于亞軍, 任珊珊, 郭李凱, 畢 斌

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

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兩種利用類型煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤貯水特性研究

于亞軍, 任珊珊, 郭李凱, 畢 斌

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

土壤貯水能力是復(fù)墾地植被恢復(fù)和生態(tài)重建的基礎(chǔ)。因此開展煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤貯水能力研究對于指導(dǎo)煤矸山植被復(fù)墾具有重要意義。以長治王莊煤矸山復(fù)墾6 a的林地(SL)和草地(GL)為對象，分析了2種利用類型煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤1 m土層貯水狀況。結(jié)果表明：(1) 復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)土壤容重分別較普通林草地(CK)高12.7%和19.0%(p>0.01)。兩種復(fù)墾地土壤容重的剖面變化有別于普通農(nóng)地，并且其差異主要體現(xiàn)在60 cm以上土層。(2) SL樣地和GL樣地土壤總孔隙度分別較CK樣地低20.5%和30.9%，非毛管孔隙度分別較CK低80.0%和74.9%，而土壤毛管孔隙度分別較CK樣地高14.1%和2.4%，因此，兩種復(fù)墾地土壤飽和貯水量和非毛管貯水量明顯低于普通農(nóng)地，但毛管貯水量高于普通農(nóng)地。(3) SL樣地和GL樣地1 m土層土壤平均含水量和總貯水量分別較CK樣地高7.8%，12.3%和23.5%，34.9%，但兩種復(fù)墾地與普通農(nóng)地1 m土層含水量和貯水量的差異在60—100 cm最大。

煤矸山; 重構(gòu)土壤; 土壤貯水能力; 植被恢復(fù)

煤矸石是井工開采和洗煤排放的廢棄物，其產(chǎn)生量約為原煤產(chǎn)量的15%或更多。當(dāng)前，我國煤礦開采過程中排放的矸石等固體廢棄物累計已超7.4×109t[1]，已經(jīng)成為我國累計存量和占用場地最多的工業(yè)廢棄物。雖有一部分煤矸石可作為建材、燃料等工業(yè)用途，但迄今為止其工業(yè)綜合利用率不足20%[2-3]，因此煤矸石主要以矸石山形式堆放。我國現(xiàn)有煤矸山1 500多座，占地約1.0萬hm2[4]，煤矸石堆積不僅占用大量土地，而且通過揚塵、自燃、雨水淋溶等方式導(dǎo)致嚴重的土地、水體、空氣和景觀污染[5-6]。所以，對煤矸山進行復(fù)墾治理是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實施煤礦區(qū)生態(tài)重建的前提和核心[7-8]。目前，對煤矸山復(fù)墾治理一般采用推平覆土后進行植被綠化的方式進行[9]，該方法在取土較為便利的北方地區(qū)更為普遍。煤矸山推平覆土過程中通過工程技術(shù)措施(如鏟平和碾壓)改變了原有土壤的結(jié)構(gòu)和層次特點，所形成的“重構(gòu)土壤”其孔隙狀況和貯水庫容與普通土壤相比有明顯的復(fù)雜性和特殊性[10]，而土壤貯水能力是復(fù)墾地植被恢復(fù)和生態(tài)重建的基礎(chǔ)，并且煤矸山復(fù)墾后往往優(yōu)先被利用為農(nóng)林草用地(如農(nóng)田、果園和草場等)，所以其土壤貯水能力的優(yōu)劣對于復(fù)墾成敗尤為關(guān)鍵。因此，開展煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤貯水性能的研究對于指導(dǎo)煤矸山植被復(fù)墾具有重要意義。

山西省煤炭資源儲量大、產(chǎn)量高，全省煤礦企業(yè)矸石累計堆存量8.3億t，已形成300多座煤矸山[11]。并且隨著煤炭資源的開采，煤矸石堆積將會增加。近年來，山西省加大了矸石山復(fù)墾治理的力度，多個老礦、大礦的煤矸山通過覆土復(fù)墾的方法得到治理。因此，以此為研究區(qū)開展復(fù)墾矸石山土壤貯水狀況的研究具有典型性。所以，本研究以山西省長治潞安礦區(qū)復(fù)墾多年的煤矸山為研究對象，分析煤矸山復(fù)墾后土壤孔隙和貯水庫容的狀況，以期為煤矸山復(fù)墾植被類型的選擇及煤矸山復(fù)墾地土壤水分管理提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省長治市潞安礦區(qū)，地處黃土高原東南部太行山脈，上黨盆地，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫9.5℃，年日照時數(shù)為2 518 h，無霜期160 d左右，年均降水量550～650 mm，年均蒸發(fā)量為650～750 mm，降水年際變化和年內(nèi)變化均很大，其中夏秋季占全年降水量的71.6%。

