草原露天礦區(qū)重構(gòu)土壤含水率差異性分析

　　摘 要：為揭示不同重構(gòu)土壤配比及不同植被生長(zhǎng)等級(jí)對(duì)重構(gòu)土壤含水率影響的差異性，探尋最適宜的重構(gòu)土壤材料配比，本文以?xún)?nèi)蒙古勝利礦區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)為研究區(qū)，對(duì)重構(gòu)土壤復(fù)墾地進(jìn)行了調(diào)查和取樣，并采用單因素方差分析法對(duì)重構(gòu)土壤的土壤含水率進(jìn)行差異性分析，討論了形成差異的原因。結(jié)果表明：①在不同的植被生長(zhǎng)等級(jí)下，土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)，土壤含水率均較高;②當(dāng)土壤重構(gòu)方式相同時(shí)，不同植被生長(zhǎng)等級(jí)下土壤含水率不完全受植被生長(zhǎng)等級(jí)影響。土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物時(shí)，大田塊一(15d翻耕靶地一次)和大田塊二(30d翻耕靶地一次)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為1、2時(shí)，土壤含水率較高;土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石=2:3時(shí)，大田塊三(60d翻耕靶地一次)和大田塊四(當(dāng)年翻耕處理并種植苜蓿)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)，土壤含水率較高;土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)，大田塊一(15d翻耕靶地一次)和大田塊三(60d翻耕靶地一次)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)，土壤含水率最高，大田塊二(30d翻耕靶地一次)和大田塊四(當(dāng)年翻耕處理并種植苜蓿)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為1時(shí)土壤含水率最高。巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰作為表土替代材料，其不同配比在重構(gòu)土壤上的研究可以為表土稀缺礦區(qū)的復(fù)墾工作提供支撐，為全球草原露天礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)工程提供參考。

　　關(guān)鍵詞：土地復(fù)墾;礦區(qū)生態(tài)修復(fù);表土替代材料;土壤含水率;植被生長(zhǎng)等級(jí)

　　引 言

　　煤炭資源在全球能源結(jié)構(gòu)中一直處于主導(dǎo)地位，近幾年來(lái)，煤炭資源的開(kāi)采程度呈逐步上升的態(tài)勢(shì)[1]。2019年，全球煤炭總產(chǎn)量為81.29億t，相比2018年上漲0.5%[2]。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將保持全球能源主導(dǎo)地位[1]。中國(guó)是世界上最大的煤炭生 產(chǎn) 國(guó) 和 消 費(fèi) 國(guó)，2019 年，中 國(guó) 煤 炭 總 產(chǎn) 量 為38.46億t，占全球總產(chǎn)量的47.3%[2]。

　　露天煤礦開(kāi)采是主要的采煤方式，美國(guó)、俄羅斯、印度等采煤大國(guó)的露天采煤比例達(dá)50%以上，部分國(guó)家達(dá)到90%以上。中 國(guó) 露 天 煤 礦 開(kāi) 采 比 例 也 由 4% 提 高 到15%[3-4]，露天煤礦大規(guī)模開(kāi)采盡管可以滿(mǎn)足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，但同時(shí)也帶來(lái)了許多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及社會(huì)問(wèn)題[5-7]。由于露天煤礦大多位于草原地區(qū)，導(dǎo)致草原地區(qū)的水土流失和土地荒漠化問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，使原本脆弱的草原生態(tài)系統(tǒng)遭到了更嚴(yán)重的破壞[8]。

　　草原環(huán)境論文：草地利用方式對(duì)溫性典型草原優(yōu)勢(shì)種植物功能性狀的影響

　　土壤重構(gòu)是土地復(fù)墾的核心[9]，重構(gòu)土壤質(zhì)量直接影響土地復(fù)墾狀況。表土是土壤重構(gòu)過(guò)程中的首要選擇，但礦區(qū)土壤發(fā)育不良等自然因素及采礦活動(dòng)等 人 為 因 素 導(dǎo) 致 許 多 礦 區(qū) 表 土 稀 缺 問(wèn) 題 嚴(yán)重[10-12]，比 如 我 國(guó) 的 廣 西 壯 族 自 治 區(qū) 平 果 鋁 煤礦[13]、內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市 北 電 勝 利 露 天 煤礦[14]，德國(guó)的維佐夫煤礦[15]，美國(guó)的樺樹(shù)河煤礦[16]均受表土稀缺問(wèn)題影響。表土替代物可以有效地解決土壤重構(gòu)過(guò)程中表土不足的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)礦區(qū)固體廢棄物的資源化利用[3]。

