黄土露天矿区排土场重构土壤典型物理性质空间差异分析

李玉婷，曹银贵,2*，王舒菲，罗古拜，王金满,2，周伟,2，白中科,2

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

中国是一个富煤的国家，煤炭资源储量居世界第三（宋晓波，2015）。近10年来，国家在勘探技术上的发展使得更多适合于露天开采的煤田被发现，为中国露天煤炭事业的快速发展奠定了基础（宋晓波，2015）。煤矿区域是集煤炭资源开采、利用与土地资源占用与破坏为一体的区域之一（卞正富，2000），露天煤矿开采是一种高速且大规模改变生态环境的生产活动，严重损坏了地表土壤与植被（秦倩等，2016）。中国的露天矿大多分布在黄土高原等生态脆弱区（秦倩等，2016），煤矿开采活动会使这些地区的生态环境进一步恶化。排土场是露天采矿排弃物集中的场所（赵艳玲等，2018），将排土场复垦成为具有良好生态效益的土地，对于补充当地可利用土地数量，改善当地生态系统具有十分重要的意义。排土场生态系统的恢复和重建已成为近年来关注的焦点，其中土壤和植被的恢复是排土场生态系统恢复和重建的基础工作（Liu et al.，2017）。

土壤重构是矿区土地恢复的一个环节（Feng et al.，2019），土壤性质的变化可能会影响未来的植被发育（Munkholm et al.，2002；Nawaz et al.，2013），对植被的恢复起着至关重要的作用。土壤物理性质主要包括土壤质地、土壤容重、孔隙状况及与入渗、持水性能等密切相关的多项指标（谭学进等，2019），对土壤修复有很大影响（Bradshaw，1997）。其中土壤质地影响着土壤的水、气、热的运动及养分的转化（谢炎敏，2017），容重是是衡量土壤质量和生产力的重要指标（于冬雪等，2019；Suuster et al.，2011），土壤孔隙对土壤中水分和养分的运移有重要作用，可以反映土壤质量的高低（秦倩等，2016）。矿区重构土壤的物理性质与自然土壤相比有明显的差距，而研究矿区排土场的土壤的物理性质可以直接反映重构土壤的质量（赵艳玲等，2018）。所以目前国内外矿区土地复垦领域的研究很大一部分着眼于矿区复垦地重构土壤物理性质的研究，如赵艳玲等（2018）对内蒙古锡林浩特胜利煤田一号露天矿北排土场的复垦土壤的物理性质进行了统计分析，得到复垦排土场的土壤物理性质和当地未复垦土壤之间的性质差异。于冬雪等（2019）采用经典统计学与地统计学方法分析了不同土层容重的空间变异特征，探明了黄土区不同土层容重的分布特征。国外有学者（Schroeder et al.，2010）研究采矿复垦过程中产生的矿区土壤的物理性质，得到砂矿采矿地复垦土壤质地、密度和湿度在水平及垂直方向上的差异和复垦土壤与自然土壤之间性质的差异。也有学者对比各复垦年限的土壤在各性质上的差异得到影响复垦土壤质量的最关键指标（Kumar et al.，2018；Mukhopadhyay et al.，2013）。

植被重建也是矿区土地复垦工作中的重要一环（王洪丹等，2016），其对于矿区生态恢复具有重要意义。一方面土壤的物理结构和化学性质会因为植被根系生长及植被对土壤养分吸收与释放而改变；另一方面，植被生长需要土壤直接提供营养与水分。植被盖度是刻画地表植被覆盖的重要参数，在露天煤矿区能作为评价土地复垦效果的重要依据（Zhang et al.，2016；周伟等，2012）。目前，不少研究已从不同角度揭示土壤与植被的交互影响机制，植被恢复对土壤物理性质的影响一直是矿区复垦研究的热点之一。如有学者（Zhang et al.，2016）通过建立不同坡向归一化植被指数与土壤各理化性质之间的拟合关系，分析露天煤矿复垦排土场各坡向植被盖度与土壤质量之间的交互影响。张雅丽（2014）采用种群统计、生物多样性指数和相关分析等分析法，研究了安太堡露天矿排土场复垦区不同植物配置模式下的植被特征及其与土壤性质的关系。外国有学者（Mukhopadhyay et al.，2013，2016）利用再生矿用土壤指数对煤田回填煤矸石中生长的6种常见树种的根际土壤进行了理化和生物特性分析，筛选出适宜矿区复垦土地的树种；且该学者于 2016年研究了不同树种的复垦潜力，通过分析不同树种的土壤养分浓度，对比将这些土壤作为复垦地土壤替代对复垦效果的影响。

