复垦年限及植被模式对矿区土壤质量的影响

2020-03-11郭孝理赵云泽孙忠祥黄元仿

中国矿业 2020年2期

曹梦，郭孝理，赵云泽，李勇，孙忠祥，黄元仿

(中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193)

露天煤矿的大规模开采活动，不仅破坏和侵占了大量的土地资源，而且也会损毁地表植被，造成区域生态环境的退化[1]。土壤是一个复杂的动态系统，有助于维持陆地生态系统中的植物生产和生物地球化学循环[2]。因此，露天煤矿区域的生态环境恢复至关重要，而土壤质量的恢复更是土地复垦的关键[3]。采取适当的植被复垦措施可以高效、快速地恢复矿区土壤状况[4]，但不同的复垦年限和植被覆盖模式对土壤质量的改善程度有所差异。基于此，对矿区复垦土壤质量进行分析，并对其进行定量化表征，可以更好地实施恢复措施，有助于开展露天煤矿的生态系统恢复工作。

已有诸多学者借助模型等方法评价复垦土壤质量，但主要聚焦于复垦土壤的生产力评价。胡振琪等[5]构建了模糊PI模型，定量化评价复垦土壤耕作效果；卞正富[6]分析了复垦土地生产力的影响要素，提出了熵流模型；陈龙乾等[7]从土壤生产力和环境质量两类指标出发，用土壤质量评价指数表征了徐州矿区复垦后质量；王金满等[8]分析了草原区露天矿土壤理化指标的演替规律，拟合出了复垦土壤质量变化的指数模型。虽然复垦土壤质量的评价指标应综合考虑土壤过程中的物理、化学和生物因素[9]，但以往的研究仍多集中在土壤的养分状况及其与植物群落特征的相互关系分析，对物理、生物指标等的考虑尚显不足。ZHAO等[10]对露天煤矿复垦土壤的物理、化学和生物性质进行了探索性分析，但针对矿区不同复垦年限和模式下土壤质量的综合评价仍尚显缺乏。本文以安太堡露天煤矿为例，借助模糊数学等方法，从土壤的物理、化学和生物等指标综合分析其质量状况，旨在揭示不同复垦年限和植被模式对土壤质量的影响，以期为露天矿区复垦和生态恢复等提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安太堡露天煤矿位于山西省朔州市，是平朔露天矿的一部分。矿区范围为E112°18′～113°26′、N39°27′～39°34′，处于黄土丘陵生态脆弱区，对外界环境改变反应敏感。矿区自然环境较恶劣，水土流失严重，土壤易受水、风侵蚀，土壤质地偏砂，生产力偏低。近30年的土地复垦与生态修复使矿区已形成由“林、灌、草”等要素构成的多层次结构。本文的具体研究区域包括安太堡露天矿的排土场(南排土场、西排土场和内排土场)及其周围原始地貌区域，即安太堡矿区的西南部。

1.2 样品采集

采用“空间代时间”的方法，在安太堡煤矿的南排土场和西排土场选择不同植物配置模式的16块样地为研究样地，以分析复垦年限和植被模式对土壤质量的影响；同时，在样地附近选择3块原始地貌样地和2块损毁-无复垦样地作为对照，详细信息见表1。

表1 样地的基本情况Table 1 The characteristics of the samples

注：①NF22样地的刺槐和榆树已退化；②NO13为南排土场坡下的原始地貌小叶杨样地。资料来源：文献[11]

在每个样地中随机设置3个样方(10 m×10 m)，然后在每个样方中选取5个1 m×1 m的样点，除去枯枝落叶层后取0～20 cm的土样。将各样方的土样进行混合，用四分法留存足够样品，装入无菌袋中，置于冰盒带回实验室4 ℃冰箱中保存待用。用GPS对每个地块准确定位，并记录样地情况。

