荒漠草原露天矿开采对矿区及周边区域土壤养分的影响

荣 浩,崔 崴,葛 楠

(1.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站,北京 100038;2.水利部牧区水利科学研究所,内蒙古 呼和浩特 010020)

矿产资源在建设和开采过程中会对地表环境造成直接或间接的破坏[1-3];开采剥离的表土和植被、挖掘出的矿石在运输、倾倒等过程中也会对土壤理化性质产生不同程度的影响[4-6]。开采过程中产生的大量废弃物堆积形成的排土场、尾矿库等大型工程堆积体,会破坏生态景观导致小尺度空间上土壤养分出现异质性,还会影响矿区及其周边区域的生态水文特征[7-9]。因此,分析采矿活动对土壤理化性质的影响已成为矿区生态恢复工作的关键。Sierka等[10]研究发现,矿产资源开采改变了土壤机械组成、密度,使土壤更加紧实;毕银丽等[11]通过研究露天开采对土壤因子的影响发现,煤矿开采会对一定范围内的土壤肥力产生影响,远离矿区位置的土壤肥力要好于矿区附近,矿区周边土壤养分的空间异质性呈不同程度的变化趋势;张红静等[12]对宝日希勒露天煤矿周边天然草地不同距离梯度的土壤理化性质进行分析,结果表明,距离煤矿0.5 km处的土壤pH值呈现弱碱性,1.5 km处土壤pH值基本与对照区一致,同时煤矿开采导致土壤含水量降低,距离煤矿1.5 km处土壤含水量降低受采矿影响最大。采矿对土壤的破坏受土质条件、距离、深度、强度等因素的影响,因此,不同地区矿产资源开发对土壤的破坏程度及范围存在较大差异[13],矿山及周边区域受损土壤环境的恢复也有很大的不同。本研究通过分析荒漠草原区矿产资源开发利用过程中矿区及其周边不同区域的土壤养分变化特征,探讨土壤养分受采矿活动的影响机制及影响范围,研究结果可为更好地分析矿山废弃地土壤重构和生态系统的动态变化过程提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古高原中部,海拔1 000～1 600 m,地势整体表现为由南向北倾斜。该露天矿于2011年建成投产,产能3 000 t/d;在未开采前,矿区及其周边区域均为天然放牧场,地广人稀,开采后研究区周边10 km范围内无其他生产建设项目。项目区属中温带干旱半干旱气候,多年平均降水量约为209 mm,年平均蒸发量2 384 mm,年均风速4.6 m/s,年均气温4.3 ℃,无霜期135 d;地带性土壤为栗钙土,研究区周边天然草原以小针茅(Stipaklemenzii)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica)为主要建群种,植被盖度约为35%。

1.2 土壤样品采集

有研究表明,不同风向对矿山周边不同区域造成的影响存在差异[14],根据研究区常年盛行风向为西北风,将研究区分为3个区域:排土场、尾矿库南侧(下风向)、尾矿库北侧(上风向)。在以矿区为中心沿排土场、尾矿库南侧、尾矿库北侧3个方向周边5.0 km的范围内,采用网格法均匀布设土壤样品取样点,并在矿区正南方向8.0 km处的天然草原设置1处对照区,对照区处于下风向。每个采样点采用五点取样法采集0～20 cm土壤样品,分别装入铝盒与塑封袋中带回实验室处理。采样点分布情况如图1所示。

图1 土壤取样点分布图

1.3 土壤测试指标

土壤全氮(TN)测定采用湿烧自动定氮仪法;全磷(TP)测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法;速效磷(AP)测定采用0.5 mol/L NaHCO3法;速效钾(AK)测定采用火焰光度法;碱解氮(AN)测定采用碱解扩散法;有机质(SOM)测定采用重铬酸钾容量法;pH值使用pH计测定[15]。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS Statistics 20.0软件进行描述性统计分析,变异系数(CV)反映了土壤性质离散程度,当CV<10%、介于10%～100%和>100%时分别属于弱变异、中等变异和强变异[16];采用单因素方差分析LSD法比较土壤养分之间的变化差异(P=0.05)。应用半方差函数研究土壤空间变异特征,半方差函数拟合模型包含指数、球状、高斯和线性模型,通过决定系数(R2)和残差(RSS)的数值来检验模型是否是最优模型,R2越大、RSS越小,模型拟合效果越好。

