内蒙古黑岱沟矿区排土场土壤质量评价

李海宽，张雅楠

(1.呼和浩特市水文勘测局，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古天佑水利工程设计有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

近年来，内蒙古地区的煤炭开发进入了快速发展的阶段，准格尔、霍林河、东胜、伊敏河等大型露天煤矿的设计生产能力均在5 000万t/a以上[1]。这几大主要露天煤矿的开采均采用外排土的方式，在开采区占用较大土地面积的同时，随着剥采比的加大，排土场占用的土地面积也逐年增加[2]。在采煤业和化工业飞速发展的同时[3]，矿区周边的环境也随之发生变化，主要表现在植被破坏、土壤污染、水土流失、地下水位下降、地面裂缝塌陷、煤矸石堆积等方面，土壤质量急剧退化，并由此带来诸多生态环境问题。因此，需要对目前的土壤质量状况进行评价，以期为退化土壤的恢复治理提供科学依据。

20世纪70 年代由Warkentin和Fletcher共同提出了土壤质量的概念[4]，他们指出土壤质量是指土壤在生态系统中保持生物生产力、维持土壤的环境质量及促进植物生长和维持动物健康的能力[5]。目前对土壤质量评价的研究主要集中在重金属对土壤质量的影响方面，赵雪等[6]分析了主要重金属污染元素Pb、Cu、Cd和Cr对君安矿区复垦土壤的影响；谷岩[7]通过建立模糊综合评价模型，分析了鸡西矿区排土场11种重金属对土壤环境的影响。近年来，有学者针对不同复垦类型对土壤质量的影响做了一定的研究，秦文展等[8]、孙海运等[9]选择土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、pH值、含水率、密度和EC等指标对矿区复垦土壤进行了土壤质量评价，结果表明不同复垦类型下土壤质量差异较大，随着复垦年限的增加土壤质量提高。本研究以黑岱沟露天煤矿北排土场土壤作为研究对象，通过分析土壤理化性质和 Shannon-wiener多样性指数，建立土壤评价指标体系，初步评价该地区土壤的环境状况，为矿区土壤复垦提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，地理坐标为东经111°13′—111°20′、北纬39°43′—39°49′，海拔1 025—1 302 m。矿区气候属于中温带半干旱大陆性气候，年均气温7.2 ℃，极端最高气温38.3 ℃，极端最低气温-30.9℃，≥10 ℃年积温3 350 ℃；年平均降水量为404.1 mm，降水多集中在7—9月份，约占全年降水量的60%～70%；年蒸发量为2 082.2 mm，年日照时数3 119.3 h。矿区土壤主要为黄绵土，微碱性，肥力低下。排土场台阶上的土壤均为复填土，因排土车辆反复碾压故而较紧密。矿区内地带性植被属暖温型草原带，植被稀疏低矮，盖度一般在30%以下，天然森林已全遭破坏[10]。

1.2 土壤样品采集

采样时间为2011年7月，采样点选择在黑岱沟露天煤矿北排土场。在排土场内选择地理位置相近的6种人工复垦类型，分别为1号紫花苜蓿×披碱草样地、2号杨树×油松样地、3号杨树×沙棘样地、4号紫花苜蓿×沙打旺样地、5号沙棘×紫花苜蓿样地、6号杨树纯林样地，以自然恢复下的排土场作为对照。采用随机取样方法在7个样地内取样，每个样地取3个剖面，分别采集0—10 cm、10—20 cm的土样，3次重复。土壤容重、孔隙度、毛管持水量、饱和含水量、田间持水量采用常规方法测定；pH值采用电极法测定；速效氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用盐酸-氟化铵法测定；速效钾含量采用乙酸铵提取-火焰分光光度计法测定；有机质含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定[11]；Shannon-wiener多样性指数的测定采用有关文献的方法[12]。

1.3 评价指标选取

土壤质量评价指标一般包括土壤物理、化学和生物性质3个方面的指标[13-14]。根据前人的研究经验并结合本研究的目的，共选择了11项指标进行土壤质量评价研究，其中生物性状指标有Shannon-wiener多样性指数(X1)，土壤物理性质指标有容重(X2)、孔隙度(X3)、饱和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田间持水量(X6)，化学性质指标有pH值(X7)、速效氮含量(X8)、速效磷含量(X9)、速效钾含量(X10)、有机质含量(X11)。

1.4 评价方法

近年来，随着信息技术的飞速发展，越来越多的学者把数学方法引入到土壤质量的综合评价中来，使土壤质量评价趋于逻辑性和系统性。目前常用的方法有标准综合级别法、指数和法、灰色关联分析法、主成分分析法、模糊综合评价法、投影寻踪模型法等[15]。

本研究使用SPSS 17.0软件对各指标进行因子分析和主成分分析。先对原始实测数据进行标准化处理，通过最大正交旋转法旋转，分别得到相关矩阵、特征值、贡献率以及因子载荷量，然后根据各主成分的因子载荷量计算各指标对土壤质量的作用大小，确定权重Wj，公式为

(1)

式中：Wj为第j个指标的权重值；Cj为第j个指标的因子载荷量。

各指标的权重确定后，计算各样地土壤质量综合评价值，对各样地土壤质量进行排序，计算公式为

(2)

