平朔矿区开采受损及治理区土壤养分特征对比分析

王 颖, 冯仲科

(北京林业大学 精准林业北京市重点实验室 北京 100083)

煤矿露天开采会导致土壤肥力下降[1]，进而会导致矿区植被生态环境受到严重破坏[2]，土壤肥力大小的重要标志是土壤养分[3]。为了恢复植被，改善土壤，提升肥力，大量学者对复垦区土壤养分状况做了研究。

马桦薇等[4]、杨玉敏等[5]等通过运用地统计学和GIS相结合的方法对复垦区土壤养分分布情况进行分析研究；黎炜[6]采用时空对比法对复垦土壤的理化性质和肥力质量进行研究和评价；仝婕[7]、张雅楠[8]通过设置对照组，研究矿区的土壤指标情况并且综合评价矿区的土壤肥力状况；张菁等[9]、李智兰[10]、薛燕琴[11]等研究随着土地复垦年限或土层深度的增加，复垦区土壤养分变化情况；王义等[12]根据《第二次全国土壤普查技术规程》中对应的指标，对神东矿区的土壤肥力状况进行了分析和评价；叶凌枫[13]研究4种土壤修复措施对土壤养分的影响以及不同措施下土壤的肥力评价；裴忠雪[14]研究东北垦区物理指标与肥力因子的相关关系及其造林与否和造林树种对土壤理化指标的影响；李俊颖[15]研究不同复垦方法下的土壤化学肥力情况和同一复垦方式不同年限下的土壤的肥力特点；为了加快复垦进程，栗丽等[16]通过肥料和与复合生物菌剂配施找到最适配施组合；乔志伟等[17]通过室内摇瓶培养找到磷细菌的最佳组合；郭汉清等[18]研究了菌肥和煤基复混肥的不同配施对土壤养分情况和植物生长情况的影响；贾俊香等[19]、李克中等[20]等通过盆栽试验和盆钵生物试验，研究生物炭和中小型土壤动物组成对复垦区土壤养分的影响；为对土壤肥力情况进行综合评价，宋小园等[21]等采用改进的突变级数法对复垦区的土壤质量进行评价；赵韵美[22]设置附近荒草裸地为对照组，探究不同植被对土壤养分的改变情况且进行综合评价。

大量研究主要是通过设置对照组或设置其他变量，着重研究复垦区的土壤养分变化情况、养分指标之间的关系、养分分布情况、土壤质量综合评价，或者研究采用特定某种措施进行土地复垦，加快改善土壤养分状况的方法。但很少有人比较开采未损区、开采受损区和受损治理区土壤养分指标情况，通过对比，清楚地认识露天开采对土壤的损坏程度和土地复垦对土壤肥力的改善情况。

本研究拟通过采集开采未损区、开采受损区、受损治理区3个区域的土壤样本，利用室内室外相结合的方法测得土壤的养分含量，然后对各养分因子进行描述性统计，用Suffer绘制出平朔矿区pH值、全氮、速效磷、速效钾以及有机质的等值线图，进一步了解平朔矿区养分因子的分布规律，最后利用模糊数学的加乘法原理对矿区土壤肥力进行综合评价，对比分析开采未损区、开采受损区，受损治理区整体肥力情况。以期通过分析平朔土壤养分的特点和空间分布情况，为林业精准管理和合理施肥提供依据，加快平朔矿区土壤复垦进程。

1 技术路线

为了更好地评价平朔矿区土壤养分状况，本研究选取平朔矿区作为研究区域，在研究区域内按照开采未损区、开采受损区、受损治理区3个区域利用GPS进行定位采样，选取土壤采集样地并采集土壤样本土样，获取待测样地的大地经度L，大地纬度B，大地高程H以及土壤采集样地的立木生长状况。然后在室内对土样养分因子进行测定并对测量数据进行统计分析，根据平朔矿区养分分析统计表中指标、采集样本养分分析折线图和利用Surfer生成的等值线图，分别对开采受损区、受损治理区和开采未受损区土壤养分情况进行对比分析，最后用模糊数学的加乘法对平朔矿区养分情况进行综合评价。具体技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线图

