陜北黃土高原煤礦區(qū)土壤理化性質(zhì)及質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉 釗，韓 磊，王丹月，劉志宏，陳 芮，李日升，夏龍飛，常珊珊

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.陜西省土地資源整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075; 4.國(guó)家自然資源督察西安局，陜西 西安 710065;5.長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭資源在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要位置[1]。陜北煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、煤層埋藏淺，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，是我國(guó)重要的能源生產(chǎn)基地[2-3]。但陜北氣候干燥、沙漠廣泛、植被稀疏，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，大規(guī)模的煤炭開(kāi)采造成地表塌陷、水位下降、植被破壞，進(jìn)一步惡化了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，降低了環(huán)境承載能力[4-5]。在進(jìn)行煤炭開(kāi)采的同時(shí)，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要需求[6]。

當(dāng)?shù)卣e極貫徹黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略，采取消除地質(zhì)災(zāi)害隱患、重塑地形地貌、土地復(fù)墾利用、礦山植被重建等措施，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)和提升。利用植被來(lái)恢復(fù)環(huán)境是礦區(qū)生態(tài)治理的重要措施[7]。植被恢復(fù)能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)，加速土壤團(tuán)聚體的形成，促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)，改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤微生物活性[8-9]。土壤理化性質(zhì)對(duì)于植被生長(zhǎng)起著舉足輕重的作用，研究礦區(qū)土壤對(duì)生態(tài)修復(fù)有著重要指導(dǎo)意義。畢銀麗等[10]研究指出，在煤礦沉陷復(fù)墾地的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和有效磷存在空間自相關(guān)性，接菌可促進(jìn)土壤養(yǎng)分含量提高。張雅馥等[11]研究發(fā)現(xiàn)，煤礦塌陷增加了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量在水平方向的變異程度，而土地復(fù)墾則降低了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量水平方向的變異性。毛旭芮等[12]研究表明，采煤活動(dòng)對(duì)礦區(qū)周邊土壤理化性質(zhì)有顯著影響，進(jìn)而降低土壤可蝕性。閆美芳等[13]研究得出，土壤有機(jī)碳在人工植被修復(fù)和有機(jī)物添加后增加顯著，且與修復(fù)時(shí)間成正比。張彬等[14]研究表明，基于改進(jìn)的TOPSIS技術(shù)能相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分水平。學(xué)者們對(duì)礦區(qū)土壤的研究成果豐富，但在礦區(qū)不同狀態(tài)土地類(lèi)型下連續(xù)的土壤理化性質(zhì)變化方面的研究還存在不足。因此，筆者選取陜北神府礦區(qū)，通過(guò)實(shí)地調(diào)查采樣，對(duì)比分析開(kāi)采、修復(fù)、自然區(qū)域的土壤理化性質(zhì)，探討礦區(qū)土壤的變化規(guī)律，對(duì)研究區(qū)的生態(tài)修復(fù)和重建具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

神府礦區(qū)位于毛烏素沙漠、內(nèi)蒙古草原和陜北黃土高原的接壤復(fù)合過(guò)渡地帶，地貌單元為黃土丘陵溝壑區(qū);該區(qū)域?qū)侔敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季干旱寒冷，夏季干燥炎熱，晝夜溫差懸殊，年均氣溫8.9 ℃，年極端氣溫-29.1～38.9 ℃，年降雨量少而集中，年內(nèi)和年際變化均較大，年均降雨量402.7 mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)1 753.8～1 978.7 mm，原生地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境極度脆弱，是國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。煤炭等資源的開(kāi)發(fā)加劇了該區(qū)域的水土流失和土地荒漠化[15-16]。