　　因此，在表土稀缺的礦區(qū)，表土替代物的選擇是土壤重構(gòu)過(guò)程的關(guān)鍵。大多數(shù)煤矸石為大孔隙，僅有較少的小孔隙，這給水分和氣體提供了便于流動(dòng)的通道，具有持水性差的特性，長(zhǎng)期如此會(huì)影響地下水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)[17]。粉煤灰具有較多的小孔隙和巨大的比表面積，其吸水性和持水能力均優(yōu)于煤矸石，因此將粉煤灰與煤矸石按一定比例混合后作為重構(gòu)土壤對(duì)土壤含水率有較大的改善作用[18]。

　　本文在礦區(qū)固體廢棄物可作為表土替代材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)表土替代材料不同配比混合后及不同植被生長(zhǎng)等級(jí)對(duì)重構(gòu)土壤的持水能力差異性進(jìn)行分析，研究礦區(qū)最優(yōu)的表土替代材料配比，并討論其差異形成的原因，為表土稀缺礦區(qū)的土地復(fù)墾工作提供理論參考，為礦區(qū)土壤重構(gòu)時(shí)表土替代材料最優(yōu)配比的選擇提供實(shí)踐參考，有利于表土稀缺礦區(qū)植被生長(zhǎng)狀況的改善，為國(guó)內(nèi)外礦區(qū)的土地復(fù)墾工作提供支撐。

　　1 研究區(qū)概況

　　神華北電勝利礦區(qū)一號(hào)露天煤礦地處內(nèi)蒙古高原東北部，深居內(nèi)陸，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)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，115°30′～116°26′E，東西長(zhǎng)6.84km，南北寬 5.43km，含煤面積 37.14km2，礦 產(chǎn) 儲(chǔ) 量1934.43t，可開(kāi)采礦產(chǎn)儲(chǔ)量1854.79t，平均剝離率為2.59m3/t。

　　整個(gè)礦區(qū)地勢(shì)較平坦，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)為春季風(fēng)大多干旱，夏季溫?zé)嵊昙�中，秋高氣爽霜雪早，冬季寒冷風(fēng)雪多，年均氣溫1.7 ℃，年降水量294.74mm，年平均蒸發(fā)量為1794.4mm，屬于典型草原地帶性植被類(lèi)型區(qū)。目前，此礦區(qū)土壤類(lèi)型主要由栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等組成，該部分土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤肥力較好;部分地段由于草場(chǎng)退化形成沙化、礫石化栗鈣土，植被覆蓋率低，形成強(qiáng)烈侵蝕的生態(tài)脆弱草原區(qū)，對(duì)環(huán)境改變較為敏感。礦區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)土壤區(qū)在2019年進(jìn)行了土地復(fù)墾與植被重建，自然植物組成有克氏針茅、大針茅、糙隱子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、錦雞兒等，人工復(fù)墾與植被重建先鋒植被為紫花苜蓿。

　　2 材料與方法

　　內(nèi)排土場(chǎng)采用了三種不同的重構(gòu)方式重構(gòu)土壤：第一種表層為50cm 的巖土剝離物，下面全部為采礦剝離物自然堆積體;第二種表層為50cm 的巖土剝離物和煤矸石的混合物，巖土剝離物:煤矸石=2:3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體;第三種表層為50cm 的巖土剝離物、煤矸石和粉煤灰的混合物，巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體。每種重構(gòu)方式構(gòu)成一個(gè)小田塊，三種不同重構(gòu)方式形成的三個(gè)小田塊組成一個(gè)大田塊，共設(shè)置相同的四個(gè)大田塊，另設(shè)置一塊未復(fù)墾地作為對(duì)比田塊。

　　2.1 樣品采集與處理

　　2019年8月，對(duì)復(fù)墾后的內(nèi)排土場(chǎng)四個(gè)大田塊及未復(fù)墾地進(jìn)行了樣地調(diào)查和取樣，取樣前未進(jìn)行澆水處理。大田塊一15d翻耕一次，翻耕處理一年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿;大田塊二30d翻耕一次，翻耕處理一年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿;大田塊三60d翻耕一次，翻耕處理一年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿;大田塊四當(dāng)年翻耕處理，并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植一年苜蓿。其中，采樣時(shí)樣區(qū)處于翻耕處理一年后，且苜蓿已生長(zhǎng)出來(lái)時(shí)。

　　為了使樣地中所選定的各樣點(diǎn)代表不同的植被恢復(fù)水平，在取樣的地塊內(nèi)對(duì)各樣點(diǎn)的植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行了定性的分級(jí)，同時(shí)考慮到不同的重構(gòu)地塊內(nèi)植被恢復(fù)的整體水平具有差異性，定性分級(jí)在三個(gè)不同的重構(gòu)地塊內(nèi)分別進(jìn)行，因此本次樣點(diǎn)的選定能夠代表樣地內(nèi)不同植被的恢復(fù)水平。在每個(gè)小田塊內(nèi)基于樣線(xiàn)法在代表性地塊上分別設(shè)置12個(gè)樣點(diǎn)，植被恢復(fù)水平根據(jù)植被覆蓋度高低劃分為1、2、3、4四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)下設(shè)置三個(gè)土樣樣點(diǎn)，采樣深度為20cm，將三個(gè)樣點(diǎn)采集到的土樣混合。