2 结果与分析

2.1 土壤养分描述性统计分析

通过对矿区周边3个区域的土壤主要养分指标进行测定,并对测定数据进行统计分析,不同区域的土壤养分变化见表1。

表1 土壤样品养分含量特征

由表1可以看出,研究区内土壤pH值为7.09～8.58,呈现弱碱性,且与对照区差异不明显。排土场、尾矿库南、北两侧土壤全氮含量平均值与对照区相比分别降低了7.90%、8.85%、28.99%。尾矿库北侧区域土壤碱解氮平均值最大(24.21 mg/kg),其次为排土场(21.85 mg/kg),尾矿库南侧的碱解氮平均值最低(21.13 mg/kg),3个区域碱解氮平均值显著低于对照区(33.74 mg/kg)(P<0.05);研究区内土壤全磷含量差别不大,为0.22～0.24 g/kg,且与天然草原(对照区)接近。排土场周边土壤中的速效磷含量较高,3个区域的速效磷均低于对照区(1.54 mg/kg),但变化差异未达到显著水平。研究区内土壤速效钾含量存在较大波动,土壤速效钾含量最大值出现在排土场(35.80 mg/kg),最小值出现在尾矿库南侧(6.00 mg/kg)。土壤有机质含量分布与全氮含量的分布规律相似,尾矿库北侧最低,排土场周边较高,3个区域平均值都低于对照区,其中,尾矿库北侧的土壤有机质含量显著低于对照区(P<0.05)。对比3个区域,排土场周边土壤中的全氮、速效磷、有机质含量均较高,在尾矿库北侧土壤的碱解氮含量较高,尾矿库南侧土壤中的速效钾含量较高。

2.2 矿区周边不同距离土壤养分含量变化

为了进一步确定采矿对矿区周边土壤养分的影响范围,对与矿区不同距离的土壤的养分含量进行分析。排土场不同距离的土壤养分变化如图2所示。由图2可知,排土场周边土壤中速效磷、速效钾含量随着与矿区距离的增大呈现增大趋势,最大值均在5.0 km处,分别为2.15、21.91 mg/kg。有机质、碱解氮、全氮呈先减小后增大的变化趋势,有机质、全氮均在5.0 km处最大,分别为13.58、9.29 g/kg。研究区土壤碱解氮的含量在距离排土场1.0 km处最大,为25.32 mg/kg。各距离之间的土壤pH值平均变化差异未达到显著水平(P>0.05)。

图2 排土场周边土壤养分变化情况

尾矿库南侧周边土壤养分变化如图3所示。可以看出,土壤有机质、碱解氮、速效钾含量随着与矿区中心距离的增大呈现增大的变化规律,有机质最大值在距离尾矿库南侧的4.0 km处,为15.12 g/kg;碱解氮、速效钾最大值均在尾矿库南侧5.0 km处,分别为28.56、21.98 mg/kg。全氮含量随着与矿区中心的距离增大呈先增大后减小又增大的波动变化,土壤全氮含量的最大值在尾矿库南侧1.0 km处(8.70 g/kg)。尾矿库南侧周边土壤pH值、全磷、速效磷含量变化差异不明显(P>0.05)。

图3 尾矿库南侧周边土壤养分变化情况

尾矿库北侧周边土壤养分变化如图4所示。可以看出,碱解氮、有机质随着与矿区中心距离的增大呈现增加趋势,有机质、碱解氮含量最大值均在5.0 km处。全氮、速效钾含量随着与矿区距离的增大呈先增加后降低趋势,全氮、速效钾含量在2.0 km处达最大值,分别为6.95 g/kg、21.5 mg/kg。尾矿库北侧的土壤pH值、全磷、速效磷含量变化与尾矿库南侧一致,各采样点之间没有明显变化(P>0.05)。

图4 尾矿库北侧周边土壤养分变化情况

2.3 土壤养分地统计分析

利用GS+9.0软件对各项土壤养分指标做半方差函数模型拟合,相关参数见表2。

表2 研究区土壤养分变异函数模型及相关参数

由表2可知,研究区土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾、有机质、pH值决定系数均大于0.5,模型拟合度较高。土壤全氮、速效磷、有机质的最优拟合模型为高斯模型,全磷、速效钾采用球状模型拟合效果较好,碱解氮、pH值可采用线性模型进行拟合。当块金系数小于0.25时,变量具有强烈空间自相关性;当块金系数为0.25～0.75时,变量具有中度空间自相关性;当块金系数大于0.75时,变量具有较弱空间自相关性[17]。由此可知,研究区内土壤全磷、速效磷、速效钾具有强烈空间自相关性,全氮表现为中等程度空间自相关,而碱解氮、有机质、pH值空间自相关性较弱。

