内蒙古草原矿区重构土壤典型理化性质差异分析

2022-08-19严子循吴大为曹银贵

露天采矿技术 2022年4期

严子循，吴大为，吴静，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）

目前，我国由于草原矿产资源的不断开发利用与早期的过度开采，使得土地结构受到了破坏，资源储量急剧减少，矿区最终沦为矿业废弃地[1]。矿山开采造成的一系列生态环境问题，亟需采取有效措施进行生态修复。矿山土壤系统作为矿山复垦系统的重要组成部分，在调节矿区的植物、水、景观等中发挥着重要作用[2]。生态修复的基础是土壤，其关键又是土壤水[3]。目前研究显示可将煤矸石作为充填基质应用于矿区生态修复中，煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。目前，中国积存煤矸石达10 亿t 以上，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，其排放量占全国工业固体废物排放量的35%左右，每年还将排出煤矸石1亿t，生态环境压力巨大。为了消除污染，自20 世纪60 年代起，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用，通过粉煤灰的利用不仅有助于减轻环境污染，还能促进土壤地力的提升。粉煤灰粒径小，黏粒含量高，吸水持水能力极强，将煤矸石与粉煤灰混合后作为表土替代物，大大增加了重构土壤的透水、透气性，避免了因粉煤灰充填导致的过高含水率与不良透气性；粉煤灰较差的渗透性还可有效增加表层重构土壤的含水率，同时弥补煤矸石充填模式下地下水对表层土壤水分补给的缺陷，为根系吸水提供正常的水分[4]。已有研究表明将粉煤灰与煤矸石按一定比例混合后可为土壤提供良好的田间持水量，粉煤灰与煤矸石混合后作为重构土壤对土壤含水率有较大的改善作用。同时，利用煤矸石进行土壤剖面重构，有效地促进了土地的集约化利用和生态环境的可持续发展。但受煤矸石粒径、复配比例等影响，重构土壤水文性质发生改变，认识和掌握不同重构方式下土壤水文性质变化规律，改善新构土壤水分环境是矿区生态修复中的关键问题[5-6]。为此，选择锡林浩特草原矿区为研究区域，以矿区固体废弃物作为表土替代材料，通过不同重构方式及不同熟化措施对重构土壤持水能力差异性进行分析，研究矿区最优的表土替代材料配比，分析影响该矿区重构土壤持水能力的因素，揭示不同重构土壤配比及不同熟化措施对重构土壤持水能力影响的差异性，探寻最适宜的重构土壤材料配比，为草原矿区土壤持水能力的提高提供理论依据，实现矿区资源合理开发以及生态保护的双赢局面。

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，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，平均剥采比为2.59 m3/t。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1 794.40 mm，属于典型草原带性植被类型区。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，植被覆盖率低，形成侵蚀的生态脆弱草原区。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，自然植物组成有克氏针茅（Stipa krylovii Roshev）、大针茅（Stipa grandis P.Smirn.）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa（Trin.）Keng）、冷蒿（Artemisia frigida Willd.）、羊草（Leymus chinensis（Trin.）Tzvel.）、冰草（Agropyron cristatum（L.）Gaertn.）、锦鸡儿（Caragana sinica（Buc＇hoz）Rehd.）等，人工复垦与植被重建先锋植被为紫花苜蓿（Medicago sativa L.）。

2 试验材料与处理方法

内排土场采用了3 种不同的重构方式重构土壤：①重构方式1：表层为50 cm 岩土剥离物，下面全部为采矿剥离物自然堆积体；②重构方式2：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；③重构方式3：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。田块的土壤重构方案纵截面图及熟化处理方式如图1。图中为翻耕次数（4 个为15 d 翻耕1次；2 个为30 d 翻耕1 次；1 个为60 d 翻耕1 次）。

