采煤沉陷区复垦土壤肥力状况调查与评价

陈永春，安士凯，郑永红，徐 翀

(1.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001; 2.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

土壤肥力是土壤的基本属性和衡量土壤质量的重要指标，是土壤在物理、化学、生物等多种影响因素的综合作用下能够为植物提供生长发育所需肥力、抵御侵蚀及机械支撑的能力[1]。土壤肥力质量是土壤生态系统的重要内容，它包括土壤肥力、土壤污染状况等。通过土壤肥力质量评价可以更合理地为利用土地资源、科学施肥、调整土地结构布局等提供决策依据。

淮南矿区已有百年煤矿开采历史，煤矿开采过程中势必造成地面变形沉陷和地表煤矸石等固体废弃物堆积，破坏耕地完整性和造成矿区土壤重金属污染和肥力水平下降[2-4]。矿区复垦土壤的结构、肥力、pH值、重金属污染等方面仍与普通农田有着较大差别。长期以来，许多科学研究主要注重对土壤重金属的研究，而缺乏对矿区土壤肥力研究和评价，特别是复垦土壤肥力流失和恢复技术研究。目前国内外学者多采用的模糊数学法、灰色关联度法、层次分析法、神经网络法、主成分分析法等各类土壤肥力质量定量评价方法进行评价[5-11]，但是对于采煤沉陷区复垦土壤肥力水平评价和方法研究相对较少。

因此，结合淮南矿区土壤的特点，选择潘一矿沉陷复垦区土壤作为研究对象，并以研究区域附近基本农田作为对照区，通过对复垦后土壤容重、有机质、速效钾、速效磷和全氮等12项指标含量变化来分析土壤肥力质量的变化特征，选用单因子分析法和主成分分析法评价研究区域范围内土壤肥力的丰缺状况，为煤矿沉陷区充填复垦、土壤培肥等提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潘一矿位于安徽省淮南市潘集区境内。经过多年的煤炭开采，采空区上方地表形成了许多大小不一的沉陷积水塘和沉陷坑。随着开采面积的增大，地表沉陷面积也随之扩大。潘一矿复垦区工程实施采用剥离表土，充填煤矸石，上覆粘土工艺。按设计要求矸石回填碾压成功后覆1m黄土，平整好后达到农田基本标准。

1.2 样品采集与预处理

在研究区域内，采用网格布点法采集土壤样品。根据剖面土壤颜色、性状选择3个土层分层采样，分别自上而下分层采集0～20cm、20～40cm和40～60cm深度样品。土壤样品经充分混合后用四分法取舍，保留1kg左右混合土样，装入样品袋，贴上标签，标注采样编号、时间、地点和GPS坐标等详细信息，带回实验室处理和分析。研究区域内共采集土壤样品180个。同时，选取一定面积的非污染农田作为对照采样区。

除测定微生物总数、脲酶、碱性磷酸酶等需要新鲜土样外，多数项目需用风干土样。需要新鲜土样测试的，放入4℃恒温冰箱避光保存，一周内完成测试。将野外采集土壤样品掰碎放入风干盘内内进行自然风干。风干后的土样，磨碎、过筛和装袋后放置在干燥器中，放置在常温、阴凉干燥，避阳光、密封的环境中保存待测。

1.3 分析测试方法

为保证监测数据质量和可比性，本次土壤样品和煤矸石样品的测定方法按照《土壤技术分析规范》和《土壤环境质量标准》(GB15168-1995)进行测定分析。其中土壤pH值采用电位法；容重采用环刀法；速效氮采用碱解-扩散法；速效磷采用氟化铵-盐酸浸提法；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法；有机质采用重铬酸钾容量法；全氮采用CHN元素分析仪分析；全磷采用氢氧化钠融溶-钼锑抗比色法；全钾采用酸溶-火焰光度法；微生物总数采用稀释平板计数法；脲酶采用苯酚钠次氯酸钠比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法。

1.4 数据处理与分析

原始数据采用Excel2010和SPSS24.0统计分析软件进行数据处理和分析，图件用ArcGIS10.2和Origin8.0软件制图，主成分分析使用SPSS24.0进行数据分析。

2 结果分析

2.1 土壤单项肥力指标分析评价

1)土壤酸碱度。土壤酸碱度(pH值)是土壤最为重要的化学性质，对土壤肥力有效性、重金属的毒性、土壤微生物的活性和有机质分解等起着重要作用[12]。

分析表1数据可知，潘一矿复垦区0～20cm土壤pH值范围为6.76～8.88之间，平均值为8.06；20～40cm土壤pH值范围为7.01～8.84之间，平均值为8.01；40～60cm土壤pH值范围为7.10～8.88之间，平均值为8.11。分析对照农田和煤矸石风化物，复垦区土壤剖面各层土壤pH值平均值均高于对照农田7.58，但低于煤矸石风化物pH值8.77。

