阜新露天煤矿排土场边坡土壤质量分异特征

王　凯，张　亮，刘　锋，王道涵，宋子岭（.辽宁工程技术大学，环境科学与工程学院，辽宁 阜新 3000；.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 006）

阜新露天煤矿排土场边坡土壤质量分异特征

王凯1*，张亮1，刘锋2，王道涵1，宋子岭1（1.辽宁工程技术大学，环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016）

以阜新露天煤矿排土场边坡为对象，分析坡向、坡位和恢复年限对土壤物理、化学和生物学性状的影响，并采用土壤质量综合指数法，研究排土场边坡植被恢复过程中土壤质量变化规律.结果表明，排土场边坡土壤含水量、有机质、碱解氮和速效磷含量、pH值以及脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性从坡上到坡下均逐渐增加；恢复10a阴坡土壤含水量、水稳性团聚体含量、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性高于阳坡；随着恢复年限增加，土壤水稳性团聚体和速效磷含量及阴坡碱性磷酸酶活性提高，而土壤 pH值、阳坡碱解氮含量及脲酶和过氧化氢酶活性下降.排土场边坡土壤质量表现为阴坡＞阳坡、坡下＞坡中＞坡上的变化规律；随着恢复年限增加，阳坡坡上和坡中及阴坡土壤质量增加，而阳坡坡下下降.以上结果说明，坡位和坡向是影响排土场边坡土壤质量的重要因素，应根据具体生境特点，采取不同治理措施，才能完成生态恢复.

排土场；土壤质量；坡向；坡位

土壤质量作为土壤的一种固有属性，是土壤理化及生物学性质的综合反映，在维持生态系统生物生产力、保护环境质量和动植物健康等方面具有重要作用［1］.土壤质量作为土壤动态变化最敏感指标，能体现自然因素及人类活动对土壤的影响［2］.土壤质量优劣关系到生态恢复进程、演替方向以及整个生态系统稳定性［3］，因此，土壤质量问题受到广泛关注［4］.

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤矿开采在带来巨大经济利益同时，也严重影响矿区周边地区生态环境与可持续发展［5］.露天煤矿排土场是在采煤过程中，采区内外分层堆置剥离的岩土、矸石、尾矿等废弃物堆积形成极度退化的生态系统［6］，其占用了大量耕地，造成土壤、地下水和大气严重污染，特别是排土场边坡水土流失严重，易发生地质灾害［7］.坡位和坡向是重要立地因子，不同坡位间水土流失程度不同，导致土壤结构和植被生长存在差异；不同坡向间由于光照差异，影响了土壤温度、水分和养分转化；二者间接影响土壤质量和植被恢复进程［8］.排土场边坡治理过程中往往采用相同恢复措施，未区分不同坡位和坡向土壤性状的差异性，导致土地复垦效果不明显，甚至失败［8］.李海宽等［9］对内蒙古黑岱沟露天煤矿排土场的不同复垦类型土壤进行了土壤质量综合评价，发现乔灌混交模式能较好地提高土壤质量.王金满等［10］研究了内蒙古伊敏矿区排土场不同复垦年限土壤质量的动态演变规律，发现随着土壤演替，土壤质量状况得到改善，逐渐接近原地貌土壤质量.以往研究多集中在排土场平台（平面），而对于面积更大、恢复更困难的边坡研究报道较少.所以，本研究以阜新露天煤矿排土场边坡为对象，采用土壤质量综合指数法，研究坡位、坡向和恢复年限对土壤物理、化学及生物学性状影响，探讨边坡植被恢复过程中土壤质量演变规律，以寻求恢复和改善土壤质量的对策，为排土场边坡植被恢复与生态重建提供理论依据.

1　研究地区与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于海州露天煤矿排土场，地处辽宁省阜新市（121°38'33″E，41°57'16″N），排土场东西长7km，南北宽3km，占地16km2.目前，煤矿开采近尾期，已经停止剥离外排.根据排土时间不同，分为东、西2大排土场，东排土场海拔290m，以近年新排剥离土壤为主；西排土场海拔 200m，其排放历史较长，现阶段部分土地已进行了复垦.该区属于温带半干旱大陆性季风气候区，年均降水量539mm，蒸发量 1800mm，年平均气温 7～10℃，平

均相对湿度 50%～60%.典型地带性土壤主要为淋溶褐土和褐土性土，排土场基质还夹杂着大量不同地层粉沙岩、砾岩、页岩等岩石成分以及采煤废弃物，边坡土层较薄，约 10～20cm.植被属华北与蒙古植物区系过度地带，分布着较为旱生的草本和灌木.

