高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)中的土壤層構(gòu)建與成分變化差異

王 佟，蔡杏蘭，李 飛，王 輝，劉金森，周 偉，謝色新，趙 欣，寧康超，楊慶祝，李聰聰，高 超，孫 浩，龔雨杭

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；2.中國煤炭地質(zhì)總局 廣東煤炭地質(zhì)局，廣東 廣州 510440；3.中國煤炭地質(zhì)總局 廣西煤炭地質(zhì)局，廣西 南寧 530000；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；5.中國煤炭地質(zhì)總局 碳中和研究院，北京 100039；6.中國煤炭地質(zhì)總局 航測遙感局，陜西 西安 710199；7.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100049)

澳大利亞、美國、德國等礦區(qū)較多的發(fā)達(dá)國家很早就開展了關(guān)于礦區(qū)土地復(fù)墾的相關(guān)研究，而土壤重構(gòu)作為土地復(fù)墾研究的核心內(nèi)容，是土地復(fù)墾的重點研究課題，相關(guān)研究主要集中在土壤理化性質(zhì)與礦物學(xué)特性、生物種類與活性、土壤重構(gòu)新技術(shù)的研究與使用。木里地區(qū)自然形成土壤類型以高山草甸土和沼澤草甸土為主，土壤中氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)含量相對高于我國平均水平，但恢復(fù)能力和抵抗外界干擾能力很弱，需要經(jīng)過長達(dá)幾千年的物理風(fēng)化、營養(yǎng)化過程才能形成20～30 cm厚的腐植土，一旦遭到破壞，恢復(fù)起來非常困難。20世紀(jì)60年代木里煤田被發(fā)現(xiàn)以后，以小規(guī)模開采為主，21世紀(jì)后便開始大規(guī)模的開采，使高山草甸土和沼澤草甸土退化嚴(yán)重，土壤資源極度貧乏，能否將采礦渣土改良成適宜植被生長復(fù)綠的人造“土壤層”成為了高原高寒地區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中的世界性科學(xué)難題。

目前，中國中東部地區(qū)特別是黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)取得了顯著成效，一些學(xué)者還利用粉煤灰、煤矸石、Ⅲ層亞黏土等材料制作露天煤礦區(qū)表土材料進(jìn)行土壤重構(gòu)。一些學(xué)者對高原高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)中的采坑回填及地表生態(tài)恢復(fù)等開展了研究。一些學(xué)者從地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)結(jié)合的角度開展了祁連山木里礦區(qū)采坑、渣山、凍土及水系修復(fù)治理與環(huán)境監(jiān)測等科學(xué)問題研究，為生態(tài)地質(zhì)層的構(gòu)建與修復(fù)研究奠定了基礎(chǔ)。針對高原高寒地區(qū)土壤奇缺條件下的土壤層構(gòu)建方案，國內(nèi)外鮮有利用當(dāng)?shù)卦僚c羊板糞進(jìn)行土壤層構(gòu)建，再進(jìn)一步添加以當(dāng)?shù)厣唐酚袡C(jī)肥及牧草專用肥等物質(zhì)進(jìn)一步提高改良土壤肥效的成功案例。相關(guān)資料見有用渣土和客土構(gòu)建土壤的工程實例，但缺乏深入的研究。筆者以青海木里礦區(qū)大面積生態(tài)治理土壤層構(gòu)建為例，以開采后的礦區(qū)渣土為土壤礦基材料，以羊板糞、商品有機(jī)肥及牧草專用肥為土壤改良材料，在木里現(xiàn)場室內(nèi)設(shè)置不同配比開展渣土土壤層構(gòu)建試驗，通過盆栽種草試驗結(jié)合重構(gòu)土壤的主要指標(biāo)對比分析，優(yōu)選出最佳的土壤重構(gòu)方案，以求解決高寒高原高海拔無土地區(qū)土壤層構(gòu)建這一超難科學(xué)問題，為高原高寒地區(qū)煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 木里礦區(qū)土壤修復(fù)前情況

木里礦區(qū)土壤類型主要以高山草甸土、沼澤草甸土為主，沼澤土次之，其母質(zhì)為湖積、沖洪積物、殘坡物及風(fēng)積等。土壤pH=7.5，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.99%，碳酸鈣4.50%，全氮1.13%，全磷0.11%，全鉀2.16%，碳氮比12.4。因氣候嚴(yán)寒，化學(xué)風(fēng)化與成土作用弱，土壤剖面層次分異程度較差，土層發(fā)育薄，一般厚度30～50 cm，僅滿足所在區(qū)域植被生長的一般要求，一旦遭受損毀破壞，場內(nèi)就無可供調(diào)節(jié)和調(diào)度的多余土量。

