復墾煤矸山重構土壤剖面養分狀況研究

摘要：以山西省霍州曹村煤礦矸石山復墾6年果園（OP）和復墾6年草地（GL）為樣地，分析了2種農林用地類型煤矸山復墾重構土壤100 cm土層養分剖面差異，以期為煤矸山重構土壤選擇合適的植被類型提供依據。結果表明，煤矸山復墾6年果園土壤養分含量明顯優于復墾6年草地，其中養分改善程度較好的是土壤全鉀、有效磷、全磷及有機質，較差的是土壤全氮和堿解氮。復墾6年果園土壤有機質和全量養分含量明顯較常規果園低，但速效養分中有效磷和速效鉀含量卻優于或相當于常規果園；復墾6年草地除土壤速效鉀含量高于常規草地外，其余土壤養分含量均明顯低于常規草地。從兩種復墾煤矸山100 cm土層養分含量的剖面差異來看，復墾6年果園土壤全鉀和有效磷含量在土壤表層（0～20 cm）、中層（20～60 cm）和深層（60～100 cm）均高于復墾6年草地， 土壤有機質、堿解氮和全磷的這種差異主要表現在表層或中層，但2種利用形式復墾地土壤全氮含量在100 cm土層中均無明顯差異。

關鍵詞：煤矸山；重構土壤；復墾；養分恢復；果園；草地

中圖分類號：TD88 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4402-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.012

Abstract：To provide a basis evidence for the choice of the vegetation types to different types of reclamation agro-forestry land，the study was conducted in two types of reclamation agro-forestry land as six years orchard after reclamation（OP） and six years grassland after reclamation（GL） on a coal waste pile in Cao village， Huozhou city， Shanxi province， and the difference of soil nutrients within 100 cm soil layers between OP and GL were analyzed. The results showed that soil nutrients contents in OP treatment was better than GL treatment，significantly，and soil total K， available P， total P and soil organic matter were improved，obviously，but soil total N and soil available N were poor. Soil organic matter， soil total N， P and K were lower in OP than in conventional orchard（OP-CK）， but available P and K were better. Soil nutrients in GL were lower than in conventional grassland（GL-CK），except soil available K. Soil total K and soil available P in OP were better than in GL in upper soil layer（0～20 cm），middle layer and deep soil layers，and the difference of soil nutrients between OP and GL appeared in upper soil layer（0～20 cm） and middle layer（20～60 cm），but soil total N was no significant difference between OP and GL within 100 cm soil layer.

Key words：coal waste pile；reconstructed soil；reclamation；nutrient recovery；orchard；grassland

煤矸石是井工開采和洗煤排放的廢棄物，其產生量約為原煤產量的15%或更多。當前，中國煤礦開采過程中排放的煤矸石等固體廢棄物累計已超過74億t[1]，煤矸石已經成為中國累計存量和占用場地最多的工業廢棄物。雖有一部分煤矸石可被再利用為建材、燃料，但迄今為止其工業綜合利用率不足20%[2-4]，所以，煤矸石主要以矸石山形式堆放。中國現有煤矸山1 500多座，占地約1萬hm2[5]，煤矸石堆積不僅占用大量土地，而且可能引發一系列的生態環境問題[6，7]。所以，對煤矸山進行復墾治理是改善礦區生態環境，實施煤礦區生態重建的前提和核心[8]。目前，對煤矸山復墾治理一般采用推平覆土后進行植被綠化的方式進行[9]，該方法在取土較為便利的北方地區更為普遍。煤矸山推平覆土后形成與原有土壤結構和層次明顯不同、土壤性質變化很大的重構土壤，這種重構土壤在之后往往優先被復墾為農林草用地（如農田、果園和草場等）[10]。所以，重構土壤肥力恢復狀況是影響矸石山植被復墾成敗的關鍵。由于不同農業用途農田在施肥、耕作等農作措施方面差異很大，加之不同植物生長時對土壤的改造作用不同。所以，煤矸山復墾后土地用途不同會造成土壤養分恢復過程存在差異，而要查明這種差異就有必要研究不同農林草用地類型下煤矸山復墾土壤養分剖面變化狀況，這對矸石山復墾植被類型的選擇具有指導作用，并且對矸石山土壤培肥也有一定的指導價值。

