草原露天礦區(qū)復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)對(duì)比

黃雨晗，況欣宇，曹銀貴，2①，羅古拜，王舒菲，楊 庚，白中科，2〔.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 00083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00035〕

中國(guó)煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采，一方面滿(mǎn)足了經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，另一方面給局部帶來(lái)了眾多生態(tài)環(huán)境［1-2］與社會(huì)問(wèn)題［3］。資料顯示國(guó)外損毀土地復(fù)墾率一般為70%～80%，目前美國(guó)損毀土地復(fù)墾率已達(dá)到85%，而中國(guó)損毀土地復(fù)墾率僅為25%左右［4］。中國(guó)草原露天煤礦多地處水土資源匱乏的生態(tài)脆弱區(qū)［5］，采礦活動(dòng)嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境［6-7］，且露天采煤初期多采用外排土方式，礦區(qū)土地?fù)p毀高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要在未復(fù)墾的排土場(chǎng)［8］，因此土地復(fù)墾對(duì)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

在土地復(fù)墾中，原地貌土壤質(zhì)量是復(fù)墾地重構(gòu)土壤質(zhì)量的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，但由于研究區(qū)域、尺度范圍不同，造成研究結(jié)果差異很大［9］。排土場(chǎng)復(fù)墾過(guò)程中機(jī)械反復(fù)碾壓易導(dǎo)致土壤容重增大，引起土壤緊實(shí)度過(guò)大，孔隙度變小，導(dǎo)致土壤含水率較?。?0-11］。程林森等［12］研究發(fā)現(xiàn)，未受采煤影響的土壤含水量較平穩(wěn)，不隨溫度變化，而采煤初期土壤含水量變化不明顯，存在滯后性。CAO等［13］和PAN等［14］研究了黃土地區(qū)露天礦排土場(chǎng)重構(gòu)土壤物理性質(zhì)與植被恢復(fù)的關(guān)系，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間植被恢復(fù)，土壤容重降低，孔隙度增加，土壤含水量得到改善。LEWIS等［15］和BANNING等［16］研究表明，由于排土場(chǎng)的非均勻性，復(fù)墾土壤質(zhì)量空間差異性顯著。重構(gòu)土壤中礫石會(huì)增加土壤大孔隙數(shù)量，降低土壤保水能力［17］。土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤孔隙度和含水量呈正相關(guān)而與容重和有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)［18］。此外，研究表明復(fù)墾時(shí)間是土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)的重要保證［11，19］。陜永杰等［20］發(fā)現(xiàn)復(fù)墾8 a的黃土區(qū)土壤物理質(zhì)量水平還很差。同時(shí)，王金滿(mǎn)等［21］研究證實(shí)隨著復(fù)墾年限增加，土壤環(huán)境因子質(zhì)量不斷提升并逐漸接近原地貌。

上述研究表明，復(fù)墾初期重構(gòu)土壤物理性質(zhì)較差，會(huì)阻礙土壤質(zhì)量的提升，同時(shí)，復(fù)墾時(shí)間是衡量土壤質(zhì)量的重要因素。草原礦區(qū)表土稀缺、氣候干旱的自然特征無(wú)疑加重了復(fù)墾難度，而土壤物理性質(zhì)又是決定植被重建和生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)。因此，豐富草原礦區(qū)重構(gòu)土壤物理性質(zhì)的研究，探尋重構(gòu)土壤與原地貌土壤物理性質(zhì)的差異性及其產(chǎn)生原因，可為表土稀缺的草原露天煤礦區(qū)土壤重構(gòu)提供支撐。

