內(nèi)蒙古黑岱溝礦區(qū)排土場土壤質(zhì)量評價

內(nèi)蒙古黑岱海礦區(qū)排土場土壤質(zhì)量評價李海寬;張雅楠【摘要】以內(nèi)蒙古黑岱溝露天煤礦北排土場土壤為研究對象，選擇土壤容重、孔隙度、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、pH值、速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量以及Shannonwiener多樣性指數(shù)共11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評價，研究排土場不同復(fù)墾類型對土壤質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過多年人工復(fù)墾，排土場土壤質(zhì)量較自然恢復(fù)狀態(tài)下有了明顯的改善；各樣地按土壤綜合質(zhì)量評價值排序?yàn)闂顦鋢沙棘樣地〉紫花苜蓿x沙打旺樣地〉沙棘x紫花苜蓿樣地＞楊樹x油松樣地〉楊樹純林樣地＞紫花苜蓿x披堿草樣地〉對照樣地，且隨土層深度的增加土壤質(zhì)量綜合評價值降低。喬灌混交模式對該地表層土壤質(zhì)量的提高有較好的作用，沙棘、沙打旺、紫花苜蓿對提高土壤質(zhì)量有顯著作用，適宜在該地區(qū)種植?！酒诳Q】《中國水土保持》【年(卷)，期】2014(000)010【總頁數(shù)】4頁(P63-65,66)【關(guān)鍵詞】黑岱溝礦區(qū);排土場；土壤質(zhì)量評價;內(nèi)蒙古【作者】李海寬;張雅楠【作者單位】呼和浩特市水文勘測局，內(nèi)蒙古呼和浩特010020;內(nèi)蒙古天佑水利工程設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010【正文語種】中文【中圖分類】X825;S158.3近年來，內(nèi)蒙古地區(qū)的煤炭開發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，準(zhǔn)格爾、霍林河、東勝、伊敏河等大型露天煤礦的設(shè)計生產(chǎn)能力均在5000萬t/a以上［1］。這幾大主要露天煤礦的開采均采用夕卜排土的方式，在開采區(qū)占用較大土地面積的同時，隨著剝采比的加大，排土場占用的土地面積也逐年增加［2］。在采煤業(yè)和化工業(yè)飛速發(fā)展的同時［3］,礦區(qū)周邊的環(huán)境也隨之發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在植被破壞、土壤污染、水土流失、地下水位下降、地面裂縫塌陷、煤砰石堆積等方面，土壤質(zhì)量急劇退化，并由此帶來諸多生態(tài)環(huán)境問題。因此，需要對目前的土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行評價，以期為退化土壤的恢復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。20世紀(jì)70年代由Warkentin和Fletcher共同提出了土壤質(zhì)量的概念［4］,他們指出土壤質(zhì)量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)中保持生物生產(chǎn)力、維持土壤的環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)植物生長和維持動物健康的能力［5］。目前對土壤質(zhì)量評價的研究主要集中在重金屬對土壤質(zhì)量的影響方面，趙雪等［6］分析了主要重金屬污染元素Pb、Cu、Cd和Cr對君安礦區(qū)復(fù)墾土壤的影響；谷巖［7］通過建立模糊綜合評價模型，分析了雞西礦區(qū)排土場11種重金屬對土壤環(huán)境的影響。近年來，有學(xué)者針對不同復(fù)墾類型對土壤質(zhì)量的影響做了一定的研究，秦文展等［8］、孫海運(yùn)等［9］選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、pH值、含水率、密度和EC等指標(biāo)對礦區(qū)復(fù)墾土壤進(jìn)行了土壤質(zhì)量評價，結(jié)果表明不同復(fù)墾類型下土壤質(zhì)量差異較大，隨著復(fù)墾年限的增加土壤質(zhì)量提高。