黑岱溝礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)的研究

馬佳慧，張興昌，邱莉萍

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

煤炭開采在帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境尤其是土地環(huán)境產(chǎn)生了巨大破壞。地表塌陷面積和排土場面積日益擴(kuò)大，破壞原始土體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力，從而造成水土流失、土地退化等問題日趨嚴(yán)重［1］。排土場土壤和植被的恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建的基礎(chǔ)工作［2］。土壤性質(zhì)是影響土壤肥力的內(nèi)在條件，也是綜合反映土壤質(zhì)量的重要組成部分，因此，重構(gòu)與當(dāng)?shù)卦蠕h植被覆蓋下土壤性質(zhì)相同或相近的土體，是礦區(qū)土地修復(fù)的最優(yōu)目標(biāo)［3］。不同的植被覆蓋可影響土壤理化性質(zhì)變化，進(jìn)而引起土壤水分和養(yǎng)分、土壤侵蝕、土地生產(chǎn)力等自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化。通過對(duì)未被嚴(yán)重破壞和污染的礦區(qū)土壤進(jìn)行自然恢復(fù)，發(fā)現(xiàn)在不進(jìn)行人工干預(yù)的情況下，礦區(qū)排土場的土壤可進(jìn)行自我恢復(fù)，且不同復(fù)墾階段的土壤性質(zhì)變化很大［4］。本文采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，研究排土場不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)的變化，以獲得耗時(shí)最短效果最優(yōu)的土壤修復(fù)的植被組合模式，從而為修復(fù)礦區(qū)排土場的土壤生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗東部（111°13′—111°20′E，39°43′—39°49′N），面 積52.11km2。海拔1 025～1 302m。中溫帶半干旱大陸性氣候，年均溫7.2℃，極端最高溫度38.3℃，極端最低氣溫－30.9℃，≥10℃年積溫3 350℃。年均降水量為404.1mm，降水多集中在7—9月，約占全年降水量的60%～70%。年蒸發(fā)量為2 082.2mm，日照時(shí)數(shù)3 119.3h。地帶性土壤是以砒砂巖為母巖的栗褐土，非地帶性土壤為黃綿土。該區(qū)土質(zhì)疏松，抗沖蝕性差，有機(jī)質(zhì)含量少。排土場臺(tái)階土壤均為復(fù)填土，因車輛碾壓屬較緊密的重構(gòu)土體［2］。礦區(qū)內(nèi)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。自然植被以本氏針茅、百里香和錦雞兒等為主，天然森林已全遭破壞，偶有喬木殘留。礦區(qū)自然條件較差，耕作粗放、生產(chǎn)力低，經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物和林木較少，主要農(nóng)作物有谷子、糜黍、喬麥、馬鈴薯等，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，是以旱作農(nóng)業(yè)為主的農(nóng)牧業(yè)結(jié)合區(qū)。

1.2 樣品采集及分析

通過實(shí)地勘察，試驗(yàn)樣地設(shè)在黑岱溝煤礦東排土場。排土場臺(tái)階寬50m，頂部平臺(tái)面積0.66km2，臺(tái)階高差10m。選取2003年復(fù)墾的樣地6個(gè)，植被類型分別為油松—沙棘—長芒草（D1）、楊樹—沙棘—長芒草（D2）、楊樹—沙棘（D3）、油松—長芒草（D4）、長芒草（D5）和馬鈴薯（D6），未復(fù)墾樣地1個(gè)（CK）。所有樣地均位于排土場頂部平臺(tái)，無陰陽坡差別。初期僅人工植被復(fù)墾，3年管護(hù)后無管理措施。樣地概況見表1。于2012年在各樣地隨機(jī)選擇100m×100m小區(qū)，用50m×50m的S型法取土壤，樣點(diǎn)間隔50m，共取樣點(diǎn)9個(gè)，每樣點(diǎn)設(shè)1m×1m小樣方面積，用對(duì)角線混合法采集0—10cm，10—20cm土壤樣品，同樣方同層混合，風(fēng)干研磨后過1mm和0.25mm篩以備用［5］。

土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、速效磷分別采用重鉻酸鉀外加熱法、1mol／L浸提—流動(dòng)元素分析儀、碳酸氫鈉浸提法測定；土壤pH值、＜0.1mm團(tuán)聚體分別用pH計(jì)、沙維諾夫分級(jí)（干篩法）測定；土壤脲酶和蔗糖酶分別采用Hoffmann與K.Teicher法和3，5—二硝基水楊酸比色法測定，活性單位分別以μg NH3－N／（g·h）和μg glu／（g·h）表示［6］。

