新疆某露天礦排土場土壤質量分級評價

孫雪亮 趙建港 余勤飛 李曉楠 李欣穎 張 凱

（1.國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆烏魯木齊830000；2.中國礦業(yè)大學（北京）化學與環(huán)境工程學院，北京100083；3.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京100081；4.中國自然資源經(jīng)濟研究院，北京101149）

我國是世界最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，長期以來煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費結構中一直占主導地位。新疆是我國煤炭資源分布大區(qū)，產(chǎn)煤量豐富，居全國之首［1，2］。某煤田煤炭資源預測儲量大，賦存條件好。露天采場通過將覆蓋在礦體上部的表土、覆巖等剝離物堆放在指定場地形成的排土場，是一個巨型松散土石混合堆積體［3，4］。排土場土壤自身水分保持能力不足，在復墾過程中水土流失嚴重，植物生長困難，復墾效果差，自然恢復困難，了解區(qū)域土壤質量是土壤復墾的前置工作。

土壤質量評價是指使用一定的方法、原則和標準，對土壤的理化性質進行評定，是環(huán)評體系中的一種單要素評價。進行土壤質量評價可以了解土壤理化指標，有利于土地資源的可持續(xù)利用，促進國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，為土地可持續(xù)利用提供理論保障。近年來，土壤質量評價的方法層出不窮，其大致可分為定性和定量兩類，其中定量的方法如灰色系統(tǒng)模型［5］、主成分分析法［6，7］、層次分析法［8］和模糊綜合評價法［9］等逐漸受到廣大科技人員的青睞。土壤肥力指數(shù)法是常用的一種定量化評價土壤肥力的方法。肥力指數(shù)法［10］計算土壤肥力指數(shù)（IFI），目前已廣泛受到學者們的認可，肥力指數(shù)法是通過先比較各項肥力指標與該肥力指標的標準含量確定某些指標最為缺乏，再累加隸屬度和權重確定土壤綜合質量的一種土壤質量評價方法。楊全合等［11］通過計算北京市通州區(qū)土壤各項肥力的權重和隸屬度，計算其IFI值對土地質量進行評價。吳小芳等［12］在使用肥力指數(shù)法評價的基礎上，用相關性分析法和主成分分析法驗證了IFI值與肥力指標的相關性，進一步完善了肥力指數(shù)法評價土壤的體系。郭繼陽等［13］在原有IFI基礎算法下，用成分因子的貢獻度和對應因子代替權重和隸屬度，評價了海南萬寧市和瓊海市菠蘿園的土壤質量，彌補了傳統(tǒng)肥力指數(shù)法不夠精確的缺點。但這些研究也存在一些問題，具體表現(xiàn)在以下兩個方面：其一，當前多數(shù)研究比較單因素土壤肥力指標時均采用全國第二次土壤普查分級標準，由于地區(qū)的差異性，用該標準衡量養(yǎng)分的豐富和缺乏是缺乏說服力的，選用的標準是否會影響我們判斷肥力指標豐富與缺乏，是有待研究的；其二，土壤各項肥力指標會隨土層深度存在顯著變化［14］，僅用研究區(qū)土壤某養(yǎng)分的平均值計算的IFI值并不能準確反映土壤的質量。

針對以上問題，本項目以新疆某排土場為研究目標，利用肥力指數(shù)法，對0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm的土壤進行分層評價。同時參考第二次土壤普查分級標準評價［15］及昌吉市耕地土壤質量的一般標準［16］，對比采用不同的評價標準結果是否有所不同。此外，本研究開創(chuàng)性地按照新疆主要作物之一—玉米的根系分布、養(yǎng)分含量計算參考IFI值，為土地復墾后的農(nóng)作物種植指導提供一個全新的思路。

