海州露天煤礦排土場不同復墾模式下表層土壤團聚體的穩(wěn)定性

呂 剛，肖 鵬，李葉鑫，董 亮，杜昕鵬

(遼寧工程技術大學，環(huán)境科學與工程學院，123000，遼寧阜新)

土壤團聚體作為土壤的基本結構單位，影響土壤的各種理化性質和土壤生物活動，是土壤侵蝕的重要影響因素[1]。土壤團聚體穩(wěn)定性具有維持土地生產(chǎn)力、調節(jié)土壤肥力的重要作用，也是反映土壤結構狀況的重要指標之一[2]?，F(xiàn)階段用來評價土壤團聚體的穩(wěn)定性的指標主要有土壤大團聚體含量、土壤平均質量直徑、幾何平均直徑以及分形維數(shù)等[3]。土壤大團聚體含量、土壤平均質量直徑和幾何平均直徑越大，土壤團聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好[4]。土壤分形維數(shù)越小，說明土壤結構的穩(wěn)定性越好，其抗蝕能力越強。

排土場是露天礦開采所形成的一個巨型松散土石混合堆積體，主要物質成分由礦井下采出的煤矸石、露天礦剝離的表土、巖石及覆土共同組成，其在堆積過程中不斷進行碾壓，土壤結構遭到破壞，蓄水保水能力降低[5]，給當?shù)刈匀画h(huán)境帶來嚴重破壞。植被是影響土壤結構的重要因素，其作為土壤儲存碳、改善土壤養(yǎng)分循環(huán)的橋梁，通過植被恢復可以改善土壤環(huán)境條件[6]，排土場復墾區(qū)土壤團聚體的特性很大程度由不同的復墾植被決定的[7]。目前關于植被恢復下排土場土壤團聚體狀況的研究僅僅在西北地區(qū)晉陜蒙接壤的露天礦區(qū)[8-9]，而東北地區(qū)露天煤礦排土場的相關研究相對較少[10]。筆者以位于遼寧省阜新市的海州露天煤礦排土場為研究對象，采用野外現(xiàn)場調查采樣和室內分析的方法，選取復墾年限為13年的5種復墾模式，應用幾何平均直徑、平均質量直徑、團聚體破壞率和土壤分形維數(shù)等反映土壤團聚體穩(wěn)定性的指標，分析不同復墾模式對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響，以期為從評價和提升礦區(qū)土地生產(chǎn)力、優(yōu)化排土場復墾模式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市，該區(qū)屬北溫帶大陸性半干旱季風氣候，夏季炎熱，年蒸發(fā)量1 790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3 476 ℃，無霜期154 d，年均日照時間2 865.5 h，年均風速3 m/s，年均降水量511.4 mm，且多集中于夏季，春秋2季干旱少雨，造成一定程度上的土壤和植被水分虧缺。土壤類型以褐土、棕壤和草甸土為主。地帶性植被為溫帶森林草原和暖溫帶落葉闊葉林，代表性的植被類型有油松(PinustabulaeformisCarr.)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb.)、側柏(PlatycladusorientalisL. Franco)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、榆樹(UlmuspumilaL.)、山杏(ArmeniacasibiricaL. Lam.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、大針茅(StipagrandisP. Smirn.)、百里香(ThymusmongolicusRonn)等。

研究地點選擇在阜新市境內的海州露天煤礦西排土場，位于露天礦坑西南部(E 121°40′12″，N 41°57′36″)，面積約13 km2。2004年國土資源部投資對該排土場開展了土地復墾工作，在進行客土回填工程前，運用采礦復墾機械對露天礦坑進行了搬運、平整和壓實工作，覆土厚度為30 cm使露天礦坑恢復成較合理的地形地貌，促進植物的生長，有利于后期的生物復墾工作。排土場分為10多個大盤面呈梯形分布，盤面海拔平均高度為+270 m，相對高差為3～60 m，最高處接近海拔+325 m，最低處不低于海拔+240 m，盤面地表矸石在停止排矸13年以上。近年來，隨著當?shù)鼐用駥ε磐翀鰲壝翰缓侠硗诰?，部分盤面出現(xiàn)了大量不均勻的坑、溝等地貌狀況[11]。2017年7月在排土場復墾區(qū)內根據(jù)人工植被恢復現(xiàn)狀，在同一區(qū)域(復墾年限為13年)內選取相鄰但相互之間無影響的5種復墾模式下作為研究對象，分別為榆樹林地、混交林地(刺槐和榆樹混交)、灌木林地(紫穗槐)、刺槐林地和荒草地。各樣地情況見表1。