1.2研究方法

表1　排土场边坡植物群落特征Table 1　Character of plant communities on dump slopes

1.2.1样地设置2012年7～8月，根据阜新矿务局资料记载和实地勘查，在东排土场植被自然恢复区域，选择 5个典型坡面为研究对象，即自然恢复3a、5a和10a阴坡及5a和10a阳坡（阳坡植被演替缓慢，5a以内植被无明显变化）.坡向采用手持罗盘仪测量，以北为起点（0°）顺时针方向旋转，阴坡为24°，阳坡为202°；各坡面长约60m，坡度为35°左右（坡长和坡度为排土场常见状态）.根据坡面长度，将每个坡面平均分成 3段，划分出不同坡位（即坡上、坡中和坡下）作为研究样地.同时在距离坡底约50m处平地设置恢复10a荒草地作为对照，排土场附近无高大山脉遮光，均为自然光照水平.共设置16个样地，各样地植物群落特征见表1.

1.2.2土壤采集与指标测定方法每个样地按照S型采集土壤样品，重复5次，每个重复由随机选取的5个土壤样品混合而成.采集0～10cm（边坡土层较薄）原状土放入密封塑料袋中，及时带回实验室.将土样分为两份，一份为鲜样，保存于4℃冰箱中，用于土壤酶活性分析及物理性质测定；另一份在自然状态下风干，用于分析土壤化学性质.土壤含水量采用铝盒烘干法，容重和毛管孔隙度采用环刀法，水稳性团聚体含量用湿筛法分析；土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用钼锑抗比色法，pH值采用电位法分析［11］；土壤脲酶采用茶酚次氯酸钠比色法，碱性磷酸酶采用苯磷酸二钠比色法，过氧化氢酶采用KMnO4滴定法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法分析［12］.

1.2.3土壤质量评价根据土壤质量评价指标选取的主导性、敏感性、实用性和独立性原则，以及以往研究资料［8］，选取土壤含水量、容重、毛管孔隙度、水稳性团聚体、有机质、碱解氮、速效磷、pH值、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶构成土壤质量评价指标.采用隶属度函数对各土壤因子评价指标进行标准化，利用主成分因子负荷量值正负性来确定隶属度函数分布的升降性，其中土壤容重和pH值用“S”降型函数（式 1）求隶属度值，其它土壤因子用“S”升型函数求隶属度值［5］（式2）：

式中：Xmax和Xmin为土壤质量评价指标阈值，分别代表测定土壤指标最大值和最小值.

各土壤质量指标重要性不同，用权重系数计算各土壤质量指标在土壤质量评价中的权重：

式中：CCi为第i项土壤质量因子的因子载荷.

应用模糊数学中的模糊集加权综合方法建立土壤质量综合评价数学模型：

式中：SQI 为土壤质量综合评价指数；Wi为各土壤质量因子的权重向量；F（Xi）为各质量因子的隶属度值.

1.3数据处理

以土壤含水量、容重、毛管孔隙度、水稳性团聚体、有机质、碱解氮、速效磷、pH值、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶指标作为自变量，坡位、坡向和恢复年限为变量，进行三因素方差分析（Three-way ANOVA），分析坡位、坡向和恢复年限及其交互作用对各土壤质量指标的影响；对于不同坡位、坡向和恢复年限土壤性状间差异采用One-Way ANOVA进行方差分析，运用 Duncan检验方法进行多重比较；并对土壤酶与理化性状的关系采用Spearman方法进行相关分析.所有数据处理与分析均运用SPSS16.0统计分析软件完成.

2　结果与分析

2.1排土场边坡土壤物理性状分异

土壤水分是土壤理化性状变化的介质及植物生长的必要条件.由表2可知，坡位、坡向和恢复年限对土壤含水量均具有显著影响（P＜0.05），不同坡位间表现为坡下＞坡中＞坡上，不同坡向间为阴坡＞平地＞阳坡（表3），这与在自然［13］和人工［14］边坡的研究结果相似.研究还发现，排土场边坡恢复初期土壤含水量较高，在阴坡表现为恢复3a＞5a和10a，阳坡为恢复5a＞10a（表3）；这可能由于刚从井下排出的土壤或矸石较潮湿，随着恢复年限增加，植被种类和数量逐渐增加，消耗土壤水分增加，含水量下降.阴坡恢复10a后种间关系有所缓解，土壤水分逐渐增加，但与恢复5a差异不显著（P＞0.05）.

