安太堡露天煤矿3种刺槐复垦模式土壤质量评价

王杨扬 赵中秋,2 原 野 郭安宁 曹雪洁 李雪珍

(1. 中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京市海淀区，100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京市海淀区，100035)



★ 节能与环保 ★

安太堡露天煤矿3种刺槐复垦模式土壤质量评价

王杨扬1赵中秋1,2原 野1郭安宁1曹雪洁1李雪珍1

(1. 中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京市海淀区，100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京市海淀区，100035)

刺槐是我国黄土区露天矿土地复垦的先锋物种，选择山西省安太堡露天矿排土场为研究区，分析了复垦21 a的以3种刺槐为优势物种的复垦模式(SⅤ刺槐纯林、SⅣ刺槐+油松、SⅢ刺槐+榆树+臭椿)土壤的7项理化性质指标，以OP原地貌及UR未复垦地作为对照，计算各样地土壤的质量综合指数。结果表明，经刺槐复垦后土壤养分含量及有机碳含量在各土层均高于原地貌及未复垦地；土壤质量综合指数由高到低依次为：SⅣ>SⅢ>SⅤ>OP>UR。刺槐的合理种植可以有效改良排土场的土壤质量，且刺槐+油松复垦模式对土壤的改良效果最佳，该研究结果可为黄土区露天煤矿土地复垦及土壤重构提供一定依据。

露天矿 排土场 刺槐 土壤质量综合指数

露天矿开采中土地的挖损、压占和塌陷严重破坏了地表植被环境，造成土壤功能退化，因此选用合理的复垦模式进行排土场生态系统恢复与重建成为近年来关注的焦点，其中复垦土壤的重构是土地复垦中的一个重要研究内容。国外对矿区土壤质量研究起步较早且研究较为深入，早有国外专家提出以土壤生产力指数模型和模糊PI模型等方法多用于复垦土壤生产力评价。国内研究起步较晚，但成果丰富，已有专家研究了草原区和黄土区露天矿土壤质量演替规律，认为经过土地复垦，土壤质量逐渐接近原地貌水平；还有专家认为沙棘和刺槐等植物可以作为排土场的优良生态恢复植被物种；另有专家分析了黄土丘陵区不同植被恢复模式下土壤理化性质、酶活性和微生物数量的差异，并进行了土壤生态肥力评价；还有专家分析了影响复垦土地生产力的要素，提出了复垦熵流模型。上述研究多集中于土壤质量演替和土壤质量评价方面，对矿区不同复垦模式下的土壤质量的研究较少。

刺槐根系浅而发达且适应性强，是黄土区露天矿土地复垦中重要的先锋物种。刺槐与其他植物合理配置种植能防止水土流失、改善土壤质量、促进各树种生长；相反，配置不合理会造成植物间对养分、水分的竞争，减缓成林速度。鉴于此，本文以安太堡露天矿排土场复垦地为例，研究复垦21 a后不同刺槐种植模式下土壤质量的变化，旨在揭示不同刺槐复垦模式对土壤质量演替的影响，为黄土高原区露天矿区排土场土地复垦与生态重建提供理论依据。

1 研究区概况

安太堡露天煤矿位于山西省朔州市平鲁区境内，其地理坐标为112° 10′ 58″～113° 30 E，39° 23′～ 39° 37′ N，煤炭地质储备量约为127亿t。该矿地属黄土高原的丘陵缓坡地带，水土流失严重，气候四季分明，日温差及年温差均较大；矿区土壤干旱，土质偏砂型，保水能力差。本文以刺槐为优势种的复垦模式选自安太堡露天煤矿南排土场，该排土场目前已经形成刺槐、榆树、油松、沙棘等为主的林、草、灌多层次、多类型的植被结构，生态环境得到有效恢复。平朔矿区位置示意图如图1所示。

图1 平朔矿区位置示意图

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

根据刺槐复垦模式的不同，选取复垦21 a的刺槐纯林、刺槐+油松、刺槐+榆树+臭椿这3种复垦模式(纯林与混交林主要根据树种的优势度和丰富度来界定)，并选原地貌及内排土场未复垦地作为对照。各样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况表