目前矿区复垦方面的研究大多为研究土壤物理性质的空间差异或是植被盖度对表层土壤物理性质的影响，很少有针对不同植被覆盖类型对重构土壤物理性质的影响的研究。本此研究在结合其他学者的研究的基础上，对平朔矿区排土场土壤典型物理性质进行水平、垂直及不同植被覆盖类型下的差异分析，以得到影响该地土壤物理性质差异，一方面可以为重构土壤性质与植被间交互影响机制的相关研究提供理论支持，另一方面可以为未来矿区复垦工作提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平朔矿区是中国 20世纪末最大的露采煤炭生产基地，地处黄土高原东部、山西省北部（白中科等，2008）。平朔安太堡露天煤矿总面积达376 km2，煤矿存储量约126亿吨，位于山西省朔州市区与平鲁区交界处。其地理坐标为 39°23′—39°37′N，112°10′—113°30′E。地处黄土高原的丘陵缓坡地带，地区干旱，土质偏砂型，保水能力较差，水土流失严重。本次研究以安太堡露天煤矿南排土场为研究区域，南排土场是早期的一个外排土场，排土时间是1985—1989年，海拔高度为1360—1465 m，边坡坡度为20°—40°（罗古拜等，2019a）。地表覆土100 cm，以黄土、红土、红黄土为主。目前该排土场已经形成林灌草多层次、多类型的植被结构，以刺槐、榆树、油松、沙棘等植被为主（王杨扬等，2017），生态环境得到有效恢复。研究区及样点位置如图1所示。

1.2 样方与剖面建立

在研究区中选择 24个样点进行样品采集（图1）。采样分为两次，第一次采样时间为2018年5月中旬，第二次采样时间为2018年8月中旬。第一次采样，平台上样方的大小为10 m×10 m，边坡上样方的长度也是 10 m，样方根据实际情况进行调整，以保证边坡样方有10 m×10 m的垂直投影（王舒菲等，2019）；第二次采样，平台上样方的大小为5 m×5 m，边坡上样方的长度也是5 m，样方根据实际情况进行调整，以保证边坡样方有5 m×5 m的垂直投影。使用木桩固定大样方的4个角的位置，之后用GPS记录样方中心点的经纬度和高程，并通过进行植被生长状况调查获取乔灌植被数据。之后大样方内随机选取一个1 m×1 m的小样方，用于地表草本植被的采集与土壤剖面的制作（王舒菲等，2019）。

1.3 采样与测试

（1）乔/灌木盖度测定：选取大样方的两条对角线进行乔/灌木盖度的目视估算，之后取平均值得到各样点的乔/灌木盖度。

（2）草本样品采集：在各大样方内随机选取一个1 m×1 m的小样方采集地表草本植被。将草本样装入密封袋后编号保存，在实验室用烘箱65 ℃烘干至恒重后称取草本生物量，烘干时间为 10 h左右。

图1 南排土场及样点位置示意图Fig.1 Location of the South Dump and sample points

（3）土壤样品采集：在各样地建立土壤剖面，之后利用环刀（φ100）每隔10 cm采集一次土壤样品，各样地土壤剖面的平均深度为80 cm，但由于部分样点存在障碍层浅导致取样困难的情况，所以除S7和S15样点外，其余样点均取样到地表下60 cm的深度（罗古拜等，2019b）。之后分别用保鲜袋和密封袋将样品密封保存，再用布袋装取一定量的各层土壤送至北京市农林科学研究院测定其他性质。土壤机械组成采用“吸管法”测定（杨金玲等，2009），土壤容重及孔隙度采用环刀法测定（袁久坤等，2014）。在实验室先将所采集的环刀土壤样品进行称重，之后用烘箱105.50 ℃烘8 h左右至恒重进行再次称重，并计算土壤容重和孔隙度。

