露天礦區(qū)復(fù)墾草地和耕地土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

關(guān)鍵詞：土壤質(zhì)量;復(fù)墾耕地;復(fù)墾草地;主成分分析;安太堡露天礦

土壤質(zhì)量是土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度，是土壤特性的綜合反映。土壤肥力質(zhì)量是土壤從營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件兩方面供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)的能力。在煤炭開采過(guò)程中，由于挖損、壓占、塌陷，嚴(yán)重破壞了地表植被及生態(tài)環(huán)境，造成土壤肥力退化。植被恢復(fù)是提高礦區(qū)土壤肥力質(zhì)量的重要措施，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要內(nèi)容。王曉琳研究了不同植被措施對(duì)黑岱溝露天煤礦排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分的恢復(fù)作用，認(rèn)為經(jīng)過(guò)16年的復(fù)墾，7種人工植被下的土壤養(yǎng)分狀況尚未完全恢復(fù)到該地區(qū)自然水平，刺槐純林配置的恢復(fù)效果最佳。李鵬飛等研究了9種植被恢復(fù)模式對(duì)黑岱溝露天煤礦排土場(chǎng)土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明沙棘與錦雞兒作為灌木的喬灌混交模式下土壤的質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值最高。王楊揚(yáng)等以山西安太堡露天礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，分析評(píng)價(jià)了3種不同刺槐復(fù)墾模式條件下的土壤質(zhì)量，21年刺槐復(fù)墾有效改良了排土場(chǎng)各土層的土壤質(zhì)量，其中刺槐+油松模式下土壤改良效果最佳。李葉鑫等以海州露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，分析了不同植被類型下土壤物理性質(zhì)、入滲特征、養(yǎng)分特征、根系特征的差異性。研究結(jié)果表明：種植13年剌槐的土壤養(yǎng)分含量及土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最佳，為該區(qū)域復(fù)墾土壤的先鋒樹種。王金滿等以內(nèi)蒙古伊敏礦區(qū)為研究對(duì)象，研究披堿草和羊草混播復(fù)墾下不同復(fù)墾年限土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，研究認(rèn)為隨著復(fù)墾時(shí)間的增長(zhǎng)研究區(qū)土壤質(zhì)量逐漸接近原地貌土壤質(zhì)量。然而，已有研究多側(cè)重于復(fù)墾林地土壤的質(zhì)量研究，復(fù)墾草地及耕地土壤質(zhì)量研究較少。

本研究以原地貌土壤作為對(duì)照，探究復(fù)墾時(shí)間對(duì)復(fù)墾草地和耕地土壤肥力狀態(tài)的影響，分析礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量變化規(guī)律，為指導(dǎo)復(fù)墾土壤的有效管理和利用等提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

平朔安太堡露天礦區(qū)（經(jīng)度112°11’-113°30’，緯度39°23’_39°37’）位于山西省朔州市境內(nèi)，連接晉蒙陜“黑三角”區(qū)域。夏秋季溫暖少風(fēng)、降水集中，春冬季寒冷多風(fēng)、干燥少雨。礦區(qū)對(duì)環(huán)境變化敏感，生態(tài)極為脆弱。當(dāng)?shù)赝临|(zhì)偏砂，土壤類型為栗鈣土與栗褐土的過(guò)渡類型。經(jīng)過(guò)20余年的復(fù)墾，平朔礦區(qū)已獲得農(nóng)用地規(guī)模2000hm2，生態(tài)恢復(fù)成效顯著。