表1 樣地概況

2 研究方法

野外取土分別在5種不同復墾模式下設置的20 m×20 m標準地內進行，先將0.00～3.00 cm厚度層未腐爛的枯枝落葉層清除，取0.00～10.00 cm表層土，每個樣地以三角形分布各取3個樣點，取土后去除土壤中植物根系和石塊，運輸過程中盡量減少對土壤的擾動，以免破壞土壤團聚狀況。各級風干性機械團聚體和水穩(wěn)性團聚體的含量測定采用沙維諾夫干篩法、濕篩法[12]。計算在<0.25 mm、0.50～0.25 mm、1.00～0.5 mm、2.00～1.00 mm、5.00～2 mm和>5.00 mm粒級土壤團聚體質量的比例。

土壤機械穩(wěn)定性(干篩)和水穩(wěn)定性(濕篩)>0.25 mm團聚體含量(R>0.25)采用下式[13]計算：

(1)

土壤團聚體結構破壞率(percentage of aggregate destruction, PAD)計算公式[12]為

PAD=[(R>0.25(干篩)-R>0.25(濕篩))/
R>0.25(干篩)]×100%。

(2)

平均質量直徑(mean weight diameter, MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter, GMD)的計算公式[14]如下：

(3)

(4)

式中:Wi為i粒級團聚體質量比例，%;xi為相鄰兩個團聚體的平均粒級,mm。

土壤的分形維數(shù)(fractal dimension，D)采用楊培嶺等[15]的土壤顆粒分形模型：

(5)

式中：dmax為最大粒級土粒的平均直徑,mm；Wi是土粒直徑小于d累積的質量, g；W0是全部粒級土粒質量之和,g。

3 結果與分析

3.1 土壤團聚體組成

團聚體的組成是影響土壤肥力的重要因子，機械團聚體是指具有抵抗外力破壞的團聚體，常常用經(jīng)振動干篩后團聚體的組成含量來反映。排土場不同復墾模式下干篩法獲得的機械穩(wěn)定性團聚體組成見表2。不同復墾模式下>0.25 mm的大團聚體占到75%以上，各復墾模式在5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm和1.00～0.50 mm所占比例較高，三者之和在50%以上，而0.50～0.25 mm所占比例相對較低為11%以下。各復墾模式在>5.00 mm、5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm、1.00～0.50 mm以及<0.25 mm沒有顯著差異性，但是在0.50～0.25 mm時荒草地與林地出現(xiàn)了顯著性差異，荒草地含量高于其他復墾模式。在>5 mm粒級的大團聚體表現(xiàn)為：混交林地相對較多，榆樹林地和荒草地相對較少。

表2 不同復墾模式下土壤機械團聚體組成

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差；不同小寫字母表示不同復墾模式間存在差異(P<0.05)。下同。Notes：The data in the table are mean±standard error，and different lowercase letters indicate that there are differences between different reclamation models (P<0.05).

水穩(wěn)性團聚體是指抗水力分散的團聚體，常常用經(jīng)水濕篩振動后團聚體的組成含量來反映。排土場不同復墾模式下濕篩法獲得的水穩(wěn)定性團聚體組成見表3。不同復墾模式下，除荒草地外，其他4種復墾模式以5.00～2.00 mm和2.00～1.00 mm所占比例最高，2者之和達到60%以上，>5.00 mm、1.00～0.50 mm和0.50～0.25 mm依次遞減，<0.25 mm所占比例最少，在5%以下。其中荒草地在2.00～1.00 mm和0.50～0.25 mm以及<0.25 mm與林地復墾模式出現(xiàn)了差異性，2.00～1.00 mm荒草地大團聚體含量最少，而0.50～0.25 mm和<0.25 mm的團聚體含量最多，水穩(wěn)性大團聚體荒草地明顯低于林地。林地表層土壤>0.25 mm的大團聚體含量在95%以上，而荒草地>0.25 mm的大團聚體含量在65%，林地明顯高于荒草地。

表3 不同復墾模式下土壤水穩(wěn)性團聚體組成

3.2 土壤團聚體穩(wěn)定性

根據(jù)J. Six等[16]的研究，>0.25 mm的團聚體即為土壤團粒結構體，是土壤中最好的結構體，其在土壤中所占的比例(R>0.25)可用來反映土壤結構的優(yōu)劣，其數(shù)量越大土壤肥力越高。由圖1可知，不同復墾模式下干篩獲得的機械穩(wěn)定性R>0.25在58%～63%之間，模式間無顯著性差異。從濕篩法獲得的不同復墾模式下水穩(wěn)性R>0.25在17.5%～37.43%之間。混交林地和灌木林地的大團聚體比例相對較高，其他復墾模式間均存在差異性，說明混交林地和灌木林地土壤穩(wěn)定性和抗蝕性相對較好，荒草地明顯低于其他復墾模式。團聚體破壞率是濕篩后破碎的團聚體比率，其數(shù)值越小，土壤結構越穩(wěn)定[15]。由圖2可見，荒草地土壤PAD最高為70.13%，榆樹林地、刺槐林地和榆樹刺槐混交林地遞減，灌木團聚體最低，灌木林地土壤團聚體相對穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)林地復墾模式PAD顯著低于荒草地。

