海州露天礦排土場(chǎng)立地類(lèi)型劃分及立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

高英旭

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

煤炭是我國(guó)最主要的一次性能源，而且這種能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。煤炭資源的開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展起到了重要的支撐作用，但煤炭的開(kāi)采和利用引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，而煤炭開(kāi)采和利用產(chǎn)生的固體廢棄物是引起礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化的關(guān)鍵因素。由于廢棄物特殊的物理化學(xué)性質(zhì)使礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重的污染和破壞，并由此引發(fā)大氣、土壤和水體環(huán)境受到污染，土地資源受到侵占和破壞，土地生產(chǎn)力下降，礦、農(nóng)關(guān)系緊張等諸多環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。目前，對(duì)礦區(qū)廢棄地進(jìn)行生態(tài)植被恢復(fù)已得到世界主要礦產(chǎn)生產(chǎn)國(guó)家的廣泛共識(shí)［1～6］。

從19 世紀(jì)20 年代開(kāi)始，美國(guó)和德國(guó)就率先開(kāi)展煤礦區(qū)廢棄地的重建研究，但限于當(dāng)時(shí)的理論和技術(shù)水平，對(duì)煤矸石山的生態(tài)修復(fù)工作主要集中在簡(jiǎn)易的植被種植上［7］。隨著人類(lèi)對(duì)礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)研究的進(jìn)一步深入，以及許多新方法、新措施的出現(xiàn)，對(duì)礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的理念和效果也得到了進(jìn)一步提高。

對(duì)矸石山不同立地類(lèi)型的劃分是進(jìn)行復(fù)墾造林的重要基礎(chǔ)工作之一，是實(shí)現(xiàn)適地適樹(shù)、科學(xué)造林和提高植被恢復(fù)效率的前提［8］。作者以海州露天排土場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)排矸年限、風(fēng)化層厚度、土壤結(jié)構(gòu)剖面特征、物理性質(zhì)、養(yǎng)分狀況進(jìn)行調(diào)查與分析，并據(jù)此劃分出不同的立地類(lèi)型，旨在為植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海州露天排土場(chǎng)位于阜新市太平區(qū)境內(nèi)、細(xì)河南岸，東西長(zhǎng)3.9 km，南北寬1.8 km，面積約為13 km2，是阜新境內(nèi)煤矸石地的最典型也是最大的代表地塊［9］。地表海拔標(biāo)高為165 ～200 m，平均175 m。地勢(shì)東南高，西北低。該地區(qū)自然降水量少，年際變率大，時(shí)空分布不均勻;多年平均降水量480 mm，最少年份為338.2 mm，最多年份為824.7 mm。

2 研究方法

2.1 剖面調(diào)查

在全面踏查的基礎(chǔ)上，于海州露天矸石山堆積地＞50 a、30 ～50 a、10 ～30 a、≤10 a 的典型地段上，設(shè)置每種類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)地10 塊，共計(jì)40塊。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地挖土壤剖面10 個(gè)，按0 ～15 cm、15 ～30 cm、30 ～60 cm 3 個(gè)層次采集土樣，對(duì)剖面質(zhì)地構(gòu)成、特征進(jìn)行分析并記錄。

2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，按0 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 分3 層挖剖面，采用環(huán)刀法測(cè)試土壤物理性質(zhì);同時(shí)取土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析土壤化學(xué)性質(zhì)。用烘干法測(cè)定土壤自然含水量(森林土壤標(biāo)準(zhǔn)分析方法—物理分析，1988)。全氮用凱氏法;全磷用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法;速氮用堿解擴(kuò)散法;速效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法;速效鉀用1 mol·L-1乙酸銨浸提—火焰光度法(森林土壤標(biāo)準(zhǔn)分析方法—化學(xué)分析，1988)。結(jié)果取其平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦區(qū)廢棄地矸石土類(lèi)型劃分

