勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征與影響因素①

趙義博，雷少剛*，劉 英

(1 中國礦業(yè)大學國土資源研究所，江蘇徐州 221116；2 礦山生態(tài)修復教育部工程研究中心，江蘇徐州 221116)

采礦活動給社會經(jīng)濟發(fā)展提供大量物質(zhì)基礎的同時，對環(huán)境也造成了極大的破壞。露天采礦需要剝離煤層上方的表土，不僅對采礦場造成土地損毀，排土場的堆積壓占也導致土地資源損失和生態(tài)失衡。我國露天煤場多位于干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流水嚴重，常年的采礦活動導致土壤肥力變化劇烈。近年來為了恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，陸續(xù)開展了土地復墾工作，由于復墾過程產(chǎn)生擾動，完全改變了土壤原有的理化結構，復墾后的土壤條件將直接影響當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，進而影響到整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設的成效[1-2]。

土壤養(yǎng)分是綜合評價土壤肥力水平的重要指標，也是決定植被生長演替的重要因素。土壤在形成和演化過程中受氣候、地形、土地利用等多種因素制約，因此土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出普遍的空間變異性。土壤養(yǎng)分的空間分布格局是土壤異質(zhì)性的具體表現(xiàn)。近年來，地統(tǒng)計學結合GIS 技術在研究土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性中廣泛應用。Foroughifar 等[3]利用數(shù)據(jù)分析和地統(tǒng)計學方法研究了伊朗Dasht-e-Tabriz 農(nóng)田不同土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性；俞月鳳等[4]從大尺度區(qū)域出發(fā)，對喀斯特區(qū)域內(nèi)石灰土養(yǎng)分的含量水平、空間變異進行了分析。目前，土壤養(yǎng)分空間變異研究多集中在耕地、林地等區(qū)域[5-8]，而針對礦區(qū)的研究較少。勝利煤田是中國最大的褐煤基地，大量的開采破壞了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，探明土壤養(yǎng)分空間變異性是恢復生態(tài)多樣性和土地生產(chǎn)能力的基礎環(huán)節(jié)。因此，本文以勝利礦區(qū)為研究對象，采用地統(tǒng)計學和GIS 技術，分析土壤pH、有機質(zhì)(SOM)、速效氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)等主要養(yǎng)分指標的含量水平、空間變異特征，并采用典型對應分析(CCA 排序)及單因素方差分析方法探討地形因子和土地利用類型對土壤空間分布格局的影響，以期為礦區(qū)土地復墾提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市周邊勝利礦區(qū)，包括勝利一號露天礦、西二礦、西三礦、勝利東二號露天煤礦以及烏蘭圖嘎鍺礦，地理坐標43°54′15″ ～ 44°13′52″ N，115°24′26″ ～ 116°26′30″ E，海拔960 ～ 1 270 m。地處中緯度西風氣流帶內(nèi)，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，月均溫度最低–21.64 ℃，最高19.0℃，年平均降水量294.74 mm。礦區(qū)地貌形態(tài)由構造侵蝕地形、剝蝕堆積地形、侵蝕堆積地形、熔巖臺地等4 種地貌單元組成。栗鈣土、草甸栗鈣土和草甸土是該區(qū)域主要的地帶性土壤，多為砂壤質(zhì)地，多風地段往往就地起沙，易于遭受侵蝕。本區(qū)植被類型為典型草原，主要包括克氏針茅(Stipa krylovii)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、雙齒蔥(Allium bidentatum)、羊草(Leymus chinensis)、黃囊苔草(Carex korshinskyi)、冰草(Agropyron mongolicum)等。主要土地利用類型包括露天采坑、排土場、耕地、草地、建設用地等。錫林河是勝利礦區(qū)最大的一條河流，全長175 km，如今下游段已成為季節(jié)性河流，除春汛、暴雨期間有水外，其余時間是一干河床[9-10]。

