王黨朝 劉慧芳 肖 武,3 鄒玉珠 王 鑫

(1. 神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市，026000；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083；3.浙江大學(xué)公共管理學(xué)院，浙江省杭州市，310058)

土壤是不均一且具有高度空間變異性的時(shí)空連續(xù)體。露天煤礦排土場主要是由剝離土層中的廢棄物及煤層上覆的巖土層、煤粉和表土堆積構(gòu)成。排土場的堆積侵占了大片土地，其結(jié)構(gòu)的特殊性極易造成侵蝕和水土流失，在大風(fēng)條件下，極易產(chǎn)生揚(yáng)塵污染大氣環(huán)境，因此采取因地制宜的方法，對排土場進(jìn)行科學(xué)地復(fù)墾治理具有必要的現(xiàn)實(shí)意義。露天煤礦排土場受排土秩序和機(jī)械碾壓的影響，土壤結(jié)構(gòu)和層次等理化性質(zhì)發(fā)生了較大變化，其質(zhì)量也隨之發(fā)生變化，土壤質(zhì)量的高低是土地復(fù)墾成功與否的關(guān)鍵所在。

內(nèi)蒙古勝利煤田礦區(qū)位于我國生態(tài)脆弱的干旱、半干旱地區(qū)，該地區(qū)植被覆蓋率較低，水土流失和土地荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。大型露天煤礦開采對原本脆弱的東部草原生態(tài)區(qū)造成了破壞，加劇了當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步退化，已引起眾多學(xué)者的關(guān)注。土壤物理性質(zhì)主要包括土壤容重、孔隙度、土壤水力性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體等，土壤的孔隙數(shù)量大小和容重的改變在較大程度上影響著土壤中水、肥、氣、熱等肥力因素的變化和供應(yīng)狀況。近年來，隨著國家對露天礦區(qū)復(fù)墾工作的重視，陸續(xù)有學(xué)者對排土場土壤的空間變異性展開了研究。郭凌俐等人以傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，選取黃土區(qū)露天煤礦排土場復(fù)墾初期0～40 cm的土壤研究其土壤顆粒組成的空間變異規(guī)律，并運(yùn)用普通克里格法進(jìn)行最優(yōu)無偏線性插值，制作了不同粒徑土壤顆粒含量的空間分布圖；瞿春艷等人利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了海州露天煤礦排土場土壤pH值、全氮、全磷、全鉀等營養(yǎng)元素的空間變異性，分析得出這些指標(biāo)均具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其空間變異性主要是由土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素引起的；呂剛和黃龍等人采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，以海州露天礦排土場邊坡為研究對象，研究排土場土石混合邊坡土壤抗沖性的空間變異特征及礫石對其影響；趙紅梅等人對大柳塔采煤塌陷區(qū)土壤含水量的空間變異特征進(jìn)行分析后認(rèn)為，地表塌陷使得表層土壤結(jié)構(gòu)變疏松，土壤粒度變粗，使其持水能力下降，土壤含水量比正常區(qū)域顯著降低。

由此可見，在不同尺度、不同土地利用類型不同植被覆蓋度的條件下，土壤的空間變異性均存在且各有差異。對于內(nèi)蒙古勝利煤田礦區(qū)而言，由于其本身脆弱的生態(tài)環(huán)境，加上人為擾動(dòng)，研究該地區(qū)排土場土壤的物理性狀對于指導(dǎo)該礦區(qū)植被重建和生態(tài)恢復(fù)具有必要性。土壤特性空間變異性的研究方法己經(jīng)由最初的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法發(fā)展到了時(shí)序分析方法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、隨機(jī)模擬、分形和分?jǐn)?shù)維方法及其應(yīng)用等研究方法，目前運(yùn)用較多的是地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。勝利煤田勝利一號露天礦北排土場是該礦區(qū)最早的外排土場之一，將其作為研究對象，運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)法和地統(tǒng)計(jì)法分析土壤容重、孔隙度和含水量的空間分布，利用ArcGIS10.3繪制土壤物理性質(zhì)空間分布圖，并在此基礎(chǔ)上分析原因，可為因地制宜地復(fù)墾治理整個(gè)勝利煤田的排土場提供理論基礎(chǔ)，也可更好地指導(dǎo)土壤重構(gòu)工作的順利實(shí)施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

