黃土露天礦區排土場重構土壤典型物理性質空間差異分析

李玉婷，曹銀貴,2*，王舒菲，羅古拜，王金滿,2，周偉,2，白中科,2

1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035

中國是一個富煤的國家，煤炭資源儲量居世界第三（宋曉波，2015）。近10年來，國家在勘探技術上的發展使得更多適合于露天開采的煤田被發現，為中國露天煤炭事業的快速發展奠定了基礎（宋曉波，2015）。煤礦區域是集煤炭資源開采、利用與土地資源占用與破壞為一體的區域之一（卞正富，2000），露天煤礦開采是一種高速且大規模改變生態環境的生產活動，嚴重損壞了地表土壤與植被（秦倩等，2016）。中國的露天礦大多分布在黃土高原等生態脆弱區（秦倩等，2016），煤礦開采活動會使這些地區的生態環境進一步惡化。排土場是露天采礦排棄物集中的場所（趙艷玲等，2018），將排土場復墾成為具有良好生態效益的土地，對于補充當地可利用土地數量，改善當地生態系統具有十分重要的意義。排土場生態系統的恢復和重建已成為近年來關注的焦點，其中土壤和植被的恢復是排土場生態系統恢復和重建的基礎工作（Liu et al.，2017）。

土壤重構是礦區土地恢復的一個環節（Feng et al.，2019），土壤性質的變化可能會影響未來的植被發育（Munkholm et al.，2002；Nawaz et al.，2013），對植被的恢復起著至關重要的作用。土壤物理性質主要包括土壤質地、土壤容重、孔隙狀況及與入滲、持水性能等密切相關的多項指標（譚學進等，2019），對土壤修復有很大影響（Bradshaw，1997）。其中土壤質地影響著土壤的水、氣、熱的運動及養分的轉化（謝炎敏，2017），容重是是衡量土壤質量和生產力的重要指標（于冬雪等，2019；Suuster et al.，2011），土壤孔隙對土壤中水分和養分的運移有重要作用，可以反映土壤質量的高低（秦倩等，2016）。礦區重構土壤的物理性質與自然土壤相比有明顯的差距，而研究礦區排土場的土壤的物理性質可以直接反映重構土壤的質量（趙艷玲等，2018）。所以目前國內外礦區土地復墾領域的研究很大一部分著眼于礦區復墾地重構土壤物理性質的研究，如趙艷玲等（2018）對內蒙古錫林浩特勝利煤田一號露天礦北排土場的復墾土壤的物理性質進行了統計分析，得到復墾排土場的土壤物理性質和當地未復墾土壤之間的性質差異。于冬雪等（2019）采用經典統計學與地統計學方法分析了不同土層容重的空間變異特征，探明了黃土區不同土層容重的分布特征。國外有學者（Schroeder et al.，2010）研究采礦復墾過程中產生的礦區土壤的物理性質，得到砂礦采礦地復墾土壤質地、密度和濕度在水平及垂直方向上的差異和復墾土壤與自然土壤之間性質的差異。也有學者對比各復墾年限的土壤在各性質上的差異得到影響復墾土壤質量的最關鍵指標（Kumar et al.，2018；Mukhopadhyay et al.，2013）。

植被重建也是礦區土地復墾工作中的重要一環（王洪丹等，2016），其對于礦區生態恢復具有重要意義。一方面土壤的物理結構和化學性質會因為植被根系生長及植被對土壤養分吸收與釋放而改變；另一方面，植被生長需要土壤直接提供營養與水分。植被蓋度是刻畫地表植被覆蓋的重要參數，在露天煤礦區能作為評價土地復墾效果的重要依據（Zhang et al.，2016；周偉等，2012）。目前，不少研究已從不同角度揭示土壤與植被的交互影響機制，植被恢復對土壤物理性質的影響一直是礦區復墾研究的熱點之一。如有學者（Zhang et al.，2016）通過建立不同坡向歸一化植被指數與土壤各理化性質之間的擬合關系，分析露天煤礦復墾排土場各坡向植被蓋度與土壤質量之間的交互影響。張雅麗（2014）采用種群統計、生物多樣性指數和相關分析等分析法，研究了安太堡露天礦排土場復墾區不同植物配置模式下的植被特征及其與土壤性質的關系。外國有學者（Mukhopadhyay et al.，2013，2016）利用再生礦用土壤指數對煤田回填煤矸石中生長的6種常見樹種的根際土壤進行了理化和生物特性分析，篩選出適宜礦區復墾土地的樹種；且該學者于 2016年研究了不同樹種的復墾潛力，通過分析不同樹種的土壤養分濃度，對比將這些土壤作為復墾地土壤替代對復墾效果的影響。