2 材料与方法

2.1 研究区概况

平朔矿区地处山西省朔州市，拥有安太堡、东露天和安家岭3座特大露天矿，矿区处在黄土高原丘陵区，属于温带半干旱大陆性季风气候，年降雨量主要集中在7—9月。大规模的露天采矿，形成了大规模的人工挖损地貌和重塑地貌，造成严重的侵蚀。土壤为栗褐土，在缓坡丘陵区，存在明显的碳酸盐沉淀和弱粘化，在丘陵沟壑区，水土流失严重，土层过渡不明显，土壤结构差，有机质含量低。

2.2 数据采集

针对平朔矿区的开采受损区、受损治理区、开采未损区3种不同的地类条件，分别设置30个监测样地，利用GPS测量其经纬度B，L和海拔高度H，获取三维坐标并记录入库，并且记录立木生长情况，然后在每块样地内收集土壤样品，土壤样品的规格为0.5 kg，挖坑深度离地面的为0.6 m，对土样进行编号，然后带土样回实验室分析化验土壤主要养分含量，鉴定土壤质量。

2.3 数据处理

将野外采集的土样平铺在干净的牛皮纸上，放在干燥、阴凉和通风处进行风干，待样品干燥后，进行研磨，去除里边的杂物。然后用2 mm筛孔筛土样，装瓶标记用于测定速效养分和pH值，留出一部分土样继续研磨，用0.25 mm筛出样品标记用于测定有机质和全氮成分。本试验速效磷用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定；速效钾用NH4 Ac 浸提火焰光度法测定；pH 值用pH酸度计电位法测定；全氮用半微量开氏蒸馏法测定；有机质用重铬酸钾容量法测定。将测定好的pH值、全氮、速效磷、速效钾以及有机质进行数据分析，分别计算开采受损区、受损治理区、开采未损区土壤肥力因子的最小值、最大值、平均值和变异系数等参数，结果见表1。

表1 平朔矿区养分分析统计

3 结果与分析

3.1 数据分析

根据pH值、全氮、速效磷、速效钾和有机质的室内测定结果，绘制平朔矿区开采受损区、受损治理区、开采未损区的土壤养分折线图如图2所示。

从平朔矿区养分分析统计表(表1)可知： ①平朔矿区土壤整体偏碱性，pH值离散度不大； ②在开采受损区和受损治理区全氮含量都只有0.03 g/kg，参考土壤养分含量分级与丰缺度标准(表2)，含氮量属于6级，属于急缺状态，开采未受损区氮含量在0.02～0.25 g/kg之间，平均值为0.07 g/kg，土壤含氮量属于6级，丰缺度为缺，说明土壤复垦还没有改善土壤的全氮含量，平朔土壤整体缺氮，土壤供氮能力弱； ③在受损治理区和开采未受损区平均速效磷含量分别为2.71 mg/kg和2.67 mg/kg，然而开采受损区平均速效磷含量只有1.87 mg/kg，虽然3个地区速效磷含量与第二次全国土壤普查土壤丰缺度标准相比都为急缺状态，但是复垦区相比开采受损区的速效磷含量增加44.9%，说明土壤微生物使难以利用的磷转化成了有效磷或者磷肥改善了复垦区的磷含量； ④速效钾含量复垦区比开采受损区平均值提高了68.45 mg/kg，复垦区速效钾含量已经恢复甚至超过未受损区的速效钾含量，受损治理区和开采未受损区速效钾含量已经达到了中等水平； ⑤开采未受损区有机质土壤养分分级属于3级，丰缺度为中等，开采受损区、受损治理区有机质含量属于5级，丰缺度为缺，但是受损治理区比开采受损区含有机质量平均值提高了1.04 g/kg，说明土地复垦对土壤有机质含量有一定的改善作用。除了pH值变异系数小外，其他养分指标变异系数都很大，说明平朔矿区除了pH值含量较为均匀外，其他养分指标的含量波动性大。