圖1 研究區(qū)與樣點分布圖Fig. 1 Study area and sampling sites

1.2 樣品采集與制備

本研究于2017 年8 月進行土壤樣品的采集，采用網(wǎng)格法對樣點進行初步布設，網(wǎng)格大小為1 km ×1 km。在實際采樣過程中，根據(jù)勝利礦區(qū)土地利用類型與土壤環(huán)境特點，在網(wǎng)格內(nèi)選擇具有代表性、能夠反映區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的位置采樣，對有污染源的地區(qū)加密取樣，樣點共計152 個，具體分布如圖1 所示。采樣深度為0 ～ 20 cm，每個樣品由中心點及周邊3 m范圍內(nèi)的4 個子樣混合組成，約1.0 kg。采樣時進行GPS 定位，在裝有土樣的自封袋上做好標記并對現(xiàn)場拍照。將帶回的土壤樣本置于無塵、通風、避光的地方自然風干，剔除石塊、植物根系、樹葉等雜物后，經(jīng)研磨、過120 目篩，混勻，裝入紙袋待測。土壤pH 采用電極電位法測定，有機質(zhì)用重鉻酸鉀–外加熱法測定，速效氮采用堿解–擴散法測定，有效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀用乙酸銨浸提–火焰光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)采用平均值 ± 3 倍標準差識別異常值，在此范圍之外的數(shù)據(jù)標記為特異值，分別用正常數(shù)據(jù)的最大值和最小值代替特異值。利用SPSS 24.0軟件對樣本數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析、K-S 檢驗和單因素方差分析?；谲浖﨏anoco 4.5 對地形因子與土壤養(yǎng)分進行典型對應分析(CCA 排序)。通過地統(tǒng)計學軟件GS+9.0 進行半變異函數(shù)分析和理論模型擬合。在ArcGIS 10.4 平臺進行趨勢效應分析、克里金插值和交叉驗證，以及進行圖幅編輯，制作土壤養(yǎng)分空間分布圖。

2 結果與討論

2.1 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計

表1 為研究區(qū)土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計結果。勝利礦區(qū)土壤pH、有機質(zhì)、速效氮、有效磷、速效鉀平均含量分別為8.07、21.59 g/kg、82.91 mg/kg、8.21 mg/kg、257.34 mg/kg。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[11]，有機質(zhì)屬于中等水平，速效氮和有效磷屬于缺乏水平，速效鉀屬于豐富等級。根據(jù)Nielsen 和Bouma[12]標準，pH 的變異系數(shù)為8.19%，表現(xiàn)出弱的變異性；其他4 項指標變異系數(shù)在44.38% ～ 72.09%，均屬于中等強度變異，其中有效磷的變異系數(shù)最高，為72.09%。土壤速效養(yǎng)分較pH、有機質(zhì)的變異系數(shù)高，這主要是養(yǎng)分在土壤中的化學性質(zhì)和成土母質(zhì)決定的[13]。在顯著性水平0.05 的單樣本K-S 檢驗下，pH 和有機質(zhì)符合正態(tài)分布，速效氮、有效磷、速效鉀經(jīng)Box-Cox 變換后服從正態(tài)分布。

2.2 土壤養(yǎng)分的趨勢效應

受成土因素、自然地理條件及人類采礦活動的影響，區(qū)域土壤屬性的空間分布常呈明顯的趨勢特征，在空間插值分析中不容忽視。運用ArcGIS 10.4 的地統(tǒng)計分析模塊獲得土壤養(yǎng)分的趨勢效應(圖2)。圖中X軸表示正東方向，Y軸表示正北方向，Z軸表示各點實測值的大小。左后投影面上曲線表示東–西向全局性的趨勢效應，右后投影面上曲線表示南–北向全局性的趨勢效應。從圖2 中可以看出，土壤pH 與有效磷趨勢效應相同，在東–西及南–北方向均呈倒“U”字形，為二階趨勢效應；有機質(zhì)在東–西方向投影線中部略有下凹，由東向西逐漸升高，呈二階趨勢效應，南–北向投影線呈線性，趨勢效應為一階；速效氮東–西方向呈“U”字形，南–北方向呈倒“U”字形，均為二階趨勢效應；速效鉀在東–西方向投影線中部略有下凹，趨勢效應為二階，在南–北方向的投影為直線，由南向北逐漸升高，趨勢效應為一階。

表1 土壤養(yǎng)分因子描述性統(tǒng)計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrient factors

