基于土壤肥力恢復(fù)力模型的河曲露天煤礦復(fù)墾治理效果評(píng)價(jià)

趙洪寶,李岳,張鴻偉,劉紹強(qiáng)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083

排土場(chǎng)是露天煤礦生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行剝離巖土體和部分廢棄材料排棄的場(chǎng)所,以礦山露天開采時(shí)剝離的表層土和巖石為主。因此,露天煤礦排土場(chǎng)土壤普遍存在水土保持能力不足[1],往往會(huì)導(dǎo)致栽種植物成活率低、綠化復(fù)墾難度大、復(fù)墾效果不佳等現(xiàn)象的發(fā)生,并進(jìn)一步降低生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)力,使土壤肥力恢復(fù)的可能性大大減小。因此,明確并精準(zhǔn)推斷出露天煤礦排土場(chǎng)土壤生態(tài)系統(tǒng)中急需恢復(fù)的土壤結(jié)構(gòu)和土壤功能因素,是露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

隨著相關(guān)理論與方法的發(fā)展與進(jìn)步,在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)估方法研究中越來(lái)越傾向于采用定量化。在土壤評(píng)價(jià)中經(jīng)常使用的數(shù)學(xué)方法,包括評(píng)分法、分等定級(jí)法、模糊評(píng)判法、聚類分析法以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[2]。國(guó)內(nèi)外研究更側(cè)重于物理、化學(xué)屬性指標(biāo),目前,土壤生物學(xué)特性也逐漸成為研究土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。20 世紀(jì)90 年代以來(lái),我國(guó)針對(duì)土壤肥力及退化的評(píng)估體系和評(píng)估方法逐漸完善[3-4]。近年來(lái),農(nóng)業(yè)領(lǐng)域針對(duì)土壤質(zhì)量方面的研究正逐漸成為研究的焦點(diǎn)[5],但針對(duì)露天礦排土場(chǎng)土壤質(zhì)量研究仍處于探索階段,且評(píng)價(jià)指標(biāo)單一、缺乏系統(tǒng)性,難以科學(xué)、全面地評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量。

因此,本文以山西省河曲舊縣露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象,基于模糊層次分析法建立一套針對(duì)排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素的評(píng)價(jià)體系,并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),開展定量分析研究,對(duì)評(píng)價(jià)方法中權(quán)重占比較大的因素進(jìn)行實(shí)地考察。根據(jù)現(xiàn)排土場(chǎng)存在問(wèn)題采取針對(duì)性措施,以達(dá)到恢復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng),提高植物成活率的目的。

1 排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)可根據(jù)指標(biāo)性質(zhì)分為物理、化學(xué)和生物三類指標(biāo)(表1),利用頻度分析法[6-7]和理論分析法[8-9]進(jìn)行篩選,并結(jié)合專家打分完善評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)頻度分析法篩選出文獻(xiàn)中應(yīng)用較多的評(píng)價(jià)指標(biāo),并結(jié)合黃河流域地區(qū)植被稀少、水土流失嚴(yán)重等特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)水平、治理政策和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)際情況,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行深入分析并分類,最終確定符合河曲露天煤礦排土場(chǎng)的土壤恢復(fù)力影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行3 次專家評(píng)審,確?？茖W(xué)、合理地選取評(píng)價(jià)指標(biāo),最終采用土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4項(xiàng)作為主評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系[10-12],即露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素權(quán)重評(píng)價(jià)集合。

