平朔礦區開采受損及治理區土壤養分特征對比分析

王 穎, 馮仲科

(北京林業大學 精準林業北京市重點實驗室 北京 100083)

煤礦露天開采會導致土壤肥力下降[1]，進而會導致礦區植被生態環境受到嚴重破壞[2]，土壤肥力大小的重要標志是土壤養分[3]。為了恢復植被，改善土壤，提升肥力，大量學者對復墾區土壤養分狀況做了研究。

馬樺薇等[4]、楊玉敏等[5]等通過運用地統計學和GIS相結合的方法對復墾區土壤養分分布情況進行分析研究；黎煒[6]采用時空對比法對復墾土壤的理化性質和肥力質量進行研究和評價；仝婕[7]、張雅楠[8]通過設置對照組，研究礦區的土壤指標情況并且綜合評價礦區的土壤肥力狀況；張菁等[9]、李智蘭[10]、薛燕琴[11]等研究隨著土地復墾年限或土層深度的增加，復墾區土壤養分變化情況；王義等[12]根據《第二次全國土壤普查技術規程》中對應的指標，對神東礦區的土壤肥力狀況進行了分析和評價；葉凌楓[13]研究4種土壤修復措施對土壤養分的影響以及不同措施下土壤的肥力評價；裴忠雪[14]研究東北墾區物理指標與肥力因子的相關關系及其造林與否和造林樹種對土壤理化指標的影響；李俊穎[15]研究不同復墾方法下的土壤化學肥力情況和同一復墾方式不同年限下的土壤的肥力特點；為了加快復墾進程，栗麗等[16]通過肥料和與復合生物菌劑配施找到最適配施組合；喬志偉等[17]通過室內搖瓶培養找到磷細菌的最佳組合；郭漢清等[18]研究了菌肥和煤基復混肥的不同配施對土壤養分情況和植物生長情況的影響；賈俊香等[19]、李克中等[20]等通過盆栽試驗和盆缽生物試驗，研究生物炭和中小型土壤動物組成對復墾區土壤養分的影響；為對土壤肥力情況進行綜合評價，宋小園等[21]等采用改進的突變級數法對復墾區的土壤質量進行評價；趙韻美[22]設置附近荒草裸地為對照組，探究不同植被對土壤養分的改變情況且進行綜合評價。

大量研究主要是通過設置對照組或設置其他變量，著重研究復墾區的土壤養分變化情況、養分指標之間的關系、養分分布情況、土壤質量綜合評價，或者研究采用特定某種措施進行土地復墾，加快改善土壤養分狀況的方法。但很少有人比較開采未損區、開采受損區和受損治理區土壤養分指標情況，通過對比，清楚地認識露天開采對土壤的損壞程度和土地復墾對土壤肥力的改善情況。

本研究擬通過采集開采未損區、開采受損區、受損治理區3個區域的土壤樣本，利用室內室外相結合的方法測得土壤的養分含量，然后對各養分因子進行描述性統計，用Suffer繪制出平朔礦區pH值、全氮、速效磷、速效鉀以及有機質的等值線圖，進一步了解平朔礦區養分因子的分布規律，最后利用模糊數學的加乘法原理對礦區土壤肥力進行綜合評價，對比分析開采未損區、開采受損區，受損治理區整體肥力情況。以期通過分析平朔土壤養分的特點和空間分布情況，為林業精準管理和合理施肥提供依據，加快平朔礦區土壤復墾進程。

1 技術路線

為了更好地評價平朔礦區土壤養分狀況，本研究選取平朔礦區作為研究區域，在研究區域內按照開采未損區、開采受損區、受損治理區3個區域利用GPS進行定位采樣，選取土壤采集樣地并采集土壤樣本土樣，獲取待測樣地的大地經度L，大地緯度B，大地高程H以及土壤采集樣地的立木生長狀況。然后在室內對土樣養分因子進行測定并對測量數據進行統計分析，根據平朔礦區養分分析統計表中指標、采集樣本養分分析折線圖和利用Surfer生成的等值線圖，分別對開采受損區、受損治理區和開采未受損區土壤養分情況進行對比分析，最后用模糊數學的加乘法對平朔礦區養分情況進行綜合評價。具體技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線圖

