安太堡露天煤礦3種刺槐復墾模式土壤質量評價

王楊揚 趙中秋,2 原 野 郭安寧 曹雪潔 李雪珍

(1. 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京市海淀區，100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京市海淀區，100035)

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★ 節能與環保 ★

安太堡露天煤礦3種刺槐復墾模式土壤質量評價

王楊揚1趙中秋1,2原 野1郭安寧1曹雪潔1李雪珍1

(1. 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京市海淀區，100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京市海淀區，100035)

刺槐是我國黃土區露天礦土地復墾的先鋒物種，選擇山西省安太堡露天礦排土場為研究區，分析了復墾21 a的以3種刺槐為優勢物種的復墾模式(SⅤ刺槐純林、SⅣ刺槐+油松、SⅢ刺槐+榆樹+臭椿)土壤的7項理化性質指標，以OP原地貌及UR未復墾地作為對照，計算各樣地土壤的質量綜合指數。結果表明，經刺槐復墾后土壤養分含量及有機碳含量在各土層均高于原地貌及未復墾地；土壤質量綜合指數由高到低依次為：SⅣ>SⅢ>SⅤ>OP>UR。刺槐的合理種植可以有效改良排土場的土壤質量，且刺槐+油松復墾模式對土壤的改良效果最佳，該研究結果可為黃土區露天煤礦土地復墾及土壤重構提供一定依據。

露天礦 排土場 刺槐 土壤質量綜合指數

露天礦開采中土地的挖損、壓占和塌陷嚴重破壞了地表植被環境，造成土壤功能退化，因此選用合理的復墾模式進行排土場生態系統恢復與重建成為近年來關注的焦點，其中復墾土壤的重構是土地復墾中的一個重要研究內容。國外對礦區土壤質量研究起步較早且研究較為深入，早有國外專家提出以土壤生產力指數模型和模糊PI模型等方法多用于復墾土壤生產力評價。國內研究起步較晚，但成果豐富，已有專家研究了草原區和黃土區露天礦土壤質量演替規律，認為經過土地復墾，土壤質量逐漸接近原地貌水平；還有專家認為沙棘和刺槐等植物可以作為排土場的優良生態恢復植被物種；另有專家分析了黃土丘陵區不同植被恢復模式下土壤理化性質、酶活性和微生物數量的差異，并進行了土壤生態肥力評價；還有專家分析了影響復墾土地生產力的要素，提出了復墾熵流模型。上述研究多集中于土壤質量演替和土壤質量評價方面，對礦區不同復墾模式下的土壤質量的研究較少。

刺槐根系淺而發達且適應性強，是黃土區露天礦土地復墾中重要的先鋒物種。刺槐與其他植物合理配置種植能防止水土流失、改善土壤質量、促進各樹種生長；相反，配置不合理會造成植物間對養分、水分的競爭，減緩成林速度。鑒于此，本文以安太堡露天礦排土場復墾地為例，研究復墾21 a后不同刺槐種植模式下土壤質量的變化，旨在揭示不同刺槐復墾模式對土壤質量演替的影響，為黃土高原區露天礦區排土場土地復墾與生態重建提供理論依據。

1 研究區概況

安太堡露天煤礦位于山西省朔州市平魯區境內，其地理坐標為112° 10′ 58″～113° 30 E，39° 23′～ 39° 37′ N，煤炭地質儲備量約為127億t。該礦地屬黃土高原的丘陵緩坡地帶，水土流失嚴重，氣候四季分明，日溫差及年溫差均較大；礦區土壤干旱，土質偏砂型，保水能力差。本文以刺槐為優勢種的復墾模式選自安太堡露天煤礦南排土場，該排土場目前已經形成刺槐、榆樹、油松、沙棘等為主的林、草、灌多層次、多類型的植被結構，生態環境得到有效恢復。平朔礦區位置示意圖如圖1所示。

圖1 平朔礦區位置示意圖

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

根據刺槐復墾模式的不同，選取復墾21 a的刺槐純林、刺槐+油松、刺槐+榆樹+臭椿這3種復墾模式(純林與混交林主要根據樹種的優勢度和豐富度來界定)，并選原地貌及內排土場未復墾地作為對照。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況表

