復墾年限及植被模式對礦區土壤質量的影響

曹 夢，郭孝理，趙云澤，李 勇，孫忠祥，黃元仿

(中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193)

露天煤礦的大規模開采活動，不僅破壞和侵占了大量的土地資源，而且也會損毀地表植被，造成區域生態環境的退化[1]。土壤是一個復雜的動態系統，有助于維持陸地生態系統中的植物生產和生物地球化學循環[2]。因此，露天煤礦區域的生態環境恢復至關重要，而土壤質量的恢復更是土地復墾的關鍵[3]。采取適當的植被復墾措施可以高效、快速地恢復礦區土壤狀況[4]，但不同的復墾年限和植被覆蓋模式對土壤質量的改善程度有所差異。基于此，對礦區復墾土壤質量進行分析，并對其進行定量化表征，可以更好地實施恢復措施，有助于開展露天煤礦的生態系統恢復工作。

已有諸多學者借助模型等方法評價復墾土壤質量，但主要聚焦于復墾土壤的生產力評價。胡振琪等[5]構建了模糊PI模型，定量化評價復墾土壤耕作效果；卞正富[6]分析了復墾土地生產力的影響要素，提出了熵流模型；陳龍乾等[7]從土壤生產力和環境質量兩類指標出發，用土壤質量評價指數表征了徐州礦區復墾后質量；王金滿等[8]分析了草原區露天礦土壤理化指標的演替規律，擬合出了復墾土壤質量變化的指數模型。雖然復墾土壤質量的評價指標應綜合考慮土壤過程中的物理、化學和生物因素[9]，但以往的研究仍多集中在土壤的養分狀況及其與植物群落特征的相互關系分析，對物理、生物指標等的考慮尚顯不足。ZHAO等[10]對露天煤礦復墾土壤的物理、化學和生物性質進行了探索性分析，但針對礦區不同復墾年限和模式下土壤質量的綜合評價仍尚顯缺乏。本文以安太堡露天煤礦為例，借助模糊數學等方法，從土壤的物理、化學和生物等指標綜合分析其質量狀況，旨在揭示不同復墾年限和植被模式對土壤質量的影響，以期為露天礦區復墾和生態恢復等提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安太堡露天煤礦位于山西省朔州市，是平朔露天礦的一部分。礦區范圍為E112°18′～113°26′、N39°27′～39°34′，處于黃土丘陵生態脆弱區，對外界環境改變反應敏感。礦區自然環境較惡劣，水土流失嚴重，土壤易受水、風侵蝕，土壤質地偏砂，生產力偏低。近30年的土地復墾與生態修復使礦區已形成由“林、灌、草”等要素構成的多層次結構。本文的具體研究區域包括安太堡露天礦的排土場(南排土場、西排土場和內排土場)及其周圍原始地貌區域，即安太堡礦區的西南部。

1.2 樣品采集

采用“空間代時間”的方法，在安太堡煤礦的南排土場和西排土場選擇不同植物配置模式的16塊樣地為研究樣地，以分析復墾年限和植被模式對土壤質量的影響；同時，在樣地附近選擇3塊原始地貌樣地和2塊損毀-無復墾樣地作為對照，詳細信息見表1。

表1 樣地的基本情況Table 1 The characteristics of the samples

注：①NF22樣地的刺槐和榆樹已退化；②NO13為南排土場坡下的原始地貌小葉楊樣地。資料來源：文獻[11]

在每個樣地中隨機設置3個樣方(10 m×10 m)，然后在每個樣方中選取5個1 m×1 m的樣點，除去枯枝落葉層后取0～20 cm的土樣。將各樣方的土樣進行混合，用四分法留存足夠樣品，裝入無菌袋中，置于冰盒帶回實驗室4 ℃冰箱中保存待用。用GPS對每個地塊準確定位，并記錄樣地情況。

