新疆某露天矿排土场土壤质量分级评价

2021-09-09 10:30孙雪亮赵建港余勤飞李晓楠李欣颖
金属矿山 2021年8期
关键词:肥力红土速效

孙雪亮 赵建港 余勤飞 李晓楠 李欣颖 张 凯

(1.国家能源集团新疆能源有限责任公司,新疆乌鲁木齐830000;2.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083;3.中国地质环境监测院,北京100081;4.中国自然资源经济研究院,北京101149)

我国是世界最大的煤炭生产国和消费国,长期以来煤炭在我国能源生产与消费结构中一直占主导地位。新疆是我国煤炭资源分布大区,产煤量丰富,居全国之首[1,2]。某煤田煤炭资源预测储量大,赋存条件好。露天采场通过将覆盖在矿体上部的表土、覆岩等剥离物堆放在指定场地形成的排土场,是一个巨型松散土石混合堆积体[3,4]。排土场土壤自身水分保持能力不足,在复垦过程中水土流失严重,植物生长困难,复垦效果差,自然恢复困难,了解区域土壤质量是土壤复垦的前置工作。

土壤质量评价是指使用一定的方法、原则和标准,对土壤的理化性质进行评定,是环评体系中的一种单要素评价。进行土壤质量评价可以了解土壤理化指标,有利于土地资源的可持续利用,促进国民经济的可持续发展,为土地可持续利用提供理论保障。近年来,土壤质量评价的方法层出不穷,其大致可分为定性和定量两类,其中定量的方法如灰色系统模型[5]、主成分分析法[6,7]、层次分析法[8]和模糊综合评价法[9]等逐渐受到广大科技人员的青睐。土壤肥力指数法是常用的一种定量化评价土壤肥力的方法。肥力指数法[10]计算土壤肥力指数(IFI),目前已广泛受到学者们的认可,肥力指数法是通过先比较各项肥力指标与该肥力指标的标准含量确定某些指标最为缺乏,再累加隶属度和权重确定土壤综合质量的一种土壤质量评价方法。杨全合等[11]通过计算北京市通州区土壤各项肥力的权重和隶属度,计算其IFI值对土地质量进行评价。吴小芳等[12]在使用肥力指数法评价的基础上,用相关性分析法和主成分分析法验证了IFI值与肥力指标的相关性,进一步完善了肥力指数法评价土壤的体系。郭继阳等[13]在原有IFI基础算法下,用成分因子的贡献度和对应因子代替权重和隶属度,评价了海南万宁市和琼海市菠萝园的土壤质量,弥补了传统肥力指数法不够精确的缺点。但这些研究也存在一些问题,具体表现在以下两个方面:其一,当前多数研究比较单因素土壤肥力指标时均采用全国第二次土壤普查分级标准,由于地区的差异性,用该标准衡量养分的丰富和缺乏是缺乏说服力的,选用的标准是否会影响我们判断肥力指标丰富与缺乏,是有待研究的;其二,土壤各项肥力指标会随土层深度存在显著变化[14],仅用研究区土壤某养分的平均值计算的IFI值并不能准确反映土壤的质量。

针对以上问题,本项目以新疆某排土场为研究目标,利用肥力指数法,对0~20 cm,20~40 cm和40~60 cm的土壤进行分层评价。同时参考第二次土壤普查分级标准评价[15]及昌吉市耕地土壤质量的一般标准[16],对比采用不同的评价标准结果是否有所不同。此外,本研究开创性地按照新疆主要作物之一—玉米的根系分布、养分含量计算参考IFI值,为土地复垦后的农作物种植指导提供一个全新的思路。

1 .材料与研究方法

1.1 研究区域

准东经济技术开发区位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州境内准噶尔盆地东南方向,属温带大陆性气候,中心地理坐标为东经90°15'19″、北纬44°42'46″。区内无常年地表水体存在,多以西北风为主,年平均风期100 d左右,由于无天然山地作为屏障,风速较大,经常有7~8级大风,最大可达10级以上并伴有强大的沙尘暴天气;夏季炎热,最高气温可达43.2℃,冬季寒冷,气温日差较大,空气湿度小,年蒸发量1 202~2 382 mm,年平均降水量269.4 mm,夏季降水多,一般占全年降水总量的40%~50%。该区域在植被区划上属于新疆荒漠植被区、北疆荒漠植被亚区。天然荒漠植被保存完整,发育良好。研究区域排土场位于首采区的北侧开采境界外,距采掘场较近,地势平坦,能满足外排总量的要求。