勝利煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市北郊3 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°30′～116°26′，北緯43°57′～44°14′，地處內(nèi)蒙古高原的中部，大興安嶺西延的北坡，屬于NE-SW向高原、丘陵地形，地形標(biāo)高970～1326 m，該地區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)由構(gòu)造剝蝕地形、剝蝕堆積地形、侵蝕堆積地形和熔巖臺(tái)地等4個(gè)地貌單元組成。本區(qū)屬半干旱草原氣候，春秋兩季風(fēng)大干旱，夏季炎熱降雨少，冬季寒冷風(fēng)雪多，年溫差較大。每年6～8月為雨季，年平均降水量為294.74 mm，年平均蒸發(fā)量為1794.64 mm；凍結(jié)期為10月初至12月上旬，解凍期為翌年3月末至4月中旬，最大凍土深度為2.89 m。勝利一號露天礦在排土場綠化復(fù)墾上大膽嘗試、不斷摸索，經(jīng)過幾年的努力逐漸摸索出一套適合錫林浩特地區(qū)氣候條件和排土場自然環(huán)境的綠化復(fù)墾“六步法”，即“一排、二覆、三沙障、四種、五灌、六養(yǎng)護(hù)”。北排土場于2006-2009年治理，占地面積為107萬m2，排土場高度為60 m，4個(gè)臺(tái)階，綠化面積為101萬m2，其中坡面35.5萬m2、平盤面積為65.5萬m2。主要有沙打旺、苜蓿、披堿草、檸條、羊柴、沙蒿和冰草等植物，均為抗旱耐旱的先鋒物種。研究區(qū)位置如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣布局

土壤采樣點(diǎn)位布設(shè)一般遵循全面性、代表性、客觀性、可行性和連續(xù)性的原則，布點(diǎn)方法則有簡單隨機(jī)法、網(wǎng)格法、分層法、地統(tǒng)計(jì)法和方差四叉樹法。根據(jù)北排土場的特點(diǎn)，分別從邊坡和平盤采集土壤樣品。土壤樣品的采集時(shí)間為2017年6月，采樣月份天氣干燥，沒有出現(xiàn)大于5 mm的降水天氣，采用網(wǎng)格法結(jié)合3S技術(shù)進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)，實(shí)際采樣過程中對個(gè)別樣點(diǎn)位置進(jìn)行了調(diào)整，最終共采集95個(gè)樣點(diǎn)土壤樣品。所有樣品采自0～20 cm土壤表層，利用環(huán)刀采集土樣后放入鋁盒，裝入自封袋，采樣同時(shí)記錄樣點(diǎn)編號、取樣坐標(biāo)等信息。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2.2 土壤物理指標(biāo)測定

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干稱重測定土壤含水量、容重和孔隙度。土壤含水量采用烘干稱重法獲得，容重采用環(huán)刀法獲得，比重采用排水稱重法獲得，孔隙度采用土壤容重和比重計(jì)算獲得。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測定3次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)分析方法

(1)半變異函數(shù)。半變異函數(shù)(semi-variograms)也稱為半方差函數(shù)，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中用以研究土壤空間變異性的關(guān)鍵函數(shù)之一，能夠定量地反映土壤性質(zhì)在不同距離上觀察值之間的變化。這是一個(gè)連續(xù)變化的函數(shù)，反映了土壤性質(zhì)的空間變異具有連續(xù)性。在一維條件下，當(dāng)空間點(diǎn)x在一維x軸上變化時(shí)，區(qū)域變量Z(x)在點(diǎn)x和(x+h)處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半，定義為區(qū)域化變量Z(x)在x軸方向上的變異函數(shù)，記為y(h)，見式(1)：

(1)

