平朔礦區生態重建區域土壤障礙層次障礙因子研究

摘要［目的］研究平朔礦區生態重建區域土壤障礙層次障礙因子。［方法］以平朔露天煤礦排土場植被衰退區為研究對象，通過典型刺槐、榆樹人工林樣地調查與土壤采樣分析，系統研究排土場植被衰退區土壤顆粒組成特征、土壤養分狀況、土壤水分條件，明確土壤條件影響下的植被衰退機理。［結果］平朔露天礦排土場土壤全氮含量平均值總體上小于0.52g/kg，土壤全磷含量平均值小于0.44g/kg，土壤全鉀含量平均值小于16.95g/kg，全氮、全磷含量分別為極低、低水平，土壤全鉀含量為中等偏低水平，存在嚴重的氮、磷脅迫和中等程度鉀脅迫。平朔露天煤礦排土場地表覆土來源為煤炭開采過程中剝離的黃土及紅黏土，土壤顆粒組成均一，以粉粒（0.005～0.050mm）和黏粒（gt;0.250mm）為主，0～40cm土層土壤粉粒和黏粒之和占比在95%以上，受大型機械的碾壓及自然沉降影響，排土場土壤嚴重板結，土壤容重較大；土壤水分整體處于凋萎系數（12%～20%）以下。［結論］土壤氮、磷養分缺乏影響植物生長，磷、鉀缺乏，植物生長受到影響，植物抗性（抗旱、抗寒）降低。黃土及紅黏土土壤緊實致密，容重大，水分入滲率低，干旱年份生長期沒有有效雨，土壤水分入滲補給極差，極度干旱導致刺槐、榆樹、沙棘逐漸枯萎死亡。

關鍵詞森林生態水文；植被退化；土壤顆粒組成；土壤養分；土壤水分；排土場

中圖分類號X171.4"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2024）24-0067-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.016

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

StudyonSoilBarrierLevelsandBarrierFactorsintheEcologicalReconstructionAreaofPingshuoMiningDistrict

L"Chong-yuan，WANGDong-sheng，SONGBai-ningetal

（SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin，Liaoning123000）

Abstract［Objective］TostudythebarrierfactorsofsoilobstaclesintheecologicalreconstructionareaofPingshuominingarea.［Method］ThevegetationdeclineareaofPingshuoopen-pitcoalminedumpwastakenastheresearchobject，andthesoilparticlecompositioncharacteristics，soilnutrientstatusandsoilmoistureconditionsinthevegetationdeclineareaofthedumpweresystematicallystudiedthroughtheinvestigationandsoilsamplinganalysisoftypicalRobiniapseudoacaciaandelmplantations，soastoclarifythevegetationdeclinemechanismundertheinfluenceofsoilconditions.［Result］ThesoiltotalnitrogencontentinPingshuoopen-pitminedumpwasgenerallylessthan0.52g/kg，theaveragesoiltotalphosphoruscontentwaslessthan0.44g/kg，andtheaveragesoiltotalpotassiumcontentwas16.95g/kg，thetotalnitrogenandtotalphosphoruswerebothverylowandlow，andthesoiltotalpotassiumcontentwasmediumtolow，andtherewereseriousnitrogenandphosphorusstressandmoderatepotassiumstress.ThesourceofthesurfacesoilofthedumpingsiteofPingshuoopen-pitcoalminewastheloessandredclaystrippedintheprocessofcoalmining.ThesurfacecoversoilofthePingshuoopen-pitcoalminewastedumpcomesfromloessandredclaystrippedduringcoalmining.Thesoilparticlecompositionwasuniform，mainlyconsistingofsiltparticles（0.005-0.050mm）andclayparticles（gt;0.250mm）.Thesumofsiltparticlesandclayparticlesinthe0-40cmsoillayeraccountedformorethan95%.Duetothecompactionandnaturalsettlementoflargemachinery，thesoilinthewastedumpwasseverelycompactedandhadahighbulkdensity;theoverallsoilmoisturewasbelowthewiltingcoefficient（12%-20%）.［Conclusion］Thelackofsoilnitrogenandphosphorusnutrientsaffectsplantgrowth，whilethelackofphosphorusandpotassiumaffectsplantgrowthandreducesplantresistance（droughtresistance，coldresistance）.Loessandredclaysoilsarecompactanddense，withalargecapacityandlowwaterinfiltrationrate.Indryyears，thereisnoeffectiverainfallduringthegrowthperiod，andthesoilwaterinfiltrationsupplyisextremelypoor.ExtremedroughtcausesRobiniapseudoacacia，elmtrees，andseabuckthorntograduallywitheranddie.

