露天煤礦排土場復墾區不同植被類型土壤質量評價

李葉鑫 ，呂剛*，王道涵，謝偉，李朝輝，杜昕鵬，董亮，刁立夫

1. 遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3. 神東天隆集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；4. 撫順礦業集團有限責任公司，遼寧 撫順 113006；5. 內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000

排土場是露天開采過程中形成的結構松散、植被覆蓋度低、養分含量低、平臺和邊坡相間松散堆積體，由煤矸石、巖石、土壤共同組成，是一種工程擾動土（魏忠義等，2003）。與原地貌相比，排土場土壤結構差、物質組成復雜、大孔隙發達，其土壤理化性質、水文過程、生態環境與原地貌之間存在很大的差異（張莉等，2016）。植被恢復是治理和恢復排土場土壤水文生態功能的有效措施，能夠提高或改善生態環境，通過提高植被覆蓋度和植物多樣性以及增強植物根系的蓄水保土作用，可顯著提高排土場生態系統的多樣性和穩定性，減少水土流失，提高土壤水源涵養功能和土地生產力（Houerou，2000；呂春娟等，2010）。

土壤質量狀況是土壤肥力、環境質量和健康質量的綜合量度（楊小林等，2019），是土壤特性的綜合反映，能體現自然因素及人類活動對土壤的影響（張慶利等，2004），已成為國內外學者關注的焦點（王華等，2009；De et al.，2016；汪明沖等，2016；Laird et al.，2017；任啟文等，2018）。馬從安等（2008）以勝利露天煤礦南排土場土壤為研究對象，分析排土場土壤質地和土壤肥力狀況，揭示排土場土壤肥力貧瘠的主要原因。陜永杰等（2008）應用土壤物理指標、化學指標、生物指標和侵蝕指標4個一級指標和17個二級指標組成的指標體系，評價了平朔露天煤礦區不同土地利用方式土壤質量。石平等（2009）應用模糊數學方法建立模糊綜合評價模型，對紅透山銅礦區內排土場、尾礦庫以及周邊地區的土壤質量進行了評價。李鵬飛等（2015）以內蒙古準格爾旗黑岱溝露天煤礦北排土場為研究對象，研究9種植被恢復模式對排土場土壤理化性質的影響，并對其土壤質量進行評價。王楊揚等（2017）以山西安太堡露天礦排土場為研究對象，分析并評價了不同刺槐（Robinia pseudoacacia）模式條件下土壤質量，認為合理種植刺槐可以有效改良排土場的土壤質量。楚純潔等（2018）以平頂山礦區丘陵坡地土壤為研究對象，分析不同海拔高度土壤理化性質及重金屬含量，評價不同區域土壤質量。然而，以往研究多從礦區不同復墾年限、不同區域、單一復墾樹種等方面評價礦區土壤質量，或是從土壤理化性質單一方面評價礦區土壤質量，而從土壤物理性質、入滲特征、養分特征、根系特征等多角度評價排土場不同植被類型土壤質量的研究較少。

阜新海州露天煤礦排土場位于遼寧省阜新市，屬干旱半干旱區，生態環境惡劣，該區域降雨量少，土壤水分條件差，植被恢復困難，研究該區域排土場不同植被類型下土壤理化性質及對其進行土壤質量評價十分重要。因此，本文以海州露天煤礦排土場復墾區典型植被為研究對象，分析不同植被類型的土壤物理性質、入滲特征、養分特征、根系特征的差異性，評價不同植被類型土壤質量，篩選最佳植被類型，以期為排土場土地復墾和生態恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