一段時間以來礦區(qū)無序開采造成了礦區(qū)沼澤濕地退化、土地沙化和草甸植物枯萎和死亡，進(jìn)而影響區(qū)域濕地草甸自然植被和土地資源遭受了破壞。大量的野外調(diào)查和監(jiān)測發(fā)現(xiàn)天然沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成了采礦廢地(渣土)后，土壤有機(jī)質(zhì)損失較為明顯，土壤肥力急劇下降，水土流失程度越來越嚴(yán)重。根據(jù)對礦區(qū)渣土取樣化驗后的結(jié)果顯示，天然沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)破壞成采礦廢地(渣土)后，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.37～5.36 mg/kg)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(760～1 500 mg/kg)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(77～239 mg/kg)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0～4.8 mg/kg)等土壤營養(yǎng)有效成分明顯低于原始土壤，渣土pH值增加，整體呈堿性(pH=7.3～8.6)，局部pH>9，土壤有機(jī)質(zhì)損失較為明顯，礦區(qū)開采后土壤肥效明顯降低，但其中重金屬元素均在種植土允許值范圍內(nèi)，整體污染風(fēng)險較低，這就為利用渣土進(jìn)行土壤重構(gòu)提供了可能。

2 土壤層構(gòu)建的思路與方法

此前對于礦區(qū)植被重建的研究大多數(shù)集中在低海拔平原地區(qū)，在高海拔高寒地區(qū)開展生態(tài)修復(fù)的研究較少。木里礦區(qū)也曾有個別礦區(qū)在施工前期進(jìn)行草皮剝離和臨時存放，待竣工后將剝離的草皮移植到項目區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)，工程實踐結(jié)果表明上述措施對于改善項目區(qū)的生態(tài)環(huán)境、縮短植被恢復(fù)時間、防止水土流失是直接有效的，在斜坡地帶即便是小面積移植也容易產(chǎn)生溜滑失穩(wěn)情形。然而，研究區(qū)內(nèi)更多的是自然草甸在長時間的采礦活動中被大面積損毀，沒有將原有草皮進(jìn)行大面積移植，造成了生態(tài)環(huán)境的大范圍破壞。2014年以來聚乎更三號井采取了10 cm客土+表面施撒適量羊板糞的土壤重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行植被重建與生態(tài)修復(fù)，取得了一定的修復(fù)成效，但因礦區(qū)外長距離客土與當(dāng)?shù)仫L(fēng)化帶土壤層礦物成分、酸堿度等理化性質(zhì)存在差異，加之未構(gòu)建土壤基底層形成相對的防滲層，羊板糞又僅施撒在表面，未能夠與土壤充分拌合，表層部分土壤和羊板糞中的營養(yǎng)成分經(jīng)雨水作用淋濾和沖刷被帶走，造成土層減少和土壤肥力在一兩年短時間內(nèi)快速降低，導(dǎo)致植被逐年衰退死亡，需要后期不斷投入大量的人力物力和資金持續(xù)開展追肥補(bǔ)植和養(yǎng)護(hù)，但仍然難以維持植被現(xiàn)狀長勢，當(dāng)?shù)赜腥诉@樣評價“一年綠，二年黃，三年退化光”。高投入下有限的生態(tài)回報，只能在小范圍內(nèi)小規(guī)模開展，難以大面積推廣應(yīng)用。木里礦區(qū)露天開采區(qū)段破壞了本來很薄的以基巖風(fēng)化帶為主要成分的土壤層，區(qū)內(nèi)土壤分布有限，其附近又無可調(diào)配的土壤用于修復(fù)。木里礦區(qū)大規(guī)模生態(tài)修復(fù)工程開展初期，有人提出從山下異地調(diào)用客土方案，按覆土平均厚20 cm進(jìn)行粗略計算，13 km復(fù)綠面積，客土運輸工作量極其大，且客土成分與當(dāng)?shù)卦疾莸橥恋牟町悊栴}很可能水土不服，造成土源區(qū)和治理區(qū)新的生態(tài)問題，客土方案現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。利用煤礦區(qū)開采后形成的大量廢棄渣土作為表土替代材料并進(jìn)行大面積人造土壤層構(gòu)建，是木里礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與國內(nèi)其他地區(qū)礦山修復(fù)的不同之處和困難之處。因此，如何仿造風(fēng)化帶土壤層也就是采用地質(zhì)手段修復(fù)破壞的草甸生長層是木里礦區(qū)能否實現(xiàn)復(fù)綠的關(guān)鍵。

2.1 理論依據(jù)

筆者在“青海木里礦區(qū)高原高寒生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建與修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用(2021年9月)”研究中提出了生態(tài)地質(zhì)層的概念、研究思路，認(rèn)為采礦等人類活動引起礦山生態(tài)與環(huán)境變化，造成區(qū)域地表土壤破壞、地層破裂塌陷、構(gòu)造變形等地質(zhì)條件的變化和地形地貌破壞，其根本原因是破壞了原始的生態(tài)地質(zhì)層。從地質(zhì)形變角度出發(fā)開展生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)其核心就是修復(fù)破壞的生態(tài)地質(zhì)層。土壤層(草甸生長層)是地表生態(tài)治理與修復(fù)的主要生態(tài)地質(zhì)層，對能否實現(xiàn)復(fù)綠至關(guān)重要。因此，在高原高寒木里礦區(qū)土壤奇缺的情況下通過改良渣土，形成人造土壤是實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)的惟一路徑。