研究區(qū)位于神府礦區(qū)(N39.35°～N39.37°,E110.50°～E110.53°)。區(qū)域內(nèi)盛行偏西和西北風(fēng)，受氣候和風(fēng)沙的影響，以耐干旱的沙生植物、旱生植物為主，主要有紫花苜蓿、狗尾草、蒿類(lèi)、長(zhǎng)蕊石頭花、藜、豬毛菜等。礦區(qū)土壤母質(zhì)來(lái)源豐富，有煤渣、粉煤灰、剝離的巖石、碎石等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂，沒(méi)有明顯的土壤紋理。礦區(qū)的土壤成土條件較特殊，有開(kāi)采產(chǎn)生的礦坑，也有因占?jí)骸⒍褖|形成的排土場(chǎng)，兩者差距較大，在垂直距離上產(chǎn)生差異，改變了礦區(qū)土壤的光照和水分狀況，以至于無(wú)法規(guī)律性成土。礦區(qū)土壤剖面與自然土壤不同，受人類(lèi)擾動(dòng)較大，其剖面結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，主要有3層土體構(gòu)型:堆墊表層、下墊礫石層、基巖層。該煤礦自2017年開(kāi)采以來(lái)，采用邊開(kāi)采邊治理的模式，開(kāi)采后用30～40 cm厚度的壤砂土覆蓋煤矸石進(jìn)行土壤基質(zhì)改造，以灌草混交配置的模式進(jìn)行植物種植。礦區(qū)土壤受開(kāi)采和治理措施的影響，具有明顯的空間分布差異，故將研究區(qū)沿著遠(yuǎn)離采礦中心的方向劃分為采礦區(qū)(1～100 m)、治理區(qū)(100～500 m)和自然植被區(qū)(500～1 500 m)。

1.2 樣品采集

課題組于2020年7月以礦區(qū)露天開(kāi)采場(chǎng)為中心，分別按0～100,100～200,200～500,500～1 000和1 000～1 500 m五個(gè)距離在下風(fēng)處劃分為5個(gè)采樣區(qū)域。每個(gè)采樣區(qū)域按棋盤(pán)式布設(shè)10個(gè)樣點(diǎn)，攜帶GPS對(duì)采樣點(diǎn)的位置進(jìn)行記錄(圖1)，并按對(duì)角線法多點(diǎn)混合采樣。清除土壤表面的腐殖質(zhì)，去除植物的根系以及石塊等后，用圓形土鉆采取表層(0～20 cm)的土壤樣本。將采樣點(diǎn)的土壤樣品混合均勻，按照四分法取2 kg土樣入袋，放入聚乙烯塑封袋中，并附上標(biāo)簽，記錄好編號(hào)、采樣地點(diǎn)、采樣深度等重要信息。共采集50袋土壤樣品，封裝好后帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

將帶回實(shí)驗(yàn)室的樣品，進(jìn)行自然風(fēng)干后研磨，全部通過(guò)2 mm的土壤篩。取部分樣品進(jìn)行分類(lèi)編號(hào)后，繼續(xù)研磨。分別通過(guò)1 mm和0.15 mm土壤篩后，最終保留每種樣品100 g備測(cè)。土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法進(jìn)行測(cè)定:土壤質(zhì)地按照GB/T 19077.1—2008《粒度分析激光衍射法第1部分:通則》測(cè)定土樣樣品的黏粒、粉粒、砂粒含量;土壤含水量依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和HJ 613—2011《土壤干物質(zhì)和水分的測(cè)定重量法》來(lái)進(jìn)行測(cè)定;電導(dǎo)率采用電極法進(jìn)行測(cè)定;土壤pH值依據(jù)NY/T 1377—2007《土壤pH的測(cè)定》測(cè)定;以中性乙酸銨溶液侵提、火焰光度計(jì)法來(lái)測(cè)定土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù);使用紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù);土壤有機(jī)質(zhì)采用重絡(luò)酸鉀氧化-外加熱法;土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)使用半微量開(kāi)氏法測(cè)定。

1.4 研究方法

筆者采用熵權(quán)TOPSIS法進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的TOPSIS法常用于競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)估、決策選擇和效益評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[17]。是一種在進(jìn)行分析過(guò)程中使用無(wú)限接近理想值的技術(shù)，確定被評(píng)價(jià)指標(biāo)的次序或者重要程度的方法。該方法的主要特點(diǎn)是有效利用函數(shù)的遞增遞減趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的樣本數(shù)量、樣本分布特征和指標(biāo)數(shù)無(wú)特殊要求，且具有便捷、靈活、實(shí)用等特點(diǎn)[18]。熵權(quán)法是對(duì)所提供的指標(biāo)客觀的確定其權(quán)重，主要用于消除主觀因素的影響，避免人為的主觀任意性，提高了結(jié)果的客觀性以及準(zhǔn)確性[19]。結(jié)合2者的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合向量與最優(yōu)、最劣解之間的歐式距離而進(jìn)行的評(píng)判，稱(chēng)為熵權(quán)TOPSIS法。具體步驟如下:

