海州露天矿排土场立地类型划分及立地质量评价

高英旭

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

煤炭是我国最主要的一次性能源，而且这种能源结构在相当长的时间内不会改变。煤炭资源的开发对我国经济建设和社会发展起到了重要的支撑作用，但煤炭的开采和利用引发了一系列的生态环境问题，而煤炭开采和利用产生的固体废弃物是引起矿区生态系统严重退化的关键因素。由于废弃物特殊的物理化学性质使矿区的生态环境遭到严重的污染和破坏，并由此引发大气、土壤和水体环境受到污染，土地资源受到侵占和破坏，土地生产力下降，矿、农关系紧张等诸多环境和社会问题。目前，对矿区废弃地进行生态植被恢复已得到世界主要矿产生产国家的广泛共识［1～6］。

从19 世纪20 年代开始，美国和德国就率先开展煤矿区废弃地的重建研究，但限于当时的理论和技术水平，对煤矸石山的生态修复工作主要集中在简易的植被种植上［7］。随着人类对矿区废弃地生态修复研究的进一步深入，以及许多新方法、新措施的出现，对矿区废弃地生态修复的理念和效果也得到了进一步提高。

对矸石山不同立地类型的划分是进行复垦造林的重要基础工作之一，是实现适地适树、科学造林和提高植被恢复效率的前提［8］。作者以海州露天排土场为研究对象，对排矸年限、风化层厚度、土壤结构剖面特征、物理性质、养分状况进行调查与分析，并据此划分出不同的立地类型，旨在为植被恢复提供基础数据。

1 研究区概况

海州露天排土场位于阜新市太平区境内、细河南岸，东西长3.9 km，南北宽1.8 km，面积约为13 km2，是阜新境内煤矸石地的最典型也是最大的代表地块［9］。地表海拔标高为165 ～200 m，平均175 m。地势东南高，西北低。该地区自然降水量少，年际变率大，时空分布不均匀;多年平均降水量480 mm，最少年份为338.2 mm，最多年份为824.7 mm。

2 研究方法

2.1 剖面调查

在全面踏查的基础上，于海州露天矸石山堆积地＞50 a、30 ～50 a、10 ～30 a、≤10 a 的典型地段上，设置每种类型标准地10 块，共计40块。在每块标准地挖土壤剖面10 个，按0 ～15 cm、15 ～30 cm、30 ～60 cm 3 个层次采集土样，对剖面质地构成、特征进行分析并记录。

2.2 土壤理化性质测定

在标准地内，按0 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 分3 层挖剖面，采用环刀法测试土壤物理性质;同时取土样在实验室内分析土壤化学性质。用烘干法测定土壤自然含水量(森林土壤标准分析方法—物理分析，1988)。全氮用凯氏法;全磷用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法;速氮用碱解扩散法;速效磷用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法;速效钾用1 mol·L-1乙酸铵浸提—火焰光度法(森林土壤标准分析方法—化学分析，1988)。结果取其平均值。

3 结果与分析

3.1 矿区废弃地矸石土类型划分

开展海州煤矿排土场立地类型划分及立地质量评价具有重要的应用价值，它将为排土场植被恢复、土地资源合理利用提供科学依据。很多研究表明，停止排矸年限、矸石堆放高度、表层风化物厚度是影响风化物化学性质、植被种类及生长状况的主要因素。因此，可按停止排矸年限划分排土场的立地类型。通过对不同风化程度的矿区废弃地进行土壤剖面测定，分析矿区废弃地的土壤条件，根据排矸年限、风化层厚度、土壤结构、孔隙状况等剖面特征划分立地类型。各类型矸石土剖面特征见表1。

表1 海州露天排土场土壤剖面特征Tab.1 The soil profile characteristics of open dumping site in Haizhou