2.2 構(gòu)建思路

渣土土壤改良的目的在于增加渣土中有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度，改良渣土土壤酸堿度等，使其具備基本的種植條件和生長條件。在無土地區(qū)如果能實現(xiàn)對采礦形成的渣土，通過添加一定比例的有機(jī)質(zhì)等添加物和物理破碎篩分改良等手段構(gòu)建出與未破壞地段草甸土壤結(jié)構(gòu)相似、成分相近的土壤生態(tài)地質(zhì)層，就可以修復(fù)破壞的草甸生長層。

2.3 構(gòu)建方法

通過大量野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，木里礦區(qū)草甸生長層基本都是由煤系碎屑巖風(fēng)化形成的不同粒度的顆粒物和有機(jī)質(zhì)構(gòu)成，厚度5～10 cm，在河道地帶局部達(dá)50 cm。而當(dāng)?shù)氐难虬寮S則是由羊糞和當(dāng)?shù)仫L(fēng)化成熟度相對較高的表層土互層堆放形成，含有土壤微生物群落的天然腐植質(zhì)資源，與土壤有機(jī)質(zhì)組成和性質(zhì)非常類似。因此通過對渣土和羊板糞按一定比例攪拌、混合可大幅度縮短土壤熟化的培育周期，形成與當(dāng)?shù)厣胁皇旎寥缹游锢斫Y(jié)構(gòu)相近、化學(xué)成分相似且土壤肥力明顯提高的人造土壤層。

有研究表明羊板糞中的重金屬含量很低，作為有機(jī)肥原料，能有效地減少有機(jī)肥中重金屬的含量，降低其對植物和動物的危害。羊板糞一方面通過緩釋可以為土壤提供有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)成分，更為重要的是通過羊板糞和土壤材料的拌合，可以改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，起到透氣保濕保肥的作用。鑒于區(qū)內(nèi)沒有充足且質(zhì)量較好的土壤供種草復(fù)綠區(qū)進(jìn)行土壤重構(gòu)，而礦區(qū)內(nèi)含有大量開采后形成巖性以泥巖和粉砂巖為主的渣土，所以本次一是嘗試采用將牲畜糞與渣山風(fēng)化的泥巖和粉砂粉末混合形成人工土壤，探索重構(gòu)土壤的改良效果；二是加入適量以羊糞為基質(zhì)制造的商品有機(jī)肥以提高土壤肥力。

3 土壤層構(gòu)建的實驗設(shè)計

3.1 實驗方式與時間

為保證實驗環(huán)境最大程度地接近現(xiàn)場實際情況，本次渣土改良與種草試驗于2021-04-15—05-25在青海省天峻縣木里鎮(zhèn)海拔4 200 m的中國煤炭地質(zhì)總局木里地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治第2項目部和海拔4 050 m的第七、八項目部種草試驗地同步開展，為確保實驗結(jié)果重現(xiàn)，每組樣品的試驗均在現(xiàn)場2個試驗地按相同試驗配方同步開展室內(nèi)盆栽試驗，以期達(dá)到實驗結(jié)果真實可靠，有效指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的目的。

3.2 原始土壤和實驗渣土的采集

以井田修復(fù)區(qū)為單元，根據(jù)就地翻耕和土源區(qū)面積大小合理編制采樣平圖網(wǎng)格圖，根據(jù)土源地取土深度合理設(shè)計取樣深度，在4號、5號、7號、8號、9號井共計采集17組渣土樣品(圖1、表1)和2組原始草甸土樣品，每組渣土樣根據(jù)不同的配比和施用方式，設(shè)計出73種對比實驗方案，共計1 149個試驗樣品。

表1 采樣情況

圖1 采樣平面示意

3.3 實驗材料準(zhǔn)備

(1)花盆。直徑30 cm，盆高40 cm。

(2)純渣土。土壤改良試驗的純渣土主要為泥巖(土)占比大于50%以上，塊石粒度小于5 cm且占比大于50%的渣土。

(3)羊板糞。約1 m，現(xiàn)場按需取用。質(zhì)量要求：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%，雜質(zhì)小于10%，水分小于40%，無較大的石塊。

(4)商品有機(jī)肥。150 kg，現(xiàn)場按需取用。質(zhì)量要求有機(jī)肥質(zhì)量符合NY 525—2012《有機(jī)肥料》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥45%，含氮+五氧化二磷+氧化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%，水分≤30%。

(5)牧草專用肥。2 kg，現(xiàn)場按需取用。牧草專用肥是一種摻混肥料(BB肥)，參照GB/T 21633—2020《摻混肥料(BB肥)》，要求其總養(yǎng)分：N+PO+KO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥35.0%。

