半干旱地區(qū)露天礦排土場復(fù)墾對土壤物理性質(zhì)的影響

王鶴燕　李龍　李強(qiáng)　張亮　高鑫宇

摘要：為研究露天煤礦排土場復(fù)墾對土壤物理性質(zhì)的影響，以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天礦排土場平臺為研究對象。針對礦區(qū)自然地貌（ZR）、未復(fù)墾的排土場（WF）與復(fù)墾5年排土場（FK）0—60 cm土層土壤物理性質(zhì)的差異，運(yùn)用方差分析、主成分分析等方法研究復(fù)墾對排土場土壤物理性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，未復(fù)墾排土場的土壤容重和礫石含量均顯著高于復(fù)墾排土場和自然地貌，而土壤含水率、飽和含水率和田間持水量均低于復(fù)墾排土場和自然地貌，其中田間持水量顯著低于復(fù)墾排土場和自然地貌。相關(guān)性分析和回歸方程擬合分析發(fā)現(xiàn)，土壤礫石含量影響土壤容重和持水保水性能。復(fù)墾使排土場土壤容重及礫石含量呈降低趨勢，而土壤含水率、飽和含水率、田間持水量呈升高趨勢；隨著土層深度的增加，排土場土壤容重、含水率、飽和含水率呈升高趨勢，而田間持水量和礫石含量呈降低趨勢。復(fù)墾排土場40—60 cm、自然地貌40—60 cm、復(fù)墾排土場20—40 cm土層土壤的綜合評分分別排第1、2、3位，說明排土場復(fù)墾能夠在一定程度上改良土壤、優(yōu)化土壤質(zhì)地，并在復(fù)墾5年情況下對土壤的改良深度可達(dá)60 cm。以上研究結(jié)果對礦區(qū)復(fù)墾工作具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：露天礦；排土場；土壤物理性質(zhì)；復(fù)墾

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0548

中圖分類號：S157.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10080864（2024）04017410

露天煤礦的排土場是典型的人為重塑地貌，主要物質(zhì)成分由剝離土層中的廢棄物及煤層上覆的巖土層、煤矸石、煤粉和表土堆積構(gòu)成[1]，礦區(qū)排土場的建設(shè)主要是采取不經(jīng)分選直接堆砌、碾壓的施工方式，加之土壤的非均勻沉降作用，導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)較差[23]。土地復(fù)墾主要是指對工礦業(yè)用地的再生利用和系統(tǒng)恢復(fù)，礦區(qū)排土場復(fù)墾可使礦山排土場地表植被覆蓋率得到大幅度提高，有效防止礦山環(huán)境的惡化并改良土壤物理性質(zhì)。土壤物理性質(zhì)是決定生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)，生態(tài)恢復(fù)得當(dāng)便可以提供大量土地資源并發(fā)揮其重要的生態(tài)功能[45]。因此，研究排土場植被恢復(fù)對土壤物理性質(zhì)的改良狀況，對于礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)和綠色生態(tài)屏障的構(gòu)建具有十分重要的意義[67]。

目前，國內(nèi)外礦區(qū)土地復(fù)墾領(lǐng)域的研究多著眼于礦區(qū)復(fù)墾地重構(gòu)土壤物理性質(zhì)的研究，趙艷玲等[8]對內(nèi)蒙古錫林浩特勝利煤田1號露天礦北排土場復(fù)墾土壤的物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)土壤的物理性質(zhì)能夠較直觀地反映重塑地貌土壤的質(zhì)量。土壤復(fù)墾從物理性質(zhì)的角度直接反映土壤的持水、保水性能，是礦區(qū)土壤復(fù)墾研究的核心方法之一[9]。土壤物理性質(zhì)主要包括容重、質(zhì)地、孔隙度以及入滲、持水性能等具有關(guān)聯(lián)性的多項指標(biāo)[10]，對礦區(qū)排土場土壤修復(fù)影響較大。Schroeder等[11]研究采礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中土壤的物理性質(zhì)表明，復(fù)墾土壤與未受到人為擾動的自然土壤之間在水平方向上的各項物理性質(zhì)均存在差異。Kumar等[12]通過對不同復(fù)墾年限礦區(qū)的土壤進(jìn)行對比分析得出對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)影響較大的關(guān)鍵指標(biāo)，為礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供了可靠的理論支撐。目前，學(xué)者們對礦區(qū)排土場復(fù)墾方面的研究成果豐富，但多數(shù)研究都是針對排土場土壤物理性質(zhì)的時空變化，而關(guān)于植被復(fù)墾對重構(gòu)土壤各層物理性質(zhì)影響的研究較少。

