两种利用类型煤矸山复垦重构土壤贮水特性研究

于亚军, 任珊珊, 郭李凯, 毕 斌

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000)



两种利用类型煤矸山复垦重构土壤贮水特性研究

于亚军, 任珊珊, 郭李凯, 毕 斌

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000)

土壤贮水能力是复垦地植被恢复和生态重建的基础。因此开展煤矸山复垦重构土壤贮水能力研究对于指导煤矸山植被复垦具有重要意义。以长治王庄煤矸山复垦6 a的林地(SL)和草地(GL)为对象，分析了2种利用类型煤矸山复垦重构土壤1 m土层贮水状况。结果表明：(1) 复垦林地(SL)和复垦草地(GL)土壤容重分别较普通林草地(CK)高12.7%和19.0%(p>0.01)。两种复垦地土壤容重的剖面变化有别于普通农地，并且其差异主要体现在60 cm以上土层。(2) SL样地和GL样地土壤总孔隙度分别较CK样地低20.5%和30.9%，非毛管孔隙度分别较CK低80.0%和74.9%，而土壤毛管孔隙度分别较CK样地高14.1%和2.4%，因此，两种复垦地土壤饱和贮水量和非毛管贮水量明显低于普通农地，但毛管贮水量高于普通农地。(3) SL样地和GL样地1 m土层土壤平均含水量和总贮水量分别较CK样地高7.8%，12.3%和23.5%，34.9%，但两种复垦地与普通农地1 m土层含水量和贮水量的差异在60—100 cm最大。

煤矸山; 重构土壤; 土壤贮水能力; 植被恢复

煤矸石是井工开采和洗煤排放的废弃物，其产生量约为原煤产量的15%或更多。当前，我国煤矿开采过程中排放的矸石等固体废弃物累计已超7.4×109t[1]，已经成为我国累计存量和占用场地最多的工业废弃物。虽有一部分煤矸石可作为建材、燃料等工业用途，但迄今为止其工业综合利用率不足20%[2-3]，因此煤矸石主要以矸石山形式堆放。我国现有煤矸山1 500多座，占地约1.0万hm2[4]，煤矸石堆积不仅占用大量土地，而且通过扬尘、自燃、雨水淋溶等方式导致严重的土地、水体、空气和景观污染[5-6]。所以，对煤矸山进行复垦治理是改善矿区生态环境，实施煤矿区生态重建的前提和核心[7-8]。目前，对煤矸山复垦治理一般采用推平覆土后进行植被绿化的方式进行[9]，该方法在取土较为便利的北方地区更为普遍。煤矸山推平覆土过程中通过工程技术措施(如铲平和碾压)改变了原有土壤的结构和层次特点，所形成的“重构土壤”其孔隙状况和贮水库容与普通土壤相比有明显的复杂性和特殊性[10]，而土壤贮水能力是复垦地植被恢复和生态重建的基础，并且煤矸山复垦后往往优先被利用为农林草用地(如农田、果园和草场等)，所以其土壤贮水能力的优劣对于复垦成败尤为关键。因此，开展煤矸山复垦重构土壤贮水性能的研究对于指导煤矸山植被复垦具有重要意义。

山西省煤炭资源储量大、产量高，全省煤矿企业矸石累计堆存量8.3亿t，已形成300多座煤矸山[11]。并且随着煤炭资源的开采，煤矸石堆积将会增加。近年来，山西省加大了矸石山复垦治理的力度，多个老矿、大矿的煤矸山通过覆土复垦的方法得到治理。因此，以此为研究区开展复垦矸石山土壤贮水状况的研究具有典型性。所以，本研究以山西省长治潞安矿区复垦多年的煤矸山为研究对象，分析煤矸山复垦后土壤孔隙和贮水库容的状况，以期为煤矸山复垦植被类型的选择及煤矸山复垦地土壤水分管理提供理论依据。

1　研究区概况

研究区位于山西省长治市潞安矿区，地处黄土高原东南部太行山脉，上党盆地，为温带大陆性季风气候，多年平均气温9.5℃，年日照时数为2 518 h，无霜期160 d左右，年均降水量550～650 mm，年均蒸发量为650～750 mm，降水年际变化和年内变化均很大，其中夏秋季占全年降水量的71.6%。

