礦區不同土地利用方式下土壤理化特性分析

樊艷平，陳明星，孟昭琛

（太原師范學院地理科學學院，山西 晉中 030619）

土壤是人類賴以生存的基礎，是人類主要的生產基地。山西省是煤炭資源大省，近幾十年煤炭資源的不合理開發對礦區周圍土壤質量產生了很大影響，破壞了當地的生態環境。在開采煤炭的同時，要始終秉承習近平總書記提出的生態文明思想，加強生態環境建設和保護。合理開采煤礦、恢復礦區生態已成為當前煤礦發展面臨的關鍵任務[1]。礦區土地利用方式的變化在影響土壤特性的同時，還會改變土地生產力，導致土壤質量發生變化，最終使土壤環境發生變遷[2-3]。

土壤質量是自然屬性和人為因子作用的結果[4]，人類對土地的利用方式會影響土壤的性質[5-6]，進而改變土壤肥力。不同的土地利用方式影響著土壤內全氮、有效磷等的流動，對土壤養分及循環具有極為重要的影響[7]。土壤粒徑、土壤容重作為典型的土壤屬性，對土壤的結構、質地以及肥力有著重要影響，受土地利用類型的影響較大[8]。

土地利用方式不同，其土壤結構及養分含量存有較大差異[9]。合理利用土地對改善土壤結構具有重要影響。不合理利用土地會導致土壤肥力大幅下降，破壞原有的土壤結構[10-11]。土壤容重、土壤質地是重要的土壤物理特性指標，有機質、有效磷、速效鉀、pH 值是重要的土壤化學特性指標[12]，這些指標對土壤理化特性有直接影響，最終會對土壤微生物和植物生長發育產生影響[13-14]。

1 研究區概況

1.1 礦區基本情況

西銘礦區位于東經112°14′～112°31′、北緯37°38′～37°56′，在山西省太原市以西，距太原市中心20 km。礦區地形切割強烈，深切成“V”字型，屬于中低山區，常出現干旱、暴雨、洪澇、冰雹、霜凍等天氣，年均氣溫9.5 ℃，降水量年際變化較大，全年降水量約60%集中于7—9 月，年平均降水量為428.2 mm（1965—2019年）。

1.2 礦區土壤類型

研究區內的土壤類型主要有山地棕壤、褐土、草甸土3 種，部分砂頁巖裸露山坡有殘積土分布。林地土壤主要是棕壤土，在研究區內廣泛分布，多見于104 省道兩側山坡處，有機質含量為7%～15%，土壤呈微酸性，pH 值為6.5～7.0。農業土壤主要為山地褐土，分布在旱地和裸地附近，土壤呈褐色或棕褐色，質地為中壤土至輕黏土，全剖面呈微堿性反應，pH 值為7.2～7.8。草地土壤主要為草甸土，研究區內多見于其他草地中，植被以高寒喜濕性矮生蒿草為主。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

通過實地走訪調研，使用網格隨機取樣的方法，采集耕地、園地、林地、草地土壤樣品，采樣深度分別為0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～70 cm，設置3 次重復。將每個樣地采集到的土樣（去除植物根系和石塊）充分混合裝入自封袋，并放入樣品箱帶回實驗室。

2.2 指標測定

在實驗室對采集的土樣進行處理后，分別測定土壤中有機質含量、有效磷含量、速效鉀含量、pH 值、土壤質地、土壤容重等指標。其中，測定有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法，測定有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法，測定速效鉀含量采用火焰光度計法，測定pH 值采用酸度計法，測定土壤質地采用手測鑒定法，測定土壤容重采用容積為100 cm3的環刀[15]，最后采用Excel 進行數據處理。

3 數據分析

3.1 西銘礦區土地利用現狀調查

礦區（新礦界+退出晉祠泉域部分）涉及太原市萬柏林區和古交市。其中，萬柏林區3 975.92 hm2，占礦區總面積92.36%；古交市328.78 hm2，占礦區總面積的7.64%。

如表1 所示，不同土地利用類型所占比例的排序依次為林地＞草地＞城鎮村及工礦用地＞耕地＞其他土地＞交通運輸用地＞園地＞水域及水利設施用地（81.99%＞5.15%＞4.91%＞3.78%＞2.99%＞0.64%＞0.52%＞0.03%）。其中，林地、草地最大，交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他用地和城鎮村及工礦用地類型多為建設用地，土地表層被建筑物等遮蓋，導致土壤樣品采集難度大，所以將耕地、園地、林地、草地作為本次研究的4 種土地利用類型。