1.2樣地選擇和取樣

通過(guò)對(duì)安太堡露天礦區(qū)進(jìn)行調(diào)研和踏查，選擇海拔、坡度相似而生物復(fù)墾年限不同的草地和耕地各3塊為研究對(duì)象，與原地貌耕地和3年自然恢復(fù)樣地進(jìn)行對(duì)照。其中草地分別為3，8，20年生物復(fù)墾地。復(fù)墾開始時(shí)，人工種植紫花苜蓿，之后無(wú)施肥等其它農(nóng)業(yè)管理措施。采樣時(shí)，20年苜蓿地，苜蓿顯著退化造成野生雜草大量侵入，而3，8年苜蓿地，苜蓿生長(zhǎng)旺盛，雜草極少侵入。復(fù)墾3年耕地為復(fù)墾種植3年草玉米地，種植前后均無(wú)施肥措施，每年定期收獲，次年進(jìn)行表層土壤的翻耕和種植。復(fù)墾8年耕地和20年耕地均為復(fù)墾開始時(shí)種植紫花苜蓿，無(wú)農(nóng)業(yè)管理措施;3年后改種農(nóng)作物，定期收獲，播種時(shí)翻耕土壤，草玉米種植中不施肥，馬鈴薯種植過(guò)程中適量施肥。原地貌樣地為原有耕地且始終未受采礦干擾。3年自然恢復(fù)樣地為排土后，無(wú)人為生物復(fù)墾措施，野草自然生長(zhǎng)樣地。樣地基本情況見(jiàn)表1。

1.3樣品采集、分析

于2016年9月中旬在各樣地內(nèi)（表1）采集土壤樣品。每塊樣地分3個(gè)采樣小區(qū)，采用“S”形路線采樣，隨機(jī)取耕層（0-20 cm）5-7個(gè)樣點(diǎn)混勻，裝塑封袋待測(cè)。將部分土樣-4℃冷凍保存，并于1周內(nèi)測(cè)定土壤微生物量碳。將剩余土樣風(fēng)干處理后，用于土壤養(yǎng)分和酶活性分析。同時(shí)，用環(huán)刀采集原狀土壤樣品，測(cè)定土壤容重，計(jì)算各樣地的平均值。

土壤容重測(cè)定用環(huán)刀法。土壤養(yǎng)分測(cè)定有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量，養(yǎng)分的測(cè)定均采用常規(guī)方法。土壤微生物量碳的測(cè)定采用氯仿熏蒸-TOC儀測(cè)定。土壤酶活性測(cè)定脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶及過(guò)氧化氫酶活性，酶活性均按照關(guān)松蔭的方法測(cè)定。

1.4土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇及綜合指數(shù)計(jì)算

土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)過(guò)程分為3個(gè)階段：選擇評(píng)價(jià)因子、確定權(quán)重及計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。根據(jù)針對(duì)性、有效性以及敏感性和穩(wěn)定性兼顧的原則，選取土壤物理指標(biāo)中的容重，化學(xué)指標(biāo)中的有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀，生物學(xué)指標(biāo)中的微生物量碳和脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用SPSS軟件對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，并用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用主成分分析法對(duì)不同植被下土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（SQI）進(jìn)行計(jì)算。具體過(guò)程如下：

計(jì)算各土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度，計(jì)算公式為：式中，Q（xi）是第i項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值;xi.是第i項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定值;Ximax是第i項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定值中的最大值;Xirri。是第i項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定值中的最小值。

（2）提取主成分，計(jì)算權(quán)重。使用SPSS軟件對(duì)選出的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，從中提取主成分，得到各主成分的方差貢獻(xiàn)率;分析累積方差貢獻(xiàn)率是否滿足主成分分析要求。當(dāng)累積方差貢獻(xiàn)率gt;85%時(shí)，利用土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同主成分中的因子負(fù)荷量，計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算公式為：

2結(jié)果與分析

2.1不同復(fù)墾年限和復(fù)墾模式對(duì)土壤性質(zhì)的影響

由表2可以看出，隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)墾草地土壤容重總體呈增加趨勢(shì)，復(fù)墾耕地土壤容重?zé)o明顯變化。

隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量逐漸提高，其中20年耕地為5.05 g·kg-1，已接近原地貌耕地土壤的5.75 g·kg-1，20年苜蓿地為6.22 g·kg-1.已超過(guò)原地貌耕地。不同復(fù)墾模式，復(fù)墾年限均為3年或8年時(shí)，復(fù)墾耕地土壤有機(jī)碳含量高于復(fù)墾草地;而復(fù)墾年限為20年時(shí)，復(fù)墾草地土壤有機(jī)碳高于復(fù)墾耕地。與土壤有機(jī)碳的變化規(guī)律相似，隨復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，土壤堿解氮也逐漸提高。