研究样地位于王庄煤矿西矸石山(36°22′02.2″N，113°01′29.1″E，海拔959 m)，该矸石山形成于20世纪90年代，呈近东西向分布，南北宽220 m，东西长400 m，复垦时矸石堆存量约为156万m3，占地约7.7万m2，垂直高度35 m。矸石山于2009年完成推平覆土，覆土厚度顶部为100～120 cm，覆土时土壤均取自煤矸山附近，土壤类型为褐土，土壤质地较粘。复垦后土地主要利用为灌木林地和草地两种类型，灌木林地主要植物为火炬树(RhustyphinaNutt)、连翘(Forsythiasuspensa)和荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)，郁闭度约为0.23；草地的主要植物为白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)、羊胡子草(Carexrigescens)和狗尾草(SetairaviridisL. Beauv)，草高约15～20 cm，覆盖度约为71%。

2　土样采集及数据分析

采样地为煤矸山复垦6 a后的林地(SL)和草地(GL)，同时选择样地附近普通灌草混生地为对照(CK)，土壤样品采集时间为2015年4月，在样地中各选择3～5个取样点，用环刀法测定土壤容重、土壤孔隙度和持水量等土壤贮水特征参数[12]。土壤毛管贮水量、非毛管贮水量和饱和贮水量分别用公式(1)，(2)和(3)计算[13]。土壤含水率采用土钻取样，烘干法测定，土壤贮水量是利用土壤含水率和容重计算[14]，以上数据测定取土深度均为100 cm，每20 cm一层，以上数据计算时求取3～5个采样点平均值和标准偏差。数据分析采用Excel 2003和SPSS 10.0统计软件进行，多重比较采用Duncan 新复极差法。

Wc=1000Pc·h

(1)

Wnc=1000Pnc·h

(2)

Wt=1000Pt·h

(3)

式中：Wc——土壤毛管贮水量(mm)；Wnc——土壤非毛管贮水量(mm)；Wt——土壤饱和贮水量(mm)；Pc——毛管孔隙度(%)；Pnc——非毛管孔隙度(%)；Pt——土壤总孔隙度(%)；h——土层深度(m)。

3　结果与分析

3.1复垦地土壤容重与普通农地的差异

图1是复垦林地(SL)、复垦草地(GL)和普通灌草地(CK)三种样地1 m土层土壤容重变化状况。首先，从三种样地1 m土层土壤容重的总体差异来看，复垦林地(SL)和复垦草地(GL)分别较普通灌草地(CK)高12.7%和19.0%(p>0.01)，并且从1 m土层土壤容重的剖面变化来看，CK样地土壤容重呈现随土层深度增加而增大的趋势，而SL样地和GL样地土壤容重却分别呈现为“反S型”和“S型”变化趋势，说明复垦重构土壤不仅容重明显偏高，而且土壤容重的剖面变化状况也有别于普通农地。其次，从三种样地不同土层容重的差异来看，在表层土壤(0—20 cm)和中层土壤(20—60 cm)，SL样地和GL样地分别较CK样地高18.8%，25.7%和13.9%，21.3%，两个土层土壤容重与普通林草地的差异高于两种样地与CK样地在1 m土层中的平均差异(12.7%和19.0%)，而深层土壤(60—100 cm)两种样地与CK样地间的差异仅为11.1%和14.1%，低于1 m土层的平均差异。由此可见，两种复垦地与普通农田土壤容重的差异主要体现在中层以上(0—60 cm)，深层(60—100 cm)土壤容重的差异不明显。