(1)構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣。假設(shè)被評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)，每個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)有n個(gè)，構(gòu)建判斷矩陣E:

E=(ei-j)m×n

(1)

式中,ei-j為初始矩陣中的值，(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

(2)初始判斷矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，方法如下:

(2)

式中,emax為同一指標(biāo)下的最大值;xi-j為歸一化后的值。

(3)計(jì)算信息熵。

(3)

式中,Hj為所有方案對(duì)xi-j的貢獻(xiàn)程度;k為常數(shù);pi-j為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象的貢獻(xiàn)度。

(4)指標(biāo)權(quán)重的確定。

(4)

(5)構(gòu)建加權(quán)判斷矩陣R。

R=(ri-j)m×n

(5)

式中,ri-j=ωjxi-j，i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。

(6)依據(jù)加權(quán)判斷矩陣獲取評(píng)估目標(biāo)的最優(yōu)解和最劣解。

(6)

(7)計(jì)算各樣本目標(biāo)值與理想值之間的歐式距離。

(7)

(8)

(8)計(jì)算各樣本目標(biāo)值與理想值直接的貼合度Ci。

(9)

式中,Ci∈[0,1]，Ci值越大表征評(píng)價(jià)對(duì)象越優(yōu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)的變化分析

土壤中砂粒、粉粒、黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)構(gòu)成了土壤的機(jī)械組成，即土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地反應(yīng)的是土壤孔隙度，對(duì)土壤的保水性、通透性能等有重大影響[20]。從表1和圖2可以看出，研究區(qū)的土壤質(zhì)地整體較差，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為66.507%，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，僅為4.184%;粉粒的變異性最強(qiáng)，變異系數(shù)為0.435，砂粒的變異性較弱，變異系數(shù)為0.208。在0～100 m的區(qū)域，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.348%，超過(guò)砂粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且處于全區(qū)域的最大值，變異系數(shù)只有0.149，分布相對(duì)穩(wěn)定;黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.676%，在全區(qū)域中最低。在100～200 m的區(qū)域，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升。200～1 500 m的區(qū)域，黏粒隨著距離增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，粉粒和砂粒變化不大，尤其是砂粒比較穩(wěn)定，變異系數(shù)僅為0.046。

表1 土壤物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of soil physical properties

圖2 土壤顆粒組成與含水量分布Fig.2 Soil particle composition and water content distribution

研究區(qū)的土壤含水量均值為11.210%，變異系數(shù)為0.249，采礦區(qū)到治理區(qū)有顯著增高，隨后趨于平緩增加。在100～200 m的區(qū)域，土壤含水量迅速提升，這是因?yàn)樵谥卫韰^(qū)做了較多的土壤改善措施，有效提升了土壤含水量。治理區(qū)與自然區(qū)連接的區(qū)域植被破壞較少，并受到治理措施的影響，土壤含水量達(dá)到了最大值，為13.918%。隨著自然區(qū)的深入，植被狀況穩(wěn)定，不再具有人工改善措施，但受到植物蒸騰的影響，土壤含水量又略微下降。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)的變化分析

對(duì)土壤的pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀進(jìn)行了檢測(cè)，按照5個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到土壤化學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)表(表2)和分布圖(圖3)。

圖3 土壤化學(xué)指標(biāo)含量分布Fig.3 Content distribution of soil chemical indexes

表2 土壤化學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical characteristics of soil chemical properties

