撫順西露天礦礦區土壤肥力評價研究

劉寶勇，李玥蒨，白國良

(1.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京 100013)

煤炭作為我國的主體能源和重要工業原料，為國民經濟發展作出了重要貢獻。但是持續高強度的煤炭開采給生態環境帶來了多方面的影響，如土地資源的占用和破壞、地表景觀改變以及生態環境污染等[1]。隨著社會進步，人們的環保和可持續發展意識逐步提升，煤礦區生態環境問題得到了社會的廣泛關注，其中，大型露天采煤區土地復墾與生態重建受到了高度重視[2]。在煤炭開采過程中，挖損、壓占、塌陷等嚴重破壞了地表植被，造成了土壤肥力退化、生態環境惡化，以及水土流失、地下水污染等問題。礦區土壤肥力評價是評估礦區土壤肥力水平的一種重要方法，通過檢測土壤肥力、pH值、有機質含量等指標，可評估礦區土壤肥力水平和質量狀況，及時發現礦區土壤的肥力問題，并采取有效措施保護礦區土壤資源。

礦區土壤肥力評價的重要性不言而喻，是保護礦區土壤資源、促進礦區經濟發展和改善礦區環境質量的有效手段。評價結果可以指導礦區土壤修復方向，實施有效的土壤改良技術從而改善礦區土壤質量。鄭永紅等[3]利用灰色關聯度方法定量分析3種林地土壤肥力狀況，并進行了綜合評價排序。郭凱等[4]運用 ArcGIS中的 Kriging插值法研究土壤肥力分布狀況，采用模糊數學法對土壤肥力進行綜合評價。高智挺等[5]對山西安太堡露天礦區，采用主成分分析法對不同樣地土壤肥力質量進行評價。美國STUTLER等采用不同方法對阿巴拉契亞州4個礦區土壤質量進行了評估，均得出復墾后礦山土壤健康指標隨時間的推移而提高的結論[6]。印度達罕巴德復墾的煤礦排土場上的研究，通過主成分分析法將土壤特性組合成綜合土壤質量指數來探究樹種的開墾潛力[7]。目前，評價土壤肥力的方法雖然較多，但國內關于礦區土壤肥力評價指標大多只是通過測量土壤中常見的營養元素，如氮、磷、鉀等來評估土壤肥力水平[8-10]，考慮土壤的其他特性，比如土壤的含水量、結構和溫度等研究成果較少，土壤肥力評價的準確性受到一定的限制。本文以撫順西露天礦為研究對象，結合土壤物理性質指標和化學性質指標對礦區土壤肥力進行綜合評價，為撫順西露天礦礦區土壤改良提供依據，并為露天礦土地復墾提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

撫順西露天煤礦位于遼寧省撫順市區南部，撫順煤田西部。礦坑東西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度420 m，投影面積10.87 km2，是亞洲最大的深凹露天煤礦。撫順市屬長白山支脈西南延續部分低山丘陵地區，總體呈東南高西北低之勢，撫順西露天礦地處北溫帶，年平均氣溫8.3 ℃，最高氣溫40.3 ℃，最低氣溫-35.2 ℃；凍結期122～161 d，凍結深度1.2～1.3 m；常年多為弱風，平均風速1.7 m/s，風向多為東北風，屬大陸性氣候。年平均降雨量804.2 mm；降雨集中在七、八兩月，日最大降雨量180.3 mm。礦業活動引起的占用損壞土地資源及地形地貌景觀破壞，主要表現為礦山的露天采場、工業廣場、廢石堆場、煤矸石堆等對土地的挖損和壓占，造成原始的地形地貌及土地資源的破壞。項目區內原始植被屬于華北植物區系，夾雜長白山植物區系植物，目前地表主要植物群落以人工林為主，為松林、針闊葉混交林、落葉灌叢和灌草叢。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

根據撫順西露天礦不同損毀特征選取樣地進行取樣。選取北幫滑坡區樣地(N)、南幫變形區樣地(S)、西幫修復區樣地(W)、東幫采礦區樣地(E)以及未經影響的自然區樣地(CK)作為對照設置采樣點。2022年7月，采用雙對角線法，每個樣地設分點5個，共采集土樣25個，采樣的深度為0～20 cm。采樣時對樣品進行編號，將土樣混合置于樣品袋中，標簽上注明采樣區種類，時間及土層深度及采樣地經度、緯度，研究區樣地基本情況見表1。生態修復規劃區及采樣點分布如圖1所示。

圖1 撫順西露天礦生態修復規劃區及采樣點分布Fig.1 Ecological restoration planning area of Fushun West Open-pit Mine and sampling point distribution

表1 研究區樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plots in the research area

