草原露天礦區復墾地與未損毀地土壤物理性質對比

黃雨晗，況欣宇，曹銀貴，2①，羅古拜，王舒菲，楊 庚，白中科，2〔.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 00083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 00035〕

中國煤炭資源的大規模開采，一方面滿足了經濟建設需要，另一方面給局部帶來了眾多生態環境［1-2］與社會問題［3］。資料顯示國外損毀土地復墾率一般為70%～80%，目前美國損毀土地復墾率已達到85%，而中國損毀土地復墾率僅為25%左右［4］。中國草原露天煤礦多地處水土資源匱乏的生態脆弱區［5］，采礦活動嚴重威脅生態環境［6-7］，且露天采煤初期多采用外排土方式，礦區土地損毀高生態風險區主要在未復墾的排土場［8］，因此土地復墾對礦區可持續發展有重要意義。

在土地復墾中，原地貌土壤質量是復墾地重構土壤質量的重要參考標準，但由于研究區域、尺度范圍不同，造成研究結果差異很大［9］。排土場復墾過程中機械反復碾壓易導致土壤容重增大，引起土壤緊實度過大，孔隙度變小，導致土壤含水率較?。?0-11］。程林森等［12］研究發現，未受采煤影響的土壤含水量較平穩，不隨溫度變化，而采煤初期土壤含水量變化不明顯，存在滯后性。CAO等［13］和PAN等［14］研究了黃土地區露天礦排土場重構土壤物理性質與植被恢復的關系，結果表明經過長時間植被恢復，土壤容重降低，孔隙度增加，土壤含水量得到改善。LEWIS等［15］和BANNING等［16］研究表明，由于排土場的非均勻性，復墾土壤質量空間差異性顯著。重構土壤中礫石會增加土壤大孔隙數量，降低土壤保水能力［17］。土壤顆粒體積分形維數與土壤孔隙度和含水量呈正相關而與容重和有機質含量呈負相關［18］。此外，研究表明復墾時間是土地復墾及生態恢復的重要保證［11，19］。陜永杰等［20］發現復墾8 a的黃土區土壤物理質量水平還很差。同時，王金滿等［21］研究證實隨著復墾年限增加，土壤環境因子質量不斷提升并逐漸接近原地貌。

上述研究表明，復墾初期重構土壤物理性質較差，會阻礙土壤質量的提升，同時，復墾時間是衡量土壤質量的重要因素。草原礦區表土稀缺、氣候干旱的自然特征無疑加重了復墾難度，而土壤物理性質又是決定植被重建和生態恢復的基礎。因此，豐富草原礦區重構土壤物理性質的研究，探尋重構土壤與原地貌土壤物理性質的差異性及其產生原因，可為表土稀缺的草原露天煤礦區土壤重構提供支撐。

1 研究區概況

神華北電勝利露天煤礦位于內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內，地理位置為43°57′～44°14′N，115°30′～116°26′E，地表東西長6.84 km，南北寬5.43 km，含煤面積為37.14 km2。礦區包含3座外排土場，分別為南排土場、北排土場和沿幫排土場（圖1），損毀土地綠化復墾率達100%。研究區地勢較平坦，所屬土壤侵蝕類型區為內蒙古高原草原風蝕水蝕交錯區，植被蓋度為40%～75%，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區，春季風大多干旱，夏季溫熱雨集中，秋高氣爽霜雪早，冬季寒冷風雪多，年均氣溫為1.7℃，年降水量為294.74 mm［22］，屬于典型草原地帶性植被類型區。目前，研究區以草甸土為主，構成非地帶性土壤，w（有機質）為2%～3.68%，pH值約為8，土壤養分狀況是缺磷、富鉀、氮中等，并且在土壤表層約20 cm以下存在明顯鈣積層。

圖1 勝利礦區一號露天煤礦位置示意Fig.1 Location of No.1 opencast coal mine of Shengli mining area

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

在原地貌未損毀地以及南、北排土場復墾地分別隨機布設3個采樣地。采樣時間為2017年9月，每個樣地土層厚度、質地、復墾年限和植被類型見表1。每個土壤剖面上利用環刀（Φ100）分層采集0～10、＞10～20、＞20～30和＞30～40 cm土壤樣品，同時收集各層土壤布袋樣，對所采集樣品進行編號與保存。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品測定方法

