廬江礬礦區(qū)土壤理化特性研究

左丹丹，黃金文，岳 梅，2*，劉盛萍,2，鄧呈遜，2

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程（營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、水分平衡和凋落物分解等）的載體[1]。礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)的主要障礙是有著特殊和不良性質(zhì)的土壤因子。土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分狀況對植被生長起著至關(guān)重要的作用[2]。在國內(nèi)外，有關(guān)于礦區(qū)土壤理化性質(zhì)有較多報道，但是對于礬礦土壤理化性質(zhì)報道極少。礬山鎮(zhèn)礬礦是安徽省大中型閉坑礦山，位于廬江縣東南部，距縣城27 km。礦區(qū)處于廬樅盆地中部，礦石儲量達(dá)2億噸，礦石類型以黃鐵礦、石英、明礬石礦為主，明礬石主要為鉀明礬石[3-5]。采礦場占地尤其是露采礦山對土地資源破壞性較大[6]。礬山明礬石礦從唐代開始露天開采，采礦產(chǎn)生的表土及低品位礦石露天堆放，至今大約形成了30 000 m2裸露的廢棄地，部分不穩(wěn)定的邊坡在雨季易發(fā)生崩塌、滑坡及泥石流等災(zāi)害，對礬山集鎮(zhèn)居民的安全造成威脅。為此，本文對廬江縣礬礦區(qū)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行研究，深入了解其土壤特性，找出礦區(qū)復(fù)墾困難的關(guān)鍵因素，為后期生態(tài)修復(fù)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

以廬江礬山鎮(zhèn)礬礦廢棄地作為試驗(yàn)樣地，并選擇礦區(qū)附近未受采礦擾動的土壤作為對照。2017年2～4月，采用蛇形布點(diǎn)法采集16個土壤樣品，對照地采集4個土壤樣品，采樣深度為0～20 cm，共采集20個樣品，用四分法剔除多余土樣，礦區(qū)和對照地各保留1 kg混合土樣裝入無菌聚乙烯袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過風(fēng)干、磨碎過篩一系列處理后密封保存?zhèn)溆谩Ａ硗猓诿總€樣點(diǎn)用環(huán)刀取出原狀土壤，用密封袋封裝運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。

對所采集土樣的土壤質(zhì)地、含水量、田間持水量、容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷及速效鉀進(jìn)行測定。土壤質(zhì)地采用比重計(jì)法，含水量采用烘干稱重法，田間持水量采用威爾科克斯法，容重采用環(huán)刀法，pH采用電位法測定，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化稀釋熱法測定，全氮用半微量凱氏法測定，有效磷用碳酸鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀用四苯硼鈉比濁法測定[7]。每個土壤樣品理化指標(biāo)測定3次取平均值，采用Excel 2007和SPSS22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤質(zhì)地特點(diǎn)

國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[8]，土粒分為黏粒、粉粒和砂粒。這3種土粒含量的不同會對土壤理化性質(zhì)造成影響。對礦區(qū)和對照地的土壤不同粒級顆粒含量的變化進(jìn)行研究，結(jié)果如表2所示。由表2可知，對照地和礦區(qū)0～20 cm深度土壤主要由砂粒組成，礦區(qū)為砂質(zhì)壤土（SL），對照地為壤質(zhì)黏土（LC），與對照地相比較，礦區(qū)土壤的砂粒含量增加了56.42%，粉粒含量減少了2.40%，黏粒含量減少了75.60%，這主要是由于礬礦廢石土堆積改變了原有地表形態(tài)，破壞了地表結(jié)皮，影響地表植被生長，導(dǎo)致山體植被覆蓋度降低，地表風(fēng)蝕和水蝕過程加速，土壤粉粒和黏粒物質(zhì)移動和流失量變大，砂化明顯，土壤微環(huán)境惡劣。