土样于2014年8月采集，根据不同模式选取5个样地，每个样地取3个样点作为重复，每个样点去除表层腐殖质后，分别采取“四分法”用土钻分层取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土壤，后将采集的土样放在干燥通风的房间内进行风干并磨碎，去除土壤中的杂质，按要求研磨后用于理化性质检测，检测后数据按样地类型取平均值进行分析，同时在每个样点附近用100 cm3环刀采取原状土用于土壤容重的计算。

2.2 测试指标与检测方法

土壤质量分析选用土壤容重、有效磷、速效钾、全氮、碱解氮、有机碳和pH 值这7个指标，各指标具体测定方法见表2。

表2 土壤理化性质测定方法

2.3 研究方法

本文采用土壤质量综合指数(SQI)法对土壤质量进行评价，选取样地表层0～20 cm土壤的理化性质作为土壤质量的评价指标，运用SPSS 22.0，对研究区刺槐的不同复垦模式下的土壤质量评价指标进行统计分析。通过相关系数法和隶属函数，计算出各指标的权重和隶属度，根据土壤质量指数公式可得到各采样点的SQI。

2.3.1 确定各评价指标的权重

本研究采用相关系数法来确定权重，各评价指标权重见表3。

表3 各评价指标权重

2.3.2 确定各评价指标的隶属度

根据研究区的实际情况，采用戒上型函数来确定土壤有效磷、速效钾、全氮、碱解氮及有机碳的隶属度，采用抛物线型隶属函数来确定土壤容重的隶属度。相应的隶属度函数见式(1)和式(2)：

(1)

各指标的最小值和最大值作为函数的转折点x2和x1。

(2)

b1、b2、a1、a2为评价指标的临界值，结合研究区实际，确定土壤容重的临界值为b1=0.8、b2=1.6、a1=1.1、a2=1.2。

土壤的pH值在一定范围内最适宜作物生长，pH值的隶属度取值详见表4。

表4 pH值的隶属度值

根据以上方法计算出不同刺槐复垦模式下各指标隶属度见表5。

表5 各评价指标隶属度

2.3.3 计算土壤质量指数

本次研究根据各评价指标的权重和隶属度，运用指数和法计算各模式下SQI。SQI值越大，其对应地区的土壤质量越好，计算公式见式(3)：

(3)

式中：SQI——土壤质量综合指数；

Wn——第n个评价指标的权重值，代表各评价指标的重要性；

Cn——第n个评价指标的隶属度值，代表各评价指标的优劣性；

m——评价指标数。

2.3.4 数据分析

利用SPSS 22.0统计分析软件单因素方差分析 (one-way ANOVY )方法研究区样地土壤理化指标，进行差异显著性检验，并利用最小显著极差法(LSD)进行多重比较，确定不同刺槐复垦模式下排土场土壤指标的差异显著性，后作图进行对比分析。

3 结果与分析

3.1 不同刺槐复垦模式下土壤理化性质

3.1.1 土壤容重

土壤容重是衡量土壤紧实度的指标，土壤容重分析如图2所示。

图2 土壤容重分析

注：同一图中不同字母表明同一土层不同样地差异显著(P<0.05),下同

由图2可以看出，研究区各样地在各土层土壤容重差异明显，变化范围在1.39～1.55 g/cm3。在0～20 cm土层，UR未复垦地(1.51)显著高于其他样地(P<0.05)；OP原地貌林地(1.39)显著低于其他样地(P<0.05)，SⅢ、SⅣ、SⅤ样地经刺槐复垦21 a后，土壤容重较未复垦地有明显降低，但不同刺槐模式下土壤的土壤容重无显著差异。3种复垦样地及原地貌土壤容重值随土层的加深而增加，未复垦地土壤容重值无明显规律。