表2　坡位、坡向和恢复年限对排土场边坡土壤性状影响的方差分析Table 2　Results of three-way ANOVA showing the P values for responses of soil properties to slope aspect，slope position，and recovery time on dump slopes

表3　排土场边坡土壤物理性状Table 3　Soil physical properties on dump slopes

土壤容重对土壤透气性、入渗性、溶质迁移以及持水和抗侵蚀性能具有较大影响.由表3可知，恢复5a和10a阴坡和阳坡土壤容重表现为坡上＞坡中和坡下，这是由于坡上水土流失严重，石砾含量较多，其结果与在陡坡荒地［15］的研究结果一致.研究还发现，坡位和恢复年限间存在交互作用（P＜0.001）（表 2），随着恢复年限增加，阴坡坡上土壤容重表现为恢复 10a＞5a＞3a，而坡中和坡下为恢复10a＜3a和5a，这可能由于坡上在植被恢复过程中，铁杆蒿在群落中逐步占据优势地位，周边其他灌木和草本植物逐渐消失，地表盖度下降，加重水土较流失，出现了砂砾化侵蚀现象，导致坡上土壤容重逐渐增大；坡上土壤颗粒在水力和重力侵蚀作用下到达坡中，土层厚度增加，随着恢复时间延长，植被逐渐增多，拦蓄作用增强，土壤结构得到改善，所以坡中和坡下土壤容重降低.另外，排土场平地土壤容重大于坡中和坡下（P＜0.05）（表 3），这主要由于平地含有大量石砾，而边坡上的石砾在重力作用下滚落到坡底，所以平地土壤容重较大.

土壤毛管孔隙度代表土壤持水能力，毛管孔隙度越大说明土壤能够吸持更多水分，有利于边坡植被生长与恢复.由表2可知，坡位和恢复年限对毛管孔隙度影响显著（P＜0.01），阴坡恢复3a毛管孔隙度表现为坡下＞坡上＞坡中，恢复10a为坡中和坡下＞坡上（P＜0.05）（表 3）；坡中在植被恢复初期毛管孔隙度较低可能由于坡上水土流失严重，坡中截留了大量粒径较大的石砾，导致土壤毛管孔隙度降低.坡下土壤含水量较高，植被生长较好，枯落物数量较多，导致土壤毛管孔隙度较大.恢复5a和10a阳坡土壤毛管孔隙度均表现为坡中和坡下＞坡上的变化规律（P＜0.05）（表 3），这可能与植被恢复状况和枯落物积存数量较多有关［13］，其结果与在丘陵侵蚀区［16］和天然林［17］边坡研究结果相似.研究还发现，阴坡和阳坡坡中和坡下土壤毛管孔隙度大于平地，而坡上小于平地；这可能由于平地土壤在降雨后易发生板结，而边坡土壤在重力作用下易发生位移在一定程度上减少了板结发生.但坡上由于水土流失原因土壤中黏粒数量较少，毛管孔隙度降低；中下坡位植被和枯落物数量较多，毛管孔隙度增加.

土壤水稳性团聚体具有机械稳定性和水稳定性，能够反映土壤抗蚀能力.由表2可知，坡位、坡向和恢复年限对土壤水稳性团聚体含量影响显著（P＜0.001），总体表现为阴坡＞阳坡，随着恢复年限增加而增大的变化趋势（表3），这与植被恢复有关，阴坡植被恢复效果好于阳坡，随恢复年限增加，植被种类和数量增多，植物根系分泌物及其死亡分解后形成的新鲜多糖和腐殖质能团聚土粒，有利于形成稳定团粒结构，该结果与在岩石山区边坡的研究结果相似［18］.研究还发现，坡位和坡向存在交互作用（P＜0.001），水稳性团聚体含量在恢复3a和5a阴坡及恢复5a和10a阳坡从坡上到坡下逐渐增加，而恢复10a阴坡在坡中最大（表3）.水稳性团聚体含量从坡上到坡下增加的规律与以往在坡耕地的研究结果相似［19］，这主要由于坡面土壤颗粒富集程度从上到下逐渐增加，土层逐渐变厚，从而促进了团聚体形成；恢复10a阴坡土壤水稳性团聚体含量最大值出现在坡中，这主要由于阴坡土壤水分含量较高，坡上土壤在重力、水力和风力作用下到达坡中，增加了坡中土层厚度和土壤中黏粒含量，植被覆盖度逐渐增大，截留作用增强，有利于团聚体形成.此外，平地土壤水稳性团聚体含量小于坡中和坡下（P＜0.05）（表3），这可能由于坡上土壤在重力和水蚀作用下发生位移，使坡中和坡下积存黏粒数量增加，有利于形成团聚结构.