不同復(fù)墾年限樣地，復(fù)墾耕地土壤全氮、有效磷、速效鉀含量隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)而增加;草地土壤全氮、有效磷、速效鉀含量隨復(fù)墾年限從3年延長(zhǎng)到8年而降低，復(fù)墾20年時(shí)顯著增加。相同復(fù)墾年限不同復(fù)墾模式，復(fù)墾草地土壤全氮、堿解氮含量高于復(fù)墾耕地土壤;土壤有效磷含量則表現(xiàn)為復(fù)墾耕地高于復(fù)墾草地。

隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤微生物量碳、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性都明顯增高。20年苜蓿地，土壤微生物碳量、堿性磷酸酶活性已明顯超過(guò)原地貌耕地水平（Plt;0.05），脲酶活性也接近原地貌耕地，且與原地貌耕地差異不顯著（Pgt;0.05）;20年耕地，土壤脲酶活性超過(guò)原地貌耕地（Plt;0.05），土壤微生物碳量、蔗糖酶、磷酸酶活性逐漸接近原地貌耕地，且微生物碳量與原地貌耕地?zé)o顯著差異（Pgt;0.05）。相同年限復(fù)墾樣地間比較發(fā)現(xiàn)，耕地復(fù)墾模式對(duì)蔗糖酶活性的提高效果顯著優(yōu)于草地復(fù)墾模式。

利用公式（1）計(jì)算不同樣地各質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度，結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2土壤質(zhì)量主成份提取及主成分因子負(fù)荷量、權(quán)重

利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，提取主成分（表4）。可以看出，當(dāng)主成分個(gè)數(shù)j=3時(shí)，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)89.467%，滿足主成分分析要求（累積方差貢獻(xiàn)率gt;85%），可用前3個(gè)主成分表達(dá)原有評(píng)價(jià)指標(biāo)的總信息。確定主成分?jǐn)?shù)量后，利用不同主成分中土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的因子負(fù)荷量計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。研究結(jié)果表明，第1主成分中，磷酸酶活性、有機(jī)碳、脲酶活性等具有較高的負(fù)荷量和權(quán)重;第2主成分中，有效磷及容重的負(fù)荷量絕對(duì)值和權(quán)重較高;第3主成分中，速效鉀和過(guò)氧化氫酶具有較高的負(fù)荷量和權(quán)重（表4）。

2.3不同植被措施對(duì)土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的影響

利用加乘法則，根據(jù)公式（3）和公式（4）分析不同植被下的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)和主成分得分（表5）。第1主成分（F1）得分為20年苜蓿地gt;原地貌耕地gt;20年耕地gt;8年苜蓿地gt;8年耕地gt;3年苜蓿地gt;3年耕地gt;自然恢復(fù)地;第2主成分（ F2）得分為20年耕地gt;原地貌耕地gt;20年苜蓿地gt;8年耕地gt;3年苜蓿地gt;3年耕地gt;自然恢復(fù)地gt;8年苜蓿地;第3主成分（F3）得分為20年苜蓿地gt;3年苜蓿地gt;20年耕地gt;原地貌gt;8年耕地gt;8年苜蓿地gt;自然恢復(fù)地gt;3年耕地。土壤質(zhì)量綜合得分（SQI）表現(xiàn)為：原地貌gt;20年苜蓿地gt;20年耕地gt;3年苜蓿地gt;8年耕地gt;8年苜蓿地gt;3年耕地gt;自然恢復(fù)地。相同復(fù)墾年限，第1主成分得分表現(xiàn)為苜蓿地高于耕地，第2主成分得分則表現(xiàn)為耕地高于苜蓿地，特別是8年耕地明顯高于8年苜蓿地，其原因可能與苜蓿生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)耕作措施造成了土壤板結(jié)、容重增大等有關(guān)。