土樣于2014年8月采集，根據不同模式選取5個樣地，每個樣地取3個樣點作為重復，每個樣點去除表層腐殖質后，分別采取“四分法”用土鉆分層取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土壤，后將采集的土樣放在干燥通風的房間內進行風干并磨碎，去除土壤中的雜質，按要求研磨后用于理化性質檢測，檢測后數據按樣地類型取平均值進行分析，同時在每個樣點附近用100 cm3環刀采取原狀土用于土壤容重的計算。

2.2 測試指標與檢測方法

土壤質量分析選用土壤容重、有效磷、速效鉀、全氮、堿解氮、有機碳和pH 值這7個指標，各指標具體測定方法見表2。

表2 土壤理化性質測定方法

2.3 研究方法

本文采用土壤質量綜合指數(SQI)法對土壤質量進行評價，選取樣地表層0～20 cm土壤的理化性質作為土壤質量的評價指標，運用SPSS 22.0，對研究區刺槐的不同復墾模式下的土壤質量評價指標進行統計分析。通過相關系數法和隸屬函數，計算出各指標的權重和隸屬度，根據土壤質量指數公式可得到各采樣點的SQI。

2.3.1 確定各評價指標的權重

本研究采用相關系數法來確定權重，各評價指標權重見表3。

表3 各評價指標權重

2.3.2 確定各評價指標的隸屬度

根據研究區的實際情況，采用戒上型函數來確定土壤有效磷、速效鉀、全氮、堿解氮及有機碳的隸屬度，采用拋物線型隸屬函數來確定土壤容重的隸屬度。相應的隸屬度函數見式(1)和式(2)：

(1)

各指標的最小值和最大值作為函數的轉折點x2和x1。

(2)

b1、b2、a1、a2為評價指標的臨界值，結合研究區實際，確定土壤容重的臨界值為b1=0.8、b2=1.6、a1=1.1、a2=1.2。

土壤的pH值在一定范圍內最適宜作物生長，pH值的隸屬度取值詳見表4。

表4 pH值的隸屬度值

根據以上方法計算出不同刺槐復墾模式下各指標隸屬度見表5。

表5 各評價指標隸屬度

2.3.3 計算土壤質量指數

本次研究根據各評價指標的權重和隸屬度，運用指數和法計算各模式下SQI。SQI值越大，其對應地區的土壤質量越好，計算公式見式(3)：

(3)

式中：SQI——土壤質量綜合指數；

Wn——第n個評價指標的權重值，代表各評價指標的重要性；

Cn——第n個評價指標的隸屬度值，代表各評價指標的優劣性；

m——評價指標數。

2.3.4 數據分析

利用SPSS 22.0統計分析軟件單因素方差分析 (one-way ANOVY )方法研究區樣地土壤理化指標，進行差異顯著性檢驗，并利用最小顯著極差法(LSD)進行多重比較，確定不同刺槐復墾模式下排土場土壤指標的差異顯著性，后作圖進行對比分析。

3 結果與分析

3.1 不同刺槐復墾模式下土壤理化性質

3.1.1 土壤容重

土壤容重是衡量土壤緊實度的指標，土壤容重分析如圖2所示。

圖2 土壤容重分析

注：同一圖中不同字母表明同一土層不同樣地差異顯著(P<0.05),下同

由圖2可以看出，研究區各樣地在各土層土壤容重差異明顯，變化范圍在1.39～1.55 g/cm3。在0～20 cm土層，UR未復墾地(1.51)顯著高于其他樣地(P<0.05)；OP原地貌林地(1.39)顯著低于其他樣地(P<0.05)，SⅢ、SⅣ、SⅤ樣地經刺槐復墾21 a后，土壤容重較未復墾地有明顯降低，但不同刺槐模式下土壤的土壤容重無顯著差異。3種復墾樣地及原地貌土壤容重值隨土層的加深而增加，未復墾地土壤容重值無明顯規律。

