李俊穎,李新舉*,趙躍倫,蔡德水,吳爭力,高 峰

1.土肥資源高效利用國家工程實驗室,山東 泰安 271018

2.山東農業(yè)大學 資環(huán)學院,山東 泰安 271018

3.濟寧市國土資源局,山東 濟寧 272001

4.濟寧市采煤塌陷地治理中心,山東 濟寧 272001

不同復墾方式對煤礦復墾區(qū)土壤養(yǎng)分狀況的影響

李俊穎1,2,李新舉1,2*,趙躍倫3,蔡德水4,吳爭力3,高 峰4

1.土肥資源高效利用國家工程實驗室,山東 泰安 271018

2.山東農業(yè)大學 資環(huán)學院,山東 泰安 271018

3.濟寧市國土資源局,山東 濟寧 272001

4.濟寧市采煤塌陷地治理中心,山東 濟寧 272001

以濟寧市采煤塌陷區(qū)粉煤灰充填、煤矸石充填、引湖充填、引黃充填、預復墾5種方式的復墾土壤為研究對象，研究不同復墾方式對土壤養(yǎng)分及整體肥力恢復程度的影響。結果表明，在0～30 cm耕作層，煤矸石充填較其他方式對復墾土壤堿解氮、有效磷和有機質的含量提升效果更顯著，分別達28.07 mg/kg、45.15 mg/kg、1.14%。速效鉀含量以引黃充填最高，粉煤灰充填對耕層土壤堿解氮含量影響最小，預復墾對耕層土壤有效磷、速效鉀、有機質含量的影響最?。辉?0～50 cm土層，對復墾土壤養(yǎng)分提升效果最顯著的為粉煤灰充填，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀及有機質分別高于對照地塊68.5%、89.0%、71.4%、177.3%。五種復墾方式對耕作層土壤整體肥力的影響由大到小依次為粉煤灰充填地塊＞煤矸石充填地塊＞引黃充填地塊＞引湖充填地塊＞預復墾地塊，在30～50 cm土層依次為引湖充填＞粉煤灰充填＞預復墾＞引黃充填＞煤矸石充填。綜合考慮不同復墾方式對土壤養(yǎng)分及整體肥力恢復程度的影響，粉煤灰充填、引湖充填方式對于濟寧地區(qū)土壤肥力的恢復效果最為顯著，可在該地區(qū)進行進一步的推廣。

濟寧市;煤礦區(qū);復墾;土壤養(yǎng)分

濟寧市是我國重要的煤炭基地，截至2015年底，濟寧市采礦塌陷地面積27343.15 hm2，占濟寧市土地總面積的16.23%，使得礦區(qū)土地資源破壞十分嚴重,生態(tài)環(huán)境也遭到了嚴重地破壞。預計到2050年，最終形成塌陷地面積達到3333 km2，約占全市土地總面積的四分之一[1]。為了恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，遏制耕地銳減的局面，促進礦區(qū)經濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，開展土地復墾就成了一個現(xiàn)實而又迫切的問題[2]。對于濟寧市土地復墾模式的研究目前還處于空白當中，因此針對濟寧煤礦區(qū)不同復墾方式開展研究，對比不同復墾方式對土壤質量的影響，建立濟寧市土地復墾評價指標體系對于濟寧市塌陷地治理具有一定的現(xiàn)實意義。

煤礦開采過程中直接挖掘表土、土石堆積而導致礦區(qū)植被損毀、地形和地質結構改變、地表和地下水文特征破壞[3]。胡振琪首次提出了復墾土壤重構的原理與方法，為復墾優(yōu)質土壤奠定了理論基礎[4]。目前濟寧市采煤塌陷地治理主要采取引湖充填、引黃充填、預復墾、煤矸石充填、粉煤灰充填五種復墾方式。

