馬佳慧，張興昌，邱莉萍

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

煤炭開采在帶動區(qū)域經(jīng)濟高速發(fā)展的同時對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境尤其是土地環(huán)境產(chǎn)生了巨大破壞。地表塌陷面積和排土場面積日益擴大，破壞原始土體結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)赝恋厣a(chǎn)力，從而造成水土流失、土地退化等問題日趨嚴(yán)重［1］。排土場土壤和植被的恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建的基礎(chǔ)工作［2］。土壤性質(zhì)是影響土壤肥力的內(nèi)在條件，也是綜合反映土壤質(zhì)量的重要組成部分，因此，重構(gòu)與當(dāng)?shù)卦蠕h植被覆蓋下土壤性質(zhì)相同或相近的土體，是礦區(qū)土地修復(fù)的最優(yōu)目標(biāo)［3］。不同的植被覆蓋可影響土壤理化性質(zhì)變化，進而引起土壤水分和養(yǎng)分、土壤侵蝕、土地生產(chǎn)力等自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化。通過對未被嚴(yán)重破壞和污染的礦區(qū)土壤進行自然恢復(fù)，發(fā)現(xiàn)在不進行人工干預(yù)的情況下，礦區(qū)排土場的土壤可進行自我恢復(fù)，且不同復(fù)墾階段的土壤性質(zhì)變化很大［4］。本文采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的實驗方法，研究排土場不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)的變化，以獲得耗時最短效果最優(yōu)的土壤修復(fù)的植被組合模式，從而為修復(fù)礦區(qū)排土場的土壤生態(tài)環(huán)境提供科學(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)準(zhǔn)格爾旗東部（111°13′—111°20′E，39°43′—39°49′N），面 積52.11km2。海拔1 025～1 302m。中溫帶半干旱大陸性氣候，年均溫7.2℃，極端最高溫度38.3℃，極端最低氣溫－30.9℃，≥10℃年積溫3 350℃。年均降水量為404.1mm，降水多集中在7—9月，約占全年降水量的60%～70%。年蒸發(fā)量為2 082.2mm，日照時數(shù)3 119.3h。地帶性土壤是以砒砂巖為母巖的栗褐土，非地帶性土壤為黃綿土。該區(qū)土質(zhì)疏松，抗沖蝕性差，有機質(zhì)含量少。排土場臺階土壤均為復(fù)填土，因車輛碾壓屬較緊密的重構(gòu)土體［2］。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。自然植被以本氏針茅、百里香和錦雞兒等為主，天然森林已全遭破壞，偶有喬木殘留。礦區(qū)自然條件較差，耕作粗放、生產(chǎn)力低，經(jīng)濟農(nóng)作物和林木較少，主要農(nóng)作物有谷子、糜黍、喬麥、馬鈴薯等，經(jīng)濟發(fā)展緩慢，是以旱作農(nóng)業(yè)為主的農(nóng)牧業(yè)結(jié)合區(qū)。

1.2 樣品采集及分析

通過實地勘察，試驗樣地設(shè)在黑岱溝煤礦東排土場。排土場臺階寬50m，頂部平臺面積0.66km2，臺階高差10m。選取2003年復(fù)墾的樣地6個，植被類型分別為油松—沙棘—長芒草（D1）、楊樹—沙棘—長芒草（D2）、楊樹—沙棘（D3）、油松—長芒草（D4）、長芒草（D5）和馬鈴薯（D6），未復(fù)墾樣地1個（CK）。所有樣地均位于排土場頂部平臺，無陰陽坡差別。初期僅人工植被復(fù)墾，3年管護后無管理措施。樣地概況見表1。于2012年在各樣地隨機選擇100m×100m小區(qū)，用50m×50m的S型法取土壤，樣點間隔50m，共取樣點9個，每樣點設(shè)1m×1m小樣方面積，用對角線混合法采集0—10cm，10—20cm土壤樣品，同樣方同層混合，風(fēng)干研磨后過1mm和0.25mm篩以備用［5］。

土壤有機質(zhì)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、速效磷分別采用重鉻酸鉀外加熱法、1mol／L浸提—流動元素分析儀、碳酸氫鈉浸提法測定；土壤pH值、＜0.1mm團聚體分別用pH計、沙維諾夫分級（干篩法）測定；土壤脲酶和蔗糖酶分別采用Hoffmann與K.Teicher法和3，5—二硝基水楊酸比色法測定，活性單位分別以μg NH3－N／（g·h）和μg glu／（g·h）表示［6］。

