土壤中，能有效地催化過(guò)氧化氫分解，所以二者關(guān)系密切.

蔗糖酶參與土壤有機(jī)碳循環(huán)，其活性高低能反映土壤中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和呼吸作用強(qiáng)度.由表 5可知，蔗糖酶活性從坡上到坡下逐漸增加，陰坡表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，恢復(fù) 5a＞10a＞3a，這可能由于陰坡恢復(fù)初期，植被逐漸增多，植物根系改良土壤作用增加，土壤中碳素營(yíng)養(yǎng)循環(huán)強(qiáng)度提高；但后期植物消耗養(yǎng)分增加，而土壤中碳素供給不足，影響了碳循環(huán)，導(dǎo)致蔗糖酶活性下降.陽(yáng)坡隨著恢復(fù)年限增加，坡上和坡中表現(xiàn)為 5a＞10a，坡下為 5a＜10a，但差異均不顯著（P＞0.05）.蔗糖酶活性在陰坡=平地＞陽(yáng)坡（表 5）.說(shuō)明陰坡土壤碳循環(huán)較強(qiáng)，更有利于植被恢復(fù).蔗糖酶活性與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量密切相關(guān)（表6），土壤中酶不是呈擴(kuò)散分布，而是存在于不同土壤團(tuán)聚體的微域里，蔗糖酶活性主要集中于微團(tuán)聚體上［27］；有機(jī)質(zhì)形成與轉(zhuǎn)化中許多物質(zhì)是團(tuán)聚體膠體的來(lái)源，所以，蔗糖酶活性可以反映有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化強(qiáng)度.

表6　排土場(chǎng)邊坡土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 6　Correlation coefficients between enzyme activities and soil physical and chemical properties

2.4排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量分異

土壤質(zhì)量是綜合了土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀的指標(biāo)體系，其數(shù)值高低在一定程度上說(shuō)明了植被恢復(fù)難易程度，數(shù)值越高植被越易于恢復(fù)，反之植被恢復(fù)越困難［28］.通過(guò)對(duì)排土場(chǎng)邊坡土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)公因子方差和權(quán)重分析，發(fā)現(xiàn)土壤含水量和過(guò)氧化氫酶活性對(duì)土壤質(zhì)量影響較大，而毛管孔隙度和堿性磷酸酶活性影響較小（表7）.由圖 1可知，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)在陰坡＞陽(yáng)坡，平地土壤質(zhì)量大于陽(yáng)坡，小于陰坡坡中和坡下.這可能由于陰坡土壤含水量高于陽(yáng)坡（表 3），隨著植被恢復(fù)，植被產(chǎn)生的凋落物和根系腐解物在土壤中礦化積累，將有機(jī)物和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素釋放到土壤中，逐漸改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀［29］，土壤質(zhì)量得到提高；而陽(yáng)坡光照充足，水分蒸發(fā)較快，同時(shí)土壤保水能力極差，導(dǎo)致土壤過(guò)度干旱，枯落物無(wú)法腐爛分解轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分，原有土壤養(yǎng)分和水分資源消耗殆盡，導(dǎo)致陽(yáng)坡土壤質(zhì)量低于陰坡.

隨著恢復(fù)年限增加，陰坡表現(xiàn)出升高趨勢(shì)，與恢復(fù)5a相比，恢復(fù)10a坡上、坡中和坡下分別增加了15.13%、45.23%和22.43%.而陽(yáng)坡不同坡位土壤質(zhì)量綜合指數(shù)表現(xiàn)出不同規(guī)律，坡上和坡中分別增加了1.18%和12.47%，坡下下降了2.96%.這可能由于從坡上到坡下，土壤水分、養(yǎng)分和酶活性逐漸增加，恢復(fù)初期坡下更利于植物生長(zhǎng)，植被恢復(fù)效果較好，植物種類(lèi)和數(shù)量迅速增加［8］，所以植物對(duì)水分和養(yǎng)分需求也增大.然而，由于陽(yáng)坡土壤干旱，植物枯萎后仍留在原地，一方面無(wú)法腐爛分解轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤更加貧瘠，無(wú)法滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)需求；另一方面，枯草占據(jù)了地上和地下生長(zhǎng)空間，影響了新生植物生長(zhǎng)和其它植物定居，植被恢復(fù)困難，土壤質(zhì)量下降，陽(yáng)坡可能會(huì)發(fā)生逆向演替.

此外，陰坡和陽(yáng)坡不同坡位間土壤質(zhì)量均表現(xiàn)為坡下＞坡中＞坡上的變化規(guī)律（圖 1），這主要由于土壤顆粒在重力以及風(fēng)力和水力侵蝕下不斷向下滾動(dòng)，土層厚度逐漸增加，土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量以及脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活也隨之提高（表3、表4和表5），土壤質(zhì)量發(fā)生變化.由此，可以看出坡位和坡向是影響排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量變化的重要因素，不同坡位和坡向由于光照條件和水土流失特點(diǎn)的差異，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)及酶活性不同.因此，應(yīng)根據(jù)排土場(chǎng)邊坡具體生境特點(diǎn)，采取不同恢復(fù)措施.陽(yáng)坡土壤過(guò)度干旱且保水能力差、土壤貧瘠、影響?zhàn)B分周轉(zhuǎn)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)自然恢復(fù)，必須采取人工恢復(fù)措施.所以，在陽(yáng)坡應(yīng)采水肥管理措施，如定期澆水，施用保水劑，在有條件的地方可修建滴灌系統(tǒng)；同時(shí)在底肥中施用有機(jī)肥，生長(zhǎng)旺季增施氮肥，保證養(yǎng)分供給充足，促進(jìn)邊坡植物群落盡快形成.陰坡的主要問(wèn)題是坡上的水土流失和演替后期的養(yǎng)分短缺，所以，在坡上修建排水溝，防治水土流失，保護(hù)植被生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)季施氮肥.