表1 常用土壤質(zhì)量指標(biāo)Table 1 Common soil quality indicators

(1) 土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。土壤結(jié)構(gòu)退化是露天礦排土場(chǎng)土壤生態(tài)系統(tǒng)重要的特征。露天礦排土場(chǎng)不同區(qū)域的土壤生態(tài)系統(tǒng)及不同復(fù)墾階段的土壤,土壤容重、土壤質(zhì)地等物理性質(zhì)是不同的。由于露天礦服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng),在漫長(zhǎng)的開采過(guò)程中,常會(huì)導(dǎo)致表土流失、板結(jié)化、壓實(shí)變形等現(xiàn)象,土壤生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)也遭到嚴(yán)重的破壞,導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞以及緩沖環(huán)境變化能力降低。土壤顆粒起著支撐植物生長(zhǎng)的作用,其粒徑大小、組合比例與排列狀況直接影響土壤的基本性狀。碳酸鈣也可改善土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。因此,基于上述提到的物理指標(biāo),本文選取容重、中位徑、粘粒、粉砂粒、砂粒和碳酸鈣6 個(gè)指標(biāo),分析其在不同排土場(chǎng)樣地上的差異情況來(lái)綜合反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2) 土壤保肥能力。土壤的保肥能力是指土壤吸收和保存養(yǎng)分的能力。土壤性質(zhì)不同,其保肥能力也存在很大的差異。露天礦排土場(chǎng)在形成的過(guò)程中,原有的土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭到破壞,養(yǎng)分也不斷流失。土壤化學(xué)指標(biāo)包括土壤養(yǎng)分、酸堿度、鹽分含量以及土壤污染物等,其中pH 值、有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀的含量和其有效性是衡量土壤肥力的常用指標(biāo)。同時(shí),陽(yáng)離子交換量對(duì)土壤中重金屬的生物有效性、作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力以及污染物遷移轉(zhuǎn)化量均有一定的影響,電導(dǎo)率可以直接反映出土壤中混合鹽的含量,是土壤化學(xué)指標(biāo)的重要組成部分,對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有較大影響。本文選取酸堿度、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、全鉀、全氮、全磷、陽(yáng)離子交換量和電導(dǎo)率9 個(gè)指標(biāo),分析其在不同排土場(chǎng)樣地上的差異情況來(lái)綜合反映土壤的肥力質(zhì)量。

(3) 土壤保水能力。土壤的保水能力又稱為土壤蓄水性,即土壤吸收并保持水分能力。土壤中的水分在供作物吸收利用的同時(shí),能夠有效溶解土壤中的肥料成分,使農(nóng)作物更易吸收,同時(shí)將部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)鎖定于土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)部。根據(jù)河曲露天礦所提供的氣象資料,當(dāng)?shù)貙儆诎敫珊荡箨懠撅L(fēng)氣候,礦區(qū)土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài),因此土壤水含量是限制露天礦排土場(chǎng)植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,也是制約露天礦排土場(chǎng)復(fù)墾工程進(jìn)展的重要因素。此外,碳酸鈣可以增加土壤的通透性和滲透性。土壤容重的變化與土壤孔隙度密切相關(guān),可較好地反映土壤透氣性、入滲性能、持水能力和溶質(zhì)遷移潛力等。本文選取表層含水率、深層含水率、容重、碳酸鈣4 個(gè)指標(biāo),分析其在不同排土場(chǎng)樣地上的差異情況來(lái)綜合反映土壤的保水能力。

(4) 土壤生物活性。土壤生物活性是指土壤生物參與巖石的風(fēng)化和原始土壤的生成過(guò)程,對(duì)土壤肥力的形成和演變以及高等植物的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)均有重要作用,還可促進(jìn)土壤生物體內(nèi)酶通過(guò)礦化作用、腐殖化作用和生物固氮作用等改變土壤的理化性質(zhì)。本文選取脲酶活性、蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性、凋落物質(zhì)量、微生物豐富Chao 指數(shù)、微生物多樣性Simpson 指數(shù)6 個(gè)指標(biāo),分析其在不同排土場(chǎng)樣地上的差異情況來(lái)綜合反映土壤生物活性。

遵循遞階層次結(jié)構(gòu)建立的河曲露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因子評(píng)價(jià)體系如圖1 所示。

圖1 露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因子評(píng)價(jià)體系Fig.1 Evaluation of impact factors on soil resilience of open pit coal mine dump

2 模糊層次分析法

基于模糊層次分析法建立排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力模型,主要流程是:首先構(gòu)建露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因子權(quán)重分析模型并構(gòu)建判斷矩陣,再根據(jù)專家打分法并結(jié)合YAAHP 軟件構(gòu)建目標(biāo)層R、準(zhǔn)則層的判斷矩陣及各因素層的判斷矩陣,最后進(jìn)行一致性驗(yàn)算。

