露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)不同植被類型土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

李葉鑫 ，呂剛*，王道涵，謝偉，李朝輝，杜昕鵬，董亮，刁立夫

1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 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；3. 神東天隆集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4. 撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113006；5. 內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000

排土場(chǎng)是露天開采過程中形成的結(jié)構(gòu)松散、植被覆蓋度低、養(yǎng)分含量低、平臺(tái)和邊坡相間松散堆積體，由煤矸石、巖石、土壤共同組成，是一種工程擾動(dòng)土（魏忠義等，2003）。與原地貌相比，排土場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)差、物質(zhì)組成復(fù)雜、大孔隙發(fā)達(dá)，其土壤理化性質(zhì)、水文過程、生態(tài)環(huán)境與原地貌之間存在很大的差異（張莉等，2016）。植被恢復(fù)是治理和恢復(fù)排土場(chǎng)土壤水文生態(tài)功能的有效措施，能夠提高或改善生態(tài)環(huán)境，通過提高植被覆蓋度和植物多樣性以及增強(qiáng)植物根系的蓄水保土作用，可顯著提高排土場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性，減少水土流失，提高土壤水源涵養(yǎng)功能和土地生產(chǎn)力（Houerou，2000；呂春娟等，2010）。

土壤質(zhì)量狀況是土壤肥力、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度（楊小林等，2019），是土壤特性的綜合反映，能體現(xiàn)自然因素及人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響（張慶利等，2004），已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)（王華等，2009；De et al.，2016；汪明沖等，2016；Laird et al.，2017；任啟文等，2018）。馬從安等（2008）以勝利露天煤礦南排土場(chǎng)土壤為研究對(duì)象，分析排土場(chǎng)土壤質(zhì)地和土壤肥力狀況，揭示排土場(chǎng)土壤肥力貧瘠的主要原因。陜永杰等（2008）應(yīng)用土壤物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)和侵蝕指標(biāo)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成的指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)了平朔露天煤礦區(qū)不同土地利用方式土壤質(zhì)量。石平等（2009）應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)紅透山銅礦區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)、尾礦庫以及周邊地區(qū)的土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。李鵬飛等（2015）以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)為研究對(duì)象，研究9種植被恢復(fù)模式對(duì)排土場(chǎng)土壤理化性質(zhì)的影響，并對(duì)其土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。王楊揚(yáng)等（2017）以山西安太堡露天礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，分析并評(píng)價(jià)了不同刺槐（Robinia pseudoacacia）模式條件下土壤質(zhì)量，認(rèn)為合理種植刺槐可以有效改良排土場(chǎng)的土壤質(zhì)量。楚純潔等（2018）以平頂山礦區(qū)丘陵坡地土壤為研究對(duì)象，分析不同海拔高度土壤理化性質(zhì)及重金屬含量，評(píng)價(jià)不同區(qū)域土壤質(zhì)量。然而，以往研究多從礦區(qū)不同復(fù)墾年限、不同區(qū)域、單一復(fù)墾樹種等方面評(píng)價(jià)礦區(qū)土壤質(zhì)量，或是從土壤理化性質(zhì)單一方面評(píng)價(jià)礦區(qū)土壤質(zhì)量，而從土壤物理性質(zhì)、入滲特征、養(yǎng)分特征、根系特征等多角度評(píng)價(jià)排土場(chǎng)不同植被類型土壤質(zhì)量的研究較少。

阜新海州露天煤礦排土場(chǎng)位于遼寧省阜新市，屬干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境惡劣，該區(qū)域降雨量少，土壤水分條件差，植被恢復(fù)困難，研究該區(qū)域排土場(chǎng)不同植被類型下土壤理化性質(zhì)及對(duì)其進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)十分重要。因此，本文以海州露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)典型植被為研究對(duì)象，分析不同植被類型的土壤物理性質(zhì)、入滲特征、養(yǎng)分特征、根系特征的差異性，評(píng)價(jià)不同植被類型土壤質(zhì)量，篩選最佳植被類型，以期為排土場(chǎng)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省阜新市海州露天煤礦排土場(chǎng)位于露天礦坑西南部，總面積約為13 km2，年均降水量511.4 mm，且多集中于7月、8月，年蒸發(fā)量1790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3476 ℃，無霜期154 d。排土場(chǎng)區(qū)呈階梯狀，平均坡度45°，相對(duì)高差為3－60 m。2004年，由國(guó)土資源部投資對(duì)該排土場(chǎng)開展土地復(fù)墾工作，復(fù)墾土地規(guī)模為 998.17 hm2。在復(fù)墾前期，平整并壓實(shí)排土場(chǎng)，然后再進(jìn)行客土回填工程，覆土厚度為30 cm（如今覆土層厚度經(jīng)不均勻沉降存在不同程度的減?。?，以此建立有利于植物生長(zhǎng)的表層和生根層，為后期生物復(fù)墾奠定基礎(chǔ)。2005年，阜新礦務(wù)局與遼寧工程技術(shù)大學(xué)合作開展植被恢復(fù)工程，人工種植刺槐、榆樹（Ulmus pumila）、油松（Pinus tabulaeformis）、刺槐和榆樹混交、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、火炬樹（Rhus typhina）、檸條（Caragana Korshinskii）、農(nóng)地（玉米）等。2017年8月，選取排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)的刺槐林地、榆樹林地、紫穗槐林地、火炬樹林地為研究對(duì)象，在每種植被類型下布設(shè)1個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取3個(gè)樣方，樣方之間呈“品”字形分布；用環(huán)刀采集0－20 cm土層土壤樣品，用于測(cè)定土壤物理性質(zhì)；采集1 kg土壤散樣，帶回實(shí)驗(yàn)室去除石塊、植物根系等雜質(zhì)，風(fēng)干后過篩測(cè)定土壤養(yǎng)分特征；采用內(nèi)徑10 cm、長(zhǎng)10 cm根鉆采集植物根系，將其放入布袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，用清水洗凈根系，備用。各樣地基本情況見表1。