土壤pH值开采受损区、受损治理区和开采未受损区的折线几乎重叠，在8附近上下浮动，说明露天开采和土地复垦对平朔矿区土壤的酸碱性影响不大；相比开采受损区和受损治理区，全氮含量在开采未损区波动性最大，说明母质土层过渡不明显；平朔地区速效磷含量离散性大，但受损治理区和开采未受损区速效磷含量波动尤其大，说明平朔矿区母质土层速效磷过渡不均匀，经土地复垦后，并没有改善土层速效磷过渡不均匀的问题；速效钾含量在开采受损区、受损治理区和开采未受损区波动性很大，速效钾最大值大于200 mg/kg，最小值却小于20 mg/kg；与全氮折线图类似，有机质在未受损区折线波动很大，说明母质土壤土层过渡不明显，但土地复垦均衡了有机质分布。

图2 平朔矿区采集样本养分分析结果

分别将pH值、全氮、速效磷、速效钾和有机质的含量导入Suffer，结合实地坐标，绘制出整个平朔区相关肥力因子的等值线图,从pH值、全氮、速效磷、速效钾和有机质含量等值线图可知，5个测量指标在等值线图上都表现为北部值大于南部值，其中全氮、速效磷和有机质在等值线图上出现两个极大值点。从pH值等值线图可知，平朔矿区pH值从东北向西南逐渐减小，但整体变化不大，东南方向等值线分布密集，说明东南方向土层pH值过渡不明显；从全氮和有机质等值线图上可以看出，两个极大值处出现在开采未损区，然后含量围绕坡峰逐渐递减；从速效磷含量等值线图上可以看出，极大值出现在未损区和治理区，然后速效磷含量向周围依次递减；从速效钾含量等值线图可以看出，速效钾含量整体上西北方向大于东南方向，其中几个极大值出现在未损区和治理区。

3.2 土壤肥力综合评价

3.2.1 权重的确定 为了准确地评价各指标对土壤肥力影响的大小，需要对指标进行科学赋权。为了使赋权减少人工参与，从客观赋权法中选取了主成分分析法进行指标赋权。平朔矿区开采受损区、受损治理区和开采未损区样地分别用SSQ_01—SSQ_30，ZLQ_01—ZLQ_30和WSQ_01—WSQ_30进行编号，然后将90个样地导入R中进行主成分分析，按累计贡献率大于85%的原则，获取权重，得到结果表3所示。

3.2.2 评价指标隶属度 权重确定后需要将土壤肥力指标进行归一化处理，来解决各评价指标量纲上的差异。根据土壤化学肥力指标对植物生长的效应，将土壤化学肥力指标与植物生长关系归纳为S型隶属度函数〔公式(1)〕和抛物线隶属度函数〔公式(2)〕。S型隶属度函数表示当指标数值低于一定数值时，基本不促进植物生长，在一定范围内含量越大对植物生长促进越大，当大于一定数值时，对于植物生长的促进趋于稳定，根据前人研究经验，符合该规律的一般为全氮、速效磷、速效钾、有机质。抛物线隶属度函数表现为当指标含量小于或大于一定数值后，基本不促进植物生长，在一段区间内指标含量越大对植物促进作用越大，当指标含量超过某个值，指标含量对植物的促进作用趋于稳定，当指标含量达到另一个数值时，指标含量会对植物生长有抑制作用，符合该规律的指标因子为pH值。

(1)

式中：f(x)——关于指标因子的植物生长隶属度函数；x——指标因子的实测值;a，b——两个临界值，根据大量的试验和参考文献上阈值a一般取0，下阈值b有机质取20.0 g/kg，全氮取1.2 g/kg，速效磷取10.0 mg/kg，速效钾取100 mg/kg为最优值。下同。

表2 土壤养分含量分级与丰缺度标准

引自《第二次全国土壤普查技术规程》

表3 平朔矿区养分权重系数

(2)

式中：a1，b1，a2，b2——4个临界值，根据大量的试验和参考文献pH值的a1值取4.5，b1取6.5，a2取8.0，b2取8.5为最优值。

将原始指标因子进带入隶属函数表达式，结果得到每个养分因子的隶属度值见表4。

3.2.3 土壤养分综合肥力评价 养分和化学指标影响的土壤肥力综合评价采用模糊数学的加乘法原理，公式如下

(3)

