孫雪亮 趙建港 余勤飛 李曉楠 李欣穎 張 凱

（1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830000；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京100081；4.中國自然資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京101149）

我國是世界最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，長期以來煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占主導(dǎo)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(yù)測儲(chǔ)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(gè)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(fù)墾過程中水土流失嚴(yán)重，植物生長困難，復(fù)墾效果差，自然恢復(fù)困難，了解區(qū)域土壤質(zhì)量是土壤復(fù)墾的前置工作。

土壤質(zhì)量評價(jià)是指使用一定的方法、原則和標(biāo)準(zhǔn)，對土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行評定，是環(huán)評體系中的一種單要素評價(jià)。進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià)可以了解土壤理化指標(biāo)，有利于土地資源的可持續(xù)利用，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)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(zhì)量評價(jià)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(jià)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(jià)土壤肥力的方法。肥力指數(shù)法［10］計(jì)算土壤肥力指數(shù)（IFI），目前已廣泛受到學(xué)者們的認(rèn)可，肥力指數(shù)法是通過先比較各項(xiàng)肥力指標(biāo)與該肥力指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)含量確定某些指標(biāo)最為缺乏，再累加隸屬度和權(quán)重確定土壤綜合質(zhì)量的一種土壤質(zhì)量評價(jià)方法。楊全合等［11］通過計(jì)算北京市通州區(qū)土壤各項(xiàng)肥力的權(quán)重和隸屬度，計(jì)算其IFI值對土地質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。吳小芳等［12］在使用肥力指數(shù)法評價(jià)的基礎(chǔ)上，用相關(guān)性分析法和主成分分析法驗(yàn)證了IFI值與肥力指標(biāo)的相關(guān)性，進(jìn)一步完善了肥力指數(shù)法評價(jià)土壤的體系。郭繼陽等［13］在原有IFI基礎(chǔ)算法下，用成分因子的貢獻(xiàn)度和對應(yīng)因子代替權(quán)重和隸屬度，評價(jià)了海南萬寧市和瓊海市菠蘿園的土壤質(zhì)量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)肥力指數(shù)法不夠精確的缺點(diǎn)。但這些研究也存在一些問題，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：其一，當(dāng)前多數(shù)研究比較單因素土壤肥力指標(biāo)時(shí)均采用全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，由于地區(qū)的差異性，用該標(biāo)準(zhǔn)衡量養(yǎng)分的豐富和缺乏是缺乏說服力的，選用的標(biāo)準(zhǔn)是否會(huì)影響我們判斷肥力指標(biāo)豐富與缺乏，是有待研究的；其二，土壤各項(xiàng)肥力指標(biāo)會(huì)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(jì)算的IFI值并不能準(zhǔn)確反映土壤的質(zhì)量。

針對以上問題，本項(xiàng)目以新疆某排土場為研究目標(biāo)，利用肥力指數(shù)法，對0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm的土壤進(jìn)行分層評價(jià)。同時(shí)參考第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)［15］及昌吉市耕地土壤質(zhì)量的一般標(biāo)準(zhǔn)［16］，對比采用不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(jì)算參考IFI值，為土地復(fù)墾后的農(nóng)作物種植指導(dǎo)提供一個(gè)全新的思路。

1 .材料與研究方法

1.1 研究區(qū)域

準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(zhǔn)噶爾盆地東南方向，屬溫帶大陸性氣候，中心地理坐標(biāo)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(fēng)為主，年平均風(fēng)期100 d左右，由于無天然山地作為屏障，風(fēng)速較大，經(jīng)常有7～8級(jí)大風(fēng)，最大可達(dá)10級(jí)以上并伴有強(qiáng)大的沙塵暴天氣；夏季炎熱，最高氣溫可達(dá)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(cè)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(shí)驗(yàn)區(qū)域，在紅土區(qū)和黃土區(qū)分別拉2條測線，以完成復(fù)墾后的小排土場和人工林為對照區(qū)，進(jìn)行土壤樣品的采集。采集樣品時(shí)采取分層采樣的方法，每隔20 cm分層采樣，共60 cm深。每個(gè)土樣去除植物根系、石塊等雜質(zhì)后，采用四分法取1 kg，裝入采樣袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)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(zhì)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(jī)物含量［18］，該方法檢出限為0.02 g/kg；采用擴(kuò)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(jì)分析