目前礦區復墾方面的研究大多為研究土壤物理性質的空間差異或是植被蓋度對表層土壤物理性質的影響，很少有針對不同植被覆蓋類型對重構土壤物理性質的影響的研究。本此研究在結合其他學者的研究的基礎上，對平朔礦區排土場土壤典型物理性質進行水平、垂直及不同植被覆蓋類型下的差異分析，以得到影響該地土壤物理性質差異，一方面可以為重構土壤性質與植被間交互影響機制的相關研究提供理論支持，另一方面可以為未來礦區復墾工作提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

平朔礦區是中國 20世紀末最大的露采煤炭生產基地，地處黃土高原東部、山西省北部（白中科等，2008）。平朔安太堡露天煤礦總面積達376 km2，煤礦存儲量約126億噸，位于山西省朔州市區與平魯區交界處。其地理坐標為 39°23′—39°37′N，112°10′—113°30′E。地處黃土高原的丘陵緩坡地帶，地區干旱，土質偏砂型，保水能力較差，水土流失嚴重。本次研究以安太堡露天煤礦南排土場為研究區域，南排土場是早期的一個外排土場，排土時間是1985—1989年，海拔高度為1360—1465 m，邊坡坡度為20°—40°（羅古拜等，2019a）。地表覆土100 cm，以黃土、紅土、紅黃土為主。目前該排土場已經形成林灌草多層次、多類型的植被結構，以刺槐、榆樹、油松、沙棘等植被為主（王楊揚等，2017），生態環境得到有效恢復。研究區及樣點位置如圖1所示。

1.2 樣方與剖面建立

在研究區中選擇 24個樣點進行樣品采集（圖1）。采樣分為兩次，第一次采樣時間為2018年5月中旬，第二次采樣時間為2018年8月中旬。第一次采樣，平臺上樣方的大小為10 m×10 m，邊坡上樣方的長度也是 10 m，樣方根據實際情況進行調整，以保證邊坡樣方有10 m×10 m的垂直投影（王舒菲等，2019）；第二次采樣，平臺上樣方的大小為5 m×5 m，邊坡上樣方的長度也是5 m，樣方根據實際情況進行調整，以保證邊坡樣方有5 m×5 m的垂直投影。使用木樁固定大樣方的4個角的位置，之后用GPS記錄樣方中心點的經緯度和高程，并通過進行植被生長狀況調查獲取喬灌植被數據。之后大樣方內隨機選取一個1 m×1 m的小樣方，用于地表草本植被的采集與土壤剖面的制作（王舒菲等，2019）。

1.3 采樣與測試

（1）喬/灌木蓋度測定：選取大樣方的兩條對角線進行喬/灌木蓋度的目視估算，之后取平均值得到各樣點的喬/灌木蓋度。

（2）草本樣品采集：在各大樣方內隨機選取一個1 m×1 m的小樣方采集地表草本植被。將草本樣裝入密封袋后編號保存，在實驗室用烘箱65 ℃烘干至恒重后稱取草本生物量，烘干時間為 10 h左右。

圖1 南排土場及樣點位置示意圖Fig.1 Location of the South Dump and sample points

（3）土壤樣品采集：在各樣地建立土壤剖面，之后利用環刀（φ100）每隔10 cm采集一次土壤樣品，各樣地土壤剖面的平均深度為80 cm，但由于部分樣點存在障礙層淺導致取樣困難的情況，所以除S7和S15樣點外，其余樣點均取樣到地表下60 cm的深度（羅古拜等，2019b）。之后分別用保鮮袋和密封袋將樣品密封保存，再用布袋裝取一定量的各層土壤送至北京市農林科學研究院測定其他性質。土壤機械組成采用“吸管法”測定（楊金玲等，2009），土壤容重及孔隙度采用環刀法測定（袁久坤等，2014）。在實驗室先將所采集的環刀土壤樣品進行稱重，之后用烘箱105.50 ℃烘8 h左右至恒重進行再次稱重，并計算土壤容重和孔隙度。