基于此，本研究以位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的黑岱溝露天煤礦排土場平臺為研究對象，在結(jié)合其他研究的基礎(chǔ)上，采取實地對比監(jiān)測和室內(nèi)試驗分析相結(jié)合的方法，進(jìn)行植被復(fù)墾條件下不同土層土壤物理性質(zhì)改良狀況的試驗研究，以未受到擾動的自然地貌為參照，對排土場各土層土壤物理性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，綜合評價排土場地貌重塑驅(qū)動下的土壤物理性質(zhì)改良狀況[13]，為進(jìn)一步研究礦山排土場土壤物理性質(zhì)與復(fù)墾植被間的交互影響提供理論支撐，為未來礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)工作提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦（39° 25′—39° 49′N，111°13′—111°21′E，海拔1 256 m）位于準(zhǔn)格爾煤田中部，距離神華準(zhǔn)格爾能源有限公司9.8 km，北距呼和浩特市120 km，西距鄂爾多斯市135 km，南距平朔露天煤礦225 km，地形地貌為黃土丘陵溝壑區(qū)[14]（圖1）。該區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候[15]，年均降水量408 mm。礦區(qū)排土場呈多階平臺狀，土壤類型為黃綿土[16]，養(yǎng)分含量低；植被屬暖溫型草原帶[17]，天然植被低矮稀疏，以針茅（Stipacapillata L.） 、百里香（Thymus mongolicus Ronn.） 等為主；排土場人工建植植被有檸條錦雞兒（Caragana korshinskii Kom.）、沙地柏 （Sabina vulgarisAnt.）、山杏[Armeniaca sibirica （L.） Lam.]。

以黑岱溝內(nèi)排土場平臺為研究區(qū)域，其土壤成分主要由剝離土層中的廢棄物及煤層上覆的巖土層、煤矸石、煤粉和表土等堆積構(gòu)成，土壤堆積過程經(jīng)過了劇烈擾動和碾壓，地貌平坦且質(zhì)地較輕，養(yǎng)分含量低，土壤結(jié)構(gòu)性差，是典型的礦區(qū)土壤類型，極易發(fā)生水土流失[18]。

1.2 試驗設(shè)計

采用野外樣地調(diào)查與室內(nèi)試驗分析相結(jié)合的研究方法，分析露天煤礦排土場在復(fù)墾5年及未復(fù)墾情況下土壤物理性質(zhì)與未受到人為擾動自然地貌土壤物理性質(zhì)的差異，并分析2種情況排土場營養(yǎng)土層垂向物理性質(zhì)的變化規(guī)律。

1.2.1 樣地概況與土壤樣品采集

試驗于2022年開展，分別于7、8月采集土壤。在復(fù)墾5年排土場（FK）、未復(fù)墾排土場（WF）和自然地貌（ZR）分別布設(shè)3個采樣點，采用對角線取樣，按照0—20、20—40、40—60 cm劃分3個土層，由下至上分層取樣，最終共采集9個樣點的土壤樣品。FK、WF排土場的排土?xí)r間相同，所排土壤來自同一采坑，最初土壤性質(zhì)基本一致。FK排土場主要植被有檸條錦雞兒、沙地柏、山杏；WF排土場植被低矮稀疏，以針茅、百里香為主；ZR為未受人為擾動的自然地貌，主要植被有紫苜蓿（Medicago sativa L.）、狗尾草[Setaria viridis （L.） Beauv.]、針茅、堿蓬[Suaedaglauca （Bunge） Bunge]等。每個樣地不同土層深度的礫石分級、恢復(fù)年限、主要植被和植被蓋度如表1所示。每個采樣點的土壤剖面采用環(huán)刀取土，分別取0—20、20—40、40—60 cm土層的土壤樣品（排土場覆土深度60 cm左右），除去土壤中的雜質(zhì)，做好標(biāo)記合理保存用于后續(xù)試驗。

