劉寶勇，李玥蒨，白國良

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013)

煤炭作為我國的主體能源和重要工業(yè)原料，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。但是持續(xù)高強度的煤炭開采給生態(tài)環(huán)境帶來了多方面的影響，如土地資源的占用和破壞、地表景觀改變以及生態(tài)環(huán)境污染等[1]。隨著社會進(jìn)步，人們的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識逐步提升，煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題得到了社會的廣泛關(guān)注，其中，大型露天采煤區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建受到了高度重視[2]。在煤炭開采過程中，挖損、壓占、塌陷等嚴(yán)重破壞了地表植被，造成了土壤肥力退化、生態(tài)環(huán)境惡化，以及水土流失、地下水污染等問題。礦區(qū)土壤肥力評價是評估礦區(qū)土壤肥力水平的一種重要方法，通過檢測土壤肥力、pH值、有機質(zhì)含量等指標(biāo)，可評估礦區(qū)土壤肥力水平和質(zhì)量狀況，及時發(fā)現(xiàn)礦區(qū)土壤的肥力問題，并采取有效措施保護(hù)礦區(qū)土壤資源。

礦區(qū)土壤肥力評價的重要性不言而喻，是保護(hù)礦區(qū)土壤資源、促進(jìn)礦區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和改善礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量的有效手段。評價結(jié)果可以指導(dǎo)礦區(qū)土壤修復(fù)方向，實施有效的土壤改良技術(shù)從而改善礦區(qū)土壤質(zhì)量。鄭永紅等[3]利用灰色關(guān)聯(lián)度方法定量分析3種林地土壤肥力狀況，并進(jìn)行了綜合評價排序。郭凱等[4]運用 ArcGIS中的 Kriging插值法研究土壤肥力分布狀況，采用模糊數(shù)學(xué)法對土壤肥力進(jìn)行綜合評價。高智挺等[5]對山西安太堡露天礦區(qū)，采用主成分分析法對不同樣地土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行評價。美國STUTLER等采用不同方法對阿巴拉契亞州4個礦區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行了評估，均得出復(fù)墾后礦山土壤健康指標(biāo)隨時間的推移而提高的結(jié)論[6]。印度達(dá)罕巴德復(fù)墾的煤礦排土場上的研究，通過主成分分析法將土壤特性組合成綜合土壤質(zhì)量指數(shù)來探究樹種的開墾潛力[7]。目前，評價土壤肥力的方法雖然較多，但國內(nèi)關(guān)于礦區(qū)土壤肥力評價指標(biāo)大多只是通過測量土壤中常見的營養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀等來評估土壤肥力水平[8-10]，考慮土壤的其他特性，比如土壤的含水量、結(jié)構(gòu)和溫度等研究成果較少，土壤肥力評價的準(zhǔn)確性受到一定的限制。本文以撫順西露天礦為研究對象，結(jié)合土壤物理性質(zhì)指標(biāo)和化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對礦區(qū)土壤肥力進(jìn)行綜合評價，為撫順西露天礦礦區(qū)土壤改良提供依據(jù)，并為露天礦土地復(fù)墾提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

撫順西露天煤礦位于遼寧省撫順市區(qū)南部，撫順煤田西部。礦坑?xùn)|西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度420 m，投影面積10.87 km2，是亞洲最大的深凹露天煤礦。撫順市屬長白山支脈西南延續(xù)部分低山丘陵地區(qū)，總體呈東南高西北低之勢，撫順西露天礦地處北溫帶，年平均氣溫8.3 ℃，最高氣溫40.3 ℃，最低氣溫-35.2 ℃；凍結(jié)期122～161 d，凍結(jié)深度1.2～1.3 m；常年多為弱風(fēng)，平均風(fēng)速1.7 m/s，風(fēng)向多為東北風(fēng)，屬大陸性氣候。年平均降雨量804.2 mm；降雨集中在七、八兩月，日最大降雨量180.3 mm。礦業(yè)活動引起的占用損壞土地資源及地形地貌景觀破壞，主要表現(xiàn)為礦山的露天采場、工業(yè)廣場、廢石堆場、煤矸石堆等對土地的挖損和壓占，造成原始的地形地貌及土地資源的破壞。項目區(qū)內(nèi)原始植被屬于華北植物區(qū)系，夾雜長白山植物區(qū)系植物，目前地表主要植物群落以人工林為主，為松林、針闊葉混交林、落葉灌叢和灌草叢。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