不同小寫字母表示不同復墾模式間存在差異(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate that there are differences between different reclamation models (P<0.05). The same below.圖1 不同復墾模式下大團聚體含量Fig.1 Big aggregate content in soil under different reclamation modes

圖2 不同復墾模式下團聚體結構破壞率Fig.2 Percentage of aggregate destruction under different reclamation modes

3.3 土壤團聚體直徑

MWD和GMD是表示土壤團聚體直徑的重要指標。根據(jù)周虎等[17]研究MWD和GMD越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高、穩(wěn)定性越強，土壤肥力越高。從圖3和圖4看出，在干篩條件下，混交林地和MWD(2.27)和GMD(1.30)最大，荒草地MWD(1.56)和GMD(0.96)最少。在濕篩條件下，刺槐林地MWD(2.97)與GMD(2.43)最多，荒草地MWD(1.16)和GMD(0.53)最少。說明刺槐林地土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性性相對較好，綜合干濕篩MWD和GMD可以看出，林地復墾模式的土壤結構和抗蝕能力相對較優(yōu)，明顯優(yōu)于荒草地，其復墾土壤的肥力得到了恢復。

圖3 不同復墾模式下平均質量直徑Fig.3 Mean weight diameter under different reclamation modes

圖4 不同復墾模式下幾何平均直徑Fig.4 Geometric mean diameter under different reclamation modes

3.4 土壤團聚體分形維數(shù)

圖5 不同復墾模式下土壤機械團聚體分形維數(shù)Fig.5 Fractal dimension of soil mechanical aggregate under different reclamation modes

根據(jù)安韶山等[18]的研究，在土壤團聚體各個粒級數(shù)據(jù)規(guī)律不一致的情況下，通過計算團聚體分形維數(shù)，可以反映植被恢復對土壤團聚體有改良作用，在植被自然恢復一定時間之后土壤團聚體改善受到多種因素的影響，從而使土壤團聚體穩(wěn)定性出現(xiàn)差異。通過回歸分析計算得到不同復墾模式下表土層土壤團聚體的分形維數(shù)D值(圖5和圖6)。干篩和濕篩的D值分別介于2.23～2.35和2.35～2.43之間。一般來說，土壤的分形維數(shù)D越小，說明土壤的結構和穩(wěn)定性越好[5]。從圖5可以看出，2種篩分方法下5種復墾模式土壤團聚體D值表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。干篩條件下的D值以刺槐林地最低(2.33)，但各復墾模式相差不大。濕篩條件下的D值表現(xiàn)為：榆樹林地最低(2.35)，好于其他復墾模式但是相比之下相差并不大。

圖6 不同復墾模式下土壤水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of soil water-stable aggregate under different reclamation modes

3.5 土壤團聚體組成與各參數(shù)間相關性

相關性結果表明(表4和表5)，綜合干篩和濕篩的結果，排土場表層土壤團聚體的MWD和GMD均與D值呈正相關，干篩相關系數(shù)分別為0.949、0.610和0.514，濕篩相關系數(shù)分別為0.999、0.276和0.282，即表層土壤團聚體隨著MWD和GMD增大，D值也隨之增大。通過上述計算過程可知：團聚體粒級由小到大的含量與MWD、GMD值的大小有關，在土壤機械穩(wěn)定性團聚體分析中(表4)，1.00～0.50 mm，0.50～0.25 mm，<0.25 mm粒徑的土壤機械穩(wěn)定性團聚體呈顯著負相關，>5.00 mm，2.00～5.00 mm，2.00～1.00 mm粒徑的土壤機械穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關。對水穩(wěn)定性團聚體(表4)，>5.00 mm，2.00～5.00 mm，2.00～1.00 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關，而0.5.00～0.25 mm，1.00～0.50 mm，<0.25 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團聚體呈顯著負相關，以1.00 mm團聚體粒級為其正負相關性界限。

表4 土壤機械穩(wěn)定性團聚體各參數(shù)間相關性分析

注：**表示相關性在0.01水平；*表示相關性在0.05水平。Notes: ** indicates that the correlation at 0.01. * indicates the correlation is at 0.05. MWD stands for mean weight diameter. GMD stands for geometric mean diameter. D refers to fractal dimension. The same below.

