矿区不同土地利用方式下土壤理化特性分析

樊艳平，陈明星，孟昭琛

（太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619）

土壤是人类赖以生存的基础，是人类主要的生产基地。山西省是煤炭资源大省，近几十年煤炭资源的不合理开发对矿区周围土壤质量产生了很大影响，破坏了当地的生态环境。在开采煤炭的同时，要始终秉承习近平总书记提出的生态文明思想，加强生态环境建设和保护。合理开采煤矿、恢复矿区生态已成为当前煤矿发展面临的关键任务[1]。矿区土地利用方式的变化在影响土壤特性的同时，还会改变土地生产力，导致土壤质量发生变化，最终使土壤环境发生变迁[2-3]。

土壤质量是自然属性和人为因子作用的结果[4]，人类对土地的利用方式会影响土壤的性质[5-6]，进而改变土壤肥力。不同的土地利用方式影响着土壤内全氮、有效磷等的流动，对土壤养分及循环具有极为重要的影响[7]。土壤粒径、土壤容重作为典型的土壤属性，对土壤的结构、质地以及肥力有着重要影响，受土地利用类型的影响较大[8]。

土地利用方式不同，其土壤结构及养分含量存有较大差异[9]。合理利用土地对改善土壤结构具有重要影响。不合理利用土地会导致土壤肥力大幅下降，破坏原有的土壤结构[10-11]。土壤容重、土壤质地是重要的土壤物理特性指标，有机质、有效磷、速效钾、pH 值是重要的土壤化学特性指标[12]，这些指标对土壤理化特性有直接影响，最终会对土壤微生物和植物生长发育产生影响[13-14]。

1 研究区概况

1.1 矿区基本情况

西铭矿区位于东经112°14′～112°31′、北纬37°38′～37°56′，在山西省太原市以西，距太原市中心20 km。矿区地形切割强烈，深切成“V”字型，属于中低山区，常出现干旱、暴雨、洪涝、冰雹、霜冻等天气，年均气温9.5 ℃，降水量年际变化较大，全年降水量约60%集中于7—9 月，年平均降水量为428.2 mm（1965—2019年）。

1.2 矿区土壤类型

研究区内的土壤类型主要有山地棕壤、褐土、草甸土3 种，部分砂页岩裸露山坡有残积土分布。林地土壤主要是棕壤土，在研究区内广泛分布，多见于104 省道两侧山坡处，有机质含量为7%～15%，土壤呈微酸性，pH 值为6.5～7.0。农业土壤主要为山地褐土，分布在旱地和裸地附近，土壤呈褐色或棕褐色，质地为中壤土至轻黏土，全剖面呈微碱性反应，pH 值为7.2～7.8。草地土壤主要为草甸土，研究区内多见于其他草地中，植被以高寒喜湿性矮生蒿草为主。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

通过实地走访调研，使用网格随机取样的方法，采集耕地、园地、林地、草地土壤样品，采样深度分别为0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～70 cm，设置3 次重复。将每个样地采集到的土样（去除植物根系和石块）充分混合装入自封袋，并放入样品箱带回实验室。

2.2 指标测定

在实验室对采集的土样进行处理后，分别测定土壤中有机质含量、有效磷含量、速效钾含量、pH 值、土壤质地、土壤容重等指标。其中，测定有机质含量采用重铬酸钾氧化法，测定有效磷含量采用碳酸氢钠浸提法，测定速效钾含量采用火焰光度计法，测定pH 值采用酸度计法，测定土壤质地采用手测鉴定法，测定土壤容重采用容积为100 cm3的环刀[15]，最后采用Excel 进行数据处理。

3 数据分析

3.1 西铭矿区土地利用现状调查

矿区（新矿界+退出晋祠泉域部分）涉及太原市万柏林区和古交市。其中，万柏林区3 975.92 hm2，占矿区总面积92.36%；古交市328.78 hm2，占矿区总面积的7.64%。

如表1 所示，不同土地利用类型所占比例的排序依次为林地＞草地＞城镇村及工矿用地＞耕地＞其他土地＞交通运输用地＞园地＞水域及水利设施用地（81.99%＞5.15%＞4.91%＞3.78%＞2.99%＞0.64%＞0.52%＞0.03%）。其中，林地、草地最大，交通运输用地、水域及水利设施用地、其他用地和城镇村及工矿用地类型多为建设用地，土地表层被建筑物等遮盖，导致土壤样品采集难度大，所以将耕地、园地、林地、草地作为本次研究的4 种土地利用类型。

