晉陜蒙露天煤礦排土場土壤團聚體的變化特征

劉鴻濤，鄭紀勇，*，李高亮，馬章懷，楊凱齊

（1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕和旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

晉陜蒙接壤區是我國重要的能源基地，近年來由于對煤炭資源的過度開發，礦區大面積的土地被破壞，生態質量急劇下降，嚴重限制了該地區的可持續發展[1]。同時，該接壤區是西北地區典型的風蝕水蝕交錯地帶，分布著大量的砒砂巖和沙黃土，是黃河水土流失的主要來源。由于該地區水土流失嚴重，現階段重構土壤普遍存在土層薄（≤50 cm，農用地標準）、質地粗（0.02～2 mm 砂礫≥70%）、保水保肥能力差、肥力低等問題，嚴重限制了新構土體的生態恢復和復墾[2]。所以，如何加快排土場的土壤恢復成為當前礦區生態環境建設中最為緊迫的任務。

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其顆粒組成與穩定性是決定土壤結構優劣的關鍵指標。同時，土壤團聚體是土壤性狀的敏感性物理指標，尤其是土壤水穩性團聚體的數量，影響著土壤的穩定性和抗蝕性[3-5]。研究發現，砒砂巖本身顆粒較細，富含蒙脫石，極易形成土壤團聚體[6]。同時，砒砂巖的礦物養分含量很高，干時膠結，遇水則迅速膨脹，總孔隙度達45.91%，具有良好的保水保肥能力[7-9]。當砒砂巖與沙黃土混合后，在碳酸鹽等礦物的作用下，砂粒與粉粒之間通過膠結作用形成團聚體且膠結作用力十分穩定[10]。此外，當地還存在大量的裸露風化煤，風化煤是一種天然土壤改良劑和碳源，本身腐植酸含量高、結構多孔疏松[11]，可以顯著提升土壤碳含量和促進土壤團聚體穩定性[12]，對礦區復墾土壤理化性質有明顯的改良效果[13]。近年來，多數學者[13-14]將沙黃土與砒砂巖復配來提高土壤保水保肥特性或直接添加風化煤增加土壤肥力來促進礦區土壤復墾，研究砒砂巖或風化煤對土壤養分的影響。但將風化煤和砒砂巖分別與沙黃土摻混，利用砒砂巖和沙黃土顆粒互補，風化煤和砒砂巖的增肥保肥特性來促進排土場表層土壤團聚體結構穩定性的研究較少。同時，砒砂巖本身易受水蝕，被稱為“地球癌癥”，生態效益十分低下，而風化煤經濟價值較低且廣泛分布，若能充分利用砒砂巖與風化煤和沙黃土有機組合，將對當地表層土壤團聚體結構形成有良好的促進作用，進而對當地生態經濟大有裨益。基于此，本研究在內蒙古準旗永利排土場選擇單純沙黃土、沙黃土與砒砂巖、沙黃土與風化煤、沙黃土與砒砂巖加風化煤摻混4 種新構土體，對礦區土壤進行改良，分析比較6 年后新建排土場土壤表層團聚體變化特征，旨在研究砒砂巖和風化煤的添加對土壤團聚體特征的影響，探討4 種新構土體土壤質地恢復和水土保持效應。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于內蒙古自治區準格爾旗永利煤礦排土場（39°69′N，110°27′E），地處黃土高原邊緣，是黃土高原與鄂爾多斯高原交錯地帶，屬于典型的砒砂巖、沙黃土分布區。當地海拔1 409.9 m，年平均氣溫6.2～8.7 ℃，年平均降水量400 mm，主要集中在7—9月，年潛在蒸發量約2 000～3 000 mm，平均日照時數為2 900～3 100 h，常年多風沙天氣，平均風速3.4 m·s-1，遠離海洋，屬典型的半干旱大陸性季風氣候地區。

1.2 試驗設計

在永利煤礦排土場修筑新構排土場小區，分析4種新構土體土壤團聚體穩定性變化。研究設置4 個處理，每個處理3個重復。

處理1：0～50 cm 范圍內將砒砂巖按7∶3（沙黃土∶砒砂巖，m∶m）比例與沙黃土混摻，風化煤表施后翻耕，施用量為27 t·hm-2，編號 LSW；處理2：0～50 cm 純沙黃土，風化煤表施后翻耕，施用量為27 t·hm-2，編號LW；處理3：0～50 cm 范圍內將砒砂巖按 7∶3（沙黃土∶砒砂巖，m∶m）比例與沙黃土混摻，編號 LS；處理4：0～50 cm 純沙黃土，編號L。處理中L 代表沙黃土，S 代表砒砂巖，W代表風化煤，試驗設計見表1。