1 研究區(qū)概況

神華北電勝利露天煤礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內(nèi)，地理位置為43°57′～44°14′N(xiāo)，115°30′～116°26′E，地表東西長(zhǎng)6.84 km，南北寬5.43 km，含煤面積為37.14 km2。礦區(qū)包含3座外排土場(chǎng)，分別為南排土場(chǎng)、北排土場(chǎng)和沿幫排土場(chǎng)（圖1），損毀土地綠化復(fù)墾率達(dá)100%。研究區(qū)地勢(shì)較平坦，所屬土壤侵蝕類(lèi)型區(qū)為內(nèi)蒙古高原草原風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)，植被蓋度為40%～75%，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季風(fēng)大多干旱，夏季溫?zé)嵊昙校锔邭馑┰?，冬季寒冷風(fēng)雪多，年均氣溫為1.7℃，年降水量為294.74 mm［22］，屬于典型草原地帶性植被類(lèi)型區(qū)。目前，研究區(qū)以草甸土為主，構(gòu)成非地帶性土壤，w（有機(jī)質(zhì)）為2%～3.68%，pH值約為8，土壤養(yǎng)分狀況是缺磷、富鉀、氮中等，并且在土壤表層約20 cm以下存在明顯鈣積層。

圖1 勝利礦區(qū)一號(hào)露天煤礦位置示意Fig.1 Location of No.1 opencast coal mine of Shengli mining area

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

在原地貌未損毀地以及南、北排土場(chǎng)復(fù)墾地分別隨機(jī)布設(shè)3個(gè)采樣地。采樣時(shí)間為2017年9月，每個(gè)樣地土層厚度、質(zhì)地、復(fù)墾年限和植被類(lèi)型見(jiàn)表1。每個(gè)土壤剖面上利用環(huán)刀（Φ100）分層采集0～10、＞10～20、＞20～30和＞30～40 cm土壤樣品，同時(shí)收集各層土壤布袋樣，對(duì)所采集樣品進(jìn)行編號(hào)與保存。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品測(cè)定方法

在實(shí)驗(yàn)室采用天平分別測(cè)定環(huán)刀采集的土壤樣品濕重和干重，計(jì)算得到土壤容重和土壤含水率。參照LY/T 1225—1999《森林土壤顆粒組成（機(jī)械組成）的測(cè)定》，采用吸管法測(cè)定布袋采集土壤樣品顆粒機(jī)械組成。

表1 采樣地剖面情況一覽Tabld 1 Profiles of sampling site

2.2.2 計(jì)算方法

土壤容重與體積含水率計(jì)算公式［23］分別為

式（1）～（2）中，ρB為土壤容重，g·cm-3；v為環(huán)刀容積，cm3；m1為環(huán)刀質(zhì)量，g；m2為環(huán)刀及烘干土總質(zhì)量，g；θg為土壤質(zhì)量含水率，%；M1為供試原土質(zhì)量，g；M2為烘干土質(zhì)量，g。

土壤的礫石含量為每千克土壤樣本中粒徑＞2 mm的土壤顆粒質(zhì)量含量，可分為3級(jí)：少礫（0～150 g·kg-1）、中礫（＞150～300 g·kg-1）和多礫（＞300 g·kg-1）。土壤質(zhì)地分級(jí)按美國(guó)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)［24］進(jìn)行，即等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)分別代表100%的砂粒（粒徑＞0.05～2 mm）、粉粒（粒徑0.002～0.05 mm）及黏粒（粒徑＜0.002 mm）。采用SPSS 25.0和Excel 2016軟件進(jìn)行方差分析與擬合分析，并制作圖表。

復(fù)墾地與未損毀地土壤物理指標(biāo)差異分析從兩個(gè)方面開(kāi)展：（1）0～40 cm土層復(fù)墾地與未損毀地土壤物理指標(biāo)差異；（2）根據(jù)原地貌土體（土層平均厚度為20 cm）以及南、北排土場(chǎng)土壤剖面（土層平均厚度分別為40和20 cm）構(gòu)型，選擇20 cm為土層分界線，將土壤分為0～20和＞20～40 cm兩個(gè)土層，分析同一區(qū)域不同土層之間和同一土層不同區(qū)域之間土壤物理指標(biāo)差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)總體差異