表1 潘一矿复垦区土壤肥力及生物指标统计

分析表2和图1， 潘一矿复垦区土壤pH值以碱性为主， 其中在0～20cm层90%土壤呈碱性， 20～40cm层85%土壤呈碱性，40～60cm层81.67%土壤呈碱性。

表2 土壤酸碱度分级标准

图1 土壤pH值分布特征 图2 土壤容重分布特征

2)土壤容重。土壤容重是了解土壤松紧程度、孔隙状况和土壤蓄水、透水、通气性能的重要指标，也可反映人类活动对土壤的压实作用。质地相同的土壤容重越大的土壤孔隙度越小，土壤蓄水、透水、通气性能越差[13]。

对照土壤容重分级标准[14]860-977，潘一矿复垦区土壤容重呈偏紧及以上水平，适宜率较低。由图2和表1可知，在0～20cm层，土壤容重适宜率仅占到28.33%，偏紧及以上水平占到71.67%。在20～40cm层，土壤容重适宜率仅占到23.33%，偏紧及以上水平占到76.67%。在40～60cm层，土壤容重适宜率仅占到16.67%，偏紧及以上水平占到83.33%。由于人为充填复垦机械压实作用，从表层土壤到60cm深度处土壤容重逐渐增大，孔隙度减小，土体变得紧密结实。对照农田土壤1.28g/cm3，呈略偏紧水平，复垦区土壤不同深度容重均值均高于对照农田。煤矸石风化物的容重为0.97g/cm3，呈过松水平。

与对照土壤和适宜农作物生长的土壤容重相比，复垦区表层土壤容重较适合农作物生长，与正常农田接近，底部土壤容重偏大。可以考虑利用煤矸石风化物质地松散的特点，改良复垦区土壤质地。

3)土壤有机质。土壤有机质是土壤的重要组成部分，土壤中营养元素的重要来源，对提高土壤肥力、促进农业可持续发展具有积极的作用与意义[15]。

由表1和图3可知，潘一矿复垦区土壤有机质含量水平呈4级较缺乏及以下水平，其中在0～20cm层100%土壤呈4级较缺乏水平。20～40cm层88.33%土壤呈4级较缺乏水平，11.67%土壤呈5级缺乏水平。40～60cm层60%土壤处于4级较缺乏水平，38.33%土壤处于5级缺乏水平，1.67%土壤处于6级极缺乏水平。分析剖面土壤有机质分布特征，0～20cm土层肥力水平较高，随着采样深度增加有机质含量水平逐渐降低。

复垦区土壤有机质含量0～20cm层高于对照农田，20～40cm和40～60cm层均略低于对照农田。煤矸石风化物中有机质含量非常丰富，远高于复垦区土壤和对照农田。

图3 土壤有机质分布特征

4)土壤速效态氮 、磷 、钾。土壤速效肥力的高低直接影响植物的生长发育情况[16]。由表3和图4可知，潘一矿复垦区土壤速效钾含量水平总体上较丰富，呈3级中等及以上水平。其中在0～20cm层83.33%土壤处于2级较丰富水平，6.67%土壤处于1级丰富水平，10%土壤处于3级中等水平；在20～40cm层55%土壤处于2级较丰富水平，45%土壤处于3级中等水平；在40～60cm层40%土壤处于2级较丰富水平，60%土壤处于3级中等水平。分析剖面土壤速效钾分布水平，0～20cm土层速效钾肥力水平较高，随着采样深度增加速效钾含量水平逐渐降低，在40～60cm深度速效钾含量以3级中等水平为主。复垦区土壤各层速效钾含量均值均高于对照农田，但低于煤矸石风化物中速效钾含量。

图4 土壤速效肥力分布特征

图5 土壤全量肥力分布特征

由表3和图3可知，潘一矿复垦区土壤速效磷含量水平总体上呈3级中等及以下水平。其中在0～20cm层76.67%土壤处于3级中等水平，21.67%土壤处于4级较缺水平，1.67%土壤处于5级缺乏水平；在20～40cm层70%土壤处于3级中等水平，27%土壤处于4级较缺水平，3%土壤处于5级缺乏水平；在40～60cm层58.33%土壤处于3级较中等水平，41.67%土壤处于4级较缺水平。分析剖面土壤速效磷分布特征，0～20cm土层速效磷肥力水平较高，略高于20～40cm，随着采样深度增加速效磷含量水平逐渐降低，在40～60cm深度速效磷含量以3级中等水平及以下为主。复垦区土壤各层速效磷含量均值均低于对照农田，但高于煤矸石风化物中速效磷含量。

