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      草原露天礦區(qū)復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)對(duì)比

      2019-07-27 02:26:24黃雨晗況欣宇曹銀貴羅古拜王舒菲白中科中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院北京00083自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京00035
      關(guān)鍵詞:粉粒物理性質(zhì)黏粒

      黃雨晗,況欣宇,曹銀貴,2①,羅古拜,王舒菲,楊 庚,白中科,2〔.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 00083;2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 00035〕

      中國(guó)煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采,一方面滿(mǎn)足了經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要,另一方面給局部帶來(lái)了眾多生態(tài)環(huán)境[1-2]與社會(huì)問(wèn)題[3]。資料顯示國(guó)外損毀土地復(fù)墾率一般為70%~80%,目前美國(guó)損毀土地復(fù)墾率已達(dá)到85%,而中國(guó)損毀土地復(fù)墾率僅為25%左右[4]。中國(guó)草原露天煤礦多地處水土資源匱乏的生態(tài)脆弱區(qū)[5],采礦活動(dòng)嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境[6-7],且露天采煤初期多采用外排土方式,礦區(qū)土地?fù)p毀高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要在未復(fù)墾的排土場(chǎng)[8],因此土地復(fù)墾對(duì)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

      在土地復(fù)墾中,原地貌土壤質(zhì)量是復(fù)墾地重構(gòu)土壤質(zhì)量的重要參考標(biāo)準(zhǔn),但由于研究區(qū)域、尺度范圍不同,造成研究結(jié)果差異很大[9]。排土場(chǎng)復(fù)墾過(guò)程中機(jī)械反復(fù)碾壓易導(dǎo)致土壤容重增大,引起土壤緊實(shí)度過(guò)大,孔隙度變小,導(dǎo)致土壤含水率較?。?0-11]。程林森等[12]研究發(fā)現(xiàn),未受采煤影響的土壤含水量較平穩(wěn),不隨溫度變化,而采煤初期土壤含水量變化不明顯,存在滯后性。CAO等[13]和PAN等[14]研究了黃土地區(qū)露天礦排土場(chǎng)重構(gòu)土壤物理性質(zhì)與植被恢復(fù)的關(guān)系,結(jié)果表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間植被恢復(fù),土壤容重降低,孔隙度增加,土壤含水量得到改善。LEWIS等[15]和BANNING等[16]研究表明,由于排土場(chǎng)的非均勻性,復(fù)墾土壤質(zhì)量空間差異性顯著。重構(gòu)土壤中礫石會(huì)增加土壤大孔隙數(shù)量,降低土壤保水能力[17]。土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤孔隙度和含水量呈正相關(guān)而與容重和有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)[18]。此外,研究表明復(fù)墾時(shí)間是土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)的重要保證[11,19]。陜永杰等[20]發(fā)現(xiàn)復(fù)墾8 a的黃土區(qū)土壤物理質(zhì)量水平還很差。同時(shí),王金滿(mǎn)等[21]研究證實(shí)隨著復(fù)墾年限增加,土壤環(huán)境因子質(zhì)量不斷提升并逐漸接近原地貌。

      上述研究表明,復(fù)墾初期重構(gòu)土壤物理性質(zhì)較差,會(huì)阻礙土壤質(zhì)量的提升,同時(shí),復(fù)墾時(shí)間是衡量土壤質(zhì)量的重要因素。草原礦區(qū)表土稀缺、氣候干旱的自然特征無(wú)疑加重了復(fù)墾難度,而土壤物理性質(zhì)又是決定植被重建和生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)。因此,豐富草原礦區(qū)重構(gòu)土壤物理性質(zhì)的研究,探尋重構(gòu)土壤與原地貌土壤物理性質(zhì)的差異性及其產(chǎn)生原因,可為表土稀缺的草原露天煤礦區(qū)土壤重構(gòu)提供支撐。

