露天煤矿排土场复垦区不同植被类型土壤质量评价

李叶鑫 ，吕刚*，王道涵，谢伟，李朝辉，杜昕鹏，董亮，刁立夫

1. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3. 神东天隆集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；4. 抚顺矿业集团有限责任公司，辽宁 抚顺 113006；5. 内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000

排土场是露天开采过程中形成的结构松散、植被覆盖度低、养分含量低、平台和边坡相间松散堆积体，由煤矸石、岩石、土壤共同组成，是一种工程扰动土（魏忠义等，2003）。与原地貌相比，排土场土壤结构差、物质组成复杂、大孔隙发达，其土壤理化性质、水文过程、生态环境与原地貌之间存在很大的差异（张莉等，2016）。植被恢复是治理和恢复排土场土壤水文生态功能的有效措施，能够提高或改善生态环境，通过提高植被覆盖度和植物多样性以及增强植物根系的蓄水保土作用，可显著提高排土场生态系统的多样性和稳定性，减少水土流失，提高土壤水源涵养功能和土地生产力（Houerou，2000；吕春娟等，2010）。

土壤质量状况是土壤肥力、环境质量和健康质量的综合量度（杨小林等，2019），是土壤特性的综合反映，能体现自然因素及人类活动对土壤的影响（张庆利等，2004），已成为国内外学者关注的焦点（王华等，2009；De et al.，2016；汪明冲等，2016；Laird et al.，2017；任启文等，2018）。马从安等（2008）以胜利露天煤矿南排土场土壤为研究对象，分析排土场土壤质地和土壤肥力状况，揭示排土场土壤肥力贫瘠的主要原因。陕永杰等（2008）应用土壤物理指标、化学指标、生物指标和侵蚀指标4个一级指标和17个二级指标组成的指标体系，评价了平朔露天煤矿区不同土地利用方式土壤质量。石平等（2009）应用模糊数学方法建立模糊综合评价模型，对红透山铜矿区内排土场、尾矿库以及周边地区的土壤质量进行了评价。李鹏飞等（2015）以内蒙古准格尔旗黑岱沟露天煤矿北排土场为研究对象，研究9种植被恢复模式对排土场土壤理化性质的影响，并对其土壤质量进行评价。王杨扬等（2017）以山西安太堡露天矿排土场为研究对象，分析并评价了不同刺槐（Robinia pseudoacacia）模式条件下土壤质量，认为合理种植刺槐可以有效改良排土场的土壤质量。楚纯洁等（2018）以平顶山矿区丘陵坡地土壤为研究对象，分析不同海拔高度土壤理化性质及重金属含量，评价不同区域土壤质量。然而，以往研究多从矿区不同复垦年限、不同区域、单一复垦树种等方面评价矿区土壤质量，或是从土壤理化性质单一方面评价矿区土壤质量，而从土壤物理性质、入渗特征、养分特征、根系特征等多角度评价排土场不同植被类型土壤质量的研究较少。

阜新海州露天煤矿排土场位于辽宁省阜新市，属干旱半干旱区，生态环境恶劣，该区域降雨量少，土壤水分条件差，植被恢复困难，研究该区域排土场不同植被类型下土壤理化性质及对其进行土壤质量评价十分重要。因此，本文以海州露天煤矿排土场复垦区典型植被为研究对象，分析不同植被类型的土壤物理性质、入渗特征、养分特征、根系特征的差异性，评价不同植被类型土壤质量，筛选最佳植被类型，以期为排土场土地复垦和生态恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽宁省阜新市海州露天煤矿排土场位于露天矿坑西南部，总面积约为13 km2，年均降水量511.4 mm，且多集中于7月、8月，年蒸发量1790 mm，年均气温7.3 ℃，≥10 ℃年积温3476 ℃，无霜期154 d。排土场区呈阶梯状，平均坡度45°，相对高差为3－60 m。2004年，由国土资源部投资对该排土场开展土地复垦工作，复垦土地规模为 998.17 hm2。在复垦前期，平整并压实排土场，然后再进行客土回填工程，覆土厚度为30 cm（如今覆土层厚度经不均匀沉降存在不同程度的减小），以此建立有利于植物生长的表层和生根层，为后期生物复垦奠定基础。2005年，阜新矿务局与辽宁工程技术大学合作开展植被恢复工程，人工种植刺槐、榆树（Ulmus pumila）、油松（Pinus tabulaeformis）、刺槐和榆树混交、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、火炬树（Rhus typhina）、柠条（Caragana Korshinskii）、农地（玉米）等。2017年8月，选取排土场复垦区的刺槐林地、榆树林地、紫穗槐林地、火炬树林地为研究对象，在每种植被类型下布设1个20 m×20 m的标准地，在每个标准地内选取3个样方，样方之间呈“品”字形分布；用环刀采集0－20 cm土层土壤样品，用于测定土壤物理性质；采集1 kg土壤散样，带回实验室去除石块、植物根系等杂质，风干后过筛测定土壤养分特征；采用内径10 cm、长10 cm根钻采集植物根系，将其放入布袋内带回实验室，用清水洗净根系，备用。各样地基本情况见表1。