1.4 研究方法

本研究首先通過描述性統計分析及單因素方差分析法對研究區土壤典型理化性質在水平及垂直方向的差異進行分析。之后依照研究區植被生長狀況對樣點進行分組，利用單因素方差分析法研究不同植被覆蓋類型下的土壤物理性質差異，得到研究區重構土壤典型物理性質與植被之間的響應關系。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤典型物理性質狀況分析

2.1.1 研究區土壤典型物理性質水平差異分析

通過計算研究區不同深度下各土壤典型物理性質的變異系數分析研究區各土壤典型物理性質在水平上的差異。如圖2所示。

由圖2可以看出，研究區重構土壤所有典型物理性質在相同深度的含量變異系數均在10%—50%之間，屬于中等變異。其中土壤各粒級含量變異性系數相對較大，容重和孔隙度的變異程度接近弱變異。說明研究區土壤各層物理性質經過多年復墾已經趨于一致，尤其是容重和孔隙度已經基本相同。并且隨著深度減小，各性質的差異減小。

2.1.2 研究區土壤典型物理性質垂向差異分析

圖2 不同深度土壤典型物理性質變異系數變化Fig.2 Variation coefficients of soil typical physical properties at different depths

為得到研究區整體各土壤物理性質在垂向上的差異，對所有樣點按不同深度計算各土壤性質的均值及變異系數（表1）。

由表1可知，研究區土壤各物理性質均值在深度層面上的變異系數均小于10%，屬于弱變異。對不同深度的土壤典型物理性質進行S-W檢驗。結果顯示各典型物理性質顯著性P＞0.05，服從正態分布規律，可以進行接下來的研究。

表1 不同深度土壤各典型物理性質變異系數表Table 1 Variation coefficients of soil physical properties at different depths

為了研究研究區各土壤物理性質在垂向層面的變化規律，對土壤各物理性質進行不同深度的單因素方差分析。研究結果顯示土壤容重及孔隙度的顯著性P＜0.05，存在層間顯著差異；除容重和孔隙度外，其余物理性質層間差異不顯著。0—10 cm深度的土壤容重均值最小，隨著土壤深度增加，土壤容重一直保持增大的趨勢（圖3）；土壤孔隙度變化規律與土壤容重相反（圖4），在0—10 cm最大，隨著土壤深度增加，土壤孔隙度減小。

圖3 不同深度的土壤容重方差分析圖Fig.3 Results of soil bulk density variance analysis at different depths

圖4 不同深度的土壤孔隙度方差分析圖Fig.4 Results of soil porosity variance analysis at different depths

研究區土壤以砂粒和粉粒為主，粘粒含量較少。隨著深度增加，3種粒級的含量變化沒有明顯規律。不同深度的土壤不同粒級含量情況見圖5。

2.2 研究區不同覆蓋類型下的土壤典型物理性質差異分析

根據植被生長情況將研究區的 24個樣點分為4組（表2）。其中有喬木生長的樣地共14個，將其按照喬木蓋度大小進行排序平均分為兩組：其中喬木蓋度大于65%的為喬木——高覆蓋度組，設為組1；喬木蓋度小于65%的為喬木——低覆蓋度組，設為組 2。將研究區所有只生長灌木的樣地劃為灌木組，設為組 3；將只生長草本植物的樣地和喬木已死亡的樣地分為草本/裸地組，設為組4。

圖5 不同深度的土壤不同粒級含量情況Fig.5 Soil contents of different grain sizes at different depths