2.2排土场边坡土壤化学性状分异

土壤养分含量和pH值是限制植物存活与生长的重要因素，养分有效性影响着植被恢复进程以及演替过程中种间和种内关系［20］.土壤有机质是土壤中各种营养元素的主要来源，是衡量土壤肥力高低的重要指标.由表4可知，排土场边坡土壤有机质含量表现为坡下＞坡中＞坡上的变化规律，这是由于坡上易发生水土流失，水分在重力作用下往下排泄，产生土壤侵蚀，造成表层土壤流失，土壤有机质和养分含量下降；从坡上到坡下，土壤颗粒在地表植被和枯落物截留作用下逐渐堆积，有机质和养分含量提高［21］.由表 4还可知，随着恢复年限增加，阴坡坡上土壤有机质含量变化不显著（P＞0.05），而坡中和坡下表现为恢复10a＞3a和5a；这可能由于坡上水土流失作用导致植被改良土壤效果不明显，而中下坡位植物根系分泌物及枯落物分解促进了土壤有机质形成与转化过程.阳坡土壤有机质含量随恢复年限变化不显著（P＞0.05），这主要由于阳坡土壤过度干旱影响了养分循环.可见，阴坡中下坡位土壤养分逐渐积累，更利于植被恢复.此外，排土场平地土壤有机质含量小于阴坡坡中和坡下及阳坡坡下（表4），这是由于边坡土壤在重力作用下，增加了中下坡位土层厚度；而平地土层厚度较薄，影响了植被生长及土壤改良.

土壤碱解氮包括铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮，能反映土壤近期氮素供应状况.由表2可知，坡位和恢复年限对碱解氮含量影响显著（P＜0.001），阴坡恢复3a和5a碱解氮含量表现为坡下＞坡上和坡中，阳坡恢复5a为坡下＞坡中＞坡上（P＜0.05）.总的来说，碱解氮含量从坡上到坡下逐渐增加（表4），这与土壤有机质含量变化规律相似.研究还发现，随着恢复年限增加，阴坡表现为恢复 3a＞5a和 10a，阳坡为恢复5a＞10a（表4）；这可能由于随着排土场恢复年限增加，植被种类和数量逐渐提高，消耗土壤养分增加，导致土壤中可利用氮含量下降.此外，排土场平地土壤碱解氮含量与阴坡和阳坡无显著差异（P＞0.05）（表4）.土壤氮主要来源为凋落物的归还，凋落物分解是个复杂而缓慢的过程；由于排土场土壤干旱影响了枯落物腐烂分解，外源氮素补充极少，植物主要利用已有氮素水平，从坡上到坡下随着土层厚度增加，土壤氮含量呈增加趋势，但不同坡向间差异不显著.

表4　排土场边坡土壤化学性状Table 4　Soil chemical properties on dump slopes

土壤速效磷指土壤中磷的有效性，是衡量土壤中存在的磷能为植物吸收利用的程度.由表 2可知，坡位和恢复年限对速效磷含量具有显著影响（P＜0.001）.阴坡恢复3a和5a表现为坡下＞坡上，恢复10a为坡中和坡下＞坡上；阳坡恢复5a表现为坡下＞坡中和坡上，恢复 10a为坡下＞坡中＞坡上，阴坡和阳坡均随恢复年限增加而增加（表 4）.说明土壤磷在下层积累较多，随着恢复时间延长，土壤中可利用的磷含量增加，这可能由于坡下植被恢复较好，植物根系分泌的有机酸和磷酸酶增强了土壤磷素的转化.此外，排土场平地土壤速效磷含量大于坡上，小于坡中和坡下，这是由于中下坡位土层厚度增加，促进了植物根系生长与分泌物释放.

