草原矿区重构土壤特征对植被生长状况的影响研究

2022-06-25吴大为铁原旭严子循胡阅川宋子康曹银贵

能源环境保护 2022年3期

吴大为，铁原旭，严子循，胡阅川，宋子康，曹银贵,2,*

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.自然资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

0 引言

露天开采是许多国家进行煤矿开采的重要方法，其产量占比一般在50%以上，有的国家甚至超过90%[1]。煤炭资源的大规模开采，给局部地区带来众多生态环境和社会问题[2]。煤矿区土地复垦最早在德国和美国受到重视，自20世纪20年代开始德国就在煤矿废弃地上种植树木以恢复植被和保护环境，美国则在《矿山租赁法》中对保护土地和自然环境提出明确要求[3]，可见国外对煤矿开采地的土地复垦和土壤重构研究起步较早。我国露天煤矿可开采量占总储量的10%～15%[4]，远低于美国、澳大利亚等国家，但露天开采量稳步提升，2016年开采量达到了21.1%，2017年虽降至15.0%，但此后逐步提升。露天煤矿的开采在为国民经经济做出贡献的同时，也对矿区生态环境造成了巨大影响，主要包括占用和破坏大量土地、破坏生态环境，矿坑疏干地下水造成地下水位下降、破坏水利平衡等影响[5-6]。

在表土稀缺矿区的土地复垦过程中，土壤重构问题最不容易解决[7]。土壤重构作为国内外土地复垦研究的重点问题，我国有过类似方面的研究。荣颖[8]等人研究了不同重构土壤材料配比对土壤改良的影响，发现了风沙土、红黏土、煤矸石、玉米秸秆及腐殖酸材料的最佳配比；周杨[9]等人对不同重构方式下矿区土壤持水性的差异性进行了研究，这为以煤矸石、保水剂以及矿区表土为复配材料配制容重适宜、持水性良好的重构土壤提供理论指导；王金满[10]等人对于黄土区露天煤矿排土场重构土壤颗粒组成的多重分形特征的研究，为黄土区露天煤矿排土场土地复垦以及重构土壤质量的量化提供理论依据。综上，国内对重构土壤材料配比及其单一理化性质的研究较丰富，但对于重构土壤肥力特征以及植物生物量的研究较少。

根据《内蒙古自治区矿山环境治理实施方案》，由于矿山长期过度开发，形成了大量矿坑并严重破坏草原森林，因此，需要以生态优先、绿色发展为导向，加强统筹、科学规划，筑牢我国北方重要生态安全屏障和祖国北疆万里绿色长城。

研究区位于内蒙古锡林浩特，是我国北方重要的生态屏障，但是近20年来，矿产资源的大量开采对锡林浩特草原景观造成了严重影响，使区域碳平衡遭到严重破坏[11]。露天矿产资源开采需要大面积剥离表层土壤，这严重破坏了草原植被的生长环境[12]。煤炭资源开采引起的草场退化、植物多样性锐减等生态问题，经过长期累积和空间外扩，对矿区及周边地区的生态环境产生严重负面影响[13-15]。对不同土壤重构方式进行实验可以因地制宜的探究出恢复矿区损毁地最好的土壤重构方式，土壤重构是以恢复工矿区破坏土地的土壤或植被重建为目的，采取适当的重构技术工艺，重新构造一个适宜的土壤剖面和土壤肥力因素，在较短的时间内恢复和提高重构土壤的生产力，并改善重构土壤的环境质量的活动[7]。重构土壤对矿区生态修复和植被长势起到基础性促进作用，长势良好的植被又促进矿区绿色低碳发展，构成了重构土壤-植被-低碳的良性链接，因此，矿区生态修复的重点是以重构土壤为基础的研究。

本文对内蒙古胜利矿区废弃矿坑修复后的重构土壤特性进行研究，以模糊数学加乘原则计算土壤肥力指数，采用GIS和地统计学相结合的方法，确定生物量和综合肥力指数的空间变异特征和分布格局，用以研究不同熟化方式和不同重构方式的土壤对植被生长状况的影响，以促进绿色低碳发展。总体来说，本研究旨在进行合理的实验研究探究出内蒙古胜利矿区最合适的重构土壤方案，使得植被长势最优。

