嚴(yán)子循，吳大為，吳 靜，曹銀貴,2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實驗室，北京 100035）

目前，我國由于草原礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用與早期的過度開采，使得土地結(jié)構(gòu)受到了破壞，資源儲量急劇減少，礦區(qū)最終淪為礦業(yè)廢棄地[1]。礦山開采造成的一系列生態(tài)環(huán)境問題，亟需采取有效措施進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。礦山土壤系統(tǒng)作為礦山復(fù)墾系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)礦區(qū)的植物、水、景觀等中發(fā)揮著重要作用[2]。生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)是土壤，其關(guān)鍵又是土壤水[3]。目前研究顯示可將煤矸石作為充填基質(zhì)應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中，煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。目前，中國積存煤矸石達(dá)10 億t 以上，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，其排放量占全國工業(yè)固體廢物排放量的35%左右，每年還將排出煤矸石1億t，生態(tài)環(huán)境壓力巨大。為了消除污染，自20 世紀(jì)60 年代起，很多國家開始重視煤矸石的處理和利用，通過粉煤灰的利用不僅有助于減輕環(huán)境污染，還能促進(jìn)土壤地力的提升。粉煤灰粒徑小，黏粒含量高，吸水持水能力極強(qiáng)，將煤矸石與粉煤灰混合后作為表土替代物，大大增加了重構(gòu)土壤的透水、透氣性，避免了因粉煤灰充填導(dǎo)致的過高含水率與不良透氣性；粉煤灰較差的滲透性還可有效增加表層重構(gòu)土壤的含水率，同時彌補(bǔ)煤矸石充填模式下地下水對表層土壤水分補(bǔ)給的缺陷，為根系吸水提供正常的水分[4]。已有研究表明將粉煤灰與煤矸石按一定比例混合后可為土壤提供良好的田間持水量，粉煤灰與煤矸石混合后作為重構(gòu)土壤對土壤含水率有較大的改善作用。同時，利用煤矸石進(jìn)行土壤剖面重構(gòu)，有效地促進(jìn)了土地的集約化利用和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。但受煤矸石粒徑、復(fù)配比例等影響，重構(gòu)土壤水文性質(zhì)發(fā)生改變，認(rèn)識和掌握不同重構(gòu)方式下土壤水文性質(zhì)變化規(guī)律，改善新構(gòu)土壤水分環(huán)境是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵問題[5-6]。為此，選擇錫林浩特草原礦區(qū)為研究區(qū)域，以礦區(qū)固體廢棄物作為表土替代材料，通過不同重構(gòu)方式及不同熟化措施對重構(gòu)土壤持水能力差異性進(jìn)行分析，研究礦區(qū)最優(yōu)的表土替代材料配比，分析影響該礦區(qū)重構(gòu)土壤持水能力的因素，揭示不同重構(gòu)土壤配比及不同熟化措施對重構(gòu)土壤持水能力影響的差異性，探尋最適宜的重構(gòu)土壤材料配比，為草原礦區(qū)土壤持水能力的提高提供理論依據(jù)，實現(xiàn)礦區(qū)資源合理開發(fā)以及生態(tài)保護(hù)的雙贏局面。