3.1.2 土壤pH值

土壤pH值为6.5～7.5时，植物吸收土壤养分的效果最佳，土壤pH值分析如图3所示。

图3 土壤pH值分析

由图3可以看出，各样地在各土层的土壤pH值差异不大，变化范围在7.66～8.48之间，均值为8.1。在0～20 cm土层，最大值出现在UR未复垦地，为8.25，最小值出现在SⅣ样地，为7.82，SⅣ样地、SⅢ样地及OP原地貌表层土壤pH值显著低于SⅤ样地及UR未复垦地(P<0.05)。除SⅣ样地，其他样地土壤pH值均随土层深度的增加而增加。

3.1.3 土壤养分

磷元素可促进植物的新陈代谢，提高其抗旱性，土壤养分分析如图4所示。

由图4(a)可以看出，经刺槐复垦后样地土壤有效磷含量在各土层均高于原地貌，其中在0～20 cm的表土层，SⅢ样地(22.8 mg/kg)与SⅣ样地(20.1 mg/kg)土壤有效磷含量显著高于其他样地；而SⅤ样地(7.69 mg/kg)、OP样地(3.74 mg/kg)与UR样地(5.91 mg/kg)土壤有效磷含量差异不显著(P<0.05)。除UR样地土壤有效磷含量随土层深度增加而上升外，其他样地土壤有效磷含量均随土层深度增加而降低。

钾元素可促进植株茎干健壮，增强植株抗寒能力。由图4(b)可以看出，SⅣ样地在各土层深度土壤速效钾含量均显著高于其他样地(P<0.05)，其中在0～20 cm的表土层，土壤有效钾含量顺序为，SⅣ样地(190 mg/kg)> SⅢ样地(137 mg/kg)>OP样地(88.3 mg/kg)> SⅤ样地(66.7 mg/kg)>UR样地(65.9 mg/kg)。除UR样地土壤有效磷含量各层间差异不明显外，其他样地土壤有效磷含量均随土层深度增加而降低。

全氮水平可以衡量土壤固氮的能力。由图4(c)可以看出，经刺槐复垦后样地土壤全氮含量在各土层均高于原地貌，SⅣ样地在各土层深度土壤全氮含量均显著高于其他样地(P<0.05)，其中在0～20 cm的表土层，全氮含量排序为：SⅣ样地(3.59 mg/kg)>SⅤ样地(1.95 mg/kg)>SⅢ样地(1.54 mg/kg)>OP样地(1.08 mg/kg)>UR样地(0.7 mg/kg)。除UR未复垦地土壤全氮含量随土层深度增加而上升外，各样地表土层土壤全氮含量均高于其他土层。

图4 土壤养分分析

土壤碱解氮又称土壤水解氮或有效氮，是评价土壤质量中常用的指标之一。由图4(d)可以看出，SⅣ样地各土层深度土壤碱解氮含量均显著高于其他样地(P<0.05)，其中在0～20 cm表土层，碱解氮质量分数变化范围为19.9～159 mg/kg，差值较大；刺槐复垦样地土碱解氮含量显著高于其他样地。除UR样地，其他样地0～20 cm表层土壤的碱解氮含量显著高于20～40 cm及40～60 cm土层。未复垦地土壤碱解氮含量在不同土层均无明显差异。

3.1.4 土壤有机碳质量分数

土壤有机碳在土壤贫瘠地区对植物生长和维持作物可持续生产力方面起着关键作用，土壤有机碳质量分数如图5所示。

图5 土壤有机碳质量分数

由图5可以看出，各样地在不同土层土壤有机碳含量差异较为显著；经刺槐复垦后样地土壤有机碳含量在各土层均高于原地貌；除UR未复垦地外，SⅣ样地在各土层土壤有机碳含量均显著高于其他样地(P<0.05)。在0～20cm的表土层，SⅣ样地有机碳含量最高，对有机碳的积累作用最为明显；其次是SⅢ样地、SⅤ样地及OP样地原地貌；UR未复垦地有机碳含量显著低于其他样地。除未复垦地外，各样地土壤有机碳含量随土层深度的加深而降低。

