抚顺西露天矿矿区土壤肥力评价研究

刘宝勇，李玥蒨，白国良

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013)

煤炭作为我国的主体能源和重要工业原料，为国民经济发展作出了重要贡献。但是持续高强度的煤炭开采给生态环境带来了多方面的影响，如土地资源的占用和破坏、地表景观改变以及生态环境污染等[1]。随着社会进步，人们的环保和可持续发展意识逐步提升，煤矿区生态环境问题得到了社会的广泛关注，其中，大型露天采煤区土地复垦与生态重建受到了高度重视[2]。在煤炭开采过程中，挖损、压占、塌陷等严重破坏了地表植被，造成了土壤肥力退化、生态环境恶化，以及水土流失、地下水污染等问题。矿区土壤肥力评价是评估矿区土壤肥力水平的一种重要方法，通过检测土壤肥力、pH值、有机质含量等指标，可评估矿区土壤肥力水平和质量状况，及时发现矿区土壤的肥力问题，并采取有效措施保护矿区土壤资源。

矿区土壤肥力评价的重要性不言而喻，是保护矿区土壤资源、促进矿区经济发展和改善矿区环境质量的有效手段。评价结果可以指导矿区土壤修复方向，实施有效的土壤改良技术从而改善矿区土壤质量。郑永红等[3]利用灰色关联度方法定量分析3种林地土壤肥力状况，并进行了综合评价排序。郭凯等[4]运用 ArcGIS中的 Kriging插值法研究土壤肥力分布状况，采用模糊数学法对土壤肥力进行综合评价。高智挺等[5]对山西安太堡露天矿区，采用主成分分析法对不同样地土壤肥力质量进行评价。美国STUTLER等采用不同方法对阿巴拉契亚州4个矿区土壤质量进行了评估，均得出复垦后矿山土壤健康指标随时间的推移而提高的结论[6]。印度达罕巴德复垦的煤矿排土场上的研究，通过主成分分析法将土壤特性组合成综合土壤质量指数来探究树种的开垦潜力[7]。目前，评价土壤肥力的方法虽然较多，但国内关于矿区土壤肥力评价指标大多只是通过测量土壤中常见的营养元素，如氮、磷、钾等来评估土壤肥力水平[8-10]，考虑土壤的其他特性，比如土壤的含水量、结构和温度等研究成果较少，土壤肥力评价的准确性受到一定的限制。本文以抚顺西露天矿为研究对象，结合土壤物理性质指标和化学性质指标对矿区土壤肥力进行综合评价，为抚顺西露天矿矿区土壤改良提供依据，并为露天矿土地复垦提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

抚顺西露天煤矿位于辽宁省抚顺市区南部，抚顺煤田西部。矿坑东西长6.6 km，南北宽2.2 km，垂直深度420 m，投影面积10.87 km2，是亚洲最大的深凹露天煤矿。抚顺市属长白山支脉西南延续部分低山丘陵地区，总体呈东南高西北低之势，抚顺西露天矿地处北温带，年平均气温8.3 ℃，最高气温40.3 ℃，最低气温-35.2 ℃；冻结期122～161 d，冻结深度1.2～1.3 m；常年多为弱风，平均风速1.7 m/s，风向多为东北风，属大陆性气候。年平均降雨量804.2 mm；降雨集中在七、八两月，日最大降雨量180.3 mm。矿业活动引起的占用损坏土地资源及地形地貌景观破坏，主要表现为矿山的露天采场、工业广场、废石堆场、煤矸石堆等对土地的挖损和压占，造成原始的地形地貌及土地资源的破坏。项目区内原始植被属于华北植物区系，夹杂长白山植物区系植物，目前地表主要植物群落以人工林为主，为松林、针阔叶混交林、落叶灌丛和灌草丛。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集

根据抚顺西露天矿不同损毁特征选取样地进行取样。选取北帮滑坡区样地(N)、南帮变形区样地(S)、西帮修复区样地(W)、东帮采矿区样地(E)以及未经影响的自然区样地(CK)作为对照设置采样点。2022年7月，采用双对角线法，每个样地设分点5个，共采集土样25个，采样的深度为0～20 cm。采样时对样品进行编号，将土样混合置于样品袋中，标签上注明采样区种类，时间及土层深度及采样地经度、纬度，研究区样地基本情况见表1。生态修复规划区及采样点分布如图1所示。

图1 抚顺西露天矿生态修复规划区及采样点分布Fig.1 Ecological restoration planning area of Fushun West Open-pit Mine and sampling point distribution