2.3 土壤養(yǎng)分的空間變異特征

用GS+ 9.0 軟件擬合半方差函數(shù)，以殘差(RSS)最接近于0、決定系數(shù)(R2)最接近于1 為標準選擇最佳的擬合模型。由表2 可知，pH 的最適模型是球面模型，有機質(zhì)、速效鉀的最適模型是線性有基臺模型，速效氮、有效磷的最優(yōu)半方差模型為指數(shù)模型。土壤養(yǎng)分各項指標的塊金值(C0)均為正值，說明在當前采樣尺度范圍內(nèi)，存在由于采樣、測定誤差等隨機因素引起的空間異質(zhì)性。土壤指標均具有一定的基臺值(C0+C)，說明其受地形、土壤母質(zhì)等自然因素影響。塊金效應(C0/(C0+C))表示隨機因素引起的異質(zhì)性占系統(tǒng)總異質(zhì)性的比例。按照Cambardella等[14]劃分標準，pH、有機質(zhì)和速效氮的塊金效應在0.501 ～ 0.614，表現(xiàn)為中等的空間自相關性，說明其空間變異是由結構因素和隨機因素共同引起的；有效磷和速效鉀的塊金效應均大于0.75，表明隨機因素的影響占主導地位。勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分特性受開采、土地復墾、放牧等因素影響較大，人為因素的差異性和隨機性使得土壤養(yǎng)分空間變異不盡相同；坡度、高程等地形差異造成土壤侵蝕與運移，增強了結構因素的差異，因此不同位置、不同養(yǎng)分指標表現(xiàn)出不同程度的空間變異[15]。土壤養(yǎng)分因子5 項指標的變程在1.350 ～ 17.240 km，說明它們各自的空間自相關范圍相差較大，空間異質(zhì)性對尺度的依賴程度不同，應根據(jù)各項養(yǎng)分指標的特征調(diào)整采樣間隔。

圖2 土壤養(yǎng)分因子趨勢效應示意圖Fig. 2 Trend effects of soil nutrient factors

表2 土壤養(yǎng)分因子半方差模型及參數(shù)Table 2 Semivariance models and parameters of soil nutrient factors

2.4 土壤養(yǎng)分的空間分布格局

采用GS+ 9.0 軟件擬合各養(yǎng)分指標的半方差函數(shù)理論模型，考慮各向異性和趨勢效應，按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，通過ArcGIS 10.4普通克里金插值繪制勝利礦區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布圖(圖3)。為了進一步了解其豐缺狀況，本文結合土壤數(shù)據(jù)的分級標準，統(tǒng)計各等級所占的面積和比例(表3)。研究區(qū)土壤呈中性至強堿性，這與戴萬宏等[16]研究中國地帶性土壤pH 分布得到的結果一致。pH 呈由中部向四周降低的趨勢，東北部分地區(qū)土壤為中性，圖上深色區(qū)域?qū)儆诘湫偷柠}堿地，表現(xiàn)出較強的堿性。勝利煤田地處干旱、半干旱地區(qū)，降水較少，植被稀疏，土壤侵蝕嚴重，有機質(zhì)、速效氮含量以中等和缺乏水平為主。其中，有機質(zhì)含量處于中等和缺乏水平的面積占總面積的98.78%，速效氮含量處于中等和缺乏水平的面積占84.46%。有機質(zhì)和速效氮的相關性分析顯示，二者相關系數(shù)達0.49，呈顯著正相關關系，從插值結果(圖3)也可以看出，二者的空間分布較為相似：含量較高的土壤位于西部高程較大的位置，低值分布在中東部人類活動干擾相對較強的區(qū)域。這可能是由于東二號露天礦周邊多是退化草地，缺乏植被和凋落物的積累，錫林河干涸后沉積沙暴露及東南角堆煤場的影響造成的。研究區(qū)土壤有效磷處于缺乏狀態(tài)，中等及以下水平的面積為695.17 km2，占土地總面積的86.67%。礦業(yè)用地有效磷含量較低，中部及北部耕地位置出現(xiàn)高含量斑塊。速效鉀含量相對較高，很豐富和豐富水平占總面積的97.44%。同樣受到錫林河附近的鹽沼濕地和東南部的堆煤場影響，這兩個位置速效鉀含量偏低。

圖3 土壤養(yǎng)分因子空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution of soil nutrient factors

表3 土壤養(yǎng)分因子插值結果分級統(tǒng)計Table 3 Classification statistics of interpolation of soil nutrient factors

2.5 土壤養(yǎng)分空間分布的影響因素

2.5.1 地形因子對土壤養(yǎng)分的影響 典型對應分析(CCA 排序)將對應分析與多元回歸相結合，可以直觀地反映地形因子(坡度(SLO)、坡向(ASP)、高程(ELE)、地形濕度指數(shù)(TWI)和地形起伏度(RA))對土壤養(yǎng)分空間變異的影響程度[17]。典型對應分析包含4 個排序軸，即將地形因子重新組合成4個互不相關的綜合變量，以方差解釋累計百分比表示各軸對養(yǎng)分異質(zhì)性的影響程度。排序圖中只顯示前兩軸，地形因子用帶有箭頭的實線表示，箭頭長度表示該地形因子對土壤養(yǎng)分空間分布影響的強弱；箭頭與養(yǎng)分質(zhì)心的夾角表示地形因子與該養(yǎng)分的相關性，夾角越小，相關性越強；箭頭與排序軸之間的夾角表示地形因子與排序軸的相關性，夾角越小，相關性越高。