1.3 測試指標與方法

選取的13項土壤指標及檢測方法見表2。

表2 土壤質量分析指標及其測定方法Table 2 Index of soil quality and its measuring method

2 土壤質量評價模型

2.1 土壤質量單因子指標的選擇

對礦山土而言，土壤容重和pH值可以很好地反映復墾土壤狀況[12]，土壤養分的遷移主要受土壤水分影響；土壤有機質又是研究土壤質量變化最理想的指標。另外，安太堡露天煤礦所處的黃土區并不缺少全鉀，且全磷對于排土場這種新造土壤的養分質量影響較小[9]，因此選用全氮、速效氮、速效磷和速效鉀作為評價指標。同時，土壤微生物狀況，包括微生物量和微生物多樣性，也廣泛的被用來評估土壤質量，因此再選取微生物量碳、氮以及Shannon-Wiener等生物指標。

2.2 單因子指標權重和隸屬度的確定

1) 確定單因子指標權重。根據單因子指標之間的相關系數可知，土壤有機碳和全氮、速效鉀呈極顯著相關(P<0.01)，且全氮和速效鉀之間也呈現顯著相關(P<0.05)。為使評價更為客觀，并考慮有機質在土壤質量評價中的關鍵作用，刪除土壤全氮和速效鉀指標。同時，Shannon-Wiener index、McIntosh index均與微生物量碳和Pielou evenness index顯著相關，故刪除前兩個指標。通過相關系數法檢驗，最終取9個指標構建土壤質量評價模型，并按式(1)和式(2)求取單因子指標權重[8]來表示單因子指標的重要性(表3)。

(1)

(2)

表3 單因子指標的權重Table 3 Weight of each various indices

2) 單因子指標隸屬度計算。為使單因子指標之間可進行統一的運算，需對原始數據進行標準化處理[13]常采取隸屬度函數來輔助計算。

采用拋物線型函數(式(3))來確定土壤容重的隸屬度；pH值較特殊，根據實際情況(pH>8.0)和經驗來確定(式(4))；以戒上型隸屬度函數來確定其他指標狀況(式(5))。

(3)

式中，a1、a2、b1、b2分別為指標的臨界值。根據實測值，確定其具體數值分別為0.8、1.6、1.1和1.2。

(4)

(5)

式中，x1、x2分別為單因子指標的最小值和最大值。

2.3 土壤質量綜合指標的構建

綜合分析土壤質量時，不同指標間的相關性會導致信息冗余，因此根據各單因子指標的權重和隸屬度，用指數和法計算土壤質量的綜合指標，見式(6)。

(6)

式中：SQI(soil quality index)為土壤質量綜合指標；Wi為第i個指標的權重，Ni為第i個指標的隸屬度。

3 結果分析與討論

土壤質量評價模型計算結果顯示，煤礦區土壤綜合質量為0.232～0.542，其中，2塊損毀-無復墾樣地(ND11、NO21)以及復墾16 a的沙棘樣地土壤質量較低，分別為0.232、0.237和0.271；原始地貌油松林的土壤質量最高，次之為復墾23 a的刺槐×榆樹×椿樣地。結果表明，露天礦的開采對表土的破壞十分嚴重，人為復墾措施的實施可使土壤質量逐漸恢復。

3.1 不同復墾年限的土壤質量

采用相同植被配置模式、不同復墾年限的土壤質量結果(圖1(a))顯示：土壤質量隨復墾年限的增長而波動上升，趨于接近原地貌；原始地貌油松樣地的土壤質量最高，次之為油松復墾23 a的樣地。以上結果表明，隨著復墾時間的發展，土壤質量逐漸恢復。

部分復墾樣地的土壤質量高于小葉楊原始地貌(OF13)，可以認為適當的復墾措施可使被損壞的土壤質量達到未破壞的水平。但是，地處南排土場坡下的原始地貌小葉楊樣地(NO13)的土壤質量卻遠高于同區域的復墾樣地(NO12)，甚至優于OF13的土壤質量很多；礦區的土壤原始質量水平相似[11]，而NO13樣地的速效氮和微生物量氮的含量比OF13樣地高很多，可能是由于對南排土場進行復墾養護時，原始地貌小葉楊樣地(NO13)也受到了一定程度的水、肥、害蟲防治等管理，才致使NO13樣地的土壤質量高于OF13。因此可以推測，復墾措施的實施有助于土壤質量的恢復。

