煤礦廢棄地復墾耕地生態系統的可持續性評價

丁 翠，馬守臣，李明秋，*，孫 瑞，宋香平，段佩玲

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院/國土資源部野外科學觀測研究基地，河南 焦作 454000； 2.鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州450052)

煤礦廢棄地復墾耕地生態系統的可持續性評價

丁 翠1，馬守臣1，李明秋1，*，孫 瑞2，宋香平1，段佩玲2

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院/國土資源部野外科學觀測研究基地，河南 焦作 454000； 2.鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州450052)

為了評價煤礦區復墾后耕地系統的可持續性，在對趙固煤礦未沉陷區、穩定沉陷區以及不穩定沉陷區復墾耕地的土壤及作物指標進行測定的基礎上，基于三角形面積法，將測定的13項指標劃分并轉換為土壤理化性質指數、土壤微生物特性指數及作物指數，計算不同復墾耕地的可持續性指數(即三角形面積)。研究發現：未沉陷區復墾耕地的可持續性指數(1.80)大于可持續性指數臨界值(1.30)，可持續性較好；穩定沉陷區復墾耕地的可持續性指數(1.24)接近可持續性指數臨界值；不穩定沉陷區復墾耕地可持續性指數(0.88)低于可持續性指數臨界值，為不可持續狀態。綜上，煤礦區廢棄地復墾后耕地的沉陷狀態越穩定，可持續性越好，越有利于農業生產。

幾何方法；煤礦區；復墾；可持續性

耕地資源是保障糧食安全、維護經濟增長的基礎。隨著我國工業化、城市化進程的加快，耕地系統面臨越來越嚴峻的考驗，諸如耕地數量減少、質量下降、后備不足等，給國家糧食安全和城鄉發展一體化建設帶來嚴重威脅[1-2]。隨著采礦業的迅速發展，礦區周邊大量耕地受到嚴重破壞，加劇了人地矛盾。合理利用復墾后的礦區廢棄地，深入研究復墾后不同狀態下耕地的可持續性，對于實現礦區周邊生態系統的可持續利用，緩解人地矛盾，建設社會-經濟-環境復合型系統具有重要意義。

目前，礦區復墾研究主要集中在礦區土地的損毀程度[3-5]、礦區開采沉陷耕地定級評價[6-7]、礦區塌陷區復墾潛力評價[8-10]、土地復墾對土壤理化指標的影響[11-12]，以及礦區土地復墾后效益評價研究[13-15]等方面。王世東等[3]建立了基于改進G1法的礦區土地損毀程度模糊綜合評價模型，對富康源煤礦土地損毀程度進行評價；李樹志等[6]通過土壤生產力損壞程度對開采沉陷后耕地進行分類；劉文生等[8]以南票礦區為例，運用模糊綜合評價法對塌陷土地復墾潛力進行評價；樊文華等[11]對不同復墾年限及復墾植被模式下土壤微生物的數量及變化進行了研究，證明隨著復墾年限的增加，土壤微生物呈現遞增趨勢；岳輝等[13]利用主成分分析法對采煤沉陷區微生物復墾的生態效應進行評價。通過梳理相關文獻可以發現，現有的研究主要集中在定級評價、復墾變化及復墾效益等方面，而對復墾耕地生態系統的可持續性問題關注較少。本文基于三角形面積法，綜合考慮研究區的土壤理化特性，嘗試將研究區的作物和土壤指標相結合，將所測定的13項指標轉化為土壤理化性質指數、土壤微生物學特性指數、作物指數，并在此基礎上計算礦區廢棄地復墾后耕地的可持續性指數，旨在為礦區土地綜合利用和生態治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以河南省輝縣市趙固煤礦沉陷區為研究區。研究區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14 ℃，年平均降水量603～713 mm，年均蒸發量2 039 mm，年均無霜期214 d，土壤以沙壤土為主。

近年來，長期大規模的煤炭開采嚴重破壞了當地的耕地資源，已造成塌陷區面積約40 hm2，其中穩定塌陷區約30 hm2，動態塌陷區約10 hm2。在礦區內，由于村莊密集，大量村莊出現了地表沉降、塌陷裂縫、塌陷坑及房屋倒塌等問題，村民被迫搬遷，村莊被廢棄。為了改善礦區生態狀況，緩解人地矛盾，當地政府于2013年對沉陷區村莊廢棄地進行復墾治理，復墾區覆土厚度50～60 cm。