表4 地形因子與CCA 排序軸的相關系數(shù)及方差解釋累計百分比Table 4 Correlation coefficients and cumulative percentage variances of topographic factors and CCA axis

圖4 土壤養(yǎng)分因子與地形因子的CCA 排序Fig. 4 CCA ordination of soil nutrient factors and topographic factors

由表4 和圖4 可知，CCA 排序前兩軸的累積解釋度達93.8%，可以很好地反映土壤養(yǎng)分與地形因子之間的關系。影響第一排序軸的地形因子主要是高程、地形起伏度和坡度，第二排序軸的決定性地形因子是坡度。pH 靠近質(zhì)心，表征其空間變異受地形因子的共同作用；有機質(zhì)主要受坡度的影響；速效氮受坡度、高程的影響較大；地形濕度指數(shù)和坡向是制約速效鉀空間分布的主要因素；有效磷與各地形因子的夾角均較大，表明其受地形因子的制約較小，造成的原因可能有兩方面：①土壤中磷主要來自于基巖(施肥除外)，而基巖又不易被風化；②土壤中磷素極易被固定，移動性很弱[18]。

坡度主要通過影響土壤持水量、表層顆粒運移等因素間接影響土壤肥力水平?；贒EM 提取勝利礦區(qū)坡度，根據(jù)實際情況將坡度分為9 級，分別統(tǒng)計不同坡度范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)、速效氮的平均含量(圖5A)。結果表明，隨著坡度增大，土壤有機質(zhì)和速效氮平均含量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這與CCA 排序圖中在中等坡度位置取得最大值相符合。在坡度較大區(qū)域，土壤表層有機質(zhì)、速效氮易受到淋洗作用而損失[19]，含量降低。

高程不同，溫度、光照、水分等生態(tài)因子各異，這將影響成土母質(zhì)的再分配，從而使土壤養(yǎng)分的分布發(fā)生變化。對高程與速效氮含量進行單因素回歸分析(圖5B)，結果顯示隨著高程增大，速效氮含量呈明顯增加趨勢。德科加等[20]的研究表明，土壤氮素的礦化隨溫度升高而加強，因此當高程增加時溫度降低，微生物分解速度減緩，礦化作用減弱。此外，高程增加伴隨著人為擾動減少，這些都可以促進速效氮含量升高。

坡向制約土壤受到的溫度、輻照度、水分等狀況，進而影響土壤養(yǎng)分含量。本文采用四分法[21]對坡向進行分級，對研究區(qū)不同坡向土壤的速效鉀平均含量進行統(tǒng)計(圖5C)，表現(xiàn)為陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡，這與其他研究關于陽坡土壤速效鉀含量低于陰坡的結論[22-23]不一致，可能是由勝利礦區(qū)的自然環(huán)境引起的。研究區(qū)多以西北風為主，風力侵蝕導致陰坡、半陰坡的土壤速效鉀流失嚴重，又因為迎風坡的關系該方向易形成地形雨，降雨強度和降雨量比另一側大得多，因此陰坡土壤侵蝕強烈，并導致大量速效鉀流失。

地形濕度指數(shù)作為重要的地形因子，也會影響土壤養(yǎng)分的空間分布。利用DEM 提取勝利煤田地形濕度指數(shù)，并根據(jù)研究區(qū)實際情況將地形濕度指數(shù)分為8 級，分別統(tǒng)計各范圍內(nèi)的土壤速效鉀平均含量(圖5D)，結果表明，土壤速效鉀平均含量與地形濕度指數(shù)呈負相關關系，與圖4 中地形濕度指數(shù)增大，速效鉀含量降低的結果相吻合。高燈州等[19]及Güntner等[24]的研究結果顯示，速效鉀吸附能力較弱，流動性較強。地形濕度指數(shù)與土壤含水量呈直線相關，因此地形濕度指數(shù)增大，土壤淋溶作用加強，速效鉀含量降低。

地形起伏度與土壤養(yǎng)分無顯著關系，僅影響第一排序軸，可能是坡度、坡向、高程和地形濕度指數(shù)的綜合作用削弱了其生態(tài)效應。

從CCA 排序圖中還可以看出，pH 的質(zhì)心距離速效鉀的質(zhì)心較近，且分布在0 刻度的兩側，表明二者呈顯著負相關，與龐夙等[25]的研究結果一致。這主要是由于隨著土壤pH 增大，降低了鉀素的有效性，致使速效鉀含量降低。有機質(zhì)與速效氮的質(zhì)心距離很近，且分布在0 刻度的一側，說明二者具有明顯的正相關關系，可能的原因是土壤中氮素主要來自于有機質(zhì)的礦化，速效氮含量受有機質(zhì)含量的影響[18,26]。pH與有機質(zhì)、速效氮分別呈顯著負相關，但是在CCA排序圖中關系并不明顯，原因可能是受到地形因子的影響，pH 距離有機質(zhì)和速效氮的質(zhì)心較遠。