開(kāi)展海州煤礦排土場(chǎng)立地類(lèi)型劃分及立地質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，它將為排土場(chǎng)植被恢復(fù)、土地資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。很多研究表明，停止排矸年限、矸石堆放高度、表層風(fēng)化物厚度是影響風(fēng)化物化學(xué)性質(zhì)、植被種類(lèi)及生長(zhǎng)狀況的主要因素。因此，可按停止排矸年限劃分排土場(chǎng)的立地類(lèi)型。通過(guò)對(duì)不同風(fēng)化程度的礦區(qū)廢棄地進(jìn)行土壤剖面測(cè)定，分析礦區(qū)廢棄地的土壤條件，根據(jù)排矸年限、風(fēng)化層厚度、土壤結(jié)構(gòu)、孔隙狀況等剖面特征劃分立地類(lèi)型。各類(lèi)型矸石土剖面特征見(jiàn)表1。

表1 海州露天排土場(chǎng)土壤剖面特征Tab.1 The soil profile characteristics of open dumping site in Haizhou

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由表1 可知，Ⅰ類(lèi)矸石山條件較好，排矸年限大于50 a，剖面土壤顏色較暗，顏色較暗的矸石石英含量少，礦物含量較多也較容易風(fēng)化，剖面中矸石石礫較細(xì)，風(fēng)化層較厚約50 cm，土層較疏松;植物根量在土壤剖面表層分布較多，在40 ～60 cm 深度還有較少量分布。該生境的適生植物種類(lèi)較多，具備了進(jìn)行人工植被恢復(fù)的良好條件。

Ⅱ類(lèi)矸石山條件較好，排矸年限較長(zhǎng)，30 ～50 a，剖面土壤顏色較暗，風(fēng)化層較厚約40 cm，土層較疏松;植物根量在土壤剖面表層分布較多，說(shuō)明植物在土壤中能扎根與生長(zhǎng)。該生境適合抗逆性強(qiáng)的灌木或喬木樹(shù)種生長(zhǎng)。

Ⅲ類(lèi)矸石山排矸年限10 ～30 a 左右，土壤顏色稍淺一些，地表上有5%的零星分布的大石塊(15 cm×47 cm)，風(fēng)化的矸石石礫較粗，成小塊狀，風(fēng)化層約為25 cm，土壤緊實(shí)度較緊、通氣性較差;植物根系分布較少。植被恢復(fù)時(shí)應(yīng)采取一些措施。

Ⅳ類(lèi)矸石山排矸年限不足10 a，土壤顏色灰白色、灰褐色均有，顏色比較雜，風(fēng)化層約為10 cm，地面上有大小不等的煤矸石塊，有幾處分布著自燃的“地?zé)帷?，立地條件很差，剖面表層緊實(shí)，有大小不等的石礫，持水性較差。說(shuō)明此類(lèi)矸石山土壤結(jié)構(gòu)不良，保水保肥性能較差。栽植植物時(shí)必須采取有效的造林措施。

3.2 不同類(lèi)型矸石山土壤理化性狀分析

3.2.1 不同類(lèi)型矸石山土壤養(yǎng)分狀況

對(duì)不同類(lèi)型矸石山土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析化驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型矸石山土壤養(yǎng)分狀況Tab.2 The soil nutrient status of different kinds of gangue pile