試驗小區規格為4 m×5 m、深50 cm，共12 個，修建于2013 年7 月。修建時對所有土體表層土壤施加農家肥（羊糞，25 t·hm-2）、菌肥（金寶貝微生物菌肥，60 kg·hm-2）和化肥（磷酸二銨，600 kg·hm-2）。試驗所用沙黃土、風化煤采自當地，砒砂巖采自內蒙古鄂爾多斯砒砂巖生態示范園區。風化煤添加量為27 t·hm-2，有機質含量為5.85 g·kg-1，添加方式為表施后翻耕。沙黃土和砒砂巖性質如表2所示。

1.3 分析方法

團聚體粒徑分級采用薩維諾夫法[15]。干篩法（力穩性團聚體）：將風干的土樣混勻，取出500.00 g 土樣，放入孔徑分別為7、5、3、2、1、0.5 mm 及0.25 mm 的套篩中，以60 次·min-1的頻率振蕩進行篩分，分別得到＞ 7、7～5、5～3、3～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm 的土壤團聚體，將各級篩子上的團聚體土粒分別稱量（精確至0.01 g），計算干篩的各級團聚體占土樣總量的百分含量，按其百分比，配成2份質量為50.00 g的土樣，以備濕篩分析使用。用濕篩法測定土壤水穩性團聚體數量：將2份配好的土樣置于表面皿中，加水潤濕30 min 后，將分散后的土樣放入不同孔徑（5、2、1、0.5、0.25 mm）的套篩中，將套篩小心放入沉降筒，上下振蕩，30 s后將套篩取出，經過沖洗和沙浴，稱量套篩中土壤質量，得到土樣中各孔徑質量分數分布。用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機碳[16]。

表1 試驗設計Table 1 Design of experiment

1.4 數據處理

采用平均質量直徑（MWD）[17]和幾何平均直徑（GMD）[18]評價團聚體穩定性特征，采用分形維數（D）[19]來評價土壤分形結構，采用團聚體破損率（PAD）[20]來評價干濕篩團聚體破損百分含量，使用加權求和的方法計算土壤的平均直徑，具體見公式（1）～（3）；對公式（4）取對數得到公式（5），采用線性回歸分析法得到各土壤分形維數值。

式中：MWD為平均質量直徑，mm；GMD為幾何平均質量直徑，mm；PAD為團聚體破損百分含量，%；D為分形維數；mi為各級顆粒質量百分含量，%；ri為第i個篩的孔徑大小，mm；n為篩子的數量；M為樣品的總質量，g；Wi為各粒級團聚體的質量，g；為某粒級團聚體平均直徑為粒徑小于的團聚體質量，g；Rmax為團聚體的最大粒徑，mm。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan檢驗（P＜0.05）對4 種新構土體團聚體數量進行比較。所有數據均采用Excel 和SPSS 16.0 進行統計分析，使用Origin 8.0 進行制圖。

2 結果與分析

2.1 新構土體土壤團聚體含量

2.1.1 力穩性團聚體百分含量

新構土體力穩性團聚體百分含量如表3。不同新構模式下，土壤中＞0.25 mm 風干團聚體的含量變化為L＞LW＞LS＞LSW，砒砂巖和風化煤的加入使得＜0.25 mm 團聚體增加，這可能與砒砂巖的粒徑較細、風化煤改善土壤結構有關。吳利杰等[21]通過光學顯微照相和圖像分析處理技術對砒砂巖微結構進行定量研究，發現砒砂巖的粒度大小為0.01～1.25 mm。砒砂巖的加入使得復配土粒徑組成向較細的方向轉變。該結果與張露等[22]通過對砒砂巖和風沙土復配后的粒度組成變化分析的研究結果一致。隨著砒砂巖質量分數的增加，較粗粒徑質量分數逐漸降低。此外，添加風化煤促進了土壤微團聚體的形成，進而降低了土體穩定性。因此，向沙黃土中添加風化煤和砒砂巖確實能夠改善沙黃土顆粒大、結構差等問題，優化土壤結構，但卻降低了團聚體的力穩定性，減弱土壤抗風蝕能力。