　　3 研究結(jié)果

　　3.1 不同重構(gòu)土壤方式下土壤含水率差異性分析

　　當(dāng)植被生長(zhǎng)等級(jí)為1時(shí)，不同土壤重構(gòu)方式下土壤含水率差異性，在大田塊一中，未復(fù)墾地的土壤含水率最高，為12.29%，與復(fù)墾地1-1、復(fù)墾地1-2、復(fù)墾地1-3之間不存在顯著性差異。在大田塊二中，復(fù)墾地2-3的土壤含水率最高，為 14.16%，顯 著 高 于 復(fù) 墾 地 2-1 和 復(fù) 墾 地2-2，高出比例分別為39.97%和113.69%(高出比例是通過(guò)每個(gè)田塊土壤含水率均值計(jì)算得到的);復(fù)墾地2-3和未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異，高出未復(fù)墾地15.19%。

　　在大田塊三中，復(fù)墾地3-3土壤含水率最高，為13.15%，與復(fù)墾地3-1、復(fù)墾地3-2、未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異。在大田塊四中，復(fù)墾地4-3的土壤含水率最高，為15.36%，顯著高于復(fù) 墾 地 4-1 和 復(fù) 墾 地 4-2，高 出 比 例 分 別 為41.57%和64.56%;與未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異，高出未復(fù)墾地24.96%。

　　在大田塊一中，未復(fù)墾地的土壤含水率最高，為12.29%，與復(fù)墾地1-1、復(fù)墾地1-2、復(fù)墾地1-3之間不存在顯著性差異。在大田塊二中，復(fù)墾地2-2的土壤含水率最高，為13.12%，與復(fù)墾地2-1、復(fù)墾地2-3、未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異。在大田塊三中，未復(fù)墾地的土壤含水率最高，與復(fù)墾地3-1、復(fù)墾地3-2、復(fù)墾地3-3之間不存在顯著性差異。在大田塊四中，未復(fù)墾地的土壤含水率最高，顯著高于復(fù)墾地4-2，高出比例為38.48%;與復(fù)墾地4-1、復(fù)墾地4-3之間不存在顯著性差異。

　　在大田塊一中，復(fù)墾地1-3的土壤含水率最高，為17.59%，顯著高于復(fù)墾地1-2，高出比例為261.06%;與未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異，高出未復(fù)墾地43.12%。在大田 塊 二 中，復(fù) 墾 地 2-3 的 土 壤 含 水 率 最 高，為13.39%，顯 著 高 于 復(fù) 墾 地 2-1，高 出 比 例 為112.84%;與未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異，但高出未復(fù)墾地8.95%。

　　在大田塊三中，復(fù)墾地3-3的土壤含水率最高，為14.40%，與復(fù)墾地3-1、復(fù)墾地3-2和未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異。在大田塊四中，復(fù)墾地4-2的土壤含水率最高，為14.96%，與復(fù)墾地4-1、復(fù)墾地4-3和未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異，土壤含水率高出未復(fù)墾地21.71%。

　　當(dāng)植被生長(zhǎng)等級(jí)為4時(shí)，不同土壤重構(gòu)方式下土壤含水率，無(wú)論在哪個(gè)大田塊中，復(fù)墾地的土壤含水率與未復(fù)墾地之間均不存在顯著性差異。在大田塊一中，復(fù)墾地1-3的土壤含水率最高，為 15.11%，高出未復(fù)墾地 22.93%。在大田塊四中，復(fù)墾地 4-2 的土壤含水率最高，為14.09%，高出未復(fù)墾地14.65%。

　　4 討 論

　　4.1 不同重構(gòu)土壤方式下土壤含水率分析當(dāng)植被生長(zhǎng)等級(jí)為1時(shí)，大田塊二、大田塊三和大田塊四在土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)土壤含水率最高;當(dāng)植被生長(zhǎng)等級(jí)為2時(shí)，大田塊一和大田塊二在土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)土壤含水率較高;當(dāng)植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)，大田塊一、大田塊二、大田塊三在土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)土壤含水率最高;當(dāng)植被生長(zhǎng)等級(jí)為4時(shí)，大田塊一、大田塊二、大田塊三在土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)土壤含水率較高。