式中：IFI——土壤养分综合评价值；f(xi)——第i个因子的隶属度值；wi——第i个因子的权重系数。

最后根据样本各养分因子的隶属度值和权重系数对土壤养分情况进行综合评价，并将90块样地按综合评价得分进行排序，土壤养分综合评价详细结果参见表5。

表4 平朔矿区各养分因子隶属度值

根据土壤养分综合评价结果可知，除了SSQ_30样地土壤肥力综合排名为16，其他受损区样地土壤肥力综合排名均靠后，主要集中在60以后；治理区除ZLQ_08，ZLQ_10和ZLQ_21少数样地土壤肥力综合排名靠后，ZLQ_05，ZLQ_16，ZLQ_18，ZLQ_30等样地土壤肥力综合排名已经追上或者超过大部分开采未损区的样地，受损治理区仍有一部分样地在土壤养分综合评价中排名中等；开采未损区除少数样地土壤肥力综合排名靠后，大部分样地土壤肥力综合排名靠前。开采受损区的土壤养分情况相比开采未损区土壤肥力综合排名明显靠后，说明煤矿开采导致土壤恶化，开采受损区可能出现土壤养分流失等情况；受损治理区土壤肥力综合排名相比开采受损区明显靠前，说明受损治理区人工施肥或者种植植物等措施改善了受损治理区的土壤养分状况，一些违反规律的个别样地可能由于矿区开采受损区、受损治理区和开采未受损区的划分边界误差或者环境的其他因素共同影响了矿区的养分含量。土壤养分综合评价情况与外业记录的树木生长状况大致吻合，土壤肥力综合排名靠前，树木生长相对旺盛，土壤肥力综合排名靠后，树木生长情况相对不好，该结论也说明了选择的土壤肥力因子和综合评价方法的合理性。

表5 平朔矿区土壤养分综合评价结果

根据土壤养分综合评价结果可知，虽然受损治理区土壤肥力综合排名相比开采受损区有了很大的提升，但是受损治理区土壤肥力综合评价排名与开采未损区的土壤养分综合评价排名相比，还有一段距离。

4 讨论与结论

(1) 平朔矿区除了速效钾在受损治理区、开采未受损区和有机质在开采未受损区的丰缺度达到中等水平外，其他状况下所研究的养分丰缺度都表现为急缺或缺状态，说明平朔矿区整体缺少养分。受损治理区相比开采受损区的速效磷含量增加44.9%，受损治理区比开采受损区速效钾含量平均值提高了68.45 mg/kg，平均有机质量提高了1.04 g/kg，说明土地复垦对速效磷、速效钾和有机质的含量具有一定的改善作用，但是目前没有改善全氮的含量，土壤供氮能力较弱。

(2) 平朔矿区除了pH值直线图波动小，其他养分指标含量波动都较大，尤其表现在开采未损区波动大，说明平朔矿区母质土壤土层过渡不明显，土地复垦后并没有改善土层速效磷过渡不均匀的问题，但是土地复垦均衡了土壤有机质、速效钾和全氮的养分分布。

(3) 平朔矿区整体上北部养分含量大于南部，其中全氮、速效磷和有机质极大值点主要出现在开采未损区或者受损治理区。

(4) 从土壤样本养分综合排名看出，除了个别样本外，开采受损区的土壤养分排名比开采未损区排名靠后，受损治理区土壤养分排名相比开采受损区明显靠前，说明露天开采可能导致土壤养分流失，受损治理区人工施肥或者种植植物等措施改善了受损治理区的土壤养分状况，但是开采区治理区土壤养分排名主要集中在中等水平，所以需要根据分析结果继续采取措施改善矿区的受损土壤，争取土壤恢复或超过开采前的状态。

综合以上分析可知土地复垦可以改善因露天开采导致的土壤养分流失问题，但是本次治理区树木都在5～10 a之间，如果想恢复甚至超过未损区的土壤养分情况，只靠自然植物修复可能需要更长时间。由于原土壤母质图层或者露天开采等人为因素的影响，各个地区的土壤养分情况不尽一样，为了加快土壤修复进程，可以通过野外均匀采样，再通过数据统计分析和根据养分含量插值等值线图等措施综合分析，最后进行养分综合评价分析，有目的地进行人工干预，用最少的投入，最大程度地改善土壤养分情况，为林业精准管理和合理施肥提供依据。