郭凌俐，王金滿,2，白中科,2，楊睿璇，曹銀貴,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

綠色礦業(yè)

黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾初期土壤顆粒組成空間變異分析

郭凌俐1，王金滿1,2，白中科1,2，楊睿璇1，曹銀貴1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

土壤重構(gòu)的好壞直接關(guān)系到黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)植被的恢復(fù)狀況，研究排土場(chǎng)復(fù)墾后的土壤特性對(duì)排土場(chǎng)生態(tài)的恢復(fù)有很重要的作用。本文以黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，以半方差函數(shù)為基本工具，應(yīng)用Arcgis地統(tǒng)計(jì)模塊研究了0～40cm復(fù)墾初期土壤顆粒的空間變異規(guī)律，并運(yùn)用普通克里格法(Ordinary Kriging)進(jìn)行最優(yōu)無(wú)偏線性插值，制作了不同粒徑土壤顆粒含量的空間分布圖。結(jié)果表明：①在復(fù)墾初期0～20cm和20～40cm不同粒徑土壤顆粒組成特點(diǎn)比較類似，均以粉粒平均含量最高，沙粒平均含量居中，而黏粒平均含量最低，各粒徑土壤具有中等偏弱的變異性；②通過(guò)半方差函數(shù)的擬合，黏粒含量的半方差函數(shù)符合球狀模型，粉粒含量的半方差函數(shù)在0～20cm層次符合球狀模型，在20～40cm符合指數(shù)模型，砂粒的半方差模型在0～20cm符合球狀模型，在20～40cm半方差函數(shù)符合指數(shù)模型，不同粒徑土壤顆粒含量在一定范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性，具有中等的空間相關(guān)性；③ 基于半方差模型的普通Kriging 插值圖能更直觀地揭示了復(fù)墾區(qū)不同層次土壤顆粒的空間分布狀況，從土壤顆粒組成的垂直方向和水平方向來(lái)看，在0～20cm的水平方向上，研究區(qū)中粉粒含量高值區(qū)對(duì)應(yīng)著砂粒含量的低值區(qū)，二者有較好的互補(bǔ)性，而在垂直方向不同土壤粒徑含量在空間分布并沒有明顯的規(guī)律。本研究可為黃土區(qū)排土場(chǎng)復(fù)墾土壤剖面重構(gòu)和培肥改良提供一定的借鑒和參考。