計(jì)算0～60 cm處土壤理化性質(zhì)的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、變異系數(shù)（CV）和中值，以描述土壤理化性質(zhì)的基本特性。均值和中位數(shù)表示集中趨勢的估計(jì)值，如果一個(gè)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(zhì)變異性的估計(jì)用最小值、最大值、SD和CV表示。在本研究中將CV劃分為3個(gè)級(jí)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(diǎn)平均變異程度，變異系數(shù)越大，說明受人類活動(dòng)干擾越強(qiáng)烈。

1.4 研究方法

1.4.1 土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

采用相關(guān)系數(shù)法確定各個(gè)肥力指標(biāo)的權(quán)重。計(jì)算各項(xiàng)肥力指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，獲得某一肥力指標(biāo)與其他肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值，將該平均值與所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比值作為該肥力指標(biāo)的權(quán)重，評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示。

1.4.2 土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)隸屬度值

根據(jù)礦區(qū)排土場的實(shí)際情況，采用S型隸屬函數(shù)式（3）［19］，計(jì)算隸屬度值。參考全國第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［15］（表1）和土壤含水率和干旱程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［20］（表2）中推薦的土壤質(zhì)量指標(biāo)隸屬度函數(shù)的閾值范圍，以各項(xiàng)指標(biāo)的5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)平均值和2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)平均值作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)x1和x2（取值見表3）計(jì)算含水率、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、堿解氮的隸屬度。另外，本研究用經(jīng)驗(yàn)法［24］計(jì)算pH的隸屬度，如表4。

注：SOM—有機(jī)質(zhì)；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(zhì)量評價(jià)

以模糊數(shù)學(xué)中的加乘原則為原理，利用前面求得各土壤質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重及隸屬度值，計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù) IFI［19］，計(jì)算式為

式中，F(xiàn)i為第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值。經(jīng)過研究結(jié)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(zhì)量越好。土壤綜合質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)分析

0～60 cm處土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)如表6所示，所有理化指標(biāo)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(dǎo)集中趨勢。除土壤含水率外，對照區(qū)土壤pH、有機(jī)質(zhì)、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(shí)驗(yàn)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(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量低于黃土區(qū)，排土場理化性質(zhì)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(jié)于氣候因素、土壤特征、植被情況和人為活動(dòng)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(jī)質(zhì)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(biāo)最大值和最小值相差較大，綜上，0～60 cm處土壤理化性質(zhì)變異性較高，需分層探究各項(xiàng)指標(biāo)。

2.2 土壤理化性質(zhì)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(zhì)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?yàn)槿藶榛顒?dòng)導(dǎo)致土體擾動(dòng)，土壤粘粒在風(fēng)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(guān)。土壤pH值是土壤的基本性質(zhì)，它決定和影響著土壤元素和養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)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(xué)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(zhì)量水平標(biāo)準(zhǔn)（如表7所示）。

土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo)。如圖1（c）所示，各深度下有機(jī)質(zhì)含量逐層遞減，但差距較小，黃土區(qū)有機(jī)質(zhì)含量高于紅土區(qū)，但整體處于缺乏水平，沒有達(dá)到昌吉市耕地土地質(zhì)量要求，該結(jié)果可能與區(qū)干旱多風(fēng)，植被多系旱生草本植物，生長量較少，供給土壤的有機(jī)質(zhì)數(shù)量不多，少雨使礦質(zhì)化大于腐殖化有關(guān)［26］。對照區(qū)有機(jī)質(zhì)含量優(yōu)于實(shí)驗(yàn)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(guān)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(shí)驗(yàn)區(qū)，但均處于極缺乏水平且低于昌吉市耕地土地質(zhì)量水平，氮素在土壤中的易移動(dòng)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(jī)質(zhì)中，隨著土壤中有機(jī)質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(dá)到昌吉市耕地土地質(zhì)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(shí)驗(yàn)區(qū)速效鉀含量差距較小，對照區(qū)優(yōu)于實(shí)驗(yàn)區(qū)，土壤速效鉀在全國第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中處中等及以上水平，但低于昌吉市耕地土地質(zhì)量要求。

