荒漠草原露天礦開采對礦區(qū)及周邊區(qū)域土壤養(yǎng)分的影響

榮 浩,崔 崴,葛 楠

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國家野外科學(xué)觀測研究站,北京 100038;2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

礦產(chǎn)資源在建設(shè)和開采過程中會對地表環(huán)境造成直接或間接的破壞[1-3];開采剝離的表土和植被、挖掘出的礦石在運(yùn)輸、傾倒等過程中也會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響[4-6]。開采過程中產(chǎn)生的大量廢棄物堆積形成的排土場、尾礦庫等大型工程堆積體,會破壞生態(tài)景觀導(dǎo)致小尺度空間上土壤養(yǎng)分出現(xiàn)異質(zhì)性,還會影響礦區(qū)及其周邊區(qū)域的生態(tài)水文特征[7-9]。因此,分析采礦活動(dòng)對土壤理化性質(zhì)的影響已成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)工作的關(guān)鍵。Sierka等[10]研究發(fā)現(xiàn),礦產(chǎn)資源開采改變了土壤機(jī)械組成、密度,使土壤更加緊實(shí);畢銀麗等[11]通過研究露天開采對土壤因子的影響發(fā)現(xiàn),煤礦開采會對一定范圍內(nèi)的土壤肥力產(chǎn)生影響,遠(yuǎn)離礦區(qū)位置的土壤肥力要好于礦區(qū)附近,礦區(qū)周邊土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性呈不同程度的變化趨勢;張紅靜等[12]對寶日希勒露天煤礦周邊天然草地不同距離梯度的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析,結(jié)果表明,距離煤礦0.5 km處的土壤pH值呈現(xiàn)弱堿性,1.5 km處土壤pH值基本與對照區(qū)一致,同時(shí)煤礦開采導(dǎo)致土壤含水量降低,距離煤礦1.5 km處土壤含水量降低受采礦影響最大。采礦對土壤的破壞受土質(zhì)條件、距離、深度、強(qiáng)度等因素的影響,因此,不同地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)對土壤的破壞程度及范圍存在較大差異[13],礦山及周邊區(qū)域受損土壤環(huán)境的恢復(fù)也有很大的不同。本研究通過分析荒漠草原區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中礦區(qū)及其周邊不同區(qū)域的土壤養(yǎng)分變化特征,探討土壤養(yǎng)分受采礦活動(dòng)的影響機(jī)制及影響范圍,研究結(jié)果可為更好地分析礦山廢棄地土壤重構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過程提供科學(xué)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)蒙古高原中部,海拔1 000～1 600 m,地勢整體表現(xiàn)為由南向北傾斜。該露天礦于2011年建成投產(chǎn),產(chǎn)能3 000 t/d;在未開采前,礦區(qū)及其周邊區(qū)域均為天然放牧場,地廣人稀,開采后研究區(qū)周邊10 km范圍內(nèi)無其他生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目區(qū)屬中溫帶干旱半干旱氣候,多年平均降水量約為209 mm,年平均蒸發(fā)量2 384 mm,年均風(fēng)速4.6 m/s,年均氣溫4.3 ℃,無霜期135 d;地帶性土壤為栗鈣土,研究區(qū)周邊天然草原以小針茅(Stipaklemenzii)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)為主要建群種,植被蓋度約為35%。

1.2 土壤樣品采集

有研究表明,不同風(fēng)向?qū)ΦV山周邊不同區(qū)域造成的影響存在差異[14],根據(jù)研究區(qū)常年盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),將研究區(qū)分為3個(gè)區(qū)域:排土場、尾礦庫南側(cè)(下風(fēng)向)、尾礦庫北側(cè)(上風(fēng)向)。在以礦區(qū)為中心沿排土場、尾礦庫南側(cè)、尾礦庫北側(cè)3個(gè)方向周邊5.0 km的范圍內(nèi),采用網(wǎng)格法均勻布設(shè)土壤樣品取樣點(diǎn),并在礦區(qū)正南方向8.0 km處的天然草原設(shè)置1處對照區(qū),對照區(qū)處于下風(fēng)向。每個(gè)采樣點(diǎn)采用五點(diǎn)取樣法采集0～20 cm土壤樣品,分別裝入鋁盒與塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室處理。采樣點(diǎn)分布情況如圖1所示。

圖1 土壤取樣點(diǎn)分布圖

1.3 土壤測試指標(biāo)