2.1 構(gòu)建判斷矩陣

采用的1-9 標(biāo)度法[13-14](表2)將同一因素層下的所有指標(biāo)進(jìn)行兩兩相互比較,分析每一層次的指標(biāo)相對(duì)于上一層次支配指標(biāo)的重要程度,以此得到它們之間的關(guān)系并構(gòu)建評(píng)判矩陣,通過(guò)矩陣計(jì)算確定指標(biāo)權(quán)重。其評(píng)判矩陣為

表2 1-9 標(biāo)度法Table 2 1-9 scale method

式中,aij為ai相對(duì)于aj的重要值;ai和aj分別為評(píng)判矩陣第i行和j列的元素。

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

針對(duì)得到的判斷矩陣[15-17],先量化一級(jí)準(zhǔn)則層各因素對(duì)土壤恢復(fù)力的影響、二級(jí)指標(biāo)層因素對(duì)一級(jí)準(zhǔn)則層因素的影響,后量化二級(jí)指標(biāo)層因素對(duì)土壤恢復(fù)力的影響。根據(jù)所構(gòu)建的露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響評(píng)價(jià)指標(biāo),求得評(píng)判矩陣Aij。設(shè)判斷矩陣階數(shù)為n,則A為n×n階矩陣。

對(duì)矩陣A中的每一行元素進(jìn)行相乘并開根,對(duì)應(yīng)于判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量,經(jīng)歸一化(使向量中各元素之和等于1)后記為W,則W=[W1,W2,…,Wn]T。

2.3 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

所謂一致性檢驗(yàn),是指對(duì)判斷矩陣A確定不一致的允許范圍。由于人的主觀因素使構(gòu)建的判斷矩陣容易導(dǎo)致評(píng)判不具有一致性,因此對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。該過(guò)程分為如下3 步。

(1) 一致性指標(biāo)計(jì)算:

式中,n為判斷矩陣階數(shù)。

(2) 隨機(jī)一致性指標(biāo)(表3)計(jì)算:

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 Standard values of average random consistency index

(3) 一致性比率計(jì)算如下:

當(dāng)CR<0.1 時(shí),說(shuō)明構(gòu)建的判斷矩陣具有很好的一致性。

2.4 土壤肥力恢復(fù)力模型的建立

利用加權(quán)綜合法計(jì)算排土場(chǎng)土壤肥力得分E,土壤肥力恢復(fù)力模型為

式中,E為指標(biāo)得分;i為各項(xiàng)指標(biāo);Ri為土壤肥力恢復(fù)力影響因子的權(quán)重;Vi表示評(píng)語(yǔ)集元素賦值。

參照全國(guó)土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(表4),將土壤劃分為6 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),即V={V1,V2,V3,V4,V5,V6}={極高,高,中上,中,低,極低},并且對(duì)應(yīng)[100,95]、[95,80]、[80,65]、[65,50]、[50,30]、[30,0]這6 個(gè)區(qū)間。特別地,pH 值太高或太低都不適宜植物生長(zhǎng),V={V1,V2,V3,V4,V5}={強(qiáng)堿,弱堿,中上,中,微酸強(qiáng)酸,強(qiáng)酸}對(duì)應(yīng)[0,30],[60,30] [90,60],[100,90],[60,30],[30,0] 6 個(gè)區(qū)間。

表4 土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)Table 4 Classification index of soil nutrients

本研究依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建露天礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素評(píng)語(yǔ)集,參考土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表5),設(shè)定評(píng)語(yǔ)集V={V1,V2,V3,V4,V5,V6}=[95,80,65,50,30,15],特別地,對(duì)pH 值設(shè)定V={V1,V2,V3,V4,V5,V6} =[15,45,75,95,45,15]?；谥笜?biāo)的模糊定性量化評(píng)語(yǔ)集,評(píng)價(jià)各指標(biāo)均值,根據(jù)權(quán)重定量化處理,對(duì)河曲露天礦排土場(chǎng)復(fù)墾前后土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表5 土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Soil fertility grading rubric