山西省煤炭資源儲量大、產量高，全省煤礦企業矸石累計堆存量8.3億t，已形成300多座煤矸山[11]。并且隨著煤炭資源的開采，煤矸石堆積將會增加。近年來，山西省加大了矸石山復墾治理的力度，多個老礦、大礦的煤矸山通過覆土復墾的方法得到治理。所以，山西省堪稱復墾煤矸山土壤養分恢復狀況研究的樣區。同時，該區處于黃土區，土壤養分貧瘠、水蝕和風蝕作用強烈，勢必導致煤矸山復墾重構土壤肥力的恢復有別于其他區域。因此，以此為研究區開展復墾矸石山土壤養分恢復狀況的研究具有典型性。所以，本研究以山西省霍州曹村礦區復墾的煤矸山為研究對象，分析煤矸山復墾后不同農林利用類型土壤養分的差異，可以為煤矸山復墾植被類型選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省霍州市霍煤集團曹村礦區，該礦區距霍州市區約7 km。該區為溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫12.1 ℃，年均降雨量437.3 mm，區內山高嶺峻，溝壑縱橫，屬侵蝕型黃土丘陵地貌。土壤類型為褐土，主要作物為一年一熟的冬小麥和玉米，其次為雜糧和蔬菜。

研究樣地位于該礦南下莊矸石山（36°30′47.9″N，111°42′11.1″E）。該矸石山從1959年使用，復墾時矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6萬m2，垂直高度約50 cm。矸石山于2008年推平覆土綠化，覆土厚度頂部為100～120 cm，邊坡約50 cm，復墾時覆土土壤均取自煤矸山附近，其0～20 cm土層土壤有機質含量為3.63 g/kg，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.29、0.54、19.78 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為29.52、3.67、85.66 mg/kg。

1.2 土樣采集及分析

采樣地為煤矸山復墾6年果園（OP）和復墾6年草地（GL），同時選擇樣地附近常規果園（OP-CK）和草地（GL-CK）為對照，采樣地植被狀況和施肥措施見表1。土壤樣品采集時間為2014年9月25日，根據樣地形狀，采用S型或對角線布點采樣并混合，取土深度為100 cm，每20 cm取一土樣，分5層樣品。

土樣帶回實驗室陰干后磨細，測定指標主要包括土壤有機質（重鉻酸鉀氧化-外加熱法，GB 9834-87）、土壤全氮（半微量凱氏蒸餾法，GB 7173-87）、全磷（氫氧化鈉-鉬銻抗比色法，GB 7837-88）、全鉀（氫氧化鈉堿溶-火焰光度計法，GB 7854-87）、土壤堿解氮（堿解擴散法）、有效磷（碳酸氫鈉浸提法， GB 7853-87）和速效鉀（乙酸銨-火焰光度計法， GB 7856-87）。

2 結果與分析

2.1 兩種利用形式復墾重構土壤100 cm土層養分平均狀況

從復墾6年果園（OP）與果園對照（OP-CK）100 cm土層養分平均含量的差異來看（表2），土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量OP樣地比OP-CK樣地分別低13.1%、17.8%、6.5%和18.0%；而在速效態養分中，土壤有效磷表現為OP樣地比OP-CK高20.9%，土壤堿解氮OP樣地比OP-CK樣地低14.8%，土壤速效鉀含量兩種樣地間無明顯差異。在復墾6年草地（GL）中，100 cm土層土壤養分平均含量有機質和全量養分均明顯低于GL-CK樣地，其中全鉀最明顯，GL樣地比GL-CK低78.2%，其次為全磷、有機質和全氮，分別低40.6%、27.8%和8.1%；在速效態養分中，除速效鉀表現為GL樣地高于 GL-CK樣地外，堿解氮、有效磷均表現為GL樣地低于GL-CK樣地，分別低31.0%和26.4%。

同時，從復墾6年果園（OP）和復墾6年草地（GL）100 cm土層養分平均含量的差異來看，除土壤速效鉀表現為OP樣地低于GL樣地外，其余土壤養分含量均明顯偏高，其中全鉀差異達到304.5%，其次為有效磷、全磷和有機質，分別比GL樣地高66.3%、52.6%和26.9%；土壤堿解氮和全氮差異較小，分別比GL樣地高17.2%和8.8%。

可見，與常規果園養分狀況相比，煤矸山復墾6年果園土壤有機質和全量養分含量明顯偏低，而速效態養分中除土壤堿解氮與常規果園相比較低外，有效磷和速效鉀含量均高于或相當于常規果園；而復墾6年草地與常規草地相比，除土壤速效鉀含量較高外，其余養分含量均明顯低于常規草地。同時，從兩種復墾地土壤養分含量的差異來看，復墾6年果園土壤養分含量總體明顯優于復墾6年草地，其中養分改善程度較好的是土壤全鉀、有效磷、全磷及有機質，較差的為土壤堿解氮和全氮。

