复垦土壤有机质时空变化特征——以潘一矿复垦区为例

郑永红，张治国，陈永春，安士凯，邓永强，陈芳玲，任韩煜，张晓慧，张凤玲

(1.淮河能源集团有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

土壤有机质(soil organic matter，SOM )是土壤的重要组分，与土壤质量密切相关，有机质数量的耗竭和质量的恶化可直接导致土壤生态功能的衰退[1]。有机质在形成土壤团聚体 、提高土壤含水量、减少土壤退化和侵蚀方面具有重要作用[2]。目前，国内外学者对土壤有机质及其演变特征做了大量研究，包括国家尺度、省域尺度，以及典型地区和气候带，土壤类型区等方面研究。杨帆等比较测土施肥和全国第二次土壤普查数据，结果表明近三十年全国农田耕层土壤有机质提高 4.85 g/kg[3]。吴驳等分析了近四十年黄土高原泥河沟流域土壤有机质含量的时间变异性，研究表明1980 年以来耕地土壤有机质含量呈阶段性上升趋势，该区耕地土壤有机质含量从1980年的 9.52 g/kg 到2015 年的14.58 g/kg[4]。顾成军等分析了安徽江淮丘陵县域农田土壤有机质的空间变异特征，研究结果表明滁州市各县域农田土壤有机质平均含量介于15.16～19.90 g/kg之间，土壤有机质含量总体水平较低[5]。高旭等研究了湖南省郴州烟区土壤有机质的时空变化规律，结果表明2015 年土壤有机质平均含量较 2000 年分别增加了2.59 g/kg，变异系数基本稳定[6]。赵义博等研究了内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市周边胜利矿区土壤 ，结果表明pH呈中性至强碱性，有机质含中等，有机质为中等强度的空间自相关量，主要受采矿活动引起土壤扰动是有机质含量较低的重要原因[7]。刘文全等以莱州湾南岸废弃盐田两个典型复垦地块为研究对象，研究不同复垦年限下各层土壤盐分和表层土壤有机质的空间变异性，结果表明有机质含量极低，土壤有机质养分属于五级水平，主要是由于滨海地区土壤本身较为贫瘠，加之复垦过程中使用的肥料较少造成[8]。然而，针对复垦区土壤有机质时空变化特征研究相对较少。从2008年开始以潘一矿复垦区为研究对象，开展了复垦土壤肥力水平、煤矸石充填复垦对土壤和地下水环境影响等长期监测研究。分别于2008、2013和2017年在潘一矿复垦区开展了三次土壤样品采集以及养分指标等的测试工作，研究成果将为采煤沉陷区的土地利用、充填复垦、土壤培肥等工作提供一定的理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潘一矿位于安徽省淮南市西北方、潘集区境内，经过多年的开采，该地地势有了很大的变化，采空区上方地表形成了许多大小不一的沉陷积水塘和沉陷坑，塘内积水对井下煤层的安全开采有一定影响。随着开采面积的增大，地表沉陷盆地面积亦会随之扩大[9]。潘一矿复垦区工程实施采用剥离表土，回填矸石，上覆1 m粘土工艺。采用分层施工，每层厚度控制在400 mm以内，碾压次数控制在8次以上。设计要求煤矸石回填碾压成功后覆1 m黄土，平整好后达到农田标准。

1.2 采样与预处理

在研究区域内，采用网格布点法采集土壤样品。根据剖面土壤颜色、性状选择3个土层分层采样，分别自上而下分层采集0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm深度样品，用封口袋密封并做好标记，贴上写好的标签。同时，选取一定面积的非复垦区农田作为对照采样区。将采集的土壤样品剔除植物根叶等有机残体后，分摊在土壤风干盘内进行自然风干。风干后的土样，磨碎、过0.25 mm孔径筛网后备用。

1.3 测试方法与质量控制

土壤有机质含量采用重酸氧化-外加热法(NY/T1121.6-2006)测定，数据采用Excel2010和SPSS2 4.0统计分析软件进行数据处理，图件用ArcGIS10.2和Origin8.0软件制图。采用普通克里格法进行最优内插，绘制了研究区域内2017年土壤剖面有机质的空间分布格局图。

