呂 剛，肖 鵬，李葉鑫，董 亮，杜昕鵬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，123000，遼寧阜新)

土壤團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，影響土壤的各種理化性質(zhì)和土壤生物活動(dòng)，是土壤侵蝕的重要影響因素[1]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有維持土地生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)土壤肥力的重要作用，也是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)之一[2]?，F(xiàn)階段用來(lái)評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性的指標(biāo)主要有土壤大團(tuán)聚體含量、土壤平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑以及分形維數(shù)等[3]。土壤大團(tuán)聚體含量、土壤平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑越大，土壤團(tuán)聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好[4]。土壤分形維數(shù)越小，說(shuō)明土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好，其抗蝕能力越強(qiáng)。

排土場(chǎng)是露天礦開(kāi)采所形成的一個(gè)巨型松散土石混合堆積體，主要物質(zhì)成分由礦井下采出的煤矸石、露天礦剝離的表土、巖石及覆土共同組成，其在堆積過(guò)程中不斷進(jìn)行碾壓，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，蓄水保水能力降低[5]，給當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重破壞。植被是影響土壤結(jié)構(gòu)的重要因素，其作為土壤儲(chǔ)存碳、改善土壤養(yǎng)分循環(huán)的橋梁，通過(guò)植被恢復(fù)可以改善土壤環(huán)境條件[6]，排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土壤團(tuán)聚體的特性很大程度由不同的復(fù)墾植被決定的[7]。目前關(guān)于植被恢復(fù)下排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體狀況的研究?jī)H僅在西北地區(qū)晉陜蒙接壤的露天礦區(qū)[8-9]，而東北地區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)的相關(guān)研究相對(duì)較少[10]。筆者以位于遼寧省阜新市的海州露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，采用野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣和室內(nèi)分析的方法，選取復(fù)墾年限為13年的5種復(fù)墾模式，應(yīng)用幾何平均直徑、平均質(zhì)量直徑、團(tuán)聚體破壞率和土壤分形維數(shù)等反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)，分析不同復(fù)墾模式對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，以期為從評(píng)價(jià)和提升礦區(qū)土地生產(chǎn)力、優(yōu)化排土場(chǎng)復(fù)墾模式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市，該區(qū)屬北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，夏季炎熱，年蒸發(fā)量1 790 mm，年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3 476 ℃，無(wú)霜期154 d，年均日照時(shí)間2 865.5 h，年均風(fēng)速3 m/s，年均降水量511.4 mm，且多集中于夏季，春秋2季干旱少雨，造成一定程度上的土壤和植被水分虧缺。土壤類(lèi)型以褐土、棕壤和草甸土為主。地帶性植被為溫帶森林草原和暖溫帶落葉闊葉林，代表性的植被類(lèi)型有油松(PinustabulaeformisCarr.)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb.)、側(cè)柏(PlatycladusorientalisL. Franco)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、榆樹(shù)(UlmuspumilaL.)、山杏(ArmeniacasibiricaL. Lam.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、大針茅(StipagrandisP. Smirn.)、百里香(ThymusmongolicusRonn)等。