1.2.2 測定指標(biāo)與方法

采用天平分別測定土壤樣品的濕重和干重，計算土壤容重和土壤含水率。采用環(huán)刀浸泡法測定田間持水量和飽和含水率。土壤的礫石含量為每千克土壤樣本中粒徑>2 mm的土壤顆粒含量，可分為3級：少礫（<150 g·kg-1）、中礫（150～300 g·kg-1）和多礫（>300 g·kg-1）。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

通過單因素方差分析對不同樣地土壤典型理化性質(zhì)的差異進(jìn)行分析。選取排土場土壤容重、含水率、飽和含水率、田間持水量、礫石含量5個指標(biāo)，利用SPSS 19.0軟件，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（Zscore法）處理，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行KOM檢驗和Bartlett 球體檢驗，以用于因子分析的適用性檢驗。

式中，X 代表特征值大于1的主成分個數(shù)，λa、λb、λc...為每個主成分對應(yīng)的特征值所占比例，Ya、Yb、Yc...分別代表每個主成分對應(yīng)的特征值所占主成分特征值之和的比例。

利用WPS office 軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行主成分分析，計算各主成分得分及綜合得分，進(jìn)行綜合評價分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 排土場土壤物理性質(zhì)的總體差異性

由圖2可知，WF的土壤容重較ZR和FK排土場顯著提高12.19%和10.36%；ZR和FK的土壤含水率略大于WF，但差異不顯著；FK排土場土壤飽和含水率較ZR和WF排土場顯著提高16.44%和21.18%；ZR 和FK 的田間持水量較WF 排土場顯著提高23.15%和19.51%；3個樣地的土壤礫石含量存在差異顯著，其中WF的礫石含量較FK顯著提高63.34%。

2.2 排土場土壤物理性質(zhì)的垂向差異性

按0—20、20—40、40—60 cm 3個土層分析各樣地土壤的物理性質(zhì)垂向差異，如圖3所示。ZR和FK 在40—60 cm 土層的土壤容重較0—20 cm土層顯著提高17.24%和16.98%；WF各土層間土壤容重差異不顯著。各樣地不同土層間土壤含水率均差異不顯著；土壤含水率隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)增加趨勢。ZR、FK各土層間土壤飽和含水率差異均不顯著；WF在20—40 cm土層的飽和含水率較0—20 cm土層顯著提高15.51%；ZR、FK各土層間土壤田間持水量差異均不顯著；WF在0—20 cm土層的田間持水量較40—60 cm顯著提高19.28%。各樣地0—20 cm土層土壤礫石含量均顯著高于40—60 cm土層，而20—40 cm土層均與其他土層差異不顯著。

對比同一土層不同研究區(qū)域間土壤物理性質(zhì)（圖4）發(fā)現(xiàn)，在各土層均表現(xiàn)為WF的容重顯著高于ZR和FK；在0—20、20—40 cm土層各樣地間土壤含水率均差異不顯著，而在40—60 cm土層表現(xiàn)為ZR和FK的土壤含水率較WF顯著提高50.22%和51.32%；在0—20、40—60 cm土層，F(xiàn)K的飽和含水率顯著高于ZR和WF；ZR、FK在各土層的土壤田間持水量均顯著高于WF；在0—20、20—40 cm土層，各樣地間的礫石含量均存在顯著差異，而在40—60 cm土層，ZR和FK的土壤礫石含量差異不顯著。

2.3 排土場土壤物理性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

由表2可知，排土場土壤容重與礫石含量呈極顯著正相關(guān)；土壤含水率與飽和含水率呈極顯著正相關(guān)，與礫石含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；飽和含水率與田間持水量呈顯著正相關(guān)，與礫石含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

檢驗上述土壤物理指標(biāo)建立的回歸方程的可靠性，結(jié)果（表3）表明，方程擬合較好，均達(dá)到顯著水平（P<0.05）。結(jié)合土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果表明，在表層土壤物理性質(zhì)較差的的露天礦區(qū)排土場，復(fù)墾地與未復(fù)墾地的物理性質(zhì)與自然地貌存在差異的原因主要來源于土壤質(zhì)地構(gòu)型的差異性，而對排土場質(zhì)地構(gòu)型影響較大的因素是土壤礫石含量，這可能與在排土場堆砌過程中不經(jīng)分選直接碾壓堆砌的施工方式有很大關(guān)系。

