露天礦排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式下的土壤修復(fù)效果研究

劉寶勇　甄博珺　潘琪　何志勇

摘要 以阜新市海州露天礦排土場(chǎng)刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、農(nóng)田、草地、裸地6種復(fù)墾模式為研究對(duì)象，其中以裸地為對(duì)照，分析不同復(fù)墾模式土壤因子的顯著性差異，以揭示不同復(fù)墾模式對(duì)土壤的修復(fù)效果。結(jié)果表明，白榆林地土壤溫度顯著低于裸地，降低土壤溫度效果明顯；刺槐白榆混交林地土壤含水量顯著高于其余復(fù)墾模式，保持土壤水分效果明顯；刺槐白榆混交林地提高土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量效果最顯著；白榆林地提高土壤速效鉀含量效果最顯著；農(nóng)田提高土壤速效磷含量效果最顯著；各種復(fù)墾模式均有降低土壤pH效果。總的來說，刺槐白榆混交林復(fù)墾模式對(duì)露天礦排土場(chǎng)的土壤修復(fù)效果最好。

關(guān)鍵詞 露天礦排土場(chǎng)；土壤因子；復(fù)墾模式；修復(fù)效果

中圖分類號(hào) X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2023）06-0053-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.015

Study on Soil Remediation Effect of Open－pit Mine Dump under Different Reclamation Modes

LIU Bao－yong，ZHEN Bo－jun，PAN Qi et al

（School of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000）

Abstract Six reclamation modes of Robinia pseudoacacia forest land， Ulmus pumila forest land， Robinia pseudoacacia－Ulmus pumila mixed forest land， farmland， grassland and bare land were studied in Haizhou open－pit mine of Fuxin City， and bare land was taken as control. The significant difference of soil factors in different reclamation modes was analyzed to reveal the effect of different reclamation modes on soil restoration.The results showed that the soil temperature of Ulmus pumila forest land was significantly lower than that of bare land， and the effect of reducing soil temperature was obvious.The soil water content of Robinia pseudoacacia－Ulmus pumila mixed forest land was significantly higher than that in other reclamation models， and the effect of soil water conservation was obvious.The Robinia pseudoacacia－Ulmus pumila mixed forest land had the most significant effect on increasing soil total nitrogen， organic matter and alkali－h(huán)ydrolyzable nitrogen content.Ulmus pumila forest land had the most significant effect on increasing soil available potassium content;Farmland had the most significant effect on increasing soil available phosphorus content.All reclamation modes have the effect of reducing soil pH.In general， the reclamation model of the mixed forest reclamation model had the best effect on the soil remediation of the open－pit mine waste dump.

Key words Open－pit mine dump;Soil factors;Reclamation mode;Remediation effect

遼寧省阜新市海州露天礦在生產(chǎn)過程中，形成了排土場(chǎng)，周圍環(huán)境被嚴(yán)重破壞。為改善這一情況，排土場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)行了土地復(fù)墾。但目前，對(duì)于海州露天礦排土場(chǎng)復(fù)墾土壤的研究多停留在對(duì)土壤酶及生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究［1-3］，缺少對(duì)不同復(fù)墾模式的土壤因子改良情況反映生態(tài)修復(fù)效果的研究。

土壤溫度、含水量以及土壤pH直接影響土壤肥力，土壤養(yǎng)分更與土壤的質(zhì)量密切相關(guān)，是植物生長(zhǎng)過程中所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來源［4］。因此筆者通過測(cè)定排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式土壤溫度、含水量以及土壤養(yǎng)分并進(jìn)行顯著性分析，深入了解不同復(fù)墾模式對(duì)露天礦排土場(chǎng)土壤修復(fù)情況，進(jìn)一步了解排土場(chǎng)復(fù)墾的實(shí)施效果，為排土場(chǎng)繼續(xù)實(shí)施復(fù)墾提供理論方向與依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

海州露天礦排土場(chǎng)位于121°26′E、42°02′N，遼寧省阜新市太平區(qū)境內(nèi)，東西長(zhǎng)7 km，南北寬3 km，占地16 km2，該地區(qū)年降水量539 mm，年蒸發(fā)量達(dá)1 800 mm，年平均氣溫7.3 ℃，晝夜溫差大，屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，其土質(zhì)是由露天礦排出的頁巖、砂巖構(gòu)成［5］，覆土厚度約30 cm。

1.2 研究?jī)?nèi)容

以海州露天礦排土場(chǎng)刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、農(nóng)田、草地為研究對(duì)象，以裸地為對(duì)照。對(duì)海州露天礦排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式下的土壤溫度、含水量、pH以及土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行顯著性分析。