3 讨论

矿产资源经过长时间、大规模的开采利用,开采区周边土壤养分随地表水向采空区洼地流入,导致采区周边土壤养分分布不均匀,严重影响了土壤的生产力[18-20]。对于生态环境相对脆弱的荒漠草原区,矿产资源开发对原始地貌形态、土体结构、生物种群的严重破坏致使矿区周边草原也出现不同程度的退化。本研究以矿区为中心,对矿区及其周边3个区域(排土场、尾矿库南侧、尾矿库北侧)的土壤酸碱度及主要养分进行了测定分析,研究区内土壤平均pH值低于天然放牧草原,但变化差异未达到显著水平,根据全国第二次土壤普查养分分级标准[21],研究区土壤有机质、全氮含量处于四级(中下),碱解氮、全磷含量处于五级(较低),速效钾、速效磷含量处于六级(低),研究区土壤养分含量整体处于较低水平,土壤质量较差,贫瘠的土壤环境加大了生态受损区域的植被恢复难度;而随着与矿区中心的距离增加,土壤有机质、速效磷、速效钾、碱解氮的含量呈显著增大的变化规律,说明矿区的开采活动会对提高土壤营养成分有效性的有机质,更易被植物吸收的磷酸盐,以及植被生长所必需的氮元素、钾元素的含量产生一定影响。黄洪铭等[22]研究发现,当矿区周边土壤养分只有正常植被覆盖土壤的30%,采矿活动就已经严重影响矿区周边的土壤及植物的正常生长;赵义博等[23]研究认为,坡度、坡向、高程、地形湿度指数是影响胜利煤田土壤养分格局特征的主要地形因子,采矿活动引起土壤扰动是土壤养分含量较低的重要原因;康文慧[24]对矿区周边土壤养分进行研究得出,与未受干扰的矿区外部相比较,距离矿区近的土壤养分受干扰程度较大,土壤结构不稳定,养分流失严重,而矿区外部土壤养分随土层深度的变化流失缓慢。半方差函数模型拟合结果表明,除碱解氮以外,土壤有机质、全氮、全磷、速效钾、有效磷、pH值的模型拟合结果均较好,土壤养分的分布表现出明显的空间依赖性。结构性因素(气候、地形、母质等)和随机性因素(人为活动等)共同影响土壤的空间异质性,结构性因素促进土壤的空间自相关性,人为活动等随机性因素会使其趋向均质化方向发展,降低土壤的空间自相关程度[25-27]。研究区土壤碱解氮、有机质、pH值表现为弱空间自相关,说明随机因素削弱了其空间相关性,全氮表现为中等程度空间自相关,其在空间尺度上受到随机因素和结构因素的综合作用,而全磷、速效磷、速效钾具有强烈空间自相关,表明结构性因素造成其明显的空间变异[28-29]。

矿产资源开采对周边生态系统的影响范围因自然气候条件、植被类型、土壤特征等自然因素,以及矿产资源开发利用形式、强度等人为因素的差异而不同[30-32]。本研究沿矿区边界向外半径5.0 km范围内进行土壤样品采集,矿区周边1.0～2.0 km区域的土壤主要养分含量要明显低于对照区,距离矿区中心5.0 km区域的土壤主要养分与对照区基本接近,说明矿区中心5.0 km以外的区域土壤理化性质基本不受采矿活动影响。孟峰等[33]研究认为,宝日希勒矿区开发对土壤养分及土壤湿度的影响距离为1.0 km,随着采煤及放牧干扰时间变长,土壤中全氮含量逐渐降低,且降低幅度呈升高趋势;而土壤中全磷变化虽然也很显著,但没有明显的规律性。马骁[34]对锡林浩特市露天矿区采区周边天然草原土壤养分进行测定发现,土壤pH值随着干扰距离的增加而逐渐减小,土壤含水量、全氮、全碳、硝态氮、速效磷、速效钾含量在表层土壤中呈现以2.0 km为阈值的分布特征,整体上在距干扰区2.0 km范围外均显著高于2.0 km范围内的值,说明该区域采矿活动对2.0 km范围内的草地土壤养分影响较严重。因此,通过研究确定矿产资源开发对周边区域土壤养分的影响程度和范围,可以为更好地制订科学、合理的区域生态修复方案提供理论依据。

4 结论

1)与对照区相比,研究区内土壤中的有机质、速效钾、速效磷含量处于较低水平,并且有机质、速效磷、速效钾、碱解氮的含量随着与矿区中心的距离增加呈显著性增加,但对土壤pH值、全氮含量影响不明显。

2)地统计分析结果表明,研究区内土壤全磷、速效磷、速效钾表现为强烈空间自相关性,全氮具有中等程度空间自相关,碱解氮、有机质、pH值表现为较弱空间自相关。

3)矿区内部与周边1.0～2.0 km区域的土壤主要养分含量要明显低于对照区,在距离矿区中心5.0 km区域以外的土壤养分与对照区基本接近,表明距离矿区中心5.0 km以外的区域土壤主要养分基本不受采矿活动影响。