河北省主要铁矿迹地复垦区土壤肥力现状调查分析

袁运许，许永利，刘 硕，马百衡，冀 广，宋建伟，李小光

(1.河北省地质环境监测院，河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，石家庄 050022；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北省矿业开发与安全重点实验室，河北 唐山 063210)

矿产资源的开采产生了大量的废弃物，形成尾矿库、排土场、采坑等采矿迹地，造成了生态环境的破坏，导致土壤质量下降，占据大量土地的尾矿库或排土场，造成扬沙、溃坝等大气、土壤等严重的环境问题或安全隐患。因此，采矿迹地的植被恢复是矿山开采后要解决的重要问题。胡振琪与赵艳玲对于我国的生态恢复提出了三大要素：水、土、植物，围绕三大要素的关键技术包括地貌重塑、土壤重构和植被恢复。这三大要素之间相互作用、相互联系[1]。植被恢复与土壤重构两者紧密联系，植被恢复过程中会影响土壤的重构。土壤有机质和土壤速效钾影响煤矿表层土壤重构中的微生物的数量[2]。铁矿废弃地常常出现速效氮含量下降，但是速效磷和速效钾含量较高的现象[3]。在铁尾矿表面覆盖蘑菇栽培基质且覆盖厚度为30 cm，以油松作为复垦植物的处理，复垦后土壤有机质含量增加，土壤pH值降低[4]。研究表明，砂铁矿中采用半灌木+灌木+多年生草本+一年生草本混播后，土壤中有机质含量最高，土壤细菌多样性最高[5]。煤矿塌陷区复垦中，乔灌草复垦，增加了土壤有机碳与活性有机碳含量，且能较稳定抵抗外界环境变化[6]。煤矿区复垦时，种植大豆、玉米几年后发现施肥与轮作短期可以显著提高煤矿区复垦土壤有机碳含量，且施用有机肥效果优于单施化肥[7]。铝矿区土地复垦后随着复垦年限的增加，复垦土壤有机质、全氮、有效磷均呈逐年增加趋势[8]。可见，矿区植被恢复中，养分是非常重要的限制因子之一。

铁矿是河北省的主要矿产资源，铁矿开采产生的尾矿库、排土场的复垦尤其重要。但是，铁尾矿的养分含量极低，限制了铁矿迹地的复垦。为了更好地规划铁矿迹地的复垦工作，对河北省主要铁矿区域的复垦现状尤其是养分现状进行调查，为铁矿区植被生态恢复提供数据支撑。

1 调查地点概况

河北省位于东经113°04′至119°53′，北纬36°01′至42°37′之间，地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜。

调查地点：河北省内主要铁矿迹地。调查地点包括秦皇岛、承德、唐山、张家口、保定、石家庄、邢台、邯郸等8个地市的共计17个县区的54个铁矿区的采矿迹地。样点分布见图1。调查位置包括矿区的排土场(边坡和顶部平台)、尾矿库(库面和坝)、塌陷坑、原始地貌(铁矿附近未开采土地)等。

图1 调研地点分布

调查时间：2020年7月至8月；2021年8月至9月。

土壤采集：调查过程中，采用S形采样法随机取样，土壤深度0～20 cm，每10个样点混合为一个样品重复。四分法至1 kg，封口袋储存(风干用)，用于土壤养分测定。最终获得原生地貌样品共计32个、铁矿复垦区土壤样品共计105个。

土壤样品分析：土壤样品各项指标的测定参考鲁如坤[9]的方法。

pH值采用水浸提-pH计法：称取过1 mm筛的风干土样10 g于烧杯中，量取25 mL无CO2的去离子水倒入烧杯中(水土比 2.5∶1)，搅拌10 min，静置30 min后用pH计进行测量。

有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法。称取过0.149 mm筛的土壤0.2 g左右，加入粉末状硫酸银0.1 g，准确加入5 mL 浓度为0.80 moL/L的重铬酸钾溶液；5 mL浓硫酸，摇匀；瓶口上装简易空气冷凝管，放在预热到220～230 ℃的电沙浴上加热，使三角瓶中溶液微沸，当冷凝器下端落下第一滴冷凝液开始计时，消煮5 min。取下三角瓶冷却片刻，用水洗冷凝器内壁及下端外壁，洗涤液收集于原三角瓶中，瓶中液体总体积应控制在60～80 mL为宜。加3～5滴邻菲罗琳指示剂，用0.20 moL/L硫酸亚铁滴定剩余的重铬酸钾。溶液颜色由橙黄-绿-棕红为止，即为终点。