土壤養(yǎng)分是植被生存與發(fā)展重要的物質基礎[5]。復墾土壤養(yǎng)分含量是耕地復墾效果評價的重要指標，也是指導土壤復墾工作的重要依據(jù)。礦區(qū)土壤養(yǎng)分變化研究及評價，對于指導礦區(qū)土地復墾工作具有重要的意義[6]。前人已經對不同復墾方式的操作方法、復墾年限、效果等進行了部分研究。徐良驥等[7]的研究表明，復墾地的速效氮含量低于對照地塊、表層土壤有效磷遠低于對照地塊水平、各層位速效鉀含量均高于正常地塊。煤矸石充填復墾覆土70～80 cm既經濟又能滿足作物生長[8]。焦曉燕等[9]采用表土剝離復墾和混推復墾對煤礦塌陷區(qū)的研究表明，表土剝離復墾后土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量要稍高于混推復墾。采用排矸填充等方式復墾后地塊表層速效鉀含量、土壤pH值、EC值都比未破壞地塊高[10]。胡振琪等[11]采用粉煤灰充填復墾的土壤含有較低的有機質含量，復墾12 a的土壤與農業(yè)土壤的有機質含量相似，復墾土壤下層土的有機質含量并不比上層土低，有時還比上層土高。目前，煤礦塌陷區(qū)復墾研究主要集中在單一復墾方式不同年限對土壤理化性質的影響，對多種復墾方式進行效果對比的研究較少，尤其對引黃充填、引湖充填復墾方式的研究更少。因此，本文針對濟寧市采煤塌陷地復墾實際，選擇了5種復墾方式，開展復墾方式對土壤養(yǎng)分影響的研究[12]，將為煤礦塌陷區(qū)的土地復墾工作提供科學依據(jù)與理論支持。

1 研究區(qū)概括及研究技術與方法

1.1 研究區(qū)概括

濟寧位于山東省南部，地處蘇魯豫皖四省結合部，最北端為北緯35°57′的梁山縣小路口鎮(zhèn)鄒橋村；最南端為北緯34°26′的微山縣高樓鄉(xiāng)柳新養(yǎng)殖場；最東端為東經117°36′的泗水縣泉林鄉(xiāng)歷山火車站；最西端為東經115°52′梁山縣黑虎廟鄉(xiāng)高堂村。

截至2009年底，濟寧市境內現(xiàn)已有生產礦井46對，在建礦井10對，閉坑礦井2對，生產能力8400萬噸，2009年生產原煤8200萬噸，累計生產原煤10億余噸，累計動用儲量13.07億噸，其中累計采出量為8.85億噸，累計損失量為4.22億噸，另外還有9對境外礦井跨境開采，年產原煤量超過1億噸[13]。

1.2 土壤樣品采集及分析方法

本研究的對象分別為鄒城市平陽寺鎮(zhèn)的粉煤灰充填地塊、鄒城市中心店的煤矸石充填地塊、梁山縣大路口鄉(xiāng)彭那里村引黃充填地塊、微山縣趙廟鄉(xiāng)的引湖充填地塊和任城區(qū)南陽湖農場的預復墾地塊及其各地具有相同耕作條件的對照地塊。

在5個試驗區(qū)選擇典型地塊挖掘1 m×1 m×0.5 m土壤剖面，分成0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm和30～50 cm四個層次采集土樣；樣品采回后，自然風干、磨細，過2 mm篩和0.25 mm篩，備用。

土壤樣品測定：土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法；土壤有效磷采用Oslen法測定；土壤速效鉀采用pH7.0醋酸銨浸提－火焰光度計法測定[14]。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 The distribution of sampling points

2 結果分析

2.1 不同復墾方式對復墾土壤堿解氮含量的影響

濟寧地區(qū)采用的五種復墾方式對土壤堿解氮含量的影響見圖2。在0～50 cm深度范圍內，粉煤灰復墾地塊堿解氮含量均明顯低于對照地塊。在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm深度范圍內堿解氮含量分別為18.90 mg/kg、4.20 mg/kg、4.97 mg/kg、4.10 mg/kg，高于對照地塊42.8%、74.7%、61.8%、68.5%；煤矸石復墾地塊堿解氮含量在0～50 cm深度范圍內均明顯高于對照地塊，各土層土壤堿解氮含量分別為82.40 mg/kg、71.40 mg/kg、79.10 mg/kg、27.30 mg/kg，高于對照地塊805.5%、168.4%、303.6%、49.6%。

