海州露天煤矿排土场不同复垦模式下表层土壤团聚体的稳定性

吕 刚，肖 鹏，李叶鑫，董 亮，杜昕鹏

(辽宁工程技术大学，环境科学与工程学院，123000，辽宁阜新)

土壤团聚体作为土壤的基本结构单位，影响土壤的各种理化性质和土壤生物活动，是土壤侵蚀的重要影响因素[1]。土壤团聚体稳定性具有维持土地生产力、调节土壤肥力的重要作用，也是反映土壤结构状况的重要指标之一[2]。现阶段用来评价土壤团聚体的稳定性的指标主要有土壤大团聚体含量、土壤平均质量直径、几何平均直径以及分形维数等[3]。土壤大团聚体含量、土壤平均质量直径和几何平均直径越大，土壤团聚体分布状况与稳定性越好[4]。土壤分形维数越小，说明土壤结构的稳定性越好，其抗蚀能力越强。

排土场是露天矿开采所形成的一个巨型松散土石混合堆积体，主要物质成分由矿井下采出的煤矸石、露天矿剥离的表土、岩石及覆土共同组成，其在堆积过程中不断进行碾压，土壤结构遭到破坏，蓄水保水能力降低[5]，给当地自然环境带来严重破坏。植被是影响土壤结构的重要因素，其作为土壤储存碳、改善土壤养分循环的桥梁，通过植被恢复可以改善土壤环境条件[6]，排土场复垦区土壤团聚体的特性很大程度由不同的复垦植被决定的[7]。目前关于植被恢复下排土场土壤团聚体状况的研究仅仅在西北地区晋陕蒙接壤的露天矿区[8-9]，而东北地区露天煤矿排土场的相关研究相对较少[10]。笔者以位于辽宁省阜新市的海州露天煤矿排土场为研究对象，采用野外现场调查采样和室内分析的方法，选取复垦年限为13年的5种复垦模式，应用几何平均直径、平均质量直径、团聚体破坏率和土壤分形维数等反映土壤团聚体稳定性的指标，分析不同复垦模式对土壤团聚体稳定性的影响，以期为从评价和提升矿区土地生产力、优化排土场复垦模式提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省阜新市，该区属北温带大陆性半干旱季风气候，夏季炎热，年蒸发量1 790 mm，年均气温7.3 ℃，≥10 ℃年积温3 476 ℃，无霜期154 d，年均日照时间2 865.5 h，年均风速3 m/s，年均降水量511.4 mm，且多集中于夏季，春秋2季干旱少雨，造成一定程度上的土壤和植被水分亏缺。土壤类型以褐土、棕壤和草甸土为主。地带性植被为温带森林草原和暖温带落叶阔叶林，代表性的植被类型有油松(PinustabulaeformisCarr.)、蒙古栎(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb.)、侧柏(PlatycladusorientalisL. Franco)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、榆树(UlmuspumilaL.)、山杏(ArmeniacasibiricaL. Lam.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、大针茅(StipagrandisP. Smirn.)、百里香(ThymusmongolicusRonn)等。

研究地点选择在阜新市境内的海州露天煤矿西排土场，位于露天矿坑西南部(E 121°40′12″，N 41°57′36″)，面积约13 km2。2004年国土资源部投资对该排土场开展了土地复垦工作，在进行客土回填工程前，运用采矿复垦机械对露天矿坑进行了搬运、平整和压实工作，覆土厚度为30 cm使露天矿坑恢复成较合理的地形地貌，促进植物的生长，有利于后期的生物复垦工作。排土场分为10多个大盘面呈梯形分布，盘面海拔平均高度为+270 m，相对高差为3～60 m，最高处接近海拔+325 m，最低处不低于海拔+240 m，盘面地表矸石在停止排矸13年以上。近年来，随着当地居民对排土场弃煤不合理挖掘，部分盘面出现了大量不均匀的坑、沟等地貌状况[11]。2017年7月在排土场复垦区内根据人工植被恢复现状，在同一区域(复垦年限为13年)内选取相邻但相互之间无影响的5种复垦模式下作为研究对象，分别为榆树林地、混交林地(刺槐和榆树混交)、灌木林地(紫穗槐)、刺槐林地和荒草地。各样地情况见表1。