1 研究區(qū)概況

北電勝利礦區(qū)一號露天煤礦地處內(nèi)蒙古高原東北部，深居內(nèi)陸，位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西北部伊利勒特蘇木境內(nèi)，地理位置為43°57′～44°14′N，115°30′～116°26′E，地表東西長6.84 km，南北寬5.43 km、含煤面積37.14 km2，地質(zhì)儲量1 934.43 t，可開采的地質(zhì)儲量1 854.79 t，平均剝采比為2.59 m3/t。整個礦區(qū)地勢較平坦，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫1.7 ℃，年降水量294.74 mm，年平均蒸發(fā)量為1 794.40 mm，屬于典型草原帶性植被類型區(qū)。目前，此礦區(qū)土壤類型主要由栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等組成，該部分土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤肥力較好。部分地段由于草場退化形成沙化、礫石化栗鈣土，植被覆蓋率低，形成侵蝕的生態(tài)脆弱草原區(qū)。礦區(qū)內(nèi)排土場重構(gòu)土壤區(qū)在2019 年進(jìn)行了有效的土地復(fù)墾與植被重建，自然植物組成有克氏針茅（Stipa krylovii Roshev）、大針茅（Stipa grandis P.Smirn.）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa（Trin.）Keng）、冷蒿（Artemisia frigida Willd.）、羊草（Leymus chinensis（Trin.）Tzvel.）、冰草（Agropyron cristatum（L.）Gaertn.）、錦雞兒（Caragana sinica（Buc＇hoz）Rehd.）等，人工復(fù)墾與植被重建先鋒植被為紫花苜蓿（Medicago sativa L.）。

2 試驗材料與處理方法

內(nèi)排土場采用了3 種不同的重構(gòu)方式重構(gòu)土壤：①重構(gòu)方式1：表層為50 cm 巖土剝離物，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；②重構(gòu)方式2：表層為50 cm 的巖土剝離物、煤矸石的混合物，配比為2∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；③重構(gòu)方式3：表層為50 cm 的巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰的混合物，配比為3∶4∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體。田塊的土壤重構(gòu)方案縱截面圖及熟化處理方式如圖1。圖中為翻耕次數(shù)（4 個為15 d 翻耕1次；2 個為30 d 翻耕1 次；1 個為60 d 翻耕1 次）。

圖1 田塊的土壤重構(gòu)方案縱截面圖及熟化處理方式

每種重構(gòu)方式構(gòu)成1 個小田塊，3 種不同重構(gòu)方式形成的3 個小田塊構(gòu)成1 個大田塊。研究區(qū)共分為4 個大田塊，其熟化處理方式分別為：①大田塊一：15 d 翻耕1 次，翻耕處理1 年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植1 年苜蓿；②大田塊二：30 d 翻耕1 次，翻耕處理1 年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植1 年苜蓿；③大田塊三：60 d 翻耕1 次，翻耕處理1 年并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植1 年苜蓿；④大田塊四：當(dāng)年翻耕處理并種植苜蓿，年底將苜蓿翻壓至土里，再重新種植1 年苜蓿。

2.1 樣品采集與處理

2019 年8 月在當(dāng)年復(fù)墾后的內(nèi)排土場復(fù)墾區(qū)進(jìn)行土壤取樣。為了使樣地中被選定的各樣點(diǎn)代表不同的植被恢復(fù)水平，在取樣的地塊內(nèi)對各樣點(diǎn)的植被長勢進(jìn)行了定性的分級，同時考慮到不同的重構(gòu)地塊內(nèi)植被恢復(fù)的整體水平具有差異性，實際定性分級是在3 個不同的重構(gòu)地塊內(nèi)分別進(jìn)行的，因此本次樣點(diǎn)的選定能代表樣地內(nèi)不同植被恢復(fù)水平。在每個小田塊內(nèi)基于樣線法在代表性地塊上分別設(shè)置12 個樣點(diǎn)，植被恢復(fù)水平根據(jù)植被的長勢由優(yōu)至劣定義為4 個等級，每個等級下設(shè)置3 個土樣樣點(diǎn)，采樣深度20 cm，將3 個樣點(diǎn)采集到的土樣混合。

2.2 指標(biāo)選定和數(shù)據(jù)分析

選取礫石含量、土壤密度、田間持水量、有機(jī)質(zhì)4 個因素研究重構(gòu)土壤的持水能力，同時在一定程度上也能反映重構(gòu)土壤的質(zhì)量水平[7]。土壤密度采用環(huán)刀法測定，土壤密度的計算公式為：

式中：ρ 為土壤密度，g/cm3；m 為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量，g；v 為環(huán)刀容積，100 cm3；θm為樣品含水量，%。