表1 樣地概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)的研究

不同復(fù)墾方式其恢復(fù)植被不同，凋落物成分有所不同，從而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的形成產(chǎn)生影響。不同復(fù)墾方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量變化較大（圖1a），但各樣地有機(jī)質(zhì)含量均為0—10cm＞10—20cm土層，體現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)分布的表聚性［5］。不同復(fù)墾方式中，楊樹—沙棘樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量在兩個(gè)土層均高于其他復(fù)墾方式和未復(fù)墾對(duì)照樣地，表明楊樹—沙棘樣地的復(fù)墾作用最好。楊樹—沙棘、油松—沙棘—長芒草、楊樹—沙棘—長芒草樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量高于長芒草、洋芋、油松—長芒草樣地，表明林地混合復(fù)墾方式對(duì)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量效果較好。

土壤速效氮（包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）可直接被植物根系吸收，在植物生命中占有重要地位。不同復(fù)墾方式下土壤硝態(tài)氮的變化與有機(jī)質(zhì)相似（圖1b），即表現(xiàn)為D3＞D1＞D2＞D5＞D6＞D4，且0—10cm＞10—20cm土層。但不同復(fù)墾方式下土壤銨態(tài)氮的變化有所不同（圖1c），在0—10cm土層表現(xiàn)為D1＞D5＞D6＞D3＞D2＞D4，在10—20cm土層表現(xiàn)為D2＞D4＞D3＞D1＞D5＞D6，且在D2和D4復(fù)墾方式中，10—20cm土層土壤銨態(tài)氮含量高于0—10cm土層，這可能與銨態(tài)氮為吸附態(tài)速效氮，不同復(fù)墾方式不同土層土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附點(diǎn)位不同有關(guān)［6］。楊樹—沙棘、油松—沙棘—長芒草樣地土壤硝態(tài)氮含量高于其他樣地，表明沙棘在復(fù)墾區(qū)可增加土壤硝態(tài)氮含量。而馬鈴薯地硝態(tài)氮含量高可能是施用氮素肥料所致。

由圖1d可看出，不同復(fù)墾方式下，土壤速效磷在剖面中呈現(xiàn)出0—10cm＞10—20cm的趨勢(shì)，但不同土層不同復(fù)墾方式速效磷含量分布不一致：在0—10 cm土層表現(xiàn)為D5＞D3＞D1＞D2＞D4＞D6，10—20 cm土層為D1＞D5＞D3＞D2＞D4＞D6。土壤速效磷的剖面分布趨勢(shì)主要與根系分布和不同植被對(duì)土壤剖面速效磷的吸收利用有關(guān)［7］。馬鈴薯的植物根系主要分布于土壤表層，因此對(duì)表層土壤速效磷吸收較多，土壤中的速效磷含量顯著降低。

土壤團(tuán)聚體以土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體為基礎(chǔ)，在有機(jī)無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的作用下形成，是衡量物理性質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。如圖1e所示，不同復(fù)墾方式下，楊樹—沙棘、油松—長芒草樣地土壤中＞0.1mm的團(tuán)聚體含量較長芒草、油松—長芒草樣地稍大，表明楊樹—沙棘、油松—長芒草灌草組合對(duì)改良復(fù)墾區(qū)土壤團(tuán)聚體性狀有效果。

不同復(fù)墾方式土壤pH值表現(xiàn)為0—10cm＜10—20cm土層（圖1f），主要是因?yàn)榈V區(qū)復(fù)墾后坡面植被生長狀況得到改善，返還到土壤表層的有機(jī)物質(zhì)增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，植物根系、凋落物和有機(jī)質(zhì)在土壤中分解和轉(zhuǎn)化過程中釋放出大量的有機(jī)酸，從而降低了整個(gè)土壤pH值特別是表層土壤pH值。

與未復(fù)墾地相比較，所有復(fù)墾地兩個(gè)土層土壤容重均有所降低，且表現(xiàn)為0—10cm＜10—20cm（圖1g）。不同復(fù)墾方式下土壤容重降低的主要原因有兩方面：一方面植物根系的穿插使得土壤顆粒粉碎，孔隙增多，容重減小；另一方面林草地土壤養(yǎng)分狀況的改善有利于各種微生物和土壤動(dòng)物的生存，促進(jìn)了它們的活動(dòng)，增加了土壤孔隙，間接降低土壤容重。各復(fù)墾方式表現(xiàn)為D3＞D1＞D2＞D5＞D4＞D6，且在相同復(fù)墾年限內(nèi)，林草混合復(fù)墾方式能顯著改善土壤的表層結(jié)構(gòu)，這主要與復(fù)墾后凋落物的降解有關(guān)，林地凋落物較草地凋落物而言，更易于分解腐化形成土壤有機(jī)質(zhì)，直接降低了土壤容重。