研究樣地位于王莊煤礦西矸石山(36°22′02.2″N，113°01′29.1″E，海拔959 m)，該矸石山形成于20世紀90年代，呈近東西向分布，南北寬220 m，東西長400 m，復(fù)墾時矸石堆存量約為156萬m3，占地約7.7萬m2，垂直高度35 m。矸石山于2009年完成推平覆土，覆土厚度頂部為100～120 cm，覆土?xí)r土壤均取自煤矸山附近，土壤類型為褐土，土壤質(zhì)地較粘。復(fù)墾后土地主要利用為灌木林地和草地兩種類型，灌木林地主要植物為火炬樹(RhustyphinaNutt)、連翹(Forsythiasuspensa)和荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)，郁閉度約為0.23；草地的主要植物為白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)、羊胡子草(Carexrigescens)和狗尾草(SetairaviridisL. Beauv)，草高約15～20 cm，覆蓋度約為71%。

2　土樣采集及數(shù)據(jù)分析

采樣地為煤矸山復(fù)墾6 a后的林地(SL)和草地(GL)，同時選擇樣地附近普通灌草混生地為對照(CK)，土壤樣品采集時間為2015年4月，在樣地中各選擇3～5個取樣點，用環(huán)刀法測定土壤容重、土壤孔隙度和持水量等土壤貯水特征參數(shù)[12]。土壤毛管貯水量、非毛管貯水量和飽和貯水量分別用公式(1)，(2)和(3)計算[13]。土壤含水率采用土鉆取樣，烘干法測定，土壤貯水量是利用土壤含水率和容重計算[14]，以上數(shù)據(jù)測定取土深度均為100 cm，每20 cm一層，以上數(shù)據(jù)計算時求取3～5個采樣點平均值和標(biāo)準偏差。數(shù)據(jù)分析采用Excel 2003和SPSS 10.0統(tǒng)計軟件進行，多重比較采用Duncan 新復(fù)極差法。

Wc=1000Pc·h

(1)

Wnc=1000Pnc·h

(2)

Wt=1000Pt·h

(3)

式中：Wc——土壤毛管貯水量(mm)；Wnc——土壤非毛管貯水量(mm)；Wt——土壤飽和貯水量(mm)；Pc——毛管孔隙度(%)；Pnc——非毛管孔隙度(%)；Pt——土壤總孔隙度(%)；h——土層深度(m)。

3　結(jié)果與分析

3.1復(fù)墾地土壤容重與普通農(nóng)地的差異

圖1是復(fù)墾林地(SL)、復(fù)墾草地(GL)和普通灌草地(CK)三種樣地1 m土層土壤容重變化狀況。首先，從三種樣地1 m土層土壤容重的總體差異來看，復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)分別較普通灌草地(CK)高12.7%和19.0%(p>0.01)，并且從1 m土層土壤容重的剖面變化來看，CK樣地土壤容重呈現(xiàn)隨土層深度增加而增大的趨勢，而SL樣地和GL樣地土壤容重卻分別呈現(xiàn)為“反S型”和“S型”變化趨勢，說明復(fù)墾重構(gòu)土壤不僅容重明顯偏高，而且土壤容重的剖面變化狀況也有別于普通農(nóng)地。其次，從三種樣地不同土層容重的差異來看，在表層土壤(0—20 cm)和中層土壤(20—60 cm)，SL樣地和GL樣地分別較CK樣地高18.8%，25.7%和13.9%，21.3%，兩個土層土壤容重與普通林草地的差異高于兩種樣地與CK樣地在1 m土層中的平均差異(12.7%和19.0%)，而深層土壤(60—100 cm)兩種樣地與CK樣地間的差異僅為11.1%和14.1%，低于1 m土層的平均差異。由此可見，兩種復(fù)墾地與普通農(nóng)田土壤容重的差異主要體現(xiàn)在中層以上(0—60 cm)，深層(60—100 cm)土壤容重的差異不明顯。

