新疆準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤理化特性及肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

陳啟民，何 苗，羅青紅，寧虎森，劉永萍

(新疆林業(yè)科學(xué)院 造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063)

煤炭是我國(guó)的主要能源物質(zhì)。長(zhǎng)期以來(lái)，大規(guī)模的煤炭資源開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，諸如礦區(qū)煤矸石的堆積、有害氣體的釋放及飄塵降落等，使得礦區(qū)及周邊環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，同時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)、地形地貌、景觀生態(tài)和生物群落等環(huán)境要素也出現(xiàn)了不可逆轉(zhuǎn)的變化[1]。采煤塌陷區(qū)的廣泛分布，導(dǎo)致地表土壤結(jié)構(gòu)性變差、土壤持水能力降低、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降，土壤侵蝕、養(yǎng)分流失、土壤污染等一系列環(huán)境問(wèn)題相繼出現(xiàn)，直接或間接地威脅著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和人體健康。因此，不少專家圍繞采煤礦區(qū)土壤退化及環(huán)境問(wèn)題開(kāi)展了廣泛深入的研究[1-5]，同時(shí)對(duì)諸多礦區(qū)進(jìn)行了土地質(zhì)量的適宜性評(píng)估和綜合評(píng)價(jià)工作[6-7]，為土壤改良、水土治理及植被修復(fù)提供了有效的科學(xué)依據(jù)。

準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)是我國(guó)國(guó)家級(jí)能源建設(shè)“西氣(煤制天然氣)東輸” “疆電東送”的重要示范基地，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地東部荒漠區(qū)，特殊的地理位置使得區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境長(zhǎng)期受到煤炭開(kāi)采和風(fēng)蝕的雙重影響。而長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采所造成的生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，不僅直接影響礦區(qū)及周邊綠洲區(qū)土壤的健康與生態(tài)安全，而且還嚴(yán)重威脅著木壘縣、吉木薩爾縣及昌吉市城區(qū)的環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)功能。過(guò)去有關(guān)準(zhǔn)東地區(qū)土壤環(huán)境的研究主要集中在土壤風(fēng)蝕[8]、土壤重金屬污染[9-10]等方面，有關(guān)土壤養(yǎng)分質(zhì)量的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

因此，本研究以準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤為研究對(duì)象，分析其理化性質(zhì)及土壤質(zhì)量狀況，旨在為退化土壤的修復(fù)及植被重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部荒漠區(qū)(東經(jīng)90°15′19″、北緯44°42′46″)，總面積2.23萬(wàn)km2，屬于典型的極端干旱大陸性氣候，多年平均氣溫7.0 ℃，多年平均降水量183.5 mm，年平均水面蒸發(fā)量2 042.3 mm，年平均風(fēng)速2.0 m/s，最大風(fēng)速16.0 m/s，最大凍土層厚1.5 m。區(qū)內(nèi)地下水富水性弱，無(wú)地表徑流。地貌類型主要有沖積湖積平原、風(fēng)積沙漠、剝蝕殘余丘陵、剝蝕波狀平原[8]。土壤類型主要有灰棕漠土、石膏灰棕漠土和荒漠風(fēng)沙土、結(jié)殼鹽土、荒漠堿土等，其上稀疏分布有梭梭(Haloxylonammodendron)、蛇麻黃(EphedraDistachya)、鹽生假木賊(Anabasissalsa)及駝絨藜(Krascheninnikoviaceratoides)、戈壁藜(Iljiniaregelii)等植被。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與分析

采用棋盤式布點(diǎn)法，在研究區(qū)內(nèi)采集了76個(gè)表層(0～20 cm)土壤樣品，參照陳龍乾等[11-12]的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，選取了土壤水分、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量和總鹽含量、8種離子含量、粒徑組成等作為本研究評(píng)價(jià)指標(biāo)，并參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[13]進(jìn)行土樣的測(cè)試分析。