遼寧省阜新市海州露天煤礦排土場位于露天礦坑西南部，總面積約為13 km2，年均降水量511.4 mm，且多集中于7月、8月，年蒸發量1790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3476 ℃，無霜期154 d。排土場區呈階梯狀，平均坡度45°，相對高差為3－60 m。2004年，由國土資源部投資對該排土場開展土地復墾工作，復墾土地規模為 998.17 hm2。在復墾前期，平整并壓實排土場，然后再進行客土回填工程，覆土厚度為30 cm（如今覆土層厚度經不均勻沉降存在不同程度的減小），以此建立有利于植物生長的表層和生根層，為后期生物復墾奠定基礎。2005年，阜新礦務局與遼寧工程技術大學合作開展植被恢復工程，人工種植刺槐、榆樹（Ulmus pumila）、油松（Pinus tabulaeformis）、刺槐和榆樹混交、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、火炬樹（Rhus typhina）、檸條（Caragana Korshinskii）、農地（玉米）等。2017年8月，選取排土場復墾區的刺槐林地、榆樹林地、紫穗槐林地、火炬樹林地為研究對象，在每種植被類型下布設1個20 m×20 m的標準地，在每個標準地內選取3個樣方，樣方之間呈“品”字形分布；用環刀采集0－20 cm土層土壤樣品，用于測定土壤物理性質；采集1 kg土壤散樣，帶回實驗室去除石塊、植物根系等雜質，風干后過篩測定土壤養分特征；采用內徑10 cm、長10 cm根鉆采集植物根系，將其放入布袋內帶回實驗室，用清水洗凈根系，備用。各樣地基本情況見表1。

1.2 樣品的測定方法

采用烘干法測定土壤含水率，采用環刀法測定土壤容重和孔隙度，采用水洗法測定礫石（＞2 mm）含量，采用定水頭法測定土壤入滲過程及入滲特征指標。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質，采用半微量凱氏蒸餾法測定土壤全氮，采用 NaHCO3-鉬銻抗比色法測定有效磷，采用NH4OAc-火焰光度法測定速效鉀（中華人民共和國林業行業標準，1999；張洪江，2013）。采用沈陽農業大學農學院WinRHIZO根系分析系統測量根系指標（王灃等，2018），計算根長密度和根表面積密度，最后測定根系生物量（恒溫 75 ℃條件下烘干至恒重）并計算根重密度。

表1 排土場復墾區各樣地基本情況Table 1 Basic situation of various plots in the reclamation area of dump

1.3 數據分析方法

采用層次分析法評價排土場不同植被類型的土壤質量，步驟為：首先篩選評價指標，采用相關系數法確定各個指標之間的相關性及各指標權重（張雯雯等，2008），計算單項評價指標之間的相關系數，然后求某評價指標之間相關系數的平均值，并以該平均值占所有評價指標相關系數平均值總和的比作為該單項評價指標的權重Wi；再對各個指標進行無量綱化，將無量鋼化系數Ni與權重Wi相乘，求和后計算土壤質量綜合指數CI，并對綜合指數進行排序確定綜合排序。無量綱化系數Ni和土壤質量綜合指數CI計算公式如下：

式中，Ni為指標i無量綱化系數；Qij為4種復墾植被類型中第j個植被類型指標i的數值；Qimax為4種復墾植被類型中指標i的最大值；Qimin為4種復墾植被類型中指標i的最小值；j為植被類型，j=1， 2， 3， 4；CI為土壤質量綜合指數；權重Wi為各指標權重；n為指標個數，n=13。

不同植被類型各指標的差異性采用 SPSS 17.0單因素方差分析（one-way ANOVA）；指標之間的相關性、權重和土壤質量綜合指數采用 Microsoft Excel 2003計算。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質

表2所示為排土場不同植被類型下的土壤物理性質。由表2可知，排土場各樣地土壤容重在1.19－1.28 g·cm-3之間，榆樹和紫穗槐顯著大于刺槐和火炬樹（P＜0.05），說明植被恢復會影響土壤容重，造成不同樣地之間的差異性，且刺槐和火炬樹對土壤的改善效果優于榆樹和紫穗槐。排土場各樣地毛管孔隙度表現為紫穗槐（40.29%）＞刺槐（39.45%）＞火炬樹（38.67%）＞榆樹（36.56%），各樣地之間無明顯差異（P＞0.05），紫穗槐毛管孔隙度最大，說明該樣地土壤蓄水保水能力最強，可為植被恢復提供所需水分。排土場礫石含量較高，均在 40%以上，這說明盡管排土場經過了13年的風化和植被恢復，其土體內部仍然存在較多的礫石。各樣地土壤含水率為9.85%－11.73%，紫穗槐顯著大于刺槐、榆樹和火炬樹（P＜0.05），刺槐和榆樹無顯著差異（P＞0.05）。