1.2 样品的测定方法

采用烘干法测定土壤含水率，采用环刀法测定土壤容重和孔隙度，采用水洗法测定砾石（＞2 mm）含量，采用定水头法测定土壤入渗过程及入渗特征指标。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质，采用半微量凯氏蒸馏法测定土壤全氮，采用 NaHCO3-钼锑抗比色法测定有效磷，采用NH4OAc-火焰光度法测定速效钾（中华人民共和国林业行业标准，1999；张洪江，2013）。采用沈阳农业大学农学院WinRHIZO根系分析系统测量根系指标（王沣等，2018），计算根长密度和根表面积密度，最后测定根系生物量（恒温 75 ℃条件下烘干至恒重）并计算根重密度。

表1 排土场复垦区各样地基本情况Table 1 Basic situation of various plots in the reclamation area of dump

1.3 数据分析方法

采用层次分析法评价排土场不同植被类型的土壤质量，步骤为：首先筛选评价指标，采用相关系数法确定各个指标之间的相关性及各指标权重（张雯雯等，2008），计算单项评价指标之间的相关系数，然后求某评价指标之间相关系数的平均值，并以该平均值占所有评价指标相关系数平均值总和的比作为该单项评价指标的权重Wi；再对各个指标进行无量纲化，将无量钢化系数Ni与权重Wi相乘，求和后计算土壤质量综合指数CI，并对综合指数进行排序确定综合排序。无量纲化系数Ni和土壤质量综合指数CI计算公式如下：

式中，Ni为指标i无量纲化系数；Qij为4种复垦植被类型中第j个植被类型指标i的数值；Qimax为4种复垦植被类型中指标i的最大值；Qimin为4种复垦植被类型中指标i的最小值；j为植被类型，j=1， 2， 3， 4；CI为土壤质量综合指数；权重Wi为各指标权重；n为指标个数，n=13。

不同植被类型各指标的差异性采用 SPSS 17.0单因素方差分析（one-way ANOVA）；指标之间的相关性、权重和土壤质量综合指数采用 Microsoft Excel 2003计算。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

表2所示为排土场不同植被类型下的土壤物理性质。由表2可知，排土场各样地土壤容重在1.19－1.28 g·cm-3之间，榆树和紫穗槐显著大于刺槐和火炬树（P＜0.05），说明植被恢复会影响土壤容重，造成不同样地之间的差异性，且刺槐和火炬树对土壤的改善效果优于榆树和紫穗槐。排土场各样地毛管孔隙度表现为紫穗槐（40.29%）＞刺槐（39.45%）＞火炬树（38.67%）＞榆树（36.56%），各样地之间无明显差异（P＞0.05），紫穗槐毛管孔隙度最大，说明该样地土壤蓄水保水能力最强，可为植被恢复提供所需水分。排土场砾石含量较高，均在 40%以上，这说明尽管排土场经过了13年的风化和植被恢复，其土体内部仍然存在较多的砾石。各样地土壤含水率为9.85%－11.73%，紫穗槐显著大于刺槐、榆树和火炬树（P＜0.05），刺槐和榆树无显著差异（P＞0.05）。

