神東礦區典型植被不同恢復年限對土壤質量的影響

馬 寧，李 強，郭玉濤，李鵬飛

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719300)

隨著我國經濟的快速發展，社會對資源的需求與日俱增，大規模無序開采礦產資源給生態環境帶來嚴重破壞，造成表土層破壞、土壤保水保肥能力下降，從而導致生物多樣性減少，地質災害時有發生。因此，對礦區進行生態恢復迫在眉睫[1]。

神東礦區是我國目前最大的煤炭生產基地和重要的優質動力煤出口基地，地處黃土高原北部與毛烏素沙地交錯區，區域生態環境十分脆弱，土地沙化嚴重、水資源匱乏及水土流失嚴重。神東煤礦在建設初期，面對超大規模煤炭資源開采與生態環境保護的矛盾，以可持續發展思想為指導，統籌煤炭資源開發與礦區生態環境建設，以合理利用水土資源為核心，從礦區資源環境特征和煤炭資源開發特點出發，對礦區進行植被恢復，保護和改善礦區土壤環境質量，為重建可持續健康的礦區土壤生態系統做出了積極的實踐與探索[2]。本研究采用土壤質量指數法定量評價多年來神東礦區典型植被恢復對土壤質量的改良效果，旨在為后續生態建設提供技術支撐，指導礦區生態建設工作。

1 研究區概況

神東礦區位于陜西省榆林市神木市北部、府谷縣西部，內蒙古自治區鄂爾多斯市東勝區及伊金霍洛旗的南部和準格爾旗的西南部，地理位置為北緯38°52′～39°41′、東經109°51′～110°46′。地處毛烏素沙地與陜北黃土高原過渡帶，具有典型的干旱荒漠高原氣候特征，多年平均降水量僅362 mm，年際、年內變化大，7—9月降水量占全年降水量的70%以上，且多暴雨，年水面蒸發量2 297.4～2 838.7 mm[3]。研究區域水資源匱乏，且大部分為河川徑流，地下水量較少。土壤主要為黃土性土壤、風沙土、栗鈣土和黑壚土等，結構松散，抗蝕性差，肥力低，呈弱堿性。該區為草原和森林草原過渡地帶，原生植被稀疏，覆蓋度低，一般小于30%，區內主要植被類型為沙漠草原、落葉闊葉灌叢和沙生植被[4]。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集和指標測定

于2018年8月27日至9月9日、2019年4月21—30日和2019年7月11日至8月6日，分三批次采集了神東礦區中心10個礦區的土壤樣品220個，涉及樟子松、油松、山杏、小葉楊、沙棘、檸條、沙柳和黑沙蒿等8種典型植被類型，植被恢復年限為1～29 a。樣品采集深度為0～20 cm，采用五點采樣法形成一個混合樣品。

將土壤樣品自然風干，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，過0.25 mm篩，用于土壤養分的測定。土壤容重采用環刀法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用火焰光度法測定[5]。

2.2 土壤質量評價

2.2.1 土壤質量評分模型

通過土壤質量評分模型將土壤指標實測值轉換為0～1之間適當的分值[6]，公式為

(1)

式中：S為土壤指標得分，介于0～1之間；a為最大得分，被確定為1；x是土壤實測指標值；x0為相應的指標平均值；b為方程的斜率，其中“越多越好”類型指標被確定為-2.5，如全氮、堿解氮、有機質、有效磷和速效鉀含量，“越少越好”類型指標被確定為2.5，如容重。

2.2.2 土壤質量評價指標的權重

通過主成分分析得到的公因子方差能夠反映出某一指標對整體方差的貢獻程度，其值越大則對整體方差的貢獻越大。采用主成分分析法計算各指標的權重值，權重等于各指標的公因子方差占所有指標公因子方差之和的比例[7]。

2.2.3 土壤質量指數

基于各指標的評分和權重，計算土壤質量指數SQI(Soil Quality Index)，公式為

(2)

式中：Si為第i個指標得分；n為指標數量；Wi為第i個指標權重值；SQI為土壤質量指數，其值越高代表土壤質量越好。

2.3 數據處理

采用SPSS 22.0和Microsoft Excel 2015進行數據分析處理。

3 結果與分析

3.1 典型植被土壤質量評價指標統計量

神東礦區典型植被種植區土壤質量評價指標統計量見表1。由表1可知，土壤容重和有效磷、速效鉀含量在各植被類型之間差異不顯著(P>0.05)，全氮、堿解氮和有機質含量在各植被類型之間差異顯著(P<0.05)。全氮含量在樟子松種植區土壤中最高，為0.62 g/kg，在沙柳種植區土壤中最低，為0.31 g/kg；堿解氮含量在樟子松種植區土壤中最高，為24.49 mg/kg，在黑沙蒿種植區土壤中最低，為14.19 mg/kg；有機質含量在樟子松種植區土壤中最高，為13.48 g/kg，在沙柳種植區土壤中最低，為8.15 g/kg。

表1 神東礦區典型植被土壤質量評價指標統計量

注：表中數值為平均值±標準差，采用單因素方差LSD法分析同一指標在不同樣地之間的差異性，同一列數值后所標字母不同表示相互間差異顯著(P<0.05)，有相同字母表示相互間差異不顯著(P>0.05)。

