復(fù)墾煤矸山重構(gòu)土壤剖面養(yǎng)分狀況研究

摘要：以山西省霍州曹村煤礦矸石山復(fù)墾6年果園（OP）和復(fù)墾6年草地（GL）為樣地，分析了2種農(nóng)林用地類型煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤100 cm土層養(yǎng)分剖面差異，以期為煤矸山重構(gòu)土壤選擇合適的植被類型提供依據(jù)。結(jié)果表明，煤矸山復(fù)墾6年果園土壤養(yǎng)分含量明顯優(yōu)于復(fù)墾6年草地，其中養(yǎng)分改善程度較好的是土壤全鉀、有效磷、全磷及有機質(zhì)，較差的是土壤全氮和堿解氮。復(fù)墾6年果園土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分含量明顯較常規(guī)果園低，但速效養(yǎng)分中有效磷和速效鉀含量卻優(yōu)于或相當(dāng)于常規(guī)果園；復(fù)墾6年草地除土壤速效鉀含量高于常規(guī)草地外，其余土壤養(yǎng)分含量均明顯低于常規(guī)草地。從兩種復(fù)墾煤矸山100 cm土層養(yǎng)分含量的剖面差異來看，復(fù)墾6年果園土壤全鉀和有效磷含量在土壤表層（0～20 cm）、中層（20～60 cm）和深層（60～100 cm）均高于復(fù)墾6年草地， 土壤有機質(zhì)、堿解氮和全磷的這種差異主要表現(xiàn)在表層或中層，但2種利用形式復(fù)墾地土壤全氮含量在100 cm土層中均無明顯差異。

關(guān)鍵詞：煤矸山；重構(gòu)土壤；復(fù)墾；養(yǎng)分恢復(fù)；果園；草地

中圖分類號：TD88 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4402-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.012

Abstract：To provide a basis evidence for the choice of the vegetation types to different types of reclamation agro-forestry land，the study was conducted in two types of reclamation agro-forestry land as six years orchard after reclamation（OP） and six years grassland after reclamation（GL） on a coal waste pile in Cao village， Huozhou city， Shanxi province， and the difference of soil nutrients within 100 cm soil layers between OP and GL were analyzed. The results showed that soil nutrients contents in OP treatment was better than GL treatment，significantly，and soil total K， available P， total P and soil organic matter were improved，obviously，but soil total N and soil available N were poor. Soil organic matter， soil total N， P and K were lower in OP than in conventional orchard（OP-CK）， but available P and K were better. Soil nutrients in GL were lower than in conventional grassland（GL-CK），except soil available K. Soil total K and soil available P in OP were better than in GL in upper soil layer（0～20 cm），middle layer and deep soil layers，and the difference of soil nutrients between OP and GL appeared in upper soil layer（0～20 cm） and middle layer（20～60 cm），but soil total N was no significant difference between OP and GL within 100 cm soil layer.

Key words：coal waste pile；reconstructed soil；reclamation；nutrient recovery；orchard；grassland

煤矸石是井工開采和洗煤排放的廢棄物，其產(chǎn)生量約為原煤產(chǎn)量的15%或更多。當(dāng)前，中國煤礦開采過程中排放的煤矸石等固體廢棄物累計已超過74億t[1]，煤矸石已經(jīng)成為中國累計存量和占用場地最多的工業(yè)廢棄物。雖有一部分煤矸石可被再利用為建材、燃料，但迄今為止其工業(yè)綜合利用率不足20%[2-4]，所以，煤矸石主要以矸石山形式堆放。中國現(xiàn)有煤矸山1 500多座，占地約1萬hm2[5]，煤矸石堆積不僅占用大量土地，而且可能引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題[6，7]。所以，對煤矸山進行復(fù)墾治理是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實施煤礦區(qū)生態(tài)重建的前提和核心[8]。目前，對煤矸山復(fù)墾治理一般采用推平覆土后進行植被綠化的方式進行[9]，該方法在取土較為便利的北方地區(qū)更為普遍。煤矸山推平覆土后形成與原有土壤結(jié)構(gòu)和層次明顯不同、土壤性質(zhì)變化很大的重構(gòu)土壤，這種重構(gòu)土壤在之后往往優(yōu)先被復(fù)墾為農(nóng)林草用地（如農(nóng)田、果園和草場等）[10]。所以，重構(gòu)土壤肥力恢復(fù)狀況是影響矸石山植被復(fù)墾成敗的關(guān)鍵。由于不同農(nóng)業(yè)用途農(nóng)田在施肥、耕作等農(nóng)作措施方面差異很大，加之不同植物生長時對土壤的改造作用不同。所以，煤矸山復(fù)墾后土地用途不同會造成土壤養(yǎng)分恢復(fù)過程存在差異，而要查明這種差異就有必要研究不同農(nóng)林草用地類型下煤矸山復(fù)墾土壤養(yǎng)分剖面變化狀況，這對矸石山復(fù)墾植被類型的選擇具有指導(dǎo)作用，并且對矸石山土壤培肥也有一定的指導(dǎo)價值。