由图3和表3可知，潘一矿复垦区土壤碱解氮含量水平总体上呈5级缺乏水平。其中在0～20cm层58.33%土壤处于5级缺乏水平，41.67%土壤处于4级较缺水平；在20～40cm层70%土壤处于5级缺乏水平，30%土壤处于4级较缺水平；在40～60cm层87%土壤处于5级较缺乏水平，13%土壤处于4级较缺水平。分析剖面土壤碱解氮分布水平，随着采样深度增加碱解氮含量水平逐渐降低，在20～40cm和40～60cm深度碱解氮含量以5级缺乏水平为主。复垦区土壤各层碱解氮含量均值均高于对照农田，但低于煤矸石风化物中碱解氮含量。

5)土壤全量氮 、磷 、钾。土壤全量肥力是土壤肥力的重要组成，是植物生长的基础条件，全量肥力的含量也是合理施肥的直接依据[14]860-977。由表3和图5可知，土壤各剖面全氮含量水平总体上呈1级丰富水平，其中在0～20cm和40～60cm层100%土壤全氮处于1级丰富水平，20～40cm 层1.67%土壤处于2级较丰富水平。对比剖面土壤全氮分布水平，各层土壤全氮含量差异不大。复垦区土壤各层全氮含量均值均高于对照农田，但低于煤矸石风化物中全氮含量。

由表3和图5可知，土壤各剖面全磷含量水平总体上呈5级缺乏水平，其中在0～20cm层48.33%土壤全磷处于5级缺乏水平，51.67%土壤处于4级较缺乏水平。20～40cm土壤91.67%和40～60cm层土壤93.33%处于5级缺乏水平。对比剖面土壤全磷分布水平，0～20cm层土壤全磷含量较丰富，20～40cm和40～60cm层土壤全磷含量差别不大，处于较缺乏水平。复垦区土壤仅0～20cm层全磷含量均值均高于对照农田和煤矸石风化物，20～40cm和40～60cm层含量接近对照农田和煤矸石风化物。

由表3和图5可知，土壤各剖面全钾含量水平总体上呈2级较丰富水平，其中在0～20cm层68.33%土壤全钾处于2级较丰富水平，18.33%土壤处于1级丰富水平，13.33%土壤处于3级中等水平。20～40cm层61.67%土壤处于2级较丰富水平，3.33%土壤处于1级丰富水平，35%土壤处于3级中等水平。40～60cm层50%土壤处于2级较丰富水平，48.33%土壤处于3级中等水平，1.67%土壤处于4级较缺乏水平。对比剖面土壤全钾分布水平，随着采样深度增加全钾含量水平逐渐降低，40～60cm层土壤全钾含量处于较缺乏水平及以上。复垦区土壤仅0～20cm层全钾含量均值均高于对照农田，20～40cm和40～60cm层含量接近对照农田，但是复垦区土壤各层全钾含量均值低于煤矸石风化物。

6)土壤生物指标。土壤生物指标越来越多地应用于土壤肥力评价， 并将成为未来土壤肥力评价的研究热点[17]。分析剖面土壤脲酶、碱性磷酸酶和微生物总数分布特征，随着土层深度的增加，复垦土壤这3项生物学指标均含量逐渐降低。复垦区土壤微生物总数均高于对照农田。脲酶和碱性磷酸酶含量在0～20cm和20～40cm均高于对照农田，在40～60cm率低于对照农田。复垦土壤这3项生物学指标均高于煤矸石风化物。

2.2 土壤肥力质量指标主成分分析

主成分分析方法是在复杂的土壤肥力指标体系中筛选出若干个彼此不相关的综合性指标，且能反映出原来全部指标所提供的大部分信息的一种统计分析方法[18-19]。

对研究区0～20cm层60个样点的表层土壤12项指标数据进行分析，采用SPSS统计分析软件中的因子分析功能对研究区影响土壤肥力质量指标进行主成分分析。0～20cm层土壤深度的指标做了 KMO 和 Bartlett 的检验，KMO值为0.746且大于0.6，Barlett检验中的sig值均<0.001，说明可以进行主成分分析。

依据主成分分析理论，如果前N个主成分的累积贡献率达到75%，说明前N个主成分可以反映数据大量信息。如果某个主成分的特征值≥1，则这个主成分的解释力度可以代替原始数据[20]。根据表4可知， 前4个主成分对于总方差的贡献率之和达到86.013%，可以确定主成分个数为4个。因此，可以选择这四个主成分表征潘一矿复垦区土壤肥力特征，并对肥力水平进行综合评价。

表3 特征值及主成分贡献率

表4 主成分得分系数矩阵

利用SPSS软件求得主成分得分系数矩阵，由表4计算出对应的主成分表达式分别为：

F1=0.027X1-0.069X2-0.011X3-0.033X4+0.111X5-0.059X6-0.025X7+0.321X8-0.118X9+0.323X10+0.323X11+0.014X12

(1)