3 樣品采集

鑒于對(duì)黃河流域河曲露天礦的排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力狀況調(diào)查與了解,以及對(duì)排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建,對(duì)礦區(qū)1 號(hào)、2 號(hào)和4 號(hào)排土場(chǎng)下部(以下簡(jiǎn)稱4下)已復(fù)墾區(qū),3 號(hào)和4 號(hào)排土場(chǎng)上部(以下簡(jiǎn)稱4上)未復(fù)墾區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察。1 號(hào)和2 號(hào)排土場(chǎng)未復(fù)墾的區(qū)域與3 號(hào)、4上排土場(chǎng)是同期混排土形成的排土場(chǎng),土壤狀況類似。本研究選定4上、4下2 個(gè)代表性樣地類型,并按照每個(gè)樣地均勻設(shè)置5 個(gè)X 型采樣點(diǎn),采用土鉆法采集0 ～30 cm 的土壤樣品,去除表層腐殖質(zhì)、雜草植被根系后,裝入無(wú)菌保鮮袋,帶回實(shí)驗(yàn)室,共采集土壤樣品100 個(gè)。樣品過(guò)2 mm 細(xì)篩,用于測(cè)定土壤的理化性質(zhì)(圖2)。

圖2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)Fig.2 Sample collection and testing

4 案例分析

4.1 研究區(qū)概況

目前,河曲露天礦主要開采區(qū)域?yàn)槭撞蓞^(qū),現(xiàn)已經(jīng)開采至13 號(hào)煤層。首采區(qū)深度為870 ～1 060 m。隨著首采區(qū)13 號(hào)煤層及其上覆巖層不斷剝離,開采深度不斷增加,內(nèi)排土場(chǎng)已經(jīng)逐漸將4 號(hào)外排土場(chǎng)完全覆蓋,依據(jù)《山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司綠色礦山建設(shè)方案》的要求已做相關(guān)治理工程。根據(jù)外排土場(chǎng)上游匯水量,設(shè)計(jì)在1、2 號(hào)外排土場(chǎng)下游溝口處各設(shè)置漿砌石擋土墻。對(duì)4 號(hào)外排土場(chǎng)進(jìn)行填筑形成平臺(tái),并在3號(hào)、4 號(hào)外排土場(chǎng)設(shè)植生帶?，F(xiàn)在1—4 號(hào)外排土場(chǎng)未治理面積分別為82.21 hm2(扣除已復(fù)墾土地后為73.88 hm2)、108.99 hm2(扣除已復(fù)墾土地后為95.56 hm2)、32.99 hm2、42.16 hm2。如圖3 所示,1 號(hào)排土場(chǎng)、2 號(hào)排土場(chǎng)已實(shí)施了部分治理措施,進(jìn)行了復(fù)墾綠化,邊坡自然恢復(fù)為草地,植被類型多為蒿類,但仍存在綠植養(yǎng)護(hù)不到位、生長(zhǎng)情況較差、綠化效果不理想的問(wèn)題;3 號(hào)、4 號(hào)外排土場(chǎng)未進(jìn)行綠化。4 個(gè)外排場(chǎng)排水溝均未建設(shè),排土場(chǎng)排水工程較為簡(jiǎn)陋,容易造成滑坡、泥石流等災(zāi)害,存在安全隱患。另外,外排土場(chǎng)復(fù)墾的配套道路也未建設(shè)。

圖3 外排土場(chǎng)復(fù)墾情況Fig.3 Reclamation of Outer waste dump

4.2 因素權(quán)重的確立

現(xiàn)對(duì)河曲露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾前后的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),構(gòu)建排土場(chǎng)土壤肥力恢復(fù)力模型。根據(jù)模糊層次分析法并結(jié)合10 位專家意見構(gòu)建第一準(zhǔn)則層、第二指標(biāo)層級(jí)因素的判斷矩陣,并由此求得準(zhǔn)則層指標(biāo)評(píng)判矩陣A及其對(duì)應(yīng)指標(biāo)層因素評(píng)判矩陣A1、A2、A3、A4的權(quán)重值。

計(jì)算輔助軟件選用YAAHP (Yet Another AHP),求得Ai及各因素權(quán)重,以準(zhǔn)則層為例進(jìn)行計(jì)算,則A為4 階矩陣,求得A最大特征值λmax=4.201 9。

相對(duì)權(quán)重由λmax的特征向量單位化后的權(quán)重向量求得:W=[0.113 5,0.198,0.547 7,0.140 8]。由于n=4,查表3 得RI=9,代入式(4)和式(5)可得CI=0.067 3,CR=0.075 6,通過(guò)一致性檢驗(yàn)(CR<1)。