土地復(fù)墾；土壤；顆粒；空間變異

黃土區(qū)露天煤礦開采形成了大量的排土場(chǎng)，其對(duì)生態(tài)環(huán)境已經(jīng)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，對(duì)于排土場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建已成為近年來(lái)土地合理高效利用所關(guān)注的焦點(diǎn)[1]，在排土場(chǎng)復(fù)墾的各個(gè)環(huán)節(jié)中，土壤重構(gòu)是其關(guān)鍵，土壤重構(gòu)的好壞直接影響到植被的恢復(fù)狀況，因此，對(duì)排土場(chǎng)復(fù)墾土壤的特性研究就顯得尤為重要。土壤特性的空間變異性是指一個(gè)質(zhì)地視為均一的區(qū)域內(nèi)，在同一時(shí)間段，不同點(diǎn)的土壤特性存在著的明顯差異性[2]，這種差異不僅表現(xiàn)在一維垂向和區(qū)域的結(jié)構(gòu)性上，也表現(xiàn)在時(shí)空域上的漸變性。而土壤顆粒組成作為土壤特性的一部分，對(duì)土壤的養(yǎng)分、水分特性等都有一定的影響，土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及鋅等的含量都與顆粒組成密切相關(guān)[3]，這些元素進(jìn)而影響著土壤質(zhì)量，土壤質(zhì)量的變化是衡量排土場(chǎng)復(fù)墾土壤生產(chǎn)力大小和土壤環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的量度[4]，土壤顆粒組成的研究對(duì)土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)區(qū)劃和合理施肥等都有指導(dǎo)性的意義，其是控制土地復(fù)墾質(zhì)量的核心指標(biāo)之一。由于露天開采的挖掘、運(yùn)輸、排土和碾壓等過(guò)程均能對(duì)原狀土壤造成一定程度的擾動(dòng)，致使土壤顆粒分布產(chǎn)生變異。因此，研究排土場(chǎng)復(fù)墾土地土壤顆粒組成的空間變異可為改進(jìn)排土工藝和制定復(fù)墾措施提供有效的指導(dǎo)。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就已將地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用到土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳等理化特性的分布、監(jiān)測(cè)和空間變異研究[5-16]，對(duì)于土壤質(zhì)地的空間變異及影響也有不少研究成果。徐尚平等[17]在大尺度上研究了內(nèi)蒙古土壤黏粒的空間變異，得出內(nèi)蒙古土壤pH、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征可以用線性半方差函數(shù)模型加以描述，且具有明顯的各向異性；張華等[18]則以農(nóng)場(chǎng)尺度為研究對(duì)象，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了土壤黏粒的空間變異，發(fā)現(xiàn)亞表層土壤黏粒含量表現(xiàn)出中等程度的空間相關(guān)性，表層黏粒含量空間變異隨距離增加而增加；劉付程等[19]在江蘇南部湖相沉積母質(zhì)上研究了0～30 cm 土層范圍內(nèi)不同粒徑土壤顆粒的變異性，發(fā)現(xiàn)不同粒徑土壤顆粒在較大的范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性，不同粒徑土壤顆粒由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性達(dá)到70%以上；馬黎春等[20]研究了克拉瑪依干旱生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)0～30 cm、30～60 cm、60～100 cm 土層的土壤質(zhì)地的空間異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)范圍內(nèi)不同粒徑土壤顆粒組成特點(diǎn)類似，均以粉粒平均含量最高，土壤顆粒的變異性都很強(qiáng)，其中砂粒最為突出；馮娜娜等[21]研究了兩個(gè)尺度下蒙頂山茶園土壤顆粒組成的空間變異性，發(fā)現(xiàn)小尺度下土壤顆粒組成各粒級(jí)均具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，微尺度下只有黏粒具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，坡度和坡長(zhǎng)等微地形及茶園橫坡種植的植被覆蓋方式是影響土壤顆?？臻g分布的主要因子；Zhao等[22]運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了土壤質(zhì)地的分布；Meul等[23]用克里格差值預(yù)測(cè)了不同類型非穩(wěn)定性土壤質(zhì)地的分布。上述研究多采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究原地貌不同利用類型地土壤的顆粒組成空間變異，但是對(duì)于復(fù)墾后重構(gòu)土壤顆粒的空間變異特性研究涉及較少。為此，本文在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)及地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上利用Arcgis對(duì)排土場(chǎng)復(fù)墾土壤顆粒的空間變異進(jìn)行分析，探討復(fù)墾重構(gòu)土壤初期的空間變異規(guī)律，以期為復(fù)墾排土場(chǎng)土地復(fù)墾的土壤剖面重構(gòu)和培肥改良提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在平朔露天礦區(qū)內(nèi)的安太堡煤礦，該礦位于黃土高原東部、山西省北部寧武煤田北端，地跨朔州市的平魯、朔城兩區(qū)，屬于山西黃土高原朔平臺(tái)地之低山丘陵，礦區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季干旱少雨、寒冷、多風(fēng)，夏秋降水集中、溫涼少風(fēng)。春冬季風(fēng)大，風(fēng)沙嚴(yán)重，平均氣溫為4.8～7.8℃，年降水量為450mm 左右，而年蒸發(fā)量為年降水量的5倍左右。土壤類型為栗鈣土與栗褐土的過(guò)渡帶，植被覆蓋率低且植被多為耐旱性植物。隨著煤炭的大量開采，已形成數(shù)座不同形狀的排土場(chǎng)，主要有南排土場(chǎng)、西排土場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)等，到2011年安太堡礦已復(fù)墾排土場(chǎng)37.69hm2，南排土場(chǎng)與西排土場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)行植被生態(tài)恢復(fù)，礦區(qū)植被恢復(fù)狀況良好，而內(nèi)排土場(chǎng)尚在土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)階段，排土場(chǎng)還未進(jìn)行植被恢復(fù)。本文具體的研究地點(diǎn)為安太堡露天煤礦2012年剛排土到位尚未進(jìn)行植被恢復(fù)的內(nèi)排土場(chǎng)，其表層土壤來(lái)源于安太堡露天煤礦開采時(shí)剝離的表土。露天煤礦開采時(shí)對(duì)原植被生長(zhǎng)所需水分、營(yíng)養(yǎng)土層的進(jìn)行了單獨(dú)剝離(0～30cm)；對(duì)底層土分黃土母質(zhì)(不含料姜)、黃紅土母質(zhì)(含料姜)、紅土母質(zhì)進(jìn)行了分層剝離；煤矸石和一般巖石也被分層剝離。研究區(qū)的內(nèi)排土場(chǎng)排土?xí)r在其平臺(tái)上密集散排黃土，以確保整平后覆土厚度為2m；平整時(shí)，推土機(jī)將散排黃土推平，平臺(tái)外緣推筑1m高、2m寬的擋墻，防止水土流失；平盤內(nèi)緣坡角下開挖1m寬、0.4m深的排水溝。研究區(qū)排土場(chǎng)最終標(biāo)高為1540 m，面積0.44km2。