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由表1 可知，Ⅰ类矸石山条件较好，排矸年限大于50 a，剖面土壤颜色较暗，颜色较暗的矸石石英含量少，矿物含量较多也较容易风化，剖面中矸石石砾较细，风化层较厚约50 cm，土层较疏松;植物根量在土壤剖面表层分布较多，在40 ～60 cm 深度还有较少量分布。该生境的适生植物种类较多，具备了进行人工植被恢复的良好条件。

Ⅱ类矸石山条件较好，排矸年限较长，30 ～50 a，剖面土壤颜色较暗，风化层较厚约40 cm，土层较疏松;植物根量在土壤剖面表层分布较多，说明植物在土壤中能扎根与生长。该生境适合抗逆性强的灌木或乔木树种生长。

Ⅲ类矸石山排矸年限10 ～30 a 左右，土壤颜色稍浅一些，地表上有5%的零星分布的大石块(15 cm×47 cm)，风化的矸石石砾较粗，成小块状，风化层约为25 cm，土壤紧实度较紧、通气性较差;植物根系分布较少。植被恢复时应采取一些措施。

Ⅳ类矸石山排矸年限不足10 a，土壤颜色灰白色、灰褐色均有，颜色比较杂，风化层约为10 cm，地面上有大小不等的煤矸石块，有几处分布着自燃的“地热”，立地条件很差，剖面表层紧实，有大小不等的石砾，持水性较差。说明此类矸石山土壤结构不良，保水保肥性能较差。栽植植物时必须采取有效的造林措施。

3.2 不同类型矸石山土壤理化性状分析

3.2.1 不同类型矸石山土壤养分状况

对不同类型矸石山土壤养分进行分析化验，结果见表2。

表2 不同类型矸石山土壤养分状况Tab.2 The soil nutrient status of different kinds of gangue pile

由表2 可知，Ⅰ类矸石山有机质含量最高，为7.05%，达到了有机质丰富水平。土壤肥力的高低主要取决于有机质含量的多少，生物是土壤有机物质的来源，是土壤形成过程中最活跃的因素。说明Ⅰ类矸石山适生植物种类较多，是植被恢复的首选地块。Ⅱ类矸石山有机质含量最高为6.95%，达到亚丰富水平。说明此类矸石山有生长较多的适生植被，可进行有效的植被恢复。而Ⅲ类矸石山和Ⅳ类矸石山有机质含量分别为4.54%、3.84%，适生植被相对较少。在植被恢复时需采取人工辅助措施或者不进行植被恢复。四种类型矸石山中的全氮含量处于较缺乏状态;土壤速效养分包括速效氮、速效磷与速效钾，其含量水平反映了土壤当前的供肥能力，四种类型矸石山的速效氮、速效磷含量很缺乏，速效钾含量处于中等水平。根据全国土壤养分含量分级标准，矿区废弃地矸石山土壤缺N 少P，阻碍树木生长，在矸石山上进行植被恢复可采用人工施用N、P 肥料等辅助措施。

3.2.2 不同类型矸石山土壤物理性状

对不同类型矸石山土壤进行物理性状测定，结果见表3。

表3 不同类型矸石山土壤物理性状Tab.3 The soil physical characteristics of different kinds of gangue pile

由表3 可知，四种类型矸石山土壤中，最大持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙、总孔隙度各项物理指标依次是Ⅰ类矸石山＞Ⅱ类矸石山＞Ⅲ类矸石山＞Ⅳ类矸石山，土壤容重排列顺序为Ⅳ类矸石山＞Ⅲ类矸石山＞Ⅱ类矸石山＞Ⅰ类矸石山，说明Ⅰ类矸石山综合物理性状最好，其次为Ⅱ类矸石山，相对其他类型更有利于植被生长。因此，在矿区废弃地植被恢复过程中，应将Ⅰ类矸石山作为首选，其次为Ⅱ类矸石山。