1.4 研究方法

本研究首先通过描述性统计分析及单因素方差分析法对研究区土壤典型理化性质在水平及垂直方向的差异进行分析。之后依照研究区植被生长状况对样点进行分组，利用单因素方差分析法研究不同植被覆盖类型下的土壤物理性质差异，得到研究区重构土壤典型物理性质与植被之间的响应关系。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤典型物理性质状况分析

2.1.1 研究区土壤典型物理性质水平差异分析

通过计算研究区不同深度下各土壤典型物理性质的变异系数分析研究区各土壤典型物理性质在水平上的差异。如图2所示。

由图2可以看出，研究区重构土壤所有典型物理性质在相同深度的含量变异系数均在10%—50%之间，属于中等变异。其中土壤各粒级含量变异性系数相对较大，容重和孔隙度的变异程度接近弱变异。说明研究区土壤各层物理性质经过多年复垦已经趋于一致，尤其是容重和孔隙度已经基本相同。并且随着深度减小，各性质的差异减小。

2.1.2 研究区土壤典型物理性质垂向差异分析

图2 不同深度土壤典型物理性质变异系数变化Fig.2 Variation coefficients of soil typical physical properties at different depths

为得到研究区整体各土壤物理性质在垂向上的差异，对所有样点按不同深度计算各土壤性质的均值及变异系数（表1）。

由表1可知，研究区土壤各物理性质均值在深度层面上的变异系数均小于10%，属于弱变异。对不同深度的土壤典型物理性质进行S-W检验。结果显示各典型物理性质显著性P＞0.05，服从正态分布规律，可以进行接下来的研究。

表1 不同深度土壤各典型物理性质变异系数表Table 1 Variation coefficients of soil physical properties at different depths

为了研究研究区各土壤物理性质在垂向层面的变化规律，对土壤各物理性质进行不同深度的单因素方差分析。研究结果显示土壤容重及孔隙度的显著性P＜0.05，存在层间显著差异；除容重和孔隙度外，其余物理性质层间差异不显著。0—10 cm深度的土壤容重均值最小，随着土壤深度增加，土壤容重一直保持增大的趋势（图3）；土壤孔隙度变化规律与土壤容重相反（图4），在0—10 cm最大，随着土壤深度增加，土壤孔隙度减小。

图3 不同深度的土壤容重方差分析图Fig.3 Results of soil bulk density variance analysis at different depths

图4 不同深度的土壤孔隙度方差分析图Fig.4 Results of soil porosity variance analysis at different depths

研究区土壤以砂粒和粉粒为主，粘粒含量较少。随着深度增加，3种粒级的含量变化没有明显规律。不同深度的土壤不同粒级含量情况见图5。

2.2 研究区不同覆盖类型下的土壤典型物理性质差异分析

根据植被生长情况将研究区的 24个样点分为4组（表2）。其中有乔木生长的样地共14个，将其按照乔木盖度大小进行排序平均分为两组：其中乔木盖度大于65%的为乔木——高覆盖度组，设为组1；乔木盖度小于65%的为乔木——低覆盖度组，设为组 2。将研究区所有只生长灌木的样地划为灌木组，设为组 3；将只生长草本植物的样地和乔木已死亡的样地分为草本/裸地组，设为组4。

图5 不同深度的土壤不同粒级含量情况Fig.5 Soil contents of different grain sizes at different depths