(6)草種。借鑒青藏高原植被恢復(fù)的經(jīng)驗和當(dāng)?shù)匾恍＜业囊庖?，采用同德短芒披堿草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾、青海中華羊茅以質(zhì)量比1∶1∶1∶1比例混播，每種草種0.3 g/盆，其中冷地早熟禾千粒質(zhì)量0.36～0.50 g，600～833粒/盆；披堿草千粒質(zhì)量4.5～5.0 g，60～67粒/盆；中華羊茅千粒質(zhì)量0.5～0.8 g，375～600粒/盆。

(7)其他實驗用品?，F(xiàn)場種草實驗用品主要包括電子計量秤、溫濕計、噴壺、小鏟子、小耙子、相機(jī)等。

3.4 實驗方案的設(shè)計

實驗方案設(shè)計主要包括土壤層構(gòu)建和再造土壤肥力提升2部分。第1步，通過花盆實驗，對比不同用量羊板糞與渣土構(gòu)建的土壤與原始草甸土在出苗率和土壤成分等方面的差異性，篩選最優(yōu)的土壤層構(gòu)建方案。第2步，通過在人造土壤中加入不同比例配方的有機(jī)肥料，提高人造土壤與原始草甸土化學(xué)成分的相似性，以增加土壤肥力，促進(jìn)植物生長。

..土壤層構(gòu)建方案設(shè)計

由于木里礦區(qū)富含有機(jī)質(zhì)的草甸生長層厚度僅5～10 cm，為模擬和接近木里原始土壤剖面，在進(jìn)行盆栽土壤剖面重構(gòu)實驗時，將構(gòu)建土壤層分為下部的基底層和上部的表土層2部分。

(1)下部基底層?；ㄅ柘虏康幕讓佑闪捷^大的渣石經(jīng)過人工壓實后形成，緊實度較高且有機(jī)質(zhì)含量少，能起到涵養(yǎng)水分和水土保濕的作用，厚度約為5 cm。

(2)上部表土層。首先，將采集的17組渣土樣中大于5 cm的石塊進(jìn)行人工破碎和篩選后裝進(jìn)花盆內(nèi)形成壓實度較小的顆粒支撐層，與下部基底層共同組成土壤重構(gòu)骨架，確保每盆純渣土厚度為25～30 cm。每組樣品設(shè)置1盆純渣土對照方案，共17組對照方案。其次，將由不同用量的羊板糞和經(jīng)過人工破碎篩選后的細(xì)渣土拌合后形成裝入花盆，使羊板糞充分填充顆粒支撐層中的孔隙，以達(dá)到使表土層的物理結(jié)構(gòu)更加接近于木里礦區(qū)原始土壤風(fēng)化層及改善土壤結(jié)構(gòu)的目的。根據(jù)羊板糞不同用量設(shè)計4種實驗方案，分別為Y，Y，Y，Y，每種實驗方案設(shè)置17組重復(fù)樣(表2)。

表2 不同配比對比試驗方案

最后，通過現(xiàn)場出苗情況、板結(jié)程度和土壤成分變化3個方面探討羊板糞與渣土混合后的土壤層構(gòu)建效果，評價出最適合的羊板糞與渣土混合比例。

..人造土壤肥力提升方案設(shè)計

提高人造土壤肥力在利用羊板糞與純渣土拌合所構(gòu)建的表土層的基礎(chǔ)上，采用加入不同用量的商品有機(jī)肥、牧草專用肥的方式，設(shè)計渣土+羊板糞+商品有機(jī)肥(組合2)、渣土+羊板糞+商品有機(jī)肥+牧草專用肥(組合3)共2種組合9種配比處理方案(表2)。為了避免因施肥量過大營養(yǎng)過剩導(dǎo)致燒苗情況的出現(xiàn)，根據(jù)羊板糞、商品有機(jī)肥、牧草專用肥的不同配比組合設(shè)計9種實驗處理方案，每種處理設(shè)置17組重復(fù)，并將原生草甸土(DZ)、渣土(DZ)作為對照方案。9種實驗處理方案分別為：① 羊板糞用量不變，改變商品有機(jī)肥用量：Y+YJ，Y+YJ，Y+YJ；② 商品有機(jī)肥用量不變，改變羊板糞用量：Y+YJ，Y+YJ；③ 羊板糞和牧草專用肥用量不變，改變商品有機(jī)肥用量：Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M。

3.5 觀測和測試指標(biāo)

(1)土壤材料背景值測試。指縮分后的未經(jīng)改良的渣土樣。

(2)重構(gòu)土壤測試。指經(jīng)過不同處理之后的重構(gòu)土壤樣。

(3)測試項目。pH值、有機(jī)質(zhì)、全N、速效N、全P、速效P、全K、速效K等土質(zhì)測試項目。

(4)出苗情況。觀察、測量和記錄出苗情況和長勢。

(5)數(shù)據(jù)處理軟件。SPSS 22.0和Excel 2010軟件。

4 土壤層構(gòu)建的效果分析

4.1 出苗情況

利用SPSS 22.0軟件對渣土+羊板糞(組合1)共4種處理方案和純渣土(DZ)對照方案，每種方案17組重復(fù)，共計85個盆栽的出苗原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，出苗數(shù)總體方差齊性檢驗結(jié)果為0.443，明顯大于給定顯著性水平=0.05的前提下，說明實驗樣本所屬總體方差具有方差齊性，即渣土中加入不同用量羊板糞是來自相同方差的不同總體，可以進(jìn)行單因素方差分析。