1.2 樣點(diǎn)布置與土樣采集

于2013年6月對(duì)研究區(qū)內(nèi)土樣進(jìn)行采集。采樣點(diǎn)共計(jì)78個(gè)，采樣間距60～80m。每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆分0～20cm和20～40cm兩層采樣以研究不同土壤深度土壤顆粒的空間變異特點(diǎn)。分別將采集樣品混合均勻放置于土袋中，并采用GPS進(jìn)行定位，具體樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位置及分布圖

1.3 土壤顆粒組成的測(cè)定

將采集回來(lái)的土壤風(fēng)干，研磨過(guò)2mm篩處理，去除較大顆粒及雜質(zhì)后采用英國(guó)mastersizer2000激光粒度儀進(jìn)行土壤顆粒組成測(cè)定，其測(cè)量粒徑范圍為0.02～2000μm，重現(xiàn)率優(yōu)于0.5%，準(zhǔn)確率則優(yōu)于1%，顆粒在激光束的照射下發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的角度與顆粒的直徑成反比關(guān)系，散射光的能量分布與顆粒直徑的分布直接相關(guān)，通過(guò)測(cè)得的散射光的能量分布就可以得出顆粒的粒度分布特征，實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)定每個(gè)采樣點(diǎn)不同層次的土壤三組數(shù)據(jù)取其平均值作為檢測(cè)點(diǎn)粒度分布的數(shù)值，土粒分級(jí)采用美國(guó)制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究采用spss17.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)基本統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)分布檢驗(yàn)，應(yīng)用Arcgis10.0軟件的地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行土壤顆粒組成的相關(guān)參數(shù)及半方差分析、理論模型擬合和Ordinary-Kriging插值，以及圖層的編輯和輸出，最后生成研究區(qū)域的土壤顆粒含量分布圖。

表1 美國(guó)土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

1.5.1 半方差函數(shù)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可考慮到空間變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性變異，是處理土壤特性隨機(jī)變量的有效工具[24]，近幾年已廣泛應(yīng)用于土壤的空間變異性研究。在地統(tǒng)計(jì)學(xué)中半方差變異函數(shù)可用式(1)表示。

(1)

式中：R(h)為變異函數(shù)；h為兩樣本點(diǎn)空間分隔距離；Z(xi)、Z(xi+h)是區(qū)域化變量Z(x)在點(diǎn)x和x+h處的值；N(h)是分隔距離為h時(shí)的樣本總對(duì)數(shù)。對(duì)于區(qū)域化隨機(jī)變量Z(x)滿足二階平穩(wěn)假設(shè)，符合式(1)，則說(shuō)明隨機(jī)變量的空間分布規(guī)律不隨位移而改變，只與距離h相關(guān)。

1.5.2 克里格(Kriging)插值

克里格(Kriging)插值又稱空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，如果變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，則可用克里格方法進(jìn)行內(nèi)插或外推，其能量化已知點(diǎn)之間的空間自相關(guān)性，而且能說(shuō)明采樣點(diǎn)在預(yù)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的空間分布情況。其與反距離權(quán)插值方法類似，也是通過(guò)對(duì)已知樣本點(diǎn)賦權(quán)重來(lái)求得未知點(diǎn)的值可表示為式(2)。

(2)

式中：Z(x0)為未知樣點(diǎn)的值；Z(xi)為未知樣點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的值；λi為第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重；n為已知樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。需要注意的是格里格方法不僅考慮距離，而且通過(guò)變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析考慮了已知樣本點(diǎn)的空間分布及未知樣點(diǎn)的空間方位關(guān)系。本研究采用普通克里格插值方法，分別用不同類型的模型進(jìn)行半方差擬合，根據(jù)模型選擇的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，選擇模型參數(shù)以均方根誤差(RMSE)較小和均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(RMSSE)接近于1的模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)墾土壤顆粒組成空間分布統(tǒng)計(jì)特征

利用spss17.0計(jì)算各層78個(gè)樣本的不同粒徑土壤顆粒統(tǒng)計(jì)特征和概率分布，概率分布采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)法檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 不同粒徑土壤顆粒的空間分布統(tǒng)計(jì)性特征

由表2可知，在研究區(qū)內(nèi)，各層次的土壤顆粒組成特點(diǎn)類似，均以粉粒的平均含量最高，約占顆粒組成含量的60%左右。砂粒含量位居中間，而黏粒的含量最少只有10%左右，黏粒與砂粒之間含量的相差達(dá)到10%以上。2個(gè)層次相比，三種不同的粒徑含量相差在1%以內(nèi)，反映了其在各層次的穩(wěn)定性，同時(shí)可得出復(fù)墾區(qū)土壤重構(gòu)時(shí)，并沒有從植物生長(zhǎng)角度考慮實(shí)施分層覆土，沒有形成一定的質(zhì)地剖面構(gòu)型，對(duì)于植被的生長(zhǎng)存在一定的限制性。