本研究是基于排土場(chǎng)邊坡恢復(fù) 10a以?xún)?nèi)土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果，由于排土場(chǎng)規(guī)范排放和管理從近10a才開(kāi)始，以往排土場(chǎng)排泄混亂，隨便找個(gè)地方就排了，伴有大量生活垃圾，以及放牧、耕作和復(fù)墾等人類(lèi)活動(dòng)影響，無(wú)法找到未受干擾自然恢復(fù) 10a以上的排土場(chǎng)樣地.由于研究時(shí)段較短以及研究樣地限制，部分土壤酶活性與理化性狀指標(biāo)未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系（表 6）；因此，對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)開(kāi)展長(zhǎng)期定位觀(guān)測(cè)研究，是未來(lái)工作的重點(diǎn).

表7　排土場(chǎng)邊坡各土壤質(zhì)量指標(biāo)公因子方差和權(quán)重Table 7　Communality and weight of indicators for soil quality assessment on dump slopes

圖1　排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量綜合指數(shù)Fig.1　Soil quality indices on dump slopes

3　結(jié)論

3.1排土場(chǎng)邊坡土壤含水量表現(xiàn)為坡下＞坡中＞坡上，毛管孔隙度和陽(yáng)坡水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在坡

下較大，而容重在坡下較?。煌寥篮亢退€(wěn)性團(tuán)聚體含量在陰坡＞陽(yáng)坡；隨著恢復(fù)年限增加，土壤含水量和陰坡坡中和坡下及陽(yáng)坡容重下降.

3.2排土場(chǎng)邊坡土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量及 pH值從坡上到坡下逐漸增加；隨著恢復(fù)年限增加，速效磷和陰坡坡中和坡下有機(jī)質(zhì)含量增加，堿解氮含量和pH值下降.

3.3排土場(chǎng)邊坡土壤脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性從坡上到坡下逐漸增加，恢復(fù)10a陰坡土壤堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性大于陽(yáng)坡；隨著恢復(fù)年限增加，陰坡坡下和陽(yáng)坡脲酶活性和陽(yáng)坡過(guò)氧化氫酶活性下降，陰坡堿性磷酸酶活性增加，陽(yáng)坡堿性磷酸酶和蔗糖酶活性變化不顯著.

3.4排土場(chǎng)邊坡土壤質(zhì)量表現(xiàn)為陰坡＞陽(yáng)坡、坡下＞坡中＞坡上的變化規(guī)律；隨著恢復(fù)年限增加，陰坡及陽(yáng)坡坡上和坡中土壤質(zhì)量增加，而陽(yáng)坡坡下土壤質(zhì)量下降.

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致謝：本文在寫(xiě)作過(guò)程中得到中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所胡亞林副研究員的幫助，在此表示感謝.

Soil quality variability on dump slopes of opencast coalmine in Fuxin.

WANG Kai1*，ZHANG Liang1，LIU Feng2，WANG Dao-han1，SONG Zi-ling1（1.College of Resource and Environmental Sciences and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China；2.Shenyang Research Institute，China Coal Technology and Engneering

Group，Shenyang 110016，China） .

China Environmental Science，2015，35（7）：2119～2128

In the present study，the effects of slope aspect，slope position，and succession years on soil physical，chemical and biological properties in opencast coalmine dumps in Fuxin city were analyzed，and changes of soil quality in the progress of vegetation restoration of the dump slopes were explored using the method of soil quality index. The results showed that the soil water，organic matter，available nitrogen and phosphorus content，pH value，and urease，alkaline phosphatase and invertase activities increased from upper part to lower part of slope. The values of soil water content，water-stable aggregates content，alkaline phosphatase，catalase and invertase activities were higher on the shady slope than on the sunny slope after 10 years restoration. With the succession years increase，the soil water-stable aggregates and available phosphorus content，and alkaline phosphatase activity on the shady slope gradually increased，but the soil pH value，and available nitrogen content，urease and catalase activities on the sunny slope gradually declined. The soil quality was higher on the shady than sunny slope，but decreased in the order of lower part＞ middle part ＞ upper part. With the succession years increase，soil quality increased on the shady slope and at the upper and middle part of sunny slope，while it declined at lower part of sunny slope. These results indicated that slope aspect and slope position played a critical role in soil quality on the slope of coalmine dumps. Therefore，in order to reclaim successfully the slope of coalmine dumps in Fuxin city，different restoration measures should be carried out based on different characteristics of habitat.

dump；soil quality；slope aspect；slope position

X171

A

1000-6923（2015）07-2119-10

2014-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（31400613，51474119）

* 責(zé)任作者，講師，wangkai_2005@hotmail.com

王凱（1981-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師，博士，主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)研究.