內(nèi)蒙古黑岱溝礦區(qū)排土場(chǎng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

李海寬，張雅楠

(1.呼和浩特市水文勘測(cè)局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古天佑水利工程設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，內(nèi)蒙古地區(qū)的煤炭開發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，準(zhǔn)格爾、霍林河、東勝、伊敏河等大型露天煤礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力均在5 000萬t/a以上[1]。這幾大主要露天煤礦的開采均采用外排土的方式，在開采區(qū)占用較大土地面積的同時(shí)，隨著剝采比的加大，排土場(chǎng)占用的土地面積也逐年增加[2]。在采煤業(yè)和化工業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)[3]，礦區(qū)周邊的環(huán)境也隨之發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在植被破壞、土壤污染、水土流失、地下水位下降、地面裂縫塌陷、煤矸石堆積等方面，土壤質(zhì)量急劇退化，并由此帶來諸多生態(tài)環(huán)境問題。因此，需要對(duì)目前的土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為退化土壤的恢復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

20世紀(jì)70 年代由Warkentin和Fletcher共同提出了土壤質(zhì)量的概念[4]，他們指出土壤質(zhì)量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)中保持生物生產(chǎn)力、維持土壤的環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)植物生長(zhǎng)和維持動(dòng)物健康的能力[5]。目前對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究主要集中在重金屬對(duì)土壤質(zhì)量的影響方面，趙雪等[6]分析了主要重金屬污染元素Pb、Cu、Cd和Cr對(duì)君安礦區(qū)復(fù)墾土壤的影響；谷巖[7]通過建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，分析了雞西礦區(qū)排土場(chǎng)11種重金屬對(duì)土壤環(huán)境的影響。近年來，有學(xué)者針對(duì)不同復(fù)墾類型對(duì)土壤質(zhì)量的影響做了一定的研究，秦文展等[8]、孫海運(yùn)等[9]選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、pH值、含水率、密度和EC等指標(biāo)對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤進(jìn)行了土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果表明不同復(fù)墾類型下土壤質(zhì)量差異較大，隨著復(fù)墾年限的增加土壤質(zhì)量提高。本研究以黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)土壤作為研究對(duì)象，通過分析土壤理化性質(zhì)和 Shannon-wiener多樣性指數(shù)，建立土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，初步評(píng)價(jià)該地區(qū)土壤的環(huán)境狀況，為礦區(qū)土壤復(fù)墾提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°13′—111°20′、北緯39°43′—39°49′，海拔1 025—1 302 m。礦區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍昃鶜鉁?.2 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，極端最低氣溫-30.9℃，≥10 ℃年積溫3 350 ℃；年平均降水量為404.1 mm，降水多集中在7—9月份，約占全年降水量的60%～70%；年蒸發(fā)量為2 082.2 mm，年日照時(shí)數(shù)3 119.3 h。礦區(qū)土壤主要為黃綿土，微堿性，肥力低下。排土場(chǎng)臺(tái)階上的土壤均為復(fù)填土，因排土車輛反復(fù)碾壓故而較緊密。礦區(qū)內(nèi)地帶性植被屬暖溫型草原帶，植被稀疏低矮，蓋度一般在30%以下，天然森林已全遭破壞[10]。