1.2 樣品采集與處理

本研究于2014年10月—2015年6月在趙固煤礦沉陷區內村莊廢棄地復墾區進行，分別選取未沉陷區、穩定沉陷區、不穩定沉陷區的復墾耕地進行研究。3個樣區的耕地面積均為0.5 hm2，播種、耕作、施肥，以及田間管理均相同。試驗作物為冬小麥，品種為百農矮抗58。播前深耕，并基施氮磷鉀復合肥(N-P-K，15%-15%-15%)750 kg·hm-2，小麥種植密度均為180萬株·hm-2，常規管理。分別在小麥不同的生長時期，采用五點取樣法采集植物和土壤樣品。在每個樣點用直徑6 cm的土鉆分別采集距地面0～20、20～40 cm土層的土樣。將采集的土壤樣分為3部分：一部分放入鋁盒中，用于測量土壤含水量；一部分樣品放入冰盒中，存于-20 ℃冰箱中，用于酶活性指標的分析；另一部分放在塑封袋內，經風干處理后用于土壤理化性質測定。同時，在每個樣點采集相應的小麥樣品，帶回實驗室測定其生理指標及產量特性。每個樣點設置3次重復。

1.3 測定方法

土壤理化性質按常規方法測定[16]：土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；土壤全氮采用凱氏法測定；土壤容重采用環刀法測定。

土壤微生物脲酶和蔗糖酶活性均采用比色法測定，其中，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法[17]。土壤呼吸速率用EGM-4便攜式土壤呼吸儀(美國PP Systems公司)測定。小麥葉片凈光合速率用LI-6400便攜式光合測定系統(美國LI-COR公司)于上午9：00—11：00測定。

于小麥成熟期在每個樣點隨機取1 m雙行進行測產，3次重復。同時每個樣點隨機取30株植株，室內考種，調查小麥的株高、單莖重、穗粒數和千粒重。

1.4 可持續性指數計算

作物產量及其地上部分的基本特征是土壤肥力的外在表現形式，在一定程度上能夠準確反映土壤的生產力狀況，而土壤微生物和土壤理化性質是土壤肥力的內在表現形式，可作為土壤肥力評價結果的間接驗證依據。因此，本研究選擇土壤理化性質、土壤微生物特征及作物產量特征作為土壤肥力的評價指標。

選取土壤全氮、有機碳、蔗糖酶、脲酶及作物穗數、千粒重等13項評價因子，將其劃分為3項理化性質指標、3項微生物學特性指標和7項作物指標，通過建立最小數據集來評價礦區沉陷復墾后不同狀況下耕地系統的可持續性。土壤理化性質指數(IPij)、土壤微生物特性指數(IMij)、作物指數(ICij)及可持續性指數(Iij)的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)中，Iij為第i個處理第j個參數的可持續性指數，Aij為第i個處理第j個參數的實測值，Tij為第i個處理第j個參數的臨界值。指標臨界值的確定：作物產量以各個處理算術平均值的1.2倍為準，其他指標均采用不同沉陷狀態下處理數值的算術平均值[18-19]。式(2)～(4)中，j分別指代相應指數的指標數量。

設a、b、c是從點O出發的3條不同長度的線段，分別代表土壤理化性質指數、土壤微生物特性指數、作物指數，連接3條線段的另一端組成三角形，三角形面積即為可持續性指數。當a、b、c均為1時，系統可持續性指數為1.3。由此可知，對于一個可持續性系統，其可持續性指數應該大于等于1.3，否則視本系統為不可持續。可持續性指數越大，表示系統的可持續性越強[20]。

1.5 數據統計

試驗數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0等軟件進行數據整理與統計分析，對有顯著(P<0.05)差異的處理采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 復墾后沉陷狀況對土壤理化性質的影響

礦區廢棄地復墾后不同沉陷狀況下耕地的土壤理化性質有所差異(表1)。在同一土層，從未沉陷區、穩定沉陷區到不穩定沉陷區，土壤理化性質各指標均呈現遞減趨勢。在0～20 cm土層，與未沉陷區指標相比：穩定沉陷區、不穩定沉陷區土壤全氮含量分別減少了33.97%和42.95%，土壤有機碳含量分別減少了19.55%和24.85%，土壤容重分別減少了6.38%和8.51%。20～40 cm土層的情況與0～20 cm土層趨同。

2.2 復墾后沉陷狀況對土壤微生物的影響

土壤酶中的脲酶和蔗糖酶活性可反映土壤中氮和碳的轉化和呼吸強度[21]。如表2所示，在同一生長期，由未沉陷區、穩定沉陷區到不穩定沉陷區，土壤微生物學指標值均呈現遞減趨勢。復墾后未沉陷區的微生物學指數大于臨界值。在小麥拔節期，未沉陷區的土壤呼吸速率分別是穩定沉陷區、不穩定沉陷區的1.17倍和1.37倍，相比未沉陷區，穩定沉陷區、不穩定沉陷區蔗糖酶活性分別降低11.25%和32.14%，脲酶活性分別減少了18.44%和31.70%。花期的情況與拔節期相似。