2.2 土壤入渗特征

土壤入渗能力决定地表径流量，影响排土场土壤侵蚀过程及侵蚀程度。由表3可知，排土场不同样地初始入渗率大小表现为刺槐＞火炬树＞榆树＞紫穗槐，刺槐显著大于其他3个样地（P＜0.05）；稳定入渗率反映排土场下垫面入渗能力，可用来表示排土场土壤入渗能力，刺槐稳定入渗率最大，为3.06 mm·min-1，紫穗槐最小，为0.85 mm·min-1，刺槐、榆树、火炬树稳定入渗率分别为紫穗槐的3.6、1.21、1.15倍，刺槐林地入渗能力较强，这是由于该样地的土壤容重较小，砾石含量较高，土壤结构松散且存在大量的土壤大孔隙（吕刚等，2018），这在一定程度上加强了土壤水分入渗能力与入渗量。刺槐、榆树、紫穗槐、火炬树平均入渗率依次为3.84、1.53、1.02、1.11 mm·min-1，这与稳定入渗率的变化规律相一致。

表2 排土场土壤物理性质Table 2 Soil physical properties in the dump

表3 排土场入渗特征Table 3 Infiltration characteristics in the dump mm·min-1

2.3 土壤养分特征

土壤有机质和氮、磷、钾等元素是土壤养分的重要成分，能够反映土壤的肥力状况，是评价土壤质量的重要指标。由表4可知，刺槐、榆树、紫穗槐、火炬树土壤有机质依次为12.6、10.49、8.45、9.96 g·kg-1，其中刺槐林地最大，这是由于该样地枯枝落叶较多，为土壤有机质的形成与转化提供物质基础。排土场各样地中，刺槐林地的全氮含量最高，为0.69 g·kg-1，其次为榆树和火炬树，紫穗槐最小，为0.47 g·kg-1，刺槐、榆树、火炬树全氮含量分别是紫穗槐的1.47、1.23、1.15倍。土壤有效磷和速效钾均表现为刺槐＞榆树＞火炬树＞紫穗槐，这与土壤全氮含量特征相一致，说明刺槐能够有效地提高土壤有机质，控制氮、磷、钾等元素的流失，为植物生长提供养分。

2.4 植物根系特征

植物根系不仅能够改变排土场土壤结构及理化性质，有效控制水土流失，其根系分布特征也能反映植物对土壤的适应能力和土壤质量的好坏。由表 5可知，排土场各样地根重密度表现为刺槐＞火炬树＞榆树＞紫穗槐，其中刺槐根重密度最大，显著大于榆树、紫穗槐、火炬树（P＜0.05），这是由于刺槐为乔木，其根系发达、直径较粗；紫穗槐最小，仅为0.2 g·cm-3，这与紫穗槐须根稠密的根系形态特征关系密切（张东梅等，2014）。刺槐、榆树、紫穗槐、火炬树根长密度依次为0.024、0.02、0.054、0.035 cm·cm-3，紫穗槐最大，这是由于紫穗槐侧根发达且须根柔软纤长造成的（嵇晓雷等，2016）。4个样地的根表面积密度表现为刺槐＞榆树＞火炬树＞紫穗槐，其中刺槐最大，为 0.051 cm2·cm-3，紫穗槐最小，为 0.021 cm2·cm-3，这一变化规律与根重密度相一致。

表5 排土场植物根系特征Table 5 Root system characteristics in the dump

2.5 土壤质量综合评价

本研究选取土壤容重（C1）、毛管孔隙度（C2）、砾石含量（C3）、土壤含水率（C4）、初始入渗率（C5）、稳定入渗率（C6）、土壤有机质（C7）、全氮（C8）、有效磷（C9）、速效钾（C10）、根重密度（C11）、根长密度（C12）、根表面积密度（C13）为排土场土壤质量评价指标，各评价指标之间的相关系数和权重见表6。

表7所示为排土场不同植被类型下土壤质量评价结果。由表7可知，排土场不同植被类型土壤质量综合指数表现为刺槐＞火炬树＞榆树＞紫穗槐，其值依次为0.637、0.426、0.416、0.369，相比于紫穗槐，刺槐、火炬树、榆树土壤质量综合指数分别提高 72.63%、15.45%、12.73%，说明不同植被恢复措施对排土场土壤质量的作用程度不同，榆树、紫穗槐和火炬树对土壤质量的改善效果较为接近，而刺槐林地的土壤质量得到显著的提高与改善，说明刺槐在排土场土地复垦工作中得到了较好的应用，可作为该区域排土场先锋树种进行推广。

