新疆准东工业区土壤理化特性及肥力质量评价

陈启民，何 苗，罗青红，宁虎森，刘永萍

(新疆林业科学院 造林治沙研究所，新疆 乌鲁木齐 830063)

煤炭是我国的主要能源物质。长期以来，大规模的煤炭资源开采活动引发了一系列生态环境问题，诸如矿区煤矸石的堆积、有害气体的释放及飘尘降落等，使得矿区及周边环境遭到严重破坏，同时，土壤结构、地形地貌、景观生态和生物群落等环境要素也出现了不可逆转的变化[1]。采煤塌陷区的广泛分布，导致地表土壤结构性变差、土壤持水能力降低、农业生产力下降，土壤侵蚀、养分流失、土壤污染等一系列环境问题相继出现，直接或间接地威胁着当地农业生产安全和人体健康。因此，不少专家围绕采煤矿区土壤退化及环境问题开展了广泛深入的研究[1-5]，同时对诸多矿区进行了土地质量的适宜性评估和综合评价工作[6-7]，为土壤改良、水土治理及植被修复提供了有效的科学依据。

准东工业区是我国国家级能源建设“西气(煤制天然气)东输” “疆电东送”的重要示范基地，主要分布在准噶尔盆地东部荒漠区，特殊的地理位置使得区内土壤环境长期受到煤炭开采和风蚀的双重影响。而长期的煤炭开采所造成的生态环境恶化问题，不仅直接影响矿区及周边绿洲区土壤的健康与生态安全，而且还严重威胁着木垒县、吉木萨尔县及昌吉市城区的环境质量与生态系统功能。过去有关准东地区土壤环境的研究主要集中在土壤风蚀[8]、土壤重金属污染[9-10]等方面，有关土壤养分质量的研究鲜见报道。

因此，本研究以准东工业区土壤为研究对象，分析其理化性质及土壤质量状况，旨在为退化土壤的修复及植被重建提供科学依据。

1 项目区概况

准东工业区位于准噶尔盆地东部荒漠区(东经90°15′19″、北纬44°42′46″)，总面积2.23万km2，属于典型的极端干旱大陆性气候，多年平均气温7.0 ℃，多年平均降水量183.5 mm，年平均水面蒸发量2 042.3 mm，年平均风速2.0 m/s，最大风速16.0 m/s，最大冻土层厚1.5 m。区内地下水富水性弱，无地表径流。地貌类型主要有冲积湖积平原、风积沙漠、剥蚀残余丘陵、剥蚀波状平原[8]。土壤类型主要有灰棕漠土、石膏灰棕漠土和荒漠风沙土、结壳盐土、荒漠碱土等，其上稀疏分布有梭梭(Haloxylonammodendron)、蛇麻黄(EphedraDistachya)、盐生假木贼(Anabasissalsa)及驼绒藜(Krascheninnikoviaceratoides)、戈壁藜(Iljiniaregelii)等植被。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集与分析

采用棋盘式布点法，在研究区内采集了76个表层(0～20 cm)土壤样品，参照陈龙乾等[11-12]的土壤质量评价方法，选取了土壤水分、pH值、有机质含量、速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量和总盐含量、8种离子含量、粒径组成等作为本研究评价指标，并参照《土壤农业化学分析方法》[13]进行土样的测试分析。

2.2 数据分析

用Excel 2003进行数据整理、简单分析及作图，用SPSS 22.0做描述性统计、相关分析，用GS+9.0和ArcGIS 13.0做空间插值分析。借助北京欣晟允软件技术有限公司开发的yaahp层次分析辅助软件，对测定的土壤理化指标做层次分析，最终得出研究区土壤质量指数值。

3 结果与分析

3.1 土壤养分描述性统计特征

76个土样中部分是砂砾，无法测定理化指标，因此实际参与测定的土样为51个。表1列出了51个土样的pH值和速效氮、速效磷、速效钾等养分指标的极值、平均值、标准差等统计分析特征值。对照国家及新疆土壤养分等级分级标准[14]可知：采样区土壤pH值变化范围为8.0～9.5，平均值为8.77，说明准东工业区土壤属强碱性土壤；有机质含量变化范围为1.00～26.10 g/kg，平均值为8.69 g/kg，处于三、四级水平；速效氮含量变化范围为0.07～0.35 mg/kg，平均值为0.13 mg/kg，处于六级水平；速效磷含量变化范围为0.02～1.66 g/kg，平均值为0.22 g/kg，处于二级水平；速效钾含量变化范围为0.54～2.72 g/kg，平均值为1.73 g/kg，处于一级水平。分析结果显示，各指标的标准差(SD)大小为有机质含量>总盐含量>速效钾含量>速效磷含量>pH值>速效氮含量，说明研究区土壤养分数据中离散程度最大的是有机质，最小的速效氮。变异系数(CV)反映总体样本中各采样点的平均变异程度，根据Nielsen标准[15]，CV<10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV>100%为强变异性。研究区土壤理化指标中，仅pH值的变异系数小于10%，速效磷含量变异系数大于100%，其他指标均属中等变异，而理化指标变异系数越大说明其在空间分布上的差异越大，也即指标受人类活动干扰越强烈。整体来看，研究区土壤有机质含量处于中等水平，总盐含量处于较高水平，速效磷和速效钾含量较丰富，而速效氮含量较缺乏。