表1土壤理化性質及臨界值

Table1Soil physicochemical properties and according thresholds

處理Treatment全氮Totalnitrogen/(g·kg-1)0～20cm20～40cm有機碳Organiccarbon/(g·kg-1)0～20cm20～40cm容重Bulkdensity/(g·cm-3)0～20cm20～40cmSFA156±007a113±001a1831±185a1495±403a141±009a149±005aSSA103±002b094±001b1473±189b1074±221b132±003b133±003bUSA089±001b074±001c1376±297c1073±304b129±002b132±003b臨界值Threshold11609415601214134138

SFA，未沉陷區；SSA，穩定沉陷區；USA，不穩定沉陷區。同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

SFA， Subsidence-free area; SSA， Stable subsidence area; USA， Unstable subsidence area. Data followed by no same letters within the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

2.3 復墾后沉陷狀況對作物產量特征的影響

由表3可知，未沉陷區的穗數、穗粒數、千粒重、產量、株高及單莖重均高于沉陷區，且差異顯著(P<0.05)。其中，復墾后耕地的沉陷狀況對產量的影響最大：未沉陷區的產量是穩定沉陷區的1.51倍，是不穩定沉陷區的3.62倍。未沉陷區作物成熟期的平均株高為76.52 cm，而穩定沉陷區的作物平均株高為68.87 cm，不穩定沉陷區的作物平均株高為64.07 cm。從作物的光合速率來看，未沉陷區>臨界值>穩定沉陷區>不穩定沉陷區。綜合來看，礦區廢棄地經復墾后形成的耕地生態系統，作物各指標在未沉陷區、穩定沉陷區到不穩定沉陷區呈現遞減的趨勢。

2.4 可持續性指數

不同復墾區土壤理化性質指數、土壤微生物特性指數、作物指數及可持續性指數見表4。未沉陷區的各指數值均大于對應的穩定沉陷區、不穩定沉陷區，且3類沉陷區的土壤理化性質指數、土壤微生物特性指數和作物指數之間均呈顯著(P<0.05)差異。未沉陷區的土壤理化性質指數、土壤微生物特性指數、作物指數及可持續性指數均高于對應的臨界值，穩定沉陷區的各項指數均接近臨界值，而不穩定沉陷區的各項指數均低于臨界值。

從變異系數來看，作物指數(17.93%)大于土壤理化性質指數(13.32%)和土壤微生物特性指數(13.06%)，但均低于可持續性指數(28.97%)。可見用可持續性指數能夠更好地反映煤礦區廢棄地復墾后不同耕地狀況的差異性。

表2土壤微生物特性及臨界值

Table2Soil microbiological properties and according thresholds

處理Treatment土壤呼吸速率Soilrespiration/(μmol·m-2·s-1)拔節期Jointing花期Floweringperiod蔗糖酶Sucrase/(mg·g-1·24h-1)拔節期Jointing花期Floweringperiod脲酶Urease/(mg·g-1·24h-1)拔節期Jointing花期FloweringperiodSFA056±003a070±002a560±016a633±012a347±024a353±025aSSA048±002b060±002b497±012b513±017b283±020b333±025bUSA041±002c053±001b380±016c447±012c237±021c290±014c臨界值Threshold048062479531289326

表3作物產量特征及臨界值

Table3Crop yield characteristics and according thresholds

處理Treatment穗數Spikenumber穗粒數Kernelnumber千粒重1000?grainweight/g產量Yield/(g·m-2)株高Plantheight/cm單莖重/gStalkweight/g光合速率Photosyntheticrate/(μmol·m-2·s-1)SFA48867±492a3750±083a3697±017a67741±1650a7652±067a186±008a2070±049aSSA36067±419b3407±056b3640±065a44731±1459b6887±244b137±013b1877±039bUSA24133±822c2273±042c3417±192b18731±1029c6407±126c124±002b1703±059c臨界值36356314335845248169821491884Threshold

表4各沉陷區的土壤理化性質指數、土壤微生物特性指數、作物指數及可持續性指數

Table4Soil physiochemical index， soil microbial index， crop index and sustainability index of different areas

處理TreatmentSPISUICISISFA118±009a116±004a119±010a180SSA094±004b100±002b099±006b124USA087±007c084±003c076±018c088臨界值Threshold10101013CV/%1332130617932897

CV，變異系數。SPI，土壤理化性質指數；SMI，土壤微生物特性指數；CI，作物指數；SI，可持續性指數。

CV， Coefficient of variation. SPI， Soil physiochemical index; SMI， Soil microbial index; CI， Crop index; SI， Sustainability index.