表2 研究区样点分组情况表Table 2 Group of sample points in the study area

为了研究不同植被覆盖类型下的土壤性质差异，对不同深度下的重构土壤各典型物理性质分别进行针对组别的单因素方差分析。结果显示土壤容重（图6）和孔隙度（图7）在0—10 cm及20—60 cm深度均存在组间的显著差异。从各组在不同深度的容重变化来看，4个组的容重基本均随深度增加而增大。组2的容重变化尤其明显，0—10、10—20、20—60 cm差异显著，在深度达到20 cm以下时，组2的土壤容重远高于其他3组。土壤孔隙度与土壤容重变化情况完全相反。

研究区不同深度土壤各粒级含量组间差异不显著。如图8—10，随着土壤深度增加，组1、组2及组4的砂粒含量基本呈现减少趋势，粉粒含量呈现增长趋势，组2粘粒含量呈现增长趋势。组1粘粒含量明显低于其他3组，粉粒含量明显高于其他3组；组2的粘粒含量明显高于其他3组；组3的砂粒含量随深度增加变化较剧烈但大多高于组1和组2；组4的砂粒含量高于组1和组2。

根据美国制（林大仪，2002）确定各样点各层土壤质地，对各层土壤质地进行分组统计。对各组土壤质地进行不同深度的比较，可以看出组 1（图11）各深度的土壤均以粉壤土为主。组2（图12）各深度的土壤均以壤土为主，其次粉壤土与砂壤土在不同深度出现交替数量优势。组3（图13）各深度的土壤均以壤土为主，其次砂壤土在各层均存在。组4（图14）在0—40 cm的深度土壤均以砂壤土为主，其次壤土在各层均存在。对比可以看出壤土是研究区分布最多的土质类型。

图6 各组不同深度的土壤容重方差分析图Fig.6 Variances of soil bulk density at different depths in each group

图7 各组不同深度的土壤孔隙度方差分析图Fig.7 Variances of soil porosity at different depths in each group

图8 各组在不同深度的砂粒含量变化图Fig.8 Changes in sand content at different depths in each group

图9 各组在不同深度的粉粒含量变化图Fig.9 Changes in silt content at different depths in each group

3 讨论

3.1 讨论

3.1.1 经过复垦的重构土壤典型物理性质变化情况分析

研究区地处黄土高原区，土壤由黄土风成成因的主要颗粒组成，土壤质地组基本为壤土组，其特点是砂粒含量较高（李香兰等，1992）。矿区排土场的重构土壤物理性质与当地未受损土壤的物理性质之间存在差异。通常，土壤容重值多介于1.0—1.5 g·cm-3之间（张学权，2017），研究区各层土壤容重均值均大于1.25 g·cm-3，是因为排土场排土及复垦时受大型机械的碾压（Bradshaw，1997），土壤颗粒重新排列（陈星彤等，2005），土壤紧实度增大，致使土壤孔隙度减小（Munkholm et al.，2002；Nawaz et al.，2013），从而使容重变大。随着排土场的复垦，土壤质量会不断提高（谭学进等，2019；曹银贵等，2013；王金满等，2012）。相关研究发现土壤容重随复垦时间增加呈现下降趋势（秦倩等，2016；庞碧琳等，2017；常庆瑞等，1999），本次研究得到了土壤容重随深度增加而增大的结果，也可能是因为随着复垦工作的进行，研究区土壤容重不断变小，但随着土层深度的增加，土壤的改良效果明显降低（谭学进等，2019）。同时也有研究表明，黄土区土壤容重随土层深度的增加而增大，可能是表层土壤有机质含量高（李香兰等，1992），植物根系也主要分布在浅层土壤，土壤孔隙状况良好（Li et al.，2016）。

图10 各组在不同深度的粘粒含量变化图Fig.10 Changes in clay content at different depths in each group