復(fù)墾地與未損毀地0～40 cm深土壤物理性質(zhì)差異分析結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，復(fù)墾4 a的南排土場(chǎng)土壤容重大于復(fù)墾8 a的北排土場(chǎng)和未損毀地，分別高2.54%和7.15%，且南排土場(chǎng)與未損毀地土壤容重差異顯著（P＜0.05）。北排土場(chǎng)土壤含水率略大于南排土場(chǎng)和未損毀地，但差異不顯著（P＞0.05）。南排土場(chǎng)（多礫）和北排土場(chǎng)（多礫）礫石含量均高于未損毀地（中礫），分別高96.98%和64.66%，且復(fù)墾地與未損毀地礫石含量差異顯著（P＜0.05）。土壤質(zhì)地分級(jí)結(jié)果顯示，南排土場(chǎng)與未損毀地土壤均為砂質(zhì)壤土，而北排土場(chǎng)土壤為砂質(zhì)黏壤土。

3.2 復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)的垂向差異性

按0～20和＞20～40 cm兩個(gè)土層分析各場(chǎng)地土壤物理性質(zhì)垂向差異。由圖3可知，復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)不同土層間土壤容重、礫石含量和土壤質(zhì)地均差異不顯著（P＞0.05）。而未損毀地和北排土場(chǎng)＞20～40 cm土層土壤含水率均顯著高于0～20 cm土層，分別高87.84%和108.81%（P＜0.05），這與土壤水分入滲規(guī)律有關(guān)。同時(shí)各場(chǎng)地＞20～40 cm土層土壤粉粒和黏粒含量均高于0～20 cm土層，而礫石和砂粒含量均低于0～20 cm土層，可見(jiàn)土壤含水率垂向變化受土壤剖面構(gòu)型的影響。

由圖4可知，對(duì)比同一土層不同場(chǎng)地間土壤物理性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，復(fù)墾地與未損毀地0～20 cm土層土壤容重差異不顯著（P＞0.05），南排土場(chǎng)＞20～40 cm土層土壤容重則顯著高于未損毀地，高9.62%（P＜0.05）。復(fù)墾地與未損毀地0～20和＞20～40 cm土層土壤含水率均無(wú)顯著性差異，但復(fù)墾地土壤含水率均高于未損毀地，0～20 cm土層南排土場(chǎng)最高，＞20～40 cm土層北排土場(chǎng)最高，這表明損毀土地復(fù)墾后土壤保水性能相對(duì)未損毀地有所提升。南排土場(chǎng)0～20和＞20～40 cm土層礫石含量均顯著高于未損毀地，分別高60.74%和174.66%（P＜0.05）。對(duì)于土壤質(zhì)地，南排土場(chǎng)各土層砂粒、粉粒和黏粒含量與未損毀地?zé)o顯著差異（P＞0.05），但兩者＞20～40 cm土層與北排土場(chǎng)間均存在顯著差異（P＜0.05），這可能與北排土場(chǎng)20 cm深以下所覆煤矸石成分有關(guān)系。

圖2 土壤物理性質(zhì)的總體差異性Fig.2 Overall differences in soil physical properties

3.3 礦區(qū)土壤物理性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

由表2可知，在礦區(qū)土壤中，土壤含水率與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.778，P＜0.01），與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.644和0.775，P＜0.01）；礫石含量與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.447，P＜0.01），與粉粒和黏粒含量分別呈顯著和極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.384和-0.439）；土壤容重與礫石含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.440，P＜0.01）；此外砂粒含量與粉粒和黏粒含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.869和-0.978，P＜0.01），粉粒含量與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.746，P＜0.01），其他物理指標(biāo)之間相關(guān)不顯著。為檢驗(yàn)上述土壤物理指標(biāo)線性回歸方程可靠性，建立回歸模型（表3），方程擬合情況較好，均通過(guò)F顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果表明在表土稀缺的草原礦區(qū)，復(fù)墾地土壤含水率、礫石含量與未損毀地產(chǎn)生差異性的原因主要來(lái)源于質(zhì)地構(gòu)型的差異，復(fù)墾地土壤容重高于未損毀地，一是由于排土過(guò)程中機(jī)械壓實(shí)，二是由于重構(gòu)土壤剖面礫石含量差異。

