平朔礦區(qū)典型樣地表層土壤理化性質(zhì)變化研究

張耿杰等

摘要：通過對平朔礦區(qū)原地貌、未復(fù)墾及不同復(fù)墾模式下典型樣地表層土壤在0～10 cm和10～20 cm處的容重、田間持水量、有機質(zhì)、全氮和碳氮比的特征進行橫向、縱向與綜合分析，揭示復(fù)墾土地表層土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，未復(fù)墾樣地除了容重以外的其他理化指標(biāo)均值都低于原地貌樣地和復(fù)墾樣地；復(fù)墾樣地中土石混排的林地表層土壤中有機質(zhì)含量最高。各樣地容重在0～10 cm均值都低于10～20 cm土層；僅未復(fù)墾樣地的田間持水量均值在0～10 cm低于10～20 cm土層；有機質(zhì)、全氮和碳氮比在0～10 cm的均值一般高于10～20 cm土層。原地貌樣地中容重與田間持水量和有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)；未復(fù)墾樣地中容重與土壤化學(xué)指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)，而田間持水量與其他指標(biāo)呈極顯著負(fù)相關(guān)；復(fù)墾樣地中指標(biāo)的相關(guān)性類似原地貌樣地，只是容重與全氮之間呈顯著負(fù)相關(guān)。建議土石混排方式下的復(fù)墾方向為林地，以純土壤為復(fù)墾物質(zhì)條件下的最初復(fù)墾方式為草地，在復(fù)墾10年后可考慮改變土地利用方式為耕地。

關(guān)鍵詞：復(fù)墾；表層土壤；理化性質(zhì)；平朔礦區(qū)

中圖分類號：S153 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4168-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.015

礦區(qū)復(fù)墾是指通過采取整治措施，使得因采礦造成的塌陷、挖損、壓占和污染等損毀土地恢復(fù)到可供利用狀態(tài)的活動[1，2]。復(fù)墾模式是指復(fù)墾過程中針對不同的損毀情況所選擇的工程技術(shù)和生物化學(xué)等措施，以及適宜的復(fù)墾利用方向，使之最佳匹配并達到預(yù)期的復(fù)墾效果[3，4]。不合理的復(fù)墾模式會使得已損毀土地的質(zhì)量更加惡化，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活條件帶來極大不便。

表層土壤作為植物生長的介質(zhì)，其物理狀況及養(yǎng)分含量決定了土壤肥力。在露天礦區(qū)的復(fù)墾地中，經(jīng)過土壤重構(gòu)形成新的土壤剖面，其表層土壤的理化性質(zhì)與原地貌未損毀土地存在明顯差異[5，6]。土壤容重能夠反映土壤固體顆粒和孔隙狀況，田間持水量反映了土壤中水分對作物的有效供給能力[7-10]。有機質(zhì)能促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤物理性狀，使其他營養(yǎng)元素和水分易于被植被吸收；同時有機質(zhì)具有強烈的吸附能力，對金屬離子的螯合等作用使其相對固定，從而形成金屬元素和其他污染物質(zhì)的良好緩沖劑[11-13]。氮素是植物需要最多的必須營養(yǎng)元素，其中全氮包括可供植物直接吸收利用的礦質(zhì)氮、易礦化的有機氮和粘土礦物固定的銨，是植物從土壤中獲得氮的源泉[14]。碳氮比主要與土壤有機質(zhì)的腐殖化程度有關(guān)，一般被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志，碳氮比越小，有機質(zhì)在礦化作用中釋放的有效氮量越多，當(dāng)超過微生物的同化量時，使得植被能從有機質(zhì)礦化過程中獲得有效氮的供給；碳氮比越大，表明土壤中氮的含量可能不能滿足微生物的需要，則在有機質(zhì)礦化最初階段不能對植被進行有效供氮，造成植物缺氮，且還會加速土壤有機質(zhì)的分解[15，16]。

本研究通過平朔露天礦區(qū)典型樣地表層土壤的采樣分析，對表土容重、田間持水量、有機質(zhì)、全氮和碳氮比進行對比研究，探尋復(fù)墾模式與表土質(zhì)量的關(guān)系，為減少采礦活動影響、促進土地資源可持續(xù)利用提供實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原東部、山西省北部，朔州市平魯區(qū)境內(nèi)。礦區(qū)位于黃土高原與北方土石山區(qū)接壤地帶，為黃土丘陵地貌，區(qū)內(nèi)中部黃土廣布，侵蝕切割作用強烈，加之植被覆蓋低，區(qū)內(nèi)形成有巨大沖溝，整體屬黃土高原東部生態(tài)脆弱區(qū)。礦區(qū)海拔位于1 200～1 600 m之間，起伏小于500 m。海拔高程最低在礦區(qū)東南的平原區(qū)，最低海拔為1 038 m，海拔最高在礦區(qū)的西南部的山區(qū)，海拔為2 165 m。礦區(qū)為溫帶半干旱大陸性氣候，地帶性土壤為黃綿土和栗鈣土，呈微堿性和堿性，地帶性植被類型屬于干草原植被。區(qū)內(nèi)年平均氣溫4.8～7.5 ℃，極端最低氣溫-32.4 ℃，極端最高氣溫37.9 ℃。年平均降水量428.2～449 mm， 其中七、八和九3個月降水量占到全年的75%，年均蒸發(fā)量為1 786.7～2 598 mm[17]。