图11 组1不同深度的土壤质地情况Fig.11 Group 1 soil texture at different depths

图12 组2不同深度的土壤质地情况Fig.12 Group 2 soil texture at different depths

图13 组3不同深度的土壤质地情况Fig.13 Group 3 soil texture at different depths

图14 组4不同深度的土壤质地情况Fig.14 Group 4 soil texture at different depths

复垦土壤孔隙数量和孔隙度较小，复垦措施可增加土壤孔隙量和孔隙度（王金满等，2016）。孔隙度随深度增加而减小，可能也是由于随着土层加深，土壤改良效果降低的原因。此外可能是由于土壤的孔隙状况主要受有机质在土壤累积量的影响（Gasch et al.，2014），而有机质主要由地表植被及其他生物提供，越靠近地表有机质积累越多，孔隙度越大。本次研究中土壤物理性质的研究结果与谭学进等（2019）、赵世伟等（2010）、于冬雪等（2019）的研究结果是一致的。

3.1.2 研究区不同植被下土壤性质差异分析

研究区不同植被下土壤物理性质出现深度上的差异，是由于植被通过根系的生长改变土壤结构，通过根系分泌物、枯落物为土壤输入有机物质，改善土壤性质（谭学进等，2019）。深度浅的土壤中含有大量的植被根系，土壤质量改良效果较深层土壤好。同时不同植被根系所能达到的深度不同，所以土壤物理性质出现了组别间的差异。

本研究得到砂粒含量随土壤深度加深含量降低，可能是因为砂粒随雨水下渗，在土层阻隔作用下经过的土层愈薄，其含量愈高，经过的土层愈厚，含量愈低（李香兰等，1992）。组3、组4的砂粒含量高于组1和组2，与李香兰等（1992）得出的研究结果不同。可能是由于李香兰等（1992）当作为时研究样地的灌木林地是由乔木林地经砍伐翻动平整后种植得到的，在改变植被的过程中促进了土壤砂粒的进一步风化，使灌木林地中砂粒含量较乔木林地低。而本次研究的研究区植被均为复垦时直接种植的，之后使其自然生长，没有经过重新种植。研究区土壤粒级的改善仅由植物根系生长根系通过穿透和根际效应对土壤水分进行调节进而对土壤的机械组成产生重要影响（胡雷等，2015），所以能体现出乔木生长对土壤的中砂粒含量的减少效果优于灌木及草被植被。而组1的粉粒含量明显高于其他3组，进一步说明了乔木植被生长有助于土壤粒级的减小，研究结果同李香兰等（1992）得出的研究结果一致。

本次研究中草本生物量高的组别土壤容重、孔隙度及粘粒含量较其他组有明显的差异，可能是由于草本较乔木灌木种植密度大，对小区域的浅层土壤改良效果较乔木灌木明显，主要体现在对粘粒含量的增加上。同时有研究指出，黄土高原地区在植被恢复初期由于水分条件的限制，草本植被的植被恢复土壤效应最高（常庆瑞等，1999），也可以解释本次研究中得到的结论。

而研究区不同植被覆盖类型下土壤质地存在差异的原因，也可能是由于不同植被根系对土壤的改良效果不同造成的，由研究结果可以看出，乔木植被的生长主要促进粉壤土的形成，灌木、草本植被的生长主要促进壤土的形成。

4 结论

（1）研究区重构土壤所有典型物理性质在相同深度的含量均属于中等变异，经过多年复垦已经趋于一致，尤其是容重和孔隙度已经基本相同。随着深度减小，各性质的差异减小。

（2）研究区各土壤物理性质在垂向上均属于弱变异，土壤容重容重及孔隙度存在层间显著差异。研究区土壤容重随着土壤深度增加增大；土壤孔隙度随着土壤深度增加减小。研究区土壤以砂粒和粉粒为主，粘粒含量较少。随着深度增加，3种粒级的含量变化没有明显规律。

（3）不同植被覆盖类型下的土壤容重和孔隙度在0—10、20—60 cm深度存在显著差异，砂粒、粉粒、粘粒含量组间差异不显著。研究区分布最多的土质类型是壤土，乔木植被的生长主要促进粉壤土的形成，灌木、草本植被的生长主要促进壤土的形成。乔木植被生长有助于土壤粒级的减小，草本植被对浅层土壤物理性质改良效果优于深层土壤。未来在进行植被重建工程时应适当根据实地土壤质地情况选择适宜植被。