樣本的變異系數(shù)在某種程度上可以反映樣本的變異程度，目前經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)變異強(qiáng)度劃分為：變異系數(shù)(cv)≤10%時(shí)為弱變異，變異系數(shù)(cv)在10%到100%之間的為中等變異，變異系數(shù)(cv)≥100%為強(qiáng)變異[25]。2個(gè)層次不同粒徑土壤顆粒的變異性均表現(xiàn)出了一致的規(guī)律性：cv砂粒>cv黏粒>cv粉粒，說(shuō)明在研究區(qū)內(nèi)砂粒的變異性最強(qiáng)，黏粒次之，粉粒的變異性最弱。2個(gè)層次土壤中黏粒的變異性表現(xiàn)為cv20∶cv40=0.24∶0.28，粉粒變異性表現(xiàn)為cv20∶cv40=0.12∶0.17，砂粒變異性表現(xiàn)為cv20∶cv40=0.29∶0.40，說(shuō)明黏粒、粉粒、砂粒在0～20cm與20～40cm層次土壤中的變異幅度不大，整體看來(lái)土壤顆粒在垂直方向上具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。從變異程度來(lái)看，三種粒徑土壤顆粒的變異系數(shù)都≤40%，表明研究區(qū)域土壤顆粒組成具有中等偏弱的變異性。

不同粒徑土壤顆粒數(shù)據(jù)經(jīng)Komogorov-Smirnov法檢驗(yàn)(p>0.05，2-tailed)通過(guò)了K-S正態(tài)分布檢驗(yàn)，各粒徑含量都符合正態(tài)分布，說(shuō)明研究區(qū)域中區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)假設(shè)。

2.2 土壤顆?？臻g變異函數(shù)模型及有關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

由于半方差函數(shù)是兩點(diǎn)之間距離和方向的函數(shù)，因此它可以反映區(qū)域化變量的空間自相關(guān)性[26]。變量半方差模型的選取是基于實(shí)驗(yàn)半方差的散點(diǎn)圖用不同類型的模型來(lái)擬合得到的，選取的模型應(yīng)該是擬合最優(yōu)的模型，一般要求模型擬合標(biāo)準(zhǔn)平均值簡(jiǎn)稱為MS(Mean Standardized)最接近于0，均方根預(yù)測(cè)誤差簡(jiǎn)稱為RMS(Root-Mean-Square)最小，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差簡(jiǎn)稱為ASE(Average Standard Error)最接近于均方根預(yù)測(cè)誤差RMS(Root-Mean-Square)，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差簡(jiǎn)稱為RMSS(Root-Mean-Square Standardized)最接近于1。經(jīng)檢驗(yàn)得到各層不同粒徑的變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)見表3。

表3 不同粒徑土壤顆粒的變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)

注：E代表指數(shù)模型(Exponential model)；S 代表球狀模型( Spherical model)。

黏粒含量的半方差函數(shù)符合球狀模型，其中0～20cm，空間相關(guān)距離為280.16m，在20～40cm層達(dá)到了1219.19m，差距較大，分析原因可能是由于復(fù)墾時(shí)覆土來(lái)源以及覆土方法引起的。粉粒含量的半方差函數(shù)在0～20cm層次符合球狀模型，空間相關(guān)距離為803.98m，在20～40cm符合指數(shù)模型，空間相關(guān)距離也達(dá)到了1080m。砂粒的半方差模型在0～20cm符合球狀模型，空間自相關(guān)范圍為584.44m，在20～40cm半方差函數(shù)符合指數(shù)模型，空間自相關(guān)范圍為780m。在0～20cm層次的土壤各粒徑含量的空間自相關(guān)范圍比20～40cm層次的各粒徑的空間相關(guān)范圍小，這可能是由于復(fù)墾過(guò)程中土壤材料的混合與土壤的壓實(shí)有關(guān)系。表中的C0為塊金值，表示由實(shí)驗(yàn)誤差或小于采樣尺度的隨機(jī)性因素引起的變異性[7]；C+C0為基臺(tái)值，反映了研究區(qū)域土壤顆?？偟淖儺愋浴K金值與基臺(tái)值之比C0/(C0+C)表明樣本間的變異特征，該值越大，表示土壤各層不同粒徑顆粒含量的變異更多的是由隨機(jī)因素引起的，由表可知只有0～20cm層次的黏粒的C0/(C0+C)值較小，說(shuō)明其受隨機(jī)因素影響較小，而由結(jié)構(gòu)性的因素引起的變異占到總變異的70%以上，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；其他粒徑的土壤的C0/(C0+C)值都大于0.52，小于0.8，說(shuō)明其受隨機(jī)因素(復(fù)墾工藝、順序、覆土方法等)影響較大，受結(jié)構(gòu)性因素影響較小，具有中等的空間相關(guān)性[27]。

