李俊穎 李新舉 吳克寧? 宋 文 張小丹

（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）

（3 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018）

煤炭是我國(guó)非常重要的能源，占全國(guó)一次能源總量的74%左右，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不斷加大，使得礦區(qū)土地資源破壞十分嚴(yán)重，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日趨惡化。濟(jì)寧市是國(guó)家重要的能源基地，行政轄區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，含煤面積40萬(wàn)hm2［1］，多年來(lái)采煤塌陷造成了大面積耕地?fù)p毀，全市采煤塌陷地已達(dá)4.2萬(wàn)hm2，占總含煤面積的11.5%，而且這一數(shù)據(jù)隨著煤礦開(kāi)采面積的進(jìn)一步加大，每年以近0.25萬(wàn)hm2的速度遞增，估計(jì)2020 年前后采煤塌陷區(qū)面積將會(huì)超過(guò)6萬(wàn)hm2，最終將達(dá)到12萬(wàn)hm2左右，占耕地面積的25%［2］。煤炭開(kāi)采破壞了大量的土地和植被，其中對(duì)土地特別是耕地的破壞最為嚴(yán)重。耕地的大量破壞帶來(lái)了一系列礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，制約了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，濟(jì)寧市每年因采煤塌陷造成的糧食和經(jīng)濟(jì)作物損失高達(dá) 3.6 億元，而且這一數(shù)字正在逐年增加［3］。

現(xiàn)階段，我國(guó)礦區(qū)開(kāi)展土地復(fù)墾工作通常是使用挖掘機(jī)等大型機(jī)械，復(fù)墾的材料也集中在礦區(qū)的固體廢棄物、礦區(qū)原土，或者采用客土置換等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)土地復(fù)墾。土壤復(fù)墾采用的工藝不同，對(duì)礦區(qū)的土地復(fù)墾也有著不同的影響，由于設(shè)備、復(fù)墾材料以及復(fù)墾工藝等方面的因素，會(huì)對(duì)礦區(qū)土壤復(fù)墾的成敗或者復(fù)墾后土壤理化性質(zhì)的優(yōu)劣以及改良技術(shù)造成直接的影響。土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)于土壤肥力的高低有著重要影響，復(fù)墾區(qū)土壤肥力狀況直接受到土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，土壤肥力的高低也會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，從而影響作物的產(chǎn)量與質(zhì)量等［4］。氮、磷、鉀作為植物生長(zhǎng)的必需元素，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育及個(gè)體功能運(yùn)行具有重要的作用［5-6］，且土壤養(yǎng)分具有時(shí)空變化特征［7］，因此，復(fù)墾土壤養(yǎng)分含量是耕地復(fù)墾效果評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)［8］，也是指導(dǎo)土壤復(fù)墾工作的重要依據(jù)。引黃河泥沙充填復(fù)墾是近年來(lái)治理復(fù)墾塌陷地的新方法，傳統(tǒng)的復(fù)墾方法例如挖深墊淺、粉煤灰充填和煤矸石充填存在著效率低、原料短缺，潛在二次污染的弊端［9-12］。因此，使用黃河泥沙對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾不僅可以緩解黃河泥沙對(duì)河道的淤積［13-14］，為東部平原礦區(qū)的充填復(fù)墾提供足量的充填材料，并且不受二次污染可能性的限制［15］。目前，對(duì)引黃充填復(fù)墾的研究多集中在對(duì)引黃河泥沙的技術(shù)、成本以及可行性的分析上，胡振琪等［16］在濟(jì)寧市北部試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)引黃充填復(fù)墾技術(shù)工藝流程、復(fù)墾后的土壤剖面情況及地貌景觀等進(jìn)行了研究；邵芳等［17］研究?jī)?yōu)選出表土、心土和黃河泥沙組配為1∶1∶2的覆土材料作為黃河泥沙充填復(fù)墾采煤沉陷地的覆土材料；王培俊等［18］模擬試驗(yàn)了黃河泥沙充填復(fù)墾中土工布排水?dāng)r沙效果。但是，鮮有對(duì)引黃充填復(fù)墾后土壤養(yǎng)分變化的研究。