土壤全氮(TN)測定采用濕燒自動(dòng)定氮儀法;全磷(TP)測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法;速效磷(AP)測定采用0.5 mol/L NaHCO3法;速效鉀(AK)測定采用火焰光度法;堿解氮(AN)測定采用堿解擴(kuò)散法;有機(jī)質(zhì)(SOM)測定采用重鉻酸鉀容量法;pH值使用pH計(jì)測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,變異系數(shù)(CV)反映了土壤性質(zhì)離散程度,當(dāng)CV<10%、介于10%～100%和>100%時(shí)分別屬于弱變異、中等變異和強(qiáng)變異[16];采用單因素方差分析LSD法比較土壤養(yǎng)分之間的變化差異(P=0.05)。應(yīng)用半方差函數(shù)研究土壤空間變異特征,半方差函數(shù)擬合模型包含指數(shù)、球狀、高斯和線性模型,通過決定系數(shù)(R2)和殘差(RSS)的數(shù)值來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠袷亲顑?yōu)模型,R2越大、RSS越小,模型擬合效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)分析

通過對礦區(qū)周邊3個(gè)區(qū)域的土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行測定,并對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,不同區(qū)域的土壤養(yǎng)分變化見表1。

表1 土壤樣品養(yǎng)分含量特征

由表1可以看出,研究區(qū)內(nèi)土壤pH值為7.09～8.58,呈現(xiàn)弱堿性,且與對照區(qū)差異不明顯。排土場、尾礦庫南、北兩側(cè)土壤全氮含量平均值與對照區(qū)相比分別降低了7.90%、8.85%、28.99%。尾礦庫北側(cè)區(qū)域土壤堿解氮平均值最大(24.21 mg/kg),其次為排土場(21.85 mg/kg),尾礦庫南側(cè)的堿解氮平均值最低(21.13 mg/kg),3個(gè)區(qū)域堿解氮平均值顯著低于對照區(qū)(33.74 mg/kg)(P<0.05);研究區(qū)內(nèi)土壤全磷含量差別不大,為0.22～0.24 g/kg,且與天然草原(對照區(qū))接近。排土場周邊土壤中的速效磷含量較高,3個(gè)區(qū)域的速效磷均低于對照區(qū)(1.54 mg/kg),但變化差異未達(dá)到顯著水平。研究區(qū)內(nèi)土壤速效鉀含量存在較大波動(dòng),土壤速效鉀含量最大值出現(xiàn)在排土場(35.80 mg/kg),最小值出現(xiàn)在尾礦庫南側(cè)(6.00 mg/kg)。土壤有機(jī)質(zhì)含量分布與全氮含量的分布規(guī)律相似,尾礦庫北側(cè)最低,排土場周邊較高,3個(gè)區(qū)域平均值都低于對照區(qū),其中,尾礦庫北側(cè)的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于對照區(qū)(P<0.05)。對比3個(gè)區(qū)域,排土場周邊土壤中的全氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)含量均較高,在尾礦庫北側(cè)土壤的堿解氮含量較高,尾礦庫南側(cè)土壤中的速效鉀含量較高。

2.2 礦區(qū)周邊不同距離土壤養(yǎng)分含量變化

為了進(jìn)一步確定采礦對礦區(qū)周邊土壤養(yǎng)分的影響范圍,對與礦區(qū)不同距離的土壤的養(yǎng)分含量進(jìn)行分析。排土場不同距離的土壤養(yǎng)分變化如圖2所示。由圖2可知,排土場周邊土壤中速效磷、速效鉀含量隨著與礦區(qū)距離的增大呈現(xiàn)增大趨勢,最大值均在5.0 km處,分別為2.15、21.91 mg/kg。有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮呈先減小后增大的變化趨勢,有機(jī)質(zhì)、全氮均在5.0 km處最大,分別為13.58、9.29 g/kg。研究區(qū)土壤堿解氮的含量在距離排土場1.0 km處最大,為25.32 mg/kg。各距離之間的土壤pH值平均變化差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