1.2 樣品的測(cè)定方法

采用烘干法測(cè)定土壤含水率，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和孔隙度，采用水洗法測(cè)定礫石（＞2 mm）含量，采用定水頭法測(cè)定土壤入滲過程及入滲特征指標(biāo)。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，采用半微量凱氏蒸餾法測(cè)定土壤全氮，采用 NaHCO3-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷，采用NH4OAc-火焰光度法測(cè)定速效鉀（中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1999；張洪江，2013）。采用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)量根系指標(biāo)（王灃等，2018），計(jì)算根長(zhǎng)密度和根表面積密度，最后測(cè)定根系生物量（恒溫 75 ℃條件下烘干至恒重）并計(jì)算根重密度。

表1 排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)各樣地基本情況Table 1 Basic situation of various plots in the reclamation area of dump

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用層次分析法評(píng)價(jià)排土場(chǎng)不同植被類型的土壤質(zhì)量，步驟為：首先篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用相關(guān)系數(shù)法確定各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性及各指標(biāo)權(quán)重（張?chǎng)┑龋?008），計(jì)算單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，然后求某評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值，并以該平均值占所有評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比作為該單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wi；再對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化，將無量鋼化系數(shù)Ni與權(quán)重Wi相乘，求和后計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)CI，并對(duì)綜合指數(shù)進(jìn)行排序確定綜合排序。無量綱化系數(shù)Ni和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)CI計(jì)算公式如下：

式中，Ni為指標(biāo)i無量綱化系數(shù)；Qij為4種復(fù)墾植被類型中第j個(gè)植被類型指標(biāo)i的數(shù)值；Qimax為4種復(fù)墾植被類型中指標(biāo)i的最大值；Qimin為4種復(fù)墾植被類型中指標(biāo)i的最小值；j為植被類型，j=1， 2， 3， 4；CI為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)；權(quán)重Wi為各指標(biāo)權(quán)重；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)，n=13。

不同植被類型各指標(biāo)的差異性采用 SPSS 17.0單因素方差分析（one-way ANOVA）；指標(biāo)之間的相關(guān)性、權(quán)重和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)采用 Microsoft Excel 2003計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)

表2所示為排土場(chǎng)不同植被類型下的土壤物理性質(zhì)。由表2可知，排土場(chǎng)各樣地土壤容重在1.19－1.28 g·cm-3之間，榆樹和紫穗槐顯著大于刺槐和火炬樹（P＜0.05），說明植被恢復(fù)會(huì)影響土壤容重，造成不同樣地之間的差異性，且刺槐和火炬樹對(duì)土壤的改善效果優(yōu)于榆樹和紫穗槐。排土場(chǎng)各樣地毛管孔隙度表現(xiàn)為紫穗槐（40.29%）＞刺槐（39.45%）＞火炬樹（38.67%）＞榆樹（36.56%），各樣地之間無明顯差異（P＞0.05），紫穗槐毛管孔隙度最大，說明該樣地土壤蓄水保水能力最強(qiáng)，可為植被恢復(fù)提供所需水分。排土場(chǎng)礫石含量較高，均在 40%以上，這說明盡管排土場(chǎng)經(jīng)過了13年的風(fēng)化和植被恢復(fù)，其土體內(nèi)部仍然存在較多的礫石。各樣地土壤含水率為9.85%－11.73%，紫穗槐顯著大于刺槐、榆樹和火炬樹（P＜0.05），刺槐和榆樹無顯著差異（P＞0.05）。