1.3 测试指标与方法

选取的13项土壤指标及检测方法见表2。

表2 土壤质量分析指标及其测定方法Table 2 Index of soil quality and its measuring method

2 土壤质量评价模型

2.1 土壤质量单因子指标的选择

对矿山土而言，土壤容重和pH值可以很好地反映复垦土壤状况[12]，土壤养分的迁移主要受土壤水分影响；土壤有机质又是研究土壤质量变化最理想的指标。另外，安太堡露天煤矿所处的黄土区并不缺少全钾，且全磷对于排土场这种新造土壤的养分质量影响较小[9]，因此选用全氮、速效氮、速效磷和速效钾作为评价指标。同时，土壤微生物状况，包括微生物量和微生物多样性，也广泛的被用来评估土壤质量，因此再选取微生物量碳、氮以及Shannon-Wiener等生物指标。

2.2 单因子指标权重和隶属度的确定

1) 确定单因子指标权重。根据单因子指标之间的相关系数可知，土壤有机碳和全氮、速效钾呈极显著相关(P<0.01)，且全氮和速效钾之间也呈现显著相关(P<0.05)。为使评价更为客观，并考虑有机质在土壤质量评价中的关键作用，删除土壤全氮和速效钾指标。同时，Shannon-Wiener index、McIntosh index均与微生物量碳和Pielou evenness index显著相关，故删除前两个指标。通过相关系数法检验，最终取9个指标构建土壤质量评价模型，并按式(1)和式(2)求取单因子指标权重[8]来表示单因子指标的重要性(表3)。

(1)

(2)

表3 单因子指标的权重Table 3 Weight of each various indices

2) 单因子指标隶属度计算。为使单因子指标之间可进行统一的运算，需对原始数据进行标准化处理[13]常采取隶属度函数来辅助计算。

采用抛物线型函数(式(3))来确定土壤容重的隶属度；pH值较特殊，根据实际情况(pH>8.0)和经验来确定(式(4))；以戒上型隶属度函数来确定其他指标状况(式(5))。

(3)

式中，a1、a2、b1、b2分别为指标的临界值。根据实测值，确定其具体数值分别为0.8、1.6、1.1和1.2。

(4)

(5)

式中，x1、x2分别为单因子指标的最小值和最大值。

2.3 土壤质量综合指标的构建

综合分析土壤质量时，不同指标间的相关性会导致信息冗余，因此根据各单因子指标的权重和隶属度，用指数和法计算土壤质量的综合指标，见式(6)。

(6)

式中：SQI(soil quality index)为土壤质量综合指标；Wi为第i个指标的权重，Ni为第i个指标的隶属度。

3 结果分析与讨论

土壤质量评价模型计算结果显示，煤矿区土壤综合质量为0.232～0.542，其中，2块损毁-无复垦样地(ND11、NO21)以及复垦16 a的沙棘样地土壤质量较低，分别为0.232、0.237和0.271；原始地貌油松林的土壤质量最高，次之为复垦23 a的刺槐×榆树×椿样地。结果表明，露天矿的开采对表土的破坏十分严重，人为复垦措施的实施可使土壤质量逐渐恢复。

3.1 不同复垦年限的土壤质量

采用相同植被配置模式、不同复垦年限的土壤质量结果(图1(a))显示：土壤质量随复垦年限的增长而波动上升，趋于接近原地貌；原始地貌油松样地的土壤质量最高，次之为油松复垦23 a的样地。以上结果表明，随着复垦时间的发展，土壤质量逐渐恢复。

部分复垦样地的土壤质量高于小叶杨原始地貌(OF13)，可以认为适当的复垦措施可使被损坏的土壤质量达到未破坏的水平。但是，地处南排土场坡下的原始地貌小叶杨样地(NO13)的土壤质量却远高于同区域的复垦样地(NO12)，甚至优于OF13的土壤质量很多；矿区的土壤原始质量水平相似[11]，而NO13样地的速效氮和微生物量氮的含量比OF13样地高很多，可能是由于对南排土场进行复垦养护时，原始地貌小叶杨样地(NO13)也受到了一定程度的水、肥、害虫防治等管理，才致使NO13样地的土壤质量高于OF13。因此可以推测，复垦措施的实施有助于土壤质量的恢复。

