半干旱地区露天矿排土场复垦对土壤物理性质的影响

王鹤燕　李龙　李强　张亮　高鑫宇

摘要：为研究露天煤矿排土场复垦对土壤物理性质的影响，以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗黑岱沟露天矿排土场平台为研究对象。针对矿区自然地貌（ZR）、未复垦的排土场（WF）与复垦5年排土场（FK）0—60 cm土层土壤物理性质的差异，运用方差分析、主成分分析等方法研究复垦对排土场土壤物理性质的影响。结果表明，未复垦排土场的土壤容重和砾石含量均显著高于复垦排土场和自然地貌，而土壤含水率、饱和含水率和田间持水量均低于复垦排土场和自然地貌，其中田间持水量显著低于复垦排土场和自然地貌。相关性分析和回归方程拟合分析发现，土壤砾石含量影响土壤容重和持水保水性能。复垦使排土场土壤容重及砾石含量呈降低趋势，而土壤含水率、饱和含水率、田间持水量呈升高趋势；随着土层深度的增加，排土场土壤容重、含水率、饱和含水率呈升高趋势，而田间持水量和砾石含量呈降低趋势。复垦排土场40—60 cm、自然地貌40—60 cm、复垦排土场20—40 cm土层土壤的综合评分分别排第1、2、3位，说明排土场复垦能够在一定程度上改良土壤、优化土壤质地，并在复垦5年情况下对土壤的改良深度可达60 cm。以上研究结果对矿区复垦工作具有一定指导意义。

关键词：露天矿；排土场；土壤物理性质；复垦

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0548

中图分类号：S157.3 文献标志码：A 文章编号：10080864（2024）04017410

露天煤矿的排土场是典型的人为重塑地貌，主要物质成分由剥离土层中的废弃物及煤层上覆的岩土层、煤矸石、煤粉和表土堆积构成[1]，矿区排土场的建设主要是采取不经分选直接堆砌、碾压的施工方式，加之土壤的非均匀沉降作用，导致土壤物理性质较差[23]。土地复垦主要是指对工矿业用地的再生利用和系统恢复，矿区排土场复垦可使矿山排土场地表植被覆盖率得到大幅度提高，有效防止矿山环境的恶化并改良土壤物理性质。土壤物理性质是决定生态恢复的基础，生态恢复得当便可以提供大量土地资源并发挥其重要的生态功能[45]。因此，研究排土场植被恢复对土壤物理性质的改良状况，对于矿区的生态修复和绿色生态屏障的构建具有十分重要的意义[67]。

目前，国内外矿区土地复垦领域的研究多着眼于矿区复垦地重构土壤物理性质的研究，赵艳玲等[8]对内蒙古锡林浩特胜利煤田1号露天矿北排土场复垦土壤的物理性质进行了系统性分析，发现土壤的物理性质能够较直观地反映重塑地貌土壤的质量。土壤复垦从物理性质的角度直接反映土壤的持水、保水性能，是矿区土壤复垦研究的核心方法之一[9]。土壤物理性质主要包括容重、质地、孔隙度以及入渗、持水性能等具有关联性的多项指标[10]，对矿区排土场土壤修复影响较大。Schroeder等[11]研究采矿区生态恢复过程中土壤的物理性质表明，复垦土壤与未受到人为扰动的自然土壤之间在水平方向上的各项物理性质均存在差异。Kumar等[12]通过对不同复垦年限矿区的土壤进行对比分析得出对矿区生态恢复影响较大的关键指标，为矿区的生态修复提供了可靠的理论支撑。目前，学者们对矿区排土场复垦方面的研究成果丰富，但多数研究都是针对排土场土壤物理性质的时空变化，而关于植被复垦对重构土壤各层物理性质影响的研究较少。

基于此，本研究以位于内蒙古自治区鄂尔多斯市的黑岱沟露天煤矿排土场平台为研究对象，在结合其他研究的基础上，采取实地对比监测和室内试验分析相结合的方法，进行植被复垦条件下不同土层土壤物理性质改良状况的试验研究，以未受到扰动的自然地貌为参照，对排土场各土层土壤物理性质进行监测，综合评价排土场地貌重塑驱动下的土壤物理性质改良状况[13]，为进一步研究矿山排土场土壤物理性质与复垦植被间的交互影响提供理论支撑，为未来矿区生态恢复工作提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑岱沟露天煤矿（39° 25′—39° 49′N，111°13′—111°21′E，海拔1 256 m）位于准格尔煤田中部，距离神华准格尔能源有限公司9.8 km，北距呼和浩特市120 km，西距鄂尔多斯市135 km，南距平朔露天煤矿225 km，地形地貌为黄土丘陵沟壑区[14]（图1）。该区属中温带半干旱大陆性气候[15]，年均降水量408 mm。矿区排土场呈多阶平台状，土壤类型为黄绵土[16]，养分含量低；植被属暖温型草原带[17]，天然植被低矮稀疏，以针茅（Stipacapillata L.） 、百里香（Thymus mongolicus Ronn.） 等为主；排土场人工建植植被有柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii Kom.）、沙地柏 （Sabina vulgarisAnt.）、山杏[Armeniaca sibirica （L.） Lam.]。