土壤pH的大小不僅影響植被的生長(zhǎng)，而且是土壤肥力的重要影響因素，特別是與土壤養(yǎng)分釋放、土壤微生物活性有關(guān)[21]。研究區(qū)地處黃土溝壑區(qū)，土壤偏堿性，均值為8.51，變幅8.300～8.780，變異系數(shù)僅為0.018。0～100 m的區(qū)域，土壤pH值均值8.356，處于全區(qū)域的最小值，這可能是由于煤礦的開(kāi)采增加了土壤酸性物質(zhì)，降低了pH。100～1 000 m的區(qū)域，pH不斷升高，并達(dá)到最高值8.708。1 000～1 500 m的區(qū)域，pH又出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能是由于自然狀態(tài)下土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及植被固氮作用而增加了土壤酸度。

土壤溶液含鹽量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，溶解的鹽類(lèi)越多，溶液電導(dǎo)率就越大，故土壤電導(dǎo)率可直接反映土壤全鹽量[22]。全鹽量是反映土壤鹽害的重要指標(biāo)之一，土壤全鹽量的長(zhǎng)期累積，潛在危害植物生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。土壤電導(dǎo)率與土壤鹽漬化、土壤肥力質(zhì)量、土壤污染都有著密切的聯(lián)系。研究區(qū)土壤電導(dǎo)率的均值為18.122 mS/m，變異系數(shù)為0.198，總體呈現(xiàn)波動(dòng)中下降趨勢(shì)。在0～100 m的區(qū)域最大，為22.264 mS/m;200～1 500 m的區(qū)域，電導(dǎo)率緩慢減少，達(dá)到13.757 mS/m。開(kāi)采區(qū)較其他區(qū)的土壤電導(dǎo)率值高，是由于煤礦開(kāi)采過(guò)程中，鹽分會(huì)隨著地下水上移至土壤表層，鹽分的積累導(dǎo)致電導(dǎo)率值較高。進(jìn)入治理區(qū)后土壤的電導(dǎo)率值下降趨勢(shì)加快，之后隨距離的增大而逐漸減少。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分之一，它可以提高土壤營(yíng)養(yǎng)成分的有效性，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，改善物理性質(zhì)，是生態(tài)修復(fù)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[23]。研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)整體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，僅有10.650 g/kg，但變異性較高，變異系數(shù)為0.436。0～500 m的開(kāi)采和修復(fù)區(qū)域，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，這是由于受開(kāi)采過(guò)程的影響土壤破壞嚴(yán)重，外加雨水沖刷、煤粉粒的堆積都會(huì)使有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。500～1 500 m的區(qū)域，隨著距離增加，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增高，但在進(jìn)入遠(yuǎn)離礦區(qū)的區(qū)域后，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。

土壤全氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的營(yíng)養(yǎng)元素之一，可以維持土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡，刺激植被和地下根系的生長(zhǎng)，改善土壤質(zhì)量，是土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[24]。研究區(qū)的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為0.174 g/kg，變幅為0.137～0.230 g/kg，變異系數(shù)為0.167，整體呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨距離的變化波動(dòng)不大，只有在采礦區(qū)邊緣呈現(xiàn)陡增態(tài)勢(shì)，且增量不多，之后隨距離增加緩慢增長(zhǎng)。從全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)的變化中可以看出，變化最大的區(qū)域是在治理區(qū)以及治理區(qū)域與自然區(qū)的連接區(qū)域，深入自然區(qū)之后全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于平穩(wěn)。

有效磷是土壤中易被植物吸收利用的磷酸鹽，極易受到環(huán)境的影響，是反映土壤狀況的重要指標(biāo)[25]。研究區(qū)土壤有效磷的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.085 mg/kg，變幅1.334～2.911 mg/kg，變異系數(shù)為0.237，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨距離的變化波動(dòng)較大。100～200 m的區(qū)域，即從開(kāi)采區(qū)到治理區(qū)的值變化最快，變幅為1.686～2.546 mg/kg。在治理區(qū)的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有略微波動(dòng)，呈先增后減的趨勢(shì)。進(jìn)入自然區(qū)前后因?yàn)橹脖环植疾痪?、生長(zhǎng)狀況不穩(wěn)定導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降，但深入自然區(qū)之后，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。