山西省煤炭資源儲量大、產(chǎn)量高，全省煤礦企業(yè)矸石累計堆存量8.3億t，已形成300多座煤矸山[11]。并且隨著煤炭資源的開采，煤矸石堆積將會增加。近年來，山西省加大了矸石山復(fù)墾治理的力度，多個老礦、大礦的煤矸山通過覆土復(fù)墾的方法得到治理。所以，山西省堪稱復(fù)墾煤矸山土壤養(yǎng)分恢復(fù)狀況研究的樣區(qū)。同時，該區(qū)處于黃土區(qū)，土壤養(yǎng)分貧瘠、水蝕和風(fēng)蝕作用強烈，勢必導(dǎo)致煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤肥力的恢復(fù)有別于其他區(qū)域。因此，以此為研究區(qū)開展復(fù)墾矸石山土壤養(yǎng)分恢復(fù)狀況的研究具有典型性。所以，本研究以山西省霍州曹村礦區(qū)復(fù)墾的煤矸山為研究對象，分析煤矸山復(fù)墾后不同農(nóng)林利用類型土壤養(yǎng)分的差異，可以為煤矸山復(fù)墾植被類型選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市霍煤集團曹村礦區(qū)，該礦區(qū)距霍州市區(qū)約7 km。該區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.1 ℃，年均降雨量437.3 mm，區(qū)內(nèi)山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。土壤類型為褐土，主要作物為一年一熟的冬小麥和玉米，其次為雜糧和蔬菜。

研究樣地位于該礦南下莊矸石山（36°30′47.9″N，111°42′11.1″E）。該矸石山從1959年使用，復(fù)墾時矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6萬m2，垂直高度約50 cm。矸石山于2008年推平覆土綠化，覆土厚度頂部為100～120 cm，邊坡約50 cm，復(fù)墾時覆土土壤均取自煤矸山附近，其0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量為3.63 g/kg，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.29、0.54、19.78 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為29.52、3.67、85.66 mg/kg。

1.2 土樣采集及分析

采樣地為煤矸山復(fù)墾6年果園（OP）和復(fù)墾6年草地（GL），同時選擇樣地附近常規(guī)果園（OP-CK）和草地（GL-CK）為對照，采樣地植被狀況和施肥措施見表1。土壤樣品采集時間為2014年9月25日，根據(jù)樣地形狀，采用S型或?qū)蔷€布點采樣并混合，取土深度為100 cm，每20 cm取一土樣，分5層樣品。

土樣帶回實驗室陰干后磨細，測定指標(biāo)主要包括土壤有機質(zhì)（重鉻酸鉀氧化-外加熱法，GB 9834-87）、土壤全氮（半微量凱氏蒸餾法，GB 7173-87）、全磷（氫氧化鈉-鉬銻抗比色法，GB 7837-88）、全鉀（氫氧化鈉堿溶-火焰光度計法，GB 7854-87）、土壤堿解氮（堿解擴散法）、有效磷（碳酸氫鈉浸提法， GB 7853-87）和速效鉀（乙酸銨-火焰光度計法， GB 7856-87）。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種利用形式復(fù)墾重構(gòu)土壤100 cm土層養(yǎng)分平均狀況

從復(fù)墾6年果園（OP）與果園對照（OP-CK）100 cm土層養(yǎng)分平均含量的差異來看（表2），土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量OP樣地比OP-CK樣地分別低13.1%、17.8%、6.5%和18.0%；而在速效態(tài)養(yǎng)分中，土壤有效磷表現(xiàn)為OP樣地比OP-CK高20.9%，土壤堿解氮OP樣地比OP-CK樣地低14.8%，土壤速效鉀含量兩種樣地間無明顯差異。在復(fù)墾6年草地（GL）中，100 cm土層土壤養(yǎng)分平均含量有機質(zhì)和全量養(yǎng)分均明顯低于GL-CK樣地，其中全鉀最明顯，GL樣地比GL-CK低78.2%，其次為全磷、有機質(zhì)和全氮，分別低40.6%、27.8%和8.1%；在速效態(tài)養(yǎng)分中，除速效鉀表現(xiàn)為GL樣地高于 GL-CK樣地外，堿解氮、有效磷均表現(xiàn)為GL樣地低于GL-CK樣地，分別低31.0%和26.4%。

