神东矿区典型植被不同恢复年限对土壤质量的影响

马 宁，李 强，郭玉涛，李鹏飞

(1.黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021；2.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719300)

随着我国经济的快速发展，社会对资源的需求与日俱增，大规模无序开采矿产资源给生态环境带来严重破坏，造成表土层破坏、土壤保水保肥能力下降，从而导致生物多样性减少，地质灾害时有发生。因此，对矿区进行生态恢复迫在眉睫[1]。

神东矿区是我国目前最大的煤炭生产基地和重要的优质动力煤出口基地，地处黄土高原北部与毛乌素沙地交错区，区域生态环境十分脆弱，土地沙化严重、水资源匮乏及水土流失严重。神东煤矿在建设初期，面对超大规模煤炭资源开采与生态环境保护的矛盾，以可持续发展思想为指导，统筹煤炭资源开发与矿区生态环境建设，以合理利用水土资源为核心，从矿区资源环境特征和煤炭资源开发特点出发，对矿区进行植被恢复，保护和改善矿区土壤环境质量，为重建可持续健康的矿区土壤生态系统做出了积极的实践与探索[2]。本研究采用土壤质量指数法定量评价多年来神东矿区典型植被恢复对土壤质量的改良效果，旨在为后续生态建设提供技术支撑，指导矿区生态建设工作。

1 研究区概况

神东矿区位于陕西省榆林市神木市北部、府谷县西部，内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区及伊金霍洛旗的南部和准格尔旗的西南部，地理位置为北纬38°52′～39°41′、东经109°51′～110°46′。地处毛乌素沙地与陕北黄土高原过渡带，具有典型的干旱荒漠高原气候特征，多年平均降水量仅362 mm，年际、年内变化大，7—9月降水量占全年降水量的70%以上，且多暴雨，年水面蒸发量2 297.4～2 838.7 mm[3]。研究区域水资源匮乏，且大部分为河川径流，地下水量较少。土壤主要为黄土性土壤、风沙土、栗钙土和黑垆土等，结构松散，抗蚀性差，肥力低，呈弱碱性。该区为草原和森林草原过渡地带，原生植被稀疏，覆盖度低，一般小于30%，区内主要植被类型为沙漠草原、落叶阔叶灌丛和沙生植被[4]。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集和指标测定

于2018年8月27日至9月9日、2019年4月21—30日和2019年7月11日至8月6日，分三批次采集了神东矿区中心10个矿区的土壤样品220个，涉及樟子松、油松、山杏、小叶杨、沙棘、柠条、沙柳和黑沙蒿等8种典型植被类型，植被恢复年限为1～29 a。样品采集深度为0～20 cm，采用五点采样法形成一个混合样品。

将土壤样品自然风干，剔除植物根系等杂物，采用四分法取适量土壤样品，过0.25 mm筛，用于土壤养分的测定。土壤容重采用环刀法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用火焰光度法测定[5]。

2.2 土壤质量评价

2.2.1 土壤质量评分模型

通过土壤质量评分模型将土壤指标实测值转换为0～1之间适当的分值[6]，公式为

(1)

式中：S为土壤指标得分，介于0～1之间；a为最大得分，被确定为1；x是土壤实测指标值；x0为相应的指标平均值；b为方程的斜率，其中“越多越好”类型指标被确定为-2.5，如全氮、碱解氮、有机质、有效磷和速效钾含量，“越少越好”类型指标被确定为2.5，如容重。

2.2.2 土壤质量评价指标的权重

通过主成分分析得到的公因子方差能够反映出某一指标对整体方差的贡献程度，其值越大则对整体方差的贡献越大。采用主成分分析法计算各指标的权重值，权重等于各指标的公因子方差占所有指标公因子方差之和的比例[7]。

2.2.3 土壤质量指数

基于各指标的评分和权重，计算土壤质量指数SQI(Soil Quality Index)，公式为

(2)

式中：Si为第i个指标得分；n为指标数量；Wi为第i个指标权重值；SQI为土壤质量指数，其值越高代表土壤质量越好。

2.3 数据处理

采用SPSS 22.0和Microsoft Excel 2015进行数据分析处理。

3 结果与分析

3.1 典型植被土壤质量评价指标统计量

神东矿区典型植被种植区土壤质量评价指标统计量见表1。由表1可知，土壤容重和有效磷、速效钾含量在各植被类型之间差异不显著(P>0.05)，全氮、碱解氮和有机质含量在各植被类型之间差异显著(P<0.05)。全氮含量在樟子松种植区土壤中最高，为0.62 g/kg，在沙柳种植区土壤中最低，为0.31 g/kg；碱解氮含量在樟子松种植区土壤中最高，为24.49 mg/kg，在黑沙蒿种植区土壤中最低，为14.19 mg/kg；有机质含量在樟子松种植区土壤中最高，为13.48 g/kg，在沙柳种植区土壤中最低，为8.15 g/kg。

表1 神东矿区典型植被土壤质量评价指标统计量

注：表中数值为平均值±标准差，采用单因素方差LSD法分析同一指标在不同样地之间的差异性，同一列数值后所标字母不同表示相互间差异显著(P<0.05)，有相同字母表示相互间差异不显著(P>0.05)。