表1 研究区样地基本情况Table 1 Basic information of sample plots in the research area

1.2.2 测定方法

选取土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤机械组成、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾、有效磷作为土壤肥力评价指标，各指标仅在室内实验室测定，土壤物理性质测定方法为：土壤容重和土壤孔隙度测定采用环刀法；土壤含水率测定采用烘干法；土壤机械组成测定采用比重计法；土壤化学性质测定方法为：pH值测定采用电位法；速效氮测定采用碱解-扩散法；全氮测定采用凯氏定氮法；速效磷测定采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提法；全磷测定采用钼锑抗比色法；速效钾测定采用火焰光度法；有机质测定采用重铬酸钾氧化-外加热法；全钾的测定采用火焰光度法[11]。

2 土壤肥力评价模型

2.1 指标标准化

为了保证评价指标的合理性，避免原始指标数据量纲不同导致的误差，在进行综合评价前，首先对各指标进行标准化处理。根据土壤指标与植物生长的相互关系，采用S型隶属度函数对表现形式为指标值越大或越小越有利于植物生长的指标进行标准化处理，采用抛物线形隶属度函数对表现形式为指标值过大或过小均不利于植物生长的指标进行标准化处理。具体计算公式如下[12，13]：

1)S型隶属度函数计算公式：

2)抛物线形隶属度函数计算公式：

式中，x为不同样地某一指标的实际测定值；x1、x2、x3、x4为函数转折点的取值。

根据各项土壤指标对土壤利用的影响，由于矿区土壤整体呈碱性，因此采用S型隶属度函数对土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾、有效磷进行标准化处理，采用抛物线型隶属度函数对土壤容重、土壤孔隙度及土壤含水率进行标准化处理，土壤机械组成非单独定量化参数，采用土壤质地分级赋值形式进行评价。

2.2 土壤肥力分级标准

参照《全国第二次土壤普查肥力分级标准》以及抚顺地区土地复垦相关标准[14]，结合抚顺西露天矿土壤检测结果，明确评价函数的拐点，隶属度函数拐点取值见表2和表3。

表2 S型隶属度函数拐点取值Table 2 Value of inflection point of S-type membership function

表3 抛物线型隶属度函数拐点取值Table 3 Value of inflection point of parabolic membership function

2.3 综合评价方法

内梅罗指数法是一种突出最大值的计权型多因子环境质量指数计算方法，在评价环境质量时需要考虑污染最严重的因子，因此在计算内梅罗指数时通常选取单因子环境指数的平均值和单因子环境指数的最大值进行评价计算[15]。由于矿区整体土壤肥力情况受限制性因子的影响，采用修正的内梅罗指数法对抚顺西露天矿各样地进行土壤肥力综合评价。具体计算公式如下[16]：

式中，P为内梅罗指数；Pi为单指标肥力指数；Pi(min)为单指标肥力指数中的最小值；n为参与评价的土壤肥力指标个数。

根据研究区土壤肥力情况建立土壤肥力综合指数评价标准，土壤肥力综合指数分级标准见表4。

表4 土壤肥力综合指数分级标准Table 4 Classification standard for comprehensive index of soil fertility

3 结果与分析

3.1 土壤肥力指标特征分析

抚顺西露天矿土壤肥力特征统计情况见表5。抚顺西露天矿土壤容重范围为0.98～1.32 g/cm3，平均容重小于1.25 g/cm3；土壤孔隙度为52.83%～62.78%，平均土壤孔隙度小于60%；土壤含水率范围为8.52%～24.18%，平均土壤含水率大于15%；土壤有机质含量41.7～97.8 g/kg，平均值大于40 g/kg；土壤全氮含量0.682～2.08 g/kg，平均值小于2.0 g/kg；土壤全磷含量0.85～1.16 g/kg，平均含量大于1.0 g/kg；土壤全钾含量4.85～13.92 g/kg，平均值小于25 g/kg；土壤碱解氮8.42～39.56 mg/kg，平均含量小于30 mg/kg；土壤有效磷5.8～32.4 mg/kg，平均含量小于40.0 mg/kg；土壤速效钾114.72～261.08 mg/kg，平均含量小于200 mg/kg；土壤pH值位于7.05～9.82之间，土壤整体呈弱碱性；各肥力指标变异系数7.187%～72.277%，其中以土壤有效磷含量变异系数为最大。

表5 抚顺西露天矿土壤肥力特征统计Table 5 Statistics of soil fertility characteristics in Fushun West Open-pit Mine

整体来看，矿区土壤容重整体处于适宜状态，土壤含水率差异较大；土壤质地松散，整体介于黏壤土和砂质壤土之间，为弱碱性；土壤有机质、全磷、全钾及速效钾含量均处于较高水平；全氮、碱解氮和有效磷含量水平较低。

