生態(tài)脆弱草原區(qū)露天煤礦排土場邊坡復(fù)墾土壤的質(zhì)量變化特征

劉雪冉++朱琦++胡振琪++許濤

摘要：以內(nèi)蒙古自治區(qū)神華寶日希勒煤礦排土場邊坡復(fù)墾土壤為試驗(yàn)對象，分析復(fù)墾年限分別為1、2、3、4、5年的邊坡土壤養(yǎng)分含量，以揭示排土場邊坡復(fù)墾土壤養(yǎng)分的時空演變規(guī)律。結(jié)果表明，隨復(fù)墾時間的增加，排土場中坡土壤的營養(yǎng)元素變異系數(shù)相對最低，上坡、下坡營養(yǎng)元素含量變化較大；有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量整體呈下降趨勢，速效鉀含量呈增加趨勢，有效磷含量呈先減小后增加趨勢。

關(guān)鍵詞：草原區(qū)；露天煤礦；土地復(fù)墾；土壤質(zhì)量；變化特征；內(nèi)蒙古

中圖分類號： S153.6；X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0242-03

為滿足中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，煤炭采掘業(yè)以前所未有的速度迅猛發(fā)展，新中國成立以來，全國累計生產(chǎn)煤炭761億t，其中2015年全國煤炭產(chǎn)量為37.5億t，比2010年增長15.9%，而露天煤礦的煤炭產(chǎn)量約占煤炭總產(chǎn)量的11%。有研究表明，露天開采煤炭1萬t，破壞土地面積約0.22 hm2，包括挖掘損壞土地面積0.12 hm2，外排土場占用土地面積約 0.10 hm2，土地?fù)p毀面積是井工開采損毀土地面積的2～11倍[1-2]。我國大型的露天煤礦多處在干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，同時也是我國重要的草原生長區(qū)，煤炭資源的開采造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞問題。

內(nèi)蒙古東部草原區(qū)位于我國生態(tài)安全“兩屏三帶”的北方防沙帶，具有土壤瘠薄、嚴(yán)寒、半干旱等生態(tài)脆弱特點(diǎn)，排土場平臺、邊坡土地復(fù)墾露天成為煤礦開采挖掘損壞土地復(fù)墾的主要內(nèi)容。目前，對排土場土地復(fù)墾的研究主要針對復(fù)墾后土壤質(zhì)量評價、土壤重構(gòu)基本特性等方面[3-10]，對當(dāng)前草原區(qū)露天煤礦排土場邊坡土壤養(yǎng)分變化的研究相對較少。本試驗(yàn)通過研究內(nèi)蒙古自治區(qū)神華寶日希勒露天煤礦排土場邊坡的土壤養(yǎng)分動態(tài)演變規(guī)律，為露天煤礦排土場邊坡生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)，對礦區(qū)治理有一定的意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)神華寶日希勒露天煤礦位于陳旗煤田寶日希勒勘探區(qū)中部，隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗寶日希勒鎮(zhèn)管轄。該礦南距呼倫貝爾市海拉爾區(qū)20 km，北距額爾古納市100 km，西距陳旗旗府所在地巴彥庫仁鎮(zhèn) 22 km，東距哈爾濱市約800 km，為略有起伏的高平原，北部及東北部與低山丘陵相接，地勢北東高而南西低；海拔最高為724.09 m，最低為601.88 m。礦區(qū)屬大陸性亞寒帶氣候，經(jīng)常遭受西伯利亞寒流的襲擊，春秋兩季風(fēng)較多，風(fēng)力較大，夏季較熱，冬季嚴(yán)寒；年平均氣溫-2.6 ℃，最高氣溫 37.7 ℃，最低氣溫-48 ℃；年平均降水量315.0 mm，年平均蒸發(fā)量 1 344.8 mm；春季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，風(fēng)力3～5級，風(fēng)速最大17 m/s；植被為寒溫型草甸草原，地帶性植被為羊草，植被覆蓋度70%；礦區(qū)范圍內(nèi)主要分布土壤類型為淡黑鈣土、暗粟鈣土，水土流失類型為水力、風(fēng)力侵蝕。

1.2供試土壤樣品的采集

2016年，在內(nèi)蒙古自治區(qū)神華寶日希勒煤礦分別采集復(fù)墾5、4、3、2、1年，即2011年、2012年、2013年、2014年、2015年采用相同模式復(fù)墾的排土場邊坡土壤，以礦區(qū)內(nèi)未受影響的區(qū)域土壤為對照；每個采集區(qū)劃分為上坡、中坡、下坡，間距為5～8 m，同一坡度取3個大小的樣點(diǎn)，間距為50 m，用土鉆垂直鉆取表層土壤，每個樣點(diǎn)取3個土樣。將9個樣點(diǎn)土壤充分混合，用“四分法”去除多余土壤。復(fù)墾模式為排土場邊坡，在混排土上直接覆蓋20～30 cm表土，種植披堿草，播種量為25 kg/hm2。