1.2.2 測定方法

選取土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤機械組成、pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有效磷作為土壤肥力評價指標，各指標僅在室內實驗室測定，土壤物理性質測定方法為：土壤容重和土壤孔隙度測定采用環刀法；土壤含水率測定采用烘干法；土壤機械組成測定采用比重計法；土壤化學性質測定方法為：pH值測定采用電位法；速效氮測定采用堿解-擴散法；全氮測定采用凱氏定氮法；速效磷測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提法；全磷測定采用鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用火焰光度法；有機質測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全鉀的測定采用火焰光度法[11]。

2 土壤肥力評價模型

2.1 指標標準化

為了保證評價指標的合理性，避免原始指標數據量綱不同導致的誤差，在進行綜合評價前，首先對各指標進行標準化處理。根據土壤指標與植物生長的相互關系，采用S型隸屬度函數對表現形式為指標值越大或越小越有利于植物生長的指標進行標準化處理，采用拋物線形隸屬度函數對表現形式為指標值過大或過小均不利于植物生長的指標進行標準化處理。具體計算公式如下[12，13]：

1)S型隸屬度函數計算公式：

2)拋物線形隸屬度函數計算公式：

式中，x為不同樣地某一指標的實際測定值；x1、x2、x3、x4為函數轉折點的取值。

根據各項土壤指標對土壤利用的影響，由于礦區土壤整體呈堿性，因此采用S型隸屬度函數對土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有效磷進行標準化處理，采用拋物線型隸屬度函數對土壤容重、土壤孔隙度及土壤含水率進行標準化處理，土壤機械組成非單獨定量化參數，采用土壤質地分級賦值形式進行評價。

2.2 土壤肥力分級標準

參照《全國第二次土壤普查肥力分級標準》以及撫順地區土地復墾相關標準[14]，結合撫順西露天礦土壤檢測結果，明確評價函數的拐點，隸屬度函數拐點取值見表2和表3。

表2 S型隸屬度函數拐點取值Table 2 Value of inflection point of S-type membership function

表3 拋物線型隸屬度函數拐點取值Table 3 Value of inflection point of parabolic membership function

2.3 綜合評價方法

內梅羅指數法是一種突出最大值的計權型多因子環境質量指數計算方法，在評價環境質量時需要考慮污染最嚴重的因子，因此在計算內梅羅指數時通常選取單因子環境指數的平均值和單因子環境指數的最大值進行評價計算[15]。由于礦區整體土壤肥力情況受限制性因子的影響，采用修正的內梅羅指數法對撫順西露天礦各樣地進行土壤肥力綜合評價。具體計算公式如下[16]：

式中，P為內梅羅指數；Pi為單指標肥力指數；Pi(min)為單指標肥力指數中的最小值；n為參與評價的土壤肥力指標個數。

根據研究區土壤肥力情況建立土壤肥力綜合指數評價標準，土壤肥力綜合指數分級標準見表4。

表4 土壤肥力綜合指數分級標準Table 4 Classification standard for comprehensive index of soil fertility

3 結果與分析

3.1 土壤肥力指標特征分析

撫順西露天礦土壤肥力特征統計情況見表5。撫順西露天礦土壤容重范圍為0.98～1.32 g/cm3，平均容重小于1.25 g/cm3；土壤孔隙度為52.83%～62.78%，平均土壤孔隙度小于60%；土壤含水率范圍為8.52%～24.18%，平均土壤含水率大于15%；土壤有機質含量41.7～97.8 g/kg，平均值大于40 g/kg；土壤全氮含量0.682～2.08 g/kg，平均值小于2.0 g/kg；土壤全磷含量0.85～1.16 g/kg，平均含量大于1.0 g/kg；土壤全鉀含量4.85～13.92 g/kg，平均值小于25 g/kg；土壤堿解氮8.42～39.56 mg/kg，平均含量小于30 mg/kg；土壤有效磷5.8～32.4 mg/kg，平均含量小于40.0 mg/kg；土壤速效鉀114.72～261.08 mg/kg，平均含量小于200 mg/kg；土壤pH值位于7.05～9.82之間，土壤整體呈弱堿性；各肥力指標變異系數7.187%～72.277%，其中以土壤有效磷含量變異系數為最大。

表5 撫順西露天礦土壤肥力特征統計Table 5 Statistics of soil fertility characteristics in Fushun West Open-pit Mine

整體來看，礦區土壤容重整體處于適宜狀態，土壤含水率差異較大；土壤質地松散，整體介于黏壤土和砂質壤土之間，為弱堿性；土壤有機質、全磷、全鉀及速效鉀含量均處于較高水平；全氮、堿解氮和有效磷含量水平較低。