同理,經(jīng)過(guò)計(jì)算可分別得到上述各矩陣的λmax值、CI和RI值,并通過(guò)這些值判斷一致性檢驗(yàn)結(jié)果。準(zhǔn)則層和因素層判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果見表6。由表4 可知,排土場(chǎng)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層因素判斷矩陣均滿足一致性檢驗(yàn),證明評(píng)價(jià)有效性。

表6 準(zhǔn)則層和因素層判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Consistency test results of criterion and factor judgment matrices

4.3 準(zhǔn)則層因素權(quán)重

圖4 為準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重。準(zhǔn)則層作為目標(biāo)層的下一級(jí),其中土壤保肥能力F 對(duì)河曲露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力的影響最大,為0.547 7,然后依次是土壤保水能力W(0.198 0)、土壤生物活性B(0.140 8)、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性S(0.113 5)。

圖4 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層權(quán)重Fig.4 Weight of criterion layer to target layer

4.4 指標(biāo)層因素權(quán)重

圖5 為指標(biāo)層各因素對(duì)準(zhǔn)則層因素的權(quán)重。指標(biāo)層中的因素相對(duì)于目標(biāo)層的影響因素,有機(jī)質(zhì)F1所占權(quán)重最大,為0.116 2,碳酸鈣W4所占權(quán)重最小,為0.029。有機(jī)質(zhì)因素對(duì)于土壤恢復(fù)力而言是最為重要的,土壤有機(jī)質(zhì)是形成土壤結(jié)構(gòu)和肥力的重要因子,直接影響土壤持水能力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體以及土壤容重等物理特性,其次是表層含水量W1(0.091 4)、有效磷F3(0.087 5)、全磷F5(0.116 3)、容重W3(0.058 1)、堿解氮F2(0.056 9)、電導(dǎo)率F9(0.052 1)、全氮F4(0.049 4)、陽(yáng)離子交換量F8(0.047 1)、容重S1(0.045 6)、pH 值F7(0.037 5)、全鉀F6(0.037 3)等。權(quán)重占比較大的多為土壤保肥能力和土壤保水能力的指標(biāo)層因素,表明相比土壤生物活性與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,提高排土場(chǎng)的水土保持能力是當(dāng)前礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要舉措。研究發(fā)現(xiàn),排土場(chǎng)水土流失量是自然地貌流失量的239.2 倍[18-19],且由于排土場(chǎng)本身松散的構(gòu)造特點(diǎn),其邊坡易形成切溝侵蝕,在降雨和坡面匯流的作用下,水土流失更加嚴(yán)重,侵蝕速率為擾動(dòng)前的7.4 倍。因此,排土場(chǎng)水土保持工作的重點(diǎn)是對(duì)排土場(chǎng)邊坡水土流失的防控。

圖5 指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重Fig.5 Weight of indicator layer to criterion layer

綜上,按針對(duì)目標(biāo)層權(quán)重占比影響因素依次為脲酶活性B1(0.033 7)、蔗糖酶活性B2(0.033 7)、微生物豐富Chao 指數(shù)B5(0.024 7)、堿性磷酸酶活性B3(0.024 7)、粉砂粒S4(0.022 1)、凋落物質(zhì)量B4(0.020 2)、深層含水量W2(0.091 4)、碳酸鈣S6(0.009 4)、砂粒S5(0.019 3)、微生物多樣性Simpson 指數(shù)B6(0.011 2)、粘粒S3(0.010 7)、中位徑S2(0.006 4)、碳酸鈣W4(0.029),這些因素多為土壤生物活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素,占比較小,排土場(chǎng)可通過(guò)有效的土地復(fù)墾、植物措施和工程措施加強(qiáng)土壤生物性,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,達(dá)到降低水土流失,改善生態(tài)環(huán)境的目的。

4.5 復(fù)墾區(qū)域與未復(fù)墾區(qū)域土壤恢復(fù)情況

由準(zhǔn)則層權(quán)重可知,土壤保肥能力與土壤保水能力的權(quán)重總計(jì)為0.745 7,土壤保肥能力與土壤保水能力的高低很大程度上決定了土壤的質(zhì)量的優(yōu)劣。由此可見,土壤保肥能力與土壤保水能力是衡量礦區(qū)排土場(chǎng)土壤質(zhì)量水平的主要指標(biāo)。