2.1.2 水穩性團聚體百分含量

濕篩處理后，不同土體水穩性團聚體百分含量和團聚體破損率見表4。從表4 中可以看出，濕篩處理下土壤中＞0.25 mm團聚體的含量變化為LSW＞LS＞L＞LW（P＜0.05），其中最小值為LW（56.05%），團聚體破損率為LSW（30.85%）＜LS（35.38%）＜L（36.67%）＜LW（38.24%）（P＜0.05）。通常情況下，將＞0.25 mm 的團聚體稱為大團聚體，而將＜0.25 mm 的團聚體稱為微團聚體。干篩法和濕篩法處理后團聚體數量越多，表示團聚體的穩定性越強[23]。在沙黃土中加入砒砂巖和風化煤可以顯著增加土壤水穩定性團聚體數量，降低團聚體破損率，提高團聚體水穩定性。而單一添加風化煤并沒有增加土壤水穩性團聚體數量，相反團聚體數量處于最低，水穩性團聚體破損率達到最高。因此，向沙黃土中添加砒砂巖和風化煤能夠增加土壤水穩定性團聚體數量，減少團聚體破損，但單一添加風化煤起抑制作用。

表2 供試土壤的基本性質Table 2 Physical property of tested soil

2.2 新構土體土壤團聚體穩定性特征

2.2.1 平均質量直徑和幾何平均質量直徑

土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均質量直徑（GMD）是反映土壤團聚體直徑大小和數量分布狀況的綜合指標。MWD的值越大，表示土壤團聚體的大粒徑團聚體質量分數越高[24]；GMD則是通過對團聚體直徑取對數進行加權求和，弱化了團聚體粒徑直徑大小的影響，重在團聚體各粒級數量的體現[25]。不同土體團聚體平均質量直徑和幾何平均質量直徑計算結果見圖1。MWD的值為0.676～0.843 mm，GMD的值為0.711～0.751 mm，MWD和GMD均表現為LSW≈LS＞L＞LW（P＜0.05）。在土壤中加入砒砂巖，可以提高土壤團聚體直徑，單一加入風化煤，團聚體直徑反而減小，砒砂巖與風化煤混合可以提高團聚體直徑，但與單一加入砒砂巖效果一致。

2.2.2 分形維數

分形維數（D）是一種分析土壤結構和組成的重要方法，D值越小，表明大團聚體數量越多，土壤容重越小，土壤越疏松，土壤結構越好[26]。圖2 是不同土體土壤分形維數D值（R2在 0.733～0.892），其值在2.803～2.835 之間變化，且 LSW≈LS＜LW＜L（P＜0.05）。其中，LSW的D值最小，為2.803。

2.3 土壤有機質含量

圖3 是不同土體2014、2019 年土壤有機質含量，通過對不同土體2014、2019年土壤0～10 cm有機質含量比較發現，5 年的質地改良土體有機質含量均呈上升趨勢，其中2019 年土壤有機質含量變化最為顯著：LSW（21.45 g·kg-1）＞LS（16.09 g·kg-1）＞LW（11.54 g·kg-1）＞L（5.01 g·kg-1）（P＜0.01）。對于LS 和L 土體，LS土體土壤有機質含量顯著高于L，砒砂巖的加入能夠顯著提高土體有機質含量，這可能是由于砒砂巖本身養分含量高和具有良好的保肥效果[27]。風化煤本身富含腐殖質，向土體中加入風化煤，應該會直接提升土壤有機質含量，但LW 土體有機質總量提升卻不如直接添加砒砂巖的LS 土體，一方面可能由于風化煤的物理增溫，促進了土壤微生物的礦化作用，另一方面可能是LW 土體表層有機質流失。因此，向土體中同時添加風化煤和砒砂巖既可以提高土壤有機質含量，又能改善土壤養分低、保肥差等問題，進而改良土壤結構，增強土壤團聚體穩定性。