图1 田块的土壤重构方案纵截面图及熟化处理方式

每种重构方式构成1 个小田块，3 种不同重构方式形成的3 个小田块构成1 个大田块。研究区共分为4 个大田块，其熟化处理方式分别为：①大田块一：15 d 翻耕1 次，翻耕处理1 年并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植1 年苜蓿；②大田块二：30 d 翻耕1 次，翻耕处理1 年并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植1 年苜蓿；③大田块三：60 d 翻耕1 次，翻耕处理1 年并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植1 年苜蓿；④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1 年苜蓿。

2.1 样品采集与处理

2019 年8 月在当年复垦后的内排土场复垦区进行土壤取样。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长势进行了定性的分级，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代表样地内不同植被恢复水平。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长势由优至劣定义为4 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。

2.2 指标选定和数据分析

选取砾石含量、土壤密度、田间持水量、有机质4 个因素研究重构土壤的持水能力，同时在一定程度上也能反映重构土壤的质量水平[7]。土壤密度采用环刀法测定，土壤密度的计算公式为：

式中：ρ 为土壤密度，g/cm3；m 为环刀内湿样质量，g；v 为环刀容积，100 cm3；θm为样品含水量，%。

土壤田间持水量采用烘干法测定，田间持水量计算公式为：

式中：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，土壤有机质的计算公式为：

式中：m3为有机质含量，g；c 为硫酸亚铁消耗摩尔浓度，g/mol；v0为空白实验消耗的硫酸亚铁溶液的体积，mL；v1为滴定待测土样消耗的硫酸亚铁的体积，mL；M 为风干样质量，g；e 为水分系数。

土壤砾石含量的计算公式为：

式中：R 为砾石含量，%；m4为砾石质量，g；M1为土壤总质量，g。

采用SPSS 22.0 软件对试验数据进行单因素方差分析（P＜0.05），数据均用3 次重复试验均值计算。以复垦地大田块一的第1 个小田块为例，将其表示为1－1，复垦地大田块一的第2 个小田块表示为1－2，以此类推对复垦地不同田块进行命名。

3 试验结果

3.1 理化性质差异性

3.1.1 土壤砾石含量差异性

不同土壤重构方式下土壤砾石含量差异性如图2。

图2 不同土壤重构方式下土壤砾石含量差异性

在大田块一中未复垦地的土壤砾石含量最高，为31.20%，显著高于重构方式1 和重构方式2，未复垦地和重构方式3 之间不存在显著性差异；在大田块二中未复垦地的土壤砾石含量最高，为31.20%，显著高于重构方式1，重构方式2 和重构方式3 之间不存在显著性差异，其砾石含量分别为24.80%和24.50%；在大田块三中未复垦地土壤砾石含量最高，为31.20%，其与重构方式1 之间存在显著性差异，重构方式2 和重构方式3 之间不存在显著性差异，砾石含量分别为24.70%和22.30%；在大田块四中重构方式2 的土壤砾石含量最高，为33.60%，显著高于重构方式1 和重构方式3，与未复垦地之间不存在显著性差异。

3.1.2 土壤密度差异性

不同土壤重构方式下土壤密度含量差异性如图3。

图3 不同土壤重构方式下土壤密度含量差异性

在大田块一中重构方式3 的土壤密度最低，为1.24 g/cm3，根据单因素方差分析，各个田块间存在显著性差异（P＜0.05）；在大田块二中未复垦地密度最低，为1.25 g/cm3，根据单因素方差分析，各个田块间存在显著性差异；在大田块三中重构方式2 的土壤密度最低，为1.23 g/cm3，根据单因素方差分析，各个田块间存在显著性差异；在大田块四中重构方式2 的土壤密度最低，为1.21 g/cm3，根据单因素方差分析，各个田块间存在极显著性差异（P＜0.01）。