1.2 樣地土地利用現(xiàn)狀

本次研究采用了野外實地取樣法、室內(nèi)理化分析相結(jié)合的方式進行選點與采樣，采樣時間是在2012年8月。在礦區(qū)內(nèi)及周邊區(qū)域，借鑒農(nóng)用地分等中對野外標(biāo)準(zhǔn)樣地選擇的原則和方法在礦區(qū)內(nèi)選擇典型樣地[18]，其中包括了3個階段的土地：①原地貌未損毀的耕地；②未復(fù)墾的排土場；③復(fù)墾后的耕地、林地和草地。具體樣地情況見表1。

1.3 土壤采樣及試驗

在每一個樣地中根據(jù)地形和面積，參考《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中土壤采樣的方法在樣地里布點采樣。用環(huán)刀和取土鉆在樣地0～10 cm和10～20 cm的兩層分別采集土壤，并對混合土樣用四分法將所取土樣再取1 kg放入布袋中保存并編號。將布袋帶回室內(nèi)，經(jīng)風(fēng)干研磨過篩后以供測定。

土壤容重采用環(huán)刀法；田間持水量采用威爾科克斯法；對表土有機質(zhì)和全氮含量的測定，均需要土壤樣品通過0.25 mm孔徑篩。其中對土壤有機質(zhì)采用油浴加熱重絡(luò)酸鉀氧化-容量法測定；全氮采用凱氏蒸餾法。根據(jù)測定的有機質(zhì)和全氮含量，進行碳氮比計算。

2 結(jié)果與分析

以復(fù)墾階段的樣地為研究重點，與原地貌樣地和損毀后未復(fù)墾樣地表層土壤的理化性質(zhì)差異分別進行橫向、縱向和綜合分析。從表2可看出，通過T檢驗的各階段樣地中的表層土壤理化性質(zhì)差異明顯（p<0.05）。

2.1 表層土壤理化性質(zhì)橫向分析

橫向分析是針對相同深度、不同利用階段和利用類型的樣地表層土壤理化性質(zhì)分析。

從土壤的物理指標(biāo)來看，在0～10 cm范圍內(nèi)，原地貌和復(fù)墾樣地的土壤容重均值明顯低于未復(fù)墾樣地，而標(biāo)準(zhǔn)偏差值相反；從田間持水量的情況來看，原地貌和除土石混排林地的復(fù)墾樣地的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值都略高于未復(fù)墾樣地。在10～20 cm范圍內(nèi)，土壤容重均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值與在0～10 cm處的變化情況一致；未復(fù)墾樣地中田間持水量的均值僅低于復(fù)墾時間較長的耕地和排土規(guī)范的林地，但其標(biāo)準(zhǔn)偏差值均低于其他樣地。

從土壤的化學(xué)指標(biāo)來看，在0～10 cm范圍內(nèi)，未復(fù)墾樣地中有機質(zhì)與碳氮比的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值低于原地貌和復(fù)墾樣地，其中原地貌樣地和復(fù)墾林地的有機質(zhì)含量明顯高于其他樣地；對于全氮，未復(fù)墾樣地中均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值略高于復(fù)墾時間最短的耕地。在10～20 cm范圍內(nèi)，有機質(zhì)和碳氮比的均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差值與0～10 cm處的變化情況一致，但原地貌樣地和復(fù)墾林地與其他樣地的差別沒有0～10 cm處明顯；就全氮而言，未復(fù)墾樣地中該指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值略高于復(fù)墾耕地，但差異不大。

2.2 表層土壤理化性質(zhì)縱向分析

縱向分析是針對不同深度、相同利用階段和利用類型的樣地表層土壤理化性質(zhì)分析。

從土壤的物理指標(biāo)來看，除了復(fù)墾草地外的其余樣地土壤容重指標(biāo)在10～20 cm處的均值高于0～10 cm處值，其比例分別為12.10%、1.15%、8.80%、6.67%、0.84%、20.93%、-5.38%，但標(biāo)準(zhǔn)偏差值的差異不明顯；從田間持水量來看，除了未復(fù)墾樣地外，其余樣地該指標(biāo)的均值在0～10 cm處均高于10～20 cm處，其比例分別為13.31%、-15.73%、2.28%、6.54%、7.68%、1.95%、11.23%，而復(fù)墾林地的標(biāo)準(zhǔn)偏差值在10～20 cm深度范圍內(nèi)略高。

