晋陕蒙矿区排土场不同改良模式下土壤养分效应研究*

王丽丽 甄 庆 王 颖 孙层层 严 翔 郑纪勇，3†

（1 中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀和旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100）

（2 中国科学院大学，北京 100049）

（3 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

晋陕蒙地区是我国特大型能源基地，蕴含丰富的煤炭资源，该区大规模地露天开采，在带动经济发展的同时，造成了地表破坏、植被受损等环境污染和生态问题，严重限制了该区的可持续发展。排土场是在露天煤矿开采过程中形成的巨型特殊地貌，由大量剥离物人工堆垫形成［1］。矿区扰动地表生态系统重建和新建排土场新构土体的复垦成为当前矿区生态环境建设中最为紧迫的任务［2］。现阶段矿区排土场主要存在土层薄（小于等于50 cm，农用地标准）、质地粗（0.02～2 mm砂砾大于等于70%）、质量差（有效养分含量较低）、漏水漏肥严重等问题。

晋陕蒙矿区土壤类型以沙黄土和砒砂岩为主，沙黄土结构疏松，质地粗，保水保肥能力差；砒砂岩结构性差，无水时坚硬如石，遇水则松软如泥，极易发生水土流失［3］，但由于岩中矿物含量高，砒砂岩含有高达30%的蒙脱石［4］矿物，具有很强的吸附能力和离子交换能力，保水保肥能力较好。当地还大量存在一种煤层的风化物——风化煤，其腐殖酸含量丰富，含有多种活性基团，具有吸附、络合和交换等性能，是一种良好的天然吸附剂［5］。土壤养分是评估土壤质量的重要指标，已有众多学者将砒砂岩用于改良沙黄土、与沙复配，或将风化煤作为改良剂施于土壤中：如摄晓燕等［6-7］研究砒砂岩改良风沙土对氮、磷的吸附效果，结果显示，添加砒砂岩可减少土壤对磷的吸附量，增加土壤对铵态氮的吸附。有研究［8-12］将砒砂岩与沙复配，并种植玉米、小麦、马铃薯等，研究复配土的理化特性及对土壤肥力的影响。有研究［5］显示风化煤的使用对黄土区的煤矿土地复垦有明显作用，风化煤中含有较多腐殖酸，施入土壤后，减少了水、肥的流失，使土壤有机碳含量升高，土壤得到改良［13］。武瑞平等［14］以风化煤为修复介质，认为合理施用风化煤对露天煤矿复垦土壤理化性质有明显的改良效果，土壤养分随风化煤施用量的增加而显著增加。李华等［5］通过野外分区试验,研究刺槐种植后露天煤矿区复垦土壤理化性质的变化，结果表明，不同量风化煤施用后，0～20 cm土层土壤有机质、腐殖质含量显著提高，且风化煤施加量为27 t·hm-2时改良效果最佳。但将风化煤、砒砂岩分别与沙黄土掺混，比较不同新构土体改良土壤养分效果的研究却鲜见报道。本研究利用砒砂岩沙黄土掺混土体、风化煤沙黄土掺混土体、沙黄土这三种结构与养分性能各异的土壤类型，对永利煤矿排土场进行土体重构，辅以施肥加速熟化和种植植物的措施，对矿区土壤进行改良，分析比较了3年后改良土壤与原地貌及新建排土场土壤中养分差异，旨在探究矿区排土场不同改良模式的土壤养分效应，为矿区排土场土地复垦与生态恢复的理论和措施积累认识和经验。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区准格尔旗永利煤矿排土场（39°69′N，110°27′E），地处鄂尔多斯市中东部，为黄土高原向鄂尔多斯高原过渡的交错地带，海拔1 409.9 m，属典型砒砂岩、沙黄土分布区，年平均气温6.2～8.7℃，年均降水量400 mm，年潜在蒸发约2 200～3 000 mm，降水年际、季节分配不均，主要集中于7—9月。常年多风沙天气，平均风速3.4 m·s-1，为大陆性干旱半干旱气候，植被均以抗旱、抗贫瘠、生长缓慢、种类单纯为特点。

1.2 试验设计

在永利煤矿排土场修筑新构土体小区，小区中采取工程措施与植物措施相结合的复垦方式：第一种处理是将沙黄土与砒砂岩按7∶3比例混掺（沙黄土：砒砂岩，w/w,该处理简称为FS），第二种处理是将风化煤与沙黄土混掺，风化煤添加量为27 t·hm-2（简称为WC）；第三种处理是排土场施加当地的沙黄土，不混掺其他类型的土体（简称为SL），每个小区的沙黄土施加量为13 t，铺设厚度为50 cm，每个处理重复三次 。修筑砒砂岩与沙黄土混掺的新构土体小区时，将供试的砒砂岩和沙黄土用搅拌机搅拌均匀，人工铺设成深度为50 cm的土层；修筑风化煤与沙黄土混掺的新构土体小区时，将供试的风化煤和沙黄土用搅拌机搅拌均匀，人工铺设在0～20 cm的土层，其底部为沙黄土。重构小区于2013年修建，小区规格为5 m×4 m，深50 cm。修建时对所有重构土体表层一次性施加农家肥（羊粪，25 t·hm-2）、菌肥（金宝贝微生物菌肥，60 kg·hm-2）和化肥（磷酸二铵，600 kg·hm-2），表施后翻耕。在重构小区中，于2013年种植小白菜、2014年种植黄豆、2015年和2016年种植荞麦，以加速熟化。