2.2 土壤入滲特征

土壤入滲能力決定地表徑流量，影響排土場土壤侵蝕過程及侵蝕程度。由表3可知，排土場不同樣地初始入滲率大小表現為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，刺槐顯著大于其他3個樣地（P＜0.05）；穩定入滲率反映排土場下墊面入滲能力，可用來表示排土場土壤入滲能力，刺槐穩定入滲率最大，為3.06 mm·min-1，紫穗槐最小，為0.85 mm·min-1，刺槐、榆樹、火炬樹穩定入滲率分別為紫穗槐的3.6、1.21、1.15倍，刺槐林地入滲能力較強，這是由于該樣地的土壤容重較小，礫石含量較高，土壤結構松散且存在大量的土壤大孔隙（呂剛等，2018），這在一定程度上加強了土壤水分入滲能力與入滲量。刺槐、榆樹、紫穗槐、火炬樹平均入滲率依次為3.84、1.53、1.02、1.11 mm·min-1，這與穩定入滲率的變化規律相一致。

表2 排土場土壤物理性質Table 2 Soil physical properties in the dump

表3 排土場入滲特征Table 3 Infiltration characteristics in the dump mm·min-1

2.3 土壤養分特征

土壤有機質和氮、磷、鉀等元素是土壤養分的重要成分，能夠反映土壤的肥力狀況，是評價土壤質量的重要指標。由表4可知，刺槐、榆樹、紫穗槐、火炬樹土壤有機質依次為12.6、10.49、8.45、9.96 g·kg-1，其中刺槐林地最大，這是由于該樣地枯枝落葉較多，為土壤有機質的形成與轉化提供物質基礎。排土場各樣地中，刺槐林地的全氮含量最高，為0.69 g·kg-1，其次為榆樹和火炬樹，紫穗槐最小，為0.47 g·kg-1，刺槐、榆樹、火炬樹全氮含量分別是紫穗槐的1.47、1.23、1.15倍。土壤有效磷和速效鉀均表現為刺槐＞榆樹＞火炬樹＞紫穗槐，這與土壤全氮含量特征相一致，說明刺槐能夠有效地提高土壤有機質，控制氮、磷、鉀等元素的流失，為植物生長提供養分。

2.4 植物根系特征

植物根系不僅能夠改變排土場土壤結構及理化性質，有效控制水土流失，其根系分布特征也能反映植物對土壤的適應能力和土壤質量的好壞。由表 5可知，排土場各樣地根重密度表現為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，其中刺槐根重密度最大，顯著大于榆樹、紫穗槐、火炬樹（P＜0.05），這是由于刺槐為喬木，其根系發達、直徑較粗；紫穗槐最小，僅為0.2 g·cm-3，這與紫穗槐須根稠密的根系形態特征關系密切（張東梅等，2014）。刺槐、榆樹、紫穗槐、火炬樹根長密度依次為0.024、0.02、0.054、0.035 cm·cm-3，紫穗槐最大，這是由于紫穗槐側根發達且須根柔軟纖長造成的（嵇曉雷等，2016）。4個樣地的根表面積密度表現為刺槐＞榆樹＞火炬樹＞紫穗槐，其中刺槐最大，為 0.051 cm2·cm-3，紫穗槐最小，為 0.021 cm2·cm-3，這一變化規律與根重密度相一致。

表5 排土場植物根系特征Table 5 Root system characteristics in the dump

2.5 土壤質量綜合評價

本研究選取土壤容重（C1）、毛管孔隙度（C2）、礫石含量（C3）、土壤含水率（C4）、初始入滲率（C5）、穩定入滲率（C6）、土壤有機質（C7）、全氮（C8）、有效磷（C9）、速效鉀（C10）、根重密度（C11）、根長密度（C12）、根表面積密度（C13）為排土場土壤質量評價指標，各評價指標之間的相關系數和權重見表6。

表7所示為排土場不同植被類型下土壤質量評價結果。由表7可知，排土場不同植被類型土壤質量綜合指數表現為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，其值依次為0.637、0.426、0.416、0.369，相比于紫穗槐，刺槐、火炬樹、榆樹土壤質量綜合指數分別提高 72.63%、15.45%、12.73%，說明不同植被恢復措施對排土場土壤質量的作用程度不同，榆樹、紫穗槐和火炬樹對土壤質量的改善效果較為接近，而刺槐林地的土壤質量得到顯著的提高與改善，說明刺槐在排土場土地復墾工作中得到了較好的應用，可作為該區域排土場先鋒樹種進行推廣。