土壤pH值是限制植物存活与生长的重要因素，过低或过高均不利于植物生长.由表 2可知，坡位和恢复年限对pH值影响显著（P＜0.01）.排土场排放初期，土壤pH值属于中性偏碱，随着恢复年限增加pH值逐渐降低，恢复10a时，pH值基本呈中性（表 4），对植被存活生长没有限制作用.土壤pH值从坡上到坡下表现出逐渐升高的变化规律，这可能是雨水淋溶及土壤颗粒位移导致的结果.此外，排土场平地土壤pH值与阴坡和阳坡无显著差异（P＞0.05）（表4）.

2.3排土场边坡土壤酶活性分异

土壤酶是土壤物质循环和能量转化的重要媒介，是土壤质量演变的重要生物学指标；其活性高低可以反映土壤生物化学过程的强度与方向［22］，能够预报土壤利用和生物变化的程度［23］，同时也受多种因素影响［24］.由表2可知，坡位、坡向和恢复年限对排土场边坡不同土壤酶活性影响程度不同.土壤脲酶能促进有机分子肽键水解生成氨和 CO2，是衡量土壤有机氮转化强度的重要指标.由表5可知，脲酶活性从坡上到坡下逐渐增加，说明土壤有机氮转化强度逐渐增加，从坡上到坡下土壤中可被植物利用的氮增多，所以导致土壤中碱解氮含量也呈相似的变化规律（表4）.排土场阴坡脲酶活性为恢复 5a＞3a，表现为增加趋势；而恢复10a阴坡坡下和阳坡均表现为降低趋势，即恢复 10a＜5a，土壤中可被植物利用的氮减少.这可能由于排土场恢复5a到10a，阴坡由草本群落转变为灌木（半灌木）群落，阳坡逐渐由一年生草本群落转变为多年生草本群落.在转变过程中，植物种类和数量增加，生长期延长；对土壤养分吸收增多，而供给不足，导致脲酶活性下降.此外，平地土壤脲酶活性大于阳坡，与阴坡中下坡位无显著差异，这可能由于阳坡土壤含水量较低，土壤过度干旱不利于土壤微生物和动植物生长和繁衍［25］，减少了土壤酶来源.

表5　排土场边坡土壤酶活性Table 5　Soil enzyme activities on dump slopes

碱性磷酸酶能催化磷酸单脂水解及磷酸基团转移反应，直接影响有机磷分解转化及其有效性，其活性高低可作为有效磷转化强弱的指标.由表5可知，碱性磷酸酶活性从坡上到坡下逐渐增加，阴坡表现为恢复10a＞3a和 5a，阳坡恢复10a 和5a差异不显著（P＞0.05），说明随着恢复年限增加，阴坡土壤中可被植物利用的磷增加.研究发现，恢复10a阴坡＞平地＞阳坡（表5），说明土壤中磷素供给在阴坡好于阳坡，这与在黄土高原［26］的研究结果相似.这可能由于阴坡蒸发量小，土壤含水量大，植被生长旺盛，凋落物不断增加，促进了土壤养分循环；同时，植物根系伸展和凋落物增加使得微生物不断繁衍，提高了土壤酶活性［24］.因此，阴坡土壤酶（碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶）活性大于阳坡.研究还发现，碱性磷酸酶活性与土壤水稳性团聚体和有机质含量密切相关（表 6）；土层厚度增加，促进了团聚体形成，为植物生长创造了较好条件，促使植物根系分泌的磷酸酶增加，有机质和速效磷得到提高.

过氧化氢酶能对土壤生化过程中产生的过氧化氢进行破坏，从而减轻其对植物伤害，其活性能表征土壤腐殖质化强度和有机质积累程度.由表2可知，坡向和恢复年限对过氧化氢酶活性均具有显著影响（P＜0.01）.随着恢复年限增加，阴坡表现为恢复 5a和 10a＞3a，而阳坡为恢复5a＞10a（表 5）；说明阴坡土壤腐殖化强度提高，有利于有机质积累，而阳坡土壤腐殖化强度降低，养分含量将下降.研究还发现，过氧化氢酶活性在恢复10a阴坡=平地＞阳坡，这可能由于植被生长和恢复在阴坡好于阳坡［8］，其结果与在黄土丘陵区［23］相似.此外，过氧化氢酶与蔗糖酶活性密切相关，蔗糖酶在土壤呼吸过程中酶促低聚糖水解生成葡萄糖和果糖，土壤在呼吸作用等生化过程中产生过氧化氢，过氧化氢酶广泛存在于土壤中，能有效地催化过氧化氢分解，所以二者关系密切.