圖2 排土場周邊土壤養(yǎng)分變化情況

尾礦庫南側(cè)周邊土壤養(yǎng)分變化如圖3所示。可以看出,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量隨著與礦區(qū)中心距離的增大呈現(xiàn)增大的變化規(guī)律,有機(jī)質(zhì)最大值在距離尾礦庫南側(cè)的4.0 km處,為15.12 g/kg;堿解氮、速效鉀最大值均在尾礦庫南側(cè)5.0 km處,分別為28.56、21.98 mg/kg。全氮含量隨著與礦區(qū)中心的距離增大呈先增大后減小又增大的波動(dòng)變化,土壤全氮含量的最大值在尾礦庫南側(cè)1.0 km處(8.70 g/kg)。尾礦庫南側(cè)周邊土壤pH值、全磷、速效磷含量變化差異不明顯(P>0.05)。

圖3 尾礦庫南側(cè)周邊土壤養(yǎng)分變化情況

尾礦庫北側(cè)周邊土壤養(yǎng)分變化如圖4所示?？梢钥闯?堿解氮、有機(jī)質(zhì)隨著與礦區(qū)中心距離的增大呈現(xiàn)增加趨勢,有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量最大值均在5.0 km處。全氮、速效鉀含量隨著與礦區(qū)距離的增大呈先增加后降低趨勢,全氮、速效鉀含量在2.0 km處達(dá)最大值,分別為6.95 g/kg、21.5 mg/kg。尾礦庫北側(cè)的土壤pH值、全磷、速效磷含量變化與尾礦庫南側(cè)一致,各采樣點(diǎn)之間沒有明顯變化(P>0.05)。

圖4 尾礦庫北側(cè)周邊土壤養(yǎng)分變化情況

2.3 土壤養(yǎng)分地統(tǒng)計(jì)分析

利用GS+9.0軟件對各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)做半方差函數(shù)模型擬合,相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

由表2可知,研究區(qū)土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值決定系數(shù)均大于0.5,模型擬合度較高。土壤全氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)的最優(yōu)擬合模型為高斯模型,全磷、速效鉀采用球狀模型擬合效果較好,堿解氮、pH值可采用線性模型進(jìn)行擬合。當(dāng)塊金系數(shù)小于0.25時(shí),變量具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)性;當(dāng)塊金系數(shù)為0.25～0.75時(shí),變量具有中度空間自相關(guān)性;當(dāng)塊金系數(shù)大于0.75時(shí),變量具有較弱空間自相關(guān)性[17]。由此可知,研究區(qū)內(nèi)土壤全磷、速效磷、速效鉀具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)性,全氮表現(xiàn)為中等程度空間自相關(guān),而堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值空間自相關(guān)性較弱。

3 討論

礦產(chǎn)資源經(jīng)過長時(shí)間、大規(guī)模的開采利用,開采區(qū)周邊土壤養(yǎng)分隨地表水向采空區(qū)洼地流入,導(dǎo)致采區(qū)周邊土壤養(yǎng)分分布不均勻,嚴(yán)重影響了土壤的生產(chǎn)力[18-20]。對于生態(tài)環(huán)境相對脆弱的荒漠草原區(qū),礦產(chǎn)資源開發(fā)對原始地貌形態(tài)、土體結(jié)構(gòu)、生物種群的嚴(yán)重破壞致使礦區(qū)周邊草原也出現(xiàn)不同程度的退化。本研究以礦區(qū)為中心,對礦區(qū)及其周邊3個(gè)區(qū)域(排土場、尾礦庫南側(cè)、尾礦庫北側(cè))的土壤酸堿度及主要養(yǎng)分進(jìn)行了測定分析,研究區(qū)內(nèi)土壤平均pH值低于天然放牧草原,但變化差異未達(dá)到顯著水平,根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[21],研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量處于四級(中下),堿解氮、全磷含量處于五級(較低),速效鉀、速效磷含量處于六級(低),研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量整體處于較低水平,土壤質(zhì)量較差,貧瘠的土壤環(huán)境加大了生態(tài)受損區(qū)域的植被恢復(fù)難度;而隨著與礦區(qū)中心的距離增加,土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、堿解氮的含量呈顯著增大的變化規(guī)律,說明礦區(qū)的開采活動(dòng)會對提高土壤營養(yǎng)成分有效性的有機(jī)質(zhì),更易被植物吸收的磷酸鹽,以及植被生長所必需的氮元素、鉀元素的含量產(chǎn)生一定影響。黃洪銘等[22]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)V區(qū)周邊土壤養(yǎng)分只有正常植被覆蓋土壤的30%,采礦活動(dòng)就已經(jīng)嚴(yán)重影響礦區(qū)周邊的土壤及植物的正常生長;趙義博等[23]研究認(rèn)為,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,采礦活動(dòng)引起土壤擾動(dòng)是土壤養(yǎng)分含量較低的重要原因;康文慧[24]對礦區(qū)周邊土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究得出,與未受干擾的礦區(qū)外部相比較,距離礦區(qū)近的土壤養(yǎng)分受干擾程度較大,土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,養(yǎng)分流失嚴(yán)重,而礦區(qū)外部土壤養(yǎng)分隨土層深度的變化流失緩慢。半方差函數(shù)模型擬合結(jié)果表明,除堿解氮以外,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀、有效磷、pH值的模型擬合結(jié)果均較好,土壤養(yǎng)分的分布表現(xiàn)出明顯的空間依賴性。結(jié)構(gòu)性因素(氣候、地形、母質(zhì)等)和隨機(jī)性因素(人為活動(dòng)等)共同影響土壤的空間異質(zhì)性,結(jié)構(gòu)性因素促進(jìn)土壤的空間自相關(guān)性,人為活動(dòng)等隨機(jī)性因素會使其趨向均質(zhì)化方向發(fā)展,降低土壤的空間自相關(guān)程度[25-27]。研究區(qū)土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值表現(xiàn)為弱空間自相關(guān),說明隨機(jī)因素削弱了其空間相關(guān)性,全氮表現(xiàn)為中等程度空間自相關(guān),其在空間尺度上受到隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素的綜合作用,而全磷、速效磷、速效鉀具有強(qiáng)烈空間自相關(guān),表明結(jié)構(gòu)性因素造成其明顯的空間變異[28-29]。

