草原礦區重構土壤特征對植被生長狀況的影響研究

吳大為，鐵原旭，嚴子循，胡閱川，宋子康，曹銀貴,2,*

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.自然資源部 土地整治重點實驗室，北京 100035)

0 引 言

露天開采是許多國家進行煤礦開采的重要方法，其產量占比一般在50%以上，有的國家甚至超過90%[1]。煤炭資源的大規模開采，給局部地區帶來眾多生態環境和社會問題[2]。煤礦區土地復墾最早在德國和美國受到重視，自20世紀20年代開始德國就在煤礦廢棄地上種植樹木以恢復植被和保護環境，美國則在《礦山租賃法》中對保護土地和自然環境提出明確要求[3]，可見國外對煤礦開采地的土地復墾和土壤重構研究起步較早。我國露天煤礦可開采量占總儲量的10%～15%[4]，遠低于美國、澳大利亞等國家，但露天開采量穩步提升，2016年開采量達到了21.1%，2017年雖降至15.0%，但此后逐步提升。露天煤礦的開采在為國民經經濟做出貢獻的同時，也對礦區生態環境造成了巨大影響，主要包括占用和破壞大量土地、破壞生態環境，礦坑疏干地下水造成地下水位下降、破壞水利平衡等影響[5-6]。

在表土稀缺礦區的土地復墾過程中，土壤重構問題最不容易解決[7]。土壤重構作為國內外土地復墾研究的重點問題，我國有過類似方面的研究。榮穎[8]等人研究了不同重構土壤材料配比對土壤改良的影響，發現了風沙土、紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐殖酸材料的最佳配比；周楊[9]等人對不同重構方式下礦區土壤持水性的差異性進行了研究，這為以煤矸石、保水劑以及礦區表土為復配材料配制容重適宜、持水性良好的重構土壤提供理論指導；王金滿[10]等人對于黃土區露天煤礦排土場重構土壤顆粒組成的多重分形特征的研究，為黃土區露天煤礦排土場土地復墾以及重構土壤質量的量化提供理論依據。綜上，國內對重構土壤材料配比及其單一理化性質的研究較豐富，但對于重構土壤肥力特征以及植物生物量的研究較少。

根據《內蒙古自治區礦山環境治理實施方案》，由于礦山長期過度開發，形成了大量礦坑并嚴重破壞草原森林，因此，需要以生態優先、綠色發展為導向，加強統籌、科學規劃，筑牢我國北方重要生態安全屏障和祖國北疆萬里綠色長城。

研究區位于內蒙古錫林浩特，是我國北方重要的生態屏障，但是近20年來，礦產資源的大量開采對錫林浩特草原景觀造成了嚴重影響，使區域碳平衡遭到嚴重破壞[11]。露天礦產資源開采需要大面積剝離表層土壤，這嚴重破壞了草原植被的生長環境[12]。煤炭資源開采引起的草場退化、植物多樣性銳減等生態問題，經過長期累積和空間外擴，對礦區及周邊地區的生態環境產生嚴重負面影響[13-15]。對不同土壤重構方式進行實驗可以因地制宜的探究出恢復礦區損毀地最好的土壤重構方式，土壤重構是以恢復工礦區破壞土地的土壤或植被重建為目的，采取適當的重構技術工藝，重新構造一個適宜的土壤剖面和土壤肥力因素，在較短的時間內恢復和提高重構土壤的生產力，并改善重構土壤的環境質量的活動[7]。重構土壤對礦區生態修復和植被長勢起到基礎性促進作用，長勢良好的植被又促進礦區綠色低碳發展，構成了重構土壤-植被-低碳的良性鏈接，因此，礦區生態修復的重點是以重構土壤為基礎的研究。

本文對內蒙古勝利礦區廢棄礦坑修復后的重構土壤特性進行研究，以模糊數學加乘原則計算土壤肥力指數，采用GIS和地統計學相結合的方法，確定生物量和綜合肥力指數的空間變異特征和分布格局，用以研究不同熟化方式和不同重構方式的土壤對植被生長狀況的影響，以促進綠色低碳發展。總體來說，本研究旨在進行合理的實驗研究探究出內蒙古勝利礦區最合適的重構土壤方案，使得植被長勢最優。