表1 样地概况

2 研究方法

野外取土分别在5种不同复垦模式下设置的20 m×20 m标准地内进行，先将0.00～3.00 cm厚度层未腐烂的枯枝落叶层清除，取0.00～10.00 cm表层土，每个样地以三角形分布各取3个样点，取土后去除土壤中植物根系和石块，运输过程中尽量减少对土壤的扰动，以免破坏土壤团聚状况。各级风干性机械团聚体和水稳性团聚体的含量测定采用沙维诺夫干筛法、湿筛法[12]。计算在<0.25 mm、0.50～0.25 mm、1.00～0.5 mm、2.00～1.00 mm、5.00～2 mm和>5.00 mm粒级土壤团聚体质量的比例。

土壤机械稳定性(干筛)和水稳定性(湿筛)>0.25 mm团聚体含量(R>0.25)采用下式[13]计算：

(1)

土壤团聚体结构破坏率(percentage of aggregate destruction, PAD)计算公式[12]为

PAD=[(R>0.25(干筛)-R>0.25(湿筛))/
R>0.25(干筛)]×100%。

(2)

平均质量直径(mean weight diameter, MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter, GMD)的计算公式[14]如下：

(3)

(4)

式中:Wi为i粒级团聚体质量比例，%;xi为相邻两个团聚体的平均粒级,mm。

土壤的分形维数(fractal dimension，D)采用杨培岭等[15]的土壤颗粒分形模型：

(5)

式中：dmax为最大粒级土粒的平均直径,mm；Wi是土粒直径小于d累积的质量, g；W0是全部粒级土粒质量之和,g。

3 结果与分析

3.1 土壤团聚体组成

团聚体的组成是影响土壤肥力的重要因子，机械团聚体是指具有抵抗外力破坏的团聚体，常常用经振动干筛后团聚体的组成含量来反映。排土场不同复垦模式下干筛法获得的机械稳定性团聚体组成见表2。不同复垦模式下>0.25 mm的大团聚体占到75%以上，各复垦模式在5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm和1.00～0.50 mm所占比例较高，三者之和在50%以上，而0.50～0.25 mm所占比例相对较低为11%以下。各复垦模式在>5.00 mm、5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm、1.00～0.50 mm以及<0.25 mm没有显著差异性，但是在0.50～0.25 mm时荒草地与林地出现了显著性差异，荒草地含量高于其他复垦模式。在>5 mm粒级的大团聚体表现为：混交林地相对较多，榆树林地和荒草地相对较少。

表2 不同复垦模式下土壤机械团聚体组成

注：表中数据为平均值±标准误差；不同小写字母表示不同复垦模式间存在差异(P<0.05)。下同。Notes：The data in the table are mean±standard error，and different lowercase letters indicate that there are differences between different reclamation models (P<0.05).

水稳性团聚体是指抗水力分散的团聚体，常常用经水湿筛振动后团聚体的组成含量来反映。排土场不同复垦模式下湿筛法获得的水稳定性团聚体组成见表3。不同复垦模式下，除荒草地外，其他4种复垦模式以5.00～2.00 mm和2.00～1.00 mm所占比例最高，2者之和达到60%以上，>5.00 mm、1.00～0.50 mm和0.50～0.25 mm依次递减，<0.25 mm所占比例最少，在5%以下。其中荒草地在2.00～1.00 mm和0.50～0.25 mm以及<0.25 mm与林地复垦模式出现了差异性，2.00～1.00 mm荒草地大团聚体含量最少，而0.50～0.25 mm和<0.25 mm的团聚体含量最多，水稳性大团聚体荒草地明显低于林地。林地表层土壤>0.25 mm的大团聚体含量在95%以上，而荒草地>0.25 mm的大团聚体含量在65%，林地明显高于荒草地。

表3 不同复垦模式下土壤水稳性团聚体组成

3.2 土壤团聚体稳定性

根据J. Six等[16]的研究，>0.25 mm的团聚体即为土壤团粒结构体，是土壤中最好的结构体，其在土壤中所占的比例(R>0.25)可用来反映土壤结构的优劣，其数量越大土壤肥力越高。由图1可知，不同复垦模式下干筛获得的机械稳定性R>0.25在58%～63%之间，模式间无显著性差异。从湿筛法获得的不同复垦模式下水稳性R>0.25在17.5%～37.43%之间。混交林地和灌木林地的大团聚体比例相对较高，其他复垦模式间均存在差异性，说明混交林地和灌木林地土壤稳定性和抗蚀性相对较好，荒草地明显低于其他复垦模式。团聚体破坏率是湿筛后破碎的团聚体比率，其数值越小，土壤结构越稳定[15]。由图2可见，荒草地土壤PAD最高为70.13%，榆树林地、刺槐林地和榆树刺槐混交林地递减，灌木团聚体最低，灌木林地土壤团聚体相对稳定，总体呈现林地复垦模式PAD显著低于荒草地。