KeywordsForestecohydrology；Vegetationdegradation;Soilparticlecomposition；Soilnutrients；Soilmoisture；Spoibank

近年來，隨著我國露天煤礦的大規模開發，排土場土壤肥力和植被恢復問題日益引起廣泛關注。劉軍等^［1］研究發現人工沙棘林能夠顯著提高土壤肥力，促進土壤微生物活性，有利于礦區生態環境的恢復；楊國敏等^［2］研究發現水分是限制礦區植被生長的關鍵因素，合理的水資源管理對植被恢復具有重要意義；許麗等^［3］研究阜新市海州露天礦排土場植被自然恢復過程中物種多樣性發現，植被的自然恢復過程具有可逆性。目前關于露天煤礦排土場的研究主要集中在土壤肥力、植被恢復、土壤侵蝕與揚塵污染、土地復墾等方面^［4-7］。黃土區生態環境研究的熱點是土壤水分、土地利用和人類活動等方面的問題^［8-10］，而現階段露天礦排土場建設的首要任務是植被恢復。因此，黃土區水文特征、土地植被修復、人類活動影響的研究對于理解黃土區的生態環境和水文特征^［11-13］，以及制定相應的生態保護和水資源管理策略具有重要意義。

植被恢復是礦區環境持續發展的重要保證^［14-16］。但是對于排土場植被退化機理的研究鮮有報道。因此，筆者通過深入分析排土場土壤的顆粒組成特征、養分狀況和水分條件，明確影響植被重建與穩定的土壤因素，以期為排土場生態修復提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

平朔礦區位于黃土高原東緣，在山西省北部，朔州市平魯區境內，地理位置為112°20′35″～112°26′22″E、39°26′03″～39°30′29″N^［17］。礦區總面積近160 km2，地跨平魯、朔城兩城區，隸屬朔州市管轄。夏季氣溫涼爽，春冬季風沙嚴重，氣候特點干燥寒冷。年溫差與日溫差大，年日照時數為2 693.3 h^［18］，年降水量分配極度不均^［19］。

平朔礦區是生態脆弱區的典型。長期高強度采礦破壞了礦區生態環境，地表植被以耐旱灌草植物為主，主要植被類型根據地形特征分布，平臺區為刺槐與草地，坡腳、坡中、坡頂多為刺槐與油松，少量為油松與火炬樹（表1）。

1.2研究方法

首先對排土場立地條件進行診斷，在找到原因后，通過土壤重構與改良技術進行相應研究。采用野外觀測試驗方法、室內分析方法、區域遙感法、大尺網格法、典型樣地法和大田試驗法相結合的試驗方法進行試驗研究。

考慮各類能影響土壤環境和土壤生物的植被相關因素^［20］，在排土場設置大樣地（面積約20 km2），構建評價單元體系，采用網格法布設采樣點，網格大小為1 km×1 km。同時，每一大樣地設置3個典型樣地（面積≥1 000 m2），采樣點加密，網格大小為20 m×20 m。

通過對土壤質地、土壤緊實度、土壤含水量等參數進行分析，綜合評價土壤障礙層次與限制因子。通過研究土壤中N、P、K、土壤有機質的含量，按照一般土壤肥力評價標準，將評價結果分為不同等級。

2土壤障礙層次與障礙因子

2.1土壤顆粒組成與孔隙度

土壤質地是土壤的一種較穩定的自然屬性^［21］。黃土組成成分均一，以粉粒（0.005～0.050 mm）和黏粒（gt;0.250 mm）為主，并含一定比例的細砂、極細砂物。碳酸鹽礦物在黃土中的膠結作用使黃土的土壤顆粒在自然結構下緊密堆積，容重大，總孔隙度小。

平朔露天礦區排土場土壤顆粒組成差異性大，顆粒組成以粉粒和黏粒為主，土粒堆積緊密，容重大，總孔隙度小。土壤以黃土、紅黏土為主，砂粒、粉粒、黏粒平均含量分別為3.24%、14.12%、82.52%，土壤質地類型為黏質土。透水性差，不適宜植物根系儲存水分。從0～20cm土層內土壤的顆粒組成狀態（圖1a）可以看出，3個排土場中安太堡南排平臺黏粒占比最多，為92.15%，安家嶺西排平臺黏粒最少，占61.07%；粉粒在安家嶺西排平臺最多，占比為34.4%，在安太堡南排平臺最低，僅占5.53%；砂粒在安家嶺西排平臺分布最廣，占4.53%，在安太堡南排平臺最少，占2.30%。從gt;20～40cm土層土壤顆粒組成分布（圖1b）可以看出，安家嶺西排邊坡在3個排土場中黏粒分布最廣，占90.76%，安家嶺西排平臺黏粒分布最少，僅占57.48%；粉粒在安家嶺西排平臺分布最廣，占37.33%，安太堡南排平臺分布最少，僅占6.47%；砂粒在安家嶺西排平臺分布最廣，占4.89%，在安家嶺西排邊坡最少，僅占2.63%。由此可看出，3個排土場中普遍存在黏粒遠高于砂粒和粉粒的情況。