3.1.3 田间持水量差异性

不同土壤重构方式下田间持水量差异性如图4。

图4 不同土壤重构方式下田间持水量差异性

在大田块一中重构方式3 的土壤田间持水量最高，为13.66%，根据单因素方差分析，其与重构方式1 和重构方式2 存在显著性差异，与未复垦地不存在显著性差异；在大田块二中重构方式3 的土壤田间持水量最高，为13.80%，根据单因素方差分析，显著高于复垦地重构方式1 和重构方式2，重构方式3和未复垦地之间不存在显著性差异；在大田块三中未复垦地田间持水量最高，为12.20%，根据单因素方差分析，其与重构方式1～重构方式3 之间均不存在显著性差异；在大田块四中未复垦地的田间持水量最高，为12.60%，根据单因素方差分析，显著高于重构方式1，与重构方式2 和重构方式3 之间不存在显著性差异。

3.1.4 土壤有机质含量差异性

不同土壤重构方式下土壤有机质含量差异性如图5。

图5 不同土壤重构方式下土壤有机质含量差异性

在大田块一中重构方式2 的土壤有机质含量最高，为12.30 g/kg，显著高于重构方式1 和未复垦地，重构方式2 和重构方式3 之间不存在显著性差异，但重构方式2 比重构方式3 高出0.50 g/kg；在大田块二中重构方式3 的土壤有机质含量最高，为12.50 g/kg，显著高于重构方式1 和未复垦地，分别高出8.3 g/kg 和3.50 g/kg，重构方式3 和重构方式2 之间不存在显著性差异；在大田块三中重构方式2的土壤有机质含量最高，为13.20 g/kg，其与重构方式1 以及未复垦地之间存在显著性差异，重构方式2 与重构方式3 之间不存在显著差异；在大田块四中重构方式2 的土壤有机质含量最高，为11.80 g/kg，显著高于重构方式1，与重构方式3 和未复垦地之间不存在显著性差异。

3.2 不同熟化措施下各因素差异性分析

3.2.1 土壤砾石含量差异性分析

不同土壤重构方式下土壤砾石含量差异性如图6。

图6 不同土壤重构方式下土壤砾石含量差异性

在重构方式1 中未复垦地的砾石含量最高，为31.18%，显著高于复垦地1－1、2－1、3－1、4－1；在重构方式2 中4－2 的砾石含量最高，为32.94%，与未复垦地无显著性差异，显著高于复垦地1－2、2－2、3－2；在重构方式3 中1－3 的砾石含量最高，为30.06%，与未复垦地差距不大，但显著高于复垦地2－3、3－3、4－3。

3.2.2 土壤密度差异性

不同熟化措施下土壤密度含量差异性如图7。

图7 不同熟化措施下土壤密度含量差异性

在重构方式1 的小田块中，未复垦地的密度最低，为1.25 g/cm3，根据单因素方差分析，与复垦地1-1、2-1、3-1、4-1 间差异性极显著（P＜0.01）；在重构方式2 的小田块中，复垦地4-2 的密度最低，为1.20 g/cm3，根据单因素方差分析，各个田块间差异性不显著；在重构方式3 的小田块中，复垦地1-3 的密度最低，为1.24 g/cm3，根据单因素方差分析，各个田块间差异性不显著。

3.2.3 田间持水量差异性

不同熟化措施下田间持水量差异性如图8。

图8 不同熟化措施下田间持水量差异性

在重构方式1 中，未复垦地的田间持水量最高，为12.29%，与复垦地1－1、2－1、3－1、4－1 均不存在显著性差异；在重构方式2 中，未复垦地的田间持水量最高，为12.29%，与复垦地1－1、2－1、3－1、4－1 均不存在显著性差异；在重构方式3 中，复垦地1－3 的田间持水量最高，为13.66%，与复垦地2－3、3－3、4－3以及未复垦地均不存在显著性差异。