土壤田間持水量采用烘干法測定，田間持水量計算公式為：

式中：X 為田間持水量，%；m1為濕土樣質(zhì)量，g；m2為干土樣質(zhì)量，g。

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用滴定法測定，土壤有機(jī)質(zhì)的計算公式為：

式中：m3為有機(jī)質(zhì)含量，g；c 為硫酸亞鐵消耗摩爾濃度，g/mol；v0為空白實驗消耗的硫酸亞鐵溶液的體積，mL；v1為滴定待測土樣消耗的硫酸亞鐵的體積，mL；M 為風(fēng)干樣質(zhì)量，g；e 為水分系數(shù)。

土壤礫石含量的計算公式為：

式中：R 為礫石含量，%；m4為礫石質(zhì)量，g；M1為土壤總質(zhì)量，g。

采用SPSS 22.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（P＜0.05），數(shù)據(jù)均用3 次重復(fù)試驗均值計算。以復(fù)墾地大田塊一的第1 個小田塊為例，將其表示為1－1，復(fù)墾地大田塊一的第2 個小田塊表示為1－2，以此類推對復(fù)墾地不同田塊進(jìn)行命名。

3 試驗結(jié)果

3.1 理化性質(zhì)差異性

3.1.1 土壤礫石含量差異性

不同土壤重構(gòu)方式下土壤礫石含量差異性如圖2。

圖2 不同土壤重構(gòu)方式下土壤礫石含量差異性

在大田塊一中未復(fù)墾地的土壤礫石含量最高，為31.20%，顯著高于重構(gòu)方式1 和重構(gòu)方式2，未復(fù)墾地和重構(gòu)方式3 之間不存在顯著性差異；在大田塊二中未復(fù)墾地的土壤礫石含量最高，為31.20%，顯著高于重構(gòu)方式1，重構(gòu)方式2 和重構(gòu)方式3 之間不存在顯著性差異，其礫石含量分別為24.80%和24.50%；在大田塊三中未復(fù)墾地土壤礫石含量最高，為31.20%，其與重構(gòu)方式1 之間存在顯著性差異，重構(gòu)方式2 和重構(gòu)方式3 之間不存在顯著性差異，礫石含量分別為24.70%和22.30%；在大田塊四中重構(gòu)方式2 的土壤礫石含量最高，為33.60%，顯著高于重構(gòu)方式1 和重構(gòu)方式3，與未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異。

3.1.2 土壤密度差異性

不同土壤重構(gòu)方式下土壤密度含量差異性如圖3。

圖3 不同土壤重構(gòu)方式下土壤密度含量差異性

在大田塊一中重構(gòu)方式3 的土壤密度最低，為1.24 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，各個田塊間存在顯著性差異（P＜0.05）；在大田塊二中未復(fù)墾地密度最低，為1.25 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，各個田塊間存在顯著性差異；在大田塊三中重構(gòu)方式2 的土壤密度最低，為1.23 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，各個田塊間存在顯著性差異；在大田塊四中重構(gòu)方式2 的土壤密度最低，為1.21 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，各個田塊間存在極顯著性差異（P＜0.01）。

3.1.3 田間持水量差異性

不同土壤重構(gòu)方式下田間持水量差異性如圖4。

圖4 不同土壤重構(gòu)方式下田間持水量差異性

在大田塊一中重構(gòu)方式3 的土壤田間持水量最高，為13.66%，根據(jù)單因素方差分析，其與重構(gòu)方式1 和重構(gòu)方式2 存在顯著性差異，與未復(fù)墾地不存在顯著性差異；在大田塊二中重構(gòu)方式3 的土壤田間持水量最高，為13.80%，根據(jù)單因素方差分析，顯著高于復(fù)墾地重構(gòu)方式1 和重構(gòu)方式2，重構(gòu)方式3和未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異；在大田塊三中未復(fù)墾地田間持水量最高，為12.20%，根據(jù)單因素方差分析，其與重構(gòu)方式1～重構(gòu)方式3 之間均不存在顯著性差異；在大田塊四中未復(fù)墾地的田間持水量最高，為12.60%，根據(jù)單因素方差分析，顯著高于重構(gòu)方式1，與重構(gòu)方式2 和重構(gòu)方式3 之間不存在顯著性差異。

