平朔礦區(qū)生態(tài)重建區(qū)域土壤障礙層次障礙因子研究

摘要［目的］研究平朔礦區(qū)生態(tài)重建區(qū)域土壤障礙層次障礙因子。［方法］以平朔露天煤礦排土場(chǎng)植被衰退區(qū)為研究對(duì)象，通過典型刺槐、榆樹人工林樣地調(diào)查與土壤采樣分析，系統(tǒng)研究排土場(chǎng)植被衰退區(qū)土壤顆粒組成特征、土壤養(yǎng)分狀況、土壤水分條件，明確土壤條件影響下的植被衰退機(jī)理。［結(jié)果］平朔露天礦排土場(chǎng)土壤全氮含量平均值總體上小于0.52g/kg，土壤全磷含量平均值小于0.44g/kg，土壤全鉀含量平均值小于16.95g/kg，全氮、全磷含量分別為極低、低水平，土壤全鉀含量為中等偏低水平，存在嚴(yán)重的氮、磷脅迫和中等程度鉀脅迫。平朔露天煤礦排土場(chǎng)地表覆土來源為煤炭開采過程中剝離的黃土及紅黏土，土壤顆粒組成均一，以粉粒（0.005～0.050mm）和黏粒（gt;0.250mm）為主，0～40cm土層土壤粉粒和黏粒之和占比在95%以上，受大型機(jī)械的碾壓及自然沉降影響，排土場(chǎng)土壤嚴(yán)重板結(jié)，土壤容重較大；土壤水分整體處于凋萎系數(shù)（12%～20%）以下。［結(jié)論］土壤氮、磷養(yǎng)分缺乏影響植物生長，磷、鉀缺乏，植物生長受到影響，植物抗性（抗旱、抗寒）降低。黃土及紅黏土土壤緊實(shí)致密，容重大，水分入滲率低，干旱年份生長期沒有有效雨，土壤水分入滲補(bǔ)給極差，極度干旱導(dǎo)致刺槐、榆樹、沙棘逐漸枯萎死亡。

關(guān)鍵詞森林生態(tài)水文；植被退化；土壤顆粒組成；土壤養(yǎng)分；土壤水分；排土場(chǎng)

中圖分類號(hào)X171.4"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A"文章編號(hào)0517-6611（2024）24-0067-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.016

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

StudyonSoilBarrierLevelsandBarrierFactorsintheEcologicalReconstructionAreaofPingshuoMiningDistrict

L"Chong-yuan，WANGDong-sheng，SONGBai-ningetal

（SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin，Liaoning123000）

Abstract［Objective］TostudythebarrierfactorsofsoilobstaclesintheecologicalreconstructionareaofPingshuominingarea.［Method］ThevegetationdeclineareaofPingshuoopen-pitcoalminedumpwastakenastheresearchobject，andthesoilparticlecompositioncharacteristics，soilnutrientstatusandsoilmoistureconditionsinthevegetationdeclineareaofthedumpweresystematicallystudiedthroughtheinvestigationandsoilsamplinganalysisoftypicalRobiniapseudoacaciaandelmplantations，soastoclarifythevegetationdeclinemechanismundertheinfluenceofsoilconditions.［Result］ThesoiltotalnitrogencontentinPingshuoopen-pitminedumpwasgenerallylessthan0.52g/kg，theaveragesoiltotalphosphoruscontentwaslessthan0.44g/kg，andtheaveragesoiltotalpotassiumcontentwas16.95g/kg，thetotalnitrogenandtotalphosphoruswerebothverylowandlow，andthesoiltotalpotassiumcontentwasmediumtolow，andtherewereseriousnitrogenandphosphorusstressandmoderatepotassiumstress.ThesourceofthesurfacesoilofthedumpingsiteofPingshuoopen-pitcoalminewastheloessandredclaystrippedintheprocessofcoalmining.ThesurfacecoversoilofthePingshuoopen-pitcoalminewastedumpcomesfromloessandredclaystrippedduringcoalmining.Thesoilparticlecompositionwasuniform，mainlyconsistingofsiltparticles（0.005-0.050mm）andclayparticles（gt;0.250mm）.Thesumofsiltparticlesandclayparticlesinthe0-40cmsoillayeraccountedformorethan95%.Duetothecompactionandnaturalsettlementoflargemachinery，thesoilinthewastedumpwasseverelycompactedandhadahighbulkdensity;theoverallsoilmoisturewasbelowthewiltingcoefficient（12%-20%）.［Conclusion］Thelackofsoilnitrogenandphosphorusnutrientsaffectsplantgrowth，whilethelackofphosphorusandpotassiumaffectsplantgrowthandreducesplantresistance（droughtresistance，coldresistance）.Loessandredclaysoilsarecompactanddense，withalargecapacityandlowwaterinfiltrationrate.Indryyears，thereisnoeffectiverainfallduringthegrowthperiod，andthesoilwaterinfiltrationsupplyisextremelypoor.ExtremedroughtcausesRobiniapseudoacacia，elmtrees，andseabuckthorntograduallywitheranddie.