3.1.2 土壤pH值

土壤pH值為6.5～7.5時，植物吸收土壤養分的效果最佳，土壤pH值分析如圖3所示。

圖3 土壤pH值分析

由圖3可以看出，各樣地在各土層的土壤pH值差異不大，變化范圍在7.66～8.48之間，均值為8.1。在0～20 cm土層，最大值出現在UR未復墾地，為8.25，最小值出現在SⅣ樣地，為7.82，SⅣ樣地、SⅢ樣地及OP原地貌表層土壤pH值顯著低于SⅤ樣地及UR未復墾地(P<0.05)。除SⅣ樣地，其他樣地土壤pH值均隨土層深度的增加而增加。

3.1.3 土壤養分

磷元素可促進植物的新陳代謝，提高其抗旱性，土壤養分分析如圖4所示。

由圖4(a)可以看出，經刺槐復墾后樣地土壤有效磷含量在各土層均高于原地貌，其中在0～20 cm的表土層，SⅢ樣地(22.8 mg/kg)與SⅣ樣地(20.1 mg/kg)土壤有效磷含量顯著高于其他樣地；而SⅤ樣地(7.69 mg/kg)、OP樣地(3.74 mg/kg)與UR樣地(5.91 mg/kg)土壤有效磷含量差異不顯著(P<0.05)。除UR樣地土壤有效磷含量隨土層深度增加而上升外，其他樣地土壤有效磷含量均隨土層深度增加而降低。

鉀元素可促進植株莖干健壯，增強植株抗寒能力。由圖4(b)可以看出，SⅣ樣地在各土層深度土壤速效鉀含量均顯著高于其他樣地(P<0.05)，其中在0～20 cm的表土層，土壤有效鉀含量順序為，SⅣ樣地(190 mg/kg)> SⅢ樣地(137 mg/kg)>OP樣地(88.3 mg/kg)> SⅤ樣地(66.7 mg/kg)>UR樣地(65.9 mg/kg)。除UR樣地土壤有效磷含量各層間差異不明顯外，其他樣地土壤有效磷含量均隨土層深度增加而降低。

全氮水平可以衡量土壤固氮的能力。由圖4(c)可以看出，經刺槐復墾后樣地土壤全氮含量在各土層均高于原地貌，SⅣ樣地在各土層深度土壤全氮含量均顯著高于其他樣地(P<0.05)，其中在0～20 cm的表土層，全氮含量排序為：SⅣ樣地(3.59 mg/kg)>SⅤ樣地(1.95 mg/kg)>SⅢ樣地(1.54 mg/kg)>OP樣地(1.08 mg/kg)>UR樣地(0.7 mg/kg)。除UR未復墾地土壤全氮含量隨土層深度增加而上升外，各樣地表土層土壤全氮含量均高于其他土層。

圖4 土壤養分分析

土壤堿解氮又稱土壤水解氮或有效氮，是評價土壤質量中常用的指標之一。由圖4(d)可以看出，SⅣ樣地各土層深度土壤堿解氮含量均顯著高于其他樣地(P<0.05)，其中在0～20 cm表土層，堿解氮質量分數變化范圍為19.9～159 mg/kg，差值較大；刺槐復墾樣地土堿解氮含量顯著高于其他樣地。除UR樣地，其他樣地0～20 cm表層土壤的堿解氮含量顯著高于20～40 cm及40～60 cm土層。未復墾地土壤堿解氮含量在不同土層均無明顯差異。

3.1.4 土壤有機碳質量分數

土壤有機碳在土壤貧瘠地區對植物生長和維持作物可持續生產力方面起著關鍵作用，土壤有機碳質量分數如圖5所示。

圖5 土壤有機碳質量分數

由圖5可以看出，各樣地在不同土層土壤有機碳含量差異較為顯著；經刺槐復墾后樣地土壤有機碳含量在各土層均高于原地貌；除UR未復墾地外，SⅣ樣地在各土層土壤有機碳含量均顯著高于其他樣地(P<0.05)。在0～20cm的表土層，SⅣ樣地有機碳含量最高，對有機碳的積累作用最為明顯；其次是SⅢ樣地、SⅤ樣地及OP樣地原地貌；UR未復墾地有機碳含量顯著低于其他樣地。除未復墾地外，各樣地土壤有機碳含量隨土層深度的加深而降低。