式中：y(h)——半方差函數(shù)，h為樣本間距又稱為步長或位差；

N(h)——間距為矢量h的所有觀測點(diǎn)對個(gè)數(shù)；

Z(xi)、Z(xi+h)——Z(x)在xi和xi+h位置上的實(shí)測值。

用GS+軟件進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，其中C0稱為塊金值，它表示h值很小時(shí)，兩點(diǎn)間取值的變化，反映了區(qū)域化變量Z(x)內(nèi)部隨機(jī)性的可能程度；A為變程，它的大小反映了研究對象中某一區(qū)域化變量的變化程度，也反映了影響范圍；基臺(tái)值由拱高C和塊金值C0之和組成，反映某區(qū)域化變量在研究范圍內(nèi)變異的強(qiáng)度，通常使用塊金值與基臺(tái)值之比C0/(C0+C)或拱高與基臺(tái)值之比C/(C0+C)，反映隨機(jī)部分或自相關(guān)分占總空間異質(zhì)性的大小。根據(jù)Cambardella等人的研究結(jié)果，當(dāng)C0/(C0+C)<25%時(shí)，土壤物理性質(zhì)有很強(qiáng)的空間依賴程度；當(dāng)25%≤C0/(C0+C)≤75%時(shí)，土壤物理性質(zhì)有中等程度的空間依賴程度；當(dāng)C0/(C0+C)>75%時(shí)，相應(yīng)的土壤物理性質(zhì)有很弱的空間依賴。決定系數(shù)表示變異函數(shù)與模型擬合的程度，決定系數(shù)越大，模型擬合度越高。

(2)模型驗(yàn)證。通過平均誤差ME、標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差MSE、均方根誤差RMSE、平均標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)SE和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差RMSSE這5個(gè)指標(biāo)作為插值精度指標(biāo)。如果預(yù)測誤差是無偏的，則ME、MSE應(yīng)該接近于零，如果RMSE接近于ASE，則可以得到正確的變異性，說明預(yù)測值的變異性與測量值相同；如果RMSE大于ASE，說明在預(yù)測中低估了變異性；如果RMSE小于ASE說明在預(yù)測中低估了變異性；如果RMSE小于ASE，說明在預(yù)測中會(huì)把變異性夸大。如果預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差是正確的，RMSSE應(yīng)該接近于1。

(3)克里金插值法。本研究采用普通克里格法進(jìn)行空間插值，即在半方差函數(shù)y(h)的基礎(chǔ)上，用若干個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)測Z(xi)來推求未知點(diǎn)的Z0(x0)的一種方法，通過采用線性加權(quán)法來表達(dá)未測點(diǎn)x0的預(yù)測值，見式(2)：

(2)

式中：Z0(x0)——未知點(diǎn)x0處的線形、無偏、最優(yōu)估計(jì)值；

n——實(shí)測值個(gè)數(shù)λi為計(jì)算Z0(x0)時(shí)實(shí)測值Z(xi)的權(quán)重。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

在本研究中，土壤物理指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、K-S檢驗(yàn)和相關(guān)分析過程均在SPSS19.0軟件中完成。土壤中物理指標(biāo)半變異函數(shù)模型的計(jì)算和選取采用GS+9.0軟件進(jìn)行，計(jì)算完成后將求取的模型參數(shù)輸入到ArcGIS 10.3軟件中，采用Geostatistical Analyst模塊的Ordinary Kriging進(jìn)行分析，最終得到土壤物理指標(biāo)的空間分布圖。

2 結(jié)果分析

2.1 物理指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析

為了掌握北排土場土壤容重、孔隙度和土壤含水量的整體變異情況，首先利用SPSS20.0對所選指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，土壤物理性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

由表1可以看出，排土場土壤的容重均值高達(dá)1.51 g/cm3，土壤緊實(shí)度遠(yuǎn)高于自然演變的土壤，這可能與排土場的形成過程受到機(jī)械壓實(shí)有關(guān)。根據(jù)變異系數(shù)劃分，當(dāng)CV<10%時(shí)，變現(xiàn)為弱變異性；當(dāng)10%100%時(shí)，表現(xiàn)為強(qiáng)變異性。容重的變異系數(shù)為10.28%，屬于中等變異。

表1 土壤物理性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)表

孔隙度與土壤含水量是反映土壤水分物理特性的基本指標(biāo)，能較好的反映土壤的疏松性、結(jié)構(gòu)性以及持水性。排土場土壤質(zhì)地多為砂質(zhì)土，土壤孔隙度的變化范圍從21.95%到51.65%，平均孔隙度為35.80%，土壤較緊實(shí)，疏松性差。變異系數(shù)為15.74%，屬中等變異。

土壤含水量的變化范圍為0.82%～13.30%，均值為4.04%，變異系數(shù)較大，為68.89%，屬中等變異。研究區(qū)土壤含水量屬于較低水平，復(fù)墾后土壤持水性能差，有待改良。