根據(jù)撫順西露天礦不同損毀特征選取樣地進(jìn)行取樣。選取北幫滑坡區(qū)樣地(N)、南幫變形區(qū)樣地(S)、西幫修復(fù)區(qū)樣地(W)、東幫采礦區(qū)樣地(E)以及未經(jīng)影響的自然區(qū)樣地(CK)作為對照設(shè)置采樣點。2022年7月，采用雙對角線法，每個樣地設(shè)分點5個，共采集土樣25個，采樣的深度為0～20 cm。采樣時對樣品進(jìn)行編號，將土樣混合置于樣品袋中，標(biāo)簽上注明采樣區(qū)種類，時間及土層深度及采樣地經(jīng)度、緯度，研究區(qū)樣地基本情況見表1。生態(tài)修復(fù)規(guī)劃區(qū)及采樣點分布如圖1所示。

圖1 撫順西露天礦生態(tài)修復(fù)規(guī)劃區(qū)及采樣點分布Fig.1 Ecological restoration planning area of Fushun West Open-pit Mine and sampling point distribution

表1 研究區(qū)樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plots in the research area

1.2.2 測定方法

選取土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤機械組成、pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有效磷作為土壤肥力評價指標(biāo)，各指標(biāo)僅在室內(nèi)實驗室測定，土壤物理性質(zhì)測定方法為：土壤容重和土壤孔隙度測定采用環(huán)刀法；土壤含水率測定采用烘干法；土壤機械組成測定采用比重計法；土壤化學(xué)性質(zhì)測定方法為：pH值測定采用電位法；速效氮測定采用堿解-擴散法；全氮測定采用凱氏定氮法；速效磷測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提法；全磷測定采用鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用火焰光度法；有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全鉀的測定采用火焰光度法[11]。

2 土壤肥力評價模型

2.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

為了保證評價指標(biāo)的合理性，避免原始指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱不同導(dǎo)致的誤差，在進(jìn)行綜合評價前，首先對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)土壤指標(biāo)與植物生長的相互關(guān)系，采用S型隸屬度函數(shù)對表現(xiàn)形式為指標(biāo)值越大或越小越有利于植物生長的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用拋物線形隸屬度函數(shù)對表現(xiàn)形式為指標(biāo)值過大或過小均不利于植物生長的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。具體計算公式如下[12，13]：

1)S型隸屬度函數(shù)計算公式：

2)拋物線形隸屬度函數(shù)計算公式：

式中，x為不同樣地某一指標(biāo)的實際測定值；x1、x2、x3、x4為函數(shù)轉(zhuǎn)折點的取值。

根據(jù)各項土壤指標(biāo)對土壤利用的影響，由于礦區(qū)土壤整體呈堿性，因此采用S型隸屬度函數(shù)對土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有效磷進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用拋物線型隸屬度函數(shù)對土壤容重、土壤孔隙度及土壤含水率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，土壤機械組成非單獨定量化參數(shù)，采用土壤質(zhì)地分級賦值形式進(jìn)行評價。

2.2 土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)

參照《全國第二次土壤普查肥力分級標(biāo)準(zhǔn)》以及撫順地區(qū)土地復(fù)墾相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]，結(jié)合撫順西露天礦土壤檢測結(jié)果，明確評價函數(shù)的拐點，隸屬度函數(shù)拐點取值見表2和表3。

表2 S型隸屬度函數(shù)拐點取值Table 2 Value of inflection point of S-type membership function

表3 拋物線型隸屬度函數(shù)拐點取值Table 3 Value of inflection point of parabolic membership function