3.2 不同刺槐復墾模式下土壤質量綜合指數

土壤質量綜合指數如圖6所示，其中，SⅤ樣地為0.2939，最接近原地貌； SⅣ樣地土壤質量綜合指數最高，為0.9133；SⅢ樣地為0.5470，土壤質量綜合指數次高；未復墾地UR為0.1342，土壤質量綜合指數最低；原地貌OP為0.2518。土壤質量綜合指數排序為SⅣ樣地>SⅢ樣地>SⅤ樣地>OP原地貌>UR未復墾地。土壤質量綜合指數越大，說明土壤質量越好。

圖6 土壤質量綜合指數

參照土壤質量綜合指數(SQI)評價分級標準，將研究樣地土壤質量分成以下5級，級別越高，土壤質量越佳：SQI≤0.30為Ⅰ級；0.300.60為Ⅴ級，土壤綜合質量分級見表6。

總體來說，經刺槐復墾后的土壤綜合質量水平有了明顯的提升，原地貌土壤質量水平較低，究其原因可能是其地處礦區，長期受到開礦影響和環境污染影響，且未進行后天改良。刺槐+油松復墾模式下土壤質量等級較高，且與其他樣地差距明顯，該復墾模式在黃土高原地區露天礦排土場值得廣泛推廣。

表6 土壤綜合質量分級

4 討論

4.1 刺槐復墾對土壤理化性質的影響

排土場經21 a刺槐復墾，植被枯落物的分解和植物根系等作用使土壤養分狀況得到了明顯改善，土壤容重、pH隨著復墾年限增加而降低，而土壤有效磷、速效鉀、全氮、堿解氮、有機碳含量隨復墾年限增加而增加，這與很多研究結果相似。

安太堡露天煤礦地處黃土高原，土壤貧瘠，加上常年的煤礦開采及環境污染，礦區土壤養分整體水平較低，煤礦開采過程中礦區小氣候得以改變，刺槐和油松等大型喬木在排土場大量拓殖，植被產生的凋落物和根系腐解物在土壤中不斷積累和礦化，將有機物和無機營養元素釋放于土壤，使土壤的理化性質得到有效改善。土壤重構過程中大型機械壓實嚴重致使復墾地土壤容重較高，而原地貌土壤因其未經破壞及壓實，且經小葉楊改良，所以表層土壤更為疏松。復墾地林下廣布闊葉樹，枯枝落葉與草本植物的枯死體對土壤有培肥作用，微生物在分解枯枝落葉的時形成一系列螯合物和酸酚類絡合物，促進了土壤中含鉀礦物的分解，提高了土壤速效鉀含量，而刺槐根部的固氮根瘤，有利于提高土壤的氮素和增加有機質。

從土壤剖面結構來看，表層土壤養分遠高于深層土壤。復墾地土壤養分的淋溶、下滲是人工植被土壤養分獲取的來源之一。值得注意的是，未復墾地土壤各項指標呈現出隨著土壤深度增加而增加的趨勢，這是由于未復墾地土壤剖面在重構過程中將原地貌土層順序的倒置而未復墾地土壤又未經植被改良引起的。