1.2 土壤樣品采集

采樣時(shí)間為2011年7月，采樣點(diǎn)選擇在黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)。在排土場(chǎng)內(nèi)選擇地理位置相近的6種人工復(fù)墾類型，分別為1號(hào)紫花苜蓿×披堿草樣地、2號(hào)楊樹×油松樣地、3號(hào)楊樹×沙棘樣地、4號(hào)紫花苜蓿×沙打旺樣地、5號(hào)沙棘×紫花苜蓿樣地、6號(hào)楊樹純林樣地，以自然恢復(fù)下的排土場(chǎng)作為對(duì)照。采用隨機(jī)取樣方法在7個(gè)樣地內(nèi)取樣，每個(gè)樣地取3個(gè)剖面，分別采集0—10 cm、10—20 cm的土樣，3次重復(fù)。土壤容重、孔隙度、毛管持水量、飽和含水量、田間持水量采用常規(guī)方法測(cè)定；pH值采用電極法測(cè)定；速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷含量采用鹽酸-氟化銨法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰分光光度計(jì)法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定[11]；Shannon-wiener多樣性指數(shù)的測(cè)定采用有關(guān)文獻(xiàn)的方法[12]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)一般包括土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)3個(gè)方面的指標(biāo)[13-14]。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本研究的目的，共選擇了11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，其中生物性狀指標(biāo)有Shannon-wiener多樣性指數(shù)(X1)，土壤物理性質(zhì)指標(biāo)有容重(X2)、孔隙度(X3)、飽和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6)，化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有pH值(X7)、速效氮含量(X8)、速效磷含量(X9)、速效鉀含量(X10)、有機(jī)質(zhì)含量(X11)。

1.4 評(píng)價(jià)方法

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的學(xué)者把數(shù)學(xué)方法引入到土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)中來，使土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)趨于邏輯性和系統(tǒng)性。目前常用的方法有標(biāo)準(zhǔn)綜合級(jí)別法、指數(shù)和法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、投影尋蹤模型法等[15]。

本研究使用SPSS 17.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行因子分析和主成分分析。先對(duì)原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過最大正交旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)，分別得到相關(guān)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率以及因子載荷量，然后根據(jù)各主成分的因子載荷量計(jì)算各指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的作用大小，確定權(quán)重Wj，公式為

(1)

式中：Wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；Cj為第j個(gè)指標(biāo)的因子載荷量。

各指標(biāo)的權(quán)重確定后，計(jì)算各樣地土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值，對(duì)各樣地土壤質(zhì)量進(jìn)行排序，計(jì)算公式為

(2)

式中：Pi為排土場(chǎng)第i個(gè)樣地土壤綜合評(píng)價(jià)值；Xij為第i個(gè)樣地第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；n為評(píng)價(jià)中所選指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同復(fù)墾類型下土壤各指標(biāo)主成分分析

由表1可知，通過對(duì)0—10 cm層土壤進(jìn)行分析，前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為94.79%，高于85%，所以可選取前3個(gè)主成分代表原有11個(gè)成分進(jìn)行分析。對(duì)10—20 cm層土壤各指標(biāo)的主成分分析可知，前兩個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85.55%，故選取前兩個(gè)主成分進(jìn)行分析。

通過表2可以看出，在0—10 cm層土樣的第一主成分中，Shannon-wiener多樣性指數(shù)(X1)、田間持水量(X6)、有機(jī)質(zhì)含量(X11)載荷量較大；在第二主成分中，毛管持水量(X5)載荷量較大；pH值(X7)在第三主成分中載荷量最大。主成分分析說明，在0—10 cm土壤中Shannon-wiener多樣性指數(shù)、田間持水量、有機(jī)質(zhì)含量、毛管持水量及pH值對(duì)該層土壤的恢復(fù)有較大影響。通過對(duì)10—20 cm層土樣的因子載荷量分析可知，在第一主成分中，孔隙度(X3)因子載荷量是0.970，速效磷含量(X9)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)(X1)因子載荷量也較大，所以第一主成分的主要影響因子是Shannon-wiener多樣性指數(shù)、孔隙度、速效磷含量；在第二主成分中，飽和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6)因子載荷較大，分別是0.695、0.764、0.779，故第二主成分的選擇因子是飽和含水量、毛管持水量、田間持水量。分析說明，在10—20 cm層對(duì)土壤質(zhì)量影響較大的指標(biāo)是孔隙度、土壤速效磷含量、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、Shannon-wiener多樣性指數(shù)。在表層土壤中土壤質(zhì)量受土壤化學(xué)性質(zhì)影響較大，在10—20 cm層土壤質(zhì)量受土壤含水量的影響較大，說明隨著土層深度的增加，根系的生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的需求增加。Shannon-wiener多樣性指數(shù)對(duì)表層土壤和10—20 cm層土壤的環(huán)境均有較大的影響，說明植被的生長(zhǎng)對(duì)改善土壤質(zhì)量有明顯的作用。