濟(jì)寧市引黃充填復(fù)墾土壤缺乏全面、系統(tǒng)的研究，針對(duì)復(fù)墾土壤肥力狀況以及改良技術(shù)等問(wèn)題，本文研究了不同復(fù)墾年限下引黃充填復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分的影響狀況，預(yù)測(cè)了0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分的恢復(fù)時(shí)間，并通過(guò)研究篩選出復(fù)墾土壤中恢復(fù)較差的養(yǎng)分指標(biāo)，提出相應(yīng)的改良措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地位于山東省濟(jì)寧市北部梁山縣靠近黃河的大路口鄉(xiāng)彭那里村西北，地理坐標(biāo)為34°56′N、116°01′E，是濟(jì)寧為實(shí)施大規(guī)模的黃河泥沙充填塌陷地工程而特別設(shè)置的一個(gè)試驗(yàn)區(qū)，利用靠近黃河的優(yōu)勢(shì)，以黃河泥沙為填充材料，表土剝離后用管道運(yùn)輸至塌陷地塊進(jìn)行充填，并在泥沙上部覆蓋表土［19］。復(fù)墾后利用方式為耕地。該區(qū)域?qū)儆诎霛駶?rùn)大陸性氣候，年平均氣溫13.5℃，無(wú)霜期205 d，年降水601 mm。對(duì)照農(nóng)田為實(shí)驗(yàn)地塊附近具有相同耕作條件的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田，種植結(jié)構(gòu)為冬小麥/夏玉米輪作。

1.2 土壤樣品采集及分析方法

在研究區(qū)，分別選取不同復(fù)墾年限（1、3、5 a）的復(fù)墾地作為研究樣地。取樣時(shí)間為2016年6月，采取對(duì)角線5點(diǎn)取樣法，取樣范圍為1 m2，分成0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三個(gè)土層深度采集土壤樣品，將同一深度5個(gè)取樣點(diǎn)的土壤樣品混勻。試驗(yàn)以不同復(fù)墾年限為處理，以具有相同耕作方式的農(nóng)田為對(duì)照（CK）。

土壤樣品測(cè)定：采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮；采用Oslen法測(cè)定土壤有效磷；采用pH 7.0醋酸銨浸提－火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤速效鉀［20］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析；通過(guò)SPSS16.0軟件，利用最小顯著差異（LSD）方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 不同復(fù)墾年限土壤養(yǎng)分變化

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相重要的組成部分，盡管有機(jī)質(zhì)含量?jī)H占土壤總量很小一部分，但是土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤形成發(fā)育、土壤肥力保持、生態(tài)環(huán)境維護(hù)等方面有著至關(guān)重要的作用［21］。由圖1A可知，復(fù)墾1 a，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為5.29、6.02、5.72 g·kg-1，低于對(duì)照地塊，差值分別為8.53、7.59、7.22 g·kg-1；至復(fù)墾3 a時(shí)，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量增加至8.15 g·kg-1，低于對(duì)照地塊5.67 g·kg-1；至復(fù)墾5 a時(shí)，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量已達(dá)1.03 g·kg-1，20～40 cm、40～60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量也分別達(dá)到13.28、12.11 g·kg-1。與對(duì)照地塊相比，雖然復(fù)墾5 a后復(fù)墾地塊土壤有機(jī)質(zhì)仍低于對(duì)照地塊，但隨著復(fù)墾時(shí)間的推移，有機(jī)質(zhì)在土層中逐漸積累，含量總體呈上升趨勢(shì)。

從不同復(fù)墾年限、不同耕層深度復(fù)墾土壤堿解氮含量（圖1B）看，堿解氮含量變化范圍為57.29～70.04 mg·kg-1，穩(wěn)步增高。復(fù)墾1 a，0～20 cm、 20～40 cm、40～60 cm土層堿解氮含量分別為57.29、59.67、60.14 mg·kg-1，低于對(duì)照地塊；復(fù)墾3 a時(shí)，復(fù)墾土壤堿解氮含量仍低于對(duì)照地塊，在0～20 cm、 20～40 cm、40～60 cm土層與對(duì)照地塊堿解氮含量的差值分別為15.91、21.06、20.53 mg·kg-1；復(fù)墾5 a土壤堿解氮含量分別為69.11、70.04、68.49 mg·kg-1，呈增加趨勢(shì)，但增量不明顯，堿解氮含量仍低于對(duì)照地塊。復(fù)墾初期，復(fù)墾填充的黃河泥沙中堿解氮的含量較低，因而土壤堿解氮含量較低，但隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，土壤堿解氮含量逐漸增加，復(fù)墾5 a后土壤堿解氮的含量在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層均高于復(fù)墾1 a后土壤堿解氮的含量。