2.2土壤緊實度與土壤容重

山西省朔州市屬于黃土高原區，地表的風積黃土及紅黏土沉積深厚。平朔露天礦排土場地表覆土的來源為煤炭開采過程中剝離的黃土及紅黏土，覆土厚度約50 cm。平臺區采用大型機械作業，機械壓實作用導致土壤堅實；邊坡區則采用在邊坡頂部向下傾覆的方式覆土，土壤疏松，厚度均勻。采區地表存在深厚堅實的黃土，以及煤炭露天開采過程中剝離的紅黏土^［22-23］。平朔礦區其平臺區受大型機械的碾壓及自然沉降（降水作用）影響，土壤結構發生了明顯變化，土壤堅實，地表嚴重板結，容重較大且分布不具規律性。土壤緊實影響植物對水分和養分的吸收利用^［24］，進而對植被產生影響。

在氣候干旱的大背景下，平朔礦區的植被生長、農業生產都是依靠自然降水為其提供水分。通過SC 900便攜式土壤緊實度儀-硬度計所測數據發現，平朔礦區土壤黏重、緊實、孔隙度小，影響降水的有效入滲，限制了植被的扎根與生長，不利于水分入滲。土壤緊實度又增加了土壤容重，對根系活動特性造成影響^［11］，土壤調節水分能力下降不利于作物生長^［25］。在氣象干旱脅迫的背景下，平朔礦區降水尤其是中小雨強降水，由于土壤水入滲率低，水分主要分布于土壤表層，受強烈的蒸發作用，很快以土面蒸發的形式擴散到大氣中，對土壤水分的補給作用很小。

土壤容重越小，土壤越松散；總孔隙度越大，保水能力越強；反之，土壤容重增大則易發生板結，土壤總孔隙度減小，土壤儲水空間相應減小^［26］。一般情況下，土壤容重為1.0～1.5 g/cm3，容重在1.14～1.26 g/cm3較利于幼苗出土與根系的正常生長^［27］。從圖2可以看出，平朔礦區各土層間土壤容重分布不均。0～20 cm土層土壤容重為1.39～1.61 ｇ／cm3，平均值1.49 ｇ／cm3；gt;20～40 cm土層土壤容重為1.45～1.61 g/cm3，平均值1.53 ｇ/cm3；gt;40～60 cm土層土壤容重為1.35～1.62 ｇ/cm3，平均值1.53 ｇ/cm3。土壤容重大且土壤緊實嚴重限制了植被的扎根與生長，不利于水分入滲。而邊坡地表物質組成復雜、覆土不均勻，土石混雜，未經機械壓實，土體較疏松，土壤容重普遍較小。

2.3土壤水分狀況

植被恢復受土壤水分限制，天然降水是礦區土壤水分的唯一補給源。在氣象干旱脅迫的背景下，中小雨強降水由于土壤入滲率低，導致水分主要集中在表層并很快蒸發釋放到大氣中，限制了植被恢復。植被恢復受土壤水分限制，出現嚴重干旱，植物根系發生自疏現象，根系吸收功能下降，植物出現萎蔫，嚴重時死亡。土壤水分蒸發量大于補給量，植物光合生產力下降，生長發育受阻，形成土壤干層。

黃土高原區土層厚度大，地下水水位低，人工林下一般都有土壤干層發育。在日降水量lt;30 mm的情況下，降水主要被林冠和地表枯落物截留，不能有效入滲補給土壤水分，導致土壤干層分布范圍的擴大和干化強度的增加。半干旱區人工林地出現土壤干層很大程度上是由于土壤水分補給量與林木耗水量之間供需矛盾。林分密度愈高，耗水量愈大；隨著林齡增加，耗水量也逐漸增加。多年生人工林土壤旱化現象在黃土區分布極為廣泛^［28］。從1990—2022年平朔礦區年降水量（圖3）可以看出，平朔礦區屬于半干旱典型地區。多年平均降水量為450 mm，年際降水變化率大。在干旱年份，年降水量減少，這必然會產生土壤干層并引起土壤干層分布范圍的擴大和干化強度的增加^［29］。

土壤萎蔫系數隨著土壤物理性黏粒含量變化，且兩者較好地符合線性關系。萎蔫系數與土壤的比表面積有關。土壤的比表面積越大，土壤的萎蔫系數越大。黏土萎蔫系數為12%～20%。從圖4可以看出，平魯區2021年生長季逐日降水量在7月15—18日達到最大值，其余時間并無顯著降水；2022年生長季逐日降水量明顯多于2021年，在8月16—19、20—22日，降水量最高達到了70mm。由此可得，2021年屬于嚴重干旱年份，在缺乏有效降水的情況下，排土場土壤整體處于干旱缺水的狀態。