3 讨论

中国大型露天煤矿多位于干旱半干旱地区，生态环境极其脆弱（谷裕等，2016），水分条件差，植被恢复困难。因此，土地复垦和植被恢复工作显得极其重要。通过土地复垦和植被重建可以有效地提高排土场植被覆盖度，防治水土流失，但复垦后植被恢复程度以及土壤质量的变化趋势有待进一步研究和探讨（陈龙乾等，1999）。陕永杰等（2008）首先系统地评价了矿区开采和不同复垦年限等不同阶段的土壤质量，提出了适合黄土丘陵区采矿地土壤质量的评价指标体系。王金满等（2012）筛选体积质量、有机质、有效磷、速效钾、全氮、碱解氮、pH值、电导率等指标，评价了内蒙古伊敏矿区不同复垦年限排土场的土壤质量，揭示土壤质量的动态变化规律，构建土壤演替模型。但是，目前关于矿区土壤质量评价指标的筛选及评价指标体系的构建还不是十分完善，尚未建立统一的评价标准和评价体系。本研究从土壤物理性质、入渗特征、养分特征、根系特征等角度初步研究了不同植被类型土壤质量特征，并对其进行评价，认为刺槐能够显著改善和提高排土场复垦区土壤质量；吕刚等（2017）从土壤因子、水分因子、植物因子3个方面12个环境因子角度，运用层次分析法和土壤水文效应综合指数评价该排土场 6种复垦植被类型土壤水文效应，其结果表明植被恢复可以有效地改善排土场的土壤水文效应，且以刺槐效果最佳；由本研究和吕刚等（2017）研究结果可知，无论从土壤水文效应角度还是从土壤质量角度，刺槐可作为海州露天煤矿排土场先锋树种进行推广，两者的研究结果可以相互印证。本研究从土壤理化性质和根系特征等角度研究了露天煤矿排土场复垦区土壤质量，但未考虑排土场土壤动物、微生物和重金属污染等方面对土壤质量的影响，今后应加强这方面的研究，以期完善矿区排土场土壤质量评价体系。

表4 排土场土壤养分特征Table 4 Soil nutrient characteristics in the dump

表6 各评价指标之间的相关系数和权重Table 6 Correlation coefficient and weight coefficient of each evaluation index

表7 排土场不同植被类型土壤质量综合评价Table 7 Comprehensive evaluation of soil quality with different vegetation types in the dump

4 结论

（1）不同植被类型对排土场土壤结构的改良效果不同，刺槐和火炬树土壤容重显著小于榆树和紫穗槐；毛管孔隙度表现为紫穗槐（40.29%）＞刺槐（39.45%）＞火炬树（38.67%）＞榆树（36.56%）；砾石含量较高，均在40%以上。排土场稳定入渗率在0.85－3.06 mm·min-1之间，刺槐、榆树、火炬树稳定入渗率分别为紫穗槐的3.6、1.21、1.15倍。

（2）土壤养分含量均表现为刺槐＞榆树＞火炬树＞紫穗槐，刺槐林地土壤养分含量最高，各样地土壤有机质在8.45－12.6 g·kg-1之间，全氮含量在0.47－0.69 g·kg-1之间；排土场各样地根重密度表现为刺槐＞火炬树＞榆树＞紫穗槐，根长密度最大为0.054 cm·cm-3，最小为 0.02 cm·cm-3之间，根表面积密度在 0.021－0.051 cm2·cm-3之间。

（3）从土壤物理性质、入渗特征、养分特征、根系特征分析排土场不同植被类型土壤质量的差异性，各样地土壤质量综合指数表现为刺槐（0.637）＞火炬树（0.426）＞榆树（0.416）＞紫穗槐（0.369），相比于紫穗槐，刺槐、火炬树、榆树土壤质量综合指数分别提高了72.63%、15.45%、12.73%；刺槐能够显著提高排土场复垦区土壤质量，可作为该区域排土场先锋树种进行推广。