1 研究區概況

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，位于內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內，勝利煤田的西南部，南距錫林浩特市6 km，跨詳查、精查兩個勘探區，地理位置為43°57′～44°14′N，115°30′～116°26′E，地表東西長6.84 km，南北寬5.43 km，含煤面積37.14 km2，地質儲量1 934.43 t，可開采的地質儲量1 854.79 t，平均剝離率為2.59 m3/t，研究區概況如圖1所示。整個礦區地勢較平坦，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年均氣溫1.7 ℃，年降水量294.74 mm，年平均蒸發量為1 794.64 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，土壤有機質含量降低，土壤肥力差，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年進行了有效的土地復墾與植被重建，經考察后發現該地區自然植物組成主要有克氏針茅、大針茅、糙隱子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、錦雞兒等草本植物，故人工復墾與植被重建先鋒植被選為紫花苜蓿。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview of the study area

2 材料與方法

內排土場采用了3種不同的重構方式重構土壤：第一種為表層為50 cm的巖土剝離物，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第二種為表層為50 cm的巖土剝離物、煤矸石的混合物，配比為2∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第三種為表層為50 cm的巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰的混合物，配比為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，3種不同重構方式形成的三個小田塊構成一個大田塊，共計8個大田塊，目前種植的4個大田塊。

2.1 樣品采集與處理方法

2019年8月對當年復墾后的內排土場復墾區進行了樣地調查和取樣。在內排土場8個大田塊中選取了田塊一、二、三、四采集土壤樣本。每個大田塊的土壤熟化方式不同，大田塊一：15 d翻耕一次，翻耕處理一年并植苜蓿，年底將首蓿翻壓至土里，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。為了使樣地中被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生長狀況進行了定性的分級，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，實際的定性分級是在3個不同的重構地塊內分別進行的，因此本次樣點的選定能夠代表樣地內不同的植被恢復水平。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的生長狀況由優至劣定義為1、2、3、4四個等級，每個等級下設置3個土樣樣點，采樣深度20 cm，將3個樣點采集到的土樣混合。植被恢復水平根據植被的生物量來判斷，生物量越大代表植被生長狀況越好。

圖2 田塊的土壤重構方案縱截面圖及熟化處理方式Fig.2 Longitudinal section of soil reconstruction scheme and maturation methods of field

2.2 數據測定

相關文獻指出，為了更快更好的提高土地質量，恢復土地生態功能，建議對復墾土地中的容重、田間持水量、有機質、全氮和碳氮比實施動態監測，以便及時根據土壤中的養分含量調整措施，提高土壤肥力，使礦區土地資源得到合理保護[16]。因此，本文選取以下7個因素研究重構土壤的各項特征，同時在一定程度上也能反映重構土壤的質量水平。

土壤田間持水量采用烘干法測定，計算公式見式(1)：

(1)

式(1)中：X為田間持水量，%；m1為濕土樣質量，g；m2為干土樣質量，g。

土壤有機質含量采用滴定法測定，計算公式見式(2)：

(2)

式(2)中：m為有機質含量，%；c為硫酸亞鐵消耗摩爾濃度，mol/L；v0為空白實驗消耗的硫酸亞鐵溶液的體積，mL；v為滴定待測土樣消耗的硫酸亞鐵的體積，mL；M為風干樣重，g；e為水分系數；0.003 為1/4 mmol碳的克數；10 724為由土壤有機碳換算成有機質的換算系數；1.1為校正系數(用此法氧化率為90%)。

土壤容重采用環刀法測，計算公式見式(3)：

(3)

式(3)中：r為土壤容重，g/cm3；m3為環刀內濕樣質量；v為環刀容積，一般為100 cm3；θm為樣品含水量(質量含水量)，%。

2.3 數據處理

在SPSS 19.0 軟件中完成土壤肥力指標和土壤綜合肥力指數描述統計分析和Pearson相關性分析。在arcgis10.6的地統計分析模塊(geostatis-

tical analyst)中完成克里金(kriging)空間插值圖。在imageJ中完成對植物生物量面積占比的測定。

3 結果與分析

3.1 土壤質量評價體系構建及分析

3.1.1 土壤質量評價體系構建

評價因素的選取遵循主導因素原則、差異性原則、穩定性原則、敏感性原則，采用定量和定性相結合的方法[17]，依此，選取了土壤容重、有機質、全氮、有效磷、速效鉀、土壤含水率及pH作為評價因子。使用SPSS分析軟件得出各肥力指標之間的相關系數，采用相關系數法確定各個肥力指標的權重。計算各項肥力指標之間的相關系數，獲得某一肥力指標與其他肥力指標相關系數的平均值，將該平均值與所有肥力指標相關系數平均值總和的比值作為該肥力指標的權重，評價指標的權重計算公式如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