由單因子指標結果可知，不同復墾年限樣地之間土壤質量的差異主要是由土壤容重、有機質、微生物量(碳、氮)以及土壤微生物多樣性造成的。隨著復墾措施的實施，土壤容重從最初壓實狀態時的高值逐漸減小；而研究區復墾樣地中的土壤有機質含量；卻并不隨復墾年限的增長而線性增加，且除復墾16 a的樣地(WH11)外，含量均高于原始地貌小葉楊(OF13)樣地，王金滿等[8]發現它是隨復墾年限的增加先增加后緩慢較小，可能是由于覆土使用的是表土，加之初期的復墾措施更有利于土壤中有機物質的積累，即使后期養分被消耗，也表現出高于原地貌的程度。生態系統會隨著復墾的進行而逐漸穩定，結構與功能更加完善，且其結構的多樣性和復雜性會優于年輕的生態系統[14]。本研究區仍處于一個趨于穩定的階段，在發展的過程中生物也會經過不斷的競爭，最終呈現一個穩定的狀態，因此出現了復墾時間短的樣地中土壤生物性狀反而較高的情況。

圖1 不同復墾樣地的土壤綜合質量Fig.1 Comprehensive value of soil quality in different regeneration land

3.2 不同復墾植被模式的土壤質量

由圖1(b)可知，相同復墾年限、不同植被配置模式復墾的樣地土壤質量之間差別較大；復墾23 a的樣地土壤質量顯著高于復墾22 a和19 a的樣地土壤質量，也說明了復墾時長對土壤質量恢復的重要性。

復墾23 a、純林復墾的樣地中，油松樣地的土壤質量最優，小葉楊樣地最低。可能是由于礦區土壤偏堿性(8.04～8.82)且干旱貧瘠，加之區域較大，缺少完善的人工管理，致使小葉楊長成了“小老樹”，植被與土壤的相互作用也反向致使土壤質量較低；而油松樹冠較小，生長過程中需要從土壤中汲取的水分較少，另外油松凋零物質的單寧、木質素等分解后會產生酸性物質，有利于改善pH值。小葉楊樣地的土壤質量狀況與王楊揚等[15]在此礦區的研究結果一致，但兩種樣地的土壤質量相對狀況卻和孫海運等[13]在草原區的結果并不相同，主要是由于研究區域的環境差異較大。復墾22 a的樣地土壤質量結果也表明，油松樣地的質量較其他樣地高。因此，油松純林可能是該研究區較優的單一植被復墾模式。

復墾23 a、混交林復墾的樣地質量結果顯示，刺槐×榆樹×椿樣地的土壤質量較高，且刺槐與檸條混交(NF11、NF22)的質量遠低于與其他植物混交，甚至低于刺槐、檸條純林的土壤質量；并且在采樣時發現，刺槐×榆樹×檸條樣地(NF22)的刺槐和榆樹呈現不同程度的死亡。基于這些現象，推測刺槐、榆樹和檸條之間的物種競爭較為嚴重，不適宜以混交林進行復墾。而刺槐與榆樹混交林(NF12、NF13和NT12)土壤質量表明，刺槐混交林對土壤質量的恢復作用較為明顯，但刺槐和油松之間可能也存在一定程度的物種競爭。混交林的復墾模式優于純林的原因可能是，在混交林中物種間的互補作用可以使生態環境因子更好的發揮作用，例如光照、溫度、水分、空間等，同時，物種的豐富也在一定程度上提高了枯枝落葉的培肥作用[15]；并且，刺槐×榆樹×椿樣地中的pH值較其他樣地低，可能給土壤中的碳、氮循環提供了更優的條件，也更有利于刺槐根部的固氮根瘤菌發揮作用，使其土壤質量恢復效果更好。綜合考慮可知，刺槐×榆樹兩個樹種混交模式復墾對土壤質量的恢復作用較為穩妥且優于單一植被復墾模式，因此，這種復墾模式可以推廣使用。

4 結 論

1) 露天礦的開采對表土的破壞十分嚴重；隨著人為復墾措施的實施，土壤質量逐漸恢復，復墾區的土壤綜合質量甚至可以超過原地貌；但土壤質量恢復需要較長時間，復墾措施的實施有助于恢復土壤質量，且復墾時長是其恢復的重要保障。

2) 油松純林是該研究區較優的單一植被復墾模式，刺槐×榆樹混交模式復墾對土壤質量的恢復作用較為穩妥，可以在研究區內推廣使用；但在本研究區內，刺槐×檸條混交模式對土壤質量恢復的促進作用有限。