本研究以黑岱溝露天煤礦北排土場土壤作為研究對象，通過分析土壤理化性質(zhì)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)，建立土壤評價指標(biāo)體系，初步評價該地區(qū)土壤的環(huán)境狀況，為礦區(qū)土壤復(fù)墾提供科學(xué)依據(jù)。1材料與方法1.1研究區(qū)概況黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°13'—111°20'、北緯39°43'—39°49'，海拔1025—1302m。礦區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍昃鶜鉁?.2°C，極端最高氣溫38.3°C,極端最低氣溫-30.9°C,210°C年積溫3350°C;年平均降水量為404.1mm，降水多集中在7—9月份，約占全年降水量的60%~70%；年蒸發(fā)量為2082.2mm，年日照時數(shù)3119.3h。礦區(qū)土壤主要為黃綿土，微堿性，肥力低下。排土場臺階上的土壤均為復(fù)填土，因排土車輛反復(fù)碾壓故而較緊密。礦區(qū)內(nèi)地帶性植被屬暖溫型草原帶，植被稀疏低矮，蓋度一般在30%以下，天然森林已全遭破壞［10］。1.2土壤樣品采集采樣時間為2011年7月，采樣點(diǎn)選擇在黑岱溝露天煤礦北排土場。在排土場內(nèi)選擇地理位置相近的6種人工復(fù)墾類型，分別為1號紫花苜蓿x披堿草樣地、2號楊樹x油松樣地、3號楊樹x沙棘樣地、4號紫花苜蓿x沙打旺樣地、5號沙棘乂紫花苜蓿樣地、6號楊樹純林樣地，以自然恢復(fù)下的排土場作為對照。采用隨機(jī)取樣方法在7個樣地內(nèi)取樣，每個樣地取3個剖面，分別采集0—10cm、10—20cm的土樣，3次重復(fù)。土壤容重、孔隙度、毛管持水量、飽和含水量、田間持水量采用常規(guī)方法測定；pH值采用電極法測定；速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷含量采用鹽酸-氟化銨法測定；速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰分光光度計法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定［11］；Shannon-wiener多樣性指數(shù)的測定采用有關(guān)文獻(xiàn)的方法［12］。1.3評價指標(biāo)選取土壤質(zhì)量評價指標(biāo)一般包括土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)3個方面的指標(biāo)［13-14］。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本研究的目的，共選擇了11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評價研究，其中生物性狀指標(biāo)有Shannon-wiener多樣性指數(shù)(X1),土壤物理性質(zhì)指標(biāo)有容重(X2)、孔隙度(X3)、飽和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6),化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有pH值(X7)、速效氮含量(X8)、速效磷含量(X9)、速效鉀含量(X10)、有機(jī)質(zhì)含量(X11)。1.4評價方法近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的學(xué)者把數(shù)學(xué)方法引入到土壤質(zhì)量的綜合評價中來，使土壤質(zhì)量評價趨于邏輯性和系統(tǒng)性。目前常用的方法有標(biāo)準(zhǔn)綜合級別法、指數(shù)和法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、主成分分析法、模糊綜合評價法、投影尋蹤模型法等［15］。本研究使用SPSS17.0軟件對各指標(biāo)進(jìn)行因子分析和主成分分析。先對原始實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過最大正交旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)，分別得到相關(guān)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率以及因子載荷量，然后根據(jù)各主成分的因子載荷量計算各指標(biāo)對土壤質(zhì)量的作用大小，確定權(quán)重Wj，公式為(1)式中：Wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重值；Cj為第j個指標(biāo)的因子載荷量。