1 研究区概况

北电胜利矿区一号露天煤矿地处内蒙古高原东北部，深居内陆，位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市西北部伊利勒特苏木境内，胜利煤田的西南部，南距锡林浩特市6 km，跨详查、精查两个勘探区，地理位置为43°57′～44°14′N，115°30′～116°26′E，地表东西长6.84 km，南北宽5.43 km，含煤面积37.14 km2，地质储量1 934.43 t，可开采的地质储量1 854.79 t，平均剥离率为2.59 m3/t，研究区概况如图1所示。整个矿区地势较平坦，属温带半干旱大陆性季风气候区，年均气温1.7 ℃，年降水量294.74 mm，年平均蒸发量为1 794.64 mm，属于典型草原地带性植被类型区。目前，此矿区土壤类型主要由栗钙土、草甸栗钙土、草甸土等组成，该部分土壤有机质含量较高，土壤肥力较好；部分地段由于草场退化形成沙化、砾石化栗钙土，土壤有机质含量降低，土壤肥力差，植被覆盖率低，形成强烈侵蚀的生态脆弱草原区，对环境改变较为敏感。矿区内排土场重构土壤区在2019年进行了有效的土地复垦与植被重建，经考察后发现该地区自然植物组成主要有克氏针茅、大针茅、糙隐子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、锦鸡儿等草本植物，故人工复垦与植被重建先锋植被选为紫花苜蓿。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

2 材料与方法

内排土场采用了3种不同的重构方式重构土壤：第一种为表层为50 cm的岩土剥离物，下面全部为采矿剥离物自然堆积体；第二种为表层为50 cm的岩土剥离物、煤矸石的混合物，配比为2∶3，下面全部为采矿剥离物自然堆积体；第三种为表层为50 cm的岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰的混合物，配比为3∶4∶3，下面全部为采矿剥离物自然堆积体。每种重构方式构成一个小田块，3种不同重构方式形成的三个小田块构成一个大田块，共计8个大田块，目前种植的4个大田块。

2.1 样品采集与处理方法

2019年8月对当年复垦后的内排土场复垦区进行了样地调查和取样。在内排土场8个大田块中选取了田块一、二、三、四采集土壤样本。每个大田块的土壤熟化方式不同，大田块一：15 d翻耕一次，翻耕处理一年并植苜蓿，年底将首蓿翻压至土里，再重新种植一年苜蓿；大田块二：30 d翻耕一次，翻耕处理一年并种植苜蓿，年底将苜蓿压至土里，再重新种植一年苜蓿；大田块三：60 d翻耕一次，翻耕处理一年并种植苜蓿，年底将苜蓿压至土里，再重新种植一年苜蓿；大田块四：当年翻耕处理，并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植一年苜蓿。为了使样地中被选定的各样点代表不同的植被恢复水平，在取样的地块内对各样点的植被生长状况进行了定性的分级，同时考虑到不同的重构地块内植被恢复的整体水平具有差异性，实际的定性分级是在3个不同的重构地块内分别进行的，因此本次样点的选定能够代表样地内不同的植被恢复水平。在每个小田块内基于样线法在代表性地块上分别设置12个样点，植被恢复水平根据植被的生长状况由优至劣定义为1、2、3、4四个等级，每个等级下设置3个土样样点，采样深度20 cm，将3个样点采集到的土样混合。植被恢复水平根据植被的生物量来判断，生物量越大代表植被生长状况越好。

图2 田块的土壤重构方案纵截面图及熟化处理方式Fig.2 Longitudinal section of soil reconstruction scheme and maturation methods of field

2.2 数据测定

相关文献指出，为了更快更好的提高土地质量，恢复土地生态功能，建议对复垦土地中的容重、田间持水量、有机质、全氮和碳氮比实施动态监测，以便及时根据土壤中的养分含量调整措施，提高土壤肥力，使矿区土地资源得到合理保护[16]。因此，本文选取以下7个因素研究重构土壤的各项特征，同时在一定程度上也能反映重构土壤的质量水平。

土壤田间持水量采用烘干法测定，计算公式见式(1)：

(1)

式(1)中：X为田间持水量，%；m1为湿土样质量，g；m2为干土样质量，g。

土壤有机质含量采用滴定法测定，计算公式见式(2)：

(2)

式(2)中：m为有机质含量，%；c为硫酸亚铁消耗摩尔浓度，mol/L；v0为空白实验消耗的硫酸亚铁溶液的体积，mL；v为滴定待测土样消耗的硫酸亚铁的体积，mL；M为风干样重，g；e为水分系数；0.003 为1/4 mmol碳的克数；10 724为由土壤有机碳换算成有机质的换算系数；1.1为校正系数(用此法氧化率为90%)。

土壤容重采用环刀法测，计算公式见式(3)：

(3)