2.4土壤養分狀況

土壤養分是評價土壤生產力的重要標志。有機質是評價土壤肥力的重要指標。氮、磷、鉀是植物生長需要的3種營養元素，缺氮導致植物葉片黃化、生長緩慢；磷元素缺乏會導致植物根系發育不良、生長矮小；缺鉀導致植物抗逆性下降、容易感染病害等。磷和鉀元素的缺乏使植物的抗旱和抗寒能力下降^［30］。研究表明，平朔露天礦排土場土壤全氮、全磷均為極低、低水平，存在嚴重的氮、磷脅迫和中等程度鉀脅迫。隨著排土場人工林林齡增加，由于土壤養分脅迫，生長受阻，發育不良，樹木長勢衰弱。

2.4.1土壤有機質。從圖5可以看出，0～20cm土層土壤有機質含量為6.41～61.13g/kg，均值為20.92g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤有機質含量為3.29～27.37g/kg，均值為10.61g/kg；gt;40～60cm深層土層中，土壤有機質含量為3.17～26.72g/kg，均值為9.99g/kg。

2.4.2土壤全氮。從圖6可以看出，0～20cm土層中土壤全氮含量為0.20～1.80g/kg，均值為0.73g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤全氮含量為0.19～1.19g/kg，均值為0.52g/kg；gt;40～60cm深度土層中，土壤全氮含量為0.18～1.20g/kg，均值為0.50g/kg。我國土耕層中全氮含量為0.50～2.50g/kg。西北黃土高原土壤含氮量偏低，一般為0.50～1.00g/kg。平朔露天煤礦排土場土壤全氮含量平均值總體上小于0.52g/kg，低于該地區土壤全氮平均水平，對照全國土壤養分分級標準屬于極低水平。

2.4.3土壤全磷。從圖7可以看出，0～20cm土層中土壤全磷含量為0.25～0.55g/kg，均值為0.38g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤全磷含量為0.19～0.66g/kg，均值為0.39g/kg；gt;40～60cm深度土層中，全磷含量為0.18～0.54g/kg，均值為0.34g/kg。平朔露天煤礦排土場土壤全磷含量平均值小于0.44g/kg，對照全國土壤養分分級標準處于低水平。

2.4.4土壤全鉀。從圖8可以看出，0～20cm土層中，土壤全鉀含量為15.89～18.35g/kg，均值為16.95g/kg；gt;20～40cm深度土層中，土壤全鉀含量為16.07～18.34g/kg，均值為17.17g/kg；gt;40～60cm深度土層中，土壤全鉀含量為15.23～17.50g/kg，均值為16.16g/kg。平朔露天煤礦排土場土壤全鉀含量平均值總體上小于16.95g/kg，對照全國土壤養分分級標準，排土場土壤全鉀含量整體上處于中等偏低水平。

3討論與結論

經調查發現，排土場內人工森林植被總體呈現自上而下的死亡模式。一些樹冠由于缺水出現干燥和死亡的跡象，但樹干和較低的根枝仍然存活，隨后的幾輪干旱導致樹枝的死亡，即使樹干死亡后根系仍存活，最終在1～2年的生長后產生新的芽，這些新形成的樹枝仍會受到干旱脅迫而死亡。因此可以推斷，由于長期干旱，該地區的植物經歷了大規模的枯萎。持續的干旱隨著時間的推移加劇了植物的死亡率，直到根系和樹木完全死亡。這是植被與缺水內在聯系的根本原因，缺水最終導致植物的死亡和植被的衰退。

該研究結果表明，平朔露天礦排土場土壤全氮含量平均值總體上小于0.52g/kg，土壤全磷含量平均值小于0.44g/kg，土壤全鉀含量平均值小于16.95g/kg，全氮、全磷含量分別為極低、低水平，土壤全鉀含量為中等偏低水平，存在嚴重的氮、磷脅迫和中等程度鉀脅迫。干旱脅迫與養分脅迫耦合是植被衰退的根本原因。土壤有機質、土壤養分的缺乏影響植物生長；土壤氮、磷養分缺乏影響植物生長，磷、鉀缺乏，植物生長受到影響，植物抗性（抗旱、抗寒）降低。礦區地處黃土高原區，排土場地表覆土為煤炭開采過程中剝離的黃土及紅黏土，土壤顆粒組成均一，以粉粒和黏粒為主，0～40cm土層土壤粉粒和黏粒之和占比在95%以上，受大型機械的碾壓及自然沉降影響，排土場土壤嚴重板結，土壤容重較大，水分入滲率低，導致氣象干旱脅迫，是決定排土場人工林土壤水分條件的主導因素。

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