1.3 研究方法

于2021年5月，避開雨天等特殊天氣，選取晴朗微風(fēng)典型天氣，選取周圍地勢(shì)相同、坡向相同、坡度相近的刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、農(nóng)田、草地、裸地進(jìn)行土樣采集，在采集點(diǎn)選取0～10、10～20、20～30 cm土層深度，共采集土樣18個(gè)，裝入密封袋中，編號(hào)并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

土壤含水率的測(cè)定采用烘干法；土壤溫度的測(cè)定采用曲管地溫計(jì)；土壤全氮的測(cè)定采用半微量開氏法；土壤全磷的測(cè)定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；土壤全鉀的測(cè)定采用NaOH熔融-火焰光度法；土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；土壤速效磷的測(cè)定采用0.5 mol/L NaHCO3法；土壤速效鉀的測(cè)定采用醋酸銨溶液浸提法；土壤pH的測(cè)定使用土壤酸堿度計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel整理數(shù)據(jù)，SPSS 23進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用Origin 2021畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾模式下土壤溫度分析

從圖1～3可以看出，不同復(fù)墾模式下土壤溫度日變化表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì)。對(duì)相同復(fù)墾模式不同時(shí)間土層溫度進(jìn)行分析，各土層相同復(fù)墾模式不同時(shí)間土壤溫度存在差異。0～10 cm土層，白榆林地15：00土壤溫度顯著高于07：00—13：00，最高溫度出現(xiàn)在15：00；刺槐林地、刺槐白榆混交林地、農(nóng)田、裸地、草地11：00—17：00土壤溫度顯著高于07：00，最高溫度出現(xiàn)在13：00。10～20 cm土層，各復(fù)墾模式11：00—17：00土壤溫度均顯著高于07：00，刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、農(nóng)田土壤最高溫度出現(xiàn)在15：00，草地、裸地土壤最高溫度出現(xiàn)在13：00。20～30 cm土層，各復(fù)墾模式07：00土壤溫度均顯著低于其余時(shí)段，刺槐林地、白榆林地、農(nóng)田、裸地土壤最高溫度出現(xiàn)在15：00，刺槐白榆混交林地、草地土壤最高溫度出現(xiàn)在13：00。各土層不同復(fù)墾模式相同時(shí)間土壤溫度存在差異，0～10 cm土層07：00—13：00表現(xiàn)為農(nóng)田、草地、裸地土壤溫度顯著高于白榆林地，15：00—17：00各復(fù)墾模式土壤溫度無顯著差異；10～20 cm土層07：00—13：00表現(xiàn)為草地土壤溫度顯著高于白榆林地，15：00—17：00各復(fù)墾模式土壤溫度無顯著差異；20～30 cm土層07：00—11：00草地、裸地土壤溫度顯著高于其余復(fù)墾模式，13：00—17：00裸地土壤溫度顯著高于其余復(fù)墾模式。

2.2 不同復(fù)墾模式下土壤含水量分析 從表1可以看出，同一復(fù)墾模式不同土層間土壤含水量有一定的差異，白榆林地、草地、農(nóng)田與裸地0～10 cm土層土壤含水量略低于10～20、20～30 cm土層，刺槐林地20～30 cm土層含水量低于0～10、10～20 cm土層。同一土層不同復(fù)墾模式土壤含水量有一定的差異，0～10 cm土層土壤含水量，刺槐白榆混交林地、刺槐林地顯著高于白榆林地、草地、裸地、農(nóng)田；10～20 cm土層土壤含水量，刺槐白榆混交林地、刺槐林地、農(nóng)田顯著高于白榆林地、草地、裸地；20～30 cm土層土壤含水量，刺槐白榆混交林地顯著高于其余復(fù)墾模式。

2.3 不同復(fù)墾模式下土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)含量分析 從表2可以看出，

刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地不同土層間土壤全氮含量均存在差異，農(nóng)田、草地、裸地不同土層間土壤全氮含量差異不顯著（P>0.05），刺槐林地、刺槐白榆混交林地0～10 cm土層土壤全氮含量顯著高于10～20、20～30 cm，白榆林地20～30 cm土層土壤全氮含量顯著低于0～10、10～20 cm。對(duì)相同土層不同復(fù)墾模式分析，各土層不同復(fù)墾模式土壤全氮含量均存在差異；同一土層刺槐白榆混交林地、刺槐林地土壤全氮含量顯著高于其余復(fù)墾模式。

相同土層不同復(fù)墾模式之間土壤全磷含量均存在差異。0～10 cm土層草地土壤全磷含量顯著低于除農(nóng)田外其余復(fù)墾模式；10～20 cm土層白榆林地、刺槐白榆混交林地、裸地土壤全磷含量顯著高于農(nóng)田、草地；20～30 cm土層白榆林地、刺槐白榆混交林地土壤全磷含量顯著高于刺槐林地、農(nóng)田、裸地、草地。對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田不同土層土壤全磷含量存在顯著差異。農(nóng)田0～10 cm土層土壤全磷含量顯著高于20～30和10～20 cm土層；裸地10～20 cm土層土壤全磷含量顯著高于0～10和20～30 cm土層。