表1 國際制土壤質(zhì)地分類

表2 土壤顆粒組成

2.2 土壤水文狀況

土壤水分不僅是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與流動的載體，還積極參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，直接影響廢棄地植被恢復(fù)進(jìn)程[9]。由表3可知，礦區(qū)16個土壤樣品含水量為12.09%，田間持水量為26.58%；對照土壤含水量為17.26%，田間持水量為28.01%。土壤含水量與土壤田間持水量之比為土壤的相對濕度,表示土壤墑的情況，即礦區(qū)表層0～20 cm土層的相對濕度為45.49%，對照土壤相對濕度為61.62%。參照表4可知，研究區(qū)土壤干旱等級為輕旱，對照土壤為適宜。礬礦廢棄地在日積月累的堆積過程中不斷受到風(fēng)蝕和水蝕作用，土壤黏粒逐漸減少，土壤毛管懸著力減小，減弱了裸露地表對水分的截流作用，且地表溫度高，土壤水分蒸發(fā)量大，含水量較低。

表3 土壤含水量、田間持水量及容重

表4 土壤重量含水率和干旱程度分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 土壤容重特點(diǎn)

土壤容重大小能綜合反映土壤結(jié)構(gòu)、松緊度、孔隙度和土內(nèi)生物活動，同時也會影響土壤團(tuán)聚體內(nèi)營養(yǎng)元素的釋放[10]。土壤耕作層容重一般在1.05～1.35 g·cm-3[11]，測得研究區(qū)土壤容重為1.39 g·cm-3，對照土壤為1.24 g·cm-3。由于廢棄地表層細(xì)粒物質(zhì)在風(fēng)蝕和水蝕作用下大量流失，地表大顆粒物質(zhì)相對增多，此外，礬礦開礦及閉坑時間久遠(yuǎn)，表層土壤在各種外力和土體自身重力作用下處于逐漸恢復(fù)過程，大孔隙數(shù)量逐漸減少，土壤容重逐漸增加。

2.4 土壤pH及養(yǎng)分狀況

土壤pH是土壤化學(xué)特性中表示土壤酸堿度的重要指標(biāo)[12]，pH大小直接關(guān)系著土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性[10]。由表5可知，研究區(qū)土壤pH為4.20，均低于對照土壤的pH（pH=5.62），呈強(qiáng)酸性。前期研究表明，廬江礬礦廢石中含有硫鐵礦，硫鐵礦暴露在空氣中經(jīng)過雨水的淋濾作用，加上鐵離子及鐵/硫氧化細(xì)菌的催化作用會迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，致使廢棄地土壤發(fā)生酸化，土壤養(yǎng)分的有效性降低，從而影響植被生長。

在土壤各要素中，土壤養(yǎng)分是維持植物生長的主要條件之一[13]。礬礦土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀分別為0.59%、0.037%、7.66 mg/kg，55.06 mg/kg，均低于對照土壤中的相應(yīng)值（2.04%、0.102%、32.76 mg/kg、105.83 mg/kg）。相對于對照地，礬礦區(qū)土壤酸化過程會導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)破壞，也會影響有機(jī)質(zhì)分解，抑制養(yǎng)分釋放和累積。巖土風(fēng)化時間短，植被覆蓋率低，缺乏生物作用，致使土壤粗粒化、貧瘠化。對比全國第二次土壤普查推薦的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(表6)可知，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均低于6級指標(biāo)0.6%和0.05%，對照土壤為3級指標(biāo)；礦區(qū)土壤有效磷、速效鉀均達(dá)到4級指標(biāo)，對照土壤有效磷、速效鉀分別為2級指標(biāo)和3級指標(biāo)。因此，礦區(qū)土壤的營養(yǎng)狀況較差，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮缺失嚴(yán)重,氮磷鉀比例失調(diào),養(yǎng)分極低，是制約植物進(jìn)入廢棄地的重要影響因子。在后期生態(tài)修復(fù)過程中，需要結(jié)合礬山鎮(zhèn)的氣候、地形，選擇生態(tài)幅度寬、耐貧瘠、固氮肥地的鄉(xiāng)土植物或引種適宜的速生植物，以期在較短的時間恢復(fù)植被。