各指標(biāo)的權(quán)重確定后，計算各樣地土壤質(zhì)量綜合評價值，對各樣地土壤質(zhì)量進(jìn)行排序，計算公式為(2)式中：Pi為排土場第i個樣地土壤綜合評價值；Xij為第i個樣地第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重值；n為評價中所選指標(biāo)的個數(shù)。2結(jié)果分析2.1不同復(fù)墾類型下土壤各指標(biāo)主成分分析由表1可知，通過對0-10cm層土壤進(jìn)行分析，前3個主成分的累積貢獻(xiàn)率為94.79%，高于85%，所以可選取前3個主成分代表原有11個成分進(jìn)行分析。對10-20cm層土壤各指標(biāo)的主成分分析可知，前兩個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85.55%，故選取前兩個主成分進(jìn)行分析。通過表2可以看出，在0—10cm層土樣的第一主成分中，Shannon-wiener多樣性指數(shù)(X1)、田間持水量(X6)、有機(jī)質(zhì)含量(X11)載荷量較大；在第二主成分中，毛管持水量(X5)載荷量較大；pH值(X7)在第三主成分中載荷量最大。主成分分析說明，在0—10cm土壤中Shannon-wiener多樣性指數(shù)、田間持水量、有機(jī)質(zhì)含量、毛管持水量及pH值對該層土壤的恢復(fù)有較大影響。通過對10—20cm層土樣的因子載荷量分析可知，在第一主成分中，孔隙度(X3)因子載荷量是0.970，速效磷含量(X9)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)(X1)因子載荷量也較大，所以第一主成分的主要影響因子是Shannon-wiener多樣性指數(shù)、孔隙度、速效磷含量;在第二主成分中，飽和含水量(X4)、毛管持水量(X5)、田間持水量(X6)因子載荷較大，分別是0.695、0.764、0.779，故第二主成分的選擇因子是飽和含水量、毛管持水量、田間持水量。分析說明，在10—20cm層對土壤質(zhì)量影響較大的指標(biāo)是孔隙度、土壤速效磷含量、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、Shannonwiener多樣性指數(shù)。在表層土壤中土壤質(zhì)量受土壤化學(xué)性質(zhì)影響較大，在10—20cm層土壤質(zhì)量受土壤含水量的影響較大，說明隨著土層深度的增加，根系的生長對土壤水分的需求增加。Shannon-wiener多樣性指數(shù)對表層土壤和10—20cm層土壤的環(huán)境均有較大的影響，說明植被的生長對改善土壤質(zhì)量有明顯的作用。表1各主成分累積貢獻(xiàn)率土壤層次(cm)主成分累積貢獻(xiàn)率(%)12345678910110—1061.1184.9894.7998.5299.4710010010010010010010—2053.3785.5591.3697.9699.31100100100100100100表2各指標(biāo)因子載荷量指標(biāo)0—10cm土壤第一主成分第二主成分第三主成分10—20cm土壤第一主成分第二主成分X10.8130.433-0.2220.8710.334X2-0.8970.0850.378-0.9690.171X3-0.9230.2090.0990.970-0.161X40.7370.5970.2430.6800.695X50.7060.6320.2210.6120.764X60.8060.5630.0250.5080.779X7-0.6560.0490.654-0.8340.231X80.721-0.6510.1580.505-0.790X90.769-0.5790.2030.842-0.278X100.512-0.8050.0430.541-0.771X110.885-0.0720.4440.432-0.1412.2不同復(fù)墾類型下土壤綜合質(zhì)量評價值分析通過各指標(biāo)的因子載荷量計算出權(quán)重，將各指標(biāo)的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)值加權(quán)，利用公式(1)和(2)計算得到排土場土壤綜合質(zhì)量評價值，見表3。