2.3 土壤質(zhì)量評價(jià)

2.3.1 土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

為了計(jì)算土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，本研究對不同區(qū)域不同深度下6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，剔除非相關(guān)變量后，在特定區(qū)域特定深度下，具有顯著相關(guān)水平的指標(biāo)如表8所示。由表8可知，黃土區(qū)各深度下，有機(jī)質(zhì)、有效磷及堿解氮兩兩相關(guān)；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(guān)性，但隨著深度的增加，相關(guān)性逐漸消失。堿解氮與有機(jī)質(zhì)在深度為0～20 cm和20～40 cm的土層中存在相關(guān)性，在40～60 cm中則消失。對照區(qū)中，0～20 cm處，有機(jī)質(zhì)與堿解氮、有效磷和速效鉀均有相關(guān)性，而在20～40 cm處，各指標(biāo)均無相關(guān)性，在40～60 cm處，速效鉀與含水率、有機(jī)質(zhì)存在相關(guān)性，有效磷和堿解氮也高度相關(guān)，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(dòng)有關(guān)。

注：**為0.01級(jí)別（雙尾）相關(guān)性顯著；*為0.05級(jí)別（雙尾）相關(guān)性顯著。

2.3.2 單項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度和權(quán)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(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的隸屬度如表9所示，權(quán)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(jī)質(zhì)、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(yuǎn)，對照區(qū)除去pH值外其余5項(xiàng)指標(biāo)均處于中等水平，pH離理想水平差距較遠(yuǎn)。20～40 cm處除pH外，隸屬度表明3個(gè)區(qū)域5項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)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(biāo)值，更接近于理想隸屬度函數(shù)值。

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

2.3.3 土壤指數(shù)評價(jià)

在得到了不同區(qū)域不同深度的隸屬度和權(quán)重后，按照式（4）計(jì)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(zhì)量相近，對照區(qū)土壤質(zhì)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(zhì)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(yīng)高于深層土，就結(jié)果來看，3個(gè)區(qū)域的表層土IFI值均不高于中層，表明土壤肥力損失嚴(yán)重，故應(yīng)重點(diǎn)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(xì)微的不同，3個(gè)平臺(tái)的表土層及深土層質(zhì)量略低于中土層，因此，分層評價(jià)土壤質(zhì)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(chǔ)。

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(guān)文獻(xiàn)［30］，得到玉米最適有機(jī)質(zhì)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(jìn)行歸一化處理，得到有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮、有效磷、pH、含水率的權(quán)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(fù)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(diào)節(jié)土壤肥力。

3 結(jié) 論

（1）某露天礦排土場的土壤質(zhì)量按照第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，土壤有機(jī)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，結(jié)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(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量嚴(yán)重不足，無法滿足正常的耕種需求，需要重點(diǎn)補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)、氮素和鉀素，才能實(shí)現(xiàn)土地正常復(fù)墾。這說明單一根據(jù)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，無法就研究區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)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(zhì)量存在小范圍波動(dòng)，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(yán)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(jià)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(quán)重進(jìn)行衡量，得到適宜種植玉米的土地標(biāo)準(zhǔn)IFI值并與根系分布集中的土壤深度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該區(qū)目前的土壤質(zhì)量不宜種植玉米。不僅直觀體現(xiàn)出分層評價(jià)土壤質(zhì)量可以有力地說明研究區(qū)土壤質(zhì)量和植物需求土壤質(zhì)量的關(guān)系，也為評價(jià)及研究改良土壤提供了一個(gè)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(bǔ)充主要根系集中在深度40 cm和60 cm處的作物進(jìn)行進(jìn)一步討論。