以黑岱沟内排土场平台为研究区域，其土壤成分主要由剥离土层中的废弃物及煤层上覆的岩土层、煤矸石、煤粉和表土等堆积构成，土壤堆积过程经过了剧烈扰动和碾压，地貌平坦且质地较轻，养分含量低，土壤结构性差，是典型的矿区土壤类型，极易发生水土流失[18]。

1.2 试验设计

采用野外样地调查与室内试验分析相结合的研究方法，分析露天煤矿排土场在复垦5年及未复垦情况下土壤物理性质与未受到人为扰动自然地貌土壤物理性质的差异，并分析2种情况排土场营养土层垂向物理性质的变化规律。

1.2.1 样地概况与土壤样品采集

试验于2022年开展，分别于7、8月采集土壤。在复垦5年排土场（FK）、未复垦排土场（WF）和自然地貌（ZR）分别布设3个采样点，采用对角线取样，按照0—20、20—40、40—60 cm划分3个土层，由下至上分层取样，最终共采集9个样点的土壤样品。FK、WF排土场的排土时间相同，所排土壤来自同一采坑，最初土壤性质基本一致。FK排土场主要植被有柠条锦鸡儿、沙地柏、山杏；WF排土场植被低矮稀疏，以针茅、百里香为主；ZR为未受人为扰动的自然地貌，主要植被有紫苜蓿（Medicago sativa L.）、狗尾草[Setaria viridis （L.） Beauv.]、针茅、碱蓬[Suaedaglauca （Bunge） Bunge]等。每个样地不同土层深度的砾石分级、恢复年限、主要植被和植被盖度如表1所示。每个采样点的土壤剖面采用环刀取土，分别取0—20、20—40、40—60 cm土层的土壤样品（排土场覆土深度60 cm左右），除去土壤中的杂质，做好标记合理保存用于后续试验。

1.2.2 测定指标与方法

采用天平分别测定土壤样品的湿重和干重，计算土壤容重和土壤含水率。采用环刀浸泡法测定田间持水量和饱和含水率。土壤的砾石含量为每千克土壤样本中粒径>2 mm的土壤颗粒含量，可分为3级：少砾（<150 g·kg-1）、中砾（150～300 g·kg-1）和多砾（>300 g·kg-1）。

1.3 数据分析与处理

通过单因素方差分析对不同样地土壤典型理化性质的差异进行分析。选取排土场土壤容重、含水率、饱和含水率、田间持水量、砾石含量5个指标，利用SPSS 19.0软件，将数据进行标准化（Zscore法）处理，对处理后的数据进行KOM检验和Bartlett 球体检验，以用于因子分析的适用性检验。

式中，X 代表特征值大于1的主成分个数，λa、λb、λc...为每个主成分对应的特征值所占比例，Ya、Yb、Yc...分别代表每个主成分对应的特征值所占主成分特征值之和的比例。

利用WPS office 软件对所得数据进行整理，运用SPSS 19.0进行主成分分析，计算各主成分得分及综合得分，进行综合评价分析。

2 结果与分析

2.1 排土场土壤物理性质的总体差异性

由图2可知，WF的土壤容重较ZR和FK排土场显著提高12.19%和10.36%；ZR和FK的土壤含水率略大于WF，但差异不显著；FK排土场土壤饱和含水率较ZR和WF排土场显著提高16.44%和21.18%；ZR 和FK 的田间持水量较WF 排土场显著提高23.15%和19.51%；3个样地的土壤砾石含量存在差异显著，其中WF的砾石含量较FK显著提高63.34%。