F2=0.215X1-0.111X2-0.006X3-0.011X4+0.036X5+0.46X6+0.092X7-0.046X8+0.62X9-0.053X10-0.053X11+0.028X12

(2)

F3=0.04X1-0.159X2+0.472X3+0.087X4+0.159X5+0.006X6-0.043X7-0.007X8+0.012X9-0.011X10-0.011X11+0.474X12

(3)

F4=0.237X1+0.26X2-0.019X3+0.46X4+0.022X5+0.027X6+0.508X7-0.04X8+0.024X9-0.046X10-0.046X11-0.02X12

(4)

将标准化的数据，带入(1)～(4)式，可得到调查点在四个主成分上的得分，再根据

F=∑bjZj=b1z1+b2Z2+b3Z3+…bkZk，得F=0.276 7F1+0.240 2F2+0.185 2F3+0.157 9F4

以四个主成分的线性组合关系表达式为根据，从第一主成分的表达式可以看出，全磷、碱性磷酸酶和脲酶的绝对值较大，但与其他指标相关性不大，主要反映磷素对肥力水平的影响；第二主成分的表达式中，总氮和碱解氮的绝对值比较大，主要反映氮素对肥力水平的影响；第三主成分的表达式中，有机质和微生物的绝对值比较大，主要反映有机质对肥力水平的影响；第四主成分的表达式中，总钾和速效钾的绝对值比较大，主要反映钾素对肥力水平的影响。因此，复垦区土壤肥力的主要影响因子是氮、磷、钾素和有机质。

2.3 土壤肥力等级分析及空间分布

1)土壤肥力等级分析。将标准化后的数据带入主成分F计算公式，结果显示0～20cm土层60个土壤样品的F值分布在-1.003 7～0.933 8。肥力水平较高的一二等地没有，中等肥力水平的3等地比例为63.33%，肥力水平较低的4等地比例为31.67%，肥力水平较差的5等地占总数的5%(见表4)。

表4 土壤肥力等级比例

2)土壤肥力等级分析。将采样点及研究区信息导入ArcGIS10.2，通过地统计学克里金插值法，将采样点的土壤F值在整个研究区进行的空间预测，得到土壤F值的空间分布图。利用ArcGIS的重分类工具，将土壤综合主成分值(F)空间分布分等级，得到土壤肥力等级图。将土壤肥力等级图和土壤F值叠加，绘制0～20cm深度土层的土壤肥力等级图(见图6)。

图6 0～20cm土层肥力水平空间分布图

从图6可知，研究区域内0～20cm土层的肥力水平较高的点，主要集中在研究区东南角，煤矸石山东北层，整体上呈面状和带状分布。西侧沿省道方向土层肥力水平较低，呈块状分布。

4 结论与讨论

(1)潘一矿复垦区土壤pH值以碱性为主，容重适宜率较低呈偏紧及以上水平。对照全国第二次土壤普查肥力分级标准分析，有机质含量水平呈4级较缺乏及以下水平。速效钾、速效磷含量总体上呈3级中等水平，碱解氮和全磷含量总体上呈5级缺乏水平。全氮含量水平总体上呈1级丰富水平，全钾含量水平总体上呈2级较丰富水平。随着土层深度的增加，复垦土壤脲酶、碱性磷酸酶和微生物总数含量逐渐降低，但这3项生物学指标均高于对照农田和煤矸石风化物。

(2)主成分分析法评价结果显示4个主成分影响复垦区土壤肥力水平，表明氮、磷、钾素和有机质是复垦区土壤肥力的主要影响因子。将研究区的土壤肥力质量水平评为3、4和5三个等级，复垦区表层土壤肥力等级以中等肥力水平的3等地为主，且肥力分布特征整体上呈面状和带状分布，西侧沿省道方向土层肥力水平较低，呈块状分布。肥力等级较高的点，主要集中在研究区东南角煤矸石山附近。

(3)由于采煤沉陷区土地复垦活动影响，人为对土壤进行充填压实，复垦土壤容重较对照农田偏大，土壤质地相对紧密结实，土壤容重成为影响土壤肥力水平提升的限制因子。煤矸石经过露天风化裂解，风化物颗粒物组成已接近土壤，可以考虑利用煤矸石风化物质地松散的特点，改良复垦区土壤质地，提升复垦区土壤通气保水性能。煤矸石风化物中有机质、速效钾和碱解氮含量丰富，可以考虑对其进行改性去除盐分等污染物，制备改良剂用于改善复垦区土壤肥力状况。另外，也可以考虑用堆肥和绿肥技术来改良土壤肥力。