4.2 不同刺槐復墾模式對土壤綜合質量的影響

3種刺槐復墾模式中，刺槐+油松模式可以有效降低土壤pH值，改善土壤養分含量，增加土壤有機碳含量，對排土場土壤改良效果最好，刺槐+榆樹+臭椿模式次之，刺槐純林模式相對而言改良效果不如混交林，其與原地貌小葉楊林地土壤質量相差不多，但略高于原地貌。這一結果與前人研究結果相似。不同的植被類型可以使土壤質量發生明顯改變。小葉楊在黃土高原地區又稱“小老樹”，其生長需要充足的水分，但由于黃土高原地區自然條件惡劣，外加采礦等人為因素干擾，致使其植株普遍生長矮小、病蟲害嚴重、生產力低下，植被與土壤的相互作用導致原地貌養分不足、生態環境脆弱。刺槐耐瘠薄、耐旱性優于小葉楊，其根瘤菌可以固氮，落葉可肥土，在貧瘠的土壤中可以快速適應環境，所以研究區刺槐純林復墾地土壤質量優于原地貌小葉楊林地。此外，刺槐混交林土壤質量優于純林，多是由于混交林可以發揮種間互補作用，充分利用空間、溫度、光照、水分、養分等生態因子，致使其生長量就枯枝落葉的培肥作用顯著提高。喬木林中，針闊混交林能使土壤疏松，提高土壤持水量和孔隙度，并且針葉樹的凋落物中含有大量單寧、樹脂和木質素等，這些物質分解后產生酸性物質，會導致土壤pH值下降。研究區所屬地域土壤呈堿性，土壤pH值下降直接影響到土壤中全氮、堿解氮以及有機碳的含量，可以進一步達到改良排土場土壤質量的效果。

5 結論

(1)通過對比復墾地與未復墾地土壤理化性質指標及土壤質量綜合指數可知，各刺槐復墾模式下土壤養分水平均高于未復墾地及排土場。因此，種植刺槐可以改善安太堡礦區排土場的土壤質量，促進植被生長及恢復，達到修復及保護研究區生態環境的效果。

(2)在3種刺槐復墾模式中，刺槐+油松混交林對于土壤質量的改善效果最好，其次是刺槐+榆樹+臭椿混交林。而刺槐純林的種植相較前兩種模式對礦區土壤質量的改善作用較小。因此，在后期對礦區土地復墾的研究中，可因地制宜的推行混交種植模式，選取相應的樹種，進行合理配置種植，提高土壤質量。

(3)除未復墾地外，土壤養分最高值均出現在各樣地的表層土，未復墾地土壤養分與土層深度無固定規律。

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(責任編輯 王雅琴)

Evaluation of soil quality under three robinia pseudoacacia reclamation modes in Antaibao Opencast Mine

Wang Yangyang1, Zhao Zhongqiu1,2, Yuan Ye1, Guo Anning1, Cao Xuejie1, Li Xuezhen1

(1.School of Land Science and Technology, China University of Geosciences,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Land and Resources,Haidian, Beijing 100035, China)

Robinia pseudoacacia is a pioneer species of land reclamation in opencast mines in loess area of our country. Taking the refuse dump of Antaibao Opencast Mine in Shanxi Province as research area, seven soil physicochemical properties of three reclamation modes (SⅤ:pure Robinia pseudoacacia forest, SⅣ:robinia pseudoacacia & pinus tabulaeformis, SⅢ:robinia pseudoacacia & elm & ailanthus altissima) in which robinia pseudoacacia were dominant were analyzed. Taking the OP (original physiognomy) and the UR(un-reclamation land)as contrast, the soil quality indexes of each sample plot were calculated. The results showed that after the robinia pseudoacacia reclamation, soil nutrient content and organic carbon content of each soil layer were higher than that of OP and UR; the soil quality index from high to low was listed in following order: SⅣ>SⅢ>SⅤ>OP>UR. Reasonable planting with robinia pseudoacacia could effectively improve the soil quality of the refuse dump, and the soil quality of reclamation mode with robinia pseudoacacia and pinus tabulaeformis was the best. The ressearch could provide some basis for land reclamation and soil remodeling in opencast mines of loess area.

opencast mine, refuse dump, robinia pseudoacacia, soil quality comprehensive index

國土資源部公益性行業科研專項——典型露天煤礦復墾生物多樣性恢復研究(201411017)

王楊揚，趙中秋，原野等. 安太堡露天煤礦3種刺槐復墾模式土壤質量評價[J].中國煤炭，2017，43(5)，130-136. Wang Yangyang，Zhao Zhongqiu，Yuan Ye，et al. Evaluation of soil quality under three robinia pseudoacacia reclamation modes in Antaibao Opencast Mine[J]. China Coal，2017，43(5)，130-136.

TD824

A

王楊揚(1993-)，女，山西太原人，碩士研究生，主要從事土地整治與生態恢復方面的研究。