图1两种利用形式复垦地土壤容重

3.2复垦地土壤贮水库容与普通农地的差异

表1是复垦林地(SL)、复垦草地(GL)和普通灌草地(CK)土壤孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度在表层(0—20 cm)、中层(20—60 cm)、深层(60—100 cm)状况。首先，从三种样地1 m土层土壤孔隙平均状况差异来看，复垦林地(SL)和复垦草地(GL)土壤总孔隙度分别较普通林草地(CK)低20.5%和30.9%，非毛管孔隙度分别较CK低80.0%和74.9%，而土壤毛管孔隙度分别较CK样地高14.1%和2.4%。其次，从三种样地不同土层土壤孔隙状况的差异来看，SL样地和GL样地土壤总孔隙度与CK样地的差异在0—20 cm和20—60 cm土层表现与1 m土层的平均差异一致，但在60—100 cm土层差异较1 m土层的平均差异值明显，SL样地和GL样地土壤非毛管孔隙度与CK样地的差异在0—20 cm和60—100 cm土层表现最大，但20—60 cm差异最小，毛管孔隙度则表现为20—60 cm土层差异最明显，其次为60—100 cm，而0—20 cm土层差异不明显。

由此可见，两种复垦地土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均低于普通农地，但毛管孔隙度均高于普通农地，并且与普通农地相比，两种复垦地土壤总孔隙度的差异主要体现在60—100 cm土层，非毛管孔隙度的差异主要体现在0—20 cm和60—100 cm土层，而毛管孔隙度的差异则主要体现在20—60 cm土层。

表1　两种利用形式复垦地土壤孔隙度

表中同行不同大写字母上标表示差异极显著(p<0.01)，下同。

表2是复垦林地(SL)、复垦草地(GL)和普通灌草地(CK)土壤饱和贮水量、毛管贮水量和非毛管贮水量状况。首先，从三种样地1 m土层饱和贮水量、毛管贮水量和非毛管贮水量的平均状况来看，SL样地和GL样地土壤饱和贮水量分别较CK样地低12.1%和14.7%，非毛管贮水量分别较CK样地低76.1%和70.2%，而两种样地毛管贮水量则分别较CK高35.7%和26.9%。可见，两种复垦地土壤饱和贮水量和非毛管贮水量明显低于普通农地，但毛管贮水量却高于普通农地。其次，从三种样地饱和贮水量、毛管贮水量和非毛管贮水量0—20 cm，20—60 cm和60—100 cm三个土层中的差异看，饱和贮水量和毛管贮水量均表现为在0—20 cm土层中最高，其次为60—100 cm土层，20—60 cm土层则最差。而非毛管贮水量在三个土层中的差异则表现为20—60 cm土层最高，其次为60—100 cm土层，0—20 cm土层最差。由此说明，2种复垦地其饱和贮水能力和毛管贮水能力表现为表层(0—20 cm)最强，其次为深层(60—100 cm)，最差的为中层(20—60 cm)，而非毛管贮水能力则表现为中层最高，深层次之，表层最差。

3.3复垦地土壤持水性能与普通农地的差异

图2是复垦林地(SL)、复垦草地(GL)和普通林草地(CK)土壤含水量和土壤贮水量的剖面变化情况。首先，从两种复垦地与普通林草地(CK)土壤含水量的差异看(图2A)，SL样地和GL样地1 m土层含水量的平均值分别较CK样地高7.8%和12.3%，而从三种样地各土层含水量的差异看，在0—20 cm土层SL样地和GL样地均低于CK样地，但20—60 cm土层和60—100 cm土层均表现为SL样地和GL样地高于CK样地，并且60—100 cm土层差异最大。

从三种样地1 m土层贮水量的差异看(图2B)，SL样地和GL样地1 m土层总贮水量分别较CK样地高23.5%和34.9%，而从三种样地各土层贮水量的差异看，整个土层均表现为SL样地和GL样地较CK高，并且60—100 cm土层差异最大，这与三种样地土壤含水量的剖面差异一致。由此说明，与普通农地相比，复垦地1 m土层土壤含水量和贮水量均明显偏高，并且60—100 cm土层差异最大。