速效氮采用碱解扩散法：称取过1 mm筛风干土2 g，置于洁净的扩散皿外室，轻轻旋转扩散皿使土样均匀地铺平。取2 mL H3BO3-指示剂溶液于扩散皿内室，扩散皿外室边缘涂碱性胶液，盖严毛玻璃，留出孔隙，迅速加入10 mL的浓度为1 moL/L的NaOH溶液，立即盖严。轻轻旋转扩散皿，让碱溶液盖住所有土壤；用橡皮筋勒紧皿盖。置于(40±1)℃恒温箱中，碱解扩散(24±0.5)h后取出。内室吸收液中的NH3用H2SO4标准溶液滴定。溶液由兰色变为微红色到达滴定终点。

速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法。称取过1 mm筛风干土2.5 g于150 mL三角瓶中，加入0.5 moL/L NaHCO3溶液50 mL，再加一勺无磷活性炭，塞紧瓶盖，在振荡机上振荡30 min，立即用无磷滤纸过滤，滤液盛于100 mL三角瓶中，吸取滤液10 mL于150 mL三角瓶中，再用滴定管准确加入蒸馏水35 mL，然后用吸管加入钼锑抗试剂5 mL，摇匀。放置30 min后，在波长700 nm处进行比色。以空白液的吸收值为0，读出待测液的吸收值(A)。

速效钾的测定采用乙酸铵提取-火焰光度计法。称取通过1 mm筛的风干土样5 g于200 mL三角瓶中，加入1 moL/L中性NH4OAc溶液50 mL，塞紧瓶盖，震荡30 min，用普通定性滤纸过滤。在火焰光度计上进行测定，记录检流计读数。

然后参照表1对河北省采矿迹地的土壤养分含量进行分类。

表1 土壤养分含量分级与丰缺指标

2 结果与分析

2.1 各城市主要铁矿采矿迹地的土壤pH值变化

调研对各城市的铁矿周边的原生地貌土壤(为矿区周边未开采的土地的土壤样品)及复垦矿区土壤进行了采集。pH值测定结果表明(见图2)，原生地貌土壤的平均pH值在7.44～7.86，变化范围不大，但是张家口、石家庄及邢台的土壤平均pH值显著高于邯郸；与其他城市土壤pH值之间没有显著差异。各城市的pH值变异系数存在较大差异。例如，原生地貌pH值的变异系数由高到低依次为保定(4.88%)>唐山(3.43%)>承德(3.22%)>秦皇岛(2.02%)>邢台(1.70%)>石家庄(1.47%)>张家口(1.23%)>邯郸(0.56%)。变异系数较大的城市，主要与样点的位置有关，如采样点来自不同县域或同一样点的不同部位。

注：不同字母表示该区域的原生地貌与复垦区差异显著(P<0.05)。

铁矿经过植物复垦后，不同城市之间的平均pH值在7.14～7.83，其中保定、石家庄、邢台的pH值显著低于邯郸，与其他城市之间无显著差异。各城市的土壤pH值变异系数由高到低依次为：张家口(5.45%)>唐山(5.35%)>保定(4.89%)>承德(4.86%)>秦皇岛(2.85%)>石家庄(2.41%)>邢台(1.39%)>邯郸(0.54%)。

由图2还可以看出，张家口、石家庄、邢台矿区复垦的土壤pH值低于其原生地貌，植物复垦降低了土壤pH值；邯郸的矿区复垦土壤pH值则高于原生地貌，可见该市矿区植物复垦提高了土壤pH值；其他几个城市复垦与原生地貌土壤之间的pH值无显著差异。

2.2 铁矿迹地土壤有机质含量变化

有机质的变化因地区差异、气候差异、矿区管理措施等存在较大差异。

由表2可知，原生地貌的土壤的有机质平均含量表现为缺乏或极缺乏。最低的矿区原生地貌在承德，该地区铁矿原生地貌的土壤有机质含量变异系数较大，达到了106.88%；说明样点之间的差异较大。然而，保定、石家庄、邢台等地区的铁矿原生地貌的有机质含量变异系数较小。可见，多年未曾扰动的铁矿周边的原生地貌，有机质含量仍然处于缺乏甚至极缺的最低水平。