土壤的速效鉀是指吸附于土壤膠體表面的代換性鉀和土壤溶液中的鉀離子，僅占全鉀的0.1%～2.0%，較容易被植物吸收利用，是反映鉀元素的重要指標(biāo)[26]。研究區(qū)的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為156.080 mg/kg，變幅為106.492～206.181 mg/kg，變異系數(shù)為0.172，也呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性。速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在采礦區(qū)最高，為182.089 mg/kg，之后有明顯的下降趨勢(shì)，進(jìn)入治理區(qū)之后，速效鉀的含量逐漸緩慢上升，進(jìn)入自然區(qū)之后出現(xiàn)波動(dòng)性減小。

2.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算土壤理化性質(zhì)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表3，表3中，0～20 cm為距土壤表層的距離。根據(jù)TOPSIS法進(jìn)行最優(yōu)最劣解的計(jì)算，獲得貼合度的值，進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)(圖4)。研究區(qū)土壤Ci的平均值為0.404，土壤質(zhì)量總體不高，這主要與神府礦區(qū)黃土丘陵土層淺薄、質(zhì)地偏粗等自身特點(diǎn)、長(zhǎng)期土壤侵蝕以及開(kāi)采活動(dòng)所產(chǎn)生的元素積累有關(guān)。進(jìn)入治理區(qū)之后，Ci有小幅度的增長(zhǎng)，表明土壤基質(zhì)的治理對(duì)土壤質(zhì)量提高有著積極的作用。在礦區(qū)200～500 m，Ci達(dá)到了最小值，為0.305，土壤質(zhì)量相對(duì)較差，主要因?yàn)橹卫韰^(qū)的土壤波動(dòng)較大，理化性質(zhì)不夠穩(wěn)定。隨著距離的增大，進(jìn)入自然區(qū)之后，Ci值總體呈上升趨勢(shì)，土壤質(zhì)量相對(duì)提高。隨著土壤理化性質(zhì)的穩(wěn)定，植被深度參與到土壤質(zhì)地的改善和保持中來(lái)，土壤質(zhì)量相對(duì)采礦區(qū)有著明顯的提升。

表3 研究區(qū)土壤理化性質(zhì)權(quán)重Table 3 Content distribution of soil chemical indexes

圖4 貼合度分布Fig.4 Fit value distribution

3 討 論

礦區(qū)生產(chǎn)對(duì)土壤質(zhì)地帶來(lái)較大影響，由于采礦過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、砂巖和砂頁(yè)巖等粗顆粒物質(zhì)富集所影響，礦區(qū)附近的粉粒比重較大，而隨著距離的增加土壤受到礦區(qū)開(kāi)采的影響會(huì)逐漸減少，最終呈現(xiàn)出當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境所帶來(lái)的土壤沙化特點(diǎn)。在黃土高原地區(qū)，水資源匱乏，土壤含水量是植被生長(zhǎng)過(guò)程中最重要的限制因素，而煤礦開(kāi)采加劇了土壤水分的流失。一些研究表明，礦區(qū)土壤蒸發(fā)量明顯增大，不利于土壤水分的保持[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤的含水量不僅與煤礦區(qū)的開(kāi)采擾動(dòng)有關(guān)，還跟植物的生長(zhǎng)有關(guān)。植物生長(zhǎng)的過(guò)于繁盛，蒸騰作用增加，土壤里的含水量也會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

采樣區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，不同地塊之間的土壤擾動(dòng)和修復(fù)造成采樣區(qū)之間土壤養(yǎng)分出現(xiàn)明顯的波動(dòng)性變化。這種波動(dòng)變化說(shuō)明礦區(qū)土壤質(zhì)量的變化不僅與礦區(qū)煤炭開(kāi)采活動(dòng)中土壤擾動(dòng)、煤粉灰和粉塵傳播有關(guān)，而且可能與植被修復(fù)有關(guān)，但土壤養(yǎng)分總體上均趨于隨著與礦區(qū)距離的增大而增大。土壤養(yǎng)分的這種分布規(guī)律與韓煜等[21]、李向磊等[28]在露天煤礦開(kāi)采對(duì)土壤性質(zhì)和植物群落影響方面的研究結(jié)果相一致。土壤養(yǎng)分狀況對(duì)植被生長(zhǎng)影響顯著，谷裕等[29]、李鵬飛等[30]研究表明，在土壤養(yǎng)分貧瘠且生態(tài)環(huán)境惡劣的黃土高原礦區(qū),改善土壤肥力狀況是生態(tài)重建的關(guān)鍵。因此在礦區(qū)開(kāi)采后，采取有效的措施，提高土壤養(yǎng)分水平，是進(jìn)行植物恢復(fù)的一個(gè)必要手段。