由表3可知，各樣地0—10cm層土壤綜合質(zhì)量評價值依次為-0.5427、0.0857、0.8279、0.3389、0.0895.-0.0032.-0.7646，各樣地排序?yàn)椋?號楊樹x沙棘樣地＞4號紫花苜蓿x沙打旺樣地＞5號沙棘x紫花苜蓿樣地＞2號楊樹x油松樣地＞6號楊樹純林樣地＞1號紫花苜蓿x披堿草樣地＞7號對照樣地。1—6號各樣地土壤綜合質(zhì)量評價值均大于7號樣地，說明人工復(fù)墾對該地表層土壤質(zhì)量的改善起到了明顯的作用。楊樹x沙棘樣地土壤質(zhì)量評價值最高，說明喬灌混交模式對該地表層土壤質(zhì)量的提高有較好的作用。4號樣地土壤綜合質(zhì)量評價值大于5號樣地和1號樣地，表明沙打旺的種植有利于提高該地表層土壤的綜合質(zhì)量，適宜在該地種植。沙棘和紫花苜蓿都是固氮作物，它們混播可以有效提高土壤質(zhì)量。喬木林樣地土壤質(zhì)量評價值較低、排序靠后，說明在該地不適宜大范圍種植耗水量大的楊樹。表3排土場土壤綜合質(zhì)量評價值及排序樣地號0—10cm土壤綜合評價值排序10—20cm土壤綜合評價值排序1-0.54276-0.0024620.085740.0719430.827910.8062140.338920.3066250.089530.095536-0.00325-0.001557-0.76467-0.71647各樣地10—20cm層土壤綜合質(zhì)量評價值依次為-0.0024、0.0719、0.8062、0.3066、0.0955、-0.0015、-0.7164,按評價值排序與0—10cm層土壤相同，同樣表現(xiàn)出1—6號各樣地土壤質(zhì)量評價值均大于7號樣地的規(guī)律。由于地表枯落物的作用和植被根系生長的影響，表層土壤綜合質(zhì)量評價值大多大于10-20cm層土壤，說明植被的生長對表層土壤的改良效果隨土層深度的增加而減弱。不同植被復(fù)墾模式下土壤質(zhì)量不同，喬灌混交、灌草混播及草本混播3種模式下的樣地土壤質(zhì)量顯著高于其他樣地，說明混合播種對提高該地土壤質(zhì)量有較為明顯的作用。3結(jié)語黑岱溝露天煤礦北排土場經(jīng)過多年人工復(fù)墾后，土壤質(zhì)量較自然恢復(fù)狀態(tài)下有了明顯的改善。Shannon-wiener多樣性指數(shù)對表層土壤和10—20cm層土壤質(zhì)量均有較大的影響，說明植被的生長對改善土壤質(zhì)量有明顯的作用。表層土壤質(zhì)量受土壤化學(xué)性質(zhì)影響較大，隨深度增加，土壤水分指標(biāo)對土壤質(zhì)量的影響增大。0—10cm層和10—20cm層土壤質(zhì)量綜合評價值排序均為：3號楊樹乂沙棘樣地＞4號紫花苜蓿x沙打旺樣地＞5號沙棘x紫花苜蓿樣地＞2號楊樹x油松樣地＞6號楊樹純林樣地＞1號紫花苜蓿x披堿草樣地＞7號對照樣地。隨著土層深度的增加土壤質(zhì)量綜合評價值降低。楊樹x沙棘樣地土壤質(zhì)量綜合評價值最高，說明喬灌混交模式對該地表層土壤質(zhì)量的提高有較好的作用，同時也說明在該地區(qū)較適合采用混合播種模式。沙棘、沙打旺、紫花苜蓿對提高該地土壤質(zhì)量有顯著作用，適宜在該地區(qū)種植。[參考文獻(xiàn)]石書靜，李慧卓.我國煤礦區(qū)土地復(fù)墾現(xiàn)狀研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(10):5262-5263.薛建春,白中科.生態(tài)脆弱礦區(qū)土地復(fù)墾方案實(shí)施監(jiān)測評價研究[J].水土保持研究2012,19(1):246-249.白中科，付梅臣,趙中秋.論礦區(qū)土壤環(huán)境問題[J].生態(tài)環(huán)境,2007,15(5):1122-1125.WienholdBJ,AndrewsSS,KarlenDL.SoilQuality:IndicesandAppraisal[C].Indian:IndianSocietyofSoilScience,2005:67-72.DoranJW,ParkinTB.Definingandassessingsoilquality[J].SoilScienceSocietyofAmerica,1994,35(1):3-21.趙雪,黃森林.君安礦區(qū)復(fù)墾土壤的環(huán)境質(zhì)量分析與評價[J].安全與環(huán)境工程2012,19(4):59-