鑒于黃河流域河曲露天礦的排土場(chǎng)土壤水土流失嚴(yán)重,為避免初選指標(biāo)之間的信息重疊、減少參評(píng)指標(biāo)的數(shù)量,最終選取指標(biāo)層前50% 的土壤保肥能力與土壤保水能力的8 項(xiàng)指標(biāo):有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、pH 值、全磷、全氮、表層含水率、容重。土壤pH 值采用高精度土壤pH 值測(cè)試儀測(cè)試,土壤容重采用環(huán)刀法,速效養(yǎng)分含量采用TY-TRA 型土壤養(yǎng)分檢測(cè)儀測(cè)量。通過(guò)對(duì)河曲露天礦排土場(chǎng)復(fù)墾地不同樣地的土壤養(yǎng)分含量的測(cè)量和分析,得出不同排土場(chǎng)土壤的養(yǎng)分質(zhì)量情況及差異性。對(duì)獲取的10 個(gè)土壤樣品的8項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和整理分析[20-22],得到了10 組有效平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,建立了排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù),繪制出各樣地土壤養(yǎng)分指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果(圖6)。

圖6 土壤養(yǎng)分指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Test results of soil nutrient indicators

排土場(chǎng)土壤樣點(diǎn)測(cè)定結(jié)果具有不同程度的差異性,復(fù)墾前后土壤指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 復(fù)墾前后土壤指標(biāo)平均值統(tǒng)計(jì)Table 7 Average soil indicators before and after reclamation

由圖6、表4 和表7 可看出,4上土壤pH 值為8.12 ～8.41,4下的土壤pH 值為8.69 ～9.10,說(shuō)明河曲露天煤礦的土壤整體呈強(qiáng)堿性。4下有機(jī)質(zhì)含量平均值為12.28 g/kg,處于中等水平;4上有機(jī)質(zhì)含量平均值為4.12 g/kg,處于低水平。

4下全氮含量平均值為2.80 mg/kg,處于極高水平;4上為1.70 mg/kg,處于含量高水平。全磷含量平均值4上為1.34 mg/kg,處于含量中上水平;4下平均值為2.31 mg/kg,全氮量大幅提高,處于極高水平。4下堿解氮含量平均值為11.35 mg/kg,處于中等水平;4上為5.39 mg/kg,均處于含量極低水平。4上有效磷含量平均值處于4.88 mg/kg,處于含量低水平;4下為9.13 mg/kg,處于中等水平。

4上表層含水率平均值較低,平均值為6.18%;4下為10.28%,雖有提高,但仍處于貧乏水平。結(jié)合常見土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)中黃土的最優(yōu)含水率19% ～21%可知,排土場(chǎng)未復(fù)墾區(qū)域與土壤水分是作物生長(zhǎng)的主要因素,4下雖然已經(jīng)完成復(fù)墾并且歸還于當(dāng)?shù)鼐用?但從當(dāng)?shù)鼐用穹N植作物后遺留的玉米秸稈來(lái)看,玉米植株相對(duì)較矮,如圖7 所示,從現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查的結(jié)果來(lái)看,這些玉米秸稈的平均高度約為120 cm,出現(xiàn)了明顯的肥水不足的現(xiàn)象。玉米對(duì)土壤容重可維持在0.78 g/cm3,4下容重平均值在0.89 g/cm3,4上容重平均值為0.59 g/cm3,說(shuō)明已復(fù)墾區(qū)域的土壤經(jīng)過(guò)種植有一定的恢復(fù)。4 號(hào)排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)域與原土區(qū)域?qū)Ρ热鐖D8 所示,可見復(fù)墾區(qū)域的植物種類及其數(shù)量明顯多于原土區(qū)域,植株較高且存活率較高。因此,精確反演土壤水分與養(yǎng)分對(duì)于理解和解決作物生長(zhǎng)、作物估產(chǎn)以及干旱監(jiān)測(cè)中的科學(xué)與實(shí)際問(wèn)題至關(guān)重要。