1 .材料與研究方法

1.1 研究區(qū)域

準東經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州境內(nèi)準噶爾盆地東南方向，屬溫帶大陸性氣候，中心地理坐標為東經(jīng)90°15'19″、北緯44°42'46″。區(qū)內(nèi)無常年地表水體存在，多以西北風為主，年平均風期100 d左右，由于無天然山地作為屏障，風速較大，經(jīng)常有7～8級大風，最大可達10級以上并伴有強大的沙塵暴天氣；夏季炎熱，最高氣溫可達43.2℃，冬季寒冷，氣溫日差較大，空氣濕度小，年蒸發(fā)量1 202～2 382 mm，年平均降水量269.4 mm，夏季降水多，一般占全年降水總量的40%～50%。該區(qū)域在植被區(qū)劃上屬于新疆荒漠植被區(qū)、北疆荒漠植被亞區(qū)。天然荒漠植被保存完整，發(fā)育良好。研究區(qū)域排土場位于首采區(qū)的北側開采境界外，距采掘場較近，地勢平坦，能滿足外排總量的要求。

1.2 土壤樣品采集與制備

選擇礦區(qū)外排土場為實驗區(qū)域，在紅土區(qū)和黃土區(qū)分別拉2條測線，以完成復墾后的小排土場和人工林為對照區(qū)，進行土壤樣品的采集。采集樣品時采取分層采樣的方法，每隔20 cm分層采樣，共60 cm深。每個土樣去除植物根系、石塊等雜質后，采用四分法取1 kg，裝入采樣袋后帶回實驗室，經(jīng)自然風干后，研磨過篩以供測定。

采用烘干法測試土壤含水率；通過玻璃電極在土壤質量與加水體積比為1∶2.5的土壤與水的懸浮液中測量pH［17］；重鉻酸鉀—外加熱法測定土壤有機物含量［18］，該方法檢出限為0.02 g/kg；采用擴散法測定土壤堿解氮含量，檢出限為0.02 mg/kg；采用聯(lián)合浸提—比色法測定土壤有效磷、速效鉀含量，檢出限分別為0.05、0.03 mg/kg。一式三份地分析樣品，并記錄平均值。

1.3 統(tǒng)計分析

計算0～60 cm處土壤理化性質的最大值、最小值、平均值、標準差（SD）、變異系數(shù)（CV）和中值，以描述土壤理化性質的基本特性。均值和中位數(shù)表示集中趨勢的估計值，如果一個參數(shù)的均值和中位數(shù)相似，則集中趨勢的度量不受其分布中的異常值的支配。土壤理化性質變異性的估計用最小值、最大值、SD和CV表示。在本研究中將CV劃分為3個級別來表示土壤養(yǎng)分的變異性，分別為低（＜15%），中（15%～35%）和高（＞35%），變異系數(shù)反映總體樣本中各采樣點平均變異程度，變異系數(shù)越大，說明受人類活動干擾越強烈。

1.4 研究方法

1.4.1 土壤質量評價指標權重

采用相關系數(shù)法確定各個肥力指標的權重。計算各項肥力指標之間的相關系數(shù)，獲得某一肥力指標與其他肥力指標相關系數(shù)的平均值，將該平均值與所有肥力指標相關系數(shù)平均值總和的比值作為該肥力指標的權重，評價指標的權重計算公式如式（1）和式（2）所示。

1.4.2 土壤質量評價指標隸屬度值

根據(jù)礦區(qū)排土場的實際情況，采用S型隸屬函數(shù)式（3）［19］，計算隸屬度值。參考全國第二次土壤普查的養(yǎng)分分級標準［15］（表1）和土壤含水率和干旱程度分級標準［20］（表2）中推薦的土壤質量指標隸屬度函數(shù)的閾值范圍，以各項指標的5級標準平均值和2級標準平均值作為函數(shù)的轉折點x1和x2（取值見表3）計算含水率、有機質、有效磷、速效鉀、堿解氮的隸屬度。另外，本研究用經(jīng)驗法［24］計算pH的隸屬度，如表4。