相同土層不同復(fù)墾模式之間土壤全鉀含量均存在差異。0～10、10～20 cm土層刺槐白榆混交林地土壤全鉀含量顯著低于其余復(fù)墾模式；20～30 cm土層裸地、刺槐白榆混交林地土壤全鉀含量顯著低于其余復(fù)墾模式。對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層分析發(fā)現(xiàn)，刺槐林地10～20 cm土層土壤全鉀含量顯著高于20～30 cm土層；白榆林地0～10 cm土層土壤全鉀含量顯著低于10～20、20～30 cm土層；草地20～30 cm土層土壤全鉀含量顯著高于0～10、10～20 cm土層。

相同土層不同復(fù)墾模式之間土壤有機(jī)質(zhì)含量存在差異，各土層均表現(xiàn)為刺槐白榆混交林地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其余復(fù)墾模式。對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層分析發(fā)現(xiàn)，白榆林地、草地0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于10～20、20～30 cm土層；刺槐林地10～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于0～10、20～30 cm土層；裸地10～20、20～30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于0～10 cm土層；農(nóng)田20～30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于0～10、10～20 cm土層；刺槐白榆混交林地各土層間無顯著差異。

2.4 不同復(fù)墾模式下土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、pH分析

對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層土壤堿解氮含量分析（表3）發(fā)現(xiàn)，白榆林地表現(xiàn)為0～10 cm土層土壤堿解氮含量顯著高于10～20、20～30 cm土層，刺槐白榆混交林地表現(xiàn)為10～20 cm 土層土壤堿解氮含量顯著低于0～10、20～30 cm土層。對(duì)同一土層不同復(fù)墾模式分析發(fā)現(xiàn)，0～10 cm土層土壤堿解氮含量，刺槐白榆混交林地、白榆林地、刺槐林地顯著高于農(nóng)田、裸地、草地；10～20 cm土層土壤堿解氮含量，草地顯著低于其余復(fù)墾模式；20～30 cm土層土壤堿解氮含量，刺槐白榆混交林地顯著高于白榆林地、裸地、農(nóng)田、刺槐林地、草地。

對(duì)相同土層不同復(fù)墾模式土壤速效磷含量分析（表3）發(fā)現(xiàn)，0～10 cm土層土壤速效磷含量，農(nóng)田顯著高于其余復(fù)墾模式；10～20 cm土層土壤速效磷含量，農(nóng)田、草地顯著高于其余復(fù)墾模式；20～30 cm土層土壤速效磷含量，農(nóng)田顯著高于其余復(fù)墾模式。對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田各土層間速效磷含量差異顯著，表現(xiàn)為0～10 cm土層含量顯著高于10～20、20～30 cm土層。

對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層土壤速效鉀分析（表3）發(fā)現(xiàn)，刺槐林地、刺槐白榆混交林地、農(nóng)田、草地、裸地0～10 cm土層土壤速效鉀含量顯著高于10～20、20～30 cm土層；白榆林地20～30 cm土層土壤速效鉀含量顯著高于0～10、10～20 cm土層。對(duì)同一土層不同復(fù)墾模式分析發(fā)現(xiàn)，各土層白榆林地土壤速效鉀含量均顯著高于其余復(fù)墾模式。

對(duì)相同復(fù)墾模式不同土層土壤pH分析（表3）發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田不同土層土壤pH無顯著差異；刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、裸地20～30 cm土層土壤pH顯著高于0～10、10～20 cm土層；草地10～20、20～30 cm土層土壤pH顯著高于0～10 cm土層。對(duì)同一土層不同復(fù)墾模式分析發(fā)現(xiàn)，各土層均表現(xiàn)為裸地土壤pH顯著高于其余復(fù)墾模式，5種復(fù)墾模式土壤pH低于裸地且深層土壤pH高于表層土壤。

3 討論

研究區(qū)土壤含大量煤矸石，大孔隙多，結(jié)構(gòu)較差，使土壤導(dǎo)熱率增加。土壤被太陽直接照射時(shí)吸熱快，溫度高；太陽照射不強(qiáng)時(shí)散熱快，一天之內(nèi)溫度變化大。所以沒有植物遮蔽的農(nóng)田、草地、裸地的表層土壤溫度日變化較大，林地有林冠以及枯枝落葉遮擋，林地土壤溫度日變化不大，地表溫度較低［6］，有助于生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。