1.2 土壤样品采集与制备

选择矿区外排土场为实验区域,在红土区和黄土区分别拉2条测线,以完成复垦后的小排土场和人工林为对照区,进行土壤样品的采集。采集样品时采取分层采样的方法,每隔20 cm分层采样,共60 cm深。每个土样去除植物根系、石块等杂质后,采用四分法取1 kg,装入采样袋后带回实验室,经自然风干后,研磨过筛以供测定。

采用烘干法测试土壤含水率;通过玻璃电极在土壤质量与加水体积比为1∶2.5的土壤与水的悬浮液中测量pH[17];重铬酸钾—外加热法测定土壤有机物含量[18],该方法检出限为0.02 g/kg;采用扩散法测定土壤碱解氮含量,检出限为0.02 mg/kg;采用联合浸提—比色法测定土壤有效磷、速效钾含量,检出限分别为0.05、0.03 mg/kg。一式三份地分析样品,并记录平均值。

1.3 统计分析

计算0~60 cm处土壤理化性质的最大值、最小值、平均值、标准差(SD)、变异系数(CV)和中值,以描述土壤理化性质的基本特性。均值和中位数表示集中趋势的估计值,如果一个参数的均值和中位数相似,则集中趋势的度量不受其分布中的异常值的支配。土壤理化性质变异性的估计用最小值、最大值、SD和CV表示。在本研究中将CV划分为3个级别来表示土壤养分的变异性,分别为低(<15%),中(15%~35%)和高(>35%),变异系数反映总体样本中各采样点平均变异程度,变异系数越大,说明受人类活动干扰越强烈。

1.4 研究方法

1.4.1 土壤质量评价指标权重

采用相关系数法确定各个肥力指标的权重。计算各项肥力指标之间的相关系数,获得某一肥力指标与其他肥力指标相关系数的平均值,将该平均值与所有肥力指标相关系数平均值总和的比值作为该肥力指标的权重,评价指标的权重计算公式如式(1)和式(2)所示。

1.4.2 土壤质量评价指标隶属度值

根据矿区排土场的实际情况,采用S型隶属函数式(3)[19],计算隶属度值。参考全国第二次土壤普查的养分分级标准[15](表1)和土壤含水率和干旱程度分级标准[20](表2)中推荐的土壤质量指标隶属度函数的阈值范围,以各项指标的5级标准平均值和2级标准平均值作为函数的转折点x1和x2(取值见表3)计算含水率、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮的隶属度。另外,本研究用经验法[24]计算pH的隶属度,如表4。

注:SOM—有机质;AN—碱解氮;AP—有效磷;AK—速效钾。

注:SWC—土壤含水率

1.4.3 土壤质量评价

以模糊数学中的加乘原则为原理,利用前面求得各土壤质量指标的权重及隶属度值,计算土壤综合肥力指数 IFI[19],计算式为

式中,Fi为第i项评价指标的隶属度值。经过研究结果表明[21]隶属度和IFI取值范围都在0~1,IFI的数值越接近于1,表明该区域土壤质量越好。土壤综合质量分级标准如表5所示。

2 结果与讨论

2.1 土壤理化性质描述性统计分析

0~60 cm处土壤理化性质描述性统计如表6所示,所有理化指标平均值和中值相似,大多数中位数等于或小于所有土壤特性的平均值,表明离群值并没有主导集中趋势。除土壤含水率外,对照区土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均高于红土区和黄土区,对照区土壤肥力含量优于实验区。红土区含水率、pH和速效钾含量高于黄土区,而有机质、碱解氮、有效磷含量低于黄土区,排土场理化性质分布不均。土壤含水率、碱解氮整体变异系数>35%,变异程度高,这种差异很大程度上归结于气候因素、土壤特征、植被情况和人为活动等的影响[22]。土壤有效磷在黄土区和红土区变异系数>35%,变异程度高,对照区变异程度中等。土壤有机质和速效钾变异系数在15%~35%之间,变异程度中等。土壤pH变异系数<15%,变异程度低。此外,除土壤pH外,其余指标最大值和最小值相差较大,综上,0~60 cm处土壤理化性质变异性较高,需分层探究各项指标。

