草原露天礦區重構土壤含水率差異性分析

孫俊東，韓 興，黃月軍，肖 兵，佘長超，王玲玲，王 凡

(1.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000；2.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083)

0 引 言

煤炭資源在全球能源結構中一直處于主導地位，近幾年來，煤炭資源的開采程度呈逐步上升的態勢[1]。2019年，全球煤炭總產量為81.29億t，相比2018年上漲0.5%[2]。未來一段時間內，煤炭仍將保持全球能源主導地位[1]。中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，2019年，中國煤炭總產量為38.46億t，占全球總產量的47.3%[2]。露天煤礦開采是主要的采煤方式，美國、俄羅斯、印度等采煤大國的露天采煤比例達50%以上，部分國家達到90%以上。中國露天煤礦開采比例也由4%提高到15%[3-4]，露天煤礦大規模開采盡管可以滿足國家經濟建設的需要，但同時也帶來了許多生態環境問題及社會問題[5-7]。由于露天煤礦大多位于草原地區，導致草原地區的水土流失和土地荒漠化問題愈發嚴重，使原本脆弱的草原生態系統遭到了更嚴重的破壞[8]。

土壤重構是土地復墾的核心[9]，重構土壤質量直接影響土地復墾狀況。表土是土壤重構過程中的首要選擇，但礦區土壤發育不良等自然因素及采礦活動等人為因素導致許多礦區表土稀缺問題嚴重[10-12]，比如我國的廣西壯族自治區平果鋁煤礦[13]、內蒙古自治區錫林浩特市北電勝利露天煤礦[14]，德國的維佐夫煤礦[15]，美國的樺樹河煤礦[16]均受表土稀缺問題影響。表土替代物可以有效地解決土壤重構過程中表土不足的問題，同時實現礦區固體廢棄物的資源化利用[3]。因此，在表土稀缺的礦區，表土替代物的選擇是土壤重構過程的關鍵。

大多數煤矸石為大孔隙，僅有較少的小孔隙，這給水分和氣體提供了便于流動的通道，具有持水性差的特性，長期如此會影響地下水對土壤水分的補給，進而影響植物的生長[17]。粉煤灰具有較多的小孔隙和巨大的比表面積，其吸水性和持水能力均優于煤矸石，因此將粉煤灰與煤矸石按一定比例混合后作為重構土壤對土壤含水率有較大的改善作用[18]。

本文在礦區固體廢棄物可作為表土替代材料的基礎上，通過表土替代材料不同配比混合后及不同植被生長等級對重構土壤的持水能力差異性進行分析，研究礦區最優的表土替代材料配比，并討論其差異形成的原因，為表土稀缺礦區的土地復墾工作提供理論參考，為礦區土壤重構時表土替代材料最優配比的選擇提供實踐參考，有利于表土稀缺礦區植被生長狀況的改善，為國內外礦區的土地復墾工作提供支撐。

1 研究區概況

神華北電勝利礦區一號露天煤礦地處內蒙古高原東北部，深居內陸，位于內蒙古自治區錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內，地理位置為43°57′～44°14′N，115°30′～116°26′E，東西長6.84 km，南北寬5.43 km，含煤面積37.14 km2，礦產儲量1 934.43 t，可開采礦產儲量1 854.79 t，平均剝離率為2.59 m3/t。整個礦區地勢較平坦，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區，氣候特點為春季風大多干旱，夏季溫熱雨集中，秋高氣爽霜雪早，冬季寒冷風雪多，年均氣溫1.7 ℃，年降水量294.74 mm，年平均蒸發量為1 794.4 mm，屬于典型草原地帶性植被類型區。目前，此礦區土壤類型主要由栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等組成，該部分土壤有機質含量較高，土壤肥力較好；部分地段由于草場退化形成沙化、礫石化栗鈣土，植被覆蓋率低，形成強烈侵蝕的生態脆弱草原區，對環境改變較為敏感。礦區內排土場重構土壤區在2019年進行了土地復墾與植被重建，自然植物組成有克氏針茅、大針茅、糙隱子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、錦雞兒等，人工復墾與植被重建先鋒植被為紫花苜蓿。