      1 研究區(qū)概況

      神華北電勝利露天煤礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內(nèi),地理位置為43°57′~44°14′N(xiāo),115°30′~116°26′E,地表東西長(zhǎng)6.84 km,南北寬5.43 km,含煤面積為37.14 km2。礦區(qū)包含3座外排土場(chǎng),分別為南排土場(chǎng)、北排土場(chǎng)和沿幫排土場(chǎng)(圖1),損毀土地綠化復(fù)墾率達(dá)100%。研究區(qū)地勢(shì)較平坦,所屬土壤侵蝕類(lèi)型區(qū)為內(nèi)蒙古高原草原風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū),植被蓋度為40%~75%,屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),春季風(fēng)大多干旱,夏季溫?zé)嵊昙校锔邭馑┰?,冬季寒冷風(fēng)雪多,年均氣溫為1.7℃,年降水量為294.74 mm[22],屬于典型草原地帶性植被類(lèi)型區(qū)。目前,研究區(qū)以草甸土為主,構(gòu)成非地帶性土壤,w(有機(jī)質(zhì))為2%~3.68%,pH值約為8,土壤養(yǎng)分狀況是缺磷、富鉀、氮中等,并且在土壤表層約20 cm以下存在明顯鈣積層。

      圖1 勝利礦區(qū)一號(hào)露天煤礦位置示意Fig.1 Location of No.1 opencast coal mine of Shengli mining area

      2 材料與方法

      2.1 樣品采集與處理

      在原地貌未損毀地以及南、北排土場(chǎng)復(fù)墾地分別隨機(jī)布設(shè)3個(gè)采樣地。采樣時(shí)間為2017年9月,每個(gè)樣地土層厚度、質(zhì)地、復(fù)墾年限和植被類(lèi)型見(jiàn)表1。每個(gè)土壤剖面上利用環(huán)刀(Φ100)分層采集0~10、>10~20、>20~30和>30~40 cm土壤樣品,同時(shí)收集各層土壤布袋樣,對(duì)所采集樣品進(jìn)行編號(hào)與保存。

      2.2 研究方法

      2.2.1 樣品測(cè)定方法

      在實(shí)驗(yàn)室采用天平分別測(cè)定環(huán)刀采集的土壤樣品濕重和干重,計(jì)算得到土壤容重和土壤含水率。參照LY/T 1225—1999《森林土壤顆粒組成(機(jī)械組成)的測(cè)定》,采用吸管法測(cè)定布袋采集土壤樣品顆粒機(jī)械組成。

      表1 采樣地剖面情況一覽Tabld 1 Profiles of sampling site

      2.2.2 計(jì)算方法

      土壤容重與體積含水率計(jì)算公式[23]分別為

      式(1)~(2)中,ρB為土壤容重,g·cm-3;v為環(huán)刀容積,cm3;m1為環(huán)刀質(zhì)量,g;m2為環(huán)刀及烘干土總質(zhì)量,g;θg為土壤質(zhì)量含水率,%;M1為供試原土質(zhì)量,g;M2為烘干土質(zhì)量,g。

      土壤的礫石含量為每千克土壤樣本中粒徑>2 mm的土壤顆粒質(zhì)量含量,可分為3級(jí):少礫(0~150 g·kg-1)、中礫(>150~300 g·kg-1)和多礫(>300 g·kg-1)。土壤質(zhì)地分級(jí)按美國(guó)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[24]進(jìn)行,即等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)分別代表100%的砂粒(粒徑>0.05~2 mm)、粉粒(粒徑0.002~0.05 mm)及黏粒(粒徑<0.002 mm)。采用SPSS 25.0和Excel 2016軟件進(jìn)行方差分析與擬合分析,并制作圖表。

      復(fù)墾地與未損毀地土壤物理指標(biāo)差異分析從兩個(gè)方面開(kāi)展:(1)0~40 cm土層復(fù)墾地與未損毀地土壤物理指標(biāo)差異;(2)根據(jù)原地貌土體(土層平均厚度為20 cm)以及南、北排土場(chǎng)土壤剖面(土層平均厚度分別為40和20 cm)構(gòu)型,選擇20 cm為土層分界線,將土壤分為0~20和>20~40 cm兩個(gè)土層,分析同一區(qū)域不同土層之間和同一土層不同區(qū)域之間土壤物理指標(biāo)差異。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)總體差異