從土壤的化學(xué)指標(biāo)來看，僅復(fù)墾耕地和復(fù)墾草地的有機質(zhì)均值在0～10 cm處低于10～20 cm處，其中土石混排的復(fù)墾林地有機質(zhì)在0～10 cm的表層均值明顯高于10～20 cm處，其比例分別為32.91%、29.57%、-1.92%、-34.19%、28.19%、280%、-32.65%，而標(biāo)準(zhǔn)偏差值的差異不大；對于全氮，除了復(fù)墾草地在0～10 cm處的均值略低于10～20 cm處，而其他樣地在0～10 cm和10～20 cm范圍內(nèi)該指標(biāo)的均值差異不大，從標(biāo)準(zhǔn)偏差值來看各樣地中表層0～10 cm和10～20 cm無明顯規(guī)律；就碳氮比而言，僅復(fù)墾時間較長的耕地的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值在表層0～10 cm處略低于10～20 cm處，其中均值的比例分別為35.86%、29.69%、-35.97%、6.95%、2.08%、127%、7.72%。

2.3 表層土壤理化性質(zhì)綜合分析

土壤理化指標(biāo)能在一定程度上反映土地質(zhì)量，指標(biāo)之間的相關(guān)程度及其協(xié)調(diào)效應(yīng)綜合能夠反映礦區(qū)土地質(zhì)量恢復(fù)的效果。因此，綜合分析是對不同利用階段和類型的樣地表層土壤的理化指標(biāo)進行相關(guān)性分析。

從表3中可看出，在原地貌樣地中表層土壤容重和有機質(zhì)對土壤性質(zhì)的影響較大。其中容重與田間持水量極顯著負(fù)相關(guān)性（p<0.01），而與有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)性（p<0.05）；有機質(zhì)對全氮和碳氮比具有極顯著正相關(guān)性（p<0.01）。其余指標(biāo)之間相關(guān)性不顯著。

在表4中得出未復(fù)墾樣地表層土壤各理化指標(biāo)之間具有極顯著相關(guān)性，對土壤的性質(zhì)均影響較大。其中，容重與田間持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)性，而與有機質(zhì)、全氮和碳氮比呈極顯著正相關(guān)；田間持水量與有機質(zhì)、全氮和碳氮比均為極顯著負(fù)相關(guān)性；有機質(zhì)對全氮和碳氮比與原地貌樣地一樣具有極顯著正相關(guān)性；相比之下，全氮與碳氮比之間的相關(guān)性不顯著。

據(jù)表5可知，復(fù)墾樣地中表層土壤容重與田間持水量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)性（p<0.01），與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.05），而與有機質(zhì)和碳氮相關(guān)性不顯著；田間持水量與其他指標(biāo)之間的相關(guān)性不顯著；有機質(zhì)與全氮和碳氮比存在極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

3 討論

1）通過對樣地表層土壤理化性質(zhì)的橫向?qū)Ρ?，未?fù)墾樣地的各項指標(biāo)均不如其他樣地，其中容重尤為突出，這主要是因為排土過程中重型機械的反復(fù)碾壓，造成土壤壓實，也使得土壤中的田間持水量偏低，所以在這種情況下即使土壤中的養(yǎng)分含量能基本保障作物的需求，但也不能有效供給。復(fù)墾樣地中，除了復(fù)墾時間最短的耕地外，其他復(fù)墾樣地的容重均值與原地貌樣地已無明顯差別，說明隨著復(fù)墾時間的增加，在利用過程中犁地、施肥等農(nóng)業(yè)措施使得土壤的容重得到改善。土石混排的復(fù)墾林地中表層土壤田間持水量偏低，這與其排土方式有密切關(guān)系，因石塊的增加使得表層土壤中的空隙增加，造成該類型樣地中土壤的保水能力明顯低于其他復(fù)墾樣地；同樣，該樣地的有機質(zhì)和全氮含量最高，特別是有機質(zhì)含量在0～10 cm處達到29.98 g/kg，遠高于包括原地貌的其余樣地，說明土石混排的方式對該區(qū)域復(fù)墾林地表層土壤中的有機質(zhì)蓄積有明顯優(yōu)勢。復(fù)墾草地中表層土壤中的有機質(zhì)和全氮雖稍低于原地貌樣地，但已具備了改換土地利用方式為耕地的基礎(chǔ)。除了土石混排復(fù)墾林地在0～10 cm特殊外，其余樣地的碳氮比均在5～15之間，與我國耕地土壤的碳氮比一般在7～13之間基本吻合[19-21]，說明礦區(qū)樣地中有機質(zhì)腐殖化程度和礦化能力適當(dāng)，適宜作物生長；但該區(qū)域土壤中的有機質(zhì)和全氮的絕對含量普遍偏低，說明在復(fù)墾過程中仍需加大有機肥和氮素的施用。

