表1(Table 1)
2. 自然资源部土地整治重点实验室, 北京 100035
2. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehalilitation, Ministry of Natural Resources, Beijing 100035, China
中国煤炭资源的大规模开采, 一方面满足了经济建设需要, 另一方面给局部带来了众多生态环境[1-2]与社会问题[3]。资料显示国外损毁土地复垦率一般为70%~80%, 目前美国损毁土地复垦率已达到85%, 而中国损毁土地复垦率仅为25%左右[4]。中国草原露天煤矿多地处水土资源匮乏的生态脆弱区[5], 采矿活动严重威胁生态环境[6-7], 且露天采煤初期多采用外排土方式, 矿区土地损毁高生态风险区主要在未复垦的排土场[8], 因此土地复垦对矿区可持续发展有重要意义。
在土地复垦中, 原地貌土壤质量是复垦地重构土壤质量的重要参考标准, 但由于研究区域、尺度范围不同, 造成研究结果差异很大[9]。排土场复垦过程中机械反复碾压易导致土壤容重增大, 引起土壤紧实度过大, 孔隙度变小, 导致土壤含水率较小[10-11]。程林森等[12]研究发现, 未受采煤影响的土壤含水量较平稳, 不随温度变化, 而采煤初期土壤含水量变化不明显, 存在滞后性。CAO等[13]和PAN等[14]研究了黄土地区露天矿排土场重构土壤物理性质与植被恢复的关系, 结果表明经过长时间植被恢复, 土壤容重降低, 孔隙度增加, 土壤含水量得到改善。LEWIS等[15]和BANNING等[16]研究表明, 由于排土场的非均匀性, 复垦土壤质量空间差异性显著。重构土壤中砾石会增加土壤大孔隙数量, 降低土壤保水能力[17]。土壤颗粒体积分形维数与土壤孔隙度和含水量呈正相关而与容重和有机质含量呈负相关[18]。此外, 研究表明复垦时间是土地复垦及生态恢复的重要保证[11, 19]。陕永杰等[20]发现复垦8 a的黄土区土壤物理质量水平还很差。同时, 王金满等[21]研究证实随着复垦年限增加, 土壤环境因子质量不断提升并逐渐接近原地貌。
上述研究表明, 复垦初期重构土壤物理性质较差, 会阻碍土壤质量的提升, 同时, 复垦时间是衡量土壤质量的重要因素。草原矿区表土稀缺、气候干旱的自然特征无疑加重了复垦难度, 而土壤物理性质又是决定植被重建和生态恢复的基础。因此, 丰富草原矿区重构土壤物理性质的研究, 探寻重构土壤与原地貌土壤物理性质的差异性及其产生原因, 可为表土稀缺的草原露天煤矿区土壤重构提供支撑。
1 研究区概况神华北电胜利露天煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市西北部伊利勒特苏木境内, 地理位置为43°57′~44°14′ N, 115°30′~116°26′ E, 地表东西长6.84 km, 南北宽5.43 km, 含煤面积为37.14 km2。矿区包含3座外排土场, 分别为南排土场、北排土场和沿帮排土场(图 1), 损毁土地绿化复垦率达100%。研究区地势较平坦, 所属土壤侵蚀类型区为内蒙古高原草原风蚀水蚀交错区, 植被盖度为40%~75%, 属温带半干旱大陆性季风气候区, 春季风大多干旱, 夏季温热雨集中, 秋高气爽霜雪早, 冬季寒冷风雪多, 年均气温为1.7 ℃, 年降水量为294.74 mm [22], 属于典型草原地带性植被类型区。目前, 研究区以草甸土为主, 构成非地带性土壤, w (有机质)为2%~3.68%, pH值约为8, 土壤养分状况是缺磷、富钾、氮中等, 并且在土壤表层约20 cm以下存在明显钙积层。
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图 1 胜利矿区一号露天煤矿位置示意 Fig. 1 Location of No.1 opencast coal mine of Shengli mining area |
在原地貌未损毁地以及南、北排土场复垦地分别随机布设3个采样地。采样时间为2017年9月, 每个样地土层厚度、质地、复垦年限和植被类型见表 1。每个土壤剖面上利用环刀(Φ100)分层采集0~10、>10~20、>20~30和>30~40 cm土壤样品, 同时收集各层土壤布袋样, 对所采集样品进行编号与保存。
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表 1 采样地剖面情况一览 Table 1 Profiles of sampling site |
在实验室采用天平分别测定环刀采集的土壤样品湿重和干重, 计算得到土壤容重和土壤含水率。参照LY/T 1225—1999 《森林土壤颗粒组成(机械组成)的测定》, 采用吸管法测定布袋采集土壤样品颗粒机械组成。