KeywordsForestecohydrology；Vegetationdegradation;Soilparticlecomposition；Soilnutrients；Soilmoisture；Spoibank

近年來，隨著我國露天煤礦的大規(guī)模開發(fā)，排土場(chǎng)土壤肥力和植被恢復(fù)問題日益引起廣泛關(guān)注。劉軍等^［1］研究發(fā)現(xiàn)人工沙棘林能夠顯著提高土壤肥力，促進(jìn)土壤微生物活性，有利于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)；楊國敏等^［2］研究發(fā)現(xiàn)水分是限制礦區(qū)植被生長的關(guān)鍵因素，合理的水資源管理對(duì)植被恢復(fù)具有重要意義；許麗等^［3］研究阜新市海州露天礦排土場(chǎng)植被自然恢復(fù)過程中物種多樣性發(fā)現(xiàn)，植被的自然恢復(fù)過程具有可逆性。目前關(guān)于露天煤礦排土場(chǎng)的研究主要集中在土壤肥力、植被恢復(fù)、土壤侵蝕與揚(yáng)塵污染、土地復(fù)墾等方面^［4-7］。黃土區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的熱點(diǎn)是土壤水分、土地利用和人類活動(dòng)等方面的問題^［8-10］，而現(xiàn)階段露天礦排土場(chǎng)建設(shè)的首要任務(wù)是植被恢復(fù)。因此，黃土區(qū)水文特征、土地植被修復(fù)、人類活動(dòng)影響的研究對(duì)于理解黃土區(qū)的生態(tài)環(huán)境和水文特征^［11-13］，以及制定相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)和水資源管理策略具有重要意義。

植被恢復(fù)是礦區(qū)環(huán)境持續(xù)發(fā)展的重要保證^［14-16］。但是對(duì)于排土場(chǎng)植被退化機(jī)理的研究鮮有報(bào)道。因此，筆者通過深入分析排土場(chǎng)土壤的顆粒組成特征、養(yǎng)分狀況和水分條件，明確影響植被重建與穩(wěn)定的土壤因素，以期為排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于黃土高原東緣，在山西省北部，朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，地理位置為112°20′35″～112°26′22″E、39°26′03″～39°30′29″N^［17］。礦區(qū)總面積近160 km2，地跨平魯、朔城兩城區(qū)，隸屬朔州市管轄。夏季氣溫涼爽，春冬季風(fēng)沙嚴(yán)重，氣候特點(diǎn)干燥寒冷。年溫差與日溫差大，年日照時(shí)數(shù)為2 693.3 h^［18］，年降水量分配極度不均^［19］。

平朔礦區(qū)是生態(tài)脆弱區(qū)的典型。長期高強(qiáng)度采礦破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，地表植被以耐旱灌草植物為主，主要植被類型根據(jù)地形特征分布，平臺(tái)區(qū)為刺槐與草地，坡腳、坡中、坡頂多為刺槐與油松，少量為油松與火炬樹（表1）。

1.2研究方法

首先對(duì)排土場(chǎng)立地條件進(jìn)行診斷，在找到原因后，通過土壤重構(gòu)與改良技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)研究。采用野外觀測(cè)試驗(yàn)方法、室內(nèi)分析方法、區(qū)域遙感法、大尺網(wǎng)格法、典型樣地法和大田試驗(yàn)法相結(jié)合的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

考慮各類能影響土壤環(huán)境和土壤生物的植被相關(guān)因素^［20］，在排土場(chǎng)設(shè)置大樣地（面積約20 km2），構(gòu)建評(píng)價(jià)單元體系，采用網(wǎng)格法布設(shè)采樣點(diǎn)，網(wǎng)格大小為1 km×1 km。同時(shí)，每一大樣地設(shè)置3個(gè)典型樣地（面積≥1 000 m2），采樣點(diǎn)加密，網(wǎng)格大小為20 m×20 m。