在實驗室采用天平分別測定環刀采集的土壤樣品濕重和干重，計算得到土壤容重和土壤含水率。參照LY/T 1225—1999《森林土壤顆粒組成（機械組成）的測定》，采用吸管法測定布袋采集土壤樣品顆粒機械組成。

表1 采樣地剖面情況一覽Tabld 1 Profiles of sampling site

2.2.2 計算方法

土壤容重與體積含水率計算公式［23］分別為

式（1）～（2）中，ρB為土壤容重，g·cm-3；v為環刀容積，cm3；m1為環刀質量，g；m2為環刀及烘干土總質量，g；θg為土壤質量含水率，%；M1為供試原土質量，g；M2為烘干土質量，g。

土壤的礫石含量為每千克土壤樣本中粒徑＞2 mm的土壤顆粒質量含量，可分為3級：少礫（0～150 g·kg-1）、中礫（＞150～300 g·kg-1）和多礫（＞300 g·kg-1）。土壤質地分級按美國分類標準［24］進行，即等邊三角形的3個頂點分別代表100%的砂粒（粒徑＞0.05～2 mm）、粉粒（粒徑0.002～0.05 mm）及黏粒（粒徑＜0.002 mm）。采用SPSS 25.0和Excel 2016軟件進行方差分析與擬合分析，并制作圖表。

復墾地與未損毀地土壤物理指標差異分析從兩個方面開展：（1）0～40 cm土層復墾地與未損毀地土壤物理指標差異；（2）根據原地貌土體（土層平均厚度為20 cm）以及南、北排土場土壤剖面（土層平均厚度分別為40和20 cm）構型，選擇20 cm為土層分界線，將土壤分為0～20和＞20～40 cm兩個土層，分析同一區域不同土層之間和同一土層不同區域之間土壤物理指標差異。

3 結果與分析

3.1 復墾地與未損毀地土壤物理性質總體差異

復墾地與未損毀地0～40 cm深土壤物理性質差異分析結果見圖2。由圖2可知，復墾4 a的南排土場土壤容重大于復墾8 a的北排土場和未損毀地，分別高2.54%和7.15%，且南排土場與未損毀地土壤容重差異顯著（P＜0.05）。北排土場土壤含水率略大于南排土場和未損毀地，但差異不顯著（P＞0.05）。南排土場（多礫）和北排土場（多礫）礫石含量均高于未損毀地（中礫），分別高96.98%和64.66%，且復墾地與未損毀地礫石含量差異顯著（P＜0.05）。土壤質地分級結果顯示，南排土場與未損毀地土壤均為砂質壤土，而北排土場土壤為砂質黏壤土。

3.2 復墾地與未損毀地土壤物理性質的垂向差異性

按0～20和＞20～40 cm兩個土層分析各場地土壤物理性質垂向差異。由圖3可知，復墾地南、北排土場不同土層間土壤容重、礫石含量和土壤質地均差異不顯著（P＞0.05）。而未損毀地和北排土場＞20～40 cm土層土壤含水率均顯著高于0～20 cm土層，分別高87.84%和108.81%（P＜0.05），這與土壤水分入滲規律有關。同時各場地＞20～40 cm土層土壤粉粒和黏粒含量均高于0～20 cm土層，而礫石和砂粒含量均低于0～20 cm土層，可見土壤含水率垂向變化受土壤剖面構型的影響。

由圖4可知，對比同一土層不同場地間土壤物理性質發現，復墾地與未損毀地0～20 cm土層土壤容重差異不顯著（P＞0.05），南排土場＞20～40 cm土層土壤容重則顯著高于未損毀地，高9.62%（P＜0.05）。復墾地與未損毀地0～20和＞20～40 cm土層土壤含水率均無顯著性差異，但復墾地土壤含水率均高于未損毀地，0～20 cm土層南排土場最高，＞20～40 cm土層北排土場最高，這表明損毀土地復墾后土壤保水性能相對未損毀地有所提升。南排土場0～20和＞20～40 cm土層礫石含量均顯著高于未損毀地，分別高60.74%和174.66%（P＜0.05）。對于土壤質地，南排土場各土層砂粒、粉粒和黏粒含量與未損毀地無顯著差異（P＞0.05），但兩者＞20～40 cm土層與北排土場間均存在顯著差異（P＜0.05），這可能與北排土場20 cm深以下所覆煤矸石成分有關系。