2.2.2 计算方法土壤容重与体积含水率计算公式[23]分别为
| $ {\rho _{\rm{B}}} = \frac{{{m_2}-{m_1}}}{v}, $ | (1) |
| $ {\theta _{\rm{g}}} = \frac{{{M_1}-{M_2}}}{{{M_2}}} \times 100\%。$ | (2) |
式(1)~(2)中, ρB为土壤容重, g·cm-3; v为环刀容积, cm3; m1为环刀质量, g; m2为环刀及烘干土总质量, g; θg为土壤质量含水率, %; M1为供试原土质量, g; M2为烘干土质量, g。
土壤的砾石含量为每千克土壤样本中粒径>2 mm的土壤颗粒质量含量, 可分为3级:少砾(0~ 150 g·kg-1)、中砾(>150~300 g·kg-1)和多砾(>300 g·kg-1)。土壤质地分级按美国分类标准[24]进行, 即等边三角形的3个顶点分别代表100%的砂粒(粒径>0.05~2 mm)、粉粒(粒径0.002~0.05 mm)及黏粒(粒径 < 0.002 mm)。采用SPSS 25.0和Excel 2016软件进行方差分析与拟合分析, 并制作图表。
复垦地与未损毁地土壤物理指标差异分析从两个方面开展:(1) 0~40 cm土层复垦地与未损毁地土壤物理指标差异; (2)根据原地貌土体(土层平均厚度为20 cm)以及南、北排土场土壤剖面(土层平均厚度分别为40和20 cm)构型, 选择20 cm为土层分界线, 将土壤分为0~20和>20~40 cm两个土层, 分析同一区域不同土层之间和同一土层不同区域之间土壤物理指标差异。
3 结果与分析 3.1 复垦地与未损毁地土壤物理性质总体差异复垦地与未损毁地0~40 cm深土壤物理性质差异分析结果见图 2。由图 2可知, 复垦4 a的南排土场土壤容重大于复垦8 a的北排土场和未损毁地, 分别高2.54%和7.15%, 且南排土场与未损毁地土壤容重差异显著(P < 0.05)。北排土场土壤含水率略大于南排土场和未损毁地, 但差异不显著(P>0.05)。南排土场(多砾)和北排土场(多砾)砾石含量均高于未损毁地(中砾), 分别高96.98%和64.66%, 且复垦地与未损毁地砾石含量差异显著(P < 0.05)。土壤质地分级结果显示, 南排土场与未损毁地土壤均为砂质壤土, 而北排土场土壤为砂质黏壤土。
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同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示不同场地间某土壤指标差异显著（P < 0.05）。 图 2 土壤物理性质的总体差异性 Fig. 2 Overall differences in soil physical properties |
按0~20和>20~40 cm两个土层分析各场地土壤物理性质垂向差异。由图 3可知, 复垦地南、北排土场不同土层间土壤容重、砾石含量和土壤质地均差异不显著(P>0.05)。而未损毁地和北排土场>20~40 cm土层土壤含水率均显著高于0~20 cm土层, 分别高87.84%和108.81%(P < 0.05), 这与土壤水分入渗规律有关。同时各场地>20~40 cm土层土壤粉粒和黏粒含量均高于0~20 cm土层, 而砾石和砂粒含量均低于0~20 cm土层, 可见土壤含水率垂向变化受土壤剖面构型的影响。
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同一幅图中就同一场地而言，直方柱上方英文小写字母不同表示不同土层间某土壤指标差异显著（P < 0.05）。 图 3 同一区域不同土层土壤物理性质的差异性 Fig. 3 Differences in soil physical properties between different soil layers in the same area |
由图 4可知, 对比同一土层不同场地间土壤物理性质发现, 复垦地与未损毁地0~20 cm土层土壤容重差异不显著(P>0.05), 南排土场>20~40 cm土层土壤容重则显著高于未损毁地, 高9.62% (P < 0.05)。复垦地与未损毁地0~20和>20~40 cm土层土壤含水率均无显著性差异, 但复垦地土壤含水率均高于未损毁地, 0~20 cm土层南排土场最高, >20~40 cm土层北排土场最高, 这表明损毁土地复垦后土壤保水性能相对未损毁地有所提升。南排土场0~20和>20~40 cm土层砾石含量均显著高于未损毁地, 分别高60.74%和174.66% (P < 0.05)。对于土壤质地, 南排土场各土层砂粒、粉粒和黏粒含量与未损毁地无显著差异(P>0.05), 但两者>20~40 cm土层与北排土场间均存在显著差异(P < 0.05), 这可能与北排土场20 cm深以下所覆煤矸石成分有关系。