根據礦區排土場的實際情況，采用S型隸屬函數式，如式(6)[18]，計算隸屬度值。參考全國第二次土壤普查的養分分級標準[19](如表1)和土壤含水率和干旱程度分級標準[20](如表2)中推薦的土壤質量指標隸屬度函數的閾值范圍，以各項指標的5級標準平均值和2級標準平均值作為函數的轉折點x1和x2(取值如表3)計算容重、含水率、有機質、全氮、有效磷、速效鉀的隸屬度。另外，本研究用經驗法[21]計算pH值的隸屬度，如表4。

(6)

表1 第二次土壤普查分級標準

表2 土壤含水率和干旱程度分級標準表

表3 隸屬度曲線轉折點取值

表4 pH的隸屬度值

以模糊數學中的加乘原則為原理，利用前面求得的各土壤質量指標的權重及隸屬度值，計算土壤綜合肥力指數IFI[22]，計算式如式(7)：

(7)

式(7)中，Fi為第i項評價指標的隸屬度值。IFI取值范圍在0～1之間，且IFI的數值越接近于1，表明土壤肥力越高，即該區域土壤質量越好。土壤綜合質量分級標準如表5所示。

表5 IFI值與土壤質量對照標準

3.1.2 土壤肥力指數分析

對實驗田不同重構方式以及熟化方式的土壤肥力指數進行統計分析(如表6)，結果表明：各個田塊的變異系數在15.6%～42.9%之間，均屬于中等變異；試驗田的土壤肥力指數在0.149 4到0.806 5 之間，均值為0.488 3；不同熟化方式下，大田塊三的土壤肥力指數均值最高，但與其余熟化方式無顯著性差異；不同重構方式下，重構方式三的土壤肥力指數均值最高，顯著高于重構方式一，與重構方式二無顯著性差異(如圖3)。

表6 土壤肥力指數描述性統計

在不考慮熟化措施的條件下，第三種土壤重構方式土壤肥力指數顯著高于其余兩種土壤重構方式的土壤肥力指數，因為第三種土壤重構方式中添加了粉煤灰，根據王娟等人對粉煤灰在土壤改良方面應用的綜述可知，粉煤灰可以改善土體結構，降低容重，增加土壤含水量[23]，同時粉煤灰中含有硅及微量的鈣、鎂等植物生長所需的元素[24]，故以粉煤灰作為重構土壤的材料不僅可以改善植物根系周圍的物理環境，也為植物提供了一定的養分，改善了其生長的化學環境，其余兩種土壤重構方式中沒有添加粉煤灰。該試驗田重構土壤各項肥力指標偏低，這是因為新重建土壤的性質不充分，持水能力低，導致其物理性質惡化和侵蝕，各項肥力指標較差，但第二種土壤重構方式和第三種土壤重構方式中都添加有煤矸石，根據資料可知當地土壤本身pH在7.5～8.5之間[25]，而勝利礦區產煤以低硫煤為主，其廢棄煤矸石呈酸性，重構土壤中添加酸性煤矸石能降低土壤pH，使得pH這項土壤肥力指標指標處于較優范圍。此外，經過不同熟化措施處理的土壤肥力遠低于不同重構方式處理的土壤肥力，其主要由土壤含水量和土壤容重的變化引起，反映出重構方式對土壤含水量具有重要影響，也表明重構方式對土壤肥力的影響更顯著。大田塊三的土壤肥力指數最高，但與其余田塊土壤肥力指數并無顯著性差異，因此熟化措施對于土壤肥力影響較小。

圖3 土壤肥力指數顯著性圖Fig.3 Significance maps of soil fertility index

3.2 植物生物量空間結構特征分析

通過數據的克里金空間插值，得到了植物生物量的最大值為148 g。根據最大值將生物量分為四個等級，0～37 g為差，38～74 g為普通，75～111 g為良好，112～148 g為優秀。

3.2.1 不同重構方式下生物量的空間分布特征分析

如圖4所示，在大田塊一中，重構方式一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的70.3%，重構方式二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的50.1%，重構方式三中植被生物量大于37 g 的面積約占小田塊總面積的33%。

在大田塊二中，重構方式一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的40%，重構方式二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的13.2%，重構方式三中植被生物量大于37 g 的面積約占小田塊總面積的12.6%。

在大田塊三中，重構方式一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的43.5%，重構方式二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的32.7%，重構方式三中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的23.5%。

在大田塊四中，重構方式一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的59.5%，重構方式二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的79.2%，重構方式三中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的100%。