　　因此，在不同的植被生長(zhǎng)等級(jí)下，土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)土壤含水率均較高。這是由于煤矸石的理化性質(zhì)和土壤的理化性質(zhì)具有較大的差異，煤矸石中大孔隙含量較多，造成其持水性差，長(zhǎng)時(shí)間施用會(huì)影響地下水對(duì)土壤水分的補(bǔ)充，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[19]。

　　粉煤灰是火力發(fā)電廠(chǎng)燃煤排出的一種工業(yè)廢渣，具有豐富的孔隙和巨大的比表面積，在土壤中摻入粉煤灰可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣透水性能[18-20]。煤矸石和粉煤灰混合后可以提高煤矸石的飽和含水量，同時(shí)可以改 變 煤 矸 石 的 孔 隙 結(jié) 構(gòu) 并 降 低 煤 矸 石 的 導(dǎo)氣率[18-21]。

　　4.2 不同植被生長(zhǎng)等級(jí)下土壤含水率分析當(dāng)土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物時(shí)，大田塊一和大田塊二在植被生長(zhǎng)等級(jí)為1、2時(shí)土壤含水率較高;當(dāng)土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石=2:3時(shí)，大田塊三和大田塊四在植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)土壤含水率較高;當(dāng)土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)，大田塊一和大田塊三在植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)土壤含水率最高，大田塊二和大田塊四在植被生長(zhǎng)等級(jí)為1時(shí)土壤含水率最高。

　　因此，不同植被生長(zhǎng)等級(jí)下土壤含水率并不是植被生長(zhǎng)等級(jí)越高越好。這可能與排土場(chǎng)存在的微地形及重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)排土場(chǎng)有小型溝壑存在時(shí)，在降雨時(shí)可能會(huì)存在積水情況，有研究表明，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，使用粉煤灰充填土地容易造成地表積水，導(dǎo)致土壤透氣性差，影響植被生長(zhǎng)狀況。而使用煤矸石充填時(shí)，煤矸石極差的持水性容易導(dǎo)致土壤水分易流失，因此，當(dāng)土壤含水率最高時(shí)，植被生長(zhǎng)狀況不一定最優(yōu)[22-23]。

　　4.3 利用礦區(qū)固體廢棄物進(jìn)行土壤重構(gòu)存在的局限性分析在氣候干旱時(shí)，由于復(fù)墾土壤表層土壤較薄，重構(gòu)土壤含水量可以滿(mǎn)足植被的生長(zhǎng)需求，粉煤灰層具有較強(qiáng)的持水能力，但這種強(qiáng)持水能力也會(huì)帶來(lái)一定局限性，當(dāng)粉煤灰施用過(guò)多時(shí)，整個(gè)復(fù)墾土壤剖面的含水量可能常年接近飽和含水量，這會(huì)阻滯植物的生長(zhǎng)，即使是在干旱的年份，這種局限性也可能存在[24]。

　　利用煤矸石進(jìn)行土壤重構(gòu)時(shí)，土壤含水率會(huì)受到坡位的影響，降水的徑流作用導(dǎo)致含水量由坡上到坡下呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)[25]。因此，在進(jìn)行表土稀缺礦區(qū)土壤重構(gòu)過(guò)程中，粉煤灰的含量不應(yīng)過(guò)多，應(yīng)保證與煤矸石按一定比例混合后對(duì)土壤的含水率改善作用最優(yōu)。在除此之外，礦區(qū)進(jìn)行重構(gòu)土壤平整過(guò)程中，應(yīng)盡量避免溝壑的存在，并對(duì)復(fù)墾地進(jìn)行充分的翻耕和平整。

　　5 結(jié) 論

　　1)在不同的植被生長(zhǎng)等級(jí)下，土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)土壤含水率均較高。2)當(dāng)土壤重構(gòu)方式相同時(shí)，不同植被生長(zhǎng)等級(jí)下土壤含水率并不是植被生長(zhǎng)等級(jí)越高越好。當(dāng)土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物時(shí)，大田塊一(當(dāng)年不種植，不翻耕)和大田塊二(15d翻耕靶地一次)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為1、2時(shí)土壤含水率較高;當(dāng)土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石=2:3時(shí)，大田塊三(30d翻耕靶地一次)和大田塊四(60d翻耕靶地一次)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)土壤含水率較高;當(dāng)土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3時(shí)，大田塊一(當(dāng)年不種植，不翻耕)和大田塊三(30d翻耕靶地一次)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為3時(shí)土壤含水率最高，大田塊二(15d翻耕靶地一次)和大田塊四(60d翻耕靶地一次)在植被生長(zhǎng)等級(jí)為 1 時(shí)土壤含水 率最高。

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　　作者：孫俊東1，韓 興1，黃月軍1，肖 兵1，佘長(zhǎng)超1，王玲玲2，王 凡

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