注：SOM—有機質；AN—堿解氮；AP—有效磷；AK—速效鉀。

注：SWC—土壤含水率

1.4.3 土壤質量評價

以模糊數(shù)學中的加乘原則為原理，利用前面求得各土壤質量指標的權重及隸屬度值，計算土壤綜合肥力指數(shù) IFI［19］，計算式為

式中，F(xiàn)i為第i項評價指標的隸屬度值。經(jīng)過研究結果表明［21］隸屬度和IFI取值范圍都在0～1，IFI的數(shù)值越接近于1，表明該區(qū)域土壤質量越好。土壤綜合質量分級標準如表5所示。

2 結果與討論

2.1 土壤理化性質描述性統(tǒng)計分析

0～60 cm處土壤理化性質描述性統(tǒng)計如表6所示，所有理化指標平均值和中值相似，大多數(shù)中位數(shù)等于或小于所有土壤特性的平均值，表明離群值并沒有主導集中趨勢。除土壤含水率外，對照區(qū)土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均高于紅土區(qū)和黃土區(qū)，對照區(qū)土壤肥力含量優(yōu)于實驗區(qū)。紅土區(qū)含水率、pH和速效鉀含量高于黃土區(qū)，而有機質、堿解氮、有效磷含量低于黃土區(qū)，排土場理化性質分布不均。土壤含水率、堿解氮整體變異系數(shù)＞35%，變異程度高，這種差異很大程度上歸結于氣候因素、土壤特征、植被情況和人為活動等的影響［22］。土壤有效磷在黃土區(qū)和紅土區(qū)變異系數(shù)＞35%，變異程度高，對照區(qū)變異程度中等。土壤有機質和速效鉀變異系數(shù)在15%～35%之間，變異程度中等。土壤pH變異系數(shù)＜15%，變異程度低。此外，除土壤pH外，其余指標最大值和最小值相差較大，綜上，0～60 cm處土壤理化性質變異性較高，需分層探究各項指標。

2.2 土壤理化性質特征分析

土壤含水量作為土壤物理特性的重要參數(shù)之一，對土壤養(yǎng)分的輸送有重要意義，具有高度的空間異質性［23］。如圖1（a）所示，黃土區(qū)和紅土區(qū)土壤含水率40 cm＞60 cm＞20 cm，對照區(qū)則逐層遞減，但含水率整體較低，是因為人為活動導致土體擾動，土壤粘粒在風蝕和水蝕作用下明顯減少，土壤毛管懸著力減小，致使土壤含水量降低［24］。對照區(qū)土壤含水率在0～20 cm處高于黃土區(qū)和紅土區(qū)，在其余深度則要低于二者，這可能與植物根系吸水且人工林有人工灑水有關。土壤pH值是土壤的基本性質，它決定和影響著土壤元素和養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉化和有效性［25］。如圖1（b）所示，pH整體分布規(guī)律相似，呈逐層遞增趨勢，土壤呈堿性，這與其他學者對該區(qū)域的研究相同［2］，pH值高于昌吉市一般農(nóng)用耕地土壤質量水平標準（如表7所示）。

土壤有機質是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源。土壤有機質含量是衡量土壤肥力高低的重要指標。如圖1（c）所示，各深度下有機質含量逐層遞減，但差距較小，黃土區(qū)有機質含量高于紅土區(qū)，但整體處于缺乏水平，沒有達到昌吉市耕地土地質量要求，該結果可能與區(qū)干旱多風，植被多系旱生草本植物，生長量較少，供給土壤的有機質數(shù)量不多，少雨使礦質化大于腐殖化有關［26］。對照區(qū)有機質含量優(yōu)于實驗區(qū)，表明植被在生長過程中對土壤改良作用有利［27］。