3結(jié)論與討論

3.1在土壤一植被系統(tǒng)中，植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán)是

影響土壤有機(jī)碳及其他養(yǎng)分含量的重要因素

與多數(shù)研究結(jié)果相似，隨復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，動(dòng)植物殘?bào)w不斷進(jìn)入土壤，土壤有機(jī)碳、全氮及堿解氮含量增加。本研究結(jié)果表明，在相同復(fù)墾年限下，復(fù)墾耕地土壤全氮含量和堿解氮含量顯著低于復(fù)墾草地。這主要是由于苜蓿是豆科植物，其根莖上含有根瘤菌，具有較強(qiáng)的固氮作用。有研究結(jié)果表明，土壤速效鉀含量隨復(fù)墾時(shí)間逐漸降低，亦有研究表明，土壤有效磷、速效鉀含量與復(fù)墾年限關(guān)系不大。本研究中，草地復(fù)墾模式下，隨復(fù)墾時(shí)間從3年延長(zhǎng)到8年土壤有效磷、速效鉀含量明顯降低，到復(fù)墾20年含量又開始增加，可能是由于復(fù)墾前8年，苜蓿生長(zhǎng)需要不斷地從土壤中吸收磷素和鉀素，地表枯枝落葉分解釋放的磷和鉀量低于苜蓿吸收量，從而使土壤有效磷和速效鉀含量降低，8年之后，土壤有效磷和速效鉀含量隨著枯枝落葉分解釋放的磷、鉀量的提升而增加。耕地復(fù)墾模式速效鉀含量隨復(fù)墾年限延長(zhǎng)逐漸增加，可能與馬鈴薯種植過(guò)程中人為施肥有關(guān)。

3.2復(fù)墾過(guò)程中植被類型和植被生長(zhǎng)是影響土壤微生物和酶活性的重要因素

復(fù)墾過(guò)程中植被重建對(duì)土壤酶活性的影響主要表現(xiàn)在：第一，增加動(dòng)植物殘?bào)w向土壤的歸還量致使土壤有機(jī)質(zhì)不斷積累，為土壤酶提供豐富的碳源;第二，促進(jìn)土壤中植物根系的聚集，而植物根系代謝可釋放大量酶類，從而提高土壤酶活性;另外，植被重建還可影響土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和通透性，改善土壤水分的滲透和運(yùn)移狀況，進(jìn)而影響土壤酶活性。與多數(shù)研究結(jié)果相似，本研究結(jié)果表明，土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性隨復(fù)墾年限增加而遞增，復(fù)墾20年樣地酶活性顯著高于復(fù)墾3，8年。這主要是由于長(zhǎng)時(shí)間復(fù)墾增加了動(dòng)植物殘?bào)w、植物根系分泌物，為土壤微生物提供了充足的碳源，土壤微生物和酶活性均顯著升高。本研究還表明，相同復(fù)墾年限，苜蓿復(fù)墾對(duì)提高堿性磷酸酶活性的效果優(yōu)于耕地復(fù)墾模式，而耕地復(fù)墾模式對(duì)蔗糖酶活性的提高效果優(yōu)于草地復(fù)墾模式，這可能與不同植被模式下植物凋落物、土壤微生物、根系及其分泌物有關(guān)。

3.3人為耕作管理是降低土壤容重、改善復(fù)墾區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的重要因子

本研究中，復(fù)墾草地土壤，在苜蓿生長(zhǎng)過(guò)程中，長(zhǎng)期不進(jìn)行耕作及其他施肥管理，從而使土壤容重明顯高于復(fù)墾耕地土壤，且隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤容重明顯增加。復(fù)墾耕地土壤，由于復(fù)墾過(guò)程中人為的耕作、除草等，使土壤疏松、結(jié)構(gòu)改善、容重降低，且隨復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤容重?zé)o明顯變化。

總之，土壤質(zhì)量因子和綜合指數(shù)受復(fù)墾模式和復(fù)墾時(shí)間的共同作用，長(zhǎng)期苜蓿復(fù)墾更有利于提高土壤有機(jī)碳含量、全氮含量和堿性磷酸酶活性，但會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、容重增加，從而影響土壤通氣、透水性能;耕地復(fù)墾更有利于土壤有效磷含量和蔗糖酶活性的提高，促進(jìn)土壤孔性和結(jié)構(gòu)的改善。