表1 礦區范圍土地利用現狀統計表

3.2 不同土地利用方式下的土壤化學特性

不同土地利用方式下的土壤化學特性如表2 所示。

3.2.1 不同土地利用方式下土壤有機質含量

由表2 可知，在垂直分布上，0～10 cm、10～30 cm土層深度下土壤有機質含量在各土地利用方式之間差異顯著（P＜0.05）。耕地、園地土壤有機質含量均隨土層深度增加呈現逐漸減少的趨勢，以0～10 cm 土層深度最高；隨著土層深度的增加，林地土壤有機質含量呈現先增加后減少的趨勢，以10～30 cm 土層深度最高；草地土壤有機質含量呈先減少后增加再減少的趨勢，以0～10 cm 土層深度最高。

表2 不同土地利用方式下土壤有機質含量

不同土地利用方式下，土壤有機質含量在不同深度的平均值排序為林地＞草地＞園地＞耕地（1.18%＞1.12%＞1.06%＞0.88%），林地最高。林地、草地兩種利用方式受人為干擾較少，表層土壤中含較多枯枝落葉分解形成的有機質，故有機質含量較高。耕地受人為干擾較大，土壤原本的結構易被破壞，且植被類型單一，導致耕地表層有機質含量較少。

3.2.2 不同土地利用方式下土壤有效磷含量

由表3 可知，在垂直分布上，0～10 cm 土層深度下土壤有效磷含量在園地、林地以及草地之間差異顯著（P＜0.05），10～30 cm、50～70 cm 土層深度下土壤有效磷含量在各土地利用方式之間差異顯著（P＜0.05）。耕地、園地、草地土壤有效磷含量均隨著土層深度的增加而減少，且0～10 cm 土層深度最高；林地土壤有效磷含量隨著土層深度先增加后減少，10～30 cm 土層深度最高。

表3 不同土地利用方式下土壤有效磷含量

不同土地利用方式下，土壤有效磷含量在不同深度的平均值排序為草地＞林地＞園地＞耕地（5.81 mg/kg＞4.81 mg/kg＞4.62 mg/kg＞3.90 mg/kg），草地最高。林地表層枯枝落葉分解產生的無機物進入腐殖質層，有效磷的積累量大于消耗量，含量增加，隨后積累量逐漸減少且小于消耗量，故有效磷含量隨著深度增加而減少。草地受人為干擾較小，凋落物以及植物根系分解后形成的有效磷會進入土壤表層，使土壤表層有效磷含量較高。

3.2.3 不同土地利用方式下土壤速效鉀含量

由表4 可知，在垂直分布上，0～10 cm 和50～70 cm土層深度下土壤速效鉀含量在各土地利用方式之間差異顯著（P＜0.05）。隨著土層深度的增加，耕地、園地土壤速效鉀含量均逐漸減少，0～10 cm 土層深度速效鉀含量最高；林地、草地土壤速效鉀含量隨土層深度增加呈現先增加后減少的趨勢，10～30 cm 土層深度速效鉀含量最高。

表4 不同土地利用方式下土壤速效鉀含量

林地和草地表層的枯枝落葉分解成無機物進入腐殖質層，速效鉀含量增加；隨著土層深度的增加，植物根系減少，速效鉀積累受限，含量逐漸減少。

各土地利用方式下，土壤速效鉀含量在不同深度的平均值排序為林地＞園地＞草地＞耕地（119.75 mg/kg＞110.75 mg/kg＞91.25 mg/kg＞87.5 mg/kg），且林地最高。耕地中枯枝落葉層土壤速效鉀含量高于園地和草地，原因是耕地受人為干擾較大，人們會通過施肥促進農作物更好地生長，從而增加耕地土壤表層速效鉀的含量。

3.2.4 不同土地利用方式下土壤pH值

由表5 可知，礦區4 種不同土地利用方式下土壤pH 值為7.67～7.96，平均值排序為草地＞耕地＞園地＞林地（7.85＞7.83＞7.82＞7.81），30～50 cm 土層深度最高，說明該研究區內土壤基本屬于偏堿性土壤，且差異不大。從垂直分布上看，pH 值隨著土層深度的增加沒有較明顯的規律。

表5 不同土地利用方式下土壤pH 值

3.3 不同土地利用方式下的土壤物理特性

不同土地利用方式下的土壤物理特性如表6、表7所示。

表7 不同土地利用方式下土壤容重

3.3.1 不同土地利用方式下土壤質地

由表6 可知，園地和林地的土壤質地隨著土層深度的增加不變，均為中壤，其枯枝落葉層和腐殖質層土壤透水性能好，保水、保肥性強，土溫較穩定，故植物根系易于深入和發展，可汲取土壤中的養分。隨著土層深度的增加，耕地和草地中砂粒含量會逐漸減少，而黏粒含量會增加，保水性依次遞增，透氣性依次遞減。