圖2 土壤物理性質的總體差異性Fig.2 Overall differences in soil physical properties

3.3 礦區土壤物理性質相關關系

由表2可知，在礦區土壤中，土壤含水率與砂粒含量呈極顯著負相關（r=-0.778，P＜0.01），與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關（r=0.644和0.775，P＜0.01）；礫石含量與砂粒含量呈極顯著正相關（r=0.447，P＜0.01），與粉粒和黏粒含量分別呈顯著和極顯著負相關（r=-0.384和-0.439）；土壤容重與礫石含量呈極顯著正相關（r=0.440，P＜0.01）；此外砂粒含量與粉粒和黏粒含量均呈極顯著負相關（r=-0.869和-0.978，P＜0.01），粉粒含量與黏粒含量呈極顯著正相關（r=0.746，P＜0.01），其他物理指標之間相關不顯著。為檢驗上述土壤物理指標線性回歸方程可靠性，建立回歸模型（表3），方程擬合情況較好，均通過F顯著性檢驗（P＜0.05）。土壤物理性質相關性分析結果表明在表土稀缺的草原礦區，復墾地土壤含水率、礫石含量與未損毀地產生差異性的原因主要來源于質地構型的差異，復墾地土壤容重高于未損毀地，一是由于排土過程中機械壓實，二是由于重構土壤剖面礫石含量差異。

表2 礦區土壤物理性質相關性分析Table 2 Correlation analysis between soil physical properties in mining area

4 討論與結論

（1）隨著復墾年限的增加，重構土壤容重、礫石含量和砂粒含量逐漸降低，土壤含水率以及粉粒和黏粒含量逐漸增加；隨著土層深度的增加，土壤容重、含水率以及粉粒和黏粒含量逐漸升高，礫石和砂粒含量逐漸降低，這與CAO等［13］和蔡文濤等［25］研究成果基本一致。南排土場土壤容重總體上明顯高于未損毀地，但兩者在0～20 cm土層無顯著差異，表明經過4 a的自然恢復復墾地重構土壤容重未達到原地貌水平，而植被重建可使表層土壤容重先接近原地貌［11］。北排土場土壤含水率總體上略高于南排土場，且兩者均高于未損毀地，表明復墾可有效提升土壤含水率。各場地＞20～40 cm土層土壤含水率均高于0～20 cm土層，北排土場該現象更為顯著，這與草原礦區降雨量少、蒸發量高的氣候特征［22］和水分入滲規律［26］密不可分，也可能與北排土場采用煤矸石作為重構土壤的下墊面獲得良好保水性能有關。此外，礫石和砂粒含量由于風化作用而降低，但在風蝕水蝕作用下，兩者在0～20 cm土層含量均高于＞20～40 cm土層，因此控制風蝕水蝕對重構土壤的影響是復墾工作的關鍵。ρB為土壤容重，θg為土壤含水率，Y為礫石含量，X砂為砂粒含量，X粉為粉粒含量，X黏為黏粒含量。

表3 礦區土壤物理性質間回歸分析Table 3 Regression analysis between soil physical properties in mining area

（2）排土場所覆土層越厚，重構土壤剖面礫石含量越高，表土十分稀缺是限制覆土厚度的客觀因素，也是影響土壤質地的關鍵因素。重構土壤剖面礫石含量和土壤顆粒機械組成比例確定后短時間內難以改變，擬合分析發現兩者具有一定相關性，均影響土壤容重和土壤含水率，其中礫石含量與土壤容重呈極顯著正相關（P＜0.01），土壤含水率與砂粒含量呈極顯著負相關（P＜0.01），與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關（P＜0.01），因此土壤質地構型可影響土壤含水率，這與劉愫倩等［27］研究結果一致。

（3）TD/T 1036—2013《土地復墾質量控制標準》［28］指出北方草原區（其他草地）土壤容重≤1.45 g·cm-3，礫石含量≤150 g·kg-1，土壤質地為砂土至砂質黏土。研究區南、北排土場土壤容重均值分別為1.45和1.41 g·cm-3，礫石含量均為多礫狀態，土壤質地分別為砂質壤土和砂質黏壤土，其中礫石含量超出TD/T 1036—2013范圍，限制了復墾地其他土壤物理性質的改善，其含量過高且難以控制會影響復墾效果，因此確定適宜的礫石含量范圍是精準復墾下一步要開展的重要工作。