引湖充填復墾地塊在0～5 cm深度范圍內堿解氮含量高于對照地塊，5～50 cm深度范圍內堿解氮含量均低于對照地塊。在0～5 cm范圍內的堿解氮含量達到59.50 mg/kg，高于對照耕地32.2%，5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm的深度范圍內堿解氮含量為15.40 mg/kg、10.50 mg/kg、10.20 mg/kg，低于對照耕地66.9%。、68.4%、64.0%。

在0～30 cm深度范圍內，引黃充填復墾地塊堿解氮含量均高于對照地塊。堿解氮含量在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm深度范圍內分別為16.10 mg/kg、44.80 mg/kg、76.30 mg/kg，高于對照地塊9.5%、106.5%、505.6%。在30～50 cm的堿解氮含量比對照地塊低，為4.20 mg/kg，低于對照地塊堿解氮含量46.2%。

預復墾地塊在0～30 cm深度范圍內，堿解氮含量均低于對照地塊，而在30～50 cm深度范圍內含量明顯要高于對照地塊。0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm深度范圍內堿解氮含量分別為58.10 mg/kg、21.70 mg/kg、38.50 mg/kg，低于對照地塊39.0%、83.1%。、34.5%。30～50 cm深度范圍內堿解氮含量為30.10 mg/kg，高于對照地塊437.5%。

在0～30 cm耕作層范圍內，煤矸石充填復墾土壤堿解氮的含量明顯增加，其次為引黃充填復墾地塊。30～50 cm土層范圍內，預復墾地塊土壤堿解氮含量增加幅度最大，其次為煤矸石充填復墾地塊。因此，從對土壤堿解氮含量的影響方面可以得出，在0～50 cm 范圍內，五種復墾方式對土壤堿解氮的影響程度由大到小依次為：煤矸石充填＞引黃充填＞預復墾＞引湖充填＞粉煤灰充填。

圖2 不同復墾區(qū)各土層土壤堿解氮含量Fig.2 The contents of soil alkali hydrolyzable nitrogen on soil layers of different reclamation plots

2.2 不同復墾方式對復墾土壤有效磷含量的影響

如圖3顯示，粉煤灰充填復墾對土壤有效磷的含量影響較大，在0～50 cm深度范圍內，粉煤灰復墾地塊有效磷含量均明顯高于對照地塊。在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm深度范圍內各土層土壤有效磷的含量分別為36.32 mg/kg、3.80 mg/kg、5.03 mg/kg、4.95 mg/kg，高于對照地塊194.8%、92.9%、341.1%、89.0%；煤矸石復墾地塊有效磷含量在0～50 cm深度范圍內均明顯低于對照地塊，各土層土壤有效磷含量分別為14.86 mg/kg、18.33 mg/kg、23.92 mg/kg、2.35 mg/kg，低于對照地塊60.7%、53.9%、19.9%、91.6%。

引湖充填復墾地塊在0～5 cm深度范圍內有效磷含量低于對照地塊，5～50 cm深度范圍內有效磷含量均高于對照地塊，5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm的深度范圍內有效磷含量分別為5.70 mg/kg、7.15 mg/kg、6.95 mg/kg，高于對照42.5%、1330.5%、6852.2%。

在0～30 cm深度范圍內，引黃充填復墾地塊有效磷含量均低于對照地塊。有效磷含量在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm深度范圍內分別為8.05 mg/kg、4.14 mg/kg、4.92 mg/kg，低于對照地塊88.3%、89.3%、42.9%。在30～50 cm的有效磷含量為3.61 mg/kg，高于對照地塊24.4%。

預復墾地塊在0～5 cm、5～15 cm、30～50 cm深度范圍內，有效磷含量均分別為7.82 mg/kg、2.01mg/kg、1.12 mg/kg，低于對照地塊89.9%、95.2%、92.5%。15～30 cm深度范圍內有效磷含量為5.59 mg/kg，高于對照地塊138.1%。