3.2 不同刺槐复垦模式下土壤质量综合指数

土壤质量综合指数如图6所示，其中，SⅤ样地为0.2939，最接近原地貌； SⅣ样地土壤质量综合指数最高，为0.9133；SⅢ样地为0.5470，土壤质量综合指数次高；未复垦地UR为0.1342，土壤质量综合指数最低；原地貌OP为0.2518。土壤质量综合指数排序为SⅣ样地>SⅢ样地>SⅤ样地>OP原地貌>UR未复垦地。土壤质量综合指数越大，说明土壤质量越好。

图6 土壤质量综合指数

参照土壤质量综合指数(SQI)评价分级标准，将研究样地土壤质量分成以下5级，级别越高，土壤质量越佳：SQI≤0.30为Ⅰ级；0.300.60为Ⅴ级，土壤综合质量分级见表6。

总体来说，经刺槐复垦后的土壤综合质量水平有了明显的提升，原地貌土壤质量水平较低，究其原因可能是其地处矿区，长期受到开矿影响和环境污染影响，且未进行后天改良。刺槐+油松复垦模式下土壤质量等级较高，且与其他样地差距明显，该复垦模式在黄土高原地区露天矿排土场值得广泛推广。

表6 土壤综合质量分级

4 讨论

4.1 刺槐复垦对土壤理化性质的影响

排土场经21 a刺槐复垦，植被枯落物的分解和植物根系等作用使土壤养分状况得到了明显改善，土壤容重、pH随着复垦年限增加而降低，而土壤有效磷、速效钾、全氮、碱解氮、有机碳含量随复垦年限增加而增加，这与很多研究结果相似。

安太堡露天煤矿地处黄土高原，土壤贫瘠，加上常年的煤矿开采及环境污染，矿区土壤养分整体水平较低，煤矿开采过程中矿区小气候得以改变，刺槐和油松等大型乔木在排土场大量拓殖，植被产生的凋落物和根系腐解物在土壤中不断积累和矿化，将有机物和无机营养元素释放于土壤，使土壤的理化性质得到有效改善。土壤重构过程中大型机械压实严重致使复垦地土壤容重较高，而原地貌土壤因其未经破坏及压实，且经小叶杨改良，所以表层土壤更为疏松。复垦地林下广布阔叶树，枯枝落叶与草本植物的枯死体对土壤有培肥作用，微生物在分解枯枝落叶的时形成一系列螯合物和酸酚类络合物，促进了土壤中含钾矿物的分解，提高了土壤速效钾含量，而刺槐根部的固氮根瘤，有利于提高土壤的氮素和增加有机质。

从土壤剖面结构来看，表层土壤养分远高于深层土壤。复垦地土壤养分的淋溶、下渗是人工植被土壤养分获取的来源之一。值得注意的是，未复垦地土壤各项指标呈现出随着土壤深度增加而增加的趋势，这是由于未复垦地土壤剖面在重构过程中将原地貌土层顺序的倒置而未复垦地土壤又未经植被改良引起的。

4.2 不同刺槐复垦模式对土壤综合质量的影响

3种刺槐复垦模式中，刺槐+油松模式可以有效降低土壤pH值，改善土壤养分含量，增加土壤有机碳含量，对排土场土壤改良效果最好，刺槐+榆树+臭椿模式次之，刺槐纯林模式相对而言改良效果不如混交林，其与原地貌小叶杨林地土壤质量相差不多，但略高于原地貌。这一结果与前人研究结果相似。不同的植被类型可以使土壤质量发生明显改变。小叶杨在黄土高原地区又称“小老树”，其生长需要充足的水分，但由于黄土高原地区自然条件恶劣，外加采矿等人为因素干扰，致使其植株普遍生长矮小、病虫害严重、生产力低下，植被与土壤的相互作用导致原地貌养分不足、生态环境脆弱。刺槐耐瘠薄、耐旱性优于小叶杨，其根瘤菌可以固氮，落叶可肥土，在贫瘠的土壤中可以快速适应环境，所以研究区刺槐纯林复垦地土壤质量优于原地貌小叶杨林地。此外，刺槐混交林土壤质量优于纯林，多是由于混交林可以发挥种间互补作用，充分利用空间、温度、光照、水分、养分等生态因子，致使其生长量就枯枝落叶的培肥作用显著提高。乔木林中，针阔混交林能使土壤疏松，提高土壤持水量和孔隙度，并且针叶树的凋落物中含有大量单宁、树脂和木质素等，这些物质分解后产生酸性物质，会导致土壤pH值下降。研究区所属地域土壤呈碱性，土壤pH值下降直接影响到土壤中全氮、碱解氮以及有机碳的含量，可以进一步达到改良排土场土壤质量的效果。