      復(fù)墾地與未損毀地0~40 cm深土壤物理性質(zhì)差異分析結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,復(fù)墾4 a的南排土場(chǎng)土壤容重大于復(fù)墾8 a的北排土場(chǎng)和未損毀地,分別高2.54%和7.15%,且南排土場(chǎng)與未損毀地土壤容重差異顯著(P<0.05)。北排土場(chǎng)土壤含水率略大于南排土場(chǎng)和未損毀地,但差異不顯著(P>0.05)。南排土場(chǎng)(多礫)和北排土場(chǎng)(多礫)礫石含量均高于未損毀地(中礫),分別高96.98%和64.66%,且復(fù)墾地與未損毀地礫石含量差異顯著(P<0.05)。土壤質(zhì)地分級(jí)結(jié)果顯示,南排土場(chǎng)與未損毀地土壤均為砂質(zhì)壤土,而北排土場(chǎng)土壤為砂質(zhì)黏壤土。

      3.2 復(fù)墾地與未損毀地土壤物理性質(zhì)的垂向差異性

      按0~20和>20~40 cm兩個(gè)土層分析各場(chǎng)地土壤物理性質(zhì)垂向差異。由圖3可知,復(fù)墾地南、北排土場(chǎng)不同土層間土壤容重、礫石含量和土壤質(zhì)地均差異不顯著(P>0.05)。而未損毀地和北排土場(chǎng)>20~40 cm土層土壤含水率均顯著高于0~20 cm土層,分別高87.84%和108.81%(P<0.05),這與土壤水分入滲規(guī)律有關(guān)。同時(shí)各場(chǎng)地>20~40 cm土層土壤粉粒和黏粒含量均高于0~20 cm土層,而礫石和砂粒含量均低于0~20 cm土層,可見(jiàn)土壤含水率垂向變化受土壤剖面構(gòu)型的影響。

      由圖4可知,對(duì)比同一土層不同場(chǎng)地間土壤物理性質(zhì)發(fā)現(xiàn),復(fù)墾地與未損毀地0~20 cm土層土壤容重差異不顯著(P>0.05),南排土場(chǎng)>20~40 cm土層土壤容重則顯著高于未損毀地,高9.62%(P<0.05)。復(fù)墾地與未損毀地0~20和>20~40 cm土層土壤含水率均無(wú)顯著性差異,但復(fù)墾地土壤含水率均高于未損毀地,0~20 cm土層南排土場(chǎng)最高,>20~40 cm土層北排土場(chǎng)最高,這表明損毀土地復(fù)墾后土壤保水性能相對(duì)未損毀地有所提升。南排土場(chǎng)0~20和>20~40 cm土層礫石含量均顯著高于未損毀地,分別高60.74%和174.66%(P<0.05)。對(duì)于土壤質(zhì)地,南排土場(chǎng)各土層砂粒、粉粒和黏粒含量與未損毀地?zé)o顯著差異(P>0.05),但兩者>20~40 cm土層與北排土場(chǎng)間均存在顯著差異(P<0.05),這可能與北排土場(chǎng)20 cm深以下所覆煤矸石成分有關(guān)系。

      圖2 土壤物理性質(zhì)的總體差異性Fig.2 Overall differences in soil physical properties

      3.3 礦區(qū)土壤物理性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

      由表2可知,在礦區(qū)土壤中,土壤含水率與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.778,P<0.01),與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.644和0.775,P<0.01);礫石含量與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.447,P<0.01),與粉粒和黏粒含量分別呈顯著和極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.384和-0.439);土壤容重與礫石含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.440,P<0.01);此外砂粒含量與粉粒和黏粒含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.869和-0.978,P<0.01),粉粒含量與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.746,P<0.01),其他物理指標(biāo)之間相關(guān)不顯著。為檢驗(yàn)上述土壤物理指標(biāo)線性回歸方程可靠性,建立回歸模型(表3),方程擬合情況較好,均通過(guò)F顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果表明在表土稀缺的草原礦區(qū),復(fù)墾地土壤含水率、礫石含量與未損毀地產(chǎn)生差異性的原因主要來(lái)源于質(zhì)地構(gòu)型的差異,復(fù)墾地土壤容重高于未損毀地,一是由于排土過(guò)程中機(jī)械壓實(shí),二是由于重構(gòu)土壤剖面礫石含量差異。