2.2 土壤理化性质特征分析

土壤含水量作为土壤物理特性的重要参数之一,对土壤养分的输送有重要意义,具有高度的空间异质性[23]。如图1(a)所示,黄土区和红土区土壤含水率40 cm>60 cm>20 cm,对照区则逐层递减,但含水率整体较低,是因为人为活动导致土体扰动,土壤粘粒在风蚀和水蚀作用下明显减少,土壤毛管悬着力减小,致使土壤含水量降低[24]。对照区土壤含水率在0~20 cm处高于黄土区和红土区,在其余深度则要低于二者,这可能与植物根系吸水且人工林有人工洒水有关。土壤pH值是土壤的基本性质,它决定和影响着土壤元素和养分的存在状态、转化和有效性[25]。如图1(b)所示,pH整体分布规律相似,呈逐层递增趋势,土壤呈碱性,这与其他学者对该区域的研究相同[2],pH值高于昌吉市一般农用耕地土壤质量水平标准(如表7所示)。

土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源。土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标。如图1(c)所示,各深度下有机质含量逐层递减,但差距较小,黄土区有机质含量高于红土区,但整体处于缺乏水平,没有达到昌吉市耕地土地质量要求,该结果可能与区干旱多风,植被多系旱生草本植物,生长量较少,供给土壤的有机质数量不多,少雨使矿质化大于腐殖化有关[26]。对照区有机质含量优于实验区,表明植被在生长过程中对土壤改良作用有利[27]。

土壤碱解氮是可供植物直接吸收利用的氮素,与作物生长关系密切。如图1(d)所示,碱解氮含量整体逐层递减,黄土区碱解氮含量高于红土区,对照区高于实验区,但均处于极缺乏水平且低于昌吉市耕地土地质量水平,氮素在土壤中的易移动特性,而使其易流失或淋溶损失;表层碱解氮含量略高于其他层,土壤中的碱解氮主要存在于土壤有机质中,随着土壤中有机质的逐步矿化,氮素被释放出来,提高了土壤表层中碱解氮的含量。

土壤有效磷是指土壤中可被植物吸收利用的磷的总称。如图1(e)所示,有效磷40 cm处含量最高,20 cm和60 cm处较低,黄土区有效磷含量高于红土区,对照区优于实验区,这体现出了植物对土壤磷元素的固定作用。有效磷含量中等较丰,达到昌吉市耕地土地质量要求。土壤速效钾是一种生物有效性很高的钾素形态,其含量高低直接影响着植物的钾素营养。如图1(f)所示,速效钾整体在40 cm处含量最高,20 cm次之,60 cm处最低。实验区速效钾含量差距较小,对照区优于实验区,土壤速效钾在全国第二次土壤普查的养分分级标准中处中等及以上水平,但低于昌吉市耕地土地质量要求。

2.3 土壤质量评价

2.3.1 土壤质量评价指标相关性分析

为了计算土壤质量评价指标的权重,本研究对不同区域不同深度下6项指标进行相关性分析,剔除非相关变量后,在特定区域特定深度下,具有显著相关水平的指标如表8所示。由表8可知,黄土区各深度下,有机质、有效磷及碱解氮两两相关;红土区中,在0~20 cm的表土层中,含水率和有效磷具有相关性,但随着深度的增加,相关性逐渐消失。碱解氮与有机质在深度为0~20 cm和20~40 cm的土层中存在相关性,在40~60 cm中则消失。对照区中,0~20 cm处,有机质与碱解氮、有效磷和速效钾均有相关性,而在20~40 cm处,各指标均无相关性,在40~60 cm处,速效钾与含水率、有机质存在相关性,有效磷和碱解氮也高度相关,这一现象可能与植物根系的固定作用或微生物的代谢活动有关。