1.3測定內(nèi)容與方法

分別采用油浴加熱K2CrO7容量法、半微量凱氏定氮法、堿解擴(kuò)散法、浸提-火焰光度法、鉬銻抗比色法測定土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、有效磷含量。

2結(jié)果與分析

2.1不同復(fù)墾年限邊坡土壤營養(yǎng)元素的變異性分析

土壤營養(yǎng)元素的變異性一般按照變異系數(shù)（CV）大小進(jìn)行分級，CV≤0.10為弱變異性，0.100.30為強(qiáng)變異性。由表1可見，排土場邊坡同一坡度土壤各營養(yǎng)元素的變異性大小順序?yàn)樗傩р?lt;有機(jī)質(zhì)<堿解氮<全氮<有效磷，其中有效磷變異性最強(qiáng)，且上坡、中坡、下坡的變異系數(shù)均超過0.30，達(dá)到強(qiáng)變異性；對不同邊坡位置而言，中坡的變異性相對最低，變異系數(shù)低于上坡、下坡，這表明隨覆土年限的變化，中坡土壤營養(yǎng)成分含量較為穩(wěn)定，不易發(fā)生劇烈的波動。

2.2不同復(fù)墾年限土壤營養(yǎng)元素含量的變化

2.2.1有機(jī)質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)含量是表征土壤肥力高低的重要指標(biāo)，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的主要來源，直接影響土壤結(jié)構(gòu)的形成。由圖1可見，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤表面有機(jī)質(zhì)的含量整體呈下降趨勢，復(fù)墾1年的邊坡有機(jī)質(zhì)含量（上坡、中坡、下坡有機(jī)質(zhì)含量之和）為9.78%，而復(fù)墾5年的邊坡有機(jī)質(zhì)含量僅為 4.89%；隨復(fù)墾年限的增加，不同邊坡位置的土壤有機(jī)質(zhì)含量呈不同的變化規(guī)律，上坡、下坡有機(jī)質(zhì)含量呈先減少后增加再減少的趨勢，中坡有機(jī)質(zhì)含量呈逐年下降趨勢；對同一復(fù)墾年份不同邊坡位置而言，復(fù)墾2、3年的上坡有機(jī)質(zhì)含量相對較高，復(fù)墾1、4年的下坡有機(jī)質(zhì)含量相對較高，而復(fù)墾5年的中坡有機(jī)質(zhì)含量相對較高。

2.2.2全氮土壤全氮包括有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮，是土壤肥力的重要指標(biāo)，也是土壤氮素肥力的源泉。全氮大部分來自有機(jī)質(zhì)，來源于動植物殘體的分解、土壤微生物和大氣降水帶入的氮及有機(jī)、無機(jī)肥料的施用。由圖2可見，全氮含量的變化與邊坡有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律基本一致，隨復(fù)墾年限的增加，邊坡土壤全氮含量呈下降趨勢，復(fù)墾1年的邊坡土壤全氮含量（上坡、中坡、下坡全氮含量之和）相對最高，為 5.53 g/kg，而復(fù)墾5年的邊坡土壤全氮含量僅為2.08 g/kg；對照區(qū)表層土壤的全氮含量為1.72 g/kg，而復(fù)墾1年的下坡土壤全氮含量達(dá)到2.46 g/kg，明顯高于對照。

2.2.3堿解氮堿解氮別稱水解氮、速效氮，包括無機(jī)態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡單、能被植物直接吸收利用的有機(jī)態(tài)氮，在土壤中含量不穩(wěn)定，易受土壤水熱條件和動植物、微生物活動影響而發(fā)生變化，僅能反映近期土壤氮素的供應(yīng)情況。由圖3可見，隨復(fù)墾年限的增加，邊坡堿解氮含量（上坡、中坡、下坡堿解氮含量之和）呈下降趨勢，復(fù)墾1年的邊坡土壤堿解氮含量為358.92 mg/kg，復(fù)墾5年的邊坡土壤堿解氮含量僅為 163.12 mg/kg，占復(fù)墾1年邊坡土壤堿解氮含量的45.45%；隨復(fù)墾時間的增加，中坡土壤的堿解氮含量不斷下降；復(fù)墾3年上坡土壤的堿解氮含量為121.71 mg/kg，比復(fù)墾2年的上坡土壤堿解氮含量增加18.91 mg/kg，而復(fù)墾4年的上坡土壤堿解氮含量僅為54.07 mg/kg，這可能是由于復(fù)墾3年的邊坡相對比較緩，淋溶、風(fēng)吹不是太嚴(yán)重，植被腐爛分解成的有機(jī)質(zhì)引起表土有機(jī)質(zhì)富集，從而造成堿解氮含量猛增。