3.2 土壤肥力綜合分析

不同樣地土壤單項肥力指數及綜合得分見表6?？芍?，東幫采礦區樣地各土壤肥力指數大小為有機質、土壤孔隙度>全磷>速效鉀>有效磷>土壤質地>全鉀>全氮>土壤堿解氮、pH值、土壤容重、土壤含水率；西幫修復區樣地各土壤肥力指數大小為全磷、有機質、pH值、土壤容重、土壤孔隙度>速效鉀>堿解氮>土壤質地>有效磷>全氮>土壤含水率>全鉀；北幫滑坡區樣地各土壤肥力指數大小為全磷、速效鉀、有機質、土壤含水率>土壤孔隙度>土壤質地>土壤容重>全鉀>有效磷>全氮>pH值、堿解氮；南幫變形區樣地各土壤肥力指數大小為全氮、有機質、土壤容重>全磷>pH值>土壤孔隙度>土壤質地>速效鉀>全鉀>有效磷>土壤含水率>堿解氮。

表6 不同樣地土壤單項肥力指數及綜合得分Table 6 Different soil fertility indices and comprehensive scores

土壤堿解氮、pH值、土壤容重和土壤含水率為影響東幫土壤綜合肥力的限制性因子；土壤全鉀為影響西幫土壤綜合肥力的限制性因子；土壤堿解氮和pH值為影響北幫土壤綜合肥力的限制性因子；土壤堿解氮為影響南幫土壤綜合肥力的限制性因子。

根據土壤肥力評價標準可以看出，北幫滑坡區樣地、南幫變形區樣地及西幫修復區樣地土壤肥力綜合指數位于0.4～0.6之間，肥力分級為Ⅲ級，土壤肥力水平表現為一般；東幫采礦區樣地土壤肥力綜合指數位于0.2～0.4之間，肥力分級為Ⅱ級，土壤肥力水平表現為較貧瘠。

4 討 論

在對撫順西露天礦進行調查的過程中發現，與東幫和西幫相比，北幫和南幫物種豐富度相對較高，生長著以刺槐和榆樹為主的喬木和以接骨木和金銀木為主的灌木，說明對北幫和南幫采取的客土和植被修復等工程措施有效地提高了土壤肥力。而北幫土壤肥力較優于南幫，說明復墾年限的增加對土壤養分恢復起正向作用，這與焦曉亮[17]等人在黃河流域露天礦上的研究結論一致；南幫豆科物種豐富度最高，土壤全氮含量也明顯高于其他樣地，說明豆科植物的固氮能力對礦區土壤肥力改善有明顯的幫助，驗證了陳皓[18]等人在撫順西露天礦對植物群落特征的研究結果；此外，西幫土壤肥力明顯高于東幫土壤肥力，一是西幫雖然復墾年限短，但采取了人工與自然恢復相結合的恢復方式，加快了生態系統重建的速度，符合鄒旭[19]等人對湖南婁底市冷水江銻煤礦生態修復的研究思路，二是西幫和東幫植物種類數量相當，而西幫優勢種為豆科灌木火炬樹，東幫優勢種為喬木植物榆樹，可以認為根系淺而發達的灌木植物在復墾前期礦區土壤中的生長比深根系的喬木植物更具有優勢，這與馮國寶等人[20]對矸石土壤修復植物的篩選原則一致。東幫和西幫土壤肥力的差異證明了土壤肥力的變化是恢復模式與植物類型兩個因素共同導致的結果，在對礦區進行土壤質量修復時，選擇多種改良方式可以起到更好的效果。

5 結 論

1)本研究應用修正的內梅羅指數法分析了撫順西露天礦土壤肥力情況，目前礦區土壤整體呈弱堿性，缺乏全氮、堿解氮和有效磷。土壤綜合肥力處于III級，整體水平表現為一般，空間上表現為：北幫>南幫>西幫>東幫，是恢復年限和恢復方式的共同影響下的結果。

2)土壤肥力主要限制性因子為土壤堿解氮和pH值，在后續生態修復中可考慮在土壤中合理施加氮肥，同時在進行植被恢復時選擇耐瘠薄，耐鹽堿，水土保持能力和固氮能力較高的豆科植物種如刺槐、側柏、紫穗槐、檸條錦雞兒、火炬樹、沙打旺和紫花苜蓿等。

3)土壤肥力評價結果的準確性和指導性往往受到評價指標的限制，除土壤物理性質指標和化學性質指標外，土壤生物指標也是影響土壤質量的重要指標，結合土壤生物指標對礦區開展土壤肥力評價可以進一步明確土壤綜合肥力，探究土壤生物指標對礦區土壤肥力的影響并提出針對性的生物改良措施。