3.3 不同类型矸石山的利用

Ⅰ类矸石山土壤属矿区废弃地中风化最好的土壤，其土壤理化性质指标均为几种类型的最大值。该类矸石山占矿区废弃地总面积的20%，可持续营造和经营乔木疏林。目前，该类矸石山植被盖度达到40%，林下同时出现了杠柳、酸枣、胡枝子、荆条等灌木树种，但灌木层盖度较低，约5%，高度为1.2 m。一般杠柳和酸枣成片分布，相对盖度稍大;而胡枝子和荆条在林下散生。草本层种类增加，盖度增至95%，草群高度也有所增加，约为0.9 m;多年生草本继续增加，物种数占草本植物的76%，特别是多年生禾本科草类增加较多。

Ⅱ类矸石山土壤属矿区废弃地中风化良好的土壤，其土壤结构、持水量、孔隙状况、有机质含量等指标均较高，只是缺乏N 和P，通过施肥可补充土壤中N、P 的含量。该类矸石山占矿区废弃地总面积的20%。目前，主要生长有山枣、杠柳、荆条、胡枝子等灌木群落，说明风化层较厚，土壤结构较好，是植被恢复时首先被利用的类型。由于该类矸石山土壤pH 值大于7，因此，适宜栽植各类耐碱性乔灌木［10］。

Ⅲ类矸石山土壤是风化程度中等的煤矸石土壤，土壤颜色较浅，剖面风化层厚约25 cm，植物根系分布10 cm 深，表层土较紧实，最大持水量为321.23 g·kg-1，田间持水量为193.42 g·kg-1，土壤容重为1.37 g·cm-3，剖面25 cm 以下已出现大小不等的煤矸石块，综合土壤物理性状不良。此类矸石山占矿区废弃地总面积的40%。目前，主要生长有黄蒿、芦苇、大针茅等草本群落，说明风化程度中等，土壤结构一般，土壤通气性较差。因此，在进行矿区废弃地复垦利用过程中，进行土壤改良［14］或采取造林措施是植被恢复成功的基础。

Ⅳ类矸石山土壤是风化程度较差的矸石土壤，排矸年限15 a 左右，土壤颜色灰白色、灰黑色均有，颜色比较杂，地面上有大小不等的煤矸石块，有零星分布的正在自燃的1 m2大小的地块，老百姓称它为“火炕”，植物很难扎根，剖面表层紧实，有大小不等的石砾，最大持水量为256.16 g·kg-1，田间持水量为165.39 g·kg-1，土壤容重为1.59 g·cm-3，整个剖面均有大小不等的煤矸石块。此类矸石山占矿区废弃地总面积的20%。目前，主要生长有少量狗尾草、虎尾草等草本群落，说明矸石风化程度很差，几乎无风化层，无土壤团粒结构，降雨后几天不渗水，干旱时土有裂缝。该类型矸石土是极端困难立地类型之一，不利于植被恢复。

4 结论

通过排矸年限、风化层厚度、土壤结构剖面特征、物理性质、养分状况的分析，可将海州露天排土场划分为四种类型:Ⅰ类矸石山排矸年限＞50 a，风化程度良好，土壤结构较好，风化层厚度50 cm，土壤结构较好，物理指标均高于其他类型矸石山;该类型矸石山适生植物种类较多，具备了进行人工植被恢复的良好条件。Ⅱ类矸石山排矸年限30 ～50 a，风化层厚度40 cm，土壤结构良好，物理指标低于Ⅰ类矸石山而高于Ⅲ、Ⅳ类型矸石山;适合于抗逆性强的灌木或乔木树种。Ⅲ类矸石山排矸年限10 ～30 a，风化层厚度25 cm，土壤结构一般，土壤通气性较差;进行植被恢复时必须与工程整地、相应造林措施相结合。Ⅳ类矸石山排矸年限＜10 a，风化层厚度10 cm，地温高，且有自燃现象，矸石风化程度很差，几乎无风化层、无土壤团粒结构;尚不能进行植被恢复，需要进行长时间的自然风化或人工辅助风化措施。

矿区矸石废弃地立地质量划分具有重要的应用价值，它将为矿区废弃地植被恢复、土地资源合理利用与改善环境提供科学依据。

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