3.2 典型植被不同恢复年限下土壤质量变化特征

通过主成分分析计算出各土壤指标的公因子方差，进一步计算出各土壤指标权重，结果见表2。

表2 土壤质量评价指标权重

由表2可知，土壤质量评价指标按权重大小排序为：全氮含量(0.198)>速效钾含量(0.187)>碱解氮含量(0.182)>有机质含量(0.177)>容重(0.172)>有效磷含量(0.084)。

根据公式(1)和(2)并结合土壤质量评价指标权重，计算各采样点对应的土壤质量指数，与植被恢复年限进行拟合回归分析，结果见图1。

由图1可知，樟子松、山杏和柠条种植区土壤质量指数随植被恢复年限增加呈现线性增长趋势，拟合回归方程分别为y=0.011 5x+0.327 8，y=0.030 8x+0.218 9和y=0.023x+0.292 9；油松和小叶杨种植区土壤质量指数随植被恢复年限增加呈现对数增长趋势，拟合回归方程分别为y=0.293 1lnx-0.210 3和y=0.186 9lnx+0.001 3；沙棘、沙柳和黑沙蒿种植区土壤质量指数随植被恢复年限增加呈抛物线型变化趋势，拟合回归方程分别为y=-0.001 9x2+0.047 3x+0.254 9，y=-0.000 5x2+0.033 1x+0.070 7和y=-0.002 2x2+0.073 3x-0.064 8。

图1 神东矿区典型植被不同恢复年限下土壤质量变化特征

4 讨 论

各典型植被中樟子松种植区土壤全氮、碱解氮和有机质含量均为最高，不同恢复年限樟子松种植区土壤质量差异较大，但总体呈现随恢复年限增加而增加的趋势。按照10 a一个龄级[8]的标准划分林龄(幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林)，神东矿区樟子松林龄大部分小于20 a，普遍处于“幼龄林”和“中龄林”阶段，生长状态较好，能够在土壤质量提升等方面持续发挥良好的作用。山杏林作为经济林，在施肥和灌溉等田间管理方面优于其他植被，因此其林下土壤养分含量较高，在一定程度上给山杏提供了适宜的生长环境，表现出土壤质量随着恢复年限逐年改善的趋势。柠条是干旱半干旱黄土丘陵区的主要灌木树种，其根系属轴根型分蘖类型，有很强的穿透力，生长过程中疏松了土壤，使土壤物理性质得到改善，且根系分泌的有机酸降低了根基附近的pH值，活化了部分土壤难溶性养分，改善了养分条件，表现出极强的生态适宜性[9]。油松林和小叶杨林与之前的研究结果类似[10-11]，随着生长年限的增长，其种植区土壤质量指数呈现出先快速增长随后增速减缓的趋势。油松和小叶杨的生长主要经历速生期和慢生期两个时期，本次研究结果表明，油松和小叶杨种植区的土壤质量指数增速预计分别在30和25 a左右开始减缓，之后逐渐趋于平稳，可发挥出长效稳定的土壤质量提升效果。沙棘、沙柳和黑沙蒿种植区的土壤质量指数随恢复年限呈现出抛物线规律，预计分别在恢复13、33和17 a时达到峰值，随后随着恢复年限的增加土壤质量指数有下降的趋势。10 a以上林龄的沙棘即将进入衰退期[12]，因此可通过选育优良品种的沙棘改善这一状况，例如引种大果沙棘等。沙柳作为该地区的先锋树种，前期能够较好地对土壤质量进行改善，但其根系具有较强的吸水能力，降低了土壤含水量，使其他树种不能较好地在该区域生长，从而使土壤综合质量逐步降低，进而也影响到沙柳的生长状况。因此，在今后的风沙治理过程中，当沙柳成活并稳固风沙后，在保证水资源供给充足的情况下，可在沙柳行间撒播草籽(如白草、针茅、黑沙蒿等)或栽植沙棘等树种，以保证该地区的群落持续向好发展。黑沙蒿具有草本植物生长快速的特点，在初期对土壤质量具有显著改善效果，在15～20 a之间达到顶峰，随后开始下降[13]。因此，在生态恢复初期，可采用草本植被快速进行地力培肥，为中后期的植被恢复提供支持。

5 结 论

(1)神东矿区土壤质量评价指标按权重排序为：全氮含量(0.198)>速效钾含量(0.187)>碱解氮含量(0.182)>有机质含量(0.177)>容重(0.172)>有效磷含量(0.084)。

(2)神东矿区典型植被不同恢复年限下土壤质量变化规律存在差异，其中樟子松、山杏和柠条种植区的土壤质量指数随植被恢复年限增加呈现线性增长趋势，油松和小叶杨种植区的土壤质量指数随植被恢复年限增加呈现对数增长趋势，沙棘、沙柳和黑沙蒿种植区的土壤质量指数随植被恢复年限增加呈现抛物线型变化趋势。

(3)神东矿区典型植被恢复对土壤质量有较好的改良效果，在今后的生态治理过程中，需要对恢复年限较长的植被类型特别是沙棘、沙柳和黑沙蒿加强人工管护，及时进行补种或选种更优品种，以防止因植被退化而导致的土壤质量退化。