計(jì)算變異函數(shù)和進(jìn)行Kriging插值時(shí)，要求所選土壤物理性質(zhì)的變量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，對不符合正態(tài)分布的變量數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行檢驗(yàn)。從偏度值、峰度值以及K-S檢驗(yàn)的P值綜合考慮，土壤容重、孔隙度均符合正態(tài)分布，土壤含水量經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。

2.2 物理指標(biāo)空間變異特征

傳統(tǒng)的描述性統(tǒng)計(jì)能從整體上反映排土場復(fù)墾土壤質(zhì)量，但不能定量化描述某些特定部位的土壤變化特征，因此選取合適的半變異函數(shù)模型對北排土場復(fù)墾后的土壤物理性質(zhì)的空間變異性進(jìn)行分析，北排土場土壤物理性質(zhì)的變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)見表2。

表2 北排土場土壤物理性質(zhì)的變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)

根據(jù)決定系數(shù)(R2)最大和殘差平方和(RSS)最小的原則，容重和含水量選用指數(shù)模型擬合，孔隙度選用球狀模型擬合。變程又叫做空間自相關(guān)距離，在空間自相關(guān)距離內(nèi)土壤具有某種程度上的空間相關(guān)性。從表1中土壤理化性質(zhì)的空間自相關(guān)距離結(jié)果分析，該小尺度研究區(qū)域內(nèi)各指標(biāo)之間的空間自相關(guān)距離變化較小，含水量的空間自相關(guān)距離最小為56.68 m，表明土壤含水量的空間異質(zhì)性程度最大，影響含水量的因素較復(fù)雜。容重的空間自相關(guān)距離最大，為120 m。

結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用影響土壤理化性質(zhì)的空間變異性。在變異函數(shù)模型中，塊金值C0表示隨機(jī)性因素(土地利用類型、人類干擾、動(dòng)物活動(dòng))引起的變異，C表示由結(jié)構(gòu)性因素(土壤母質(zhì)、地形、氣候)引起的變異，基臺(tái)值C0+C是隨機(jī)變異和結(jié)構(gòu)變異之和。C0/C0+C表示空間變異性程度，如果該值較高，說明空間變異性主要是由隨機(jī)性因素引起的，反之則由結(jié)構(gòu)性因素引起的。比值小于25%，表明空間相關(guān)性很強(qiáng)，在25%～75%之間，表明具有中等空間相關(guān)性，大于75%說明空間相關(guān)性很弱；土壤含水量、孔隙度的C0/C+C0小于25%，表明這兩種性質(zhì)具有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性。雖然排土場的復(fù)墾工程經(jīng)歷了很大程度的人工干擾，但其變異性主要還是由于土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素引起的，究其原因，可能是復(fù)墾所選用的土壤非原先表土，而由上覆巖層土壤組成，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，這些土壤質(zhì)地偏砂，沙礫含量占比較大，持水性能較差。而孔隙度和含水量正是反映土壤結(jié)構(gòu)性、持水性的重要指標(biāo)。容重的C0/C+C0值為39.44%，介于25%～75%之間，屬于中等空間自相關(guān)性，這說明變異是由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同引起的，反映出復(fù)墾措施在某種程度上會(huì)影響土壤理化性質(zhì)的空間變異性。

2.3 物理性質(zhì)的空間分布格局及原因

在選取了合適的擬合模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS10.3的Geostatistical Analyst模塊，選擇Ordinary Kriging，采用交叉驗(yàn)證的方法對插值精度進(jìn)行驗(yàn)證，并得到容重、孔隙度和土壤含水量的空間分布圖。交叉驗(yàn)證結(jié)果見表3。

表3 交叉驗(yàn)證結(jié)果

由表3可以看出，容重、孔隙度和含水量的ME和MSE都接近于0，RMSSE都接近1，這表明3種模型分別模擬預(yù)測對應(yīng)的物理性質(zhì)的精度均較高，插值圖的精度符合要求。從RMSE和ASE這2個(gè)評價(jià)指標(biāo)來看，所選模型均高估了其對應(yīng)的物理指標(biāo)的變異性。

容重、孔隙度和土壤含水量的空間分布圖如圖2所示，三者的空間分布圖之間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 北排土場土壤物理性質(zhì)空間分布圖

由圖2可以看出，北排土場的中部地區(qū)容重值較大、孔隙度小且含水量小。這可能與復(fù)墾工序有關(guān)，中部地區(qū)是整個(gè)北排土場的最高處，且中間有一條主路，行駛車輛的反復(fù)碾壓使得土壤緊實(shí)度增加、容重增大、孔隙度減小且水分含量降低。