用SPSS 22.0計算出苗數(shù)的ANOVA檢驗結(jié)果表明(表3)，=0.003<0.05，說明組合1中不同處理方案之間的出苗數(shù)存在顯著性差別，且平均出苗數(shù)明顯高于純渣土(表4，5)。播種27 d后，DZ和組合1方案的出苗盆數(shù)所占比例均達(dá)到100%，渣土與羊板糞混合之后，出苗效果明顯優(yōu)于純渣土對照方案，且羊板糞用量越多，出苗數(shù)越高。表明渣土具備基本的種植條件，而添加羊板糞之后，可以有效提高出苗率。

表3 SPSS 22.0計算出苗數(shù)ANOVA檢驗結(jié)果

表4 播種27 d后草種出苗情況

4.2 板結(jié)現(xiàn)象

本試驗通過觀測土壤重構(gòu)前后的板結(jié)情況變化(板結(jié)程度分無板結(jié)、輕度、中度、重度)，研究在渣土中加入羊板糞后對人造土壤物理性質(zhì)的變化。播種27 d后，DZ和組合1方案均出現(xiàn)了不同程度的板結(jié)現(xiàn)象，尤其是DZ方案中純渣土板結(jié)程度較嚴(yán)重，植被倒伏現(xiàn)象明顯，有少部分草種雖已發(fā)芽，但因土壤板結(jié)或渣土粒徑過大未能順利突破重構(gòu)土壤表層。其中土石比例大、有機(jī)質(zhì)含量高的純渣土(7號井土樣和8號井備用土)呈輕度—中度板結(jié)。土壤土石比例小，有機(jī)質(zhì)含量較低的純渣土(四號井土樣)板結(jié)程度非常嚴(yán)重，呈中—重度板結(jié)；添加了羊板糞的組合1方案中的重構(gòu)土大部分未板結(jié)，僅少部分呈現(xiàn)出輕微板結(jié)現(xiàn)象；原始草甸土未出現(xiàn)板結(jié)情況。

該結(jié)果表明不同的土壤礦基材料或不同的羊板糞用量呈現(xiàn)出不同程度的土壤改良效果，且差異顯著，在進(jìn)行大面積土壤層構(gòu)建和種草復(fù)綠時應(yīng)對渣土礦基材料進(jìn)行充分的物理篩分，并將羊板糞等土壤改良材料與純渣土進(jìn)行充分的拌合，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，盡可能減少重構(gòu)土壤板結(jié)和粒徑過大對草種出苗和生長的影響。

4.3 土壤成分變化

通過分別測試不同配比人造土壤與原始草甸土的土壤成分差異，可以看出組合1中4種重構(gòu)土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀、陽離子交換量(CEC)等肥力指標(biāo)均明顯高于純渣土(DZ)方案(表5)，且與羊板糞用量的多少呈現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)性，表明羊板糞可以有效提升土壤肥力情況，但有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、陽離子交換量等土壤肥力指標(biāo)與原始草甸土(DZ)相比仍然處于較低水平(圖2)，需要通過在人造土壤中添加有機(jī)肥料提升土壤肥力。

表5 利用 SPSS 22.0計算出的出苗數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖2 土壤各項指標(biāo)分布特征

需要說明的是，本次送檢的純渣土來源于4號井南渣山，巖性以三疊系砂泥巖、侏羅系砂巖為主，含土量較低，塊石直徑3～15 cm，大于5 cm塊石占比35%左右，個別地方純渣土pH背景值達(dá)9.37。而其他礦井的pH都低于4號井南渣山，介于7.3～8.6。在純渣土+羊板糞方案中，添加不同用量的羊板糞后pH值介于8.65～9.34，土壤中的pH值沒有明顯降低，表明羊板糞的用量對pH的變化影響較小。本次實驗研究選取的4種人工草籽具有一定的耐堿性，pH偏高的重構(gòu)土壤對草的苗情長勢影響影響不大，表明區(qū)內(nèi)部分地段堆放的高pH值(>9)的渣土也可用作重構(gòu)土壤礦基材料。