陜北地區(qū)自然條件較差，地域環(huán)境和采煤活動(dòng)會(huì)造成土地不同程度、不同形式的退化[31]。為了防止煤礦開(kāi)采過(guò)程中土地的退化，需要結(jié)合區(qū)域環(huán)境承載力和礦區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度來(lái)確定土壤治理的相關(guān)措施。半干旱生態(tài)脆弱礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)過(guò)程中常伴隨著大范圍、高強(qiáng)度的土壤基質(zhì)擾動(dòng)，因此在“保護(hù)性開(kāi)發(fā)”的措施下，還要結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件采取環(huán)境可持續(xù)的方式進(jìn)行治理，通過(guò)適度的人為干預(yù)保證與維持區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能[32]。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)土壤的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于粉粒和黏粒，且變化浮動(dòng)較大，在32.11%～85.00%，黏粒變化不大且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少;粉粒在開(kāi)采區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，進(jìn)入治理區(qū)后，粉粒與砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)較大變化，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸高過(guò)粉粒;進(jìn)入自然區(qū)后，土壤中顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù):砂粒>粉粒>黏粒，且基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化較小。土壤含水量整體呈上升趨勢(shì)，在進(jìn)入治理區(qū)后變化最快，變幅為9.830%～11.240%;進(jìn)入自然區(qū)含水量呈穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，達(dá)到最大值13.918%;但隨著自然區(qū)的深入，植被覆蓋率提升，受到植物蒸騰的影響，土壤含水量有所下降，值為13.710%。

(2)研究區(qū)土壤整體呈堿性，pH變化波動(dòng)較大，開(kāi)采區(qū)的堿性最弱，pH為8.356，在自然區(qū)達(dá)到最大值8.708，之后由于植被覆蓋增加，土壤pH略微下降。電導(dǎo)率隨距離變化持續(xù)減小，從開(kāi)采區(qū)的22.264 mS/m降低到自然區(qū)的13.757 mS/m。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體較低，隨距離呈現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì)，在自然區(qū)達(dá)到最大值17.663 g/kg。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在研究區(qū)內(nèi)變化不大，變幅僅有0.093 g/kg，均值為0.174 g/kg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢增加。有效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化波動(dòng)性較大，在開(kāi)采區(qū)為最少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.633 mg/kg，從開(kāi)采區(qū)到治理區(qū)質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)較快增長(zhǎng)，變幅1.686～2.546 mg/kg，進(jìn)入自然區(qū)后達(dá)到最大值2.609 mg/kg。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在進(jìn)入治理區(qū)后降低速度較快，變幅達(dá)到148.828～204.181 mg/kg，深入治理區(qū)后緩慢增加而后減少，在自然區(qū)達(dá)到最小值131.88 mg/kg。

(3)研究區(qū)土壤理化性質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)、黏粒、粉粒所占權(quán)重較大，分別為0.228,0.204,0.226，含水量、有效磷、電導(dǎo)率、砂粒所占權(quán)重次之，pH、全氮和速效鉀所占權(quán)重最小。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表明,研究區(qū)整體的土壤貼合度只有0.404，土壤質(zhì)量水平較差。在開(kāi)采區(qū)進(jìn)入治理區(qū)過(guò)程中，貼合度變化不大，進(jìn)入治理區(qū)之后，達(dá)到最小值0.305。從治理區(qū)進(jìn)入自然區(qū)后貼合度快速增加，深入自然區(qū)后達(dá)到最大值0.647。