內蒙古黑岱溝礦區排土場土壤質量評價

李海寬，張雅楠

(1.呼和浩特市水文勘測局，內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古天佑水利工程設計有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，內蒙古地區的煤炭開發進入了快速發展的階段，準格爾、霍林河、東勝、伊敏河等大型露天煤礦的設計生產能力均在5 000萬t/a以上[1]。這幾大主要露天煤礦的開采均采用外排土的方式，在開采區占用較大土地面積的同時，隨著剝采比的加大，排土場占用的土地面積也逐年增加[2]。在采煤業和化工業飛速發展的同時[3]，礦區周邊的環境也隨之發生變化，主要表現在植被破壞、土壤污染、水土流失、地下水位下降、地面裂縫塌陷、煤矸石堆積等方面，土壤質量急劇退化，并由此帶來諸多生態環境問題。因此，需要對目前的土壤質量狀況進行評價，以期為退化土壤的恢復治理提供科學依據。

20世紀70 年代由Warkentin和Fletcher共同提出了土壤質量的概念[4]，他們指出土壤質量是指土壤在生態系統中保持生物生產力、維持土壤的環境質量及促進植物生長和維持動物健康的能力[5]。目前對土壤質量評價的研究主要集中在重金屬對土壤質量的影響方面，趙雪等[6]分析了主要重金屬污染元素Pb、Cu、Cd和Cr對君安礦區復墾土壤的影響；谷巖[7]通過建立模糊綜合評價模型，分析了雞西礦區排土場11種重金屬對土壤環境的影響。近年來，有學者針對不同復墾類型對土壤質量的影響做了一定的研究，秦文展等[8]、孫海運等[9]選擇土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀、pH值、含水率、密度和EC等指標對礦區復墾土壤進行了土壤質量評價，結果表明不同復墾類型下土壤質量差異較大，隨著復墾年限的增加土壤質量提高。本研究以黑岱溝露天煤礦北排土場土壤作為研究對象，通過分析土壤理化性質和 Shannon-wiener多樣性指數，建立土壤評價指標體系，初步評價該地區土壤的環境狀況，為礦區土壤復墾提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黑岱溝露天煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東部，地理坐標為東經111°13′—111°20′、北緯39°43′—39°49′，海拔1 025—1 302 m。礦區氣候屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫7.2 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，極端最低氣溫-30.9℃，≥10 ℃年積溫3 350 ℃；年平均降水量為404.1 mm，降水多集中在7—9月份，約占全年降水量的60%～70%；年蒸發量為2 082.2 mm，年日照時數3 119.3 h。礦區土壤主要為黃綿土，微堿性，肥力低下。排土場臺階上的土壤均為復填土，因排土車輛反復碾壓故而較緊密。礦區內地帶性植被屬暖溫型草原帶，植被稀疏低矮，蓋度一般在30%以下，天然森林已全遭破壞[10]。

1.2 土壤樣品采集

采樣時間為2011年7月，采樣點選擇在黑岱溝露天煤礦北排土場。在排土場內選擇地理位置相近的6種人工復墾類型，分別為1號紫花苜蓿×披堿草樣地、2號楊樹×油松樣地、3號楊樹×沙棘樣地、4號紫花苜蓿×沙打旺樣地、5號沙棘×紫花苜蓿樣地、6號楊樹純林樣地，以自然恢復下的排土場作為對照。采用隨機取樣方法在7個樣地內取樣，每個樣地取3個剖面，分別采集0—10 cm、10—20 cm的土樣，3次重復。土壤容重、孔隙度、毛管持水量、飽和含水量、田間持水量采用常規方法測定；pH值采用電極法測定；速效氮含量采用堿解擴散法測定；速效磷含量采用鹽酸-氟化銨法測定；速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰分光光度計法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定[11]；Shannon-wiener多樣性指數的測定采用有關文獻的方法[12]。

1.3 評價指標選取

土壤質量評價指標一般包括土壤物理、化學和生物性質3個方面的指標[13-14]。根據前人的研究經驗并結合本研究的目的，共選擇了11項指標進行土壤質量評價研究，其中生物性狀指標有Shannon-wiener多樣性指數(X1)，土壤物理性質指標有容重(X2)、孔隙度(X3)、飽和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6)，化學性質指標有pH值(X7)、速效氮含量(X8)、速效磷含量(X9)、速效鉀含量(X10)、有機質含量(X11)。

1.4 評價方法

近年來，隨著信息技術的飛速發展，越來越多的學者把數學方法引入到土壤質量的綜合評價中來，使土壤質量評價趨于邏輯性和系統性。目前常用的方法有標準綜合級別法、指數和法、灰色關聯分析法、主成分分析法、模糊綜合評價法、投影尋蹤模型法等[15]。

本研究使用SPSS 17.0軟件對各指標進行因子分析和主成分分析。先對原始實測數據進行標準化處理，通過最大正交旋轉法旋轉，分別得到相關矩陣、特征值、貢獻率以及因子載荷量，然后根據各主成分的因子載荷量計算各指標對土壤質量的作用大小，確定權重Wj，公式為

(1)

式中：Wj為第j個指標的權重值；Cj為第j個指標的因子載荷量。

各指標的權重確定后，計算各樣地土壤質量綜合評價值，對各樣地土壤質量進行排序，計算公式為

(2)