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同一幅图中就同一土层而言，直方柱上方英文小写字母不同表示不同场地间某土壤指标差异显著（P < 0.05）。 图 4 同一土层不同区域土壤物理性质的差异性 Fig. 4 Differences in soil physical properties between different areas of the same soil layer |
由表 2可知, 在矿区土壤中, 土壤含水率与砂粒含量呈极显著负相关(r=-0.778, P < 0.01), 与粉粒和黏粒含量呈极显著正相关(r=0.644和0.775, P < 0.01);砾石含量与砂粒含量呈极显著正相关(r= 0.447, P < 0.01), 与粉粒和黏粒含量分别呈显著和极显著负相关(r=-0.384和-0.439);土壤容重与砾石含量呈极显著正相关(r=0.440, P < 0.01);此外砂粒含量与粉粒和黏粒含量均呈极显著负相关(r= -0.869和-0.978, P < 0.01), 粉粒含量与黏粒含量呈极显著正相关(r=0.746, P < 0.01), 其他物理指标之间相关不显著。为检验上述土壤物理指标线性回归方程可靠性, 建立回归模型(表 3), 方程拟合情况较好, 均通过F显著性检验(P < 0.05)。土壤物理性质相关性分析结果表明在表土稀缺的草原矿区, 复垦地土壤含水率、砾石含量与未损毁地产生差异性的原因主要来源于质地构型的差异, 复垦地土壤容重高于未损毁地, 一是由于排土过程中机械压实, 二是由于重构土壤剖面砾石含量差异。
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表 2 矿区土壤物理性质相关性分析 Table 2 Correlation analysis between soil physical properties in mining area |
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表 3 矿区土壤物理性质间回归分析 Table 3 Regression analysis between soil physical properties in mining area |
(1) 随着复垦年限的增加, 重构土壤容重、砾石含量和砂粒含量逐渐降低, 土壤含水率以及粉粒和黏粒含量逐渐增加; 随着土层深度的增加, 土壤容重、含水率以及粉粒和黏粒含量逐渐升高, 砾石和砂粒含量逐渐降低, 这与CAO等[13]和蔡文涛等[25]研究成果基本一致。南排土场土壤容重总体上明显高于未损毁地, 但两者在0~20 cm土层无显著差异, 表明经过4 a的自然恢复复垦地重构土壤容重未达到原地貌水平, 而植被重建可使表层土壤容重先接近原地貌[11]。北排土场土壤含水率总体上略高于南排土场, 且两者均高于未损毁地, 表明复垦可有效提升土壤含水率。各场地>20~40 cm土层土壤含水率均高于0~20 cm土层, 北排土场该现象更为显著, 这与草原矿区降雨量少、蒸发量高的气候特征[22]和水分入渗规律[26]密不可分, 也可能与北排土场采用煤矸石作为重构土壤的下垫面获得良好保水性能有关。此外, 砾石和砂粒含量由于风化作用而降低, 但在风蚀水蚀作用下, 两者在0~20 cm土层含量均高于>20~40 cm土层, 因此控制风蚀水蚀对重构土壤的影响是复垦工作的关键。
(2) 排土场所覆土层越厚, 重构土壤剖面砾石含量越高, 表土十分稀缺是限制覆土厚度的客观因素, 也是影响土壤质地的关键因素。重构土壤剖面砾石含量和土壤颗粒机械组成比例确定后短时间内难以改变, 拟合分析发现两者具有一定相关性, 均影响土壤容重和土壤含水率, 其中砾石含量与土壤容重呈极显著正相关(P < 0.01), 土壤含水率与砂粒含量呈极显著负相关(P < 0.01), 与粉粒和黏粒含量呈极显著正相关(P < 0.01), 因此土壤质地构型可影响土壤含水率, 这与刘愫倩等[27]研究结果一致。
(3) TD/T 1036—2013《土地复垦质量控制标准》 [28]指出北方草原区(其他草地)土壤容重≤1.45 g·cm-3, 砾石含量≤150 g·kg-1, 土壤质地为砂土至砂质黏土。研究区南、北排土场土壤容重均值分别为1.45和1.41 g·cm-3, 砾石含量均为多砾状态, 土壤质地分别为砂质壤土和砂质黏壤土, 其中砾石含量超出TD/T 1036—2013范围, 限制了复垦地其他土壤物理性质的改善, 其含量过高且难以控制会影响复垦效果, 因此确定适宜的砾石含量范围是精准复垦下一步要开展的重要工作。
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