2.2 排土场土壤物理性质的垂向差异性

按0—20、20—40、40—60 cm 3个土层分析各样地土壤的物理性质垂向差异，如图3所示。ZR和FK 在40—60 cm 土层的土壤容重较0—20 cm土层显著提高17.24%和16.98%；WF各土层间土壤容重差异不显著。各样地不同土层间土壤含水率均差异不显著；土壤含水率随着土层深度的增加均呈现增加趋势。ZR、FK各土层间土壤饱和含水率差异均不显著；WF在20—40 cm土层的饱和含水率较0—20 cm土层显著提高15.51%；ZR、FK各土层间土壤田间持水量差异均不显著；WF在0—20 cm土层的田间持水量较40—60 cm显著提高19.28%。各样地0—20 cm土层土壤砾石含量均显著高于40—60 cm土层，而20—40 cm土层均与其他土层差异不显著。

对比同一土层不同研究区域间土壤物理性质（图4）发现，在各土层均表现为WF的容重显著高于ZR和FK；在0—20、20—40 cm土层各样地间土壤含水率均差异不显著，而在40—60 cm土层表现为ZR和FK的土壤含水率较WF显著提高50.22%和51.32%；在0—20、40—60 cm土层，FK的饱和含水率显著高于ZR和WF；ZR、FK在各土层的土壤田间持水量均显著高于WF；在0—20、20—40 cm土层，各样地间的砾石含量均存在显著差异，而在40—60 cm土层，ZR和FK的土壤砾石含量差异不显著。

2.3 排土场土壤物理性质指标相关性分析

由表2可知，排土场土壤容重与砾石含量呈极显著正相关；土壤含水率与饱和含水率呈极显著正相关，与砾石含量呈极显著负相关；饱和含水率与田间持水量呈显著正相关，与砾石含量呈极显著负相关。

检验上述土壤物理指标建立的回归方程的可靠性，结果（表3）表明，方程拟合较好，均达到显著水平（P<0.05）。结合土壤物理性质相关性分析结果表明，在表层土壤物理性质较差的的露天矿区排土场，复垦地与未复垦地的物理性质与自然地貌存在差异的原因主要来源于土壤质地构型的差异性，而对排土场质地构型影响较大的因素是土壤砾石含量，这可能与在排土场堆砌过程中不经分选直接碾压堆砌的施工方式有很大关系。

2.4 排土场土壤物理性质综合评价分析

筛选5 个指标初始数据进行KMO 检验和Bartlett球形检验，结果显示KMO>0.6，P<0.05，可用于主成分分析。根据累积贡献率≥85%的原则，共提取到2个主成分。第1主成分的特征值和贡献率最大，分别为2.616和52.317%；第2主成分的特征值和贡献率分别为1.713和34.253%（表4）。

根据主成分特征向量（表4）构建各主成分（y1，y2）得分函数如下。

y1=-0.295x1+0.393x2+0.412x3+0.521x4-0.563x5 （2）

y2=0.646x1+0.562x2+0.361x3-0.370x4-0.024x5 （3）

式中，x1 为容重；x2 为含水率；x3 为饱和含水率；x4为田间持水量；x5为砾石含量。

以各主成分贡献率为权重，并以权重为函数系数建立主成分综合得分（y）方程如下。

y=0.523 2y1+0.342 5y2 （4）

计算各样地各土层土壤理化性质的综合得分，结果（表5）显示，FK的40—60 cm土层、ZR的40—60 cm 土层、FK 的20—40 cm 土层土壤的综合评分较高，排名分别为第1、2、3名，说明复垦后排土场的土壤物理性质得到了很大程度的改善；其次为ZR 20—40 cm、ZR 0—20 cm 和FK 0—20 cm 土层土壤；WF 20—40 cm、WF 40—60 cm、WF 0—20 cm土层土壤的综合得分较低，说明WF的土壤物理性质相比于ZR和FK较差，需要采取一定的措施改善土壤质量。