2 材料與方法

內排土場采用了三種不同的重構方式重構土壤：第一種表層為50 cm的巖土剝離物，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第二種表層為50 cm的巖土剝離物和煤矸石的混合物，巖土剝離物∶煤矸石=2∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第三種表層為50 cm的巖土剝離物、煤矸石和粉煤灰的混合物，巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體。每種重構方式構成一個小田塊，三種不同重構方式形成的三個小田塊組成一個大田塊，共設置相同的四個大田塊，另設置一塊未復墾地作為對比田塊。

2.1 樣品采集與處理

2019年8月，對復墾后的內排土場四個大田塊及未復墾地進行了樣地調查和取樣，取樣前未進行澆水處理。大田塊一15 d翻耕一次，翻耕處理一年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿；大田塊二30 d翻耕一次，翻耕處理一年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿；大田塊三60 d翻耕一次，翻耕處理一年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿；大田塊四當年翻耕處理，并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿。其中，采樣時樣區處于翻耕處理一年后，且苜蓿已生長出來時。為了使樣地中所選定的各樣點代表不同的植被恢復水平，在取樣的地塊內對各樣點的植被長勢進行了定性的分級，同時考慮到不同的重構地塊內植被恢復的整體水平具有差異性，定性分級在三個不同的重構地塊內分別進行，因此本次樣點的選定能夠代表樣地內不同植被的恢復水平。在每個小田塊內基于樣線法在代表性地塊上分別設置12個樣點，植被恢復水平根據植被覆蓋度高低劃分為1、2、3、4四個等級，每個等級下設置三個土樣樣點，采樣深度為20 cm，將三個樣點采集到的土樣混合。

2.2 數據測定

數據測定采用土壤含水率采用烘干法，土壤含水率計算公式見式(1)。

(1)

式中：X為土壤含水率，%；m1為濕土樣質量，g；m2為干土樣質量，g。

2.3 數據分析

采用SPSS 22.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析(P<0.05)，數據用3次重復試驗均值計算。以復墾地第一個大田塊中的第一個小田塊為例，將其記為1-1，復墾地第一個大田塊的第二個小田塊記為1-2，以此類推對復墾地不同小田塊進行命名。

3 研究結果

3.1 不同重構土壤方式下土壤含水率差異性分析

當植被生長等級為1時，不同土壤重構方式下土壤含水率差異性見圖1。由圖1可知，在大田塊一中，未復墾地的土壤含水率最高，為12.29%，與復墾地1-1、復墾地1-2、復墾地1-3之間不存在顯著性差異。在大田塊二中，復墾地2-3的土壤含水率最高，為14.16%，顯著高于復墾地2-1和復墾地2-2，高出比例分別為39.97%和113.69%(高出比例是通過每個田塊土壤含水率均值計算得到的)；復墾地2-3和未復墾地之間不存在顯著性差異，高出未復墾地15.19%。在大田塊三中，復墾地3-3土壤含水率最高，為13.15%，與復墾地3-1、復墾地3-2、未復墾地之間不存在顯著性差異。在大田塊四中，復墾地4-3的土壤含水率最高，為15.36%，顯著高于復墾地4-1和復墾地4-2，高出比例分別為41.57%和64.56%；與未復墾地之間不存在顯著性差異，高出未復墾地24.96%。

圖1 植被生長等級為1時，不同土壤重構方式下土壤含水率差異性Fig.1 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 1(注：柱狀圖上方字母不同表示差異性顯著，通過字母是否有相同而表示組內差異性。若兩個柱形上方字母有相同的，則這兩個田塊之間差異性不顯著；若字母不同，則差異性顯著(sig值取P<0.05)，下同)

當植被生長等級為2時，不同土壤重構方式下土壤含水率差異性見圖2。由圖2可知，在大田塊一中，未復墾地的土壤含水率最高，為12.29%，與復墾地1-1、復墾地1-2、復墾地1-3之間不存在顯著性差異。在大田塊二中，復墾地2-2的土壤含水率最高，為13.12%，與復墾地2-1、復墾地2-3、未復墾地之間不存在顯著性差異。在大田塊三中，未復墾地的土壤含水率最高，與復墾地3-1、復墾地3-2、復墾地3-3之間不存在顯著性差異。在大田塊四中，未復墾地的土壤含水率最高，顯著高于復墾地4-2，高出比例為38.48%；與復墾地4-1、復墾地4-3之間不存在顯著性差異。

圖2 植被生長等級為2時，不同土壤重構方式下土壤含水率差異性Fig.2 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 2