土壤堿解氮是可供植物直接吸收利用的氮素，與作物生長關系密切。如圖1（d）所示，堿解氮含量整體逐層遞減，黃土區(qū)堿解氮含量高于紅土區(qū)，對照區(qū)高于實驗區(qū)，但均處于極缺乏水平且低于昌吉市耕地土地質量水平，氮素在土壤中的易移動特性，而使其易流失或淋溶損失；表層堿解氮含量略高于其他層，土壤中的堿解氮主要存在于土壤有機質中，隨著土壤中有機質的逐步礦化，氮素被釋放出來，提高了土壤表層中堿解氮的含量。

土壤有效磷是指土壤中可被植物吸收利用的磷的總稱。如圖1（e）所示，有效磷40 cm處含量最高，20 cm和60 cm處較低，黃土區(qū)有效磷含量高于紅土區(qū)，對照區(qū)優(yōu)于實驗區(qū)，這體現(xiàn)出了植物對土壤磷元素的固定作用。有效磷含量中等較豐，達到昌吉市耕地土地質量要求。土壤速效鉀是一種生物有效性很高的鉀素形態(tài)，其含量高低直接影響著植物的鉀素營養(yǎng)。如圖1（f）所示，速效鉀整體在40 cm處含量最高，20 cm次之，60 cm處最低。實驗區(qū)速效鉀含量差距較小，對照區(qū)優(yōu)于實驗區(qū)，土壤速效鉀在全國第二次土壤普查的養(yǎng)分分級標準中處中等及以上水平，但低于昌吉市耕地土地質量要求。

2.3 土壤質量評價

2.3.1 土壤質量評價指標相關性分析

為了計算土壤質量評價指標的權重，本研究對不同區(qū)域不同深度下6項指標進行相關性分析，剔除非相關變量后，在特定區(qū)域特定深度下，具有顯著相關水平的指標如表8所示。由表8可知，黃土區(qū)各深度下，有機質、有效磷及堿解氮兩兩相關；紅土區(qū)中，在0～20 cm的表土層中，含水率和有效磷具有相關性，但隨著深度的增加，相關性逐漸消失。堿解氮與有機質在深度為0～20 cm和20～40 cm的土層中存在相關性，在40～60 cm中則消失。對照區(qū)中，0～20 cm處，有機質與堿解氮、有效磷和速效鉀均有相關性，而在20～40 cm處，各指標均無相關性，在40～60 cm處，速效鉀與含水率、有機質存在相關性，有效磷和堿解氮也高度相關，這一現(xiàn)象可能與植物根系的固定作用或微生物的代謝活動有關。

注：**為0.01級別（雙尾）相關性顯著；*為0.05級別（雙尾）相關性顯著。

2.3.2 單項土壤質量指標的隸屬度和權重

按照式（3）并代入表3、表4的取值，得到不同深度不同土壤質量評價指標的隸屬度如表9所示，權重如表10所示。

由表9和表10可以看出0～20 cm處，黃土區(qū)和紅土區(qū)含水率隸屬度較好，有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀表現(xiàn)出中等水平，pH隸屬度較低，表明離理想水平差距較遠，對照區(qū)除去pH值外其余5項指標均處于中等水平，pH離理想水平差距較遠。20～40 cm處除pH外，隸屬度表明3個區(qū)域5項評價指標均處于中等水平，pH值離理想隸屬度函數(shù)值水平差距較大。40～60 cm處，黃土區(qū)和紅土區(qū)的SOM、堿解氮、有效磷及對照區(qū)的土壤含水率隸屬度明顯大于其他指標值，更接近于理想隸屬度函數(shù)值。

由表10可知，除個別區(qū)域出現(xiàn)某指標權重較低（如0～20 cm處紅土區(qū)的速效鉀權重僅為0.01）外，其余權重分布整體較為均勻，隨區(qū)域和深度不同有小幅度波動。