排土场周边为植被类型以长茅草为主的黄土丘陵沟壑地貌。本试验设计中将原地貌土壤（简称为OL）以及新建排土场的土壤（简称为CK）作为对照，通过测定表层0～20 cm土壤养分含量，研究不同改良模式下土壤养分的差异。

试验所用沙黄土、风化煤均采自当地，砒砂岩采自鄂尔多斯暖水镇砒砂岩示范区。风化煤pH为6.02，有机质含量5.85 g·kg-1，腐殖酸4.617 g·kg-1，全氮2.98 g·kg-1。沙黄土和砒砂岩的基本性质如表1所示。

1.3 样品采集与分析

土样采集时间为2016年10月底，采样方法为多点混合取样，在每个重构土体小区随机选取3个重复，用土钻法分别取0～10 cm和10～20 cm深度的新鲜土样。新鲜土样采回后,去除鲜土中的植物根系和石块，过2 mm筛，分成两份, 一份于4℃保存，一份风干备用。用烘箱法测定过筛鲜土的含水量；用鲜土测土壤中硝态氮、铵态氮含量；将风干土过0.15 mm筛用于测定土壤有机碳；风干土过0.25 mm筛用于测定土壤全氮、有效磷的含量。土壤有机碳用重铬酸钾容量法—外加热法测定，土壤全氮用半微量凯氏定氮（2300，FOSS公司，瑞典）法测定，土壤硝态氮、铵态氮用1 mol·L-1氯化钾溶液浸提—流动分析仪（AutAnalyel，AAA公司，美国）法测定，土壤有效磷用NaHCO3浸提—钼锑抗比色（UV2300，上海天美科技公司）法测定。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.4 数据处理

采用加权综合法［15］建立土壤质量综合评价模型：

式中,SQI为土壤质量指数（Soil quality index）；Ci为各个评价指标的隶属度值；Ki为第i个评价指标的权重；Π是连乘符号, n是评价指标的个数。

利用Microsoft Excel 2013、SPSS 18.0和Origin8.0软件对数据进行统计处理和绘图。采用SPSS软件单因素方差分析（One-way ANOVA）和邓肯（Duncan）新复极差法进行多重比较，以检验差异是否显著。

2 结 果

2.1 不同改良模式下土壤有机碳含量变化

永利煤矿排土场不同改良模式下，0～20 cm表层土壤中不同土体类型有机碳含量变化如图1所示。从图中可以看出，不同土体中有机碳含量在两个土层中呈现一致的变化趋势，均表现为FS＞WC＞SL＞OL＞CK。

在0～10 cm土层中，5种不同土体类型间的有机碳含量具有显著性差异（P＜0.05）。FS、WC、SL、OL四种土体类型相对于新建排土场（对照土壤），土壤有机碳分别为其15.4倍、14.4倍、8.3倍、7.5倍。在10～20 cm土壤中，沙黄土与原地貌间无显著性差异，其余土体类型间有机碳含量有显著性差异（P＜0.05）。FS、WC、SL、OL这四种土体类型相对于新建排土场，土壤有机碳分别为其的12.2倍、10.0倍、5.1倍、4.9倍。因此，掺混砒砂岩和风化煤对于提高土壤有机碳有显著效果；沙黄土和原地貌土壤中有机碳含量无显著差异，改良后的土壤以及原地貌土壤相比新建排土场的土壤，均有显著提高。

2.2 不同改良模式下土壤全氮含量变化

不同改良模式下表层0～20 cm土壤全氮变化如图2所示。全氮在土壤中分布具有表层聚集现象，但0～10 cm土层与10～20 cm土层差异不显著。在0～10 cm和10～20 cm两个土层中，不同处理的土壤全氮变化一致，均表现为OL＞FS＞SL＞WC＞CK。在0～10 cm的土层中，FS、WC、SL、OL这四种土体类型的土壤全氮含量分别为新建排土场的5.2倍、4.9倍、5倍、8.6倍；在10～20 cm的土层中，FS、WC、SL、OL这四种土体类型土壤全氮分别为对照土壤的3.4倍、3.2倍、3.3倍和7.5倍。原地貌土壤中全氮含量显著高于其他土体类型（P＜0.05），重构小区中的三组土体全氮含量相近，新建排土场土壤中全氮含量显著低于其他土体类型（P＜0.05）。