3.2 典型植被不同恢復年限下土壤質量變化特征

通過主成分分析計算出各土壤指標的公因子方差，進一步計算出各土壤指標權重，結果見表2。

表2 土壤質量評價指標權重

由表2可知，土壤質量評價指標按權重大小排序為：全氮含量(0.198)>速效鉀含量(0.187)>堿解氮含量(0.182)>有機質含量(0.177)>容重(0.172)>有效磷含量(0.084)。

根據公式(1)和(2)并結合土壤質量評價指標權重，計算各采樣點對應的土壤質量指數，與植被恢復年限進行擬合回歸分析，結果見圖1。

由圖1可知，樟子松、山杏和檸條種植區土壤質量指數隨植被恢復年限增加呈現線性增長趨勢，擬合回歸方程分別為y=0.011 5x+0.327 8，y=0.030 8x+0.218 9和y=0.023x+0.292 9；油松和小葉楊種植區土壤質量指數隨植被恢復年限增加呈現對數增長趨勢，擬合回歸方程分別為y=0.293 1lnx-0.210 3和y=0.186 9lnx+0.001 3；沙棘、沙柳和黑沙蒿種植區土壤質量指數隨植被恢復年限增加呈拋物線型變化趨勢，擬合回歸方程分別為y=-0.001 9x2+0.047 3x+0.254 9，y=-0.000 5x2+0.033 1x+0.070 7和y=-0.002 2x2+0.073 3x-0.064 8。

圖1 神東礦區典型植被不同恢復年限下土壤質量變化特征

4 討 論

各典型植被中樟子松種植區土壤全氮、堿解氮和有機質含量均為最高，不同恢復年限樟子松種植區土壤質量差異較大，但總體呈現隨恢復年限增加而增加的趨勢。按照10 a一個齡級[8]的標準劃分林齡(幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林)，神東礦區樟子松林齡大部分小于20 a，普遍處于“幼齡林”和“中齡林”階段，生長狀態較好，能夠在土壤質量提升等方面持續發揮良好的作用。山杏林作為經濟林，在施肥和灌溉等田間管理方面優于其他植被，因此其林下土壤養分含量較高，在一定程度上給山杏提供了適宜的生長環境，表現出土壤質量隨著恢復年限逐年改善的趨勢。檸條是干旱半干旱黃土丘陵區的主要灌木樹種，其根系屬軸根型分蘗類型，有很強的穿透力，生長過程中疏松了土壤，使土壤物理性質得到改善，且根系分泌的有機酸降低了根基附近的pH值，活化了部分土壤難溶性養分，改善了養分條件，表現出極強的生態適宜性[9]。油松林和小葉楊林與之前的研究結果類似[10-11]，隨著生長年限的增長，其種植區土壤質量指數呈現出先快速增長隨后增速減緩的趨勢。油松和小葉楊的生長主要經歷速生期和慢生期兩個時期，本次研究結果表明，油松和小葉楊種植區的土壤質量指數增速預計分別在30和25 a左右開始減緩，之后逐漸趨于平穩，可發揮出長效穩定的土壤質量提升效果。沙棘、沙柳和黑沙蒿種植區的土壤質量指數隨恢復年限呈現出拋物線規律，預計分別在恢復13、33和17 a時達到峰值，隨后隨著恢復年限的增加土壤質量指數有下降的趨勢。10 a以上林齡的沙棘即將進入衰退期[12]，因此可通過選育優良品種的沙棘改善這一狀況，例如引種大果沙棘等。沙柳作為該地區的先鋒樹種，前期能夠較好地對土壤質量進行改善，但其根系具有較強的吸水能力，降低了土壤含水量，使其他樹種不能較好地在該區域生長，從而使土壤綜合質量逐步降低，進而也影響到沙柳的生長狀況。因此，在今后的風沙治理過程中，當沙柳成活并穩固風沙后，在保證水資源供給充足的情況下，可在沙柳行間撒播草籽(如白草、針茅、黑沙蒿等)或栽植沙棘等樹種，以保證該地區的群落持續向好發展。黑沙蒿具有草本植物生長快速的特點，在初期對土壤質量具有顯著改善效果，在15～20 a之間達到頂峰，隨后開始下降[13]。因此，在生態恢復初期，可采用草本植被快速進行地力培肥，為中后期的植被恢復提供支持。

5 結 論

(1)神東礦區土壤質量評價指標按權重排序為：全氮含量(0.198)>速效鉀含量(0.187)>堿解氮含量(0.182)>有機質含量(0.177)>容重(0.172)>有效磷含量(0.084)。

(2)神東礦區典型植被不同恢復年限下土壤質量變化規律存在差異，其中樟子松、山杏和檸條種植區的土壤質量指數隨植被恢復年限增加呈現線性增長趨勢，油松和小葉楊種植區的土壤質量指數隨植被恢復年限增加呈現對數增長趨勢，沙棘、沙柳和黑沙蒿種植區的土壤質量指數隨植被恢復年限增加呈現拋物線型變化趨勢。

(3)神東礦區典型植被恢復對土壤質量有較好的改良效果，在今后的生態治理過程中，需要對恢復年限較長的植被類型特別是沙棘、沙柳和黑沙蒿加強人工管護，及時進行補種或選種更優品種，以防止因植被退化而導致的土壤質量退化。