表2 研究區樣點分組情況表Table 2 Group of sample points in the study area

為了研究不同植被覆蓋類型下的土壤性質差異，對不同深度下的重構土壤各典型物理性質分別進行針對組別的單因素方差分析。結果顯示土壤容重（圖6）和孔隙度（圖7）在0—10 cm及20—60 cm深度均存在組間的顯著差異。從各組在不同深度的容重變化來看，4個組的容重基本均隨深度增加而增大。組2的容重變化尤其明顯，0—10、10—20、20—60 cm差異顯著，在深度達到20 cm以下時，組2的土壤容重遠高于其他3組。土壤孔隙度與土壤容重變化情況完全相反。

研究區不同深度土壤各粒級含量組間差異不顯著。如圖8—10，隨著土壤深度增加，組1、組2及組4的砂粒含量基本呈現減少趨勢，粉粒含量呈現增長趨勢，組2粘粒含量呈現增長趨勢。組1粘粒含量明顯低于其他3組，粉粒含量明顯高于其他3組；組2的粘粒含量明顯高于其他3組；組3的砂粒含量隨深度增加變化較劇烈但大多高于組1和組2；組4的砂粒含量高于組1和組2。

根據美國制（林大儀，2002）確定各樣點各層土壤質地，對各層土壤質地進行分組統計。對各組土壤質地進行不同深度的比較，可以看出組 1（圖11）各深度的土壤均以粉壤土為主。組2（圖12）各深度的土壤均以壤土為主，其次粉壤土與砂壤土在不同深度出現交替數量優勢。組3（圖13）各深度的土壤均以壤土為主，其次砂壤土在各層均存在。組4（圖14）在0—40 cm的深度土壤均以砂壤土為主，其次壤土在各層均存在。對比可以看出壤土是研究區分布最多的土質類型。

圖6 各組不同深度的土壤容重方差分析圖Fig.6 Variances of soil bulk density at different depths in each group

圖7 各組不同深度的土壤孔隙度方差分析圖Fig.7 Variances of soil porosity at different depths in each group

圖8 各組在不同深度的砂粒含量變化圖Fig.8 Changes in sand content at different depths in each group

圖9 各組在不同深度的粉粒含量變化圖Fig.9 Changes in silt content at different depths in each group

3 討論

3.1 討論

3.1.1 經過復墾的重構土壤典型物理性質變化情況分析

研究區地處黃土高原區，土壤由黃土風成成因的主要顆粒組成，土壤質地組基本為壤土組，其特點是砂粒含量較高（李香蘭等，1992）。礦區排土場的重構土壤物理性質與當地未受損土壤的物理性質之間存在差異。通常，土壤容重值多介于1.0—1.5 g·cm-3之間（張學權，2017），研究區各層土壤容重均值均大于1.25 g·cm-3，是因為排土場排土及復墾時受大型機械的碾壓（Bradshaw，1997），土壤顆粒重新排列（陳星彤等，2005），土壤緊實度增大，致使土壤孔隙度減小（Munkholm et al.，2002；Nawaz et al.，2013），從而使容重變大。隨著排土場的復墾，土壤質量會不斷提高（譚學進等，2019；曹銀貴等，2013；王金滿等，2012）。相關研究發現土壤容重隨復墾時間增加呈現下降趨勢（秦倩等，2016；龐碧琳等，2017；常慶瑞等，1999），本次研究得到了土壤容重隨深度增加而增大的結果，也可能是因為隨著復墾工作的進行，研究區土壤容重不斷變小，但隨著土層深度的增加，土壤的改良效果明顯降低（譚學進等，2019）。同時也有研究表明，黃土區土壤容重隨土層深度的增加而增大，可能是表層土壤有機質含量高（李香蘭等，1992），植物根系也主要分布在淺層土壤，土壤孔隙狀況良好（Li et al.，2016）。

圖10 各組在不同深度的粘粒含量變化圖Fig.10 Changes in clay content at different depths in each group