綜上所述，礦區(qū)渣土的養(yǎng)分含量極低，植被生長所需的土壤肥力指標(biāo)嚴(yán)重偏低，因礦區(qū)內(nèi)的渣土在二次人為破碎過程中土壤結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重的破壞，容易出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，無法有效保證牧草中后期的生長需要。因此需要通過將細(xì)顆粒渣土和有機(jī)質(zhì)進(jìn)行充分拌合，以改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)并提升土壤肥力。實驗證明，通過將羊板糞和經(jīng)過人工破碎篩選后的細(xì)純渣土進(jìn)行深度拌合可以有效構(gòu)建表土層，保證牧草的出苗率和重構(gòu)土壤的保肥能力，具備了較好的牧草立地條件和基本的生長條件。但是有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、陽離子交換量等有效成分指標(biāo)仍然明顯低于原生草甸土。羊板糞除了可以作為土壤重構(gòu)物理材料提高土壤通透性以外，還是一種農(nóng)家肥肥料，羊板糞用量越多，土壤層構(gòu)建效果越好，但肥效釋放速度較為緩慢，加上木里高原高寒地區(qū)種草窗口期較短，不能達(dá)到重構(gòu)后短時間內(nèi)快速提升肥力指標(biāo)的目標(biāo)。需要通過添加商品有機(jī)肥和牧草專用肥等肥料進(jìn)一步提升再造土壤的肥力和保水保肥能力。

5 人造土壤肥力提升的綜合評價

土壤肥力指標(biāo)涉及到多個成分指標(biāo)，因此筆者采用主成分分析法對原始草甸土、純渣土、重構(gòu)土壤進(jìn)行土壤肥力評價和對比分析。

5.1 土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性分析

利用SPSS 22.0軟件，對原始數(shù)據(jù)(表6)進(jìn)行相關(guān)性分析可知，土壤中的pH值與全氮、速效氮、速效磷、速效鉀呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。有機(jī)質(zhì)與全氮、速效氮、陽離子交換量具有顯著的正相關(guān)性，全氮與速效氮、速效磷與速效鉀均呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性(表7)，表明木里礦區(qū)的土壤肥料指標(biāo)具備主成分分析的前提條件。

表6 樣品檢測結(jié)果

表7 土壤樣品肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

5.2 人造土壤肥力提升綜合評價

使用SPSS 22.0和Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過KOM和Barlett球體檢驗法進(jìn)行因子分析適用性檢驗，結(jié)果表明KOM=0.639>0.5，Sig=0.000<0.001，說明可以采用主成分分析法對實驗土壤樣品進(jìn)行主成分分析。

由總方差分析結(jié)果可知，前2個主成分為F1和F2，方差貢獻(xiàn)率分別為48.665%和32.792%，解釋了全部方差的81.457%(表8)，說明提取的2個主成分信息能夠代表原來7個土壤肥力指標(biāo)所包含信息的81.457%，可以用于再造土壤肥力提升的綜合評價。

表8 總方差分析結(jié)果

據(jù)成分矩陣和得分矩陣可知(表9)，在主成分F1中，有機(jī)質(zhì)()、全氮()、速效氮()、陽離子交換量()的成分得分系數(shù)均大于0.379，所以主成分F1是上述4個指標(biāo)的綜合反映。主成分F2中，速效磷()、速效鉀()的得分系數(shù)大，均大于0.605，

表9 成分矩陣和得分矩陣

表明主成分2的大小可以反映土壤中可供牧草快速吸收的速效磷、速效鉀等速效成分的高低。

根據(jù)2個主成分系數(shù)，得到F1，F(xiàn)2的線性組合：

=-0.443+0458+0445+0439+0161+0180+0379

=-0.255-0277-0105-0044+0605+ 0606-0336

通過F1，F(xiàn)2的線性組合公式計算得出的主成分得分，再將各主成分得分與其方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行加權(quán)求和計算(式(1))，得出不同處理方案的綜合得分(表10)，綜合得分越高，代表土壤肥力越高。

=48.665%+32.792%

(1)

..主成分得分分析

從主成分得分來看，DZ，Y+YJ+M，Y+YJ，Y+YJ的主成分F1得分均大于0.9(表10)，主成分F1平均得分由高到低為DZ>渣土+羊板糞+有機(jī)肥+牧草專用肥(組合3)>渣土+羊板糞+有機(jī)肥(組合2)>渣土+羊板糞(組合1)>純渣土(DZ)(表11)，說明通過施加羊板糞、有機(jī)肥和牧草專用肥等土壤改良劑可以有效提升重構(gòu)土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、陽離子交換量等營養(yǎng)成分含量，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原生草甸土。

表10 主成分得分和綜合得分

表11 主成分得分和綜合得分平均值

主成分F2是速效磷和速效鉀2個速效成分的綜合反映，Y+YJ，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ+M，Y+YJ的得分均大于1，明顯高于純渣土(DZ)、原生草甸土(DZ)和渣土+羊板糞(組合1)，表明在添加有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，再施加商品有機(jī)肥或牧草專用肥，可以在短時間內(nèi)提升土壤中可供植被生長需要的速效成分。同時，在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，將用羊糞加工而成的有機(jī)肥進(jìn)行土壤肥力提

升時不存在燒苗情況，而施加非羊糞基質(zhì)的有機(jī)肥則存在燒苗現(xiàn)象，且部分燒苗情況很嚴(yán)重，因此大面積重構(gòu)土土壤肥力提升過程中應(yīng)優(yōu)先使用當(dāng)?shù)匮蚣S等牲畜糞便加工而成的商品有機(jī)肥。