圖7 種植區(qū)域作物現(xiàn)狀Fig.7 Status quo of crops in the planting area

圖8 復(fù)墾區(qū)域與原土區(qū)域?qū)Ρ菷ig.8 Comparison between reclaimed areas and original soil areas

根據(jù)式(6)可得模糊綜合評(píng)價(jià)模型指標(biāo)4上、4下分別為14.78、23.13。結(jié)合土壤質(zhì)量指數(shù)及普查資料,參考有關(guān)研究對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分。根據(jù)土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表5),研究區(qū)4下排土場(chǎng)已復(fù)墾區(qū)土壤肥力質(zhì)量水平在中等偏下,而4上處于差的水平。

整體來(lái)看,研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量水平處于較差水平。已復(fù)墾區(qū)4下排土場(chǎng)土壤環(huán)境條件得到一定程度地改善,一方面是農(nóng)作物凋落物逐年積累,現(xiàn)存量與生物量逐漸增大,農(nóng)作物環(huán)境條件和植被覆蓋的改善促進(jìn)了微生物繁殖與活動(dòng),酶的活性得以提高,促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的積累;另一方面是人為種植作物時(shí)施肥的部分有機(jī)質(zhì)遺留在土壤中。全磷、全氮量受自然因素、土地利用方式以及農(nóng)業(yè)措施的影響,因此變幅較大。綜上分析,河曲露天礦排土場(chǎng)已復(fù)墾地恢復(fù)效果并不理想,土壤養(yǎng)分仍然缺乏,與未經(jīng)復(fù)墾的土壤一樣仍需加強(qiáng)治理。這與河曲露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素評(píng)價(jià)體系中,權(quán)重占比最大的準(zhǔn)則層因素為土壤保肥能力、指標(biāo)層因素為有機(jī)質(zhì)等相一致,證明該評(píng)價(jià)體系有效性。

露天煤礦排土場(chǎng)植被恢復(fù)的實(shí)質(zhì),就是實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)與植被之間相互作用的過(guò)程,提高露天煤礦排土場(chǎng)土壤肥力并保持養(yǎng)分,加快排土場(chǎng)的植被恢復(fù)速度。因此,應(yīng)在土壤恢復(fù)力影響因素評(píng)級(jí)體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果盡快建立一套有助于增加土壤有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量、提高土壤水土保持能力、適用于河曲露天煤礦的土壤重構(gòu)技術(shù)體系[24]。結(jié)合河曲露天礦區(qū)原始地貌土壤pH 值實(shí)際水平,認(rèn)為將復(fù)墾土壤質(zhì)量pH 值控制標(biāo)準(zhǔn)定為6.5 ～8.0 更能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。具體措施包括:通過(guò)添加硫磺粉、腐殖酸肥、硫酸鋁、酸性有機(jī)肥等化學(xué)方法,降低土壤pH 值、改善土壤質(zhì)量,使得大部分植物和作物都能更好地適宜生長(zhǎng);通過(guò)輪作、耕作、施肥、排灌等農(nóng)業(yè)措施盡快恢復(fù)土壤養(yǎng)分,加速有機(jī)氮的礦化,增加土壤堿解氮的供應(yīng)。

5 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用專家打分、模糊層次分析法相結(jié)合的方法,基于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4 項(xiàng)準(zhǔn)則和25 個(gè)因素建立了河曲露天煤礦排土場(chǎng)土壤恢復(fù)力影響因素評(píng)價(jià)體系,并利用加權(quán)綜合法計(jì)算得到土壤肥力恢復(fù)力模型。

(2) 根據(jù)有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、pH 值、全磷、全氮、表層含水率、容重8 項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比測(cè)量,針對(duì)河曲露天煤礦排土場(chǎng)的土壤肥力明顯不足情況,建議施加一定量的有機(jī)肥,以盡快恢復(fù)土壤養(yǎng)分,同時(shí)種植豆科固氮灌木紫花苜蓿、非豆科固氮灌木沙棘、樟子松和人工牧草紫花苜蓿等植物,以改良土壤。

(3) 針對(duì)不同礦區(qū)、不同排土場(chǎng),在選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整,對(duì)所構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系應(yīng)進(jìn)行充分的工程檢驗(yàn),逐步增強(qiáng)其科學(xué)性、完備性、可行性。