通過對(duì)土壤質(zhì)地、土壤緊實(shí)度、土壤含水量等參數(shù)進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)土壤障礙層次與限制因子。通過研究土壤中N、P、K、土壤有機(jī)質(zhì)的含量，按照一般土壤肥力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將評(píng)價(jià)結(jié)果分為不同等級(jí)。

2土壤障礙層次與障礙因子

2.1土壤顆粒組成與孔隙度

土壤質(zhì)地是土壤的一種較穩(wěn)定的自然屬性^［21］。黃土組成成分均一，以粉粒（0.005～0.050 mm）和黏粒（gt;0.250 mm）為主，并含一定比例的細(xì)砂、極細(xì)砂物。碳酸鹽礦物在黃土中的膠結(jié)作用使黃土的土壤顆粒在自然結(jié)構(gòu)下緊密堆積，容重大，總孔隙度小。

平朔露天礦區(qū)排土場(chǎng)土壤顆粒組成差異性大，顆粒組成以粉粒和黏粒為主，土粒堆積緊密，容重大，總孔隙度小。土壤以黃土、紅黏土為主，砂粒、粉粒、黏粒平均含量分別為3.24%、14.12%、82.52%，土壤質(zhì)地類型為黏質(zhì)土。透水性差，不適宜植物根系儲(chǔ)存水分。從0～20cm土層內(nèi)土壤的顆粒組成狀態(tài)（圖1a）可以看出，3個(gè)排土場(chǎng)中安太堡南排平臺(tái)黏粒占比最多，為92.15%，安家?guī)X西排平臺(tái)黏粒最少，占61.07%；粉粒在安家?guī)X西排平臺(tái)最多，占比為34.4%，在安太堡南排平臺(tái)最低，僅占5.53%；砂粒在安家?guī)X西排平臺(tái)分布最廣，占4.53%，在安太堡南排平臺(tái)最少，占2.30%。從gt;20～40cm土層土壤顆粒組成分布（圖1b）可以看出，安家?guī)X西排邊坡在3個(gè)排土場(chǎng)中黏粒分布最廣，占90.76%，安家?guī)X西排平臺(tái)黏粒分布最少，僅占57.48%；粉粒在安家?guī)X西排平臺(tái)分布最廣，占37.33%，安太堡南排平臺(tái)分布最少，僅占6.47%；砂粒在安家?guī)X西排平臺(tái)分布最廣，占4.89%，在安家?guī)X西排邊坡最少，僅占2.63%。由此可看出，3個(gè)排土場(chǎng)中普遍存在黏粒遠(yuǎn)高于砂粒和粉粒的情況。

2.2土壤緊實(shí)度與土壤容重

山西省朔州市屬于黃土高原區(qū)，地表的風(fēng)積黃土及紅黏土沉積深厚。平朔露天礦排土場(chǎng)地表覆土的來源為煤炭開采過程中剝離的黃土及紅黏土，覆土厚度約50 cm。平臺(tái)區(qū)采用大型機(jī)械作業(yè)，機(jī)械壓實(shí)作用導(dǎo)致土壤堅(jiān)實(shí)；邊坡區(qū)則采用在邊坡頂部向下傾覆的方式覆土，土壤疏松，厚度均勻。采區(qū)地表存在深厚堅(jiān)實(shí)的黃土，以及煤炭露天開采過程中剝離的紅黏土^［22-23］。平朔礦區(qū)其平臺(tái)區(qū)受大型機(jī)械的碾壓及自然沉降（降水作用）影響，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，土壤堅(jiān)實(shí)，地表嚴(yán)重板結(jié)，容重較大且分布不具規(guī)律性。土壤緊實(shí)影響植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用^［24］，進(jìn)而對(duì)植被產(chǎn)生影響。

在氣候干旱的大背景下，平朔礦區(qū)的植被生長、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是依靠自然降水為其提供水分。通過SC 900便攜式土壤緊實(shí)度儀-硬度計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，平朔礦區(qū)土壤黏重、緊實(shí)、孔隙度小，影響降水的有效入滲，限制了植被的扎根與生長，不利于水分入滲。土壤緊實(shí)度又增加了土壤容重，對(duì)根系活動(dòng)特性造成影響^［11］，土壤調(diào)節(jié)水分能力下降不利于作物生長^［25］。在氣象干旱脅迫的背景下，平朔礦區(qū)降水尤其是中小雨強(qiáng)降水，由于土壤水入滲率低，水分主要分布于土壤表層，受強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，很快以土面蒸發(fā)的形式擴(kuò)散到大氣中，對(duì)土壤水分的補(bǔ)給作用很小。