3.2 土壤肥力综合分析

不同样地土壤单项肥力指数及综合得分见表6。可知，东帮采矿区样地各土壤肥力指数大小为有机质、土壤孔隙度>全磷>速效钾>有效磷>土壤质地>全钾>全氮>土壤碱解氮、pH值、土壤容重、土壤含水率；西帮修复区样地各土壤肥力指数大小为全磷、有机质、pH值、土壤容重、土壤孔隙度>速效钾>碱解氮>土壤质地>有效磷>全氮>土壤含水率>全钾；北帮滑坡区样地各土壤肥力指数大小为全磷、速效钾、有机质、土壤含水率>土壤孔隙度>土壤质地>土壤容重>全钾>有效磷>全氮>pH值、碱解氮；南帮变形区样地各土壤肥力指数大小为全氮、有机质、土壤容重>全磷>pH值>土壤孔隙度>土壤质地>速效钾>全钾>有效磷>土壤含水率>碱解氮。

表6 不同样地土壤单项肥力指数及综合得分Table 6 Different soil fertility indices and comprehensive scores

土壤碱解氮、pH值、土壤容重和土壤含水率为影响东帮土壤综合肥力的限制性因子；土壤全钾为影响西帮土壤综合肥力的限制性因子；土壤碱解氮和pH值为影响北帮土壤综合肥力的限制性因子；土壤碱解氮为影响南帮土壤综合肥力的限制性因子。

根据土壤肥力评价标准可以看出，北帮滑坡区样地、南帮变形区样地及西帮修复区样地土壤肥力综合指数位于0.4～0.6之间，肥力分级为Ⅲ级，土壤肥力水平表现为一般；东帮采矿区样地土壤肥力综合指数位于0.2～0.4之间，肥力分级为Ⅱ级，土壤肥力水平表现为较贫瘠。

4 讨 论

在对抚顺西露天矿进行调查的过程中发现，与东帮和西帮相比，北帮和南帮物种丰富度相对较高，生长着以刺槐和榆树为主的乔木和以接骨木和金银木为主的灌木，说明对北帮和南帮采取的客土和植被修复等工程措施有效地提高了土壤肥力。而北帮土壤肥力较优于南帮，说明复垦年限的增加对土壤养分恢复起正向作用，这与焦晓亮[17]等人在黄河流域露天矿上的研究结论一致；南帮豆科物种丰富度最高，土壤全氮含量也明显高于其他样地，说明豆科植物的固氮能力对矿区土壤肥力改善有明显的帮助，验证了陈皓[18]等人在抚顺西露天矿对植物群落特征的研究结果；此外，西帮土壤肥力明显高于东帮土壤肥力，一是西帮虽然复垦年限短，但采取了人工与自然恢复相结合的恢复方式，加快了生态系统重建的速度，符合邹旭[19]等人对湖南娄底市冷水江锑煤矿生态修复的研究思路，二是西帮和东帮植物种类数量相当，而西帮优势种为豆科灌木火炬树，东帮优势种为乔木植物榆树，可以认为根系浅而发达的灌木植物在复垦前期矿区土壤中的生长比深根系的乔木植物更具有优势，这与冯国宝等人[20]对矸石土壤修复植物的筛选原则一致。东帮和西帮土壤肥力的差异证明了土壤肥力的变化是恢复模式与植物类型两个因素共同导致的结果，在对矿区进行土壤质量修复时，选择多种改良方式可以起到更好的效果。

5 结 论

1)本研究应用修正的内梅罗指数法分析了抚顺西露天矿土壤肥力情况，目前矿区土壤整体呈弱碱性，缺乏全氮、碱解氮和有效磷。土壤综合肥力处于III级，整体水平表现为一般，空间上表现为：北帮>南帮>西帮>东帮，是恢复年限和恢复方式的共同影响下的结果。

2)土壤肥力主要限制性因子为土壤碱解氮和pH值，在后续生态修复中可考虑在土壤中合理施加氮肥，同时在进行植被恢复时选择耐瘠薄，耐盐碱，水土保持能力和固氮能力较高的豆科植物种如刺槐、侧柏、紫穗槐、柠条锦鸡儿、火炬树、沙打旺和紫花苜蓿等。

3)土壤肥力评价结果的准确性和指导性往往受到评价指标的限制，除土壤物理性质指标和化学性质指标外，土壤生物指标也是影响土壤质量的重要指标，结合土壤生物指标对矿区开展土壤肥力评价可以进一步明确土壤综合肥力，探究土壤生物指标对矿区土壤肥力的影响并提出针对性的生物改良措施。