表6 不同土地利用方式下土壤質地

3.3.2 不同土地利用方式下土壤容重

由表7 可知，在垂直分布上，耕地、林地和草地土壤容重均在不同土層深度下存在顯著差異（P＜0.05）。4 種不同土地利用方式下，土壤容重為1.19～1.41 g/cm3，平均值排序為草地＞林地＞園地＞耕地（1.31 g/cm3＞1.27 g/cm3＞1.26 g/cm3＞1.24 g/cm3），50～70 cm 土層深度最高。耕地土壤容重均小于其他土地利用方式，原因是人們在耕作時會松土以增加表層土壤中的氧氣濃度，促進植物生長，降低了土壤的緊實性。

4 結論與討論

研究得出，4 種土地利用方式下，土壤有機質含量在不同深度下的平均值排序為林地＞草地＞園地＞耕地（1.18%＞1.12%＞1.06%＞0.88%），由于林地受人類活動的影響最小，故林地的土壤肥力最好；土壤有效磷含量在不同深度下的平均值排序為草地＞林地＞園地＞耕地（5.81 mg/kg＞4.81 mg/kg＞4.62 mg/kg＞3.90 mg/kg）；土壤速效鉀含量在不同深度下的平均值排序為林地＞園地＞草地＞耕地（119.75 mg/kg＞110.75 mg/kg＞91.25 mg/kg＞87.50 mg/kg）；土壤pH 值在不同深度下的平均值排序為草地＞耕地＞園地＞林地（7.85＞7.83＞7.82＞7.81），pH 值隨著土層深度的增加沒有明顯規律；園地和林地的土壤質地隨著土層深度的增加不變，均為中壤；耕地和草地由于受人類活動的影響較大，因此隨著土層深度的增加，土壤質地由中壤轉變為重壤。耕地下作物根系主要分布在耕作層，耕作層土壤的黏性較弱，有利于作物根系深入土層汲取養分。土壤容重在不同深度下的平均值排序為草地＞林地＞園地＞耕地（1.31 g/cm3＞1.27 g/cm3＞1.26 g/cm3＞1.24 g/cm3）[16-18]。

卿小燕等（2021）[19]在對松花壩水源區土壤理化性質的研究中得出，林地土壤中的有機質含量普遍高于農田（菜地與玉米地），上述結果均與本研究結果一致。除7 月菜地與林地表層土壤有效磷含量無顯著差異外，其他月份及土壤層次下，農田（菜地與玉米地）土壤有效磷含量均顯著高于林地土壤，與本研究中林地土壤中有效磷含量高于耕地結果不一致。

本研究中不同土地利用方式下，土壤速效鉀含量排序為林地＞園地＞草地＞耕地。徐海軍等（2020）[20]在對大慶不同土地利用方式下的研究中得出，草甸、農田、林地的速效鉀含量呈依次下降趨勢，與本研究正好相反。

研究土壤pH 值發現，pH 值隨著土層深度的增加沒有明顯規律，與古麗波斯坦·巴圖（2018）[21]對渭-庫綠洲的耕地、林地、草地、鹽漬地中土壤pH 值研究結果一致。本研究發現，0～10 cm 園地和草地土壤pH 值最高，10～30 cm 林地土壤pH 值最高，與劉靜（2010）[22]在對不同土地利用方式下土壤理化性質的研究中得出的0～35 cm 土層深度林地土壤pH 值較高的結果一致。

李志強（2020）[23]對山西省龐泉溝落葉松林土壤理化性質的分析得出，龐泉溝地區隨著土層深度的增加土壤容重增大，速效鉀含量減少，與本研究林地土壤中速效鉀含量和土壤容重的變化趨勢基本一致。

5 結束語

本研究通過對土壤有機質、有效磷、速效鉀含量、pH 值、土壤質地、容重的測定和數據進行分析，對研究區不同土地利用方式下土壤的理化性質及土壤肥力情況有進一步了解，可為礦區合理利用土地資源和保護生態環境提供理論依據，但也存在一些不足。

在選擇參考指標方面，只選擇了有機質、有效磷、速效鉀、pH 值、土壤質地、土壤容重等指標，對土壤中的其他微量元素考慮不足。

研究礦區不同土地利用方式下土壤理化性質時，采樣點的分布范圍較窄，分布密度較低。今后在進行采樣時要更加合理地選擇采樣點，使數據更具可靠性。

在分析不同土地利用方式下土壤理化性質時，只考慮了物理和化學指標，忽略了土壤中的生物也會對土壤理化性質產生影響。今后可以深入研究生物因素對土壤理化性質的影響，使得相關研究更加全面。