已有研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮等因素是影響植被生物量的重要因子，而速效磷、速效鉀、容重對生物量的影響不大，有機(jī)質(zhì)含量過低不能滿足植物生長需要，且容易出現(xiàn)板結(jié)情況。陽離子交換量是評價施肥和土壤改良效果的重要指標(biāo)，在很大程度上代表了土壤的保肥供肥和緩沖能力的高低。有機(jī)質(zhì)與全氮、速效氮、陽離子交換量具有顯著的正相關(guān)性，其含量越高，代表土壤的保肥供肥能力越大，反之越低。因此在進(jìn)行土壤層構(gòu)建改良效果評價時，應(yīng)著重以土壤層構(gòu)建后的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、陽離子交換量等含量與土壤肥力指標(biāo)、原始草甸土的接近程度為評價標(biāo)準(zhǔn)。

..綜合得分分析

從綜合得分來看，DZ，Y+YJ+M，Y+YJ，Y+YJ的綜合得分均大于1，土壤綜合肥力明顯高于其他處理方案，純渣土的綜合得分最低(DZ=-1.876)，說明土壤重構(gòu)方案中Y+YJ+M的土壤綜合肥力最優(yōu)，最接近于原始草甸土的土壤肥力質(zhì)量。在組合2和組合3的方案中，羊板糞用量為Y(500 m/hm)和Y(300 m/hm)，有機(jī)肥用量為YJ(22 500 kg/hm)時，土壤肥力整體提升效果最好，通過施加羊板糞和有機(jī)肥可以使重構(gòu)土壤的肥力指標(biāo)在短時間內(nèi)快速提升，從而達(dá)到土壤改良的目的，土壤重構(gòu)效果較好。

在組合3方案中，Y+YJ+M的綜合得分最高，表明在Y(500 m/hm)+YJ(22 500 kg/hm)+M(225 kg/hm)的配比方案下的土壤肥力質(zhì)量最高。Y+YJ+M的綜合得分(1.266)是Y+YJ+M(0.665)的1.93倍，說明土壤重構(gòu)過程中施肥量越高并不代表土壤肥力狀況就會更好，反而會抑制土壤有效成分的釋放，從而影響植被的生長，因此需合理施肥。Y+YJ+M的綜合得分(1.266)大于Y+YJ的綜合得分(1.172)，表明在施加相同用量的羊板糞和有機(jī)肥的情況下，添加牧草專用肥，可進(jìn)一步改善土壤肥力狀況，確保土壤重構(gòu)中后期牧草生物量的增加。

由土壤肥力指標(biāo)對比圖(圖3)可知，純渣土的土壤肥力指標(biāo)在有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮和陽離子交換量等方面嚴(yán)重偏低且板結(jié)嚴(yán)重，土壤狀況最差；而使用羊板糞與渣土(組合1)或渣土+羊板糞+有機(jī)肥+牧草專用肥(組合3)構(gòu)建的人造土壤，其土壤成分指標(biāo)與原始草甸土接近，說明可使用渣土和羊板糞作為木里礦區(qū)土壤層構(gòu)建重要成分，再通過添加一定的有機(jī)肥和牧草專用肥，使再造土壤的肥力指標(biāo)更加接近于原始草甸土，實現(xiàn)了以渣土為礦基材料，添加當(dāng)?shù)氐难虬寮S等構(gòu)建土壤層的目的。

圖3 原始草甸土、渣土和土壤層構(gòu)建后的主要成分對比

綜上所述，在木里高原高寒煤礦區(qū)的實際大面積生態(tài)地質(zhì)層構(gòu)建和種草復(fù)綠過程中，優(yōu)先選用組合方案3中的Y(500 m/hm)+YJ(22 500 kg/hm)+M(225 kg/hm)配比方案，但鑒于木里礦區(qū)內(nèi)除了存在大量裸露平臺以外，還存在大量的不同角度的邊坡，而邊坡復(fù)綠區(qū)域遇到強(qiáng)降雨和凍土層消融時更容易發(fā)生肥力流失，因此較為平坦的平臺區(qū)域復(fù)綠優(yōu)先選用Y+YJ+M的配比方案進(jìn)行土壤重構(gòu)，坡地則適當(dāng)?shù)卦黾由唐酚袡C(jī)肥的用量，選用Y(500 m/hm)+YJ(300 m/hm)+M(225 kg/hm)的配比方案進(jìn)行土壤重構(gòu)，助力木里高原高寒礦區(qū)生態(tài)治理，實現(xiàn)被破壞區(qū)域地表復(fù)綠。

6 在生態(tài)環(huán)境治理工程中的應(yīng)用

通過本次試驗結(jié)果進(jìn)一步研究制定出木里礦區(qū)大面積土壤重構(gòu)和種草復(fù)綠方案，確定了羊板糞、有機(jī)肥、牧草專用肥的用量和作業(yè)播種流程，其中羊板糞為500 m/hm左右，坡地有機(jī)肥30 000 kg/hm，平地有機(jī)肥22 500 kg/hm，牧草專用肥225 kg/hm。