由表2 可知，Ⅰ類(lèi)矸石山有機(jī)質(zhì)含量最高，為7.05%，達(dá)到了有機(jī)質(zhì)豐富水平。土壤肥力的高低主要取決于有機(jī)質(zhì)含量的多少，生物是土壤有機(jī)物質(zhì)的來(lái)源，是土壤形成過(guò)程中最活躍的因素。說(shuō)明Ⅰ類(lèi)矸石山適生植物種類(lèi)較多，是植被恢復(fù)的首選地塊。Ⅱ類(lèi)矸石山有機(jī)質(zhì)含量最高為6.95%，達(dá)到亞豐富水平。說(shuō)明此類(lèi)矸石山有生長(zhǎng)較多的適生植被，可進(jìn)行有效的植被恢復(fù)。而Ⅲ類(lèi)矸石山和Ⅳ類(lèi)矸石山有機(jī)質(zhì)含量分別為4.54%、3.84%，適生植被相對(duì)較少。在植被恢復(fù)時(shí)需采取人工輔助措施或者不進(jìn)行植被恢復(fù)。四種類(lèi)型矸石山中的全氮含量處于較缺乏狀態(tài);土壤速效養(yǎng)分包括速效氮、速效磷與速效鉀，其含量水平反映了土壤當(dāng)前的供肥能力，四種類(lèi)型矸石山的速效氮、速效磷含量很缺乏，速效鉀含量處于中等水平。根據(jù)全國(guó)土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，礦區(qū)廢棄地矸石山土壤缺N 少P，阻礙樹(shù)木生長(zhǎng)，在矸石山上進(jìn)行植被恢復(fù)可采用人工施用N、P 肥料等輔助措施。

3.2.2 不同類(lèi)型矸石山土壤物理性狀

對(duì)不同類(lèi)型矸石山土壤進(jìn)行物理性狀測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同類(lèi)型矸石山土壤物理性狀Tab.3 The soil physical characteristics of different kinds of gangue pile

由表3 可知，四種類(lèi)型矸石山土壤中，最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙、總孔隙度各項(xiàng)物理指標(biāo)依次是Ⅰ類(lèi)矸石山＞Ⅱ類(lèi)矸石山＞Ⅲ類(lèi)矸石山＞Ⅳ類(lèi)矸石山，土壤容重排列順序?yàn)棰纛?lèi)矸石山＞Ⅲ類(lèi)矸石山＞Ⅱ類(lèi)矸石山＞Ⅰ類(lèi)矸石山，說(shuō)明Ⅰ類(lèi)矸石山綜合物理性狀最好，其次為Ⅱ類(lèi)矸石山，相對(duì)其他類(lèi)型更有利于植被生長(zhǎng)。因此，在礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)過(guò)程中，應(yīng)將Ⅰ類(lèi)矸石山作為首選，其次為Ⅱ類(lèi)矸石山。

3.3 不同類(lèi)型矸石山的利用

Ⅰ類(lèi)矸石山土壤屬礦區(qū)廢棄地中風(fēng)化最好的土壤，其土壤理化性質(zhì)指標(biāo)均為幾種類(lèi)型的最大值。該類(lèi)矸石山占礦區(qū)廢棄地總面積的20%，可持續(xù)營(yíng)造和經(jīng)營(yíng)喬木疏林。目前，該類(lèi)矸石山植被蓋度達(dá)到40%，林下同時(shí)出現(xiàn)了杠柳、酸棗、胡枝子、荊條等灌木樹(shù)種，但灌木層蓋度較低，約5%，高度為1.2 m。一般杠柳和酸棗成片分布，相對(duì)蓋度稍大;而胡枝子和荊條在林下散生。草本層種類(lèi)增加，蓋度增至95%，草群高度也有所增加，約為0.9 m;多年生草本繼續(xù)增加，物種數(shù)占草本植物的76%，特別是多年生禾本科草類(lèi)增加較多。

Ⅱ類(lèi)矸石山土壤屬礦區(qū)廢棄地中風(fēng)化良好的土壤，其土壤結(jié)構(gòu)、持水量、孔隙狀況、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)均較高，只是缺乏N 和P，通過(guò)施肥可補(bǔ)充土壤中N、P 的含量。該類(lèi)矸石山占礦區(qū)廢棄地總面積的20%。目前，主要生長(zhǎng)有山棗、杠柳、荊條、胡枝子等灌木群落，說(shuō)明風(fēng)化層較厚，土壤結(jié)構(gòu)較好，是植被恢復(fù)時(shí)首先被利用的類(lèi)型。由于該類(lèi)矸石山土壤pH 值大于7，因此，適宜栽植各類(lèi)耐堿性喬灌木［10］。