同時，從復(fù)墾6年果園（OP）和復(fù)墾6年草地（GL）100 cm土層養(yǎng)分平均含量的差異來看，除土壤速效鉀表現(xiàn)為OP樣地低于GL樣地外，其余土壤養(yǎng)分含量均明顯偏高，其中全鉀差異達到304.5%，其次為有效磷、全磷和有機質(zhì)，分別比GL樣地高66.3%、52.6%和26.9%；土壤堿解氮和全氮差異較小，分別比GL樣地高17.2%和8.8%。

可見，與常規(guī)果園養(yǎng)分狀況相比，煤矸山復(fù)墾6年果園土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分含量明顯偏低，而速效態(tài)養(yǎng)分中除土壤堿解氮與常規(guī)果園相比較低外，有效磷和速效鉀含量均高于或相當(dāng)于常規(guī)果園；而復(fù)墾6年草地與常規(guī)草地相比，除土壤速效鉀含量較高外，其余養(yǎng)分含量均明顯低于常規(guī)草地。同時，從兩種復(fù)墾地土壤養(yǎng)分含量的差異來看，復(fù)墾6年果園土壤養(yǎng)分含量總體明顯優(yōu)于復(fù)墾6年草地，其中養(yǎng)分改善程度較好的是土壤全鉀、有效磷、全磷及有機質(zhì)，較差的為土壤堿解氮和全氮。

2.2 兩種利用形式復(fù)墾重構(gòu)土壤100 cm土層剖面養(yǎng)分差異

2.2.1 土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分 表3是復(fù)墾6年果園（OP）和復(fù)墾6年草地（GL）表層（0～20 cm）、中層（20～60 cm）和深層（60～100 cm）土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分含量的差異。由表3可見，在土壤表層（0～20 cm），4種養(yǎng)分中差異最明顯的是土壤全鉀和有機質(zhì)，OP比GL分別高730.7%和133.7%，其次為土壤全磷，OP比GL高46.3%，土壤全氮兩種樣地?zé)o明顯差異；在土壤中層（20～60 cm），4種養(yǎng)分除土壤全鉀表現(xiàn)為OP樣地比GL樣地高117.5%外，其余3種養(yǎng)分均無明顯差異；在土壤深層（60～100 cm），土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為OP比GL低65.6%，而土壤全鉀和全磷均表現(xiàn)為OP樣地高于GL樣地，分別高出671.3%和147.8%。由此可見，與復(fù)墾6年草地相比，復(fù)墾6年果園土壤有機質(zhì)在表層明顯偏高，但土壤深層剛好相反；土壤全氮含量在土壤表層、中層和深層均無明顯差異，但土壤全鉀在土壤表層、中層和深層均表現(xiàn)為OP樣地高于GL樣地，土壤全磷的差異主要表現(xiàn)在表層和深層。

2.2.2 土壤速效養(yǎng)分 圖1是復(fù)墾6年果園（OP）和復(fù)墾6年草地（GL）100 cm土層土壤速效態(tài)養(yǎng)分的剖面差異。從圖1可見，土壤堿解氮在0～60 cm土層均表現(xiàn)為OP樣地高于GL樣地，其中0～20 cm土層差異最大；土壤有效磷在0～100 cm土層中均有差異，其中0～20 cm土層差異最大；但土壤速效鉀在0～100 cm土層的表現(xiàn)有所不同，在0～40 cm土層表現(xiàn)為OP樣地高于GL樣地，但40～100 cm土層則表現(xiàn)為GL樣地高于OP樣地。由此可見，復(fù)墾6年果園和復(fù)墾6年草地土壤速效態(tài)養(yǎng)分的剖面差異表現(xiàn)為土壤有效磷在整個100 cm土層均表現(xiàn)為OP高于GL，土壤堿解氮這種表現(xiàn)僅出現(xiàn)在0～60 cm土層，但土壤速效鉀在0～40 cm土層和40～100 cm土層表現(xiàn)剛好相反。