在0～30 cm（耕作層）土層范圍內，粉煤灰充填地塊土壤有效磷含量明顯增加，其次為引湖充填復墾地塊。30～50 cm土層范圍內，引湖充填地塊土壤有效磷含量增加幅度最大，其次為引黃充填復墾地塊。因此，從對土壤有效磷含量的影響方面可以得出，在0～50 cm 范圍內，五種復墾方式對土壤有效磷的影響程度由大到小依次為：粉煤灰充填＞引湖充填＞預復墾＞引黃充填＞煤矸石充填。

圖3 不同復墾區(qū)各土層土壤有效磷含量Fig.3 The content of available phosphorus on soil layers of different reclamation plots

2.3 不同復墾方式對復墾土壤速效鉀含量的影響

由圖4可知，五種復墾方式各地塊土壤在0～5 cm深度范圍內土壤速效鉀含量以粉煤灰充填方式最高，為220 mg/kg，高于對照地塊175.0%。煤矸石充填地塊、引湖充填地塊、引黃充填地塊、預復墾地塊0～5 cm土層土壤速效鉀的含量分別為90 mg/kg、180 mg/kg、145 mg/kg、110 mg/kg，低于對照地塊10.0%、28.0%、21.6%、54.2%。5～15 cm深度范圍內粉煤灰充填地塊、煤矸石充填地塊與引黃充填地塊的速效鉀含量分別為60 mg/kg、105 mg/kg、140 mg/kg，高于對照地塊33.3%、50.0%、180.0%；煤矸石充填復墾地塊與預復墾地塊速效鉀含量為120 mg/kg、40 mg/kg，低于對照地塊41.5%、81.8%。15～30 cm深度范圍內，粉煤灰充填地塊、煤矸石充填地塊與引黃充填地塊的速效鉀含量為60 mg/kg、90 mg/kg、155 mg/kg，高于對照地塊20.0%、12.5%、181.8%。煤矸石充填復墾地塊與預復墾地塊速效鉀含量為120 mg/kg、50 mg/kg，低于對照地塊14.3%、60.0%。30～50 cm深度范圍內粉煤灰充填復墾地塊與引湖充填復墾地塊的速效鉀含量為60 mg/kg、119 mg/kg，高于對照地塊71.4%、8.2%。煤矸石充填復墾地塊、引黃充填復墾地塊與預復墾地塊速效鉀含量為70 mg/kg、20 mg/kg、300 mg/kg，低于對照地塊7.9%、75.0%、76.0%。

圖4 不同復墾區(qū)各土層土壤速效鉀含量Fig.4 The contents of available potassium on soil layers of different reclamation plots

2.4 不同復墾方式對復墾土壤有機質含量的影響

由圖5可見，不同復墾方式對復墾地塊土壤有機質含量的影響不同，粉煤灰充填地塊與引湖充填地塊在0～5 cm土層內土壤有機質含量高于對照地塊，分別為1.63%、1.26%，高于對照地塊570.6%、9.0%；粉煤灰充填復墾地塊在5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm深度范圍內土壤有機質含量為0.88%、0.66%、0.58%，高于對照地塊165.4%、88.2%、177.3%。煤矸石充填地塊在5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm土層內土壤有機質含量分別為1.26%、0.86%、0.27%，低于對照地塊51.3.9%、64.0%、88.1%；引湖充填復墾地塊在5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm土層內土壤有機質含量為0.71%、0.73%、0.64%，低于對照地塊12.5%、10.0%、3.7%；引黃充填復墾地塊在5～30 cm深度范圍內各土層有機質含量分別為0.62%、0.96%、0.75%，低于對照地塊41.7%、12.6%、14.2%；預復墾地塊在5～30 cm深度范圍內各土層有機質含量分別為0.22%、0.45%、0.31%，低于對照地塊89.7%、62.5%、80.5%。

圖5 不同復墾區(qū)各土層土壤有機質含量Fig.5 The contents of organic matter on soil layers of different reclamation plots