5 结论

(1)通过对比复垦地与未复垦地土壤理化性质指标及土壤质量综合指数可知，各刺槐复垦模式下土壤养分水平均高于未复垦地及排土场。因此，种植刺槐可以改善安太堡矿区排土场的土壤质量，促进植被生长及恢复，达到修复及保护研究区生态环境的效果。

(2)在3种刺槐复垦模式中，刺槐+油松混交林对于土壤质量的改善效果最好，其次是刺槐+榆树+臭椿混交林。而刺槐纯林的种植相较前两种模式对矿区土壤质量的改善作用较小。因此，在后期对矿区土地复垦的研究中，可因地制宜的推行混交种植模式，选取相应的树种，进行合理配置种植，提高土壤质量。

(3)除未复垦地外，土壤养分最高值均出现在各样地的表层土，未复垦地土壤养分与土层深度无固定规律。

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(责任编辑 王雅琴)

Evaluation of soil quality under three robinia pseudoacacia reclamation modes in Antaibao Opencast Mine

Wang Yangyang1, Zhao Zhongqiu1,2, Yuan Ye1, Guo Anning1, Cao Xuejie1, Li Xuezhen1

(1.School of Land Science and Technology, China University of Geosciences,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Land and Resources,Haidian, Beijing 100035, China)

Robinia pseudoacacia is a pioneer species of land reclamation in opencast mines in loess area of our country. Taking the refuse dump of Antaibao Opencast Mine in Shanxi Province as research area, seven soil physicochemical properties of three reclamation modes (SⅤ:pure Robinia pseudoacacia forest, SⅣ:robinia pseudoacacia & pinus tabulaeformis, SⅢ:robinia pseudoacacia & elm & ailanthus altissima) in which robinia pseudoacacia were dominant were analyzed. Taking the OP (original physiognomy) and the UR(un-reclamation land)as contrast, the soil quality indexes of each sample plot were calculated. The results showed that after the robinia pseudoacacia reclamation, soil nutrient content and organic carbon content of each soil layer were higher than that of OP and UR; the soil quality index from high to low was listed in following order: SⅣ>SⅢ>SⅤ>OP>UR. Reasonable planting with robinia pseudoacacia could effectively improve the soil quality of the refuse dump, and the soil quality of reclamation mode with robinia pseudoacacia and pinus tabulaeformis was the best. The ressearch could provide some basis for land reclamation and soil remodeling in opencast mines of loess area.

opencast mine, refuse dump, robinia pseudoacacia, soil quality comprehensive index

国土资源部公益性行业科研专项——典型露天煤矿复垦生物多样性恢复研究(201411017)

王杨扬，赵中秋，原野等. 安太堡露天煤矿3种刺槐复垦模式土壤质量评价[J].中国煤炭，2017，43(5)，130-136. Wang Yangyang，Zhao Zhongqiu，Yuan Ye，et al. Evaluation of soil quality under three robinia pseudoacacia reclamation modes in Antaibao Opencast Mine[J]. China Coal，2017，43(5)，130-136.

TD824

A

王杨扬(1993-)，女，山西太原人，硕士研究生，主要从事土地整治与生态恢复方面的研究。