3.1.4 土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性

不同土壤重構(gòu)方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性如圖5。

圖5 不同土壤重構(gòu)方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性

在大田塊一中重構(gòu)方式2 的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為12.30 g/kg，顯著高于重構(gòu)方式1 和未復(fù)墾地，重構(gòu)方式2 和重構(gòu)方式3 之間不存在顯著性差異，但重構(gòu)方式2 比重構(gòu)方式3 高出0.50 g/kg；在大田塊二中重構(gòu)方式3 的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為12.50 g/kg，顯著高于重構(gòu)方式1 和未復(fù)墾地，分別高出8.3 g/kg 和3.50 g/kg，重構(gòu)方式3 和重構(gòu)方式2 之間不存在顯著性差異；在大田塊三中重構(gòu)方式2的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為13.20 g/kg，其與重構(gòu)方式1 以及未復(fù)墾地之間存在顯著性差異，重構(gòu)方式2 與重構(gòu)方式3 之間不存在顯著差異；在大田塊四中重構(gòu)方式2 的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為11.80 g/kg，顯著高于重構(gòu)方式1，與重構(gòu)方式3 和未復(fù)墾地之間不存在顯著性差異。

3.2 不同熟化措施下各因素差異性分析

3.2.1 土壤礫石含量差異性分析

不同土壤重構(gòu)方式下土壤礫石含量差異性如圖6。

圖6 不同土壤重構(gòu)方式下土壤礫石含量差異性

在重構(gòu)方式1 中未復(fù)墾地的礫石含量最高，為31.18%，顯著高于復(fù)墾地1－1、2－1、3－1、4－1；在重構(gòu)方式2 中4－2 的礫石含量最高，為32.94%，與未復(fù)墾地?zé)o顯著性差異，顯著高于復(fù)墾地1－2、2－2、3－2；在重構(gòu)方式3 中1－3 的礫石含量最高，為30.06%，與未復(fù)墾地差距不大，但顯著高于復(fù)墾地2－3、3－3、4－3。

3.2.2 土壤密度差異性

不同熟化措施下土壤密度含量差異性如圖7。

圖7 不同熟化措施下土壤密度含量差異性

在重構(gòu)方式1 的小田塊中，未復(fù)墾地的密度最低，為1.25 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，與復(fù)墾地1-1、2-1、3-1、4-1 間差異性極顯著（P＜0.01）；在重構(gòu)方式2 的小田塊中，復(fù)墾地4-2 的密度最低，為1.20 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，各個田塊間差異性不顯著；在重構(gòu)方式3 的小田塊中，復(fù)墾地1-3 的密度最低，為1.24 g/cm3，根據(jù)單因素方差分析，各個田塊間差異性不顯著。

3.2.3 田間持水量差異性

不同熟化措施下田間持水量差異性如圖8。

圖8 不同熟化措施下田間持水量差異性

在重構(gòu)方式1 中，未復(fù)墾地的田間持水量最高，為12.29%，與復(fù)墾地1－1、2－1、3－1、4－1 均不存在顯著性差異；在重構(gòu)方式2 中，未復(fù)墾地的田間持水量最高，為12.29%，與復(fù)墾地1－1、2－1、3－1、4－1 均不存在顯著性差異；在重構(gòu)方式3 中，復(fù)墾地1－3 的田間持水量最高，為13.66%，與復(fù)墾地2－3、3－3、4－3以及未復(fù)墾地均不存在顯著性差異。