2.3 復(fù)墾土壤顆粒的空間分布特征

基于半方差函數(shù)理論模型基礎(chǔ)上，采用普通克里格法(Ordinary Kriging)繪制不同粒徑土壤顆粒含量的空間插值分布圖(圖2)。

由圖2可知，在0～20cm層次的黏粒含量分布呈現(xiàn)帶狀交替分布，含量為15.0%～20.5%的高值區(qū)主要分布于研究區(qū)的中東部及西南、東北部，含量為11.1%～15.0%的中值區(qū)主要分布于北部和中東部?jī)蓚€(gè)高值區(qū)之間，含量為7.9%～11.1%的低值區(qū)則位于中東部和西南部部高值區(qū)之間，呈現(xiàn)這種規(guī)律可能是由于復(fù)墾方向的推進(jìn)和土源的覆土順序有關(guān)。在20～40cm層次的黏粒含量較高的值區(qū)17.3%～22.0%主要集中于南部和東部的小塊區(qū)域，含量為13.9%～17.3%的中值區(qū)則占總面積的大部分集中于中南部，含量8.1%～13.9%較小的低值區(qū)主要集中于北部和西南角，面積僅次于中值區(qū)，總體來(lái)看，黏粒的含量占總土壤顆粒組成的比例較低，最高僅達(dá)到20.5%。

圖2 表層土壤不同粒徑土壤顆?？死锔癫逯祱D

復(fù)墾土壤顆粒組成中，粉粒在0～20cm層次也表現(xiàn)出了明顯的區(qū)域性，含量為58.5%～75.2%的高值區(qū)分布于東北角和中南部，含量為43.4%～53.7%的低值區(qū)則分布于西南角和西北角，含量為53.7%～58.5%的中值區(qū)成等高線狀的分布于高值區(qū)和低值區(qū)之間。在20～40cm層次上粉粒含量大的區(qū)域面積較0～20cm有所增加，58.8%～79.5%的高值區(qū)主要集中于西部，占總面積的比值也較高，55.6%～58.8%的中值區(qū)主要分布于西部的條狀區(qū)域和東部，面積也比較大，含量50.0%～55.6%的低值區(qū)集中于東北部和西南角，面積占總面積的比值最小。通過(guò)對(duì)比0～20cm和20～40cm的插值圖可以看出，在0～20cm層次粉粒含量較高值位于研究區(qū)的東部，而在20～40cm層次含量較高值則分布于研究區(qū)的西部，這可能與土壤復(fù)墾時(shí)的推進(jìn)方向和土源差異有關(guān)。

復(fù)墾土壤顆粒組成中，砂粒在0～20cm層次中含量為31.3%～46.3%的高值區(qū)主要分布于西南部和西北部，面積占總面積的比值較低，含量為26.1%～31.3%的中值區(qū)成帶狀分布于中部，含量為19.2%～26.1%的低值區(qū)域主要集中于中東部和東北角，分布狀態(tài)明顯的呈現(xiàn)出帶狀分布。在20～40cm層次砂粒的含量不高，沒有含量值高于38.4%的區(qū)域，只有一小部分含量值為31.6%～38.4%位于研究區(qū)的東北角和西南角，含量值在23.4%～31.6%的區(qū)域面積占到總面積的一半以上，并且成不規(guī)則塊狀分布，含量在21.1%～23.4%的低值區(qū)主要分布于中南部的一個(gè)橢圓區(qū)域，面積占總面積的比值最小。

通過(guò)對(duì)水平方向粉粒0～20cm和砂粒0～20cm的差值圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)中在粉粒含量高值區(qū)對(duì)應(yīng)著砂粒含量的低值區(qū)，二者有較好的互補(bǔ)性，而在垂直方向不同土壤粒徑含量在空間分布并沒有明顯的規(guī)律。