2.3.3 土壤指數(shù)評價

在得到了不同區(qū)域不同深度的隸屬度和權重后，按照式（4）計算IFI值，如表11所示，該區(qū)IFI整體處于0.26～0.42間，水平較差。

在同一深度下黃土區(qū)和紅土區(qū)土壤質量相近，對照區(qū)土壤質量整體優(yōu)于黃土區(qū)和紅土區(qū)，這體現(xiàn)出植被對于土壤養(yǎng)分的固定作用。同一區(qū)域在不同深度上IFI值變化較小，中層土的土壤質量略優(yōu)于表層土和深層土。一般來講，由于長期施肥和耕作的緣故，表層土肥力應高于深層土，就結果來看，3個區(qū)域的表層土IFI值均不高于中層，表明土壤肥力損失嚴重，故應重點改良表層土土壤。

通過比較平均值和不同深度的IFI值可以發(fā)現(xiàn)，黃土區(qū)和紅土區(qū)雖平均值相等，但在不同深度條件下，其數(shù)值變化有著細微的不同，3個平臺的表土層及深土層質量略低于中土層，因此，分層評價土壤質量可以更加全面地了解土壤特性，為改良土壤提供更加完備的理論基礎。

2.3.4 適宜玉米生長的土壤IFI值

玉米為新疆地區(qū)主要種植作物之一［28］，且由于玉米的根系主要分布在0～20 cm［29］，按照玉米的根系分布規(guī)律，選取適合種植玉米的土壤養(yǎng)分值作為0～20 cm的理想土壤養(yǎng)分值，查詢相關文獻［30］，得到玉米最適有機質含量為16.2 g/kg，速效鉀為120.96 mg/kg，堿解氮為61.71 mg/kg，有效磷為24.96 mg/kg，pH為5.77，含水率為10%。對養(yǎng)分進行歸一化處理，得到有機質、速效鉀、堿解氮、有效磷、pH、含水率的權重分別為0.21、0.09、0.06、0.08、0.13、0.42，按照1.4節(jié)所示方法，確定理想情況下的0～20 cm處土壤IFI值為0.38，從而為該區(qū)土壤改良復墾提供合理方案。

可以看出，適宜玉米生長的理想土壤IFI值為0.38，而黃土區(qū)與紅土區(qū)僅有約0.27，經(jīng)分析該地缺乏氮素，且pH較高，故可在表層施加磷酸二氫銨調節(jié)土壤肥力。

3 結 論

（1）某露天礦排土場的土壤質量按照第二次土壤普查分級標準進行劃分，土壤有機質含量較低，堿解氮含量極低，速效鉀、有效磷則處于較好水平，但對比該地耕地養(yǎng)分含量的一般標準，結論卻有所不同：有效磷基本符合該地區(qū)的耕種要求，但有機質、速效鉀、堿解氮含量嚴重不足，無法滿足正常的耕種需求，需要重點補充有機質、氮素和鉀素，才能實現(xiàn)土地正常復墾。這說明單一根據(jù)第二次土壤普查分級標準進行劃分，無法就研究區(qū)進行準確的土壤改良。

（2）通過對比不同區(qū)域不同深度下IFI值和其平均值，證明了土壤質量存在小范圍波動，深度20～40 cm處土壤養(yǎng)分優(yōu)于0～20 cm及40～60 cm，顯然該區(qū)表層及深層肥力流失較嚴重，需要提升該區(qū)域土壤保水保肥能力才能保證土壤肥力的穩(wěn)定，從另一方面揭示了分層評價土壤是必要的。

（3）通過對新疆常種農(nóng)作物—玉米的根系分布，適宜土壤養(yǎng)分值，各養(yǎng)分權重進行衡量，得到適宜種植玉米的土地標準IFI值并與根系分布集中的土壤深度進行對比，發(fā)現(xiàn)該區(qū)目前的土壤質量不宜種植玉米。不僅直觀體現(xiàn)出分層評價土壤質量可以有力地說明研究區(qū)土壤質量和植物需求土壤質量的關系，也為評價及研究改良土壤提供了一個新的方向。雖然理論上使用深度0～20 cm處的土壤IFI值更具有說服力，但與平均值接近，需補充主要根系集中在深度40 cm和60 cm處的作物進行進一步討論。