3.2.4 土壤有机质含量差异性

不同熟化方式下土壤有机质含量差异性如图9。

图9 不同熟化方式下土壤有机质含量差异性

在重构方式1 中，未复垦地的有机质含量最高，为9.08 g/kg，与复垦地1－1 之间不存在显著性差异，显著高于复垦地2－1、3－1、4－1；在重构方式2中，复垦地3－2 的有机质含量最高，为12.83 g/kg，与复垦地1－2、4－2 无显著性差异，显著高于复垦地2－2 和未复垦地；在重构方式3 中，复垦地2－3 的有机质含量最高，为12.63 g/kg，与复垦地1－3、3－3、4－3 和未复垦地均无显著性差异。

4 不同理化性质差异性原因探讨

1）根据图2 和图6 重构土砾石含量差异性分析，各复垦地砾石含量均小于对照地块，除去未复垦地外，出现未复垦地砾石含量最高的现象，是由于土壤未复垦，矿区开采后土壤本身砾石、碎石残留多。而熟化处理的重构土砾石含量明显小于重构土整体砾石含量，是由于随着复垦时间的推移，复垦土壤不断熟化，表现为土壤密度表层不断降低和底层不断增加，及土壤团粒结构不断增加的演化特征[8]，随着复垦熟化年份的增加，复垦土壤密度和团粒结构不断向正常土壤靠拢，提高持水能力。选取煤矸石作为充填基质重构矿区土壤，这样一方面减少开采煤炭过程中产生的地表沉陷等微地貌变化，另一方面降低了煤矸石堆积的土地占用率以及对外围环境带来的二次污染程度。

2）根据图3 和图7 土壤密度差异性分析，各复垦地土壤密度均大于对照地块，考虑到土壤初始入渗能力随密度增大递减，入渗能力衰减速度随密度增大递增[9]的规律，应选取密度较小的重构土。未复垦地由于煤矿的建设，大量的松散表土发生运移和重新堆积，植被被破坏，土壤水分大量散失[10]，本身过于松散，虽然渗水能力强，但保水能力差。除去未复垦的影响，发现无论是在重构方式还是熟化措施下，重构方式为岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰的比例为3∶4∶3 的土壤密度最低，考虑原因是煤矸石作为特殊充填基质，覆土土层很薄，大孔隙含量较多[11]，粉煤灰也具有丰富的孔隙和巨大的比表面积，两者同时混合可以改变煤矸石的孔隙结构并降低煤矸石的导气率[12-13]，进而有效改善重构土壤密度，进而影响持水能力。

3）根据图4 和图8 土壤持水能力差异性分析，重构方式为岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰的比例为3∶4∶3 的田间持水量最高。考虑粉煤灰是火力发电厂燃煤排出的一种工业废渣，具有丰富的孔隙和巨大的比表面积，也被常用于降低土壤密度、改善土壤质地、提高养分缓释能力和持水能力、减轻土壤板结等农业土壤理化特性的优化[14-15]，在土壤中掺入粉煤灰可以有效改善土壤结构和通气透水性能[16-17]，所以重构土采用煤矸石和粉煤灰混合材料，两者一定比例混合后可以提高煤矸石的饱和含水量，进而提高重构土壤的持水能力。

4）根据图5 和图9 重构土有机质差异性分析，将煤矸石与粉煤灰混合的重构土壤有机质含量明显高于其他情况重构土，最近有研究表明煤矸石中Ca2＋对植物生长存在一定促进作用[18]。粉煤灰直接覆盖也可以明显地抑制煤矸石中硫化物的氧化并提高煤矸石淋溶液的水质[19]。也有试验表明煤矸石基质粒径结构为（＞80 mm）∶（＜80 mm）＝3∶7 为最佳填充基质粒径结构[20]。此外有研究表明，在实际应用时，使用粉煤灰充填土地容易造成地表积水，导致土壤透气性差，影响植被生长状况，而使用煤矸石充填时，煤矸石极差的持水性容易导致土壤水分易流失[21]，所以需要通过植被翻压至土，保留住土壤水分，减少煤矸石和粉煤灰的负面影响，从而使重构土壤持水能力得到提升。