表1 矿区范围土地利用现状统计表

3.2 不同土地利用方式下的土壤化学特性

不同土地利用方式下的土壤化学特性如表2 所示。

3.2.1 不同土地利用方式下土壤有机质含量

由表2 可知，在垂直分布上，0～10 cm、10～30 cm土层深度下土壤有机质含量在各土地利用方式之间差异显著（P＜0.05）。耕地、园地土壤有机质含量均随土层深度增加呈现逐渐减少的趋势，以0～10 cm 土层深度最高；随着土层深度的增加，林地土壤有机质含量呈现先增加后减少的趋势，以10～30 cm 土层深度最高；草地土壤有机质含量呈先减少后增加再减少的趋势，以0～10 cm 土层深度最高。

表2 不同土地利用方式下土壤有机质含量

不同土地利用方式下，土壤有机质含量在不同深度的平均值排序为林地＞草地＞园地＞耕地（1.18%＞1.12%＞1.06%＞0.88%），林地最高。林地、草地两种利用方式受人为干扰较少，表层土壤中含较多枯枝落叶分解形成的有机质，故有机质含量较高。耕地受人为干扰较大，土壤原本的结构易被破坏，且植被类型单一，导致耕地表层有机质含量较少。

3.2.2 不同土地利用方式下土壤有效磷含量

由表3 可知，在垂直分布上，0～10 cm 土层深度下土壤有效磷含量在园地、林地以及草地之间差异显著（P＜0.05），10～30 cm、50～70 cm 土层深度下土壤有效磷含量在各土地利用方式之间差异显著（P＜0.05）。耕地、园地、草地土壤有效磷含量均随着土层深度的增加而减少，且0～10 cm 土层深度最高；林地土壤有效磷含量随着土层深度先增加后减少，10～30 cm 土层深度最高。

表3 不同土地利用方式下土壤有效磷含量

不同土地利用方式下，土壤有效磷含量在不同深度的平均值排序为草地＞林地＞园地＞耕地（5.81 mg/kg＞4.81 mg/kg＞4.62 mg/kg＞3.90 mg/kg），草地最高。林地表层枯枝落叶分解产生的无机物进入腐殖质层，有效磷的积累量大于消耗量，含量增加，随后积累量逐渐减少且小于消耗量，故有效磷含量随着深度增加而减少。草地受人为干扰较小，凋落物以及植物根系分解后形成的有效磷会进入土壤表层，使土壤表层有效磷含量较高。

3.2.3 不同土地利用方式下土壤速效钾含量

由表4 可知，在垂直分布上，0～10 cm 和50～70 cm土层深度下土壤速效钾含量在各土地利用方式之间差异显著（P＜0.05）。随着土层深度的增加，耕地、园地土壤速效钾含量均逐渐减少，0～10 cm 土层深度速效钾含量最高；林地、草地土壤速效钾含量随土层深度增加呈现先增加后减少的趋势，10～30 cm 土层深度速效钾含量最高。

表4 不同土地利用方式下土壤速效钾含量

林地和草地表层的枯枝落叶分解成无机物进入腐殖质层，速效钾含量增加；随着土层深度的增加，植物根系减少，速效钾积累受限，含量逐渐减少。

各土地利用方式下，土壤速效钾含量在不同深度的平均值排序为林地＞园地＞草地＞耕地（119.75 mg/kg＞110.75 mg/kg＞91.25 mg/kg＞87.5 mg/kg），且林地最高。耕地中枯枝落叶层土壤速效钾含量高于园地和草地，原因是耕地受人为干扰较大，人们会通过施肥促进农作物更好地生长，从而增加耕地土壤表层速效钾的含量。

3.2.4 不同土地利用方式下土壤pH值

由表5 可知，矿区4 种不同土地利用方式下土壤pH 值为7.67～7.96，平均值排序为草地＞耕地＞园地＞林地（7.85＞7.83＞7.82＞7.81），30～50 cm 土层深度最高，说明该研究区内土壤基本属于偏碱性土壤，且差异不大。从垂直分布上看，pH 值随着土层深度的增加没有较明显的规律。

表5 不同土地利用方式下土壤pH 值

3.3 不同土地利用方式下的土壤物理特性

不同土地利用方式下的土壤物理特性如表6、表7所示。

表7 不同土地利用方式下土壤容重

3.3.1 不同土地利用方式下土壤质地

由表6 可知，园地和林地的土壤质地随着土层深度的增加不变，均为中壤，其枯枝落叶层和腐殖质层土壤透水性能好，保水、保肥性强，土温较稳定，故植物根系易于深入和发展，可汲取土壤中的养分。随着土层深度的增加，耕地和草地中砂粒含量会逐渐减少，而黏粒含量会增加，保水性依次递增，透气性依次递减。