表1 樣地概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)的研究

不同復(fù)墾方式其恢復(fù)植被不同，凋落物成分有所不同，從而對土壤有機質(zhì)的形成產(chǎn)生影響。不同復(fù)墾方式下土壤有機質(zhì)含量變化較大（圖1a），但各樣地有機質(zhì)含量均為0—10cm＞10—20cm土層，體現(xiàn)了土壤有機質(zhì)分布的表聚性［5］。不同復(fù)墾方式中，楊樹—沙棘樣地土壤有機質(zhì)含量在兩個土層均高于其他復(fù)墾方式和未復(fù)墾對照樣地，表明楊樹—沙棘樣地的復(fù)墾作用最好。楊樹—沙棘、油松—沙棘—長芒草、楊樹—沙棘—長芒草樣地土壤有機質(zhì)含量高于長芒草、洋芋、油松—長芒草樣地，表明林地混合復(fù)墾方式對增加土壤有機質(zhì)含量效果較好。

土壤速效氮（包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）可直接被植物根系吸收，在植物生命中占有重要地位。不同復(fù)墾方式下土壤硝態(tài)氮的變化與有機質(zhì)相似（圖1b），即表現(xiàn)為D3＞D1＞D2＞D5＞D6＞D4，且0—10cm＞10—20cm土層。但不同復(fù)墾方式下土壤銨態(tài)氮的變化有所不同（圖1c），在0—10cm土層表現(xiàn)為D1＞D5＞D6＞D3＞D2＞D4，在10—20cm土層表現(xiàn)為D2＞D4＞D3＞D1＞D5＞D6，且在D2和D4復(fù)墾方式中，10—20cm土層土壤銨態(tài)氮含量高于0—10cm土層，這可能與銨態(tài)氮為吸附態(tài)速效氮，不同復(fù)墾方式不同土層土壤對銨態(tài)氮的吸附點位不同有關(guān)［6］。楊樹—沙棘、油松—沙棘—長芒草樣地土壤硝態(tài)氮含量高于其他樣地，表明沙棘在復(fù)墾區(qū)可增加土壤硝態(tài)氮含量。而馬鈴薯地硝態(tài)氮含量高可能是施用氮素肥料所致。

由圖1d可看出，不同復(fù)墾方式下，土壤速效磷在剖面中呈現(xiàn)出0—10cm＞10—20cm的趨勢，但不同土層不同復(fù)墾方式速效磷含量分布不一致：在0—10 cm土層表現(xiàn)為D5＞D3＞D1＞D2＞D4＞D6，10—20 cm土層為D1＞D5＞D3＞D2＞D4＞D6。土壤速效磷的剖面分布趨勢主要與根系分布和不同植被對土壤剖面速效磷的吸收利用有關(guān)［7］。馬鈴薯的植物根系主要分布于土壤表層，因此對表層土壤速效磷吸收較多，土壤中的速效磷含量顯著降低。

土壤團聚體以土壤有機無機復(fù)合體為基礎(chǔ)，在有機無機膠結(jié)物質(zhì)的作用下形成，是衡量物理性質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。如圖1e所示，不同復(fù)墾方式下，楊樹—沙棘、油松—長芒草樣地土壤中＞0.1mm的團聚體含量較長芒草、油松—長芒草樣地稍大，表明楊樹—沙棘、油松—長芒草灌草組合對改良復(fù)墾區(qū)土壤團聚體性狀有效果。

不同復(fù)墾方式土壤pH值表現(xiàn)為0—10cm＜10—20cm土層（圖1f），主要是因為礦區(qū)復(fù)墾后坡面植被生長狀況得到改善，返還到土壤表層的有機物質(zhì)增加，土壤有機質(zhì)含量顯著提高，植物根系、凋落物和有機質(zhì)在土壤中分解和轉(zhuǎn)化過程中釋放出大量的有機酸，從而降低了整個土壤pH值特別是表層土壤pH值。

與未復(fù)墾地相比較，所有復(fù)墾地兩個土層土壤容重均有所降低，且表現(xiàn)為0—10cm＜10—20cm（圖1g）。不同復(fù)墾方式下土壤容重降低的主要原因有兩方面：一方面植物根系的穿插使得土壤顆粒粉碎，孔隙增多，容重減??；另一方面林草地土壤養(yǎng)分狀況的改善有利于各種微生物和土壤動物的生存，促進了它們的活動，增加了土壤孔隙，間接降低土壤容重。各復(fù)墾方式表現(xiàn)為D3＞D1＞D2＞D5＞D4＞D6，且在相同復(fù)墾年限內(nèi)，林草混合復(fù)墾方式能顯著改善土壤的表層結(jié)構(gòu)，這主要與復(fù)墾后凋落物的降解有關(guān)，林地凋落物較草地凋落物而言，更易于分解腐化形成土壤有機質(zhì)，直接降低了土壤容重。