注:**为0.01级别(双尾)相关性显著;*为0.05级别(双尾)相关性显著。

2.3.2 单项土壤质量指标的隶属度和权重

按照式(3)并代入表3、表4的取值,得到不同深度不同土壤质量评价指标的隶属度如表9所示,权重如表10所示。

由表9和表10可以看出0~20 cm处,黄土区和红土区含水率隶属度较好,有机质、碱解氮、有效磷、速效钾表现出中等水平,pH隶属度较低,表明离理想水平差距较远,对照区除去pH值外其余5项指标均处于中等水平,pH离理想水平差距较远。20~40 cm处除pH外,隶属度表明3个区域5项评价指标均处于中等水平,pH值离理想隶属度函数值水平差距较大。40~60 cm处,黄土区和红土区的SOM、碱解氮、有效磷及对照区的土壤含水率隶属度明显大于其他指标值,更接近于理想隶属度函数值。

由表10可知,除个别区域出现某指标权重较低(如0~20 cm处红土区的速效钾权重仅为0.01)外,其余权重分布整体较为均匀,随区域和深度不同有小幅度波动。

2.3.3 土壤指数评价

在得到了不同区域不同深度的隶属度和权重后,按照式(4)计算IFI值,如表11所示,该区IFI整体处于0.26~0.42间,水平较差。

在同一深度下黄土区和红土区土壤质量相近,对照区土壤质量整体优于黄土区和红土区,这体现出植被对于土壤养分的固定作用。同一区域在不同深度上IFI值变化较小,中层土的土壤质量略优于表层土和深层土。一般来讲,由于长期施肥和耕作的缘故,表层土肥力应高于深层土,就结果来看,3个区域的表层土IFI值均不高于中层,表明土壤肥力损失严重,故应重点改良表层土土壤。

通过比较平均值和不同深度的IFI值可以发现,黄土区和红土区虽平均值相等,但在不同深度条件下,其数值变化有着细微的不同,3个平台的表土层及深土层质量略低于中土层,因此,分层评价土壤质量可以更加全面地了解土壤特性,为改良土壤提供更加完备的理论基础。

2.3.4 适宜玉米生长的土壤IFI值

玉米为新疆地区主要种植作物之一[28],且由于玉米的根系主要分布在0~20 cm[29],按照玉米的根系分布规律,选取适合种植玉米的土壤养分值作为0~20 cm的理想土壤养分值,查询相关文献[30],得到玉米最适有机质含量为16.2 g/kg,速效钾为120.96 mg/kg,碱解氮为61.71 mg/kg,有效磷为24.96 mg/kg,pH为5.77,含水率为10%。对养分进行归一化处理,得到有机质、速效钾、碱解氮、有效磷、pH、含水率的权重分别为0.21、0.09、0.06、0.08、0.13、0.42,按照1.4节所示方法,确定理想情况下的0~20 cm处土壤IFI值为0.38,从而为该区土壤改良复垦提供合理方案。

可以看出,适宜玉米生长的理想土壤IFI值为0.38,而黄土区与红土区仅有约0.27,经分析该地缺乏氮素,且pH较高,故可在表层施加磷酸二氢铵调节土壤肥力。

3 结 论

(1)某露天矿排土场的土壤质量按照第二次土壤普查分级标准进行划分,土壤有机质含量较低,碱解氮含量极低,速效钾、有效磷则处于较好水平,但对比该地耕地养分含量的一般标准,结论却有所不同:有效磷基本符合该地区的耕种要求,但有机质、速效钾、碱解氮含量严重不足,无法满足正常的耕种需求,需要重点补充有机质、氮素和钾素,才能实现土地正常复垦。这说明单一根据第二次土壤普查分级标准进行划分,无法就研究区进行准确的土壤改良。

(2)通过对比不同区域不同深度下IFI值和其平均值,证明了土壤质量存在小范围波动,深度20~40 cm处土壤养分优于0~20 cm及40~60 cm,显然该区表层及深层肥力流失较严重,需要提升该区域土壤保水保肥能力才能保证土壤肥力的稳定,从另一方面揭示了分层评价土壤是必要的。

(3)通过对新疆常种农作物—玉米的根系分布,适宜土壤养分值,各养分权重进行衡量,得到适宜种植玉米的土地标准IFI值并与根系分布集中的土壤深度进行对比,发现该区目前的土壤质量不宜种植玉米。不仅直观体现出分层评价土壤质量可以有力地说明研究区土壤质量和植物需求土壤质量的关系,也为评价及研究改良土壤提供了一个新的方向。虽然理论上使用深度0~20 cm处的土壤IFI值更具有说服力,但与平均值接近,需补充主要根系集中在深度40 cm和60 cm处的作物进行进一步讨论。

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