研究地點(diǎn)選擇在阜新市境內(nèi)的海州露天煤礦西排土場(chǎng)，位于露天礦坑西南部(E 121°40′12″，N 41°57′36″)，面積約13 km2。2004年國(guó)土資源部投資對(duì)該排土場(chǎng)開(kāi)展了土地復(fù)墾工作，在進(jìn)行客土回填工程前，運(yùn)用采礦復(fù)墾機(jī)械對(duì)露天礦坑進(jìn)行了搬運(yùn)、平整和壓實(shí)工作，覆土厚度為30 cm使露天礦坑恢復(fù)成較合理的地形地貌，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，有利于后期的生物復(fù)墾工作。排土場(chǎng)分為10多個(gè)大盤(pán)面呈梯形分布，盤(pán)面海拔平均高度為+270 m，相對(duì)高差為3～60 m，最高處接近海拔+325 m，最低處不低于海拔+240 m，盤(pán)面地表矸石在停止排矸13年以上。近年來(lái)，隨著當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)排土場(chǎng)棄煤不合理挖掘，部分盤(pán)面出現(xiàn)了大量不均勻的坑、溝等地貌狀況[11]。2017年7月在排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)內(nèi)根據(jù)人工植被恢復(fù)現(xiàn)狀，在同一區(qū)域(復(fù)墾年限為13年)內(nèi)選取相鄰但相互之間無(wú)影響的5種復(fù)墾模式下作為研究對(duì)象，分別為榆樹(shù)林地、混交林地(刺槐和榆樹(shù)混交)、灌木林地(紫穗槐)、刺槐林地和荒草地。各樣地情況見(jiàn)表1。

表1 樣地概況

2 研究方法

野外取土分別在5種不同復(fù)墾模式下設(shè)置的20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行，先將0.00～3.00 cm厚度層未腐爛的枯枝落葉層清除，取0.00～10.00 cm表層土，每個(gè)樣地以三角形分布各取3個(gè)樣點(diǎn)，取土后去除土壤中植物根系和石塊，運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，以免破壞土壤團(tuán)聚狀況。各級(jí)風(fēng)干性機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量測(cè)定采用沙維諾夫干篩法、濕篩法[12]。計(jì)算在<0.25 mm、0.50～0.25 mm、1.00～0.5 mm、2.00～1.00 mm、5.00～2 mm和>5.00 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體質(zhì)量的比例。

土壤機(jī)械穩(wěn)定性(干篩)和水穩(wěn)定性(濕篩)>0.25 mm團(tuán)聚體含量(R>0.25)采用下式[13]計(jì)算：

(1)

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率(percentage of aggregate destruction, PAD)計(jì)算公式[12]為

PAD=[(R>0.25(干篩)-R>0.25(濕篩))/
R>0.25(干篩)]×100%。

(2)

平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter, MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter, GMD)的計(jì)算公式[14]如下：

(3)

(4)

式中:Wi為i粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量比例，%;xi為相鄰兩個(gè)團(tuán)聚體的平均粒級(jí),mm。

土壤的分形維數(shù)(fractal dimension，D)采用楊培嶺等[15]的土壤顆粒分形模型：

(5)

式中：dmax為最大粒級(jí)土粒的平均直徑,mm；Wi是土粒直徑小于d累積的質(zhì)量, g；W0是全部粒級(jí)土粒質(zhì)量之和,g。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤團(tuán)聚體組成

團(tuán)聚體的組成是影響土壤肥力的重要因子，機(jī)械團(tuán)聚體是指具有抵抗外力破壞的團(tuán)聚體，常常用經(jīng)振動(dòng)干篩后團(tuán)聚體的組成含量來(lái)反映。排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式下干篩法獲得的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成見(jiàn)表2。不同復(fù)墾模式下>0.25 mm的大團(tuán)聚體占到75%以上，各復(fù)墾模式在5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm和1.00～0.50 mm所占比例較高，三者之和在50%以上，而0.50～0.25 mm所占比例相對(duì)較低為11%以下。各復(fù)墾模式在>5.00 mm、5.00～2.00 mm、2.00～1.00 mm、1.00～0.50 mm以及<0.25 mm沒(méi)有顯著差異性，但是在0.50～0.25 mm時(shí)荒草地與林地出現(xiàn)了顯著性差異，荒草地含量高于其他復(fù)墾模式。在>5 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體表現(xiàn)為：混交林地相對(duì)較多，榆樹(shù)林地和荒草地相對(duì)較少。

表2 不同復(fù)墾模式下土壤機(jī)械團(tuán)聚體組成

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；不同小寫(xiě)字母表示不同復(fù)墾模式間存在差異(P<0.05)。下同。Notes：The data in the table are mean±standard error，and different lowercase letters indicate that there are differences between different reclamation models (P<0.05).