Ⅲ類(lèi)矸石山土壤是風(fēng)化程度中等的煤矸石土壤，土壤顏色較淺，剖面風(fēng)化層厚約25 cm，植物根系分布10 cm 深，表層土較緊實(shí)，最大持水量為321.23 g·kg-1，田間持水量為193.42 g·kg-1，土壤容重為1.37 g·cm-3，剖面25 cm 以下已出現(xiàn)大小不等的煤矸石塊，綜合土壤物理性狀不良。此類(lèi)矸石山占礦區(qū)廢棄地總面積的40%。目前，主要生長(zhǎng)有黃蒿、蘆葦、大針茅等草本群落，說(shuō)明風(fēng)化程度中等，土壤結(jié)構(gòu)一般，土壤通氣性較差。因此，在進(jìn)行礦區(qū)廢棄地復(fù)墾利用過(guò)程中，進(jìn)行土壤改良［14］或采取造林措施是植被恢復(fù)成功的基礎(chǔ)。

Ⅳ類(lèi)矸石山土壤是風(fēng)化程度較差的矸石土壤，排矸年限15 a 左右，土壤顏色灰白色、灰黑色均有，顏色比較雜，地面上有大小不等的煤矸石塊，有零星分布的正在自燃的1 m2大小的地塊，老百姓稱(chēng)它為“火炕”，植物很難扎根，剖面表層緊實(shí)，有大小不等的石礫，最大持水量為256.16 g·kg-1，田間持水量為165.39 g·kg-1，土壤容重為1.59 g·cm-3，整個(gè)剖面均有大小不等的煤矸石塊。此類(lèi)矸石山占礦區(qū)廢棄地總面積的20%。目前，主要生長(zhǎng)有少量狗尾草、虎尾草等草本群落，說(shuō)明矸石風(fēng)化程度很差，幾乎無(wú)風(fēng)化層，無(wú)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，降雨后幾天不滲水，干旱時(shí)土有裂縫。該類(lèi)型矸石土是極端困難立地類(lèi)型之一，不利于植被恢復(fù)。

4 結(jié)論

通過(guò)排矸年限、風(fēng)化層厚度、土壤結(jié)構(gòu)剖面特征、物理性質(zhì)、養(yǎng)分狀況的分析，可將海州露天排土場(chǎng)劃分為四種類(lèi)型:Ⅰ類(lèi)矸石山排矸年限＞50 a，風(fēng)化程度良好，土壤結(jié)構(gòu)較好，風(fēng)化層厚度50 cm，土壤結(jié)構(gòu)較好，物理指標(biāo)均高于其他類(lèi)型矸石山;該類(lèi)型矸石山適生植物種類(lèi)較多，具備了進(jìn)行人工植被恢復(fù)的良好條件。Ⅱ類(lèi)矸石山排矸年限30 ～50 a，風(fēng)化層厚度40 cm，土壤結(jié)構(gòu)良好，物理指標(biāo)低于Ⅰ類(lèi)矸石山而高于Ⅲ、Ⅳ類(lèi)型矸石山;適合于抗逆性強(qiáng)的灌木或喬木樹(shù)種。Ⅲ類(lèi)矸石山排矸年限10 ～30 a，風(fēng)化層厚度25 cm，土壤結(jié)構(gòu)一般，土壤通氣性較差;進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)必須與工程整地、相應(yīng)造林措施相結(jié)合。Ⅳ類(lèi)矸石山排矸年限＜10 a，風(fēng)化層厚度10 cm，地溫高，且有自燃現(xiàn)象，矸石風(fēng)化程度很差，幾乎無(wú)風(fēng)化層、無(wú)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu);尚不能進(jìn)行植被恢復(fù)，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的自然風(fēng)化或人工輔助風(fēng)化措施。

礦區(qū)矸石廢棄地立地質(zhì)量劃分具有重要的應(yīng)用價(jià)值，它將為礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)、土地資源合理利用與改善環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

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