由圖2(a)中可以看出，北排土場的東北方向、正南方向容重值較高，西、西南、東、東南方向容重值偏低，其余部位為中等水平；圖2(b)中所示的孔隙度空間分布圖則表現(xiàn)出相反的趨勢；圖2(c)可以看出，北、西北、西、西南方向的含水量要整體高于東、東南、南方向，這可能是由于陽面坡與陰面坡相比較水分蒸發(fā)量大所致，與此對應(yīng)陽坡植被比陰坡植被長勢要好，可能使得陽坡植物對土壤的改良作用略優(yōu)于陰坡植物，使得容重降低，孔隙度增大。由此可見，圖中所反映的這3個(gè)物理性質(zhì)之間關(guān)系的整體趨勢與相關(guān)分析的結(jié)果一致，容重與孔隙度、含水量顯著負(fù)相關(guān)，孔隙度與含水量呈顯著正相關(guān)。

3 結(jié)果分析

通過研究勝利一號露天礦北排土場的土壤發(fā)現(xiàn)，排土場土壤的容重均值高達(dá)1.51 g/cm3，土壤緊實(shí)度遠(yuǎn)高于自然演變的土壤，這與排土場在形成過程中受到機(jī)械壓實(shí)有關(guān)；土壤孔隙度的變化范圍為21.95%～51.65%，平均孔隙度為35.80%，土壤較緊實(shí)，疏松性差；土壤含水量較低，保水持水性能較差。造成上述情況的原因，一方面是北排土場復(fù)墾年限較短，恢復(fù)期9 a左右，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)恢復(fù)程度較低；另一方面，內(nèi)蒙古地處干旱半干旱區(qū)，蒸發(fā)量較大，降雨量較小，且采樣時(shí)間為6月初，還未開始進(jìn)入雨季，所以土壤含水量屬于較低水平。土壤孔隙度和含水量都具有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性，受土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素影響較大，主要原因是經(jīng)歷采-排-復(fù)工序，原有土體結(jié)構(gòu)被破壞，排土場復(fù)墾所用的土壤夾雜矸石、礫石等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。土壤容重表現(xiàn)出了中等空間變異性，結(jié)合空間分布圖和相關(guān)性分析可以看出，土壤容重與孔隙度、含水量呈負(fù)相關(guān)，土壤孔隙度和含水量呈正相關(guān)。

復(fù)墾過程中的機(jī)械反復(fù)碾壓導(dǎo)致排土場容重增大，緊實(shí)度過大的土壤孔隙度必然變小，不利于水分的入滲又導(dǎo)致含水量較小。因此，結(jié)合排土場特點(diǎn)，宜采取物理措施和植物措施相結(jié)合的方法，通過深耕并配以合理的灌排設(shè)施，以調(diào)節(jié)土壤含水量，通過種植抗旱耐旱的先鋒作物，向土壤中施肥增加有機(jī)質(zhì)，以改良土壤結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

(1)北排土場的土壤容重、孔隙度和含水量均屬于中等變異。與原狀土壤相比，土壤容重均值偏高，孔隙度、含水量均值偏低。因此，礦區(qū)需要采取翻耕等疏松土壤的物理措施并結(jié)合植物措施進(jìn)行土壤改良，可栽種一些耐旱型先鋒植物，使土壤物理結(jié)構(gòu)有利于植被的生長。

(2)通過半方差函數(shù)分析，土壤孔隙度和含水量的C0/C0+C值分別為8.19%和3.31%，具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，說明這二者的空間變異主要是由土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素引起的；容重的C0/C0+C的值為39.45%，屬于中等空間自相關(guān)性，這說明變異是由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同引起的，反映出復(fù)墾措施在某種程度上會(huì)影響土壤理化性質(zhì)的空間變異性。

(3)這3項(xiàng)物理指標(biāo)均顯示出了明顯的空間分布格局，并且其分布格局在一定程度上具有對應(yīng)性，這種對應(yīng)性與相關(guān)性分析的結(jié)果是一致的。表明一種物理性質(zhì)發(fā)生改變的時(shí)候，必然會(huì)導(dǎo)致其他的物理性質(zhì)發(fā)生改變。所以，針對礦區(qū)特定的土壤狀況，制定針對性的改良措施，是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建的重要途徑。