2.2 兩種利用形式復墾重構土壤100 cm土層剖面養分差異

2.2.1 土壤有機質和全量養分 表3是復墾6年果園（OP）和復墾6年草地（GL）表層（0～20 cm）、中層（20～60 cm）和深層（60～100 cm）土壤有機質和全量養分含量的差異。由表3可見，在土壤表層（0～20 cm），4種養分中差異最明顯的是土壤全鉀和有機質，OP比GL分別高730.7%和133.7%，其次為土壤全磷，OP比GL高46.3%，土壤全氮兩種樣地無明顯差異；在土壤中層（20～60 cm），4種養分除土壤全鉀表現為OP樣地比GL樣地高117.5%外，其余3種養分均無明顯差異；在土壤深層（60～100 cm），土壤有機質表現為OP比GL低65.6%，而土壤全鉀和全磷均表現為OP樣地高于GL樣地，分別高出671.3%和147.8%。由此可見，與復墾6年草地相比，復墾6年果園土壤有機質在表層明顯偏高，但土壤深層剛好相反；土壤全氮含量在土壤表層、中層和深層均無明顯差異，但土壤全鉀在土壤表層、中層和深層均表現為OP樣地高于GL樣地，土壤全磷的差異主要表現在表層和深層。

2.2.2 土壤速效養分 圖1是復墾6年果園（OP）和復墾6年草地（GL）100 cm土層土壤速效態養分的剖面差異。從圖1可見，土壤堿解氮在0～60 cm土層均表現為OP樣地高于GL樣地，其中0～20 cm土層差異最大；土壤有效磷在0～100 cm土層中均有差異，其中0～20 cm土層差異最大；但土壤速效鉀在0～100 cm土層的表現有所不同，在0～40 cm土層表現為OP樣地高于GL樣地，但40～100 cm土層則表現為GL樣地高于OP樣地。由此可見，復墾6年果園和復墾6年草地土壤速效態養分的剖面差異表現為土壤有效磷在整個100 cm土層均表現為OP高于GL，土壤堿解氮這種表現僅出現在0～60 cm土層，但土壤速效鉀在0～40 cm土層和40～100 cm土層表現剛好相反。

3 小結與討論

3.1 討論

研究發現，煤矸山復墾6年果園100 cm土層土壤養分除速效鉀外其余養分含量均高于復墾6年草地，這表明矸石山復墾為農業用途的果園，在人為施肥條件下主要土壤養分含量明顯優于復墾后處于撂荒狀態的雜草地，但是，作為作物生長關鍵養分的土壤堿解氮和全氮的改善幅度仍然很小。同時，與當地種植歷史超過10年的常規果園相比，復墾6年果園除有效磷和速效鉀有明顯改善外，土壤堿解氮、有機質以及全量養分含量均明顯偏低，所以，今后復墾矸石山土壤培肥仍要加大力度，特別是土壤氮肥水平的提高更為關鍵。

同時，值得注意的是，研究發現復墾6年果園土壤有機質含量在表層（0～20 cm）明顯高于復墾6年草地，但在深層卻明顯偏低，并且土壤速效鉀含量也出現了類似情況，由于土壤養分主要來自施肥和植物枯落物等的轉化，因此，沒有施肥條件和大量植物枯落物供應養分的復墾6年草地，其有機質和速效鉀在深層理應不會高于復墾6年果園，因此，出現該現象的原因可能是由于煤矸山復墾時破壞了原有土壤剖面層次，使表層養分含量較高的土壤填埋在深層所致。

3.2 結論

1）煤矸山復墾6年果園土壤養分含量明顯優于復墾6年草地，其中養分改善程度較好的是土壤全鉀、有效磷、全磷及有機質，較差的為土壤堿解氮和全氮。復墾6年果園土壤有機質和全量養分含量明顯較常規果園低，但速效養分中有效磷和速效鉀含量高于或相當于常規果園；復墾6年草地除土壤速效鉀高于常規草地外，其余土壤養分含量均明顯低于常規草地。

2）從兩種復墾煤矸山100 cm土層養分含量的剖面差異來看，復墾6年果園土壤全鉀和有效磷含量在土壤表層（0～20 cm）、中層（20～60 cm）和深層（60～100 cm）均高于復墾6年草地，而土壤有機質、堿解氮和全磷含量差異主要表現在表層和中層，但2種利用形式復墾地土壤全氮含量在整個剖面中均無明顯差異。

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