水穩(wěn)性團(tuán)聚體是指抗水力分散的團(tuán)聚體，常常用經(jīng)水濕篩振動(dòng)后團(tuán)聚體的組成含量來(lái)反映。排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式下濕篩法獲得的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成見(jiàn)表3。不同復(fù)墾模式下，除荒草地外，其他4種復(fù)墾模式以5.00～2.00 mm和2.00～1.00 mm所占比例最高，2者之和達(dá)到60%以上，>5.00 mm、1.00～0.50 mm和0.50～0.25 mm依次遞減，<0.25 mm所占比例最少，在5%以下。其中荒草地在2.00～1.00 mm和0.50～0.25 mm以及<0.25 mm與林地復(fù)墾模式出現(xiàn)了差異性，2.00～1.00 mm荒草地大團(tuán)聚體含量最少，而0.50～0.25 mm和<0.25 mm的團(tuán)聚體含量最多，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體荒草地明顯低于林地。林地表層土壤>0.25 mm的大團(tuán)聚體含量在95%以上，而荒草地>0.25 mm的大團(tuán)聚體含量在65%，林地明顯高于荒草地。

表3 不同復(fù)墾模式下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

3.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

根據(jù)J. Six等[16]的研究，>0.25 mm的團(tuán)聚體即為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其在土壤中所占的比例(R>0.25)可用來(lái)反映土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，其數(shù)量越大土壤肥力越高。由圖1可知，不同復(fù)墾模式下干篩獲得的機(jī)械穩(wěn)定性R>0.25在58%～63%之間，模式間無(wú)顯著性差異。從濕篩法獲得的不同復(fù)墾模式下水穩(wěn)性R>0.25在17.5%～37.43%之間。混交林地和灌木林地的大團(tuán)聚體比例相對(duì)較高，其他復(fù)墾模式間均存在差異性，說(shuō)明混交林地和灌木林地土壤穩(wěn)定性和抗蝕性相對(duì)較好，荒草地明顯低于其他復(fù)墾模式。團(tuán)聚體破壞率是濕篩后破碎的團(tuán)聚體比率，其數(shù)值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[15]。由圖2可見(jiàn)，荒草地土壤PAD最高為70.13%，榆樹(shù)林地、刺槐林地和榆樹(shù)刺槐混交林地遞減，灌木團(tuán)聚體最低，灌木林地土壤團(tuán)聚體相對(duì)穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)林地復(fù)墾模式PAD顯著低于荒草地。

不同小寫(xiě)字母表示不同復(fù)墾模式間存在差異(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate that there are differences between different reclamation models (P<0.05). The same below.圖1 不同復(fù)墾模式下大團(tuán)聚體含量Fig.1 Big aggregate content in soil under different reclamation modes

圖2 不同復(fù)墾模式下團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率Fig.2 Percentage of aggregate destruction under different reclamation modes

3.3 土壤團(tuán)聚體直徑

MWD和GMD是表示土壤團(tuán)聚體直徑的重要指標(biāo)。根據(jù)周虎等[17]研究MWD和GMD越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高、穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤肥力越高。從圖3和圖4看出，在干篩條件下，混交林地和MWD(2.27)和GMD(1.30)最大，荒草地MWD(1.56)和GMD(0.96)最少。在濕篩條件下，刺槐林地MWD(2.97)與GMD(2.43)最多，荒草地MWD(1.16)和GMD(0.53)最少。說(shuō)明刺槐林地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性性相對(duì)較好，綜合干濕篩MWD和GMD可以看出，林地復(fù)墾模式的土壤結(jié)構(gòu)和抗蝕能力相對(duì)較優(yōu)，明顯優(yōu)于荒草地，其復(fù)墾土壤的肥力得到了恢復(fù)。