不同小写字母表示不同复垦模式间存在差异(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate that there are differences between different reclamation models (P<0.05). The same below.图1 不同复垦模式下大团聚体含量Fig.1 Big aggregate content in soil under different reclamation modes

图2 不同复垦模式下团聚体结构破坏率Fig.2 Percentage of aggregate destruction under different reclamation modes

3.3 土壤团聚体直径

MWD和GMD是表示土壤团聚体直径的重要指标。根据周虎等[17]研究MWD和GMD越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高、稳定性越强，土壤肥力越高。从图3和图4看出，在干筛条件下，混交林地和MWD(2.27)和GMD(1.30)最大，荒草地MWD(1.56)和GMD(0.96)最少。在湿筛条件下，刺槐林地MWD(2.97)与GMD(2.43)最多，荒草地MWD(1.16)和GMD(0.53)最少。说明刺槐林地土壤水稳性团聚体稳定性性相对较好，综合干湿筛MWD和GMD可以看出，林地复垦模式的土壤结构和抗蚀能力相对较优，明显优于荒草地，其复垦土壤的肥力得到了恢复。

图3 不同复垦模式下平均质量直径Fig.3 Mean weight diameter under different reclamation modes

图4 不同复垦模式下几何平均直径Fig.4 Geometric mean diameter under different reclamation modes

3.4 土壤团聚体分形维数

图5 不同复垦模式下土壤机械团聚体分形维数Fig.5 Fractal dimension of soil mechanical aggregate under different reclamation modes

根据安韶山等[18]的研究，在土壤团聚体各个粒级数据规律不一致的情况下，通过计算团聚体分形维数，可以反映植被恢复对土壤团聚体有改良作用，在植被自然恢复一定时间之后土壤团聚体改善受到多种因素的影响，从而使土壤团聚体稳定性出现差异。通过回归分析计算得到不同复垦模式下表土层土壤团聚体的分形维数D值(图5和图6)。干筛和湿筛的D值分别介于2.23～2.35和2.35～2.43之间。一般来说，土壤的分形维数D越小，说明土壤的结构和稳定性越好[5]。从图5可以看出，2种筛分方法下5种复垦模式土壤团聚体D值表现出不同的变化规律。干筛条件下的D值以刺槐林地最低(2.33)，但各复垦模式相差不大。湿筛条件下的D值表现为：榆树林地最低(2.35)，好于其他复垦模式但是相比之下相差并不大。

图6 不同复垦模式下土壤水稳性团聚体的分形维数Fig.6 Fractal dimension of soil water-stable aggregate under different reclamation modes

3.5 土壤团聚体组成与各参数间相关性

相关性结果表明(表4和表5)，综合干筛和湿筛的结果，排土场表层土壤团聚体的MWD和GMD均与D值呈正相关，干筛相关系数分别为0.949、0.610和0.514，湿筛相关系数分别为0.999、0.276和0.282，即表层土壤团聚体随着MWD和GMD增大，D值也随之增大。通过上述计算过程可知：团聚体粒级由小到大的含量与MWD、GMD值的大小有关，在土壤机械稳定性团聚体分析中(表4)，1.00～0.50 mm，0.50～0.25 mm，<0.25 mm粒径的土壤机械稳定性团聚体呈显著负相关，>5.00 mm，2.00～5.00 mm，2.00～1.00 mm粒径的土壤机械稳定性团聚体呈显著正相关。对水稳定性团聚体(表4)，>5.00 mm，2.00～5.00 mm，2.00～1.00 mm粒径的土壤水稳定性团聚体呈显著正相关，而0.5.00～0.25 mm，1.00～0.50 mm，<0.25 mm粒径的土壤水稳定性团聚体呈显著负相关，以1.00 mm团聚体粒级为其正负相关性界限。

表4 土壤机械稳定性团聚体各参数间相关性分析

注：**表示相关性在0.01水平；*表示相关性在0.05水平。Notes: ** indicates that the correlation at 0.01. * indicates the correlation is at 0.05. MWD stands for mean weight diameter. GMD stands for geometric mean diameter. D refers to fractal dimension. The same below.