蔗糖酶参与土壤有机碳循环，其活性高低能反映土壤中有机碳转化和呼吸作用强度.由表 5可知，蔗糖酶活性从坡上到坡下逐渐增加，阴坡表现为先增加后降低的趋势，恢复 5a＞10a＞3a，这可能由于阴坡恢复初期，植被逐渐增多，植物根系改良土壤作用增加，土壤中碳素营养循环强度提高；但后期植物消耗养分增加，而土壤中碳素供给不足，影响了碳循环，导致蔗糖酶活性下降.阳坡随着恢复年限增加，坡上和坡中表现为 5a＞10a，坡下为 5a＜10a，但差异均不显著（P＞0.05）.蔗糖酶活性在阴坡=平地＞阳坡（表 5）.说明阴坡土壤碳循环较强，更有利于植被恢复.蔗糖酶活性与水稳性团聚体含量密切相关（表6），土壤中酶不是呈扩散分布，而是存在于不同土壤团聚体的微域里，蔗糖酶活性主要集中于微团聚体上［27］；有机质形成与转化中许多物质是团聚体胶体的来源，所以，蔗糖酶活性可以反映有机质转化强度.

表6　排土场边坡土壤酶活性与理化性质的相关系数Table 6　Correlation coefficients between enzyme activities and soil physical and chemical properties

2.4排土场边坡土壤质量分异

土壤质量是综合了土壤物理、化学和生物学性状的指标体系，其数值高低在一定程度上说明了植被恢复难易程度，数值越高植被越易于恢复，反之植被恢复越困难［28］.通过对排土场边坡土壤物理、化学和生物学指标公因子方差和权重分析，发现土壤含水量和过氧化氢酶活性对土壤质量影响较大，而毛管孔隙度和碱性磷酸酶活性影响较小（表7）.由图 1可知，土壤质量综合指数在阴坡＞阳坡，平地土壤质量大于阳坡，小于阴坡坡中和坡下.这可能由于阴坡土壤含水量高于阳坡（表 3），随着植被恢复，植被产生的凋落物和根系腐解物在土壤中矿化积累，将有机物和无机营养元素释放到土壤中，逐渐改善土壤物理、化学和生物学性状［29］，土壤质量得到提高；而阳坡光照充足，水分蒸发较快，同时土壤保水能力极差，导致土壤过度干旱，枯落物无法腐烂分解转化为养分，原有土壤养分和水分资源消耗殆尽，导致阳坡土壤质量低于阴坡.

随着恢复年限增加，阴坡表现出升高趋势，与恢复5a相比，恢复10a坡上、坡中和坡下分别增加了15.13%、45.23%和22.43%.而阳坡不同坡位土壤质量综合指数表现出不同规律，坡上和坡中分别增加了1.18%和12.47%，坡下下降了2.96%.这可能由于从坡上到坡下，土壤水分、养分和酶活性逐渐增加，恢复初期坡下更利于植物生长，植被恢复效果较好，植物种类和数量迅速增加［8］，所以植物对水分和养分需求也增大.然而，由于阳坡土壤干旱，植物枯萎后仍留在原地，一方面无法腐烂分解转化为养分，导致土壤更加贫瘠，无法满足植物生长需求；另一方面，枯草占据了地上和地下生长空间，影响了新生植物生长和其它植物定居，植被恢复困难，土壤质量下降，阳坡可能会发生逆向演替.

此外，阴坡和阳坡不同坡位间土壤质量均表现为坡下＞坡中＞坡上的变化规律（图 1），这主要由于土壤颗粒在重力以及风力和水力侵蚀下不断向下滚动，土层厚度逐渐增加，土壤含水量、有机质、碱解氮、速效磷含量以及脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活也随之提高（表3、表4和表5），土壤质量发生变化.由此，可以看出坡位和坡向是影响排土场边坡土壤质量变化的重要因素，不同坡位和坡向由于光照条件和水土流失特点的差异，导致土壤理化性质及酶活性不同.因此，应根据排土场边坡具体生境特点，采取不同恢复措施.阳坡土壤过度干旱且保水能力差、土壤贫瘠、影响养分周转、无法实现自然恢复，必须采取人工恢复措施.所以，在阳坡应采水肥管理措施，如定期浇水，施用保水剂，在有条件的地方可修建滴灌系统；同时在底肥中施用有机肥，生长旺季增施氮肥，保证养分供给充足，促进边坡植物群落尽快形成.阴坡的主要问题是坡上的水土流失和演替后期的养分短缺，所以，在坡上修建排水沟，防治水土流失，保护植被生长，在生长季施氮肥.