表2 各区域铁矿区原生地貌的有机质含量与丰缺度

铁矿迹地复垦区土壤有机质的含量及丰缺度见表3。由表3可知，铁矿复垦区的土壤有机质含量均处于缺乏水平；稍缺的为秦皇岛；张家口和保定样点的有机质处于极缺水平；其他区域则处于缺乏水平。可见，铁矿开采产生的迹地有机质含量很低，与各地原始地貌的有机质含量相比相差不大，这与采样点的土壤状况相关。

表3 各区域铁矿复垦区土壤有机质含量与丰缺度

2.3 铁矿迹地土壤碱解氮含量变化

铁矿迹地原生地貌土壤的碱解氮含量大多处于极缺水平(表4)，如唐山、保定、石家庄、邢台等地；邯郸铁矿迹地原生地貌的碱解氮处于稍缺水平；承德和张家口处于中等水平，但是承德和张家口的碱解氮含量的变异系数较大，分别达到了73.51%和81.49%，说明铁矿迹地的土壤异质性较大；碱解氮含量最高的地区为秦皇岛，达到丰富的水平。

表4 各区域铁矿原生地貌土壤碱解氮含量与丰缺度

可见，即使没有人为干扰的铁矿区原生地貌在自然恢复中，其土壤的碱解氮含量大多数地区都处于极其缺乏的水平。说明，在矿区自然恢复中如果要提高土壤肥力，需要额外增加养分输入。

表5为复垦区土壤碱解氮含量的变化。复垦区土壤的碱解氮含量仍然很低，处于缺乏或极缺的水平。同时，各地复垦矿区的土壤碱解氮含量的变异系数较大，大部分的变异系数在50%以上；邢台和唐山的碱解氮含量的变异系数甚至超过了100%，可见复垦区域自身的土质以及复垦植物的种类等均会影响碱解氮的含量。

表5 各区域铁矿复垦区土壤碱解氮含量与丰缺度

2.4 铁矿迹地土壤速效磷含量变化

铁矿迹地的原生地貌土壤中的速效磷含量大部分达到中等水平，而保定、石家庄、邢台的原生地貌土壤速效磷含量处于稍缺水平，但是地区之间差异较小(表6)。说明自然条件下的植物生长，可以促进土壤中磷的释放。

表6 各区域铁矿原生地貌土壤速效磷含量变化与丰缺度

表7为复垦区土壤的速效磷含量的变化与丰缺。由表7可知，复垦区土壤的速效磷表现出较高的数值，说明矿区植物复垦有利于提高土壤速效磷含量。这可能是植物根系在生长过程中，由于根系分泌作用而向环境中释放有机酸等物质，从而促进了土壤磷的释放。

表7 各区域铁矿复垦区土壤速效磷含量变化与丰缺度

2.5 铁矿迹地土壤速效钾含量变化

表8为各地原生地貌的速效钾含量变化与丰缺情况。由表8可知，秦皇岛原生地貌的土壤速效钾含量处于丰富水平；邯郸原生地貌土壤则处于稍丰水平。承德、张家口、邢台的原生地貌土壤的速效钾含量为中等水平；唐山和石家庄的原生地貌土壤的速效钾稍缺；保定原生地貌土壤的速效钾含量则为极缺水平。

表8 各区域铁矿原生地貌土壤速效钾含量变化与丰缺度

表9为复垦区土壤速效钾含量的变化与丰缺情况。由表9可知，复垦区的速效钾因为植物的消耗而降低，除了秦皇岛的采矿迹地复垦区土壤的速效钾含量处于稍丰水平，其他区域复垦区土壤的速效钾含量均处于4～6级的稍缺、缺乏、极缺的水平。表明植物的生长会不断消耗土壤的钾，进而导致钾素含量降低。