2.2 土壤入滲特征

土壤入滲能力決定地表徑流量，影響排土場(chǎng)土壤侵蝕過程及侵蝕程度。由表3可知，排土場(chǎng)不同樣地初始入滲率大小表現(xiàn)為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，刺槐顯著大于其他3個(gè)樣地（P＜0.05）；穩(wěn)定入滲率反映排土場(chǎng)下墊面入滲能力，可用來表示排土場(chǎng)土壤入滲能力，刺槐穩(wěn)定入滲率最大，為3.06 mm·min-1，紫穗槐最小，為0.85 mm·min-1，刺槐、榆樹、火炬樹穩(wěn)定入滲率分別為紫穗槐的3.6、1.21、1.15倍，刺槐林地入滲能力較強(qiáng)，這是由于該樣地的土壤容重較小，礫石含量較高，土壤結(jié)構(gòu)松散且存在大量的土壤大孔隙（呂剛等，2018），這在一定程度上加強(qiáng)了土壤水分入滲能力與入滲量。刺槐、榆樹、紫穗槐、火炬樹平均入滲率依次為3.84、1.53、1.02、1.11 mm·min-1，這與穩(wěn)定入滲率的變化規(guī)律相一致。

表2 排土場(chǎng)土壤物理性質(zhì)Table 2 Soil physical properties in the dump

表3 排土場(chǎng)入滲特征Table 3 Infiltration characteristics in the dump mm·min-1

2.3 土壤養(yǎng)分特征

土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等元素是土壤養(yǎng)分的重要成分，能夠反映土壤的肥力狀況，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。由表4可知，刺槐、榆樹、紫穗槐、火炬樹土壤有機(jī)質(zhì)依次為12.6、10.49、8.45、9.96 g·kg-1，其中刺槐林地最大，這是由于該樣地枯枝落葉較多，為土壤有機(jī)質(zhì)的形成與轉(zhuǎn)化提供物質(zhì)基礎(chǔ)。排土場(chǎng)各樣地中，刺槐林地的全氮含量最高，為0.69 g·kg-1，其次為榆樹和火炬樹，紫穗槐最小，為0.47 g·kg-1，刺槐、榆樹、火炬樹全氮含量分別是紫穗槐的1.47、1.23、1.15倍。土壤有效磷和速效鉀均表現(xiàn)為刺槐＞榆樹＞火炬樹＞紫穗槐，這與土壤全氮含量特征相一致，說明刺槐能夠有效地提高土壤有機(jī)質(zhì)，控制氮、磷、鉀等元素的流失，為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。

2.4 植物根系特征

植物根系不僅能夠改變排土場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，有效控制水土流失，其根系分布特征也能反映植物對(duì)土壤的適應(yīng)能力和土壤質(zhì)量的好壞。由表 5可知，排土場(chǎng)各樣地根重密度表現(xiàn)為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，其中刺槐根重密度最大，顯著大于榆樹、紫穗槐、火炬樹（P＜0.05），這是由于刺槐為喬木，其根系發(fā)達(dá)、直徑較粗；紫穗槐最小，僅為0.2 g·cm-3，這與紫穗槐須根稠密的根系形態(tài)特征關(guān)系密切（張東梅等，2014）。刺槐、榆樹、紫穗槐、火炬樹根長(zhǎng)密度依次為0.024、0.02、0.054、0.035 cm·cm-3，紫穗槐最大，這是由于紫穗槐側(cè)根發(fā)達(dá)且須根柔軟纖長(zhǎng)造成的（嵇曉雷等，2016）。4個(gè)樣地的根表面積密度表現(xiàn)為刺槐＞榆樹＞火炬樹＞紫穗槐，其中刺槐最大，為 0.051 cm2·cm-3，紫穗槐最小，為 0.021 cm2·cm-3，這一變化規(guī)律與根重密度相一致。

表5 排土場(chǎng)植物根系特征Table 5 Root system characteristics in the dump

2.5 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

本研究選取土壤容重（C1）、毛管孔隙度（C2）、礫石含量（C3）、土壤含水率（C4）、初始入滲率（C5）、穩(wěn)定入滲率（C6）、土壤有機(jī)質(zhì)（C7）、全氮（C8）、有效磷（C9）、速效鉀（C10）、根重密度（C11）、根長(zhǎng)密度（C12）、根表面積密度（C13）為排土場(chǎng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)和權(quán)重見表6。

表7所示為排土場(chǎng)不同植被類型下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。由表7可知，排土場(chǎng)不同植被類型土壤質(zhì)量綜合指數(shù)表現(xiàn)為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，其值依次為0.637、0.426、0.416、0.369，相比于紫穗槐，刺槐、火炬樹、榆樹土壤質(zhì)量綜合指數(shù)分別提高 72.63%、15.45%、12.73%，說明不同植被恢復(fù)措施對(duì)排土場(chǎng)土壤質(zhì)量的作用程度不同，榆樹、紫穗槐和火炬樹對(duì)土壤質(zhì)量的改善效果較為接近，而刺槐林地的土壤質(zhì)量得到顯著的提高與改善，說明刺槐在排土場(chǎng)土地復(fù)墾工作中得到了較好的應(yīng)用，可作為該區(qū)域排土場(chǎng)先鋒樹種進(jìn)行推廣。