根據上述描述可知，當熟化方式相同時，田塊的重構方式為一和三時均能使苜蓿生物量水平達到普通及以上，而重構方式二中的苜蓿生長狀況較差。這是因為重構方式一中的巖土剝離物物理性質雖然與當地的表土物理性質非常接近，但田塊一、二、三均翻耕次數較多，這三個田塊重構土壤的物理性質差異不顯著，因此這三者反映出的植被生物量沒有參考價值；重構方式三中煤矸石本身顆粒大，有機質含量較高。根據王瓊、孫海容、張宇航等研究發現[26-28]，煤矸石能夠降低鹽堿土壤的pH，與其它材料混合能有效降低試驗區土壤的堿性，使得pH控制在6.5～7.5之間，此范圍是苜蓿生長的合適范圍。粉煤灰粒級大，具有親水性[29]，但養分狀況較差；三者混合后可以有效改善土壤結構，提高土壤養分。

圖4 不同重構方式生物量分布圖Fig.4 Biomass distribution diagrams of different reconstruction methods

3.2.2 不同熟化措施下生物量的空間分布特征分析

如圖5所示，在重構方式一中，大田塊一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的51.2%，大田塊二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的58.5%，大田塊三中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的42.5%，大田塊四中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的56.9%。

在重構方式二中，大田塊一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的29.3%，大田塊二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的20.8%，大田塊三中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的57.1%，大田塊四中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的77.8%。

圖5 不同熟化方式生物量分布圖Fig.5 Biomass distribution diagrams of different maturation methods

在重構方式三中，大田塊一中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的31%，大田塊二中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的43.8%，大田塊三中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的59%，大田塊四中植被生物量大于37 g的面積約占小田塊總面積的99.1%。

根據上述描述可知，當土壤重構方式相同時，大田塊四相較于其它三個田塊的植被生物量水平高。因為大田塊四翻耕次數一年一次，相較于其它田塊少，使得土壤的孔隙度較小，根據趙宏勝[30]等人的研究可知，荒漠草原區草本生物量大小與土壤孔隙度呈負向相關性，即土壤孔隙度越小，草本生物量越大；而在試驗區較為干旱的情況下，翻耕次數較多的熟化方式會使得下層濕潤土壤被翻至上層，水分蒸發，土壤含水量降低，影響植被生長狀況，導致生物量較小。根據曹良元等人研究，較少的耕作次數能增厚有效耕作層，減少對土壤的擾動，促進大團聚體的形成，改善土壤結構和理化性質，提高土壤耕層中養分含量以保障農作物生長發育養分供求，提高土壤肥力[31-33]。

3.3 植物生物量與土壤肥力指數的空間耦合特征分析

實驗田根據不同土壤重構方式和熟化方式分為12個小田塊，如圖6中可以看出，植被生物量較高的區域集中在田塊4-3的東北部、田塊1-3的東北部和田塊2-1的東南部，田塊4-3的生物量較高。土壤肥力指數較高的區域集中在田塊4-2、4-3的中部，其中田塊4-3的土壤肥力指數最高。

圖6 試驗田植物生物量及土壤肥力指數分布圖Fig.6 Distribution maps of plant biomass and soil fertility index in the experimental fields

根據上述描述可知在土壤肥力指數最高的田塊4-3中，植被的生物量水平也最高，土壤肥力與植被長勢呈正相關。在其余的田塊中，土壤肥力較高的區域的植被生物量水平并不高，因為根據《全國第二次土壤普查分級標準》，容重越低，等級越高，致其隸屬度高，而翻耕次數多的熟化方式雖然會使土壤容重變低，但重構土壤的團粒結構遭到破壞，并且干旱區多次翻耕也會導致土壤水分的流失，不利于植物生長，因此，實驗結果表現出來翻耕次數較少的田塊植被生物量水平較高。

4 結 論

本文通過模糊數學方法，兼顧各項肥力指標，定量確定了實驗地的土壤肥力指數，用以反映土壤肥力；利用地統計學克里金方法，進行了植被干重以及土壤肥力指數的空間特性分析，最終得到了內蒙古勝利礦區最合適的重構土壤方案。結論如下：

(1)熟化方式對于重構土壤本身肥力影響較小。當重構土壤方式為表層為50 cm的巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰的混合物，配比為3∶4∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體時，土壤的肥力指數較高；建議在該類草原地帶礦區優先選擇此重構配比方式重構土壤，以更好促進當地生態修復與生物固碳。

(2)當土壤重構方式為表層為50 cm的巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰的混合物，配比為3∶4∶3，熟化方式為當年翻耕處理，并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿時，植被生物量水平高，長勢狀況較優，適合植被的生長。