表5 土壤pH及養(yǎng)分含量

表6 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

2.5 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

對以上所測的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表7所示。表7說明土壤理化性質(zhì)之間具有明顯的相關(guān)性。在0～20 cm表層土壤中，土壤含水量與容重存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；有機(jī)質(zhì)與pH、有效磷均存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與全氮存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.941，說明有機(jī)質(zhì)對礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量具有明顯的指示性作用；有效磷與全氮也存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表7 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

3 結(jié)論

綜上所述，對廬江礬礦土壤理化性質(zhì)研究結(jié)果表明：礬礦區(qū)土壤為砂質(zhì)壤土，與對照土壤相比較，礦區(qū)土壤的砂粒含量增加了56.42%，黏粒含量減少了75.60%，出現(xiàn)砂化現(xiàn)象；礦區(qū)土壤含水量為12.09%，田間持水量為26.58%，土層的相對濕度為45.49%，干旱等級為輕旱；對照土壤相對濕度為61.62%，干旱等級為適宜；礬礦區(qū)土壤土壤容重為1.39 g·cm-3，對照土壤為1.24 g·cm-3，即礬礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)較緊實(shí)，結(jié)構(gòu)性差，孔隙少；礦區(qū)土壤pH為4.20，低于對照土壤，呈強(qiáng)酸性；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均低于全國第二次土壤普查推薦的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)6級指標(biāo)，對照土壤為3級指標(biāo)，礦區(qū)土壤有效磷、速效鉀均達(dá)到4級指標(biāo)，對照土壤有效磷、速效鉀分別為2級指標(biāo)和3級指標(biāo)，礦區(qū)土壤的營養(yǎng)狀況較差；Pearson相關(guān)系數(shù)顯示，在礦區(qū)0～20 cm土層中，土壤含水量與容重存在極顯著的負(fù)相關(guān)；機(jī)質(zhì)與pH、有效磷、全氮存在顯著的相關(guān)；有效磷與全氮也存在顯著相關(guān)，即有機(jī)質(zhì)對土壤養(yǎng)分含量具有明顯的指示作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊寧,鄒冬生,楊滿元,等.衡陽紫色土丘陵坡地不同恢復(fù)階段植被特征與土壤性質(zhì)的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2013,24(1)：90-96.

[2]王麗艷,韓有志,張成梁,等.不同植被恢復(fù)模式下煤矸石山復(fù)墾土壤性質(zhì)及煤矸石風(fēng)化物的變化特征[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(21)：6429-6441.

[3]范裕,周濤發(fā),袁峰,等.廬樅盆地高硫化型淺成低溫?zé)嵋撼傻V系統(tǒng)：來自礬山明礬石礦床地質(zhì)特征和硫同位素地球化學(xué)的證據(jù)[J].巖石學(xué)報,2010,26(12)：3657-3666.

[4]宣之強(qiáng).中國明礬石資源及其應(yīng)用[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì),1998(4)：279-286.

[5]張壽穩(wěn).安徽廬樅地區(qū)高嶺土資源及其開發(fā)利用[J].地質(zhì)與勘探,2000(5)：49-51.

[6]王少龍.淺談安徽省大中型閉坑礦山環(huán)境地質(zhì)問題[J].低碳世界,2013(22)：121-122.

[7]全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心.土壤分析技術(shù)規(guī)范[M].2版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2006：11-33.

[8]李天杰,趙燁,張科利,等.土壤地理學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2004：8.

[9]彭東海,侯曉龍,何宗明,等.金尾礦廢棄地不同植被恢復(fù)模式對土壤理化性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報,2015,29(6)：137-142.

[10]張?zhí)炝x,田麗萍,潘存娥,等.不同配置農(nóng)田防護(hù)林土壤理化性質(zhì)的研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,47(12)：2410-2415.

[11]朱祥祖.土壤學(xué)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,1983：5-150.

[12]周瑞平.鄂爾多斯地區(qū)采煤塌陷對風(fēng)沙土壤性質(zhì)的影響[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[13]莫愛,周耀治,楊建軍,等.山地煤礦開采對土壤理化性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報,2015，29(1)：86-89.