圖3 不同復(fù)墾模式下平均質(zhì)量直徑Fig.3 Mean weight diameter under different reclamation modes

圖4 不同復(fù)墾模式下幾何平均直徑Fig.4 Geometric mean diameter under different reclamation modes

3.4 土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)

圖5 不同復(fù)墾模式下土壤機(jī)械團(tuán)聚體分形維數(shù)Fig.5 Fractal dimension of soil mechanical aggregate under different reclamation modes

根據(jù)安韶山等[18]的研究，在土壤團(tuán)聚體各個(gè)粒級(jí)數(shù)據(jù)規(guī)律不一致的情況下，通過(guò)計(jì)算團(tuán)聚體分形維數(shù)，可以反映植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體有改良作用，在植被自然恢復(fù)一定時(shí)間之后土壤團(tuán)聚體改善受到多種因素的影響，從而使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性出現(xiàn)差異。通過(guò)回歸分析計(jì)算得到不同復(fù)墾模式下表土層土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)D值(圖5和圖6)。干篩和濕篩的D值分別介于2.23～2.35和2.35～2.43之間。一般來(lái)說(shuō)，土壤的分形維數(shù)D越小，說(shuō)明土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性越好[5]。從圖5可以看出，2種篩分方法下5種復(fù)墾模式土壤團(tuán)聚體D值表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。干篩條件下的D值以刺槐林地最低(2.33)，但各復(fù)墾模式相差不大。濕篩條件下的D值表現(xiàn)為：榆樹(shù)林地最低(2.35)，好于其他復(fù)墾模式但是相比之下相差并不大。

圖6 不同復(fù)墾模式下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of soil water-stable aggregate under different reclamation modes

3.5 土壤團(tuán)聚體組成與各參數(shù)間相關(guān)性

相關(guān)性結(jié)果表明(表4和表5)，綜合干篩和濕篩的結(jié)果，排土場(chǎng)表層土壤團(tuán)聚體的MWD和GMD均與D值呈正相關(guān)，干篩相關(guān)系數(shù)分別為0.949、0.610和0.514，濕篩相關(guān)系數(shù)分別為0.999、0.276和0.282，即表層土壤團(tuán)聚體隨著MWD和GMD增大，D值也隨之增大。通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程可知：團(tuán)聚體粒級(jí)由小到大的含量與MWD、GMD值的大小有關(guān)，在土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分析中(表4)，1.00～0.50 mm，0.50～0.25 mm，<0.25 mm粒徑的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)，>5.00 mm，2.00～5.00 mm，2.00～1.00 mm粒徑的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)。對(duì)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體(表4)，>5.00 mm，2.00～5.00 mm，2.00～1.00 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)，而0.5.00～0.25 mm，1.00～0.50 mm，<0.25 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)，以1.00 mm團(tuán)聚體粒級(jí)為其正負(fù)相關(guān)性界限。

表4 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析

注：**表示相關(guān)性在0.01水平；*表示相關(guān)性在0.05水平。Notes: ** indicates that the correlation at 0.01. * indicates the correlation is at 0.05. MWD stands for mean weight diameter. GMD stands for geometric mean diameter. D refers to fractal dimension. The same below.

表5 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析

由表4和表5可知，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的D值與粒徑0.50～0.25 mm，1.00～0.50 mm和2.00～1.00 mm粒徑的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)，<0.25 mm，2.00～5.00 mm，>5.00 mm粒徑的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)。其正負(fù)相關(guān)性沒(méi)有明顯界限。水穩(wěn)定性團(tuán)聚體D值2.00～5.00 mm，>5.00 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)，而<0.25 mm，0.50～0.25 mm，1.00～0.50 mm和2.00～1.00 mm，粒徑的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)，其正負(fù)相關(guān)以2.00 mm團(tuán)聚體粒級(jí)為界。MWD, GMD和D的相關(guān)分析表明，排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式下土壤機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD值呈顯著正相關(guān)，且與D值呈顯著正相關(guān)。