3 討論

3.1 復(fù)墾土壤各粒徑含量分布的不均一性

復(fù)墾土壤與其他自然風(fēng)化形成的土壤不同，排土場(chǎng)土壤一類是粒徑在1mm以下，如黃土母質(zhì)，它的土壤培肥不存在人工加速風(fēng)化問(wèn)題，而主要是通過(guò)施有機(jī)肥、化肥及生物培肥等措施來(lái)提高肥力狀況。另一類為粒徑在1mm以上的石礫，如來(lái)自井工礦的煤矸石以及采石場(chǎng)的廢棄物等，一般排放在底部。且在進(jìn)行礦區(qū)開采時(shí)會(huì)將其表土剝離，必要時(shí)表土單獨(dú)堆放儲(chǔ)存以備后用，復(fù)墾所需要的土源選擇的是原表土層厚度2m以上的不含料姜的黃綿土，復(fù)墾是人為的選擇土壤的各種性狀，雖然在一定程度上能夠保證土壤粒徑的大概范圍，但是因?yàn)閺?fù)墾活動(dòng)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了土壤的原有層次，復(fù)墾后的土壤主要由小部分耕作層熟化土和大量未經(jīng)耕作熟化的深層土以及非土壤成分共同不均勻混合形成[28]，在施工過(guò)程中又有機(jī)械壓實(shí)、復(fù)墾方向等因素的存在，使得復(fù)墾土壤各粒徑的含量分布沒有明顯的規(guī)律。因此，考慮到礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)，排土場(chǎng)在復(fù)墾時(shí)應(yīng)考慮到復(fù)墾時(shí)序的問(wèn)題，復(fù)墾表土的剝離必須與煤炭開采時(shí)間相銜接，對(duì)于采場(chǎng)挖損的土地不能過(guò)早進(jìn)行表土剝離，過(guò)早剝離不僅占用大量的臨時(shí)堆放場(chǎng)地，而且會(huì)造成表土堆壓實(shí)、養(yǎng)分流失土壤質(zhì)量下降。復(fù)墾時(shí)為了保證植被的成活率可采用分層構(gòu)建，將土石混排——黏土——砂壤從下至上分層排棄，人為的構(gòu)建適宜植被生長(zhǎng)的剖面，既保證土壤水分的入滲，又保證土壤的通透性，易于植物生長(zhǎng)。

3.2 復(fù)墾土壤各粒徑的空間變異研究作用

不同粒徑的顆粒在土壤中的比例構(gòu)成了土壤的顆粒組成。組成不同的土壤，其理化和生物等性質(zhì)必然不同，土壤的肥力也會(huì)表現(xiàn)出較大的差異性[17]。以砂粒為主的砂壤保水能力低，有機(jī)質(zhì)含量少，保持養(yǎng)分的能力弱，但通氣透水性好，升溫快，易于耕作。以黏粒為主的粘壤的特征則正好相反，其具有較高的保水性，有機(jī)質(zhì)含量高，保肥能力強(qiáng)，但通氣排水性不良，耕性差。粉粒為主的壤土的性狀居于上述兩者之間，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上組成最好的土壤。研究也表明，不同的粒徑顆粒對(duì)土壤中有機(jī)氮、有機(jī)質(zhì)等的含量及各種元素的固定都有一定的影響[29-32]，礦區(qū)的復(fù)墾工作就是要在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)土壤的宜耕性，因此其不像經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間自然風(fēng)化形成的土壤中的顆粒組成那么復(fù)雜，排土場(chǎng)的表層的土壤不論顆粒、養(yǎng)分、施肥等都有相關(guān)要求，復(fù)墾后的土壤最低標(biāo)準(zhǔn)要能達(dá)到原地貌土壤損毀前狀態(tài)，這樣才能使生態(tài)系統(tǒng)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。對(duì)剛復(fù)墾還未進(jìn)行植被恢復(fù)的排土場(chǎng)土壤顆粒組成空間變異進(jìn)行研究能夠更好的對(duì)復(fù)墾工作進(jìn)行指導(dǎo)，例如對(duì)于在表層土壤中含砂粒比較多的地區(qū)保水性較差，就可以針對(duì)顆粒組成分布種植不同類型的植被，這樣不僅有利于土壤的更新，對(duì)礦區(qū)快速的進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)也有一定的指導(dǎo)意義。本文中只對(duì)于0～40cm土壤的顆粒組成空間變異進(jìn)行了相關(guān)研究，復(fù)墾土壤的其他物理、生物特性等并未涉及到，礦區(qū)植被的生態(tài)恢復(fù)是各種因素共同作用的系統(tǒng)過(guò)程，因此不能僅限于對(duì)復(fù)墾土壤組成空間變異的研究，今后要在此基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)墾后土壤的養(yǎng)分的空間變異等特性進(jìn)行相關(guān)研究，為礦區(qū)復(fù)墾排土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)提供指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)黃土高原生態(tài)脆弱礦區(qū)排土場(chǎng)復(fù)墾初期土壤顆粒組成空間變異研究得出以下結(jié)論。

1)研究區(qū)域復(fù)墾土壤顆粒組成中，不同層次土壤顆粒組成特點(diǎn)類似，總體來(lái)看均以粉粒含量為主，砂粒含量其次，黏粒的含量最小，在0～20cm和20～40cm的同種粒徑的土壤含量差別不大，屬中等偏弱的變異性，今后礦區(qū)復(fù)墾的土壤重構(gòu)過(guò)程應(yīng)該加強(qiáng)復(fù)墾時(shí)序與土壤剖面的構(gòu)建，人為的形成符合植被生長(zhǎng)的質(zhì)地剖面構(gòu)型，從而提高植被的成活率。