土壤磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的元素之一，土壤中磷含量對(duì)土壤肥力以及土壤含水量、酸堿度、有機(jī)質(zhì)等物理化學(xué)特征均有影響。礦區(qū)復(fù)墾1、3、5 a土壤有效磷含量均大幅低于對(duì)照地塊（圖1C），復(fù)墾1a時(shí)0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤有效磷含量與對(duì)照地塊的差值分別為11.81、10.54、11.48 mg·kg-1；復(fù)墾3a時(shí)各土層土壤有效磷含量與對(duì)照地塊的差值分別為10.42、9.62、11.14 mg·kg-1；復(fù)墾5a時(shí)各土層土壤有效磷含量與對(duì)照地塊的差值為9.86、9.78、10.83 mg·kg-1。復(fù)墾土壤有效磷含量雖總體呈上升趨勢(shì)，但含量小于7 mg·kg-1，復(fù)墾5 a之后磷含量?jī)H有對(duì)照地塊的60%，供磷能力明顯較弱。

由圖1D可知，不同復(fù)墾年限0～60 cm土層土壤速效鉀含量范圍為70～137.5 mg·kg-1，最大值137.5 mg·kg-1為復(fù)墾5 a 40～60 cm的土層，最小值70.94 mg·kg-1為復(fù)墾1 a 0～20 cm土層。復(fù)墾1 a 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤速效鉀含量分別為70.94、88.49、79.35 mg·kg-1，低于對(duì)照地塊，與對(duì)照地塊速效鉀含量的差值分別為73.61、57.82、65.38 mg·kg-1。隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，土壤速效鉀含量隨之增長(zhǎng)，復(fù)墾3 a 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤速效鉀含量分別為110.3、122.4、118.5 mg·kg-1。復(fù)墾5 a 0～20 cm、40～60 cm土層土壤速效鉀含量仍低于對(duì)照地塊，但20～40 cm土層土壤速效鉀含量基本趨近于對(duì)照地塊速效鉀含量。

圖1 不同復(fù)墾年限不同土層土壤養(yǎng)分含量變化Fig. 1 Variation of soil nutrient contents with reclamation history relative to soil layer

2.2 引黃充填復(fù)墾地耕層養(yǎng)分恢復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)

結(jié)合該復(fù)墾模式關(guān)鍵因子和觀測(cè)數(shù)據(jù)，以梁山縣引黃充填復(fù)墾耕地為例，對(duì)該復(fù)墾模式下研究樣點(diǎn)進(jìn)行分析。通過(guò)分析復(fù)墾樣地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)與年限間的回歸方程，進(jìn)而預(yù)測(cè)引黃充填復(fù)墾模式土壤養(yǎng)分的恢復(fù)時(shí)間。

引黃充填復(fù)墾0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨復(fù)墾年份的增加呈升高趨勢(shì)（圖2A）。變化趨勢(shì)符合線性回歸方程y=1.884x+4.405，決定系數(shù)R2=0.962。因此，要達(dá)到對(duì)照耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量14.85 g·kg-1，需要5.54 a。

引黃充填復(fù)墾0～20 cm土層土壤堿解氮含量隨復(fù)墾年份的增加整體呈升高趨勢(shì)（圖2B），但復(fù)墾1～2 a堿解氮含量有所降低，差異不顯著，之后逐年升高。變化趨勢(shì)符合多項(xiàng)式回歸方程 y=0.25x2+1.08x+74.42，決定系數(shù) R2=0.959。因此，要達(dá)到對(duì)照耕地土壤堿解氮含量88.62 mg·kg-1，需要5.63 a。

引黃充填復(fù)墾不同土層土壤有效磷含量隨復(fù)墾年份的增加呈升高趨勢(shì)，但整體變化幅度較?。▓D2C）。引黃充填復(fù)墾0～20 cm土層土壤有效磷含量變化趨勢(shì)符合多項(xiàng)式回歸方程y=-0.0874x2+1.174x+12.61，決定系數(shù)R2 =0.999。因此，要達(dá)到對(duì)照耕地土壤有效磷含量22.96 mg·kg-1，需要15.01 a。

引黃充填復(fù)墾不同土層土壤速效鉀含量隨復(fù)墾年份的增加呈升高趨勢(shì)，但升高幅度逐年變緩（圖2D）。0～20 cm土壤速效鉀變化趨勢(shì)符合多項(xiàng)式回歸方程 y=-5.138x2+46.08x+40.91，決定系數(shù)R2=0.980。復(fù)墾年限4.48 a時(shí)，土壤速效鉀含量達(dá)到最大值（144.2 mg·kg-1），與對(duì)照水平相當(dāng)，已經(jīng)恢復(fù)至對(duì)照水平。