式中：Pi為排土場第i個樣地土壤綜合評價值；Xij為第i個樣地第j個指標的標準化值；Wj為第j個指標的權重值；n為評價中所選指標的個數。

2 結果分析

2.1 不同復墾類型下土壤各指標主成分分析

由表1可知，通過對0—10 cm層土壤進行分析，前3個主成分的累積貢獻率為94.79%，高于85%，所以可選取前3個主成分代表原有11個成分進行分析。對10—20 cm層土壤各指標的主成分分析可知，前兩個主成分累積貢獻率達到85.55%，故選取前兩個主成分進行分析。

通過表2可以看出，在0—10 cm層土樣的第一主成分中，Shannon-wiener多樣性指數(X1)、田間持水量(X6)、有機質含量(X11)載荷量較大；在第二主成分中，毛管持水量(X5)載荷量較大；pH值(X7)在第三主成分中載荷量最大。主成分分析說明，在0—10 cm土壤中Shannon-wiener多樣性指數、田間持水量、有機質含量、毛管持水量及pH值對該層土壤的恢復有較大影響。通過對10—20 cm層土樣的因子載荷量分析可知，在第一主成分中，孔隙度(X3)因子載荷量是0.970，速效磷含量(X9)和Shannon-wiener多樣性指數(X1)因子載荷量也較大，所以第一主成分的主要影響因子是Shannon-wiener多樣性指數、孔隙度、速效磷含量；在第二主成分中，飽和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6)因子載荷較大，分別是0.695、0.764、0.779，故第二主成分的選擇因子是飽和含水量、毛管持水量、田間持水量。分析說明，在10—20 cm層對土壤質量影響較大的指標是孔隙度、土壤速效磷含量、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、Shannon-wiener多樣性指數。在表層土壤中土壤質量受土壤化學性質影響較大，在10—20 cm層土壤質量受土壤含水量的影響較大，說明隨著土層深度的增加，根系的生長對土壤水分的需求增加。Shannon-wiener多樣性指數對表層土壤和10—20 cm層土壤的環境均有較大的影響，說明植被的生長對改善土壤質量有明顯的作用。

表1 各主成分累積貢獻率

表2 各指標因子載荷量

2.2 不同復墾類型下土壤綜合質量評價值分析

通過各指標的因子載荷量計算出權重，將各指標的權重和標準值加權，利用公式(1)和(2)計算得到排土場土壤綜合質量評價值，見表3。由表3可知，各樣地0—10 cm層土壤綜合質量評價值依次為-0.542 7、0.085 7、0.827 9、0.338 9、0.089 5、-0.003 2、-0.764 6，各樣地排序為：3號楊樹×沙棘樣地>4號紫花苜蓿×沙打旺樣地>5號沙棘×紫花苜蓿樣地>2號楊樹×油松樣地>6號楊樹純林樣地>1號紫花苜蓿×披堿草樣地>7號對照樣地。1—6號各樣地土壤綜合質量評價值均大于7號樣地，說明人工復墾對該地表層土壤質量的改善起到了明顯的作用。楊樹×沙棘樣地土壤質量評價值最高，說明喬灌混交模式對該地表層土壤質量的提高有較好的作用。4號樣地土壤綜合質量評價值大于5號樣地和1號樣地，表明沙打旺的種植有利于提高該地表層土壤的綜合質量，適宜在該地種植。沙棘和紫花苜蓿都是固氮作物，它們混播可以有效提高土壤質量。喬木林樣地土壤質量評價值較低、排序靠后，說明在該地不適宜大范圍種植耗水量大的楊樹。

表3 排土場土壤綜合質量評價值及排序

各樣地10—20 cm層土壤綜合質量評價值依次為-0.002 4、0.071 9、0.806 2、0.306 6、0.095 5、-0.001 5、-0.716 4，按評價值排序與0—10 cm層土壤相同，同樣表現出1—6號各樣地土壤質量評價值均大于7號樣地的規律。由于地表枯落物的作用和植被根系生長的影響，表層土壤綜合質量評價值大多大于10—20 cm層土壤，說明植被的生長對表層土壤的改良效果隨土層深度的增加而減弱。不同植被復墾模式下土壤質量不同，喬灌混交、灌草混播及草本混播3種模式下的樣地土壤質量顯著高于其他樣地，說明混合播種對提高該地土壤質量有較為明顯的作用。

3 結 語

(1)黑岱溝露天煤礦北排土場經過多年人工復墾后，土壤質量較自然恢復狀態下有了明顯的改善。Shannon-wiener多樣性指數對表層土壤和10—20 cm層土壤質量均有較大的影響，說明植被的生長對改善土壤質量有明顯的作用。表層土壤質量受土壤化學性質影響較大，隨深度增加，土壤水分指標對土壤質量的影響增大。

(2)0—10 cm層和10—20 cm層土壤質量綜合評價值排序均為：3號楊樹×沙棘樣地>4號紫花苜蓿×沙打旺樣地>5號沙棘×紫花苜蓿樣地>2號楊樹×油松樣地>6號楊樹純林樣地>1號紫花苜蓿×披堿草樣地>7號對照樣地。隨著土層深度的增加土壤質量綜合評價值降低。楊樹×沙棘樣地土壤質量綜合評價值最高，說明喬灌混交模式對該地表層土壤質量的提高有較好的作用，同時也說明在該地區較適合采用混合播種模式。沙棘、沙打旺、紫花苜蓿對提高該地土壤質量有顯著作用，適宜在該地區種植。

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