3 討論

耕地可持續利用問題是全球關注研究的課題。近年來，學者們開展了大量關于耕地生態系統可持續性評價的研究。劉宗強[22]將層次分析法和模糊評價法相結合，對哈爾濱市耕地的可持續利用狀況進行評價；陳睿山等[23]采用文獻綜述法、歸納總結法等從土地系統功能的角度探討了土地的可持續性。郝翠等[24]對國內外耕地可持續評價方法進行對比，發現多指標綜合指數法更適合小范圍耕地的可持續性評價。但這些研究都缺少定量評價。此外，當前大多相關研究都是圍繞土壤特性的單一類型指標進行研究，缺少對整個耕地系統的綜合分析。雖然作物生理和產量指標不是土壤屬性，但卻是土壤實際生產力的外在表現，能夠確切反映土壤生產力水平，可作為土壤可持續性評價結果的直接依據[18]。基于此，本研究嘗試將土壤、作物指標結合起來，將所測指標劃分為土壤理化性質、土壤微生物特性和作物指標3類，借助三角形面積法建立作物系統的可持續性指數。該方法相對于土壤單因素評價法，能夠更加準確、更加全面地評價研究區耕地系統的可持續性。

本研究結果表明，礦區廢棄地復墾后不同沉陷狀態下耕地的可持續性存在差異，未沉陷區廢棄地復墾后耕地的可持續性要優于穩定沉陷區和不穩定沉陷區，不穩定沉陷區復墾后耕地的可持續性最差。分析結果與實際相符。礦區煤炭開采造成地表沉陷，使土地結構的完整性受到破壞。同時，土地結構的動態變化也擾亂了原來相對穩定的土壤結構，造成土壤養分流失、微生物群落破壞、土壤質量下降，最終影響作物生產。因此，在進行土地復墾時，不宜在不穩定沉陷區進行，而宜選擇穩定沉陷區或不沉陷區。本研究只是對煤礦廢棄地復墾可持續性評價的初步探索，在今后的工作中，還應綜合考慮研究區環境狀況及人為干擾等情況的影響，加強對不同復墾區耕地的持續監測，以期能更準確地反映不同復墾區耕地的可持續性，構建更加全面、更加精準的評價體系，為礦區土地復墾提供參考。

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Sustainabilityevaluationofreclaimedcultivatedlandecosystemincoalminewasteland

DING Cui1， MA Shouchen1， LI Mingqiu1，*， SUN Rui2， SONG Xiangping1， DUAN Peiling2

(1.SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering，HenanPolytechnicUniversity/FieldScientificObservationandResearchBase，MinistryofLandandResources，Jiaozuo454000，China；2.ZhengzhouRailwayVocational&TechnicalCollege，Zhengzhou450052，China)

To evaluate the sustainability of reclaimed cultivated land， the soil and crop indexes were determined by sampling in subsidence-free area， stable subsidence area and unstable subsidence area in Zhaogu mine area. The 13 indexes measured were divided into soil physicochemical index， soil microbial index and crop index. Then， the sustainability index was calculated based on the triangle area method. It was shown that the sustainability index of reclaimed land in subsidence-free area (1.80) was higher than the threshold of sustainability index (1.30). The sustainability index in the stable subsidence area (1.24) was close to the threshold of sustainability index， yet the sustainability index in the unstable subsidence area (0.88) was lower than the threshold of sustainability index. In summary， the more stable the subsidence state is， the more sustainable the reclaimed is for agricultural production.

geometric method; coal mining area; reclamation; sustainability

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2097-2103

http://www.zjnyxb.cn

丁翠，馬守臣，李明秋，等. 煤礦廢棄地復墾耕地生態系統的可持續性評價[J]. 浙江農業學報，2017，29(12)： 2097-2103.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.19

2017-05-10

河南省科技攻關項目(162102110169)；河南省高校科技創新團隊支持計劃(18IRTSTHN008)；河南理工大學創新型科研團隊(B2017-16)

丁翠(1991—)，女，河南信陽人，碩士研究生，主要從事土地生態與規劃方面的研究。E-mail: yxwldmq@163.com

*通信作者，李明秋，E-mail: mingqiuli@sohu.com

S156; S158

A

1004-1524(2017)12-2097-07

(責任編輯高 峻)