表2 礦區(qū)土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between soil physical properties in mining area

4 討論與結(jié)論

（1）隨著復(fù)墾年限的增加，重構(gòu)土壤容重、礫石含量和砂粒含量逐漸降低，土壤含水率以及粉粒和黏粒含量逐漸增加；隨著土層深度的增加，土壤容重、含水率以及粉粒和黏粒含量逐漸升高，礫石和砂粒含量逐漸降低，這與CAO等［13］和蔡文濤等［25］研究成果基本一致。南排土場(chǎng)土壤容重總體上明顯高于未損毀地，但兩者在0～20 cm土層無(wú)顯著差異，表明經(jīng)過(guò)4 a的自然恢復(fù)復(fù)墾地重構(gòu)土壤容重未達(dá)到原地貌水平，而植被重建可使表層土壤容重先接近原地貌［11］。北排土場(chǎng)土壤含水率總體上略高于南排土場(chǎng)，且兩者均高于未損毀地，表明復(fù)墾可有效提升土壤含水率。各場(chǎng)地＞20～40 cm土層土壤含水率均高于0～20 cm土層，北排土場(chǎng)該現(xiàn)象更為顯著，這與草原礦區(qū)降雨量少、蒸發(fā)量高的氣候特征［22］和水分入滲規(guī)律［26］密不可分，也可能與北排土場(chǎng)采用煤矸石作為重構(gòu)土壤的下墊面獲得良好保水性能有關(guān)。此外，礫石和砂粒含量由于風(fēng)化作用而降低，但在風(fēng)蝕水蝕作用下，兩者在0～20 cm土層含量均高于＞20～40 cm土層，因此控制風(fēng)蝕水蝕對(duì)重構(gòu)土壤的影響是復(fù)墾工作的關(guān)鍵。ρB為土壤容重，θg為土壤含水率，Y為礫石含量，X砂為砂粒含量，X粉為粉粒含量，X黏為黏粒含量。

表3 礦區(qū)土壤物理性質(zhì)間回歸分析Table 3 Regression analysis between soil physical properties in mining area

（2）排土場(chǎng)所覆土層越厚，重構(gòu)土壤剖面礫石含量越高，表土十分稀缺是限制覆土厚度的客觀因素，也是影響土壤質(zhì)地的關(guān)鍵因素。重構(gòu)土壤剖面礫石含量和土壤顆粒機(jī)械組成比例確定后短時(shí)間內(nèi)難以改變，擬合分析發(fā)現(xiàn)兩者具有一定相關(guān)性，均影響土壤容重和土壤含水率，其中礫石含量與土壤容重呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），土壤含水率與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），因此土壤質(zhì)地構(gòu)型可影響土壤含水率，這與劉愫倩等［27］研究結(jié)果一致。

（3）TD/T 1036—2013《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》［28］指出北方草原區(qū)（其他草地）土壤容重≤1.45 g·cm-3，礫石含量≤150 g·kg-1，土壤質(zhì)地為砂土至砂質(zhì)黏土。研究區(qū)南、北排土場(chǎng)土壤容重均值分別為1.45和1.41 g·cm-3，礫石含量均為多礫狀態(tài)，土壤質(zhì)地分別為砂質(zhì)壤土和砂質(zhì)黏壤土，其中礫石含量超出TD/T 1036—2013范圍，限制了復(fù)墾地其他土壤物理性質(zhì)的改善，其含量過(guò)高且難以控制會(huì)影響復(fù)墾效果，因此確定適宜的礫石含量范圍是精準(zhǔn)復(fù)墾下一步要開(kāi)展的重要工作。