圖11 組1不同深度的土壤質地情況Fig.11 Group 1 soil texture at different depths

圖12 組2不同深度的土壤質地情況Fig.12 Group 2 soil texture at different depths

圖13 組3不同深度的土壤質地情況Fig.13 Group 3 soil texture at different depths

圖14 組4不同深度的土壤質地情況Fig.14 Group 4 soil texture at different depths

復墾土壤孔隙數量和孔隙度較小，復墾措施可增加土壤孔隙量和孔隙度（王金滿等，2016）。孔隙度隨深度增加而減小，可能也是由于隨著土層加深，土壤改良效果降低的原因。此外可能是由于土壤的孔隙狀況主要受有機質在土壤累積量的影響（Gasch et al.，2014），而有機質主要由地表植被及其他生物提供，越靠近地表有機質積累越多，孔隙度越大。本次研究中土壤物理性質的研究結果與譚學進等（2019）、趙世偉等（2010）、于冬雪等（2019）的研究結果是一致的。

3.1.2 研究區不同植被下土壤性質差異分析

研究區不同植被下土壤物理性質出現深度上的差異，是由于植被通過根系的生長改變土壤結構，通過根系分泌物、枯落物為土壤輸入有機物質，改善土壤性質（譚學進等，2019）。深度淺的土壤中含有大量的植被根系，土壤質量改良效果較深層土壤好。同時不同植被根系所能達到的深度不同，所以土壤物理性質出現了組別間的差異。

本研究得到砂粒含量隨土壤深度加深含量降低，可能是因為砂粒隨雨水下滲，在土層阻隔作用下經過的土層愈薄，其含量愈高，經過的土層愈厚，含量愈低（李香蘭等，1992）。組3、組4的砂粒含量高于組1和組2，與李香蘭等（1992）得出的研究結果不同。可能是由于李香蘭等（1992）當作為時研究樣地的灌木林地是由喬木林地經砍伐翻動平整后種植得到的，在改變植被的過程中促進了土壤砂粒的進一步風化，使灌木林地中砂粒含量較喬木林地低。而本次研究的研究區植被均為復墾時直接種植的，之后使其自然生長，沒有經過重新種植。研究區土壤粒級的改善僅由植物根系生長根系通過穿透和根際效應對土壤水分進行調節進而對土壤的機械組成產生重要影響（胡雷等，2015），所以能體現出喬木生長對土壤的中砂粒含量的減少效果優于灌木及草被植被。而組1的粉粒含量明顯高于其他3組，進一步說明了喬木植被生長有助于土壤粒級的減小，研究結果同李香蘭等（1992）得出的研究結果一致。

本次研究中草本生物量高的組別土壤容重、孔隙度及粘粒含量較其他組有明顯的差異，可能是由于草本較喬木灌木種植密度大，對小區域的淺層土壤改良效果較喬木灌木明顯，主要體現在對粘粒含量的增加上。同時有研究指出，黃土高原地區在植被恢復初期由于水分條件的限制，草本植被的植被恢復土壤效應最高（常慶瑞等，1999），也可以解釋本次研究中得到的結論。

而研究區不同植被覆蓋類型下土壤質地存在差異的原因，也可能是由于不同植被根系對土壤的改良效果不同造成的，由研究結果可以看出，喬木植被的生長主要促進粉壤土的形成，灌木、草本植被的生長主要促進壤土的形成。

4 結論

（1）研究區重構土壤所有典型物理性質在相同深度的含量均屬于中等變異，經過多年復墾已經趨于一致，尤其是容重和孔隙度已經基本相同。隨著深度減小，各性質的差異減小。

（2）研究區各土壤物理性質在垂向上均屬于弱變異，土壤容重容重及孔隙度存在層間顯著差異。研究區土壤容重隨著土壤深度增加增大；土壤孔隙度隨著土壤深度增加減小。研究區土壤以砂粒和粉粒為主，粘粒含量較少。隨著深度增加，3種粒級的含量變化沒有明顯規律。

（3）不同植被覆蓋類型下的土壤容重和孔隙度在0—10、20—60 cm深度存在顯著差異，砂粒、粉粒、粘粒含量組間差異不顯著。研究區分布最多的土質類型是壤土，喬木植被的生長主要促進粉壤土的形成，灌木、草本植被的生長主要促進壤土的形成。喬木植被生長有助于土壤粒級的減小，草本植被對淺層土壤物理性質改良效果優于深層土壤。未來在進行植被重建工程時應適當根據實地土壤質地情況選擇適宜植被。