2.4 排土場土壤物理性質(zhì)綜合評價分析

篩選5 個指標(biāo)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO 檢驗和Bartlett球形檢驗，結(jié)果顯示KMO>0.6，P<0.05，可用于主成分分析。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率≥85%的原則，共提取到2個主成分。第1主成分的特征值和貢獻(xiàn)率最大，分別為2.616和52.317%；第2主成分的特征值和貢獻(xiàn)率分別為1.713和34.253%（表4）。

根據(jù)主成分特征向量（表4）構(gòu)建各主成分（y1，y2）得分函數(shù)如下。

y1=-0.295x1+0.393x2+0.412x3+0.521x4-0.563x5 （2）

y2=0.646x1+0.562x2+0.361x3-0.370x4-0.024x5 （3）

式中，x1 為容重；x2 為含水率；x3 為飽和含水率；x4為田間持水量；x5為礫石含量。

以各主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重，并以權(quán)重為函數(shù)系數(shù)建立主成分綜合得分（y）方程如下。

y=0.523 2y1+0.342 5y2 （4）

計算各樣地各土層土壤理化性質(zhì)的綜合得分，結(jié)果（表5）顯示，F(xiàn)K的40—60 cm土層、ZR的40—60 cm 土層、FK 的20—40 cm 土層土壤的綜合評分較高，排名分別為第1、2、3名，說明復(fù)墾后排土場的土壤物理性質(zhì)得到了很大程度的改善；其次為ZR 20—40 cm、ZR 0—20 cm 和FK 0—20 cm 土層土壤；WF 20—40 cm、WF 40—60 cm、WF 0—20 cm土層土壤的綜合得分較低，說明WF的土壤物理性質(zhì)相比于ZR和FK較差，需要采取一定的措施改善土壤質(zhì)量。

3 討論

3.1 排土場土壤理化性質(zhì)方差分析

本研究表明，WF的土壤容重顯著高于ZR和FK，這是由于排土場在建設(shè)及復(fù)墾過程中反復(fù)機(jī)械碾壓造成[1]，而復(fù)墾可有效改善土壤結(jié)構(gòu)；ZR和FK在40—60 cm土層的土壤容重均顯著高于0—20 cm土層，這與石偉業(yè)等[19]的研究結(jié)果一致，而WF各土層間土壤容重差異不顯著，這可能是由于新堆砌排土場中存在較多煤層上覆的巖土層、煤矸石等物質(zhì)，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)隨土層變化無規(guī)律性；各樣地土壤含水率隨著土層深度的加深均呈現(xiàn)增加趨勢，ZR和FK的土壤含水率略大于WF，可能是由于土壤表層植被能夠有效地防止土壤水分蒸發(fā)，從而保持土壤水分，也與氣候特征[20]和水分入滲規(guī)律[21]密不可分；在0—20、20—40 cm 土層，各樣地間的土壤含水率均差異不顯著，而在40—60 cm土層表現(xiàn)為ZR和FK的土壤含水率顯著高于WF，這可能是由于WF的土體結(jié)構(gòu)差導(dǎo)致深層土壤水分入滲受阻[22]；FK的土壤飽和含水率顯著高于ZR和WF，這可能是由于在排土場堆砌過程中所用的粉煤灰層具有較強(qiáng)的持水能力，但這種強(qiáng)持水能力也會帶來一定局限性，當(dāng)粉煤灰過多時，整個復(fù)墾土壤剖面的含水量可能常年接近飽和含水量，會阻滯植物的生長[23]；WF在20—40 cm 土層的飽和含水率顯著高于0—20 cm 土層，這可能是由于隨著土壤深度的增加，土壤中的大孔隙空間減少[24]，但土壤中的毛管孔隙增加，這些毛管孔隙可以吸附更多水分，因此導(dǎo)致深層土壤飽和含水率高于淺層[25]；在0—20、40—60 cm土層，F(xiàn)K的飽和含水率均顯著高于ZR和WF，說明植被復(fù)墾對土壤的改善范圍較大，改善深度已達(dá)60 cm左右，甚至其土體結(jié)構(gòu)有優(yōu)于自然地貌的趨勢；ZR和FK的田間持水量顯著高于WF，是由于未復(fù)墾排土場土壤中的礫石含量較多，增加了土壤大孔隙數(shù)量，從而降低了土壤持水、保水能力[26]；其中WF在0—20 cm 土層的田間持水量顯著高于40—60 cm，而20—40 cm與其他土層差異均不顯著，WF的田間持水量隨土層深度的加深呈降低趨勢，說明表層土壤持水能力相對較好，這可能是由于表層土壤中存在較多持水性能較強(qiáng)的粉煤灰[27]；各樣地土壤礫石含量隨土層深度的加深呈降低趨勢，且3個樣地間存在顯著差異，其中WF、FK的礫石含量顯著高于ZR，這是由于排土場為人為堆砌地貌，主要物質(zhì)成分中存在較多煤層上覆的巖土層、煤矸石等物質(zhì)[1]，而WF的礫石含量顯著高于FK，這是由于風(fēng)蝕、水蝕作用及復(fù)墾植物改良土體結(jié)構(gòu)的作用，礫石含量過多會限制復(fù)墾地其他土壤物理性質(zhì)的改善，且難以控制，會影響復(fù)墾效果，因此確定適宜的礫石含量是精準(zhǔn)復(fù)墾下一步要開展的重要工作[2829]。在0—20、20—40 cm土層，各樣地間的礫石含量均差異顯著，而在40—60 cm土層，ZR和FK的礫石含量差異不顯著，這可能是由于復(fù)墾植物對土體結(jié)構(gòu)的改良作用，說明植物根系影響范圍可達(dá)60 cm左右。