表9 各区域铁矿复垦区土壤速效钾含量变化与丰缺度

表10汇总了各地区的土壤养分在复垦区与原生地貌之间的变化。由表10可知，矿区复垦土壤因植物吸收养分导致有些地区的有机质含量下降，如保定、石家庄及邢台等地的复垦区土壤的有机质含量比原生地貌分别下降了21.31%～33.06%。其他几个地区的复垦区土壤有机质含量则比原生地貌土壤有机质含量大幅增加，增加幅度较高的如秦皇岛和承德分别达到了6.4倍和6.3倍；邯郸也增加了近1.5倍。但是，这些地区的有机质水平依然处于缺乏的水平，仅秦皇岛处于稍缺的水平。由此看来，矿区土壤有机质的恢复单纯依靠植物的恢复需要漫长的过程与时间，必须要通过外源有机质的输入，才能促进植物的生长，同时在土壤中积累大量的有机质，从而加快土壤的恢复进程。

表10 铁矿土壤养分由原生地貌到复垦区的变化

碱解氮也多数下降；降幅最高的区域为秦皇岛，碱解氮含量由1级降低到5级，表明复垦区的土壤碱解氮含量尽管经过复垦，但是其含量依然远低于原生地貌。速效钾也表现出复垦区低于原生地貌的趋势，降幅较大的为张家口和邢台，土壤速效钾级别降低了3个等级，说明即使经过复垦修复，土壤的速效钾含量依然远低于原生地貌的土壤。加之，大部分区域的原生地貌的速效钾含量处于中等以下水平(邯郸除外)，因此采矿导致的矿区迹地速效钾含量更低，即使植物复垦依然不会在短期内促进土壤中钾的释放。

但是，速效磷含量的变化表现出与其他三种养分的不同，有些城市的复垦区土壤速效磷含量高于原生地貌，如秦皇岛、承德及邯郸，速效磷含量由原生地貌的中等水平提升到稍丰的水平，说明植物复垦增加了植物根系的分泌作用，根系产生的有机酸类可能促进了土壤中难溶性磷的释放。表现最为明显的是保定地区，其速效磷增加了270.67%，由稍缺水平提高到稍丰水平，可见复垦有利于矿区磷素的释放。

2.6 铁矿迹地土壤养分相关性分析

表11为铁矿迹地原生地貌的土壤养分相关性分析。

表11 铁矿区原生地貌土壤养分因素间的Pearson相关系数

由表11可知，原生地貌土壤中有机质含量与碱解氮含量呈现极显著的强负相关关系(r=-0.637**)；与速效磷及速效钾之间呈现极显著中等负相关，相关系数分别为-0.481**与-0.566**。这说明有机质含量高的土壤，会因为植物对养分的吸收而导致速效养分含量的下降。碱解氮含量与速效磷含量呈现显著弱正相关(r=0.394*)；其与速效钾含量呈现中等强度的极显著正相关(r=0.577**)。速效磷与速效钾之间也呈现极显著的强正相关(r=0.767**)。

pH值与四个养分参数之间没有表现出显著的相关性。

铁矿复垦区土壤养分的相关关系见表12。由表12可知，铁矿迹地复垦区土壤有机质含量与土壤pH值有中等强度的极显著正相关(r=0.449**)；与速效钾含量呈现较弱的极显著正相关(r=0.353**)。土壤碱解氮含量与速效钾含量也呈现极显著的弱正相关(r=0.350**)。土壤速效钾与土壤pH值(r=0.340**)、有机质、碱解氮均有弱的极显著正相关。铁矿迹地土壤经过复垦以后，土壤的养分之间的相关性逐渐变弱，说明人为的干扰影响了养分之间的相关关系，其恢复过程与自然状态下的恢复存在较大的差异。