表2　两种形式复垦地土壤贮水特征

图2复垦林地(SL)、草地(GL)和普通林草地(CK)在1 m土层内土壤含水量和贮水量变化

4　讨 论

研究表明，土壤孔隙状况能反映土壤贮水性能[13]，毛管贮水与土壤毛管孔隙直接相关，是植物生长的关键水分来源，主要供给植物根系吸收、叶面蒸腾或土壤蒸发，能为植物提供必须的水分条件，而非毛管贮水主要受土壤非毛管孔隙度的调节，是饱和土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的暂时贮存，能反映土壤水分保持与涵养能力[15]。研究发现，两种复垦地土壤容重高于普通林草地，尤其在60 cm以上土层更为明显，这与其他研究结论一致[16]。此现象的原因主要是煤矸山推平覆土时大型机械压实造成的。研究表明，与普通农地相比，尽管两种复垦地土壤毛管孔隙度有小幅度增加，但土壤总孔隙度和非毛管孔隙度分别降低了20.5%，30.9%和80.0%，74.9%。由此可见，与普通农地相比，尽管复垦地土壤贮存了较多有利于植物直接吸收的水分类型，但土壤总体贮水能力以及水分保持和涵养能力均有大幅下降，这些变化主要是由于煤矸山复垦时破坏了原有土壤孔隙状况造成的。所以，煤矸山复垦时尽量减少对土壤压实对于改善土壤孔隙状况，提高复垦地土壤贮水能力至关重要。

5　结 论

(1) 复垦林地(SL)和复垦草地(GL)土壤容重分别较普通林草地(CK)高12.7%和19.0%(p>0.01)。两种复垦地土壤容重的剖面变化有别于普通农地，并且其差异主要体现在60 cm以上土层。

(2) 复垦林地(SL)和复垦草地(GL)土壤总孔隙度分别较普通林草地(CK)低20.5%和30.9%，非毛管孔隙度分别较CK低80.0%和74.9%，而土壤毛管孔隙度分别较CK样地高14.1%和2.4%，因此，两种复垦地土壤饱和贮水量和非毛管贮水量明显低于普通农地，但毛管贮水量却高于普通农地。

(3) 复垦林地(SL)和复垦草地(GL)1 m土层土壤平均含水量和总贮水量较普通林草地(CK)分别高7.8%，12.3%和23.5%，34.9%，但在不同土层其差异有所不同，两种复垦地与普通林草地土壤含水量和贮水量在60—100 cm土层差异最大。

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Study on Soil Water-Holding Capacity Between Two Types of Reclamation Agroforestry Land on a Coal Waste Pile

YU Yajun, REN Shanshan, GUO Likai, BI Bin

(College of Geographic Sciences, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 041004, China)

Soil water-holding capacity is a basic condition on vegetation recovery and ecological reconstruction reclamation in reconstructed soil. Therefore, it is very important for choice of the vegetation types by studying soil water-holding capacity between different types of reclamation agroforestry lands. The soil water-holding capacities within 100 cm soil layer of shrub land after six years of reclamation (SL) and grassland after six years of reclamation (GL) were studied on a coal waste pile in Wang village, Changzhi City, Shanxi Province. The results showed that: (1) the mean soil bulk densities of reclamation shrub land (SL) and reclamation grass land (GL) within 100 cm soil layer increased by 12.7% and 19.0% compared to CK, respectively, the profile propertes within 100 cm soil layer of SL and GL were different from those of the CK, and the differences were mainly reflected in above 60 cm soil layer; (2) soil total porosities in SL and GL decreased by 20.5% and 30.9% compare to CK, respectively, and non-capillary porosities decreased by 20.5% and 30.9%, respectively, but capillary porosities increased by 14.1% and 2.4%, respectively, therefore, soil saturated water contents and non-capillary water storage in SL and GL were lower than those in CK, but capillary water storage was higher; (3) the mean soil water contents and soil water storage in SL and GL within 100 cm soil layer increased by 7.8%, 12.3% and 23.5%, 34.9% compare to CK, respectively, but it was different in different soil layers, and it was mainly reflected in 60—100 cm soil layer.

coal waste pile; reconstructed soil; soil water-holding capacity; vegetation recovery

2015-08-21

2015-10-12

国家自然科学基金青年项目“煤矿塌陷区重构土壤性质演化及植被恢复的限制因子研究”(41301304)

于亚军(1978—),男,甘肃灵台人,副教授,博士,主要从事区域环境与生态恢复方面的教学与科研工作。E-mail:yuyajun0211@126.com

S152.7

A

1005-3409(2016)02-0044-05