3 討論

中國(guó)大型露天煤礦多位于干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱（谷裕等，2016），水分條件差，植被恢復(fù)困難。因此，土地復(fù)墾和植被恢復(fù)工作顯得極其重要。通過土地復(fù)墾和植被重建可以有效地提高排土場(chǎng)植被覆蓋度，防治水土流失，但復(fù)墾后植被恢復(fù)程度以及土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)有待進(jìn)一步研究和探討（陳龍乾等，1999）。陜永杰等（2008）首先系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了礦區(qū)開采和不同復(fù)墾年限等不同階段的土壤質(zhì)量，提出了適合黃土丘陵區(qū)采礦地土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。王金滿等（2012）篩選體積質(zhì)量、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、全氮、堿解氮、pH值、電導(dǎo)率等指標(biāo)，評(píng)價(jià)了內(nèi)蒙古伊敏礦區(qū)不同復(fù)墾年限排土場(chǎng)的土壤質(zhì)量，揭示土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，構(gòu)建土壤演替模型。但是，目前關(guān)于礦區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建還不是十分完善，尚未建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。本研究從土壤物理性質(zhì)、入滲特征、養(yǎng)分特征、根系特征等角度初步研究了不同植被類型土壤質(zhì)量特征，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為刺槐能夠顯著改善和提高排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量；呂剛等（2017）從土壤因子、水分因子、植物因子3個(gè)方面12個(gè)環(huán)境因子角度，運(yùn)用層次分析法和土壤水文效應(yīng)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)該排土場(chǎng) 6種復(fù)墾植被類型土壤水文效應(yīng)，其結(jié)果表明植被恢復(fù)可以有效地改善排土場(chǎng)的土壤水文效應(yīng)，且以刺槐效果最佳；由本研究和呂剛等（2017）研究結(jié)果可知，無論從土壤水文效應(yīng)角度還是從土壤質(zhì)量角度，刺槐可作為海州露天煤礦排土場(chǎng)先鋒樹種進(jìn)行推廣，兩者的研究結(jié)果可以相互印證。本研究從土壤理化性質(zhì)和根系特征等角度研究了露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量，但未考慮排土場(chǎng)土壤動(dòng)物、微生物和重金屬污染等方面對(duì)土壤質(zhì)量的影響，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，以期完善礦區(qū)排土場(chǎng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

表4 排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分特征Table 4 Soil nutrient characteristics in the dump

表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)和權(quán)重Table 6 Correlation coefficient and weight coefficient of each evaluation index

表7 排土場(chǎng)不同植被類型土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)Table 7 Comprehensive evaluation of soil quality with different vegetation types in the dump

4 結(jié)論

（1）不同植被類型對(duì)排土場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果不同，刺槐和火炬樹土壤容重顯著小于榆樹和紫穗槐；毛管孔隙度表現(xiàn)為紫穗槐（40.29%）＞刺槐（39.45%）＞火炬樹（38.67%）＞榆樹（36.56%）；礫石含量較高，均在40%以上。排土場(chǎng)穩(wěn)定入滲率在0.85－3.06 mm·min-1之間，刺槐、榆樹、火炬樹穩(wěn)定入滲率分別為紫穗槐的3.6、1.21、1.15倍。

（2）土壤養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為刺槐＞榆樹＞火炬樹＞紫穗槐，刺槐林地土壤養(yǎng)分含量最高，各樣地土壤有機(jī)質(zhì)在8.45－12.6 g·kg-1之間，全氮含量在0.47－0.69 g·kg-1之間；排土場(chǎng)各樣地根重密度表現(xiàn)為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，根長(zhǎng)密度最大為0.054 cm·cm-3，最小為 0.02 cm·cm-3之間，根表面積密度在 0.021－0.051 cm2·cm-3之間。

（3）從土壤物理性質(zhì)、入滲特征、養(yǎng)分特征、根系特征分析排土場(chǎng)不同植被類型土壤質(zhì)量的差異性，各樣地土壤質(zhì)量綜合指數(shù)表現(xiàn)為刺槐（0.637）＞火炬樹（0.426）＞榆樹（0.416）＞紫穗槐（0.369），相比于紫穗槐，刺槐、火炬樹、榆樹土壤質(zhì)量綜合指數(shù)分別提高了72.63%、15.45%、12.73%；刺槐能夠顯著提高排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量，可作為該區(qū)域排土場(chǎng)先鋒樹種進(jìn)行推廣。