3 讨论

研究中的原生地貌为采矿点周边未受人为扰动的土地，其土壤基质受成土母质及土壤类型的影响较大。原生地貌样点因为多年的自然植被恢复，植物的落叶、根系的分泌物等在地表堆积，随着常年累月的降解，会提高土壤中的养分。但是，单纯依靠自然植被恢复，复垦的进度会非常缓慢。孙晓兵等研究表明，耕地土壤肥力受到自然本底特征与人为农业生产活动的共同影响，有效地平衡与协调土壤养分元素含量有助于提升耕地土壤肥力以及土地资源的可持续利用程度[10]。影响土壤肥力状况的因素分为结构性因素和随机性因素。结构性因素是地形、成土母质、土壤类型、土壤质地等导致耕地土壤肥力集聚或分散的因素。随机性因素是耕作方式、土地利用、施肥状况以及种植制度等集聚或分散的因素[11-12]。采矿活动后的土地受到了破坏，形成了采矿迹地如：尾矿库、排土场、采坑等。其中，尾矿库的颗粒一般细小，以砂粒为主，但是其养分含量非常低，限制了复垦植物的生长。因此，植物的复垦需要进行基质的改良，改良剂一般可以是提供养分的有机物质或肥料，可为尾矿中植物的生长提供必需的养分；还可以促进尾矿中养分的储存与积累，培肥尾矿。复垦植物的生长可以提高尾矿的养分含量，改善pH环境[13]。复垦植物的根系会分泌一些有机酸、酚酸等物质，促进尾矿中潜在养分的释放；植物的凋落物，会在尾矿表面形成一层覆盖层，经过微生物的分解会逐渐转化成有机质储存在尾矿中。

有研究表明，复垦后铁尾矿废弃地土壤质量综合值大于裸尾矿，铁尾矿废弃地土壤质量随着恢复年限的增加而增加[14]。调查发现，河北省铁矿迹地无论原生地貌还是复垦区的土壤有机质含量大多处于4～6级水平，属于稍缺、缺乏或极缺水平。原生地貌碱解氮含量除了秦皇岛(1级)、承德和张家口(3级)外，其他城市处于稍缺以下。原生地貌土壤的速效磷含量中等或稍缺；速效钾含量在区域间差别较大，如秦皇岛(1级)、邯郸(2级)、保定(2级)；其他几个城市处于中等与稍缺水平。铁矿复垦后的土壤各地区的碱解氮水平处于缺乏与极缺水平；速效磷含量处于稍丰与中等水平；速效钾含量除了秦皇岛属于稍丰水平外其他城市均处于4～6级。可见，有机质在原生地貌和复垦后的矿区土壤中含量都很低，如果要维持植物的生长，需要额外施加有机物，增加土壤有机质的含量。复垦后土壤的速效养分依然很低，矿区迹地养分的恢复需要更长年限。因此，可以通过增加复垦植物种类，尤其是增加固氮植物的种类，在氮素缺乏的环境中，植物会提高与根瘤菌的共生作用，缓解氮素供应不足的问题[15]。

总之，如果要提高矿区迹地土壤的肥力，必然要添加增加土壤有机质的物质；尽量种植能够固氮的植物种类；或者添加生物菌剂，促进其在植物根际的定殖。多种措施同步进行，并且长久坚持下去，矿区复垦方能见效。

4 结论

依据调查结果，得出如下结论：

1)河北省各区域主要铁矿区的土壤pH值在7～8，属于中性偏碱，适合多数植物的生长，有利于植物复垦。无论是铁矿的原生地貌还是采矿迹地复垦后的土壤，其有机质含量均非常低，处于稍缺水平以下。土壤速效养分含量与地域、土壤来源等具有一定的相关性。如原生地貌的碱解氮含量在地域之间差异较大，丰富、中等、缺乏、极缺各水平都存在。但是，采矿迹地复垦后土壤的碱解氮含量在各地区均属于缺乏、极缺的水平。原生地貌的速效磷含量各地区处于中等与稍缺水平；复垦后的土壤速效磷含量则处于稍丰与中等水平，说明植物复垦提高了土壤中磷的释放。原生地貌土壤的速效钾含量在地区间差异较大，丰富(秦皇岛)、稍丰、中等、稍缺、极缺各水平均存在；复垦后的土壤速效钾含量除了秦皇岛依然稍丰外，其他均处于稍缺到极缺水平。

2)铁矿迹地原生地貌土壤的养分有机质含量与碱解氮含量呈现极显著的强负相关；而与其速效磷含量、速效钾含量等呈现极显著的中等强度的负相关。碱解氮含量与速效钾呈现极显著的中等强度的正相关；速效磷与速效钾呈现极显著的强正相关。各养分因子与pH值相关性不显著。复垦区土壤的养分之间相关性减弱，如有机质含量与土壤pH值呈现极显著中等强度的正相关；与速效钾含量之间呈现极显著弱正相关。碱解氮含量仅与速效钾之间呈现极显著弱正相关。