3 小結(jié)與討論

3.1 討論

研究發(fā)現(xiàn)，煤矸山復(fù)墾6年果園100 cm土層土壤養(yǎng)分除速效鉀外其余養(yǎng)分含量均高于復(fù)墾6年草地，這表明矸石山復(fù)墾為農(nóng)業(yè)用途的果園，在人為施肥條件下主要土壤養(yǎng)分含量明顯優(yōu)于復(fù)墾后處于撂荒狀態(tài)的雜草地，但是，作為作物生長關(guān)鍵養(yǎng)分的土壤堿解氮和全氮的改善幅度仍然很小。同時，與當(dāng)?shù)胤N植歷史超過10年的常規(guī)果園相比，復(fù)墾6年果園除有效磷和速效鉀有明顯改善外，土壤堿解氮、有機質(zhì)以及全量養(yǎng)分含量均明顯偏低，所以，今后復(fù)墾矸石山土壤培肥仍要加大力度，特別是土壤氮肥水平的提高更為關(guān)鍵。

同時，值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)墾6年果園土壤有機質(zhì)含量在表層（0～20 cm）明顯高于復(fù)墾6年草地，但在深層卻明顯偏低，并且土壤速效鉀含量也出現(xiàn)了類似情況，由于土壤養(yǎng)分主要來自施肥和植物枯落物等的轉(zhuǎn)化，因此，沒有施肥條件和大量植物枯落物供應(yīng)養(yǎng)分的復(fù)墾6年草地，其有機質(zhì)和速效鉀在深層理應(yīng)不會高于復(fù)墾6年果園，因此，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是由于煤矸山復(fù)墾時破壞了原有土壤剖面層次，使表層養(yǎng)分含量較高的土壤填埋在深層所致。

3.2 結(jié)論

1）煤矸山復(fù)墾6年果園土壤養(yǎng)分含量明顯優(yōu)于復(fù)墾6年草地，其中養(yǎng)分改善程度較好的是土壤全鉀、有效磷、全磷及有機質(zhì)，較差的為土壤堿解氮和全氮。復(fù)墾6年果園土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分含量明顯較常規(guī)果園低，但速效養(yǎng)分中有效磷和速效鉀含量高于或相當(dāng)于常規(guī)果園；復(fù)墾6年草地除土壤速效鉀高于常規(guī)草地外，其余土壤養(yǎng)分含量均明顯低于常規(guī)草地。

2）從兩種復(fù)墾煤矸山100 cm土層養(yǎng)分含量的剖面差異來看，復(fù)墾6年果園土壤全鉀和有效磷含量在土壤表層（0～20 cm）、中層（20～60 cm）和深層（60～100 cm）均高于復(fù)墾6年草地，而土壤有機質(zhì)、堿解氮和全磷含量差異主要表現(xiàn)在表層和中層，但2種利用形式復(fù)墾地土壤全氮含量在整個剖面中均無明顯差異。

參考文獻：

[1] 韋朝陽，張立城，何書金，等.我國煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及綜合對策[J].地理學(xué)報，1997，52（4）：300-307.

[2] 蘇光全，何書金，郭煥成.礦區(qū)廢棄土地資源適宜性評價[J].地理科學(xué)進展，1998，17（4）：39-46.

[3] 卞正富.國內(nèi)外煤礦區(qū)土地復(fù)墾研究綜述[J].中國土地科學(xué)，2000，14（1）：6-11.

[4] 王孝本，林玉利.煤礦矸石山生態(tài)系統(tǒng)的演替[J].國土與自然資源研究，2000（1）：44-45.

[5] 胡振琪.半干旱地區(qū)煤矸石山綠化技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，1995， 20（3）：322-327.

[6] 韓文科，胡秀蓮，高世憲，等.中國能源消費結(jié)構(gòu)變化趨勢及調(diào)整對策[M].北京：中國計劃出版社，2007.2.

[7] 魏一鳴，范 英，韓智勇，等.中國能源報告（2006）戰(zhàn)略與政策研究[M].北京：科學(xué)出版社，2006.15.

[8] 彭少麟.恢復(fù)生態(tài)學(xué)與植被重建[J].生態(tài)科學(xué)，1996，15（2）：26-31.

[9] 郭小娟，賈 萍，劉 霞.煤矸石山環(huán)境問題及其治理的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，18（2）：139-141.

[10] 胡振琪，魏忠義，秦 萍.礦山復(fù)墾土壤重構(gòu)的概念與方法[J].土壤，2005，37（1）：8-12.

[11] 武冬梅，張建紅，呂珊蘭，等.山西礦區(qū)矸石山復(fù)墾種植施肥措施[J].自然資源學(xué)報，1998，13（4）：333-336.