2 材料與方法

2.1 研究區概況

平朔礦區地處山西省朔州市，擁有安太堡、東露天和安家嶺3座特大露天礦，礦區處在黃土高原丘陵區，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，年降雨量主要集中在7—9月。大規模的露天采礦，形成了大規模的人工挖損地貌和重塑地貌，造成嚴重的侵蝕。土壤為栗褐土，在緩坡丘陵區，存在明顯的碳酸鹽沉淀和弱粘化，在丘陵溝壑區，水土流失嚴重，土層過渡不明顯，土壤結構差，有機質含量低。

2.2 數據采集

針對平朔礦區的開采受損區、受損治理區、開采未損區3種不同的地類條件，分別設置30個監測樣地，利用GPS測量其經緯度B，L和海拔高度H，獲取三維坐標并記錄入庫，并且記錄立木生長情況，然后在每塊樣地內收集土壤樣品，土壤樣品的規格為0.5 kg，挖坑深度離地面的為0.6 m，對土樣進行編號，然后帶土樣回實驗室分析化驗土壤主要養分含量，鑒定土壤質量。

2.3 數據處理

將野外采集的土樣平鋪在干凈的牛皮紙上，放在干燥、陰涼和通風處進行風干，待樣品干燥后，進行研磨，去除里邊的雜物。然后用2 mm篩孔篩土樣，裝瓶標記用于測定速效養分和pH值，留出一部分土樣繼續研磨，用0.25 mm篩出樣品標記用于測定有機質和全氮成分。本試驗速效磷用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定；速效鉀用NH4 Ac 浸提火焰光度法測定；pH 值用pH酸度計電位法測定；全氮用半微量開氏蒸餾法測定；有機質用重鉻酸鉀容量法測定。將測定好的pH值、全氮、速效磷、速效鉀以及有機質進行數據分析，分別計算開采受損區、受損治理區、開采未損區土壤肥力因子的最小值、最大值、平均值和變異系數等參數，結果見表1。

表1 平朔礦區養分分析統計

3 結果與分析

3.1 數據分析

根據pH值、全氮、速效磷、速效鉀和有機質的室內測定結果，繪制平朔礦區開采受損區、受損治理區、開采未損區的土壤養分折線圖如圖2所示。

從平朔礦區養分分析統計表(表1)可知： ①平朔礦區土壤整體偏堿性，pH值離散度不大； ②在開采受損區和受損治理區全氮含量都只有0.03 g/kg，參考土壤養分含量分級與豐缺度標準(表2)，含氮量屬于6級，屬于急缺狀態，開采未受損區氮含量在0.02～0.25 g/kg之間，平均值為0.07 g/kg，土壤含氮量屬于6級，豐缺度為缺，說明土壤復墾還沒有改善土壤的全氮含量，平朔土壤整體缺氮，土壤供氮能力弱； ③在受損治理區和開采未受損區平均速效磷含量分別為2.71 mg/kg和2.67 mg/kg，然而開采受損區平均速效磷含量只有1.87 mg/kg，雖然3個地區速效磷含量與第二次全國土壤普查土壤豐缺度標準相比都為急缺狀態，但是復墾區相比開采受損區的速效磷含量增加44.9%，說明土壤微生物使難以利用的磷轉化成了有效磷或者磷肥改善了復墾區的磷含量； ④速效鉀含量復墾區比開采受損區平均值提高了68.45 mg/kg，復墾區速效鉀含量已經恢復甚至超過未受損區的速效鉀含量，受損治理區和開采未受損區速效鉀含量已經達到了中等水平； ⑤開采未受損區有機質土壤養分分級屬于3級，豐缺度為中等，開采受損區、受損治理區有機質含量屬于5級，豐缺度為缺，但是受損治理區比開采受損區含有機質量平均值提高了1.04 g/kg，說明土地復墾對土壤有機質含量有一定的改善作用。除了pH值變異系數小外，其他養分指標變異系數都很大，說明平朔礦區除了pH值含量較為均勻外，其他養分指標的含量波動性大。