圖5 地形因子與土壤養(yǎng)分因子的關系Fig. 5 Relationship between topographic factors and soil nutrient factors

2.5.2 土地利用類型對土壤養(yǎng)分的影響 對研究樣本進行不同土地利用方式在顯著性水平為0.05時的土壤養(yǎng)分含量單因素方差分析(表5)。結果表明，不同土地利用方式之間的土壤pH、有機質(zhì)、速效氮、有效磷具有顯著性差異(P＜0.05)。露天采坑和排土場的土壤pH 明顯高于耕地、草地等受工礦活動影響較小的區(qū)域，這是由于煤礦開采導致山坡表層土壤鹽分逐漸積累，交換性鈉離子飽和度升高，所以礦業(yè)用地的pH 高于其他地區(qū)[27-28]。耕地的土壤pH 低于草地，造成的原因可能有：①施用氮肥、作物帶走較多鹽基離子導致耕地pH 降低；②放牧過程中牲畜在草地留下糞便，導致pH 升高。相關研究表明[27,29]，土壤有機質(zhì)含量與pH、土壤通氣性呈負相關，與土壤黏粒含量呈正相關。煤礦開采改變了原有的巖土結構，造成包氣帶水分含量減少，影響植被生長，導致當?shù)刂脖桓采w度下降，風化作用加強，致使黏粒含量下降、孔隙度增加；由上文可知露天采坑和排土場的土壤pH 較其他位置高；再加上排土場土壤質(zhì)量差，植被恢復緩慢，對土壤有機質(zhì)含量提高并不明顯[26]，因此礦業(yè)用地土壤有機質(zhì)平均含量較低。草地土壤有機質(zhì)平均含量高于耕地，主要是由于附近牧民長期放牧，在草地表層土壤留下牲畜糞便等有機質(zhì)。

受挖損影響，有機氮礦化成易流失的無機氮，硝態(tài)氮和活性高的磷從土壤表層淋至較深的土層[30]，因此露天采坑的速效氮、有效磷平均含量都很低。植被恢復下排土場速效氮的平均含量顯著高于露天采坑，但有效磷的差異并不顯著。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查了解到，研究區(qū)耕地主要以種植馬鈴薯為主，而查閱資料發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯對氮、磷需求比例約為2∶1，施入土壤中的磷肥移動性較小，當季利用率低，殘留較多，導致耕地速效氮含量偏低，而有效磷含量較高。草地大規(guī)模放牧導致速效鉀含量升高，促進草本植物的生長，消耗了大量的磷，因此草地的有效磷含量偏低。

雖然不同土地利用類型下土壤速效鉀的含量沒有顯著差異(P＞0.05)，但露天采坑的土壤速效鉀含量仍為最低，植被恢復下排土場的土壤速效鉀平均含量高于露天采坑，但與耕地、草地相比還有較大差距。

表5 不同土地利用類型養(yǎng)分因子平均值的顯著性差異檢驗Table 5 Verification of significant differences between average nutrient contents under different land use types

3 結論

1)勝利礦區(qū)土壤pH 呈中性至強堿性，有機質(zhì)含量中等，速效氮、有效磷含量缺乏，速效鉀含量豐富。除pH 表現(xiàn)出弱的變異性外，其他4 種養(yǎng)分指標均屬于中等強度變異。

2)土壤養(yǎng)分各項指標均具有一定的趨勢效應。pH、有機質(zhì)、速效氮為中等強度的空間自相關，分布具有一定的規(guī)律性，受隨機因素和非隨機因素共同作用，變程在2.10 ～ 17.24 km；有效磷、速效鉀空間自相關較弱，在全區(qū)域的分布特征沒有一定的規(guī)律性，主要受隨機因素控制，變程分別為16.98 km 和1.35 km。

3)坡度、坡向、高程、地形濕度指數(shù)是影響勝利煤田土壤養(yǎng)分格局特征的主要地形因子。從土地利用類型上看，采礦活動引起土壤擾動是養(yǎng)分含量較低的重要原因，土地復墾對排土場養(yǎng)分的恢復具有一定成效，但與耕地、草地相比還有一定的差距。