式(3)中：r为土壤容重，g/cm3；m3为环刀内湿样质量；v为环刀容积，一般为100 cm3；θm为样品含水量(质量含水量)，%。

2.3 数据处理

在SPSS 19.0 软件中完成土壤肥力指标和土壤综合肥力指数描述统计分析和Pearson相关性分析。在arcgis10.6的地统计分析模块(geostatis-

tical analyst)中完成克里金(kriging)空间插值图。在imageJ中完成对植物生物量面积占比的测定。

3 结果与分析

3.1 土壤质量评价体系构建及分析

3.1.1 土壤质量评价体系构建

评价因素的选取遵循主导因素原则、差异性原则、稳定性原则、敏感性原则，采用定量和定性相结合的方法[17]，依此，选取了土壤容重、有机质、全氮、有效磷、速效钾、土壤含水率及pH作为评价因子。使用SPSS分析软件得出各肥力指标之间的相关系数，采用相关系数法确定各个肥力指标的权重。计算各项肥力指标之间的相关系数，获得某一肥力指标与其他肥力指标相关系数的平均值，将该平均值与所有肥力指标相关系数平均值总和的比值作为该肥力指标的权重，评价指标的权重计算公式如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

根据矿区排土场的实际情况，采用S型隶属函数式，如式(6)[18]，计算隶属度值。参考全国第二次土壤普查的养分分级标准[19](如表1)和土壤含水率和干旱程度分级标准[20](如表2)中推荐的土壤质量指标隶属度函数的阈值范围，以各项指标的5级标准平均值和2级标准平均值作为函数的转折点x1和x2(取值如表3)计算容重、含水率、有机质、全氮、有效磷、速效钾的隶属度。另外，本研究用经验法[21]计算pH值的隶属度，如表4。

(6)

表1 第二次土壤普查分级标准

表2 土壤含水率和干旱程度分级标准表

表3 隶属度曲线转折点取值

表4 pH的隶属度值

以模糊数学中的加乘原则为原理，利用前面求得的各土壤质量指标的权重及隶属度值，计算土壤综合肥力指数IFI[22]，计算式如式(7)：

(7)

式(7)中，Fi为第i项评价指标的隶属度值。IFI取值范围在0～1之间，且IFI的数值越接近于1，表明土壤肥力越高，即该区域土壤质量越好。土壤综合质量分级标准如表5所示。

表5 IFI值与土壤质量对照标准

3.1.2 土壤肥力指数分析

对实验田不同重构方式以及熟化方式的土壤肥力指数进行统计分析(如表6)，结果表明：各个田块的变异系数在15.6%～42.9%之间，均属于中等变异；试验田的土壤肥力指数在0.149 4到0.806 5 之间，均值为0.488 3；不同熟化方式下，大田块三的土壤肥力指数均值最高，但与其余熟化方式无显著性差异；不同重构方式下，重构方式三的土壤肥力指数均值最高，显著高于重构方式一，与重构方式二无显著性差异(如图3)。

表6 土壤肥力指数描述性统计

在不考虑熟化措施的条件下，第三种土壤重构方式土壤肥力指数显著高于其余两种土壤重构方式的土壤肥力指数，因为第三种土壤重构方式中添加了粉煤灰，根据王娟等人对粉煤灰在土壤改良方面应用的综述可知，粉煤灰可以改善土体结构，降低容重，增加土壤含水量[23]，同时粉煤灰中含有硅及微量的钙、镁等植物生长所需的元素[24]，故以粉煤灰作为重构土壤的材料不仅可以改善植物根系周围的物理环境，也为植物提供了一定的养分，改善了其生长的化学环境，其余两种土壤重构方式中没有添加粉煤灰。该试验田重构土壤各项肥力指标偏低，这是因为新重建土壤的性质不充分，持水能力低，导致其物理性质恶化和侵蚀，各项肥力指标较差，但第二种土壤重构方式和第三种土壤重构方式中都添加有煤矸石，根据资料可知当地土壤本身pH在7.5～8.5之间[25]，而胜利矿区产煤以低硫煤为主，其废弃煤矸石呈酸性，重构土壤中添加酸性煤矸石能降低土壤pH，使得pH这项土壤肥力指标指标处于较优范围。此外，经过不同熟化措施处理的土壤肥力远低于不同重构方式处理的土壤肥力，其主要由土壤含水量和土壤容重的变化引起，反映出重构方式对土壤含水量具有重要影响，也表明重构方式对土壤肥力的影响更显著。大田块三的土壤肥力指数最高，但与其余田块土壤肥力指数并无显著性差异，因此熟化措施对于土壤肥力影响较小。