礦產(chǎn)資源開采對周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響范圍因自然氣候條件、植被類型、土壤特征等自然因素,以及礦產(chǎn)資源開發(fā)利用形式、強(qiáng)度等人為因素的差異而不同[30-32]。本研究沿礦區(qū)邊界向外半徑5.0 km范圍內(nèi)進(jìn)行土壤樣品采集,礦區(qū)周邊1.0～2.0 km區(qū)域的土壤主要養(yǎng)分含量要明顯低于對照區(qū),距離礦區(qū)中心5.0 km區(qū)域的土壤主要養(yǎng)分與對照區(qū)基本接近,說明礦區(qū)中心5.0 km以外的區(qū)域土壤理化性質(zhì)基本不受采礦活動(dòng)影響。孟峰等[33]研究認(rèn)為,寶日希勒礦區(qū)開發(fā)對土壤養(yǎng)分及土壤濕度的影響距離為1.0 km,隨著采煤及放牧干擾時(shí)間變長,土壤中全氮含量逐漸降低,且降低幅度呈升高趨勢;而土壤中全磷變化雖然也很顯著,但沒有明顯的規(guī)律性。馬驍[34]對錫林浩特市露天礦區(qū)采區(qū)周邊天然草原土壤養(yǎng)分進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn),土壤pH值隨著干擾距離的增加而逐漸減小,土壤含水量、全氮、全碳、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量在表層土壤中呈現(xiàn)以2.0 km為閾值的分布特征,整體上在距干擾區(qū)2.0 km范圍外均顯著高于2.0 km范圍內(nèi)的值,說明該區(qū)域采礦活動(dòng)對2.0 km范圍內(nèi)的草地土壤養(yǎng)分影響較嚴(yán)重。因此,通過研究確定礦產(chǎn)資源開發(fā)對周邊區(qū)域土壤養(yǎng)分的影響程度和范圍,可以為更好地制訂科學(xué)、合理的區(qū)域生態(tài)修復(fù)方案提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)與對照區(qū)相比,研究區(qū)內(nèi)土壤中的有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷含量處于較低水平,并且有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、堿解氮的含量隨著與礦區(qū)中心的距離增加呈顯著性增加,但對土壤pH值、全氮含量影響不明顯。

2)地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)土壤全磷、速效磷、速效鉀表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間自相關(guān)性,全氮具有中等程度空間自相關(guān),堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值表現(xiàn)為較弱空間自相關(guān)。

3)礦區(qū)內(nèi)部與周邊1.0～2.0 km區(qū)域的土壤主要養(yǎng)分含量要明顯低于對照區(qū),在距離礦區(qū)中心5.0 km區(qū)域以外的土壤養(yǎng)分與對照區(qū)基本接近,表明距離礦區(qū)中心5.0 km以外的區(qū)域土壤主要養(yǎng)分基本不受采礦活動(dòng)影響。