土壤pH值開采受損區、受損治理區和開采未受損區的折線幾乎重疊，在8附近上下浮動，說明露天開采和土地復墾對平朔礦區土壤的酸堿性影響不大；相比開采受損區和受損治理區，全氮含量在開采未損區波動性最大，說明母質土層過渡不明顯；平朔地區速效磷含量離散性大，但受損治理區和開采未受損區速效磷含量波動尤其大，說明平朔礦區母質土層速效磷過渡不均勻，經土地復墾后，并沒有改善土層速效磷過渡不均勻的問題；速效鉀含量在開采受損區、受損治理區和開采未受損區波動性很大，速效鉀最大值大于200 mg/kg，最小值卻小于20 mg/kg；與全氮折線圖類似，有機質在未受損區折線波動很大，說明母質土壤土層過渡不明顯，但土地復墾均衡了有機質分布。

圖2 平朔礦區采集樣本養分分析結果

分別將pH值、全氮、速效磷、速效鉀和有機質的含量導入Suffer，結合實地坐標，繪制出整個平朔區相關肥力因子的等值線圖,從pH值、全氮、速效磷、速效鉀和有機質含量等值線圖可知，5個測量指標在等值線圖上都表現為北部值大于南部值，其中全氮、速效磷和有機質在等值線圖上出現兩個極大值點。從pH值等值線圖可知，平朔礦區pH值從東北向西南逐漸減小，但整體變化不大，東南方向等值線分布密集，說明東南方向土層pH值過渡不明顯；從全氮和有機質等值線圖上可以看出，兩個極大值處出現在開采未損區，然后含量圍繞坡峰逐漸遞減；從速效磷含量等值線圖上可以看出，極大值出現在未損區和治理區，然后速效磷含量向周圍依次遞減；從速效鉀含量等值線圖可以看出，速效鉀含量整體上西北方向大于東南方向，其中幾個極大值出現在未損區和治理區。

3.2 土壤肥力綜合評價

3.2.1 權重的確定 為了準確地評價各指標對土壤肥力影響的大小，需要對指標進行科學賦權。為了使賦權減少人工參與，從客觀賦權法中選取了主成分分析法進行指標賦權。平朔礦區開采受損區、受損治理區和開采未損區樣地分別用SSQ_01—SSQ_30，ZLQ_01—ZLQ_30和WSQ_01—WSQ_30進行編號，然后將90個樣地導入R中進行主成分分析，按累計貢獻率大于85%的原則，獲取權重，得到結果表3所示。

3.2.2 評價指標隸屬度 權重確定后需要將土壤肥力指標進行歸一化處理，來解決各評價指標量綱上的差異。根據土壤化學肥力指標對植物生長的效應，將土壤化學肥力指標與植物生長關系歸納為S型隸屬度函數〔公式(1)〕和拋物線隸屬度函數〔公式(2)〕。S型隸屬度函數表示當指標數值低于一定數值時，基本不促進植物生長，在一定范圍內含量越大對植物生長促進越大，當大于一定數值時，對于植物生長的促進趨于穩定，根據前人研究經驗，符合該規律的一般為全氮、速效磷、速效鉀、有機質。拋物線隸屬度函數表現為當指標含量小于或大于一定數值后，基本不促進植物生長，在一段區間內指標含量越大對植物促進作用越大，當指標含量超過某個值，指標含量對植物的促進作用趨于穩定，當指標含量達到另一個數值時，指標含量會對植物生長有抑制作用，符合該規律的指標因子為pH值。

(1)

式中：f(x)——關于指標因子的植物生長隸屬度函數；x——指標因子的實測值;a，b——兩個臨界值，根據大量的試驗和參考文獻上閾值a一般取0，下閾值b有機質取20.0 g/kg，全氮取1.2 g/kg，速效磷取10.0 mg/kg，速效鉀取100 mg/kg為最優值。下同。

表2 土壤養分含量分級與豐缺度標準

引自《第二次全國土壤普查技術規程》

表3 平朔礦區養分權重系數

(2)

式中：a1，b1，a2，b2——4個臨界值，根據大量的試驗和參考文獻pH值的a1值取4.5，b1取6.5，a2取8.0，b2取8.5為最優值。

將原始指標因子進帶入隸屬函數表達式，結果得到每個養分因子的隸屬度值見表4。

3.2.3 土壤養分綜合肥力評價 養分和化學指標影響的土壤肥力綜合評價采用模糊數學的加乘法原理，公式如下

(3)