圖1兩種利用形式復(fù)墾地土壤容重

3.2復(fù)墾地土壤貯水庫容與普通農(nóng)地的差異

表1是復(fù)墾林地(SL)、復(fù)墾草地(GL)和普通灌草地(CK)土壤孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度在表層(0—20 cm)、中層(20—60 cm)、深層(60—100 cm)狀況。首先，從三種樣地1 m土層土壤孔隙平均狀況差異來看，復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)土壤總孔隙度分別較普通林草地(CK)低20.5%和30.9%，非毛管孔隙度分別較CK低80.0%和74.9%，而土壤毛管孔隙度分別較CK樣地高14.1%和2.4%。其次，從三種樣地不同土層土壤孔隙狀況的差異來看，SL樣地和GL樣地土壤總孔隙度與CK樣地的差異在0—20 cm和20—60 cm土層表現(xiàn)與1 m土層的平均差異一致，但在60—100 cm土層差異較1 m土層的平均差異值明顯，SL樣地和GL樣地土壤非毛管孔隙度與CK樣地的差異在0—20 cm和60—100 cm土層表現(xiàn)最大，但20—60 cm差異最小，毛管孔隙度則表現(xiàn)為20—60 cm土層差異最明顯，其次為60—100 cm，而0—20 cm土層差異不明顯。

由此可見，兩種復(fù)墾地土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均低于普通農(nóng)地，但毛管孔隙度均高于普通農(nóng)地，并且與普通農(nóng)地相比，兩種復(fù)墾地土壤總孔隙度的差異主要體現(xiàn)在60—100 cm土層，非毛管孔隙度的差異主要體現(xiàn)在0—20 cm和60—100 cm土層，而毛管孔隙度的差異則主要體現(xiàn)在20—60 cm土層。

表1　兩種利用形式復(fù)墾地土壤孔隙度

表中同行不同大寫字母上標(biāo)表示差異極顯著(p<0.01)，下同。

表2是復(fù)墾林地(SL)、復(fù)墾草地(GL)和普通灌草地(CK)土壤飽和貯水量、毛管貯水量和非毛管貯水量狀況。首先，從三種樣地1 m土層飽和貯水量、毛管貯水量和非毛管貯水量的平均狀況來看，SL樣地和GL樣地土壤飽和貯水量分別較CK樣地低12.1%和14.7%，非毛管貯水量分別較CK樣地低76.1%和70.2%，而兩種樣地毛管貯水量則分別較CK高35.7%和26.9%?？梢?，兩種復(fù)墾地土壤飽和貯水量和非毛管貯水量明顯低于普通農(nóng)地，但毛管貯水量卻高于普通農(nóng)地。其次，從三種樣地飽和貯水量、毛管貯水量和非毛管貯水量0—20 cm，20—60 cm和60—100 cm三個土層中的差異看，飽和貯水量和毛管貯水量均表現(xiàn)為在0—20 cm土層中最高，其次為60—100 cm土層，20—60 cm土層則最差。而非毛管貯水量在三個土層中的差異則表現(xiàn)為20—60 cm土層最高，其次為60—100 cm土層，0—20 cm土層最差。由此說明，2種復(fù)墾地其飽和貯水能力和毛管貯水能力表現(xiàn)為表層(0—20 cm)最強，其次為深層(60—100 cm)，最差的為中層(20—60 cm)，而非毛管貯水能力則表現(xiàn)為中層最高，深層次之，表層最差。

3.3復(fù)墾地土壤持水性能與普通農(nóng)地的差異

圖2是復(fù)墾林地(SL)、復(fù)墾草地(GL)和普通林草地(CK)土壤含水量和土壤貯水量的剖面變化情況。首先，從兩種復(fù)墾地與普通林草地(CK)土壤含水量的差異看(圖2A)，SL樣地和GL樣地1 m土層含水量的平均值分別較CK樣地高7.8%和12.3%，而從三種樣地各土層含水量的差異看，在0—20 cm土層SL樣地和GL樣地均低于CK樣地，但20—60 cm土層和60—100 cm土層均表現(xiàn)為SL樣地和GL樣地高于CK樣地，并且60—100 cm土層差異最大。

從三種樣地1 m土層貯水量的差異看(圖2B)，SL樣地和GL樣地1 m土層總貯水量分別較CK樣地高23.5%和34.9%，而從三種樣地各土層貯水量的差異看，整個土層均表現(xiàn)為SL樣地和GL樣地較CK高，并且60—100 cm土層差異最大，這與三種樣地土壤含水量的剖面差異一致。由此說明，與普通農(nóng)地相比，復(fù)墾地1 m土層土壤含水量和貯水量均明顯偏高，并且60—100 cm土層差異最大。