表5 土壤水稳性团聚体各参数间相关性分析

由表4和表5可知，土壤机械稳定性团聚体的D值与粒径0.50～0.25 mm，1.00～0.50 mm和2.00～1.00 mm粒径的土壤机械稳定性团聚体呈显著负相关，<0.25 mm，2.00～5.00 mm，>5.00 mm粒径的土壤机械稳定性团聚体呈显著正相关。其正负相关性没有明显界限。水稳定性团聚体D值2.00～5.00 mm，>5.00 mm粒径的土壤水稳定性团聚体呈显著正相关，而<0.25 mm，0.50～0.25 mm，1.00～0.50 mm和2.00～1.00 mm，粒径的土壤水稳定性团聚体呈显著负相关，其正负相关以2.00 mm团聚体粒级为界。MWD, GMD和D的相关分析表明，排土场不同复垦模式下土壤机械团聚体和水稳性团聚体的MWD和GMD值呈显著正相关，且与D值呈显著正相关。

4 讨论与结论

位于东北地区的海州露天煤矿排土场复垦区表层土壤团聚体趋于稳定状态，土壤质量得到了改良，林地土壤机械稳定性和水稳性大团聚体含量显著高于荒草地，说明林地的土壤的结构更优，土壤大团聚体含量相对较多，值得注意的是林地水稳性大团聚体含量在95%以上，这可能是由于林地有机质较高，有利于大团聚体形成，同时林地在表土层根系发达，穿插能力强，使得复垦碎石风华，形成了大团聚体。由刘梦云等[19]研究黄土台源地区的团聚体可知:土壤中大粒径的团聚体越多，团聚体分布越集中，团聚体越不容易遭到破坏，土壤结构越稳定，则该复垦模式效果越好；反之，团聚体中小颗粒越多，土壤团聚体稳定性越差，越容易遭到破坏。团聚体结构破坏率总体呈现出林地显著优于荒草地的趋势，灌木林地的土壤团聚体结构破坏率最低，结构最稳定。

混交林地和刺槐林地的在干筛和湿筛条件下MWD和GMD高于其他复垦模式，对土壤的改良效果较好。综合干筛和湿筛MWD和GMD的结果表明:林地的土壤结构明显优于荒草地，林地生物结构较好，其枯落物和根系腐解物在复垦区土壤中不断的积累，有大量回归土壤的有机质，改善了表层土壤的物理性质，所以其表层土壤结构相对较好，这与王杨扬等[8]研究的黄土区露天煤矿团聚体的结果相吻合。对于不同的复垦方式，其干筛和湿筛的分形维数增值分别介于2.23～2.35和2.35～2.43之间。分形维数可以反映植被恢复对土壤团聚体有改良作用，但是各复垦模式间差异性不大。说明复垦区表层土壤的结构和稳定性依然有待提高，土壤肥力仍相对较低，土壤物理性质的演变依然需要很长的时间。干筛条件下的D值以刺槐林地最低(2.33)，湿筛条件下的D值表现为榆树林地最低(2.35)，好于其他复垦模式但是相比之下相差并不大。各复垦模式间土壤分形维数没有明显的差异性，说明复垦区表层土壤的结构和稳定性依然有待提高，土壤肥力仍相对较低。根据唐骏等[5]研究黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的结果，植被恢复能促进排土场土壤结构重构，但由于排土场土壤结构破坏严重，植被生长的土壤气候环境较差，植被恢复对土壤的改良是一个缓慢过程。

综合评价土壤机械团聚体和水稳性团聚体稳定性的指标MWD与GMD相互之间呈极显著正相关，与分形维数D值呈正相关。干筛条件下其相关系数分别为为0.949、0.610和0.514，湿筛条件下其相关系数分别为0.999、0.276和0.282，复垦区土壤的MWD和GMD增大，D值会变大，这与刘艳等[20]的研究结果相吻合。同时，植物根系、土壤的有机碳含量等也是影响土壤团聚体稳定性的重要因素，随着进一步的研究仍需开展,这也是今后需要加强并深入研究的方向。