當植被生長等級為3時，不同土壤重構方式下土壤含水率見圖3。由圖3可知，在大田塊一中，復墾地1-3的土壤含水率最高，為17.59%，顯著高于復墾地1-2，高出比例為261.06%；與未復墾地之間不存在顯著性差異，高出未復墾地43.12%。在大田塊二中，復墾地2-3的土壤含水率最高，為13.39%，顯著高于復墾地2-1，高出比例為112.84%；與未復墾地之間不存在顯著性差異，但高出未復墾地8.95%。在大田塊三中，復墾地3-3的土壤含水率最高，為14.40%，與復墾地3-1、復墾地3-2和未復墾地之間不存在顯著性差異。在大田塊四中，復墾地4-2的土壤含水率最高，為14.96%，與復墾地4-1、復墾地4-3和未復墾地之間不存在顯著性差異，土壤含水率高出未復墾地21.71%。

圖3 植被生長等級為3時，不同土壤重構方式下土壤含水率差異性Fig.3 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 3

當植被生長等級為4時，不同土壤重構方式下土壤含水率見圖4。由圖4可知，無論在哪個大田塊中，復墾地的土壤含水率與未復墾地之間均不存在顯著性差異。在大田塊一中，復墾地1-3的土壤含水率最高，為15.11%，高出未復墾地22.93%。在大田塊四中，復墾地4-2的土壤含水率最高，為14.09%，高出未復墾地14.65%。

圖4 植被生長等級為4時，不同土壤重構方式下土壤含水率差異性Fig.4 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 4

3.2 不同植被生長等級下重構土壤含水率差異性分析

當土壤重構方式為巖土剝離物時，不同植被生長等級下土壤持水能力的差異性見圖5。由圖5可知，在大田塊一中，未復墾地的土壤含水率最高，為12.29%，顯著高于植被生長等級為4時的土壤含水率，高出比例為62.41%。在大田塊二中，未復墾地的土壤含水率最高，顯著高于植被生長等級為3時的土壤含水率，高出比例為95.36%。在大田塊三中，植被生長等級為1時的土壤含水率最高，為12.78%，與植被生長等級為2、3、4時和未復墾地之間不存在顯著性差異，土壤含水率高出未復墾地3.94%。在大田塊四中，未復墾地的土壤含水率最高，顯著高于植被生長等級為4時的土壤含水率，高出比例為125.22%。

圖5 土壤重構方式為巖土剝離物時，不同植被生長等級下土壤含水率差異性Fig.5 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the soil reconstruction method is geotechnical stripping

當土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石=2∶3時，不同植被生長等級下土壤含水率差異性見圖6。由圖6可知，在大田塊一中，植被生長等級為4時的土壤含水率最高，為12.68%，與植被生長等級為1、2、3時和未復墾地之間均不存在顯著性差異，土壤含水率高出未復墾地3.12%。在大田塊二中，植被生長等級為2時的土壤含水率最高，為13.12%，顯著高于植被生長等級為1時，高出比例為98.00%；與未復墾地之間不存在顯著性差異，高出未復墾地6.73%。在大田塊三中，植被生長等級為3時的土壤含水率最高，為13.46%，與植被生長等級為1、2、4時和未復墾地之間均不存在顯著性差異，高出未復墾地9.49%。在大田塊四中，植被生長等級為3時的土壤含水率最高，為14.96%，與植被生長等級為1、2、4時和未復墾地之間均不存在顯著性差異，高出未復墾地21.71%。

圖6 土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石=2∶3時,不同植被生長等級下土壤含水率差異性Fig.6 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the soil reconstruction mode is rock soil stripping∶coal gangue=2∶3

當土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時，不同植被生長等級下土壤含水率差異性見圖7。由圖7可知，在大田塊一中，植被生長等級為3時的土壤含水率最高，為17.59%，與植被生長等級為1、2、4時和未復墾地之間均不存在顯著性差異，高出未復墾地43.12%。在大田塊二中，植被生長等級為1時的土壤含水率最高，為14.16%，與植被生長等級為2、3、4時和未復墾地之間均不存在顯著性差異，高出未復墾地15.19%。在大田塊三中，植被生長等級為3時的土壤含水率最高，為14.40%，顯著高于植被生長等級為2時，高出比例為64.93%；植被生長等級為3時的土壤含水率與未復墾地之間不存在顯著性差異，高出未復墾地17.15%。在大田塊四中，植被生長等級為1時的土壤含水率最高，為15.36%，顯著高于植被生長等級為2、3、4時，高出比例分別為42.94%、53.73%、35.34%；植被生長等級為1時的土壤含水率與未復墾地之間不存在顯著性差異，高出未復墾地24.96%。