本次土壤層構(gòu)建試驗成果不但在木里礦區(qū)聚乎更的7個礦井生態(tài)環(huán)境治理中得到了很好應(yīng)用，而且還推廣到海拔更高的雪霍立里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理。木里礦區(qū)生態(tài)治理土壤層構(gòu)建過程中，將羊板糞按450 m/hm左右的用量與覆土或就地翻耕土進(jìn)行充分拌合20 cm左右，然后將40%的顆粒有機(jī)肥再進(jìn)行充分拌合20 cm后，再將剩余的60%的顆粒有機(jī)肥連同實驗研究中的4種草種和星星草共5種混播牧草、225 kg/hm牧草專用肥混合均勻撒入重構(gòu)土層表面并拌合5 cm，以達(dá)到在六、七月份種草窗口期內(nèi)快速提升人工再造土壤肥力的目的。

已有研究分析表明，2001年木里礦區(qū)在大規(guī)模開采前高寒草甸景觀植被覆蓋率為77.43%，因煤炭開采礦區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)出整體下降的趨勢，在2013年、2017年、2020年分別下降至70.91%，70.90% 和70.88%。截至2021-09-15，木里礦區(qū)各礦井草種生長情況較為理想(圖4)，平均出苗數(shù)皆大于15株/m，平均株高大于10 cm，平均覆蓋度皆大于70%，其中8號井覆蓋率更是高達(dá)92%(表12)，這是由于8號井渣土的土石比例大且有機(jī)質(zhì)含量高，也進(jìn)一步驗證了不同的土壤礦基材料、不同的土壤添加劑改良組合采用同種方案時土壤改良效果存在不同程度的差異，且利用羊板糞、有機(jī)肥等土壤改良材料可以在短時間內(nèi)改善礦區(qū)純渣土的土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到土壤層改良的效果，實現(xiàn)了高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)中的土壤層構(gòu)建和大面積應(yīng)用。

圖4 木里礦區(qū)大面積土壤層構(gòu)建前后的復(fù)綠效果對比

表12 各礦區(qū)實際種草復(fù)綠效果

為確保能夠產(chǎn)生持久的生態(tài)效益和社會效益，防止重構(gòu)土壤和人工植被出現(xiàn)嚴(yán)重退化，后期仍需要嚴(yán)格按照管護(hù)長效機(jī)制，對復(fù)綠區(qū)域進(jìn)行長期監(jiān)管，嚴(yán)禁牲畜和人為破壞，同時積極開展植被生長長期動態(tài)監(jiān)測工作，及時準(zhǔn)確掌握礦區(qū)植被多樣性、覆蓋度、生物量、非栽培植物入侵及土壤養(yǎng)分情況，對植被覆蓋度較低的區(qū)域及時進(jìn)行補(bǔ)植補(bǔ)播，為高原高寒礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)提供科學(xué)的參考。

7 結(jié) 論

(1)羊板糞可作為較為優(yōu)質(zhì)的渣土改良劑，通過將羊板糞和礦區(qū)內(nèi)經(jīng)過人工破碎篩選后的細(xì)純渣土進(jìn)行深度拌合，可有效構(gòu)建具備較好植被立地條件和基本生長條件的人造土壤，實現(xiàn)就地渣土改良形成人造土壤。以羊糞為基質(zhì)的羊板糞能夠提高土壤肥力，保證種植草的出苗率和構(gòu)建后土壤的保肥能力。

(2)羊板糞和商品有機(jī)肥等土壤改良劑的組合和不同的比例都會起到不同程度的土壤改良效果。利用主成分分析法，分析了不同材料和配比在加入人造土壤后，土壤肥力提升的綜合效果，得出渣土+羊板糞+商品有機(jī)肥+牧草專用肥(組合3)的土壤層構(gòu)建方案最優(yōu)，牧草長勢好，與原始草甸土壤成分最相近。

(3)現(xiàn)場大面積土壤層構(gòu)建種草復(fù)綠時，根據(jù)最佳的配比方案，制定了羊板糞用量為450 m/hm左右、商品有機(jī)肥用量為22 500～30 000 kg/hm、牧草專用肥為225 kg/hm的土壤層構(gòu)建和肥力改良方案，復(fù)綠成效顯著。

(4)在高原高寒木里煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中，當(dāng)?shù)卦镣ㄟ^物理、化學(xué)措施的改良能夠?qū)崿F(xiàn)土壤層構(gòu)建的目的。本次研究取得的土壤層構(gòu)建配方和施工工藝在后續(xù)的大面積治理工程中得到很好的應(yīng)用，證明推廣應(yīng)用了試驗取得的土壤層構(gòu)建方法，不但有效治理了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，解決了當(dāng)?shù)責(zé)o土的難題，還節(jié)省高昂的治理費用，具有極大的實踐意義，也為同類礦區(qū)大面積生態(tài)地質(zhì)層修復(fù)提供參考和借鑒。