2.3 綜合評價方法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計算方法，在評價環(huán)境質(zhì)量時需要考慮污染最嚴(yán)重的因子，因此在計算內(nèi)梅羅指數(shù)時通常選取單因子環(huán)境指數(shù)的平均值和單因子環(huán)境指數(shù)的最大值進(jìn)行評價計算[15]。由于礦區(qū)整體土壤肥力情況受限制性因子的影響，采用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法對撫順西露天礦各樣地進(jìn)行土壤肥力綜合評價。具體計算公式如下[16]：

式中，P為內(nèi)梅羅指數(shù)；Pi為單指標(biāo)肥力指數(shù)；Pi(min)為單指標(biāo)肥力指數(shù)中的最小值；n為參與評價的土壤肥力指標(biāo)個數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)土壤肥力情況建立土壤肥力綜合指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)，土壤肥力綜合指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 土壤肥力綜合指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard for comprehensive index of soil fertility

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力指標(biāo)特征分析

撫順西露天礦土壤肥力特征統(tǒng)計情況見表5。撫順西露天礦土壤容重范圍為0.98～1.32 g/cm3，平均容重小于1.25 g/cm3；土壤孔隙度為52.83%～62.78%，平均土壤孔隙度小于60%；土壤含水率范圍為8.52%～24.18%，平均土壤含水率大于15%；土壤有機質(zhì)含量41.7～97.8 g/kg，平均值大于40 g/kg；土壤全氮含量0.682～2.08 g/kg，平均值小于2.0 g/kg；土壤全磷含量0.85～1.16 g/kg，平均含量大于1.0 g/kg；土壤全鉀含量4.85～13.92 g/kg，平均值小于25 g/kg；土壤堿解氮8.42～39.56 mg/kg，平均含量小于30 mg/kg；土壤有效磷5.8～32.4 mg/kg，平均含量小于40.0 mg/kg；土壤速效鉀114.72～261.08 mg/kg，平均含量小于200 mg/kg；土壤pH值位于7.05～9.82之間，土壤整體呈弱堿性；各肥力指標(biāo)變異系數(shù)7.187%～72.277%，其中以土壤有效磷含量變異系數(shù)為最大。

表5 撫順西露天礦土壤肥力特征統(tǒng)計Table 5 Statistics of soil fertility characteristics in Fushun West Open-pit Mine

整體來看，礦區(qū)土壤容重整體處于適宜狀態(tài)，土壤含水率差異較大；土壤質(zhì)地松散，整體介于黏壤土和砂質(zhì)壤土之間，為弱堿性；土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀及速效鉀含量均處于較高水平；全氮、堿解氮和有效磷含量水平較低。

3.2 土壤肥力綜合分析

不同樣地土壤單項肥力指數(shù)及綜合得分見表6?？芍?，東幫采礦區(qū)樣地各土壤肥力指數(shù)大小為有機質(zhì)、土壤孔隙度>全磷>速效鉀>有效磷>土壤質(zhì)地>全鉀>全氮>土壤堿解氮、pH值、土壤容重、土壤含水率；西幫修復(fù)區(qū)樣地各土壤肥力指數(shù)大小為全磷、有機質(zhì)、pH值、土壤容重、土壤孔隙度>速效鉀>堿解氮>土壤質(zhì)地>有效磷>全氮>土壤含水率>全鉀；北幫滑坡區(qū)樣地各土壤肥力指數(shù)大小為全磷、速效鉀、有機質(zhì)、土壤含水率>土壤孔隙度>土壤質(zhì)地>土壤容重>全鉀>有效磷>全氮>pH值、堿解氮；南幫變形區(qū)樣地各土壤肥力指數(shù)大小為全氮、有機質(zhì)、土壤容重>全磷>pH值>土壤孔隙度>土壤質(zhì)地>速效鉀>全鉀>有效磷>土壤含水率>堿解氮。

表6 不同樣地土壤單項肥力指數(shù)及綜合得分Table 6 Different soil fertility indices and comprehensive scores

土壤堿解氮、pH值、土壤容重和土壤含水率為影響東幫土壤綜合肥力的限制性因子；土壤全鉀為影響西幫土壤綜合肥力的限制性因子；土壤堿解氮和pH值為影響北幫土壤綜合肥力的限制性因子；土壤堿解氮為影響南幫土壤綜合肥力的限制性因子。