表1 各主成分累積貢獻(xiàn)率

表2 各指標(biāo)因子載荷量

2.2 不同復(fù)墾類型下土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值分析

通過各指標(biāo)的因子載荷量計(jì)算出權(quán)重，將各指標(biāo)的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)值加權(quán)，利用公式(1)和(2)計(jì)算得到排土場(chǎng)土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值，見表3。由表3可知，各樣地0—10 cm層土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值依次為-0.542 7、0.085 7、0.827 9、0.338 9、0.089 5、-0.003 2、-0.764 6，各樣地排序?yàn)椋?號(hào)楊樹×沙棘樣地>4號(hào)紫花苜蓿×沙打旺樣地>5號(hào)沙棘×紫花苜蓿樣地>2號(hào)楊樹×油松樣地>6號(hào)楊樹純林樣地>1號(hào)紫花苜蓿×披堿草樣地>7號(hào)對(duì)照樣地。1—6號(hào)各樣地土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值均大于7號(hào)樣地，說明人工復(fù)墾對(duì)該地表層土壤質(zhì)量的改善起到了明顯的作用。楊樹×沙棘樣地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)值最高，說明喬灌混交模式對(duì)該地表層土壤質(zhì)量的提高有較好的作用。4號(hào)樣地土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值大于5號(hào)樣地和1號(hào)樣地，表明沙打旺的種植有利于提高該地表層土壤的綜合質(zhì)量，適宜在該地種植。沙棘和紫花苜蓿都是固氮作物，它們混播可以有效提高土壤質(zhì)量。喬木林樣地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)值較低、排序靠后，說明在該地不適宜大范圍種植耗水量大的楊樹。

表3 排土場(chǎng)土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值及排序

各樣地10—20 cm層土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值依次為-0.002 4、0.071 9、0.806 2、0.306 6、0.095 5、-0.001 5、-0.716 4，按評(píng)價(jià)值排序與0—10 cm層土壤相同，同樣表現(xiàn)出1—6號(hào)各樣地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)值均大于7號(hào)樣地的規(guī)律。由于地表枯落物的作用和植被根系生長(zhǎng)的影響，表層土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值大多大于10—20 cm層土壤，說明植被的生長(zhǎng)對(duì)表層土壤的改良效果隨土層深度的增加而減弱。不同植被復(fù)墾模式下土壤質(zhì)量不同，喬灌混交、灌草混播及草本混播3種模式下的樣地土壤質(zhì)量顯著高于其他樣地，說明混合播種對(duì)提高該地土壤質(zhì)量有較為明顯的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)經(jīng)過多年人工復(fù)墾后，土壤質(zhì)量較自然恢復(fù)狀態(tài)下有了明顯的改善。Shannon-wiener多樣性指數(shù)對(duì)表層土壤和10—20 cm層土壤質(zhì)量均有較大的影響，說明植被的生長(zhǎng)對(duì)改善土壤質(zhì)量有明顯的作用。表層土壤質(zhì)量受土壤化學(xué)性質(zhì)影響較大，隨深度增加，土壤水分指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的影響增大。

(2)0—10 cm層和10—20 cm層土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值排序均為：3號(hào)楊樹×沙棘樣地>4號(hào)紫花苜蓿×沙打旺樣地>5號(hào)沙棘×紫花苜蓿樣地>2號(hào)楊樹×油松樣地>6號(hào)楊樹純林樣地>1號(hào)紫花苜蓿×披堿草樣地>7號(hào)對(duì)照樣地。隨著土層深度的增加土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值降低。楊樹×沙棘樣地土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值最高，說明喬灌混交模式對(duì)該地表層土壤質(zhì)量的提高有較好的作用，同時(shí)也說明在該地區(qū)較適合采用混合播種模式。沙棘、沙打旺、紫花苜蓿對(duì)提高該地土壤質(zhì)量有顯著作用，適宜在該地區(qū)種植。

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