式中：IFI——土壤養分綜合評價值；f(xi)——第i個因子的隸屬度值；wi——第i個因子的權重系數。

最后根據樣本各養分因子的隸屬度值和權重系數對土壤養分情況進行綜合評價，并將90塊樣地按綜合評價得分進行排序，土壤養分綜合評價詳細結果參見表5。

表4 平朔礦區各養分因子隸屬度值

根據土壤養分綜合評價結果可知，除了SSQ_30樣地土壤肥力綜合排名為16，其他受損區樣地土壤肥力綜合排名均靠后，主要集中在60以后；治理區除ZLQ_08，ZLQ_10和ZLQ_21少數樣地土壤肥力綜合排名靠后，ZLQ_05，ZLQ_16，ZLQ_18，ZLQ_30等樣地土壤肥力綜合排名已經追上或者超過大部分開采未損區的樣地，受損治理區仍有一部分樣地在土壤養分綜合評價中排名中等；開采未損區除少數樣地土壤肥力綜合排名靠后，大部分樣地土壤肥力綜合排名靠前。開采受損區的土壤養分情況相比開采未損區土壤肥力綜合排名明顯靠后，說明煤礦開采導致土壤惡化，開采受損區可能出現土壤養分流失等情況；受損治理區土壤肥力綜合排名相比開采受損區明顯靠前，說明受損治理區人工施肥或者種植植物等措施改善了受損治理區的土壤養分狀況，一些違反規律的個別樣地可能由于礦區開采受損區、受損治理區和開采未受損區的劃分邊界誤差或者環境的其他因素共同影響了礦區的養分含量。土壤養分綜合評價情況與外業記錄的樹木生長狀況大致吻合，土壤肥力綜合排名靠前，樹木生長相對旺盛，土壤肥力綜合排名靠后，樹木生長情況相對不好，該結論也說明了選擇的土壤肥力因子和綜合評價方法的合理性。

表5 平朔礦區土壤養分綜合評價結果

根據土壤養分綜合評價結果可知，雖然受損治理區土壤肥力綜合排名相比開采受損區有了很大的提升，但是受損治理區土壤肥力綜合評價排名與開采未損區的土壤養分綜合評價排名相比，還有一段距離。

4 討論與結論

(1) 平朔礦區除了速效鉀在受損治理區、開采未受損區和有機質在開采未受損區的豐缺度達到中等水平外，其他狀況下所研究的養分豐缺度都表現為急缺或缺狀態，說明平朔礦區整體缺少養分。受損治理區相比開采受損區的速效磷含量增加44.9%，受損治理區比開采受損區速效鉀含量平均值提高了68.45 mg/kg，平均有機質量提高了1.04 g/kg，說明土地復墾對速效磷、速效鉀和有機質的含量具有一定的改善作用，但是目前沒有改善全氮的含量，土壤供氮能力較弱。

(2) 平朔礦區除了pH值直線圖波動小，其他養分指標含量波動都較大，尤其表現在開采未損區波動大，說明平朔礦區母質土壤土層過渡不明顯，土地復墾后并沒有改善土層速效磷過渡不均勻的問題，但是土地復墾均衡了土壤有機質、速效鉀和全氮的養分分布。

(3) 平朔礦區整體上北部養分含量大于南部，其中全氮、速效磷和有機質極大值點主要出現在開采未損區或者受損治理區。

(4) 從土壤樣本養分綜合排名看出，除了個別樣本外，開采受損區的土壤養分排名比開采未損區排名靠后，受損治理區土壤養分排名相比開采受損區明顯靠前，說明露天開采可能導致土壤養分流失，受損治理區人工施肥或者種植植物等措施改善了受損治理區的土壤養分狀況，但是開采區治理區土壤養分排名主要集中在中等水平，所以需要根據分析結果繼續采取措施改善礦區的受損土壤，爭取土壤恢復或超過開采前的狀態。

綜合以上分析可知土地復墾可以改善因露天開采導致的土壤養分流失問題，但是本次治理區樹木都在5～10 a之間，如果想恢復甚至超過未損區的土壤養分情況，只靠自然植物修復可能需要更長時間。由于原土壤母質圖層或者露天開采等人為因素的影響，各個地區的土壤養分情況不盡一樣，為了加快土壤修復進程，可以通過野外均勻采樣，再通過數據統計分析和根據養分含量插值等值線圖等措施綜合分析，最后進行養分綜合評價分析，有目的地進行人工干預，用最少的投入，最大程度地改善土壤養分情況，為林業精準管理和合理施肥提供依據。