由单因子指标结果可知，不同复垦年限样地之间土壤质量的差异主要是由土壤容重、有机质、微生物量(碳、氮)以及土壤微生物多样性造成的。随着复垦措施的实施，土壤容重从最初压实状态时的高值逐渐减小；而研究区复垦样地中的土壤有机质含量；却并不随复垦年限的增长而线性增加，且除复垦16 a的样地(WH11)外，含量均高于原始地貌小叶杨(OF13)样地，王金满等[8]发现它是随复垦年限的增加先增加后缓慢较小，可能是由于覆土使用的是表土，加之初期的复垦措施更有利于土壤中有机物质的积累，即使后期养分被消耗，也表现出高于原地貌的程度。生态系统会随着复垦的进行而逐渐稳定，结构与功能更加完善，且其结构的多样性和复杂性会优于年轻的生态系统[14]。本研究区仍处于一个趋于稳定的阶段，在发展的过程中生物也会经过不断的竞争，最终呈现一个稳定的状态，因此出现了复垦时间短的样地中土壤生物性状反而较高的情况。

图1 不同复垦样地的土壤综合质量Fig.1 Comprehensive value of soil quality in different regeneration land

3.2 不同复垦植被模式的土壤质量

由图1(b)可知，相同复垦年限、不同植被配置模式复垦的样地土壤质量之间差别较大；复垦23 a的样地土壤质量显著高于复垦22 a和19 a的样地土壤质量，也说明了复垦时长对土壤质量恢复的重要性。

复垦23 a、纯林复垦的样地中，油松样地的土壤质量最优，小叶杨样地最低。可能是由于矿区土壤偏碱性(8.04～8.82)且干旱贫瘠，加之区域较大，缺少完善的人工管理，致使小叶杨长成了“小老树”，植被与土壤的相互作用也反向致使土壤质量较低；而油松树冠较小，生长过程中需要从土壤中汲取的水分较少，另外油松凋零物质的单宁、木质素等分解后会产生酸性物质，有利于改善pH值。小叶杨样地的土壤质量状况与王杨扬等[15]在此矿区的研究结果一致，但两种样地的土壤质量相对状况却和孙海运等[13]在草原区的结果并不相同，主要是由于研究区域的环境差异较大。复垦22 a的样地土壤质量结果也表明，油松样地的质量较其他样地高。因此，油松纯林可能是该研究区较优的单一植被复垦模式。

复垦23 a、混交林复垦的样地质量结果显示，刺槐×榆树×椿样地的土壤质量较高，且刺槐与柠条混交(NF11、NF22)的质量远低于与其他植物混交，甚至低于刺槐、柠条纯林的土壤质量；并且在采样时发现，刺槐×榆树×柠条样地(NF22)的刺槐和榆树呈现不同程度的死亡。基于这些现象，推测刺槐、榆树和柠条之间的物种竞争较为严重，不适宜以混交林进行复垦。而刺槐与榆树混交林(NF12、NF13和NT12)土壤质量表明，刺槐混交林对土壤质量的恢复作用较为明显，但刺槐和油松之间可能也存在一定程度的物种竞争。混交林的复垦模式优于纯林的原因可能是，在混交林中物种间的互补作用可以使生态环境因子更好的发挥作用，例如光照、温度、水分、空间等，同时，物种的丰富也在一定程度上提高了枯枝落叶的培肥作用[15]；并且，刺槐×榆树×椿样地中的pH值较其他样地低，可能给土壤中的碳、氮循环提供了更优的条件，也更有利于刺槐根部的固氮根瘤菌发挥作用，使其土壤质量恢复效果更好。综合考虑可知，刺槐×榆树两个树种混交模式复垦对土壤质量的恢复作用较为稳妥且优于单一植被复垦模式，因此，这种复垦模式可以推广使用。