表6 不同土地利用方式下土壤质地

3.3.2 不同土地利用方式下土壤容重

由表7 可知，在垂直分布上，耕地、林地和草地土壤容重均在不同土层深度下存在显著差异（P＜0.05）。4 种不同土地利用方式下，土壤容重为1.19～1.41 g/cm3，平均值排序为草地＞林地＞园地＞耕地（1.31 g/cm3＞1.27 g/cm3＞1.26 g/cm3＞1.24 g/cm3），50～70 cm 土层深度最高。耕地土壤容重均小于其他土地利用方式，原因是人们在耕作时会松土以增加表层土壤中的氧气浓度，促进植物生长，降低了土壤的紧实性。

4 结论与讨论

研究得出，4 种土地利用方式下，土壤有机质含量在不同深度下的平均值排序为林地＞草地＞园地＞耕地（1.18%＞1.12%＞1.06%＞0.88%），由于林地受人类活动的影响最小，故林地的土壤肥力最好；土壤有效磷含量在不同深度下的平均值排序为草地＞林地＞园地＞耕地（5.81 mg/kg＞4.81 mg/kg＞4.62 mg/kg＞3.90 mg/kg）；土壤速效钾含量在不同深度下的平均值排序为林地＞园地＞草地＞耕地（119.75 mg/kg＞110.75 mg/kg＞91.25 mg/kg＞87.50 mg/kg）；土壤pH 值在不同深度下的平均值排序为草地＞耕地＞园地＞林地（7.85＞7.83＞7.82＞7.81），pH 值随着土层深度的增加没有明显规律；园地和林地的土壤质地随着土层深度的增加不变，均为中壤；耕地和草地由于受人类活动的影响较大，因此随着土层深度的增加，土壤质地由中壤转变为重壤。耕地下作物根系主要分布在耕作层，耕作层土壤的黏性较弱，有利于作物根系深入土层汲取养分。土壤容重在不同深度下的平均值排序为草地＞林地＞园地＞耕地（1.31 g/cm3＞1.27 g/cm3＞1.26 g/cm3＞1.24 g/cm3）[16-18]。

卿小燕等（2021）[19]在对松花坝水源区土壤理化性质的研究中得出，林地土壤中的有机质含量普遍高于农田（菜地与玉米地），上述结果均与本研究结果一致。除7 月菜地与林地表层土壤有效磷含量无显著差异外，其他月份及土壤层次下，农田（菜地与玉米地）土壤有效磷含量均显著高于林地土壤，与本研究中林地土壤中有效磷含量高于耕地结果不一致。

本研究中不同土地利用方式下，土壤速效钾含量排序为林地＞园地＞草地＞耕地。徐海军等（2020）[20]在对大庆不同土地利用方式下的研究中得出，草甸、农田、林地的速效钾含量呈依次下降趋势，与本研究正好相反。

研究土壤pH 值发现，pH 值随着土层深度的增加没有明显规律，与古丽波斯坦·巴图（2018）[21]对渭-库绿洲的耕地、林地、草地、盐渍地中土壤pH 值研究结果一致。本研究发现，0～10 cm 园地和草地土壤pH 值最高，10～30 cm 林地土壤pH 值最高，与刘静（2010）[22]在对不同土地利用方式下土壤理化性质的研究中得出的0～35 cm 土层深度林地土壤pH 值较高的结果一致。

李志强（2020）[23]对山西省庞泉沟落叶松林土壤理化性质的分析得出，庞泉沟地区随着土层深度的增加土壤容重增大，速效钾含量减少，与本研究林地土壤中速效钾含量和土壤容重的变化趋势基本一致。

5 结束语

本研究通过对土壤有机质、有效磷、速效钾含量、pH 值、土壤质地、容重的测定和数据进行分析，对研究区不同土地利用方式下土壤的理化性质及土壤肥力情况有进一步了解，可为矿区合理利用土地资源和保护生态环境提供理论依据，但也存在一些不足。

在选择参考指标方面，只选择了有机质、有效磷、速效钾、pH 值、土壤质地、土壤容重等指标，对土壤中的其他微量元素考虑不足。

研究矿区不同土地利用方式下土壤理化性质时，采样点的分布范围较窄，分布密度较低。今后在进行采样时要更加合理地选择采样点，使数据更具可靠性。

在分析不同土地利用方式下土壤理化性质时，只考虑了物理和化学指标，忽略了土壤中的生物也会对土壤理化性质产生影响。今后可以深入研究生物因素对土壤理化性质的影响，使得相关研究更加全面。