2.5 不同復墾方式對復墾土壤整體肥力恢復程度的影響

2.5.1 指標權重的確定 在土壤質量評價中，各項指標對土壤質量的貢獻各不相同，因此各項指標的權重需要確定。在權重的確定中,本研究中采用各指標的相關系數(shù)來確定權重。

1）相關系數(shù)的計算：把選取的4項指標數(shù)據(jù)在SPSS中運行，計算出各指標相關系數(shù)矩陣。

2）指標的權重計算：

根據(jù)上述公式對各指標權重進行計算[15]，結果見表1：

表1 不同土壤特性的相關系數(shù)及權重Table 1 Correlation coefficients and weights of different soil characteristics

2.5.2 復墾土壤肥力整體恢復程度的計算 以土壤中各養(yǎng)分的恢復程度以及權重大小來求算復墾土壤肥力整體恢復程度。計算式為：

式中，I代表復墾土壤養(yǎng)分恢復綜合指數(shù)；Fi為第i個指標評分值；Wi為第i個指標的權重；Ci為復墾土壤評價養(yǎng)分的實測值；Si為評價因子標準，即為各復墾方式對照地塊的農田養(yǎng)分值[6]。

2.5.3 對復墾土壤整體肥力恢復程度的影響 不同復墾方式對復墾土壤整體肥力恢復程度的影響不同。如表2所示，粉煤灰充填和煤矸石充填對復墾地塊0～15 cm土層整體肥力恢復程度已達到甚至超過對照地塊肥力水平；引湖充填地塊0～5 cm和5～15 cm土壤整體恢復程度分別達到對照地塊的94.5%、85.0%，復墾程度基本達到正常農田水平；引黃充填地塊在0～5 cm土層土壤整體肥力恢復程度達到正常農田的57.1%，存在較大恢復潛力，5～15 cm土層土壤整體肥力恢復程度達到周圍正常農田相同土層的132.3%，恢復程度較好。預復墾地塊0～5 cm、5～15 cm土層土壤整體肥力恢復程度分別達到正常農田相同土層的32.6%、12.1%，復墾效果較差，有較大提升潛力，此種方式可能不適用于南陽湖煤礦塌陷區(qū)地塊土壤整體肥力恢復，多年連續(xù)采用預復墾方式對耕層土壤肥力的恢復有待進一步研究。

15～50 cm土層土壤肥力恢復程度以引湖充填復墾地塊最高，15～30 cm、30～50 cm兩土層恢復程度分別是正常農田的446.2%、1970.1%，明顯高于正常農田地塊，引湖充填對微山縣趙廟鄉(xiāng)煤礦塌陷區(qū)30～50 cm土層土壤肥力提升明顯。其余四種復墾方式地塊15～50 cm土層土壤整體肥力恢復程度基本達到其所對應基本農田肥力水平，57.4%～224.7%范圍內變化。

表2 不同復墾方式各土層整體肥力恢復程度Table 2 The total level of soil fertility recovery on soil layers of different reclamation modes

3 結論

（1）五種復墾方式對復墾土壤堿解氮含量的影響由大到小為煤矸石充填＞引黃充填＞預復墾＞引湖充填＞粉煤灰充填；在30～50 cm土層，由大到小為預復墾＞煤矸石充填＞引湖充填＞引黃充填＞粉煤灰充填。對耕層土壤有效磷含量的影響由大到小為煤矸石充填＞粉煤灰充填＞引黃充填＞引湖充填＞預復墾；在30～50 cm土層，由大到小依次為引湖充填＞粉煤灰充填＞引黃充填＞煤矸石充填＞預復墾。對耕層土壤速效鉀的影響由大到小為引黃充填＞引湖充填＞煤矸石充填＞粉煤灰充填＞預復墾；在30～50cm土層，由大到小為引湖充填地塊＞煤矸石充填地塊＞粉煤灰充填地塊＞預復墾地塊＞引黃充填地塊。