3.2 排土場土壤理化性質(zhì)的改良

排土場土壤容重與礫石含量呈極顯著正相關(guān)，這與楊文珊[30]研究結(jié)果一致，容重會隨著礫石含量的增加而增加，這可能是由于礫石含量增加會降低土壤持水性能[31]，因此土壤水分減少導(dǎo)致土壤干旱板結(jié)，增加土壤容重；土壤含水率與飽和含水率呈極顯著正相關(guān)，與礫石含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤質(zhì)地構(gòu)型可影響土壤持水、保水性能，這與劉愫倩等[32]研究結(jié)果一致；土壤飽和含水率與田間持水量呈顯著正相關(guān)，與礫石含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明排土場土壤中的礫石含量增加了土壤大孔隙數(shù)量，從而降低了土壤持水保水能力[26]。

在本研究中，主成分分析揭示，土壤礫石含量是限制露天礦排土場土壤養(yǎng)分的主要因素，其含量較高，會導(dǎo)致土壤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較差[33]。多指標(biāo)綜合評價分析的優(yōu)點是通過精確的數(shù)字評價對象能呈現(xiàn)出客觀、合理的量化評價結(jié)果[34]。通過對不同樣地不同土層土壤物理性質(zhì)的綜合評價分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)K 40—60 cm、ZR 40—60 cm、FK 20—40 cm土層土壤的綜合評分較高，分別為第1、2、3名，表明復(fù)墾后排土場土壤的物理性質(zhì)得到了很大程度改善[3536]，其土壤質(zhì)地優(yōu)化程度甚至有優(yōu)于自然地貌的趨勢，說明復(fù)墾對礦區(qū)排土場土地的質(zhì)量恢復(fù)起到了促進(jìn)作用[37]，這與黃雨晗等[28]研究結(jié)果一致；而WF 20—40 cm、WF 40—60 cm、WF0—20 cm土層土壤的綜合得分較低，說明未復(fù)墾排土場土壤的物理性質(zhì)較差，需要采取一定的措施改善土壤質(zhì)量，土地復(fù)墾能夠在一定程度上改善土壤質(zhì)量，與前人研究結(jié)果一致[38]。

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（責(zé)任編輯：張冬玲）

基金項目：鄂爾多斯市科技重大專項（2022EEDSKJZDZX012-2）；鄂爾多斯市科技計劃項目（2022YY005）；高等教育改革發(fā)展項目（NJYT22046）。