图1 不同改良模式下的土壤有机碳Fig. 1 Soil organic carbon in the soil relative to soil amelioration mode

图2 不同改良模式下的土壤全氮Fig. 2 Soil total nitrogen in the soil relative to soil amelioration mode

2.3 不同改良模式下土壤硝态氮和铵态氮含量变化

不同改良模式下土壤硝态氮和铵态氮的含量变化如图3所示，由图3A可以看出，在0～10 cm土层中，沙黄土土壤中的硝态氮含量显著高于其他四种土体类型（P＜0.05）；而在10～20 cm土层中，沙黄土硝态氮含量居中，土壤硝态氮含量从高至低依次为WC＞FS＞SL＞OL＞CK。混掺砒砂岩和混掺风化煤的两种新构土体类型对于改良土壤中硝态氮含量的效果相近，两个土层中原地貌土壤硝态氮含量均显著低于人工熟化的三种土体类型（P＜0.05），且不同熟化方式对于矿区排土场的土壤硝态氮均有明显的改善，具体表现为：在0～10 cm土层中，FS、WC、SL、OL四种处理的土壤硝态氮分别为CK的6倍、7倍、11.4倍和3.6倍；在10～20 cm土层中，FS、WC、SL、OL四种处理的土壤硝态氮分别为CK的3.6倍、4.2倍、2.8倍和1.6倍。

不同改良模式下土壤铵态氮的含量变化如图3B所示，在0～10 cm和10～20 cm两个土层中，不同处理间铵态氮含量变化无统一规律，且无表聚现象。在0～10 cm土层中，掺混风化煤的新构土体和沙黄土中土壤铵态氮含量显著高于其他土体类型（P＜0.05），不同处理下土壤铵态氮含量从高至低依次为WC＞SL＞FS＞OL＞CK；相对于新建排土场，其他四种土体类型分别提高了1.29、2.0、1.98、0.66 mg·kg-1。在10～20 cm土层中，土壤铵态氮含量排序为OL＞FS＞WC＞SL＞CK,原地貌土壤铵态氮含量为5.32 mg·kg-1，显著高于其他四种土体类型（P＜0.05），沙黄土中铵态氮含量较低（3.43 mg·kg-1）。试验结果可以看出，3种改良模式对土壤铵态氮均有不同程度的改善作用。

2.4 不同改良模式下土壤有效磷含量变化

如图4所示，矿区排土场土壤有效磷的分布均有表层聚集现象。在0～10 cm和10～20 cm土壤中，不同处理下的有效磷含量表现一致，按照从高至低的排序为WC＞FS＞SL＞CK＞OL。从这5种土体类型表层土壤有效磷含量变化可以看出，掺混风化煤的新构土体类型显著高于其他土体（P＜0.05），其次为掺混砒砂岩的人工熟化的新构土体，沙黄土中有效磷含量居中。与其他处理土壤养分不同的是，原地貌土壤中有效磷含量在0～20 cm表层土壤中显著低于新建排土场对照（P＜0.05）。

图3 不同改良模式下的土壤硝态氮（A）和铵态氮（B）Fig. 3 Soil nitrate nitrogen（A）and ammonium nitrogen（B）in the soil relative to soil amelioration mode

图4 不同改良模式下的土壤有效磷Fig. 4 Soil available phosphorus in the soil relative to soil amelioration mode

2.5 不同改良模式土壤养分质量综合评价

土壤质量是土壤各个属性综合作用的结果。分别计算0～10 cm和10～20 cm土层中不同处理的土壤质量指数，结果如表2所示。可以看出不同处理的土壤通过加权综合法，由5个土壤养分指标计算出的土壤质量指数在0～10 cm土层中的变化范围是0.16～0.79，在10～20 cm土层中的变化范围是0.16～0.55，几种土壤类型中土壤质量指数排序为WC＞FS＞SL＞OL＞CK。

表2 0～20 cm土层中土壤质量指数Table 2 Soil quality indices in the 0～20 cm soil layer

3 讨 论

本研究结果可以看出，除铵态氮外，改良后的土体中养分分布表现出明显的表层聚集现象。土壤有机碳含量0～10 cm土层高于10～20 cm土层（图1），因为土壤中植被根系以及植被的枯枝落叶更多集中在0～10 cm土层，导致植物积累的土壤有机碳更多集中在表层0～10 cm土壤中。不同改良模式的土壤相比新建排土场的土壤，有机碳含量均有不同程度的提高，因为新建的排土场，土壤质地疏松，土壤养分易流失，开采煤矿时，土壤在剥离、堆砌等过程中受到侵蚀，同时雨水冲刷及内蒙地区的风蚀均能导致有机碳的大量损失［16］。掺混砒砂岩的新构土体有机碳含量最高是因为砒砂岩有很强的吸附能力和离子交换能力，保水保肥能力较好。掺混风化煤的新构土体有机碳含量高是因为风化煤中含有丰富的腐殖酸，施入土壤后，土壤微生物活性增强，调节土壤的孔隙度，减少水、肥流失，使土壤有机碳含量升高，土壤得到改良［13］。