土壤酶參與土壤中重要的生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)過程，其活性可以反映復(fù)墾方式對土壤的改良作用。不同復(fù)墾方式下土壤蔗糖酶和脲酶活性在土壤剖面中表現(xiàn)為0—10cm＞10—20cm（圖2）。不同復(fù)墾方式土壤脲酶和蔗糖酶活性均高于對照土樣，且脲酶活性表現(xiàn)為D3＞D1＞D6＞D4＞D5＞D2，蔗糖酶活性表現(xiàn)為D3＞D2＞D1＞D4＞D5＞D6。林地或林草混合復(fù)墾方式（楊樹—沙棘和油松—楊樹—長芒草）土壤酶活性較高，主要是因為林地植物凋落物和根系分泌物不僅使微生物大量繁殖，豐富了土壤酶的來源，同時這些凋落物的分解和根系的生理代謝過程也向土壤釋放多種酶［8］。

圖1 不同復(fù)墾方式下土壤理化性質(zhì)的指標(biāo)

圖2 不同復(fù)墾方式下土壤生物學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)

2.2 土壤性質(zhì)之間的關(guān)系

對礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式下土壤性質(zhì)進行相關(guān)分析（表2）發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)與土壤硝態(tài)氮、土壤脲酶、蔗糖酶呈顯著或極顯著正相關(guān)。土壤團聚體與土壤脲酶呈顯著正相關(guān)，而與容重呈極顯著負相關(guān)。土壤有機質(zhì)、硝態(tài)氮、蔗糖酶和脲酶可作為綜合指數(shù)可表征土壤質(zhì)量性狀。

表2 土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

2.3 土壤質(zhì)量評價

為了定量描述礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式下土壤質(zhì)量的恢復(fù)狀況，本文引用土壤恢復(fù)指數(shù)。依據(jù)Adejuwon提出的計算公式［9］，以未復(fù)墾的撂荒對照樣地為基準(zhǔn)，假定其他復(fù)墾方式都是由基準(zhǔn)的處理轉(zhuǎn)變而來，計算各個土壤屬性在其他復(fù)墾方式與基準(zhǔn)之間的差異（以百分數(shù)表示），最后將各個屬性的差異求和平均，得到各土地復(fù)墾方式下的土壤恢復(fù)指數(shù)，其計算公式如下：

RI＝［（P1－P′1）／P1′＋（P2－P′2）／P′2＋…＋（Pn－P′n）／P′n］×100%／n

式中：RI——土壤恢復(fù)指數(shù)；P1′，P2′，…，Pn′——基準(zhǔn)土地復(fù)墾方式下的土壤屬性1，屬性2到屬性n的值；P1，P2，…，Pn——其他復(fù)墾方式下土壤各屬性值；n——選擇的土壤屬性數(shù)。土壤恢復(fù)指數(shù)可以是正數(shù)或負數(shù)，正數(shù)表示土壤質(zhì)量有所改善，負數(shù)表示土壤質(zhì)量退化［8］。本研究以東排土場未復(fù)墾的土地為基準(zhǔn)，利用土壤有機質(zhì)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、土壤團聚體、蔗糖酶、脲酶等指標(biāo)進行土壤恢復(fù)指數(shù)計算（表3）。

表3 不同復(fù)墾方式下的土壤恢復(fù)指數(shù)（RI）

與未復(fù)墾地相比較，不同復(fù)墾方式不同土層土壤恢復(fù)指數(shù)均為正值，表明所有復(fù)墾方式對礦區(qū)排土場均有改善作用。不同復(fù)墾方式土壤恢復(fù)指數(shù)在0—10 cm和10—20cm土層分別表現(xiàn)為D3＞D1＞D2＞D5＞D4＞D6和D3＞D2＞D1＞D4＞D5＞D6，表明林地和林草混合復(fù)墾方式對礦區(qū)排土場土壤質(zhì)量的改善較好。油松林和楊樹林是黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)和重建的主要人工林之一，有較強的適應(yīng)性和抗逆性，并在礦場排土場得到大面積栽植。由于油松林和楊樹林耗水較少，生長較快，生態(tài)效果較好，在改善生態(tài)環(huán)境和保持水土方面所起的作用也很大，促進了礦場排土場的植被建設(shè)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展［10］。本研究結(jié)果亦表明，林地混合復(fù)墾方式下土壤恢復(fù)指數(shù)均較高，說明林地混合復(fù)墾方式能明顯改善研究區(qū)的土壤質(zhì)量，建議在研究區(qū)可大面積推廣以林地為主的混合復(fù)墾方式。

3 結(jié) 論

礦區(qū)排土場不同復(fù)墾方式土壤各指標(biāo)均明顯高于未復(fù)墾土壤，表明礦區(qū)土地復(fù)墾對改良排土場土壤質(zhì)量有明顯作用。不同復(fù)墾方式下土壤有機質(zhì)、硝態(tài)氮、脲酶和蔗糖酶之間呈顯著或極顯著正相關(guān)，可作為綜合指數(shù)表征土壤質(zhì)量的高低。以林地為主的混合復(fù)墾方式的土壤恢復(fù)指數(shù)要高于草地或農(nóng)用地復(fù)墾方式，建議在黑岱溝礦區(qū)排土場大面積推廣以林地為主的混合復(fù)墾方式。

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