式中：Pi为排土场第i个样地土壤综合评价值；Xij为第i个样地第j个指标的标准化值；Wj为第j个指标的权重值；n为评价中所选指标的个数。

2 结果分析

2.1 不同复垦类型下土壤各指标主成分分析

由表1可知，通过对0—10 cm层土壤进行分析，前3个主成分的累积贡献率为94.79%，高于85%，所以可选取前3个主成分代表原有11个成分进行分析。对10—20 cm层土壤各指标的主成分分析可知，前两个主成分累积贡献率达到85.55%，故选取前两个主成分进行分析。

通过表2可以看出，在0—10 cm层土样的第一主成分中，Shannon-wiener多样性指数(X1)、田间持水量(X6)、有机质含量(X11)载荷量较大；在第二主成分中，毛管持水量(X5)载荷量较大；pH值(X7)在第三主成分中载荷量最大。主成分分析说明，在0—10 cm土壤中Shannon-wiener多样性指数、田间持水量、有机质含量、毛管持水量及pH值对该层土壤的恢复有较大影响。通过对10—20 cm层土样的因子载荷量分析可知，在第一主成分中，孔隙度(X3)因子载荷量是0.970，速效磷含量(X9)和Shannon-wiener多样性指数(X1)因子载荷量也较大，所以第一主成分的主要影响因子是Shannon-wiener多样性指数、孔隙度、速效磷含量；在第二主成分中，饱和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田间持水量(X6)因子载荷较大，分别是0.695、0.764、0.779，故第二主成分的选择因子是饱和含水量、毛管持水量、田间持水量。分析说明，在10—20 cm层对土壤质量影响较大的指标是孔隙度、土壤速效磷含量、饱和含水量、毛管持水量、田间持水量、Shannon-wiener多样性指数。在表层土壤中土壤质量受土壤化学性质影响较大，在10—20 cm层土壤质量受土壤含水量的影响较大，说明随着土层深度的增加，根系的生长对土壤水分的需求增加。Shannon-wiener多样性指数对表层土壤和10—20 cm层土壤的环境均有较大的影响，说明植被的生长对改善土壤质量有明显的作用。

表1 各主成分累积贡献率

表2 各指标因子载荷量

2.2 不同复垦类型下土壤综合质量评价值分析

通过各指标的因子载荷量计算出权重，将各指标的权重和标准值加权，利用公式(1)和(2)计算得到排土场土壤综合质量评价值，见表3。由表3可知，各样地0—10 cm层土壤综合质量评价值依次为-0.542 7、0.085 7、0.827 9、0.338 9、0.089 5、-0.003 2、-0.764 6，各样地排序为：3号杨树×沙棘样地>4号紫花苜蓿×沙打旺样地>5号沙棘×紫花苜蓿样地>2号杨树×油松样地>6号杨树纯林样地>1号紫花苜蓿×披碱草样地>7号对照样地。1—6号各样地土壤综合质量评价值均大于7号样地，说明人工复垦对该地表层土壤质量的改善起到了明显的作用。杨树×沙棘样地土壤质量评价值最高，说明乔灌混交模式对该地表层土壤质量的提高有较好的作用。4号样地土壤综合质量评价值大于5号样地和1号样地，表明沙打旺的种植有利于提高该地表层土壤的综合质量，适宜在该地种植。沙棘和紫花苜蓿都是固氮作物，它们混播可以有效提高土壤质量。乔木林样地土壤质量评价值较低、排序靠后，说明在该地不适宜大范围种植耗水量大的杨树。

表3 排土场土壤综合质量评价值及排序

各样地10—20 cm层土壤综合质量评价值依次为-0.002 4、0.071 9、0.806 2、0.306 6、0.095 5、-0.001 5、-0.716 4，按评价值排序与0—10 cm层土壤相同，同样表现出1—6号各样地土壤质量评价值均大于7号样地的规律。由于地表枯落物的作用和植被根系生长的影响，表层土壤综合质量评价值大多大于10—20 cm层土壤，说明植被的生长对表层土壤的改良效果随土层深度的增加而减弱。不同植被复垦模式下土壤质量不同，乔灌混交、灌草混播及草本混播3种模式下的样地土壤质量显著高于其他样地，说明混合播种对提高该地土壤质量有较为明显的作用。

3 结 语

(1)黑岱沟露天煤矿北排土场经过多年人工复垦后，土壤质量较自然恢复状态下有了明显的改善。Shannon-wiener多样性指数对表层土壤和10—20 cm层土壤质量均有较大的影响，说明植被的生长对改善土壤质量有明显的作用。表层土壤质量受土壤化学性质影响较大，随深度增加，土壤水分指标对土壤质量的影响增大。

(2)0—10 cm层和10—20 cm层土壤质量综合评价值排序均为：3号杨树×沙棘样地>4号紫花苜蓿×沙打旺样地>5号沙棘×紫花苜蓿样地>2号杨树×油松样地>6号杨树纯林样地>1号紫花苜蓿×披碱草样地>7号对照样地。随着土层深度的增加土壤质量综合评价值降低。杨树×沙棘样地土壤质量综合评价值最高，说明乔灌混交模式对该地表层土壤质量的提高有较好的作用，同时也说明在该地区较适合采用混合播种模式。沙棘、沙打旺、紫花苜蓿对提高该地土壤质量有显著作用，适宜在该地区种植。

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