全氮含量是衡量土壤氮素水平的基础肥力指标。有研究表明，植被恢复可增加排土场表层土壤有机质和全氮含量，且恢复年限越长，含量增加越显著［17-19］。原地貌的长芒草由于复垦年限长，覆盖度高于人工熟化的重构小区，根系数量多且多为须根，在微生物的作用下产生大量分泌物，提高土壤氮素含量。掺混砒砂岩的新构土体由于砒砂岩具有保肥作用，土壤母质也具有一定的养分，外加人工培肥，因此，土壤中全氮含量较高（图2）。硝态氮和铵态氮属于速效氮，硝态氮是最易被旱作作物吸收利用的氮素形态，也是氮素流动、损失和被利用的中心环节；铵态氮由硝化作用转化为硝态氮，土壤中铵态氮含量就会迅速下降［20］。风化煤的铵态氮含量高，因为风化煤具有有机质和腐殖质含量高、吸附能力强等优良的理化和生物学特性［21］，其氮含量也有一定的来源，土壤养分含量有所提高［22］，且其吸附作用可吸收一定量的铵态氮。经过硝化作用，可以产生大量的硝态氮，因此，掺混风化煤的新构土体中铵态氮含量也很高（图3）；且风化煤中含有多种活性基团，增强了土壤中氮的自然循环还原能力，腐殖酸含碳、氮等多种元素，在分解过程中便释放出来供给作物吸收利用，增加土壤的速效养分［23］。砒砂岩中铵态氮含量也较高（图3），因此，掺混砒砂岩的新构土体可在短时间内增加改良土壤对铵态氮的吸附量，一定程度上减少了铵态氮的挥发损失［6］。

掺混风化煤的新构土体中有效磷含量最高，是因为风化煤中含有多种活性基团，能大大减少磷的固定损失［22］。风化煤中的含碳化合物基本上可转化为腐殖酸类物质［21］，大大增加土壤有效养分。本研究中掺混砒砂岩的新构土体有效磷含量高于沙黄土（图4），可能是由于砒砂岩具有较强的保水保肥能力，大大降低了有效磷在土壤的流动性和被淋溶的程度［24］。原地貌土壤中有效磷含量最低，显著低于新建排土场，因为磷在土壤熟化过程迁移能力最小，原地貌年限较新建排土场和重构小区年代更久远，土壤中有效磷逐渐形成溶解度低的磷酸钙盐。此外，新建排土场以及重构小区的土体是在矿区开采和复垦后上下层混合后的土体，表层土壤中有效磷被植被大量利用，深层土壤中含量较高，因而，原地貌0～20 cm土壤中有效磷含量显著低于其他几种处理（图4）。

通过加权综合法利用这5个土壤养分指标计算不同处理的土壤质量指数，研究发现不同改良模式下土壤养分质量风化煤掺混土体最高，其次是砒砂岩掺混土体，沙黄土高于原地貌土壤，对照质量最差。风化煤中由于含有较多的腐殖质及活性基团，使土壤中养分含量有所提高，促进养分发生氧化还原作用及减少固定损失，故土壤质量最高。砒砂岩由于具有较强的吸附能力与离子交换能力，保水保肥能力较高，所以土壤质量也较高。沙黄土前期经过人工熟化，土壤养分状况有显著改善效果，原地貌由于草本植物生长年限较长，土壤养分消耗量较大且存在固定损失，因此沙黄土养分质量较原地貌土壤和对照更高。

4 结 论

经过3年的人工熟化，不同改良模式下土壤有机碳、硝态氮、有效磷均已超过原地貌土壤养分含量，土壤铵态氮基本达到原地貌水平，土壤全氮尚未恢复到原地貌水平，且所测养分均显著高于新建排土场。不同改良模式下掺混砒砂岩的新构土体对土壤有机碳提升效果最好；掺混风化煤的新构土体对有效磷的提升效果最好。相对于当地典型土壤类型沙黄土，两种新构土体对其他养分改良效果也较好，通过加权综合法计算5种处理的土壤质量指数，结果表明土壤养分质量以风化煤掺混土体最高，其次是砒砂岩掺混土体，沙黄土高于原地貌土壤，对照质量最差。因此，可以充分发挥当地的资源优势、变废为宝，将风化煤广泛用于排土场土壤的质地改良，即改善了生态环境又能实现一定的经济效益。