表5 土壤水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)間相關性分析

由表4和表5可知，土壤機械穩(wěn)定性團聚體的D值與粒徑0.50～0.25 mm，1.00～0.50 mm和2.00～1.00 mm粒徑的土壤機械穩(wěn)定性團聚體呈顯著負相關，<0.25 mm，2.00～5.00 mm，>5.00 mm粒徑的土壤機械穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關。其正負相關性沒有明顯界限。水穩(wěn)定性團聚體D值2.00～5.00 mm，>5.00 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關，而<0.25 mm，0.50～0.25 mm，1.00～0.50 mm和2.00～1.00 mm，粒徑的土壤水穩(wěn)定性團聚體呈顯著負相關，其正負相關以2.00 mm團聚體粒級為界。MWD, GMD和D的相關分析表明，排土場不同復墾模式下土壤機械團聚體和水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值呈顯著正相關，且與D值呈顯著正相關。

4 討論與結論

位于東北地區(qū)的海州露天煤礦排土場復墾區(qū)表層土壤團聚體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，土壤質量得到了改良，林地土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性大團聚體含量顯著高于荒草地，說明林地的土壤的結構更優(yōu)，土壤大團聚體含量相對較多，值得注意的是林地水穩(wěn)性大團聚體含量在95%以上，這可能是由于林地有機質較高，有利于大團聚體形成，同時林地在表土層根系發(fā)達，穿插能力強，使得復墾碎石風華，形成了大團聚體。由劉夢云等[19]研究黃土臺源地區(qū)的團聚體可知:土壤中大粒徑的團聚體越多，團聚體分布越集中，團聚體越不容易遭到破壞，土壤結構越穩(wěn)定，則該復墾模式效果越好；反之，團聚體中小顆粒越多，土壤團聚體穩(wěn)定性越差，越容易遭到破壞。團聚體結構破壞率總體呈現(xiàn)出林地顯著優(yōu)于荒草地的趨勢，灌木林地的土壤團聚體結構破壞率最低，結構最穩(wěn)定。

混交林地和刺槐林地的在干篩和濕篩條件下MWD和GMD高于其他復墾模式，對土壤的改良效果較好。綜合干篩和濕篩MWD和GMD的結果表明:林地的土壤結構明顯優(yōu)于荒草地，林地生物結構較好，其枯落物和根系腐解物在復墾區(qū)土壤中不斷的積累，有大量回歸土壤的有機質，改善了表層土壤的物理性質，所以其表層土壤結構相對較好，這與王楊揚等[8]研究的黃土區(qū)露天煤礦團聚體的結果相吻合。對于不同的復墾方式，其干篩和濕篩的分形維數(shù)增值分別介于2.23～2.35和2.35～2.43之間。分形維數(shù)可以反映植被恢復對土壤團聚體有改良作用，但是各復墾模式間差異性不大。說明復墾區(qū)表層土壤的結構和穩(wěn)定性依然有待提高，土壤肥力仍相對較低，土壤物理性質的演變依然需要很長的時間。干篩條件下的D值以刺槐林地最低(2.33)，濕篩條件下的D值表現(xiàn)為榆樹林地最低(2.35)，好于其他復墾模式但是相比之下相差并不大。各復墾模式間土壤分形維數(shù)沒有明顯的差異性，說明復墾區(qū)表層土壤的結構和穩(wěn)定性依然有待提高，土壤肥力仍相對較低。根據(jù)唐駿等[5]研究黃土區(qū)煤礦排土場土壤團聚體特征的結果，植被恢復能促進排土場土壤結構重構，但由于排土場土壤結構破壞嚴重，植被生長的土壤氣候環(huán)境較差，植被恢復對土壤的改良是一個緩慢過程。

綜合評價土壤機械團聚體和水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的指標MWD與GMD相互之間呈極顯著正相關，與分形維數(shù)D值呈正相關。干篩條件下其相關系數(shù)分別為為0.949、0.610和0.514，濕篩條件下其相關系數(shù)分別為0.999、0.276和0.282，復墾區(qū)土壤的MWD和GMD增大，D值會變大，這與劉艷等[20]的研究結果相吻合。同時，植物根系、土壤的有機碳含量等也是影響土壤團聚體穩(wěn)定性的重要因素，隨著進一步的研究仍需開展,這也是今后需要加強并深入研究的方向。