表2　兩種形式復(fù)墾地土壤貯水特征

圖2復(fù)墾林地(SL)、草地(GL)和普通林草地(CK)在1 m土層內(nèi)土壤含水量和貯水量變化

4　討 論

研究表明，土壤孔隙狀況能反映土壤貯水性能[13]，毛管貯水與土壤毛管孔隙直接相關(guān)，是植物生長的關(guān)鍵水分來源，主要供給植物根系吸收、葉面蒸騰或土壤蒸發(fā)，能為植物提供必須的水分條件，而非毛管貯水主要受土壤非毛管孔隙度的調(diào)節(jié)，是飽和土壤中自由重力水在非毛管孔隙中的暫時貯存，能反映土壤水分保持與涵養(yǎng)能力[15]。研究發(fā)現(xiàn)，兩種復(fù)墾地土壤容重高于普通林草地，尤其在60 cm以上土層更為明顯，這與其他研究結(jié)論一致[16]。此現(xiàn)象的原因主要是煤矸山推平覆土?xí)r大型機械壓實造成的。研究表明，與普通農(nóng)地相比，盡管兩種復(fù)墾地土壤毛管孔隙度有小幅度增加，但土壤總孔隙度和非毛管孔隙度分別降低了20.5%，30.9%和80.0%，74.9%。由此可見，與普通農(nóng)地相比，盡管復(fù)墾地土壤貯存了較多有利于植物直接吸收的水分類型，但土壤總體貯水能力以及水分保持和涵養(yǎng)能力均有大幅下降，這些變化主要是由于煤矸山復(fù)墾時破壞了原有土壤孔隙狀況造成的。所以，煤矸山復(fù)墾時盡量減少對土壤壓實對于改善土壤孔隙狀況，提高復(fù)墾地土壤貯水能力至關(guān)重要。

5　結(jié) 論

(1) 復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)土壤容重分別較普通林草地(CK)高12.7%和19.0%(p>0.01)。兩種復(fù)墾地土壤容重的剖面變化有別于普通農(nóng)地，并且其差異主要體現(xiàn)在60 cm以上土層。

(2) 復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)土壤總孔隙度分別較普通林草地(CK)低20.5%和30.9%，非毛管孔隙度分別較CK低80.0%和74.9%，而土壤毛管孔隙度分別較CK樣地高14.1%和2.4%，因此，兩種復(fù)墾地土壤飽和貯水量和非毛管貯水量明顯低于普通農(nóng)地，但毛管貯水量卻高于普通農(nóng)地。

(3) 復(fù)墾林地(SL)和復(fù)墾草地(GL)1 m土層土壤平均含水量和總貯水量較普通林草地(CK)分別高7.8%，12.3%和23.5%，34.9%，但在不同土層其差異有所不同，兩種復(fù)墾地與普通林草地土壤含水量和貯水量在60—100 cm土層差異最大。

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Study on Soil Water-Holding Capacity Between Two Types of Reclamation Agroforestry Land on a Coal Waste Pile

YU Yajun, REN Shanshan, GUO Likai, BI Bin

(College of Geographic Sciences, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 041004, China)

Soil water-holding capacity is a basic condition on vegetation recovery and ecological reconstruction reclamation in reconstructed soil. Therefore, it is very important for choice of the vegetation types by studying soil water-holding capacity between different types of reclamation agroforestry lands. The soil water-holding capacities within 100 cm soil layer of shrub land after six years of reclamation (SL) and grassland after six years of reclamation (GL) were studied on a coal waste pile in Wang village, Changzhi City, Shanxi Province. The results showed that: (1) the mean soil bulk densities of reclamation shrub land (SL) and reclamation grass land (GL) within 100 cm soil layer increased by 12.7% and 19.0% compared to CK, respectively, the profile propertes within 100 cm soil layer of SL and GL were different from those of the CK, and the differences were mainly reflected in above 60 cm soil layer; (2) soil total porosities in SL and GL decreased by 20.5% and 30.9% compare to CK, respectively, and non-capillary porosities decreased by 20.5% and 30.9%, respectively, but capillary porosities increased by 14.1% and 2.4%, respectively, therefore, soil saturated water contents and non-capillary water storage in SL and GL were lower than those in CK, but capillary water storage was higher; (3) the mean soil water contents and soil water storage in SL and GL within 100 cm soil layer increased by 7.8%, 12.3% and 23.5%, 34.9% compare to CK, respectively, but it was different in different soil layers, and it was mainly reflected in 60—100 cm soil layer.

coal waste pile; reconstructed soil; soil water-holding capacity; vegetation recovery

2015-08-21

2015-10-12

國家自然科學(xué)基金青年項目“煤礦塌陷區(qū)重構(gòu)土壤性質(zhì)演化及植被恢復(fù)的限制因子研究”(41301304)

于亞軍(1978—),男,甘肅靈臺人,副教授,博士,主要從事區(qū)域環(huán)境與生態(tài)恢復(fù)方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:yuyajun0211@126.com

S152.7

A

1005-3409(2016)02-0044-05