2.2 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、簡(jiǎn)單分析及作圖，用SPSS 22.0做描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析，用GS+9.0和ArcGIS 13.0做空間插值分析。借助北京欣晟允軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的yaahp層次分析輔助軟件，對(duì)測(cè)定的土壤理化指標(biāo)做層次分析，最終得出研究區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征

76個(gè)土樣中部分是砂礫，無(wú)法測(cè)定理化指標(biāo)，因此實(shí)際參與測(cè)定的土樣為51個(gè)。表1列出了51個(gè)土樣的pH值和速效氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分指標(biāo)的極值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)分析特征值。對(duì)照國(guó)家及新疆土壤養(yǎng)分等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]可知：采樣區(qū)土壤pH值變化范圍為8.0～9.5，平均值為8.77，說(shuō)明準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤屬?gòu)?qiáng)堿性土壤；有機(jī)質(zhì)含量變化范圍為1.00～26.10 g/kg，平均值為8.69 g/kg，處于三、四級(jí)水平；速效氮含量變化范圍為0.07～0.35 mg/kg，平均值為0.13 mg/kg，處于六級(jí)水平；速效磷含量變化范圍為0.02～1.66 g/kg，平均值為0.22 g/kg，處于二級(jí)水平；速效鉀含量變化范圍為0.54～2.72 g/kg，平均值為1.73 g/kg，處于一級(jí)水平。分析結(jié)果顯示，各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)大小為有機(jī)質(zhì)含量>總鹽含量>速效鉀含量>速效磷含量>pH值>速效氮含量，說(shuō)明研究區(qū)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)中離散程度最大的是有機(jī)質(zhì)，最小的速效氮。變異系數(shù)(CV)反映總體樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度，根據(jù)Nielsen標(biāo)準(zhǔn)[15]，CV<10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV>100%為強(qiáng)變異性。研究區(qū)土壤理化指標(biāo)中，僅pH值的變異系數(shù)小于10%，速效磷含量變異系數(shù)大于100%，其他指標(biāo)均屬中等變異，而理化指標(biāo)變異系數(shù)越大說(shuō)明其在空間分布上的差異越大，也即指標(biāo)受人類活動(dòng)干擾越強(qiáng)烈。整體來(lái)看，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平，總鹽含量處于較高水平，速效磷和速效鉀含量較豐富，而速效氮含量較缺乏。

表1 土壤理化指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征值(n=51)

3.2 土壤養(yǎng)分因子與理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

表2 土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

3.3 研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)層次分析法計(jì)算得出準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，見(jiàn)表3。由表3可知，總鹽含量的權(quán)重值最大，其次是粉砂粒含量，其他理化因子權(quán)重值相差不大。進(jìn)一步計(jì)算得出研究區(qū)51個(gè)樣點(diǎn)的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)(FI)，然后求其平均值，得出土壤平均肥力質(zhì)量指數(shù)為0.311。根據(jù)土壤肥力質(zhì)量五級(jí)分類法[17]，即FI≥0.8為好、0.6≤FI<0.8為較好、0.4≤FI<0.6為中等、0.2≤FI<0.4為較差、FI<0.2為差，可知研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量整體處于較差水平。進(jìn)一步分析研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量的空間分布特征(圖1)可以看出，其空間分布格局呈斑塊狀，高、中值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)的東北部和東南部，低值區(qū)位于研究區(qū)的中西部，其中土壤肥力質(zhì)量中等的樣品數(shù)僅占總樣品數(shù)的21.15%，肥力質(zhì)量較差的樣品數(shù)占總樣品數(shù)的73.08%，采樣點(diǎn)中還有5.77%的土壤肥力質(zhì)量為差，這在一定程度上會(huì)成為生態(tài)綠化和植被恢復(fù)的主要限制因子。