林地枯枝落葉吸收水分，緩解了土壤水分流失和蒸發(fā)，提高土壤表層水分含量［7-8］，而農(nóng)田、裸地、草地0～10 cm土層的含水量顯著低于深層土壤。刺槐林地0～20 cm土層土壤含水量高于白榆林地、裸地、草地。刺槐白榆混交林地各土層土壤含水量均最高，這是由于刺槐屬于水平根系植物［9-10］，根系主要分布于接近地表的淺層土壤中［11-12］，白榆屬深根性樹種，根系深度遠(yuǎn)大于刺槐［13］。在所測(cè)土層較淺的情況下，刺槐林地0～30 cm土壤含水量顯著高于白榆林地。而深層土壤含水量刺槐白榆混交林地最高，證明了水平根系樹種與深根性樹種混交可以相較于純林顯著提高深層土壤含水量［14-15］。

土壤養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)過程中所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來源［4］，其中氮素更是土壤中的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，研究區(qū)土壤全氮、堿解氮含量均表現(xiàn)為表層土壤高于深層土壤，這是由于采集土壤時(shí)期正值5月份植物在生長(zhǎng)發(fā)育階段，植物會(huì)吸收深層土壤養(yǎng)分供本身使用。各復(fù)墾模式提高土壤全氮含量都比較明顯，尤其是刺槐白榆混交林地，其次為刺槐林地。枯枝落葉分解為土壤提供有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并逐年積累，向下沉淀，所以林地土壤全氮含量高于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且凋落物量更少的復(fù)墾模式，其中混交林地結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，所以其土壤全氮含量也最高。土壤堿解氮含量相較于裸地，除農(nóng)田與草地外不同復(fù)墾模式均有提高土壤堿解氮含量的能力。根據(jù)全國(guó)土壤養(yǎng)分評(píng)級(jí)［16］，海州露天礦排土場(chǎng)0～20 cm土層土壤堿解氮含量大多處于高和極高范圍，說明土地復(fù)墾對(duì)露天礦排土場(chǎng)土壤修復(fù)效果明顯。

磷是構(gòu)成植物生命不可或缺的重要元素［17］。0～10 cm土層土壤全磷含量刺槐白榆混交林地最高。與裸地相比，白榆林地、刺槐白榆混交林地提高20～30 cm土層土壤全磷效果顯著，其余復(fù)墾模式土壤全磷含量沒有表現(xiàn)出明顯提高。各復(fù)墾模式速效磷含量均有提高。但根據(jù)土壤速效磷含量分級(jí)［16］，所測(cè)土壤速效磷含量均處在中等及以下水平，大多數(shù)處在極低和較低等級(jí)，但是各復(fù)墾模式含量相較裸地均有提高。說明海州露天礦排土場(chǎng)整體速效磷含量不高，但是實(shí)施復(fù)墾對(duì)排土場(chǎng)土壤速效磷含量有提高效果。

各復(fù)墾模式土壤全鉀含量差別較小，刺槐白榆混交林地土壤全鉀含量最低。與裸地相比，白榆林地、刺槐林地、農(nóng)田、草地提高20～30 cm土層土壤全鉀效果顯著，各復(fù)墾模式0～20 cm土層土壤全鉀含量沒有明顯提高。刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地有提高土壤速效鉀含量的能力。而土壤速效鉀含量整體處于極低水平，說明海州露天礦排土場(chǎng)整體缺鉀，需要施用其他措施處理。

刺槐白榆混交林地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其余復(fù)墾模式，且處于極高水平［16］，說明刺槐白榆混交林地對(duì)土壤的修復(fù)效果明顯。各復(fù)墾模式對(duì)土壤pH均有降低作用，且林地降低pH較小，但總體來說，進(jìn)行土壤復(fù)墾的土地對(duì)土壤酸堿性都有改良作用。

4 結(jié)論

不同復(fù)墾模式與裸地相比，均有修復(fù)土壤的效果。表層土壤質(zhì)量提高明顯，土壤磷含量變化不明顯。刺槐白榆混交林地提高土壤全氮、全磷、堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量能力明顯。各復(fù)墾模式對(duì)土壤修復(fù)效果由強(qiáng)到弱依次為刺槐白榆混交林地、刺槐林地、白榆林地、農(nóng)田、草地、裸地。綜上所述，排土場(chǎng)在改善土壤質(zhì)量方面應(yīng)采用刺槐白榆混交林地為主，白榆和刺槐林地為輔，還需要施用其余復(fù)墾措施來提高土壤速效磷、速效鉀含量。

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作者簡(jiǎn)介 劉寶勇（1975—），男，遼寧葫蘆島人，副教授，博士，從事工礦區(qū)水土保持及礦山環(huán)境工程研究。

*通信作者，碩士研究生，研究方向：生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)。

收稿日期 2022-04-07