4 討論與結(jié)論

位于東北地區(qū)的海州露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)表層土壤團(tuán)聚體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，土壤質(zhì)量得到了改良，林地土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著高于荒草地，說(shuō)明林地的土壤的結(jié)構(gòu)更優(yōu)，土壤大團(tuán)聚體含量相對(duì)較多，值得注意的是林地水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量在95%以上，這可能是由于林地有機(jī)質(zhì)較高，有利于大團(tuán)聚體形成，同時(shí)林地在表土層根系發(fā)達(dá)，穿插能力強(qiáng)，使得復(fù)墾碎石風(fēng)華，形成了大團(tuán)聚體。由劉夢(mèng)云等[19]研究黃土臺(tái)源地區(qū)的團(tuán)聚體可知:土壤中大粒徑的團(tuán)聚體越多，團(tuán)聚體分布越集中，團(tuán)聚體越不容易遭到破壞，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，則該復(fù)墾模式效果越好；反之，團(tuán)聚體中小顆粒越多，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越差，越容易遭到破壞。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率總體呈現(xiàn)出林地顯著優(yōu)于荒草地的趨勢(shì)，灌木林地的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

混交林地和刺槐林地的在干篩和濕篩條件下MWD和GMD高于其他復(fù)墾模式，對(duì)土壤的改良效果較好。綜合干篩和濕篩MWD和GMD的結(jié)果表明:林地的土壤結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于荒草地，林地生物結(jié)構(gòu)較好，其枯落物和根系腐解物在復(fù)墾區(qū)土壤中不斷的積累，有大量回歸土壤的有機(jī)質(zhì)，改善了表層土壤的物理性質(zhì)，所以其表層土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，這與王楊揚(yáng)等[8]研究的黃土區(qū)露天煤礦團(tuán)聚體的結(jié)果相吻合。對(duì)于不同的復(fù)墾方式，其干篩和濕篩的分形維數(shù)增值分別介于2.23～2.35和2.35～2.43之間。分形維數(shù)可以反映植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體有改良作用，但是各復(fù)墾模式間差異性不大。說(shuō)明復(fù)墾區(qū)表層土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性依然有待提高，土壤肥力仍相對(duì)較低，土壤物理性質(zhì)的演變依然需要很長(zhǎng)的時(shí)間。干篩條件下的D值以刺槐林地最低(2.33)，濕篩條件下的D值表現(xiàn)為榆樹(shù)林地最低(2.35)，好于其他復(fù)墾模式但是相比之下相差并不大。各復(fù)墾模式間土壤分形維數(shù)沒(méi)有明顯的差異性，說(shuō)明復(fù)墾區(qū)表層土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性依然有待提高，土壤肥力仍相對(duì)較低。根據(jù)唐駿等[5]研究黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體特征的結(jié)果，植被恢復(fù)能促進(jìn)排土場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)重構(gòu)，但由于排土場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，植被生長(zhǎng)的土壤氣候環(huán)境較差，植被恢復(fù)對(duì)土壤的改良是一個(gè)緩慢過(guò)程。

綜合評(píng)價(jià)土壤機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)MWD與GMD相互之間呈極顯著正相關(guān)，與分形維數(shù)D值呈正相關(guān)。干篩條件下其相關(guān)系數(shù)分別為為0.949、0.610和0.514，濕篩條件下其相關(guān)系數(shù)分別為0.999、0.276和0.282，復(fù)墾區(qū)土壤的MWD和GMD增大，D值會(huì)變大，這與劉艷等[20]的研究結(jié)果相吻合。同時(shí)，植物根系、土壤的有機(jī)碳含量等也是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素，隨著進(jìn)一步的研究仍需開(kāi)展,這也是今后需要加強(qiáng)并深入研究的方向。