表3 研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

圖1 研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的空間分布

3.4 影響研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量的主要因素

表1顯示準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)積累量普遍不高，平均含量?jī)H有8.69 g/kg，不同采樣點(diǎn)差異較大。圖3相關(guān)性分析結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)(R2=0.708，P<0.01)，表明研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)缺失、自然肥力不高是引起土壤肥力質(zhì)量低下的又一主要因素。土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與其他土壤養(yǎng)分因子如速效氮、磷、鉀含量的相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

圖2 土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與含量的相關(guān)性

圖3 土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性

圖含量的空間分布

圖5 有機(jī)質(zhì)含量的空間分布

4 小結(jié)與討論

土壤環(huán)境是指土壤經(jīng)過(guò)一系列的物理、化學(xué)和生物的侵蝕及風(fēng)化作用，在地貌、氣候等諸多因素長(zhǎng)期作用下形成的生態(tài)環(huán)境。它能為動(dòng)植物提供生命活動(dòng)的場(chǎng)所，也能為人類的生存發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)，還能為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展源源不斷地提供資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類活動(dòng)的加劇，對(duì)土壤環(huán)境的影響也越來(lái)越大，特別是以準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)為典型代表的干旱荒漠區(qū)重要能源供應(yīng)基地，建立在脆弱的荒漠生態(tài)系統(tǒng)之上，土壤透水性差、鹽堿化水平高，生態(tài)環(huán)境本就極其脆弱，再加上人類長(zhǎng)時(shí)期大規(guī)模的采煤活動(dòng)擾動(dòng)原土，使土壤結(jié)構(gòu)與功能特性等從上到下、從內(nèi)到外都發(fā)生了改變，土壤污染問(wèn)題也亟待處理[9]。因此，準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)植被的保護(hù)與恢復(fù)、水土保持與土壤治理等工作已經(jīng)迫在眉睫。

植物正常生長(zhǎng)需要一定的養(yǎng)分供給，氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量過(guò)低會(huì)限制植物的正常生長(zhǎng)，而采礦區(qū)土壤一般缺少這些元素。束文圣等[18]的研究顯示，中國(guó)南部5個(gè)鉛尾礦土壤中營(yíng)養(yǎng)元素含量均低于植物正常所需的量，其中有機(jī)質(zhì)、氮和磷最為缺乏，其含量只占中國(guó)自然植被土壤平均背景值的1/3左右。本研究顯示，準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平，速效磷和速效鉀含量處于較高水平，但速效氮處于較低水平，因此在植被恢復(fù)和重建過(guò)程中，需要增加氮肥的施用量來(lái)補(bǔ)充土壤中的氮素。另外，準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤含鹽量偏高，而可溶性鹽過(guò)量會(huì)使土壤溶液的滲透壓增大，影響根系對(duì)水分的吸收，導(dǎo)致植物脫水干旱死亡，種子不能萌發(fā)。因此，在植被恢復(fù)過(guò)程中，需要采取有效的工程排鹽措施，改善排水條件。

LOGSDON et al.[19]認(rèn)為pH值是影響土壤質(zhì)量的重要化學(xué)因素，土壤pH值為中性時(shí)，養(yǎng)分的有效性較高，過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)影響土壤的肥效。本研究區(qū)土壤具有強(qiáng)堿性，高pH值不僅可使一些微量元素轉(zhuǎn)化為植物不可利用的狀態(tài)，引起微量元素的缺乏，還會(huì)造成氮元素的損失，磷元素也會(huì)轉(zhuǎn)化為難溶的磷酸鹽[20]，影響植物成活和正常生長(zhǎng)。目前，項(xiàng)目區(qū)在造林過(guò)程中，利用電廠廢棄物脫硫石膏對(duì)鹽堿土進(jìn)行土壤改良，取得了較好的效果。

綜上可見(jiàn)，土壤鹽堿化程度高、速效氮缺乏是準(zhǔn)東工業(yè)區(qū)土壤肥力質(zhì)量低下的主要抑制因素。因此，在人工植被恢復(fù)和天然植被保育過(guò)程中，要加強(qiáng)水土保育和土壤改良工作。