土壤酶參與土壤中重要的生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)過程，其活性可以反映復(fù)墾方式對(duì)土壤的改良作用。不同復(fù)墾方式下土壤蔗糖酶和脲酶活性在土壤剖面中表現(xiàn)為0—10cm＞10—20cm（圖2）。不同復(fù)墾方式土壤脲酶和蔗糖酶活性均高于對(duì)照土樣，且脲酶活性表現(xiàn)為D3＞D1＞D6＞D4＞D5＞D2，蔗糖酶活性表現(xiàn)為D3＞D2＞D1＞D4＞D5＞D6。林地或林草混合復(fù)墾方式（楊樹—沙棘和油松—楊樹—長芒草）土壤酶活性較高，主要是因?yàn)榱值刂参锏蚵湮锖透捣置谖锊粌H使微生物大量繁殖，豐富了土壤酶的來源，同時(shí)這些凋落物的分解和根系的生理代謝過程也向土壤釋放多種酶［8］。

圖1 不同復(fù)墾方式下土壤理化性質(zhì)的指標(biāo)

圖2 不同復(fù)墾方式下土壤生物學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)

2.2 土壤性質(zhì)之間的關(guān)系

對(duì)礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析（表2）發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤硝態(tài)氮、土壤脲酶、蔗糖酶呈顯著或極顯著正相關(guān)。土壤團(tuán)聚體與土壤脲酶呈顯著正相關(guān)，而與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、蔗糖酶和脲酶可作為綜合指數(shù)可表征土壤質(zhì)量性狀。

表2 土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

2.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了定量描述礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式下土壤質(zhì)量的恢復(fù)狀況，本文引用土壤恢復(fù)指數(shù)。依據(jù)Adejuwon提出的計(jì)算公式［9］，以未復(fù)墾的撂荒對(duì)照樣地為基準(zhǔn)，假定其他復(fù)墾方式都是由基準(zhǔn)的處理轉(zhuǎn)變而來，計(jì)算各個(gè)土壤屬性在其他復(fù)墾方式與基準(zhǔn)之間的差異（以百分?jǐn)?shù)表示），最后將各個(gè)屬性的差異求和平均，得到各土地復(fù)墾方式下的土壤恢復(fù)指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

RI＝［（P1－P′1）／P1′＋（P2－P′2）／P′2＋…＋（Pn－P′n）／P′n］×100%／n

式中：RI——土壤恢復(fù)指數(shù)；P1′，P2′，…，Pn′——基準(zhǔn)土地復(fù)墾方式下的土壤屬性1，屬性2到屬性n的值；P1，P2，…，Pn——其他復(fù)墾方式下土壤各屬性值；n——選擇的土壤屬性數(shù)。土壤恢復(fù)指數(shù)可以是正數(shù)或負(fù)數(shù)，正數(shù)表示土壤質(zhì)量有所改善，負(fù)數(shù)表示土壤質(zhì)量退化［8］。本研究以東排土場未復(fù)墾的土地為基準(zhǔn)，利用土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、土壤團(tuán)聚體、蔗糖酶、脲酶等指標(biāo)進(jìn)行土壤恢復(fù)指數(shù)計(jì)算（表3）。

表3 不同復(fù)墾方式下的土壤恢復(fù)指數(shù)（RI）

與未復(fù)墾地相比較，不同復(fù)墾方式不同土層土壤恢復(fù)指數(shù)均為正值，表明所有復(fù)墾方式對(duì)礦區(qū)排土場均有改善作用。不同復(fù)墾方式土壤恢復(fù)指數(shù)在0—10 cm和10—20cm土層分別表現(xiàn)為D3＞D1＞D2＞D5＞D4＞D6和D3＞D2＞D1＞D4＞D5＞D6，表明林地和林草混合復(fù)墾方式對(duì)礦區(qū)排土場土壤質(zhì)量的改善較好。油松林和楊樹林是黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)和重建的主要人工林之一，有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性，并在礦場排土場得到大面積栽植。由于油松林和楊樹林耗水較少，生長較快，生態(tài)效果較好，在改善生態(tài)環(huán)境和保持水土方面所起的作用也很大，促進(jìn)了礦場排土場的植被建設(shè)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展［10］。本研究結(jié)果亦表明，林地混合復(fù)墾方式下土壤恢復(fù)指數(shù)均較高，說明林地混合復(fù)墾方式能明顯改善研究區(qū)的土壤質(zhì)量，建議在研究區(qū)可大面積推廣以林地為主的混合復(fù)墾方式。

3 結(jié) 論

礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式土壤各指標(biāo)均明顯高于未復(fù)墾土壤，表明礦區(qū)土地復(fù)墾對(duì)改良排土場土壤質(zhì)量有明顯作用。不同復(fù)墾方式下土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、脲酶和蔗糖酶之間呈顯著或極顯著正相關(guān)，可作為綜合指數(shù)表征土壤質(zhì)量的高低。以林地為主的混合復(fù)墾方式的土壤恢復(fù)指數(shù)要高于草地或農(nóng)用地復(fù)墾方式，建議在黑岱溝礦區(qū)排土場大面積推廣以林地為主的混合復(fù)墾方式。

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