復墾土壤有機質時空變化特征
——以潘一礦復墾區為例

鄭永紅，張治國，陳永春，安士凱，鄧永強，陳芳玲，任韓煜，張曉慧，張鳳玲

(1.淮河能源集團有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

土壤有機質(soil organic matter，SOM )是土壤的重要組分，與土壤質量密切相關，有機質數量的耗竭和質量的惡化可直接導致土壤生態功能的衰退[1]。有機質在形成土壤團聚體 、提高土壤含水量、減少土壤退化和侵蝕方面具有重要作用[2]。目前，國內外學者對土壤有機質及其演變特征做了大量研究，包括國家尺度、省域尺度，以及典型地區和氣候帶，土壤類型區等方面研究。楊帆等比較測土施肥和全國第二次土壤普查數據，結果表明近三十年全國農田耕層土壤有機質提高 4.85 g/kg[3]。吳駁等分析了近四十年黃土高原泥河溝流域土壤有機質含量的時間變異性，研究表明1980 年以來耕地土壤有機質含量呈階段性上升趨勢，該區耕地土壤有機質含量從1980年的 9.52 g/kg 到2015 年的14.58 g/kg[4]。顧成軍等分析了安徽江淮丘陵縣域農田土壤有機質的空間變異特征，研究結果表明滁州市各縣域農田土壤有機質平均含量介于15.16～19.90 g/kg之間，土壤有機質含量總體水平較低[5]。高旭等研究了湖南省郴州煙區土壤有機質的時空變化規律，結果表明2015 年土壤有機質平均含量較 2000 年分別增加了2.59 g/kg，變異系數基本穩定[6]。趙義博等研究了內蒙古自治區錫林郭勒盟錫林浩特市周邊勝利礦區土壤 ，結果表明pH呈中性至強堿性，有機質含中等，有機質為中等強度的空間自相關量，主要受采礦活動引起土壤擾動是有機質含量較低的重要原因[7]。劉文全等以萊州灣南岸廢棄鹽田兩個典型復墾地塊為研究對象，研究不同復墾年限下各層土壤鹽分和表層土壤有機質的空間變異性，結果表明有機質含量極低，土壤有機質養分屬于五級水平，主要是由于濱海地區土壤本身較為貧瘠，加之復墾過程中使用的肥料較少造成[8]。然而，針對復墾區土壤有機質時空變化特征研究相對較少。從2008年開始以潘一礦復墾區為研究對象，開展了復墾土壤肥力水平、煤矸石充填復墾對土壤和地下水環境影響等長期監測研究。分別于2008、2013和2017年在潘一礦復墾區開展了三次土壤樣品采集以及養分指標等的測試工作，研究成果將為采煤沉陷區的土地利用、充填復墾、土壤培肥等工作提供一定的理論指導和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潘一礦位于安徽省淮南市西北方、潘集區境內，經過多年的開采，該地地勢有了很大的變化，采空區上方地表形成了許多大小不一的沉陷積水塘和沉陷坑，塘內積水對井下煤層的安全開采有一定影響。隨著開采面積的增大，地表沉陷盆地面積亦會隨之擴大[9]。潘一礦復墾區工程實施采用剝離表土，回填矸石，上覆1 m粘土工藝。采用分層施工，每層厚度控制在400 mm以內，碾壓次數控制在8次以上。設計要求煤矸石回填碾壓成功后覆1 m黃土，平整好后達到農田標準。

1.2 采樣與預處理

在研究區域內，采用網格布點法采集土壤樣品。根據剖面土壤顏色、性狀選擇3個土層分層采樣，分別自上而下分層采集0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm深度樣品，用封口袋密封并做好標記，貼上寫好的標簽。同時，選取一定面積的非復墾區農田作為對照采樣區。將采集的土壤樣品剔除植物根葉等有機殘體后，分攤在土壤風干盤內進行自然風干。風干后的土樣，磨碎、過0.25 mm孔徑篩網后備用。

1.3 測試方法與質量控制

土壤有機質含量采用重酸氧化-外加熱法(NY/T1121.6-2006)測定，數據采用Excel2010和SPSS2 4.0統計分析軟件進行數據處理，圖件用ArcGIS10.2和Origin8.0軟件制圖。采用普通克里格法進行最優內插，繪制了研究區域內2017年土壤剖面有機質的空間分布格局圖。