本研究是基于排土场边坡恢复 10a以内土壤质量的评价结果，由于排土场规范排放和管理从近10a才开始，以往排土场排泄混乱，随便找个地方就排了，伴有大量生活垃圾，以及放牧、耕作和复垦等人类活动影响，无法找到未受干扰自然恢复 10a以上的排土场样地.由于研究时段较短以及研究样地限制，部分土壤酶活性与理化性状指标未表现出显著相关关系（表 6）；因此，对露天煤矿排土场开展长期定位观测研究，是未来工作的重点.

表7　排土场边坡各土壤质量指标公因子方差和权重Table 7　Communality and weight of indicators for soil quality assessment on dump slopes

图1　排土场边坡土壤质量综合指数Fig.1　Soil quality indices on dump slopes

3　结论

3.1排土场边坡土壤含水量表现为坡下＞坡中＞坡上，毛管孔隙度和阳坡水稳性团聚体含量在坡

下较大，而容重在坡下较小；土壤含水量和水稳性团聚体含量在阴坡＞阳坡；随着恢复年限增加，土壤含水量和阴坡坡中和坡下及阳坡容重下降.

3.2排土场边坡土壤有机质、碱解氮和速效磷含量及 pH值从坡上到坡下逐渐增加；随着恢复年限增加，速效磷和阴坡坡中和坡下有机质含量增加，碱解氮含量和pH值下降.

3.3排土场边坡土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性从坡上到坡下逐渐增加，恢复10a阴坡土壤碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性大于阳坡；随着恢复年限增加，阴坡坡下和阳坡脲酶活性和阳坡过氧化氢酶活性下降，阴坡碱性磷酸酶活性增加，阳坡碱性磷酸酶和蔗糖酶活性变化不显著.

3.4排土场边坡土壤质量表现为阴坡＞阳坡、坡下＞坡中＞坡上的变化规律；随着恢复年限增加，阴坡及阳坡坡上和坡中土壤质量增加，而阳坡坡下土壤质量下降.

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致谢：本文在写作过程中得到中国科学院沈阳应用生态研究所胡亚林副研究员的帮助，在此表示感谢.

Soil quality variability on dump slopes of opencast coalmine in Fuxin.

WANG Kai1*，ZHANG Liang1，LIU Feng2，WANG Dao-han1，SONG Zi-ling1（1.College of Resource and Environmental Sciences and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；2.Shenyang Research Institute，China Coal Technology and Engneering

Group，Shenyang 110016，China） .

China Environmental Science，2015，35（7）：2119～2128

In the present study，the effects of slope aspect，slope position，and succession years on soil physical，chemical and biological properties in opencast coalmine dumps in Fuxin city were analyzed，and changes of soil quality in the progress of vegetation restoration of the dump slopes were explored using the method of soil quality index. The results showed that the soil water，organic matter，available nitrogen and phosphorus content，pH value，and urease，alkaline phosphatase and invertase activities increased from upper part to lower part of slope. The values of soil water content，water-stable aggregates content，alkaline phosphatase，catalase and invertase activities were higher on the shady slope than on the sunny slope after 10 years restoration. With the succession years increase，the soil water-stable aggregates and available phosphorus content，and alkaline phosphatase activity on the shady slope gradually increased，but the soil pH value，and available nitrogen content，urease and catalase activities on the sunny slope gradually declined. The soil quality was higher on the shady than sunny slope，but decreased in the order of lower part＞ middle part ＞ upper part. With the succession years increase，soil quality increased on the shady slope and at the upper and middle part of sunny slope，while it declined at lower part of sunny slope. These results indicated that slope aspect and slope position played a critical role in soil quality on the slope of coalmine dumps. Therefore，in order to reclaim successfully the slope of coalmine dumps in Fuxin city，different restoration measures should be carried out based on different characteristics of habitat.

dump；soil quality；slope aspect；slope position

X171

A

1000-6923（2015）07-2119-10

2014-12-18

国家自然科学基金（31400613，51474119）

* 责任作者，讲师，wangkai_2005@hotmail.com

王凯（1981-），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，博士，主要从事水土保持与生态恢复研究.