圖2 引黃充填復(fù)墾不同年份0～20 cm土壤養(yǎng)分變化趨勢(shì)Fig. 2 0～20 cm soil nutrient variation trend of the reclaimed farmland with cultivation of the land going on

3 討 論

傳統(tǒng)的充填復(fù)墾材料粉煤灰、煤矸石中通常含有鎘（Cd）、鉛（Pb）和汞（Hg）等有害重金屬元素，復(fù)墾后的土地具有潛在的生態(tài)危害性：重金屬元素易被農(nóng)作物吸收而影響作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)會(huì)在作物體內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而影響復(fù)墾土地的糧食安全性；此外，如果這些重金屬元素隨徑流擴(kuò)散，還將會(huì)污染更大范圍的土壤［22-23］。預(yù)復(fù)墾及挖深墊淺等復(fù)墾方式由于機(jī)械施工過(guò)程中對(duì)土壤造成的壓實(shí)較為嚴(yán)重，影響土壤的通透性和作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，還需通過(guò)深翻耕、農(nóng)業(yè)種植和培肥等進(jìn)一步改善土壤質(zhì)量，復(fù)墾成本整體較高［24］。黃河每年會(huì)產(chǎn)生4億t的泥沙，積存在河流下游。王培俊等［25］分析表明，黃河泥沙中的重金屬元素含量未超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)［26］二級(jí)和三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。黃河泥沙的pH呈弱堿性，能滿足大多數(shù)作物的生長(zhǎng)要求，將黃河泥沙用作采煤沉陷地的充填復(fù)墾材料是可行的，同時(shí)也可減輕黃河下游的泥沙淤積，節(jié)省治沙成本，一舉兩得。但未關(guān)注復(fù)墾后土壤養(yǎng)分的恢復(fù)變化情況，特別是對(duì)于復(fù)墾為耕地的區(qū)域，本文的研究對(duì)該區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

黃河泥沙質(zhì)地屬于砂土，其保水保肥性較差。李新舉等［27］研究表明，在引黃充填復(fù)墾過(guò)程中，部分土壤養(yǎng)分隨水分流失嚴(yán)重，致使復(fù)墾后土壤中的養(yǎng)分含量明顯偏少，特別是有效磷含量。土壤有效磷是衡量土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一般采用土壤有效磷這一指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)施用磷肥［28］，了解土壤中有效磷的供應(yīng)狀況，對(duì)于合理施肥有重要意義。本文的研究顯示，引黃充填復(fù)墾地土壤有效磷含量普遍較低，與相關(guān)研究一致，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其恢復(fù)所需時(shí)間也較長(zhǎng)，需要通過(guò)改變農(nóng)田灌溉模式、合理種植、遵循少量多次的原則多施用磷肥等措施進(jìn)行改善。引黃充填復(fù)墾地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，基本可達(dá)到對(duì)照地塊的含量，并非復(fù)墾地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制因子，但在復(fù)墾過(guò)程中也應(yīng)注重土壤養(yǎng)分的積累，可通過(guò)增施有機(jī)肥料、種植綠肥、秸稈還田、調(diào)節(jié)土壤水熱狀況等措施來(lái)積累和調(diào)控土壤養(yǎng)分含量，以減少?gòu)?fù)墾土壤的養(yǎng)分流失，提高土壤肥力，保證作物正常生長(zhǎng)。

引黃充填復(fù)墾采煤沉陷地是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)的工作，本文僅研究了引黃充填復(fù)墾土壤養(yǎng)分隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，是引黃充填復(fù)墾土壤評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)性工作，而如何更加科學(xué)、合理地重構(gòu)引黃充填復(fù)墾土壤剖面以及黃河泥沙運(yùn)輸成本等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題將在后續(xù)進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

隨著引黃充填復(fù)墾年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀和有效磷的含量均呈增加趨勢(shì)，但有效磷的增長(zhǎng)較為緩慢。復(fù)墾5 a后，有效磷含量?jī)H占對(duì)照地塊土壤有效磷含量的60%。通過(guò)構(gòu)建土壤養(yǎng)分指標(biāo)與年限間的回歸方程，預(yù)測(cè)在復(fù)墾5～6 a后，復(fù)墾土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量可恢復(fù)至對(duì)照耕地水平；有效磷含量的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，需15 a。因此，在復(fù)墾過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)從減少?gòu)?fù)墾土壤養(yǎng)分流失、改善農(nóng)藝措施和后期合理增施磷肥或有機(jī)肥料的角度入手，提升土壤質(zhì)量。