2 結果分析

2.1 復墾土壤有機質的時間變化規律

從圖1可知，2008年、2013年和2017年期間，復墾區土壤有機質呈現逐年增長的趨勢，2017年0～20 cm深度土壤有機質含量超過了對照農田。復墾1年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質平均含量分別為8.69±2.53 g/kg、7.33±2.20 g/kg和7.04±1.35 g/kg，對照農田有機質平均含量為12.89±0.70 g/kg；復墾5年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質平均含量為12.26±1.39 g/kg、10.18±1.82 g/kg和8.79±1.26 g/kg，其中對照農田有機質平均含量為13.12±1.15 g/kg；復墾9年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質平均含量為14.05±2.12 g/kg、12.42±2.17 g/kg和10.96±1.77 g/kg，對照農田有機質平均含量為13.51±0.78 g/kg。復墾5年后土壤，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質的增長率分別為41.08 %、38.88 %和24.86 %。復墾9年后土壤，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質相對于復墾5年的土壤增長率分別為14.60 %、22.0 %和24.69 %?？傮w上，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質增長率為61.68 % 、69.44 %、55.68 %。與對照農田相比，復墾初期表層土壤有機質含量偏低，隨著復墾年限的增加，土壤有機質含量逐漸增多且增速較快。復墾9年后，土壤表層有機質的含量略高于對照農田，但20～40 cm和40～60 cm土壤中有機質的含量仍低于對照農田。對照全國第二次土壤養分分級標準，潘一礦復墾土壤從2008年有機質五級(較缺乏)水平提高到了2017年的四級(缺乏)水平。因此，可以考慮追施有機肥或者綠肥來快速提升復墾土壤的有機質水平。

圖1 不同復墾年限土壤有機質的含量變化

2.2 復墾土壤有機質的恢復預測

0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有機質平均含量均隨復墾年份的增加呈升高趨勢。對不同深度的土壤有機質含量變化做線性回歸擬合，如圖2所示。0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm層有機質變化趨勢分別符合線性回歸方程。0～20 cm土層，y=0.67 x+8.3155，相關系數R2=0.964 8。因此，要達到對照農田土壤有機質含量的13.51 g/kg，預測需要7.75年。20～40 cm土層土壤有機質含量隨復墾年份的增加呈升高趨勢，變化趨勢符合y=0.636 3x+6.7954，相關系數R2=0.995 2。因此，要達到對照農田土壤有機質含量的13.51 g/kg，預測需要10.55年。40～60cm土層土壤有機質含量隨復墾年份的增加也呈升高趨勢，變化趨勢符合y=0.49 x+6.48，相關系數R2=0.996 2。因此，要達到對照農田土壤有機質含量的13.51 g/kg，預測需要14.35年。

圖2 不同復墾年限土壤有機質含量的回歸曲線

2.3 復墾土壤有機質的空間變化規律

從圖3可知，0～20 cm土層有機質含量在研究區域東南角和煤矸石山一側含量較高，西側沿省道方向最低，呈條帶狀和島狀分布；20～40 cm土層有機質含量從東南角靠近裸露煤矸石山處有機質含量最高，且由高值中心向外輻射遞減，逐漸降低。沿西側省道方向有機質含量最低，呈條帶狀分布；40～60 cm土層有機質高值點主要集中在研究區域東側，呈條帶狀和島狀分布。

圖3 土壤有機質含量的空間分布圖

3 結論

復墾初期表層土壤有機質含量偏低，隨著復墾年限的增加，土壤有機質含量逐漸增多且增速較快，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機質增長率為61.68 % 、69.44 %、55.68 %。對照全國第二次土壤養分分級標準，潘一礦復墾土壤從2008年有機質五級(較缺乏)水平提高到了2017年的四級(缺乏)水平。因此，可以考慮追施有機肥或者綠肥來快速提升復墾土壤的有機質水平。結合復墾模式的關鍵因子和多年觀測數據，研究土壤質量恢復趨勢以及預測各項指標恢復至對照農田所需的時間。有機質變化趨勢符合線性回歸方程，相關系數(R2)在0.964 8～0.996 2之間。復墾9年后，土壤表層有機質的含量略高于對照農田，但20～40 cm和40～60 cm土壤中有機質的含量仍低于對照農田。預測20～40 cm和40～60 cm土壤有機質含量恢復到對照農田水平分別需要10.55和14.35年時間。繪制研究區域內土壤剖面有機質的空間分布格局圖，0～20 cm、40～60 cm土壤有機質在空間上分布以條帶狀分布和島狀為主，其中20～40 cm土壤有機質從東南角靠近裸露煤矸石山處有機質含量最高呈面狀分布。因此，復墾土壤有機質分布可能受到裸露煤矸石山和充填基質煤矸石的影響。