2）從樣地土壤的兩個土層的縱向比較來看，各樣地的容重在0～10 cm均低于10～20 cm的，這與土壤容重分布的一般規(guī)律相符合[22]。未復(fù)墾樣地中10～20 cm范圍內(nèi)的田間持水量高于0～10 cm處，恰與其他樣地相反，這與重構(gòu)土壤的緊實度與復(fù)墾措施相關(guān)。除了復(fù)墾時間較短的耕地和復(fù)墾草地外，其他樣地中表層土壤0～10 cm范圍內(nèi)的有機質(zhì)和全氮的含量均高于10～20 cm處的相應(yīng)指標(biāo)含量，該現(xiàn)象跟復(fù)墾時間以及復(fù)墾方向有一定的關(guān)系。土石混排林地的有機質(zhì)含量在不同層的差別最大，0～10 cm范圍內(nèi)的含量是10～20 cm處的3.8倍，這與該排土方式下林地中已明顯出現(xiàn)腐殖質(zhì)有關(guān)聯(lián)。但總體來說，田間持水量、有機質(zhì)、全氮和碳氮比在0～10 cm的均值要略高于10～20 cm各對應(yīng)指標(biāo)的均值，這與前人的研究成果相吻合[23]。

3）通過對研究區(qū)樣地表層土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性分析，原地貌樣地中的容重與田間持水量和有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)性，這說明該區(qū)域土地利用過程中，容重的大小對土壤養(yǎng)分的負(fù)效應(yīng)非常明顯；有機質(zhì)與全氮和碳氮比呈極顯著正相關(guān)，體現(xiàn)了有機質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ)，也說明有機質(zhì)在土壤養(yǎng)分供給、轉(zhuǎn)換等方面均顯示出中心地位。未復(fù)墾樣地中各指標(biāo)的相關(guān)性較高，其中容重與土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，說明在土壤重構(gòu)過程中經(jīng)過碾壓后使得表層的土壤中的有機質(zhì)和全氮含量相對集中；而田間持水量與容重和土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)，說明對于未復(fù)墾土地，土壤水分的有效供給是保障初期復(fù)墾成功的重要因素。復(fù)墾樣地表層土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性與原地貌樣地的更為接近，只是容重與全氮之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性，表明采取復(fù)墾措施之后，土地的質(zhì)量情況已有改善，向著原地貌土地發(fā)展，這與張乃明等[24]、Shrestha等[25]人對礦區(qū)復(fù)墾土地質(zhì)量研究的成果基本一致。

綜上所述，在平朔礦區(qū)不同土地利用方式、復(fù)墾時間、排土方式會使得土地表層土壤的容重、田間持水量、有機質(zhì)、全氮和碳氮比有所不同。原地貌與復(fù)墾樣地中除了容重以外，其他指標(biāo)都高于未復(fù)墾樣地；所有樣地中的有機質(zhì)和全氮含量均偏低，表明該區(qū)域背景值本身處于一個較低的水平，預(yù)示這種條件下對礦區(qū)損毀土地實施復(fù)墾面臨的困難更大。根據(jù)已復(fù)墾的耕地和草地的情況，這兩種復(fù)墾方式下的表層土壤理化性質(zhì)差異不大，但從經(jīng)濟與生態(tài)效益以及方便管護的角度來說，復(fù)墾方向選為草地更適合[26]。排土方式也是造成表層土壤中有機質(zhì)和全氮含量差異的重要原因，通過實地調(diào)查和土壤采樣分析，可發(fā)現(xiàn)土石混排模式下的林地土壤表層中有機質(zhì)和全氮的含量最高，但碳氮比偏高，在一定時期內(nèi)并不利于有機質(zhì)的腐化和氮素的分解。因此建議在選擇復(fù)墾方向時，將排土的方式作為參考的依據(jù)之一，即在土石混排情況下的復(fù)墾地優(yōu)先考慮復(fù)墾為林地；而在以純土壤作為復(fù)墾物質(zhì)的條件下，優(yōu)先考慮復(fù)墾為草地，待到復(fù)墾10年左右時，再根據(jù)土壤表層的理化特征改變利用方式為耕地。

為了更快更好的提高土地質(zhì)量，恢復(fù)土地生態(tài)功能，建議對復(fù)墾土地中的容重、田間持水量、有機質(zhì)、全氮和碳氮比實施動態(tài)監(jiān)測，以便及時根據(jù)土壤中的養(yǎng)分的含量情況調(diào)整措施，提高土壤肥力，使礦區(qū)土地資源得到合理保護。

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