圖7 土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時，不同植被生長等級下土壤含水率差異性Fig.7 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the soil reconstruction mode is rock soil stripping∶coal gangue∶fly ash=3∶4∶3

4 討 論

4.1 不同重構土壤方式下土壤含水率分析

當植被生長等級為1時，大田塊二、大田塊三和大田塊四在土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時土壤含水率最高；當植被生長等級為2時，大田塊一和大田塊二在土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時土壤含水率較高；當植被生長等級為3時，大田塊一、大田塊二、大田塊三在土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時土壤含水率最高；當植被生長等級為4時，大田塊一、大田塊二、大田塊三在土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時土壤含水率較高。因此，在不同的植被生長等級下，土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時土壤含水率均較高。這是由于煤矸石的理化性質和土壤的理化性質具有較大的差異，煤矸石中大孔隙含量較多，造成其持水性差，長時間施用會影響地下水對土壤水分的補充，進而影響植物生長[19]。粉煤灰是火力發電廠燃煤排出的一種工業廢渣，具有豐富的孔隙和巨大的比表面積，在土壤中摻入粉煤灰可以有效改善土壤結構和通氣透水性能[18-20]。煤矸石和粉煤灰混合后可以提高煤矸石的飽和含水量，同時可以改變煤矸石的孔隙結構并降低煤矸石的導氣率[18-21]。

4.2 不同植被生長等級下土壤含水率分析

當土壤重構方式為巖土剝離物時，大田塊一和大田塊二在植被生長等級為1、2時土壤含水率較高；當土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石=2∶3時，大田塊三和大田塊四在植被生長等級為3時土壤含水率較高；當土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時，大田塊一和大田塊三在植被生長等級為3時土壤含水率最高，大田塊二和大田塊四在植被生長等級為1時土壤含水率最高。因此，不同植被生長等級下土壤含水率并不是植被生長等級越高越好。這可能與排土場存在的微地形及重構土壤結構有關，當排土場有小型溝壑存在時，在降雨時可能會存在積水情況，有研究表明，在實際應用時，使用粉煤灰充填土地容易造成地表積水，導致土壤透氣性差，影響植被生長狀況。而使用煤矸石充填時，煤矸石極差的持水性容易導致土壤水分易流失，因此，當土壤含水率最高時，植被生長狀況不一定最優[22-23]。

4.3 利用礦區固體廢棄物進行土壤重構存在的局限性分析

在氣候干旱時，由于復墾土壤表層土壤較薄，重構土壤含水量可以滿足植被的生長需求，粉煤灰層具有較強的持水能力，但這種強持水能力也會帶來一定局限性，當粉煤灰施用過多時，整個復墾土壤剖面的含水量可能常年接近飽和含水量，這會阻滯植物的生長，即使是在干旱的年份，這種局限性也可能存在[24]。利用煤矸石進行土壤重構時，土壤含水率會受到坡位的影響，降水的徑流作用導致含水量由坡上到坡下呈現逐漸增加的趨勢[25]。因此，在進行表土稀缺礦區土壤重構過程中，粉煤灰的含量不應過多，應保證與煤矸石按一定比例混合后對土壤的含水率改善作用最優。在除此之外，礦區進行重構土壤平整過程中，應盡量避免溝壑的存在，并對復墾地進行充分的翻耕和平整。

5 結 論

1)在不同的植被生長等級下，土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時土壤含水率均較高。

2)當土壤重構方式相同時，不同植被生長等級下土壤含水率并不是植被生長等級越高越好。當土壤重構方式為巖土剝離物時，大田塊一(當年不種植，不翻耕)和大田塊二(15 d翻耕靶地一次)在植被生長等級為1、2時土壤含水率較高；當土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石=2∶3時，大田塊三(30 d翻耕靶地一次)和大田塊四(60 d翻耕靶地一次)在植被生長等級為3時土壤含水率較高；當土壤重構方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3時，大田塊一(當年不種植，不翻耕)和大田塊三(30 d翻耕靶地一次)在植被生長等級為3時土壤含水率最高，大田塊二(15 d翻耕靶地一次)和大田塊四(60 d翻耕靶地一次)在植被生長等級為1時土壤含水率最高。