      表2 礦區(qū)土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between soil physical properties in mining area

      4 討論與結(jié)論

      (1)隨著復(fù)墾年限的增加,重構(gòu)土壤容重、礫石含量和砂粒含量逐漸降低,土壤含水率以及粉粒和黏粒含量逐漸增加;隨著土層深度的增加,土壤容重、含水率以及粉粒和黏粒含量逐漸升高,礫石和砂粒含量逐漸降低,這與CAO等[13]和蔡文濤等[25]研究成果基本一致。南排土場(chǎng)土壤容重總體上明顯高于未損毀地,但兩者在0~20 cm土層無(wú)顯著差異,表明經(jīng)過(guò)4 a的自然恢復(fù)復(fù)墾地重構(gòu)土壤容重未達(dá)到原地貌水平,而植被重建可使表層土壤容重先接近原地貌[11]。北排土場(chǎng)土壤含水率總體上略高于南排土場(chǎng),且兩者均高于未損毀地,表明復(fù)墾可有效提升土壤含水率。各場(chǎng)地>20~40 cm土層土壤含水率均高于0~20 cm土層,北排土場(chǎng)該現(xiàn)象更為顯著,這與草原礦區(qū)降雨量少、蒸發(fā)量高的氣候特征[22]和水分入滲規(guī)律[26]密不可分,也可能與北排土場(chǎng)采用煤矸石作為重構(gòu)土壤的下墊面獲得良好保水性能有關(guān)。此外,礫石和砂粒含量由于風(fēng)化作用而降低,但在風(fēng)蝕水蝕作用下,兩者在0~20 cm土層含量均高于>20~40 cm土層,因此控制風(fēng)蝕水蝕對(duì)重構(gòu)土壤的影響是復(fù)墾工作的關(guān)鍵。ρB為土壤容重,θg為土壤含水率,Y為礫石含量,X砂為砂粒含量,X粉為粉粒含量,X黏為黏粒含量。

      表3 礦區(qū)土壤物理性質(zhì)間回歸分析Table 3 Regression analysis between soil physical properties in mining area

      (2)排土場(chǎng)所覆土層越厚,重構(gòu)土壤剖面礫石含量越高,表土十分稀缺是限制覆土厚度的客觀因素,也是影響土壤質(zhì)地的關(guān)鍵因素。重構(gòu)土壤剖面礫石含量和土壤顆粒機(jī)械組成比例確定后短時(shí)間內(nèi)難以改變,擬合分析發(fā)現(xiàn)兩者具有一定相關(guān)性,均影響土壤容重和土壤含水率,其中礫石含量與土壤容重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),土壤含水率與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),因此土壤質(zhì)地構(gòu)型可影響土壤含水率,這與劉愫倩等[27]研究結(jié)果一致。

      (3)TD/T 1036—2013《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[28]指出北方草原區(qū)(其他草地)土壤容重≤1.45 g·cm-3,礫石含量≤150 g·kg-1,土壤質(zhì)地為砂土至砂質(zhì)黏土。研究區(qū)南、北排土場(chǎng)土壤容重均值分別為1.45和1.41 g·cm-3,礫石含量均為多礫狀態(tài),土壤質(zhì)地分別為砂質(zhì)壤土和砂質(zhì)黏壤土,其中礫石含量超出TD/T 1036—2013范圍,限制了復(fù)墾地其他土壤物理性質(zhì)的改善,其含量過(guò)高且難以控制會(huì)影響復(fù)墾效果,因此確定適宜的礫石含量范圍是精準(zhǔn)復(fù)墾下一步要開(kāi)展的重要工作。

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