图3 土壤肥力指数显著性图Fig.3 Significance maps of soil fertility index

3.2 植物生物量空间结构特征分析

通过数据的克里金空间插值，得到了植物生物量的最大值为148 g。根据最大值将生物量分为四个等级，0～37 g为差，38～74 g为普通，75～111 g为良好，112～148 g为优秀。

3.2.1 不同重构方式下生物量的空间分布特征分析

如图4所示，在大田块一中，重构方式一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的70.3%，重构方式二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的50.1%，重构方式三中植被生物量大于37 g 的面积约占小田块总面积的33%。

在大田块二中，重构方式一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的40%，重构方式二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的13.2%，重构方式三中植被生物量大于37 g 的面积约占小田块总面积的12.6%。

在大田块三中，重构方式一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的43.5%，重构方式二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的32.7%，重构方式三中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的23.5%。

在大田块四中，重构方式一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的59.5%，重构方式二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的79.2%，重构方式三中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的100%。

根据上述描述可知，当熟化方式相同时，田块的重构方式为一和三时均能使苜蓿生物量水平达到普通及以上，而重构方式二中的苜蓿生长状况较差。这是因为重构方式一中的岩土剥离物物理性质虽然与当地的表土物理性质非常接近，但田块一、二、三均翻耕次数较多，这三个田块重构土壤的物理性质差异不显著，因此这三者反映出的植被生物量没有参考价值；重构方式三中煤矸石本身颗粒大，有机质含量较高。根据王琼、孙海容、张宇航等研究发现[26-28]，煤矸石能够降低盐碱土壤的pH，与其它材料混合能有效降低试验区土壤的碱性，使得pH控制在6.5～7.5之间，此范围是苜蓿生长的合适范围。粉煤灰粒级大，具有亲水性[29]，但养分状况较差；三者混合后可以有效改善土壤结构，提高土壤养分。

图4 不同重构方式生物量分布图Fig.4 Biomass distribution diagrams of different reconstruction methods

3.2.2 不同熟化措施下生物量的空间分布特征分析

如图5所示，在重构方式一中，大田块一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的51.2%，大田块二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的58.5%，大田块三中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的42.5%，大田块四中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的56.9%。

在重构方式二中，大田块一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的29.3%，大田块二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的20.8%，大田块三中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的57.1%，大田块四中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的77.8%。

图5 不同熟化方式生物量分布图Fig.5 Biomass distribution diagrams of different maturation methods

在重构方式三中，大田块一中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的31%，大田块二中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的43.8%，大田块三中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的59%，大田块四中植被生物量大于37 g的面积约占小田块总面积的99.1%。

根据上述描述可知，当土壤重构方式相同时，大田块四相较于其它三个田块的植被生物量水平高。因为大田块四翻耕次数一年一次，相较于其它田块少，使得土壤的孔隙度较小，根据赵宏胜[30]等人的研究可知，荒漠草原区草本生物量大小与土壤孔隙度呈负向相关性，即土壤孔隙度越小，草本生物量越大；而在试验区较为干旱的情况下，翻耕次数较多的熟化方式会使得下层湿润土壤被翻至上层，水分蒸发，土壤含水量降低，影响植被生长状况，导致生物量较小。根据曹良元等人研究，较少的耕作次数能增厚有效耕作层，减少对土壤的扰动，促进大团聚体的形成，改善土壤结构和理化性质，提高土壤耕层中养分含量以保障农作物生长发育养分供求，提高土壤肥力[31-33]。

3.3 植物生物量与土壤肥力指数的空间耦合特征分析

实验田根据不同土壤重构方式和熟化方式分为12个小田块，如图6中可以看出，植被生物量较高的区域集中在田块4-3的东北部、田块1-3的东北部和田块2-1的东南部，田块4-3的生物量较高。土壤肥力指数较高的区域集中在田块4-2、4-3的中部，其中田块4-3的土壤肥力指数最高。

图6 试验田植物生物量及土壤肥力指数分布图Fig.6 Distribution maps of plant biomass and soil fertility index in the experimental fields

根据上述描述可知在土壤肥力指数最高的田块4-3中，植被的生物量水平也最高，土壤肥力与植被长势呈正相关。在其余的田块中，土壤肥力较高的区域的植被生物量水平并不高，因为根据《全国第二次土壤普查分级标准》，容重越低，等级越高，致其隶属度高，而翻耕次数多的熟化方式虽然会使土壤容重变低，但重构土壤的团粒结构遭到破坏，并且干旱区多次翻耕也会导致土壤水分的流失，不利于植物生长，因此，实验结果表现出来翻耕次数较少的田块植被生物量水平较高。