3 討論

中國大型露天煤礦多位于干旱半干旱地區，生態環境極其脆弱（谷裕等，2016），水分條件差，植被恢復困難。因此，土地復墾和植被恢復工作顯得極其重要。通過土地復墾和植被重建可以有效地提高排土場植被覆蓋度，防治水土流失，但復墾后植被恢復程度以及土壤質量的變化趨勢有待進一步研究和探討（陳龍乾等，1999）。陜永杰等（2008）首先系統地評價了礦區開采和不同復墾年限等不同階段的土壤質量，提出了適合黃土丘陵區采礦地土壤質量的評價指標體系。王金滿等（2012）篩選體積質量、有機質、有效磷、速效鉀、全氮、堿解氮、pH值、電導率等指標，評價了內蒙古伊敏礦區不同復墾年限排土場的土壤質量，揭示土壤質量的動態變化規律，構建土壤演替模型。但是，目前關于礦區土壤質量評價指標的篩選及評價指標體系的構建還不是十分完善，尚未建立統一的評價標準和評價體系。本研究從土壤物理性質、入滲特征、養分特征、根系特征等角度初步研究了不同植被類型土壤質量特征，并對其進行評價，認為刺槐能夠顯著改善和提高排土場復墾區土壤質量；呂剛等（2017）從土壤因子、水分因子、植物因子3個方面12個環境因子角度，運用層次分析法和土壤水文效應綜合指數評價該排土場 6種復墾植被類型土壤水文效應，其結果表明植被恢復可以有效地改善排土場的土壤水文效應，且以刺槐效果最佳；由本研究和呂剛等（2017）研究結果可知，無論從土壤水文效應角度還是從土壤質量角度，刺槐可作為海州露天煤礦排土場先鋒樹種進行推廣，兩者的研究結果可以相互印證。本研究從土壤理化性質和根系特征等角度研究了露天煤礦排土場復墾區土壤質量，但未考慮排土場土壤動物、微生物和重金屬污染等方面對土壤質量的影響，今后應加強這方面的研究，以期完善礦區排土場土壤質量評價體系。

表4 排土場土壤養分特征Table 4 Soil nutrient characteristics in the dump

表6 各評價指標之間的相關系數和權重Table 6 Correlation coefficient and weight coefficient of each evaluation index

表7 排土場不同植被類型土壤質量綜合評價Table 7 Comprehensive evaluation of soil quality with different vegetation types in the dump

4 結論

（1）不同植被類型對排土場土壤結構的改良效果不同，刺槐和火炬樹土壤容重顯著小于榆樹和紫穗槐；毛管孔隙度表現為紫穗槐（40.29%）＞刺槐（39.45%）＞火炬樹（38.67%）＞榆樹（36.56%）；礫石含量較高，均在40%以上。排土場穩定入滲率在0.85－3.06 mm·min-1之間，刺槐、榆樹、火炬樹穩定入滲率分別為紫穗槐的3.6、1.21、1.15倍。

（2）土壤養分含量均表現為刺槐＞榆樹＞火炬樹＞紫穗槐，刺槐林地土壤養分含量最高，各樣地土壤有機質在8.45－12.6 g·kg-1之間，全氮含量在0.47－0.69 g·kg-1之間；排土場各樣地根重密度表現為刺槐＞火炬樹＞榆樹＞紫穗槐，根長密度最大為0.054 cm·cm-3，最小為 0.02 cm·cm-3之間，根表面積密度在 0.021－0.051 cm2·cm-3之間。

（3）從土壤物理性質、入滲特征、養分特征、根系特征分析排土場不同植被類型土壤質量的差異性，各樣地土壤質量綜合指數表現為刺槐（0.637）＞火炬樹（0.426）＞榆樹（0.416）＞紫穗槐（0.369），相比于紫穗槐，刺槐、火炬樹、榆樹土壤質量綜合指數分別提高了72.63%、15.45%、12.73%；刺槐能夠顯著提高排土場復墾區土壤質量，可作為該區域排土場先鋒樹種進行推廣。