2)從復(fù)墾土壤的半方差理論模型的擬合結(jié)果來(lái)看，不同層次不同粒徑土壤顆粒含量的半方差模型不同。不同粒徑土壤顆粒含量在一定范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性，在層次0～20cm的各粒徑含量的空間自相關(guān)范圍小于層次20～40cm的各粒徑的空間相關(guān)范圍。塊金值與基臺(tái)值之比C0/(C0+C)表明0～20cm層次的黏粒的C0/(C0+C)值較小，說(shuō)明其受隨機(jī)因素影響較小，而由結(jié)構(gòu)性的因素引起的變異占到總變異的80%以上，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；其他粒徑的土壤的C0/(C0+C)值都大于0.52，小于0.8，說(shuō)明其受隨機(jī)因素(復(fù)墾工藝、順序、覆土方法、土源等)影響較大，受結(jié)構(gòu)性因素影響較小，具有中等的空間相關(guān)性。

3)基于半方差模型的普通Kriging插值結(jié)果更直觀地揭示了復(fù)墾區(qū)不同層次土壤顆粒的空間分布特征。在0～20cm的水平方向上，研究區(qū)中粉粒含量高值區(qū)對(duì)應(yīng)著砂粒含量的低值區(qū)，二者有較好的互補(bǔ)性，而在垂直方向不同土壤粒徑含量在空間分布并沒有明顯的規(guī)律。在0～20cm層次黏粒、粉粒含量高值區(qū)主要分布于中東部，砂粒含量的高值區(qū)主要分布于西南部和西北部；20～40cm層次黏粒含量的高值區(qū)主要集中于南部和西部的小塊區(qū)域，粉粒含量的高值區(qū)主要分布于西部，砂粒含量的高值區(qū)分布于研究區(qū)的東北角。研究區(qū)可以針對(duì)本文研究的結(jié)論，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)的不同粒徑分布狀況篩選適宜的植被進(jìn)行恢復(fù)以及對(duì)土壤進(jìn)行有差異性的培肥，提高植被的恢復(fù)效率。

[1] 王金滿，郭凌俐，白中科，等.黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾后土壤與植被的演變規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(21)：223-232.[2] 張淑娟，何勇，方慧.基于GPS 和GIS 的田間土壤特性空間變異性的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003,19(2):39-44.

[3] 黃紹文，金繼運(yùn)，楊俐蘋，等.糧田土壤養(yǎng)分的空間格局及其與土壤顆粒組成之間的關(guān)系[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35 (3)：297-302.

[4] 王金滿，楊睿璇，白中科.草原區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾土壤質(zhì)量演替規(guī)律與模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(14)：229-235.[5] Miller M P，Singer M J，Nielsen D R.Spatial variability of wheat yield and soil properties on complex hills[J].Soil Sci Soc Am J，1988，52：1133-1141.

[6] Dvalls F A，CollinsM E.So il2landscape relationship s and soil variability in north central Florida[J].Soil Sci Soc Am J，1986，50：401-408.

[7] 李亮亮，依艷麗，凌國(guó)鑫，等.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤空間變異研究中的應(yīng)用[J].土壤通報(bào)，2005，36(2)： 265-268.

[8] Saldana A，Stein A，Zinck J A.Spatial variability of soil properties at different scales with in three terraces of the Henare River (Spain ) [J].Catena，1998，33(3)：139-153.

[9] 胡克林，李保國(guó)，林啟美.農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15 (3)： 33-38.

[10] Gaston L A，LockeM A，Zablo towicz RM，et al.Spatial variability of soil properties and weed populations in the MississippiDelta [J].Soil Sci Soc Am J，2001，65：449-459.

[11] 姚榮江，楊勁松，劉廣明，等.黃河三角洲地區(qū)典型地塊土壤鹽分空間變異特征研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(6)：61-66.

[12] 王鐵宇，羅維，呂永龍，等.官?gòu)d水庫(kù)周邊土壤重金屬空間變異特征及風(fēng)險(xiǎn)分析[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28(2)：225-231.

[13] Shen Z Q，Shi J B，Wang K，et al.Neural network ensemble residual Kriging application for spatial variability of soil properties[J].Pedo sphere，2004，14(3)：289-296.

[14] 趙永存，史學(xué)正，于東升，等.不同方法預(yù)測(cè)河北省土壤有機(jī)碳密度空間分布特征的研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2005，42(13)： 380-385.

[15] Zhang S R，Sun B，Zhao Q G，et al.Temporal spatial variability of soil organic carbon stocks in a rehabilitating ecosystem[J].Pedo sphere，2004，14(4)： 501-508.

[16] 姜勇，莊秋麗，梁文舉，等.空間變異在土壤性質(zhì)長(zhǎng)期定位觀測(cè)及取樣中的應(yīng)用[J].土壤通報(bào)，2005，36(4)： 531-535.

[17] 徐尚平，陶澍，曹軍.內(nèi)蒙古土壤pH 值、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量的空間結(jié)構(gòu)特征[J].土壤通報(bào)，2001，32(4)：145-148.