表1 土壤理化指标的描述性统计特征值(n=51)

3.2 土壤养分因子与理化指标的相关性分析

表2 土壤理化指标间的相关系数

3.3 研究区土壤肥力质量综合评价

通过层次分析法计算得出准东工业区土壤肥力质量评价指标的权重值，见表3。由表3可知，总盐含量的权重值最大，其次是粉砂粒含量，其他理化因子权重值相差不大。进一步计算得出研究区51个样点的土壤肥力质量指数(FI)，然后求其平均值，得出土壤平均肥力质量指数为0.311。根据土壤肥力质量五级分类法[17]，即FI≥0.8为好、0.6≤FI<0.8为较好、0.4≤FI<0.6为中等、0.2≤FI<0.4为较差、FI<0.2为差，可知研究区土壤肥力质量整体处于较差水平。进一步分析研究区土壤肥力质量的空间分布特征(图1)可以看出，其空间分布格局呈斑块状，高、中值区出现在研究区的东北部和东南部，低值区位于研究区的中西部，其中土壤肥力质量中等的样品数仅占总样品数的21.15%，肥力质量较差的样品数占总样品数的73.08%，采样点中还有5.77%的土壤肥力质量为差，这在一定程度上会成为生态绿化和植被恢复的主要限制因子。

表3 研究区土壤肥力质量评价指标权重值

图1 研究区土壤肥力质量指数的空间分布

3.4 影响研究区土壤肥力质量的主要因素

表1显示准东工业区土壤有机质积累量普遍不高，平均含量仅有8.69 g/kg，不同采样点差异较大。图3相关性分析结果显示，研究区土壤肥力质量指数与土壤有机质含量呈极显著正相关(R2=0.708，P<0.01)，表明研究区土壤有机质缺失、自然肥力不高是引起土壤肥力质量低下的又一主要因素。土壤肥力质量指数与其他土壤养分因子如速效氮、磷、钾含量的相关性没有达到显著水平。

图2 土壤肥力质量指数与含量的相关性

图3 土壤肥力质量指数与有机质含量的相关性

图含量的空间分布

图5 有机质含量的空间分布

4 小结与讨论

土壤环境是指土壤经过一系列的物理、化学和生物的侵蚀及风化作用，在地貌、气候等诸多因素长期作用下形成的生态环境。它能为动植物提供生命活动的场所，也能为人类的生存发展提供物质基础，还能为经济社会的发展源源不断地提供资源。随着社会经济的发展和人类活动的加剧，对土壤环境的影响也越来越大，特别是以准东工业区为典型代表的干旱荒漠区重要能源供应基地，建立在脆弱的荒漠生态系统之上，土壤透水性差、盐碱化水平高，生态环境本就极其脆弱，再加上人类长时期大规模的采煤活动扰动原土，使土壤结构与功能特性等从上到下、从内到外都发生了改变，土壤污染问题也亟待处理[9]。因此，准东工业区植被的保护与恢复、水土保持与土壤治理等工作已经迫在眉睫。

植物正常生长需要一定的养分供给，氮、磷、钾等养分含量过低会限制植物的正常生长，而采矿区土壤一般缺少这些元素。束文圣等[18]的研究显示，中国南部5个铅尾矿土壤中营养元素含量均低于植物正常所需的量，其中有机质、氮和磷最为缺乏，其含量只占中国自然植被土壤平均背景值的1/3左右。本研究显示，准东工业区土壤中有机质含量处于中等水平，速效磷和速效钾含量处于较高水平，但速效氮处于较低水平，因此在植被恢复和重建过程中，需要增加氮肥的施用量来补充土壤中的氮素。另外，准东工业区土壤含盐量偏高，而可溶性盐过量会使土壤溶液的渗透压增大，影响根系对水分的吸收，导致植物脱水干旱死亡，种子不能萌发。因此，在植被恢复过程中，需要采取有效的工程排盐措施，改善排水条件。

LOGSDON et al.[19]认为pH值是影响土壤质量的重要化学因素，土壤pH值为中性时，养分的有效性较高，过酸或过碱都会影响土壤的肥效。本研究区土壤具有强碱性，高pH值不仅可使一些微量元素转化为植物不可利用的状态，引起微量元素的缺乏，还会造成氮元素的损失，磷元素也会转化为难溶的磷酸盐[20]，影响植物成活和正常生长。目前，项目区在造林过程中，利用电厂废弃物脱硫石膏对盐碱土进行土壤改良，取得了较好的效果。

综上可见，土壤盐碱化程度高、速效氮缺乏是准东工业区土壤肥力质量低下的主要抑制因素。因此，在人工植被恢复和天然植被保育过程中，要加强水土保育和土壤改良工作。