（2）五種復墾方式對耕層土壤有機質的影響由大到小為煤矸石充填地塊＞粉煤灰填＞引湖充填＞引黃充填＞預復墾。在30～50cm土層，五種復墾方式對土壤有機質的影響由大到小為引黃充填＞引湖充填＞粉煤灰充填＞預復墾＞煤矸石充填。

（3）從復墾地塊整體肥力的恢復程度來看，0～30 cm耕作層，土壤整體肥力恢復程度由大到小為粉煤灰充填地塊＞煤矸石充填地塊＞引黃充填地塊＞引湖充填地塊＞預復墾地塊，分別達到周圍基本農田的264.7%、132.8%、112.5%、95.1%、26.2%；在30～50 cm土層，土壤整體肥力恢復程度由大到小為引湖充填＞粉煤灰充填＞預復墾＞引黃充填＞煤矸石充填，分別達到周圍基本農田的1969.6%、179.9%、109.8%、74.1%、57.4%。

（4）粉煤灰充填、引湖充填復墾方式對土壤肥力的恢復效果明顯，可在該地區(qū)進一步推廣。

煤礦塌陷區(qū)進行土地復墾后，土壤養(yǎng)分逐漸恢復，已接近當?shù)馗仞B(yǎng)分水平，說明土地復墾對土壤修復有重要意義。濟寧塌陷區(qū)進行的土地復墾方法是切實有效的，適宜在各煤炭塌陷區(qū)進行推廣。粉煤灰充填、引湖充填復墾方式的方法對土壤養(yǎng)分恢復影響很大，其余三種復墾方式恢復程度稍加欠缺，還需采取一定的措施，應進一步改良復墾土壤的養(yǎng)分水平，以期提高土壤的生產力。

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The Influence of Different Reclamation Modes on Soil Nutrient in Coal Mine Plots

LIJun-ying1,2,LIXin-ju1,2*,ZHAOYue-lun3,CAIDe-shui4,WUZheng-li3,GAOFeng4
1.National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources,Tai’an 271018,China
2.College of Resources and Environment/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China
3.Jining Municipal Bureau of Land and Resource,Jining 272001,China
4.Jining Coal Mine Subsidence Governance Center,Jining 272001,China

This paper took the reclamation plots filled with fly ash,coal gangue,Yellow River sediment,lake sediments and the plots prepared for reclamation as the research object in Jining to explore the influences of different reclamation modes on soil nutrients and the total level of soil fertility.The results showed that the available nitrogen,available phosphorus and organic matter increased significantly 28.07 mg/kg,45.15 mg/kg and 1.14%respectively at 0-30 cm depth of the plot filled with coal gangue.The content of available potassium for the plot filled with Yellow River sediment was highest.Fly ash filling had the worst effect on the content of the available nitrogen.Pre-reclamation had the least influence on the available phosphorus,available potassium and organic matter.At the 30-50 cm depth,fly ash filling had the biggest influence on the soil fertility.The available nitrogen,available phosphorus,available potassium and organic matter were 68.5%、89.0%、71.4%、177.3%higher than the Control plot.The influence on the total level of soil fertility of five reclamation modes was in sequence of the plot filled with fly ash＞the plot filled with coal gangue＞the plot filled with Yellow River sediment＞the plot filled with lake sediments＞the plot prepared for reclamation,at the 30-50 cm depth,the sequence was the plot filled with lake sediments＞the plot filled with fly ash＞the plot prepared for reclamation＞the plot filled with Yellow River sediment＞the plot filled with coal gangue.Comprehensive consideration about soil nutrient and the total level of soil fertility,fly ash filling and lake sediments filling had the best effect on the recovery of soil fertility in Jining,and should get further popularization.

Jining;coal mine plots;reclamation;soil nutrients

TD88;S151.9

:A

:1000-2324(2017)02-0186-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.005

2016-08-07

:2016-10-14

國家自然基金:煤礦區(qū)復墾土壤壓實機理及其土壤環(huán)境效應研究(41171425)

李俊穎(1992-),女,碩士研究生.主要從事土地質量、土地復墾方面的研究.E-mail:ljy3069@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:lxj0911@126.com