[18] 張華，張甘霖．熱帶低丘地區(qū)農(nóng)場(chǎng)尺度土壤質(zhì)量指標(biāo)的空間變異[J]．土壤通報(bào)，2003，34(4)：241-245.

[19] 劉付程，史學(xué)正，潘賢章，等.蘇南典型地區(qū)土壤顆粒的空間變異特征[J].土壤通報(bào)，2003，34(4)：246-249.

[20] 馮娜娜，李廷軒，張錫洲，等.不同尺度下低山茶園土壤顆粒組成空間變異性特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(3):123-128.

[21] 馬黎春，盛建東，蔣平安，等.克拉瑪依干旱生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤質(zhì)地的空間異質(zhì)性研究[J].干旱區(qū)地理，2006，29(1)：109-114.

[22] Zhao Z Y，Chow T L，Rees H W，et al.Predict soil texture distributions using an artificial neural network model[J].Computers and Electronics in Agriculture，2009(65)：36-48.

[23] 劉大雙，陳海生，楊慶民.豫中植煙田土壤顆粒組成的空間變異性分析[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,24(4)： 87-90.

[24] 馬黎春，盛建東，蔣平安，等．克拉瑪依地區(qū)土壤速效微量養(yǎng)分空間變異特征[J]．干旱區(qū)地理，2004，27(2)：202-206．

[25] Webster R.Quantitative spatital analysis of soil in the field [J].Advance in soil science，1985(3)：2266.

[26] Gambardella C A，Moorman T B，Novak J M，et al． Field -scale variability of soil properties in central low a soils [J]．Soil Sci Soc Am J，1994，58:1501-1511.

[27] 李樹志，高榮久.塌陷地復(fù)墾土壤特性變異研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(5):792-794.

[28] 吳景貴.土壤顆粒的功能研究進(jìn)展[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,30(4)：529-537.

[29] Gherardi MJ，Rengel Z.Bauxite residue sand has the capacity to rapidly decrease availability of added manganese [J].Plant and Soil,2001，234： 143-151.

[30] Chikowo R，Mapfumo P，Nyamugafata P，et al.Mineral N dynamics，leaching and nitrous oxide losses under maize following two-year improved fallows on a sandy loam soil in Zimbabwe [J].Plant and Soil，2004，259： 315-330.

[31] Christensen B T，Olesen J E.Nitrogen mineralization potential of organomineral size separates from soils with annual straw incorporation[J].European Journal of Soil Science，1998，49：25-36.

[32] Schmidt M W I，Kogel-Knabner.ⅠOrganic matter in particle-size fractions from A and B horizons of a Haplic Alisol [J].European Journal of Soil Science，2002，53：383-391.

Analysis of spatial variability of soil granules in early stage of reclamation at opencast coal mine dump in loess area

GUO Ling-li1,WANG Jin-man1,2，BAI Zhong-ke1,2，YANG Rui-xuan1，CAO Yin-gui1,2

(1.College of Land Science and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

Quality of soil reconstruction is directly related to the vegetation recovery of opencast coal mine in loess area，therefore，research on soil properties of land reclamation has a very important role in mine ecological recovery.Based on an reclamation open coal mine dump loess area as the research area，semi-variance function as the basic tools，combined with traditional statistics and geo-statistics method，with statistical module of arcgis10.0，was applied to study the spatial variability of 0～40cm soil granules in early stage of reclamation，and using ordinary kriging method to draw the spatial distribution map of different particle size of soil granules.Results show that：①in early stage of reclamation，between 0～20cm and 20～40cm the component characteristic of different size of soil granules was similar，the average of silt content was all highest in the whole research region；②through the semi-variance function fitting，the theory model of semi-variogram of clay accord with spherical model，the semi-variance function of silt content in 0～20 cm level in line with the spherical model，in the 20～40cm accord with the exponential model，the semi-variance model of sand in 0～20cm fit with the spherical model，in the 20～40cm semi-variance function in line with the exponential model，different size of soil granules content has spatial auto- correlation in a certain range，showing that has a medium spatial correlation；③the map can reveals the spatial distribution of soil granules in different levels，in 0～20cm，on the horizontal direction of silt content in the high value area in the study area corresponds to the sand content is low in the area，both of them have good complementary，and in the vertical direction different soil granules content in the spatial distribution has no obvious regularity.This study can provide certain reference for loess area land reclamation of soil profile reconstruction and soil fertilization and amelioration.

land reclamation；soil；particles；spatial variation

2014-03-17

北京市高校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：YETP0638)

郭凌俐(1987-)，女，漢族，山西大同人，碩士，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail:guolingli1017@163.com。

王金滿(1979-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail：wangjinman2002@163.com。

S152.3

A

1004-4051(2015)02-0052-08