土壤容重越小，土壤越松散；總孔隙度越大，保水能力越強(qiáng)；反之，土壤容重增大則易發(fā)生板結(jié)，土壤總孔隙度減小，土壤儲(chǔ)水空間相應(yīng)減小^［26］。一般情況下，土壤容重為1.0～1.5 g/cm3，容重在1.14～1.26 g/cm3較利于幼苗出土與根系的正常生長^［27］。從圖2可以看出，平朔礦區(qū)各土層間土壤容重分布不均。0～20 cm土層土壤容重為1.39～1.61 ｇ／cm3，平均值1.49 ｇ／cm3；gt;20～40 cm土層土壤容重為1.45～1.61 g/cm3，平均值1.53 ｇ/cm3；gt;40～60 cm土層土壤容重為1.35～1.62 ｇ/cm3，平均值1.53 ｇ/cm3。土壤容重大且土壤緊實(shí)嚴(yán)重限制了植被的扎根與生長，不利于水分入滲。而邊坡地表物質(zhì)組成復(fù)雜、覆土不均勻，土石混雜，未經(jīng)機(jī)械壓實(shí)，土體較疏松，土壤容重普遍較小。

2.3土壤水分狀況

植被恢復(fù)受土壤水分限制，天然降水是礦區(qū)土壤水分的唯一補(bǔ)給源。在氣象干旱脅迫的背景下，中小雨強(qiáng)降水由于土壤入滲率低，導(dǎo)致水分主要集中在表層并很快蒸發(fā)釋放到大氣中，限制了植被恢復(fù)。植被恢復(fù)受土壤水分限制，出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，植物根系發(fā)生自疏現(xiàn)象，根系吸收功能下降，植物出現(xiàn)萎蔫，嚴(yán)重時(shí)死亡。土壤水分蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量，植物光合生產(chǎn)力下降，生長發(fā)育受阻，形成土壤干層。

黃土高原區(qū)土層厚度大，地下水水位低，人工林下一般都有土壤干層發(fā)育。在日降水量lt;30 mm的情況下，降水主要被林冠和地表枯落物截留，不能有效入滲補(bǔ)給土壤水分，導(dǎo)致土壤干層分布范圍的擴(kuò)大和干化強(qiáng)度的增加。半干旱區(qū)人工林地出現(xiàn)土壤干層很大程度上是由于土壤水分補(bǔ)給量與林木耗水量之間供需矛盾。林分密度愈高，耗水量愈大；隨著林齡增加，耗水量也逐漸增加。多年生人工林土壤旱化現(xiàn)象在黃土區(qū)分布極為廣泛^［28］。從1990—2022年平朔礦區(qū)年降水量（圖3）可以看出，平朔礦區(qū)屬于半干旱典型地區(qū)。多年平均降水量為450 mm，年際降水變化率大。在干旱年份，年降水量減少，這必然會(huì)產(chǎn)生土壤干層并引起土壤干層分布范圍的擴(kuò)大和干化強(qiáng)度的增加^［29］。

土壤萎蔫系數(shù)隨著土壤物理性黏粒含量變化，且兩者較好地符合線性關(guān)系。萎蔫系數(shù)與土壤的比表面積有關(guān)。土壤的比表面積越大，土壤的萎蔫系數(shù)越大。黏土萎蔫系數(shù)為12%～20%。從圖4可以看出，平魯區(qū)2021年生長季逐日降水量在7月15—18日達(dá)到最大值，其余時(shí)間并無顯著降水；2022年生長季逐日降水量明顯多于2021年，在8月16—19、20—22日，降水量最高達(dá)到了70mm。由此可得，2021年屬于嚴(yán)重干旱年份，在缺乏有效降水的情況下，排土場(chǎng)土壤整體處于干旱缺水的狀態(tài)。

2.4土壤養(yǎng)分狀況

土壤養(yǎng)分是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力的重要標(biāo)志。有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)。氮、磷、鉀是植物生長需要的3種營養(yǎng)元素，缺氮導(dǎo)致植物葉片黃化、生長緩慢；磷元素缺乏會(huì)導(dǎo)致植物根系發(fā)育不良、生長矮小；缺鉀導(dǎo)致植物抗逆性下降、容易感染病害等。磷和鉀元素的缺乏使植物的抗旱和抗寒能力下降^［30］。研究表明，平朔露天礦排土場(chǎng)土壤全氮、全磷均為極低、低水平，存在嚴(yán)重的氮、磷脅迫和中等程度鉀脅迫。隨著排土場(chǎng)人工林林齡增加，由于土壤養(yǎng)分脅迫，生長受阻，發(fā)育不良，樹木長勢(shì)衰弱。