根據(jù)土壤肥力評價標(biāo)準(zhǔn)可以看出，北幫滑坡區(qū)樣地、南幫變形區(qū)樣地及西幫修復(fù)區(qū)樣地土壤肥力綜合指數(shù)位于0.4～0.6之間，肥力分級為Ⅲ級，土壤肥力水平表現(xiàn)為一般；東幫采礦區(qū)樣地土壤肥力綜合指數(shù)位于0.2～0.4之間，肥力分級為Ⅱ級，土壤肥力水平表現(xiàn)為較貧瘠。

4 討 論

在對撫順西露天礦進(jìn)行調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)，與東幫和西幫相比，北幫和南幫物種豐富度相對較高，生長著以刺槐和榆樹為主的喬木和以接骨木和金銀木為主的灌木，說明對北幫和南幫采取的客土和植被修復(fù)等工程措施有效地提高了土壤肥力。而北幫土壤肥力較優(yōu)于南幫，說明復(fù)墾年限的增加對土壤養(yǎng)分恢復(fù)起正向作用，這與焦曉亮[17]等人在黃河流域露天礦上的研究結(jié)論一致；南幫豆科物種豐富度最高，土壤全氮含量也明顯高于其他樣地，說明豆科植物的固氮能力對礦區(qū)土壤肥力改善有明顯的幫助，驗證了陳皓[18]等人在撫順西露天礦對植物群落特征的研究結(jié)果；此外，西幫土壤肥力明顯高于東幫土壤肥力，一是西幫雖然復(fù)墾年限短，但采取了人工與自然恢復(fù)相結(jié)合的恢復(fù)方式，加快了生態(tài)系統(tǒng)重建的速度，符合鄒旭[19]等人對湖南婁底市冷水江銻煤礦生態(tài)修復(fù)的研究思路，二是西幫和東幫植物種類數(shù)量相當(dāng)，而西幫優(yōu)勢種為豆科灌木火炬樹，東幫優(yōu)勢種為喬木植物榆樹，可以認(rèn)為根系淺而發(fā)達(dá)的灌木植物在復(fù)墾前期礦區(qū)土壤中的生長比深根系的喬木植物更具有優(yōu)勢，這與馮國寶等人[20]對矸石土壤修復(fù)植物的篩選原則一致。東幫和西幫土壤肥力的差異證明了土壤肥力的變化是恢復(fù)模式與植物類型兩個因素共同導(dǎo)致的結(jié)果，在對礦區(qū)進(jìn)行土壤質(zhì)量修復(fù)時，選擇多種改良方式可以起到更好的效果。

5 結(jié) 論

1)本研究應(yīng)用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法分析了撫順西露天礦土壤肥力情況，目前礦區(qū)土壤整體呈弱堿性，缺乏全氮、堿解氮和有效磷。土壤綜合肥力處于III級，整體水平表現(xiàn)為一般，空間上表現(xiàn)為：北幫>南幫>西幫>東幫，是恢復(fù)年限和恢復(fù)方式的共同影響下的結(jié)果。

2)土壤肥力主要限制性因子為土壤堿解氮和pH值，在后續(xù)生態(tài)修復(fù)中可考慮在土壤中合理施加氮肥，同時在進(jìn)行植被恢復(fù)時選擇耐瘠薄，耐鹽堿，水土保持能力和固氮能力較高的豆科植物種如刺槐、側(cè)柏、紫穗槐、檸條錦雞兒、火炬樹、沙打旺和紫花苜蓿等。

3)土壤肥力評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性往往受到評價指標(biāo)的限制，除土壤物理性質(zhì)指標(biāo)和化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)外，土壤生物指標(biāo)也是影響土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，結(jié)合土壤生物指標(biāo)對礦區(qū)開展土壤肥力評價可以進(jìn)一步明確土壤綜合肥力，探究土壤生物指標(biāo)對礦區(qū)土壤肥力的影響并提出針對性的生物改良措施。