3 討論

研究發現團聚體是有機碳的主要存在場所，有機碳是團聚體內的主要膠結物質[28]，其數量往往和土壤的穩定性呈正相關關系[29]，有機碳的增加有利于團聚體的形成和團聚體穩定性的提高[30]。風化煤作為一種有機質，本身富含腐殖質，添加風化煤可以顯著增加土壤有機質含量和提升團聚結構體的穩定性[31-32]。在沙黃土中加入風化煤能夠一定程度改善土壤結構，提高土壤有機質含量。但在沙黃土中加入風化煤后，雖然改善了風干團聚體粒級較大的問題，卻使得粒級向減小變化，微團聚體含量升高，力穩定性反而降低。同時，在水穩性團聚體中，LW 的團聚體破損率達38.24%，水穩定性團聚體數量處于最低。這一方面是由于風化煤促進力穩性團聚體復粒的形成，而添加風化煤的LW 土地力穩性團聚體各粒級中＞7 mm 團聚體數量最多，較未添加風化煤的土地顯著增加69.03%，復粒數量顯著增加。其次是大團聚體受水分擾動較大，尤其是在重力和水分侵蝕下土壤大粒級團聚體大量破碎分解。此外，添加風化煤的LW 土壤有機質總量不高，僅為11.54 g·kg-1，水穩性團聚體數量也相對較低。而砒砂巖本身富含礦物養分，保肥能力強，添加砒砂巖能夠改善土壤結構和提高土壤養分含量[33-34]。在沙黃土中單一地加入砒砂巖后，土壤有機質含量達到16.09 g·kg-1，水穩性團聚體平均質量直徑和幾何平均質量直徑增加0.031 mm 和0.022 mm，顯著提升3.811%和3.096%。這一方面因為添加砒砂巖提高了土壤有機質含量，團聚體穩定性得以加強。另一方面是砒砂巖小顆粒多，沙黃土與砒砂巖之間產生膠結作用力，提高了團聚體的穩定性。郭航等[35]在基于拉曼光譜的研究中發現，當砒砂巖的體積分數不超過50%時，砒砂巖和沙黃土之間會產生拉應力，從而使得復配土小顆粒含量會越來越多。由于小顆粒的比表面積大，相互之間的黏結、聚合作用力逐漸增強。雖然砒砂巖的加入減小了土壤粒級大小，卻提高了團聚體水穩定性，增加了有機質含量，使土壤結構得以加強。

表3 新構土體土壤團聚體含量（干篩法）（%）Table 3 Composition of soil aggregate of new mass（dry sieving method）（%）

表4 新構土體土壤團聚體組成（濕篩法）（%）Table 4 Composition of soil aggregate of new mass（wet sieving method）（%）

在沙黃土中同時加入砒砂巖和風化煤，LSW 土體的有機質含量達到最高，為21.45 g·kg-1，水穩性團聚體數量最高，團聚體破損率最低，團聚體平均質量直徑和幾何平均質量直徑增加0.16 mm 和0.04 mm，分別提升23.72%和5.65%。砒砂巖雖遇水破裂，導致大團聚體分解，但砒砂巖本身的Ca2+與風化煤中的腐殖質（主要是胡敏酸）結合形成不可逆凝聚狀態，反而促進了團聚體的抵抗能力。風化煤雖然可以短期增加土壤有機質，但其總量卻不是很高，土體的保肥能力較弱，土壤表面有機質流失。理論上，加入砒砂巖和風化煤的土體水穩定性最強，應該具有最高的平均質量直徑、幾何平均質量直徑和最小的分形維數，但是LSW 的MWD、GMD、D值較LS 土體提升較小，這主要是因為加入風化煤后促進了力穩性團聚體復粒的形成，LSW 土體復粒數量顯著增加，而大團聚體因砒砂巖受水分擾動較大，尤其是在重力和水分侵蝕下土壤大粒級團聚體大量破碎分解，導致其穩定性指標提升較小。

4 結論

（1）不同改良模式下，在晉陜蒙礦區排土場沙黃土中摻混砒砂巖和風化煤能夠快速提升土壤有機質含量（21.45 g·kg-1），改善土壤結構，提高團聚體穩定性，增強土壤抗風蝕水蝕能力。新構土體中，LSW 土體的水穩性團聚體含量和團聚體穩定性指數最高，MWD和GMD的值分別為 0.676 mm 和 0.711 mm，土壤分形結構最好（2.803）。

（2）風化煤作為一種有機質，在沙黃土中單獨添加能夠提高土壤有機質含量（11.54 g·kg-1），但土體水穩性團聚體數量和團聚體穩定性指標（MWD、GMD）反而降低。在土體中加入砒砂巖能夠促進土體穩定性指標穩步上升。因此，應因地制宜、變廢為寶，將當地廣泛分布的砒砂巖與風化煤結合，構建新的排土場土體，改善生態環境的同時降低經濟成本。