2.4.1土壤有機(jī)質(zhì)。從圖5可以看出，0～20cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量為6.41～61.13g/kg，均值為20.92g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤有機(jī)質(zhì)含量為3.29～27.37g/kg，均值為10.61g/kg；gt;40～60cm深層土層中，土壤有機(jī)質(zhì)含量為3.17～26.72g/kg，均值為9.99g/kg。

2.4.2土壤全氮。從圖6可以看出，0～20cm土層中土壤全氮含量為0.20～1.80g/kg，均值為0.73g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤全氮含量為0.19～1.19g/kg，均值為0.52g/kg；gt;40～60cm深度土層中，土壤全氮含量為0.18～1.20g/kg，均值為0.50g/kg。我國土耕層中全氮含量為0.50～2.50g/kg。西北黃土高原土壤含氮量偏低，一般為0.50～1.00g/kg。平朔露天煤礦排土場(chǎng)土壤全氮含量平均值總體上小于0.52g/kg，低于該地區(qū)土壤全氮平均水平，對(duì)照全國土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)屬于極低水平。

2.4.3土壤全磷。從圖7可以看出，0～20cm土層中土壤全磷含量為0.25～0.55g/kg，均值為0.38g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤全磷含量為0.19～0.66g/kg，均值為0.39g/kg；gt;40～60cm深度土層中，全磷含量為0.18～0.54g/kg，均值為0.34g/kg。平朔露天煤礦排土場(chǎng)土壤全磷含量平均值小于0.44g/kg，對(duì)照全國土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)處于低水平。

2.4.4土壤全鉀。從圖8可以看出，0～20cm土層中，土壤全鉀含量為15.89～18.35g/kg，均值為16.95g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤全鉀含量為16.07～18.34g/kg，均值為17.17g/kg；gt;40～60cm深度土層中，土壤全鉀含量為15.23～17.50g/kg，均值為16.16g/kg。平朔露天煤礦排土場(chǎng)土壤全鉀含量平均值總體上小于16.95g/kg，對(duì)照全國土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，排土場(chǎng)土壤全鉀含量整體上處于中等偏低水平。

3討論與結(jié)論

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，排土場(chǎng)內(nèi)人工森林植被總體呈現(xiàn)自上而下的死亡模式。一些樹冠由于缺水出現(xiàn)干燥和死亡的跡象，但樹干和較低的根枝仍然存活，隨后的幾輪干旱導(dǎo)致樹枝的死亡，即使樹干死亡后根系仍存活，最終在1～2年的生長后產(chǎn)生新的芽，這些新形成的樹枝仍會(huì)受到干旱脅迫而死亡。因此可以推斷，由于長期干旱，該地區(qū)的植物經(jīng)歷了大規(guī)模的枯萎。持續(xù)的干旱隨著時(shí)間的推移加劇了植物的死亡率，直到根系和樹木完全死亡。這是植被與缺水內(nèi)在聯(lián)系的根本原因，缺水最終導(dǎo)致植物的死亡和植被的衰退。

該研究結(jié)果表明，平朔露天礦排土場(chǎng)土壤全氮含量平均值總體上小于0.52g/kg，土壤全磷含量平均值小于0.44g/kg，土壤全鉀含量平均值小于16.95g/kg，全氮、全磷含量分別為極低、低水平，土壤全鉀含量為中等偏低水平，存在嚴(yán)重的氮、磷脅迫和中等程度鉀脅迫。干旱脅迫與養(yǎng)分脅迫耦合是植被衰退的根本原因。土壤有機(jī)質(zhì)、土壤養(yǎng)分的缺乏影響植物生長；土壤氮、磷養(yǎng)分缺乏影響植物生長，磷、鉀缺乏，植物生長受到影響，植物抗性（抗旱、抗寒）降低。礦區(qū)地處黃土高原區(qū)，排土場(chǎng)地表覆土為煤炭開采過程中剝離的黃土及紅黏土，土壤顆粒組成均一，以粉粒和黏粒為主，0～40cm土層土壤粉粒和黏粒之和占比在95%以上，受大型機(jī)械的碾壓及自然沉降影響，排土場(chǎng)土壤嚴(yán)重板結(jié)，土壤容重較大，水分入滲率低，導(dǎo)致氣象干旱脅迫，是決定排土場(chǎng)人工林土壤水分條件的主導(dǎo)因素。

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