3 讨论

3.1 排土场土壤理化性质方差分析

本研究表明，WF的土壤容重显著高于ZR和FK，这是由于排土场在建设及复垦过程中反复机械碾压造成[1]，而复垦可有效改善土壤结构；ZR和FK在40—60 cm土层的土壤容重均显著高于0—20 cm土层，这与石伟业等[19]的研究结果一致，而WF各土层间土壤容重差异不显著，这可能是由于新堆砌排土场中存在较多煤层上覆的岩土层、煤矸石等物质，导致土体结构随土层变化无规律性；各样地土壤含水率随着土层深度的加深均呈现增加趋势，ZR和FK的土壤含水率略大于WF，可能是由于土壤表层植被能够有效地防止土壤水分蒸发，从而保持土壤水分，也与气候特征[20]和水分入渗规律[21]密不可分；在0—20、20—40 cm 土层，各样地间的土壤含水率均差异不显著，而在40—60 cm土层表现为ZR和FK的土壤含水率显著高于WF，这可能是由于WF的土体结构差导致深层土壤水分入渗受阻[22]；FK的土壤饱和含水率显著高于ZR和WF，这可能是由于在排土场堆砌过程中所用的粉煤灰层具有较强的持水能力，但这种强持水能力也会带来一定局限性，当粉煤灰过多时，整个复垦土壤剖面的含水量可能常年接近饱和含水量，会阻滞植物的生长[23]；WF在20—40 cm 土层的饱和含水率显著高于0—20 cm 土层，这可能是由于随着土壤深度的增加，土壤中的大孔隙空间减少[24]，但土壤中的毛管孔隙增加，这些毛管孔隙可以吸附更多水分，因此导致深层土壤饱和含水率高于浅层[25]；在0—20、40—60 cm土层，FK的饱和含水率均显著高于ZR和WF，说明植被复垦对土壤的改善范围较大，改善深度已达60 cm左右，甚至其土体结构有优于自然地貌的趋势；ZR和FK的田间持水量显著高于WF，是由于未复垦排土场土壤中的砾石含量较多，增加了土壤大孔隙数量，从而降低了土壤持水、保水能力[26]；其中WF在0—20 cm 土层的田间持水量显著高于40—60 cm，而20—40 cm与其他土层差异均不显著，WF的田间持水量随土层深度的加深呈降低趋势，说明表层土壤持水能力相对较好，这可能是由于表层土壤中存在较多持水性能较强的粉煤灰[27]；各样地土壤砾石含量随土层深度的加深呈降低趋势，且3个样地间存在显著差异，其中WF、FK的砾石含量显著高于ZR，这是由于排土场为人为堆砌地貌，主要物质成分中存在较多煤层上覆的岩土层、煤矸石等物质[1]，而WF的砾石含量显著高于FK，这是由于风蚀、水蚀作用及复垦植物改良土体结构的作用，砾石含量过多会限制复垦地其他土壤物理性质的改善，且难以控制，会影响复垦效果，因此确定适宜的砾石含量是精准复垦下一步要开展的重要工作[2829]。在0—20、20—40 cm土层，各样地间的砾石含量均差异显著，而在40—60 cm土层，ZR和FK的砾石含量差异不显著，这可能是由于复垦植物对土体结构的改良作用，说明植物根系影响范围可达60 cm左右。

3.2 排土场土壤理化性质的改良

排土场土壤容重与砾石含量呈极显著正相关，这与杨文珊[30]研究结果一致，容重会随着砾石含量的增加而增加，这可能是由于砾石含量增加会降低土壤持水性能[31]，因此土壤水分减少导致土壤干旱板结，增加土壤容重；土壤含水率与饱和含水率呈极显著正相关，与砾石含量呈极显著负相关，说明土壤质地构型可影响土壤持水、保水性能，这与刘愫倩等[32]研究结果一致；土壤饱和含水率与田间持水量呈显著正相关，与砾石含量呈极显著负相关，说明排土场土壤中的砾石含量增加了土壤大孔隙数量，从而降低了土壤持水保水能力[26]。

在本研究中，主成分分析揭示，土壤砾石含量是限制露天矿排土场土壤养分的主要因素，其含量较高，会导致土壤基础结构较差[33]。多指标综合评价分析的优点是通过精确的数字评价对象能呈现出客观、合理的量化评价结果[34]。通过对不同样地不同土层土壤物理性质的综合评价分析发现，FK 40—60 cm、ZR 40—60 cm、FK 20—40 cm土层土壤的综合评分较高，分别为第1、2、3名，表明复垦后排土场土壤的物理性质得到了很大程度改善[3536]，其土壤质地优化程度甚至有优于自然地貌的趋势，说明复垦对矿区排土场土地的质量恢复起到了促进作用[37]，这与黄雨晗等[28]研究结果一致；而WF 20—40 cm、WF 40—60 cm、WF0—20 cm土层土壤的综合得分较低，说明未复垦排土场土壤的物理性质较差，需要采取一定的措施改善土壤质量，土地复垦能够在一定程度上改善土壤质量，与前人研究结果一致[38]。

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（责任编辑：张冬玲）

基金项目：鄂尔多斯市科技重大专项（2022EEDSKJZDZX012-2）；鄂尔多斯市科技计划项目（2022YY005）；高等教育改革发展项目（NJYT22046）。