2 结果分析

2.1 复垦土壤有机质的时间变化规律

从图1可知，2008年、2013年和2017年期间，复垦区土壤有机质呈现逐年增长的趋势，2017年0～20 cm深度土壤有机质含量超过了对照农田。复垦1年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质平均含量分别为8.69±2.53 g/kg、7.33±2.20 g/kg和7.04±1.35 g/kg，对照农田有机质平均含量为12.89±0.70 g/kg；复垦5年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质平均含量为12.26±1.39 g/kg、10.18±1.82 g/kg和8.79±1.26 g/kg，其中对照农田有机质平均含量为13.12±1.15 g/kg；复垦9年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质平均含量为14.05±2.12 g/kg、12.42±2.17 g/kg和10.96±1.77 g/kg，对照农田有机质平均含量为13.51±0.78 g/kg。复垦5年后土壤，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质的增长率分别为41.08 %、38.88 %和24.86 %。复垦9年后土壤，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质相对于复垦5年的土壤增长率分别为14.60 %、22.0 %和24.69 %。总体上，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质增长率为61.68 % 、69.44 %、55.68 %。与对照农田相比，复垦初期表层土壤有机质含量偏低，随着复垦年限的增加，土壤有机质含量逐渐增多且增速较快。复垦9年后，土壤表层有机质的含量略高于对照农田，但20～40 cm和40～60 cm土壤中有机质的含量仍低于对照农田。对照全国第二次土壤养分分级标准，潘一矿复垦土壤从2008年有机质五级(较缺乏)水平提高到了2017年的四级(缺乏)水平。因此，可以考虑追施有机肥或者绿肥来快速提升复垦土壤的有机质水平。

图1 不同复垦年限土壤有机质的含量变化

2.2 复垦土壤有机质的恢复预测

0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有机质平均含量均随复垦年份的增加呈升高趋势。对不同深度的土壤有机质含量变化做线性回归拟合，如图2所示。0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm层有机质变化趋势分别符合线性回归方程。0～20 cm土层，y=0.67 x+8.3155，相关系数R2=0.964 8。因此，要达到对照农田土壤有机质含量的13.51 g/kg，预测需要7.75年。20～40 cm土层土壤有机质含量随复垦年份的增加呈升高趋势，变化趋势符合y=0.636 3x+6.7954，相关系数R2=0.995 2。因此，要达到对照农田土壤有机质含量的13.51 g/kg，预测需要10.55年。40～60cm土层土壤有机质含量随复垦年份的增加也呈升高趋势，变化趋势符合y=0.49 x+6.48，相关系数R2=0.996 2。因此，要达到对照农田土壤有机质含量的13.51 g/kg，预测需要14.35年。

图2 不同复垦年限土壤有机质含量的回归曲线

2.3 复垦土壤有机质的空间变化规律

从图3可知，0～20 cm土层有机质含量在研究区域东南角和煤矸石山一侧含量较高，西侧沿省道方向最低，呈条带状和岛状分布；20～40 cm土层有机质含量从东南角靠近裸露煤矸石山处有机质含量最高，且由高值中心向外辐射递减，逐渐降低。沿西侧省道方向有机质含量最低，呈条带状分布；40～60 cm土层有机质高值点主要集中在研究区域东侧，呈条带状和岛状分布。

图3 土壤有机质含量的空间分布图

3 结论

复垦初期表层土壤有机质含量偏低，随着复垦年限的增加，土壤有机质含量逐渐增多且增速较快，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有机质增长率为61.68 % 、69.44 %、55.68 %。对照全国第二次土壤养分分级标准，潘一矿复垦土壤从2008年有机质五级(较缺乏)水平提高到了2017年的四级(缺乏)水平。因此，可以考虑追施有机肥或者绿肥来快速提升复垦土壤的有机质水平。结合复垦模式的关键因子和多年观测数据，研究土壤质量恢复趋势以及预测各项指标恢复至对照农田所需的时间。有机质变化趋势符合线性回归方程，相关系数(R2)在0.964 8～0.996 2之间。复垦9年后，土壤表层有机质的含量略高于对照农田，但20～40 cm和40～60 cm土壤中有机质的含量仍低于对照农田。预测20～40 cm和40～60 cm土壤有机质含量恢复到对照农田水平分别需要10.55和14.35年时间。绘制研究区域内土壤剖面有机质的空间分布格局图，0～20 cm、40～60 cm土壤有机质在空间上分布以条带状分布和岛状为主，其中20～40 cm土壤有机质从东南角靠近裸露煤矸石山处有机质含量最高呈面状分布。因此，复垦土壤有机质分布可能受到裸露煤矸石山和充填基质煤矸石的影响。