2.2.4速效鉀土壤中的速效鉀主要包括土壤溶液中游離的鉀離子和膠體上吸附的交換性鉀，可以被植物直接吸收利用，僅占土壤全鉀含量的0.1%～2.0%，受基質(zhì)、氣候條件及施肥等因素的影響較大。由圖4可見，隨復(fù)墾時間的增加，土壤速效鉀含量（上坡、中坡、下坡速效鉀含量之和）整體呈增加趨勢，復(fù)墾1年的邊坡土壤速效鉀含量為509.17 mg/kg，復(fù)墾5年時已增加到667.04 mg/kg，這可能是受氣候、基質(zhì)等因素影響，緩效性鉀轉(zhuǎn)換為速效鉀的速率提高，速效鉀的增量高于植被吸收利用和淋溶消耗掉的速效鉀含量；相對于中坡、下坡而言，復(fù)墾2～5年的上坡土壤速效鉀含量相對較高，且高于對照區(qū)表層土壤速效鉀含量（170.08 mg/kg）；復(fù)墾5年的上坡土壤速效鉀含量相對最高，為284.38 mg/kg，是對照區(qū)土壤速效鉀含量的1.67倍；隨復(fù)墾時間的增加，中坡、下坡土壤的速效鉀含量變化相對穩(wěn)定，基本沒有大幅度增減。

2.2.5有效磷土壤有效磷含量是土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)，土壤磷素含量高低反映土壤磷素的貯量和供應(yīng)能力。由圖5可見，經(jīng)復(fù)墾的邊坡土壤有效磷含量均明顯高于對照區(qū)土壤（2.43 mg/kg），且隨復(fù)墾時間的增加，邊坡土壤有效磷含量呈先減少后增加趨勢，復(fù)墾1年的邊坡土壤有效磷含量（上坡、中坡、下坡有效磷含量之和）為 15.55 mg/kg，復(fù)墾3年的邊坡土壤有效磷含量相對最低，為11.76 mg/kg，而復(fù)墾5年的邊坡土壤有效磷含量達(dá)到 39.25 mg/kg，是復(fù)墾1年邊坡土壤有效磷含量的2.52倍；復(fù)墾2、3、4年的邊坡土壤有效磷含量變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律，中坡土壤有效磷含量相對最低，其次是下坡，上坡有效磷含量相對最高；復(fù)墾5年的中坡土壤有效磷含量相對最低，為 8.81 mg/kg，而上坡、下坡有效磷含量分別達(dá)到13.79、16.65 mg/kg。

3結(jié)論與討論

生態(tài)脆弱區(qū)露天煤礦排土場邊坡，由于淋溶、風(fēng)蝕及植被對土壤養(yǎng)分的吸收，隨復(fù)墾時間的增加，不同邊坡位置的土壤養(yǎng)分發(fā)生不同變化，中坡變異系數(shù)相對最低，養(yǎng)分變化相對穩(wěn)定，而上坡、下坡養(yǎng)分含量變化較為劇烈。一般而言，隨復(fù)墾年限的增加，越來越多的植物凋落、腐爛、分解轉(zhuǎn)化成有機(jī)質(zhì)而聚集于表層土壤，導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)含量增加，但試驗(yàn)結(jié)果表明，隨復(fù)墾年限的增加，土壤表面有機(jī)質(zhì)含量整體呈下降趨勢，這可能是由于邊坡土壤受水土流失造成有機(jī)質(zhì)減少的影響，遠(yuǎn)大于表層植被腐爛轉(zhuǎn)換成的有機(jī)質(zhì)。試驗(yàn)表明，復(fù)墾邊坡土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量多數(shù)低于對照區(qū)表層土壤；隨復(fù)墾年限的增加，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量整體呈下降趨勢，土壤速效鉀含量整體呈增加趨勢，且復(fù)墾邊坡土壤中速效鉀含量大部分高于對照區(qū)土壤；經(jīng)復(fù)墾的邊坡土壤有效磷含量均明顯高于對照區(qū)土壤，且隨復(fù)墾時間的增加，邊坡土壤有效磷含量呈先減少后增加趨勢，這是由于邊坡受淋溶、風(fēng)吹等外界環(huán)境影響及植被生長吸收，有效磷含量不斷減少，而存在無機(jī)磷條件下，無機(jī)磷和有機(jī)磷相互競爭本來難溶的Ca、Fe、Al等元素，從而導(dǎo)致礦化的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致速效磷含量的增加。

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