3.2.4 土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性

不同熟化方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性如圖9。

圖9 不同熟化方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性

在重構(gòu)方式1 中，未復(fù)墾地的有機(jī)質(zhì)含量最高，為9.08 g/kg，與復(fù)墾地1－1 之間不存在顯著性差異，顯著高于復(fù)墾地2－1、3－1、4－1；在重構(gòu)方式2中，復(fù)墾地3－2 的有機(jī)質(zhì)含量最高，為12.83 g/kg，與復(fù)墾地1－2、4－2 無顯著性差異，顯著高于復(fù)墾地2－2 和未復(fù)墾地；在重構(gòu)方式3 中，復(fù)墾地2－3 的有機(jī)質(zhì)含量最高，為12.63 g/kg，與復(fù)墾地1－3、3－3、4－3 和未復(fù)墾地均無顯著性差異。

4 不同理化性質(zhì)差異性原因探討

1）根據(jù)圖2 和圖6 重構(gòu)土礫石含量差異性分析，各復(fù)墾地礫石含量均小于對照地塊，除去未復(fù)墾地外，出現(xiàn)未復(fù)墾地礫石含量最高的現(xiàn)象，是由于土壤未復(fù)墾，礦區(qū)開采后土壤本身礫石、碎石殘留多。而熟化處理的重構(gòu)土礫石含量明顯小于重構(gòu)土整體礫石含量，是由于隨著復(fù)墾時間的推移，復(fù)墾土壤不斷熟化，表現(xiàn)為土壤密度表層不斷降低和底層不斷增加，及土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不斷增加的演化特征[8]，隨著復(fù)墾熟化年份的增加，復(fù)墾土壤密度和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不斷向正常土壤靠攏，提高持水能力。選取煤矸石作為充填基質(zhì)重構(gòu)礦區(qū)土壤，這樣一方面減少開采煤炭過程中產(chǎn)生的地表沉陷等微地貌變化，另一方面降低了煤矸石堆積的土地占用率以及對外圍環(huán)境帶來的二次污染程度。

2）根據(jù)圖3 和圖7 土壤密度差異性分析，各復(fù)墾地土壤密度均大于對照地塊，考慮到土壤初始入滲能力隨密度增大遞減，入滲能力衰減速度隨密度增大遞增[9]的規(guī)律，應(yīng)選取密度較小的重構(gòu)土。未復(fù)墾地由于煤礦的建設(shè)，大量的松散表土發(fā)生運(yùn)移和重新堆積，植被被破壞，土壤水分大量散失[10]，本身過于松散，雖然滲水能力強(qiáng)，但保水能力差。除去未復(fù)墾的影響，發(fā)現(xiàn)無論是在重構(gòu)方式還是熟化措施下，重構(gòu)方式為巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰的比例為3∶4∶3 的土壤密度最低，考慮原因是煤矸石作為特殊充填基質(zhì)，覆土土層很薄，大孔隙含量較多[11]，粉煤灰也具有豐富的孔隙和巨大的比表面積，兩者同時混合可以改變煤矸石的孔隙結(jié)構(gòu)并降低煤矸石的導(dǎo)氣率[12-13]，進(jìn)而有效改善重構(gòu)土壤密度，進(jìn)而影響持水能力。

3）根據(jù)圖4 和圖8 土壤持水能力差異性分析，重構(gòu)方式為巖土剝離物、煤矸石、粉煤灰的比例為3∶4∶3 的田間持水量最高?？紤]粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤排出的一種工業(yè)廢渣，具有豐富的孔隙和巨大的比表面積，也被常用于降低土壤密度、改善土壤質(zhì)地、提高養(yǎng)分緩釋能力和持水能力、減輕土壤板結(jié)等農(nóng)業(yè)土壤理化特性的優(yōu)化[14-15]，在土壤中摻入粉煤灰可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣透水性能[16-17]，所以重構(gòu)土采用煤矸石和粉煤灰混合材料，兩者一定比例混合后可以提高煤矸石的飽和含水量，進(jìn)而提高重構(gòu)土壤的持水能力。

4）根據(jù)圖5 和圖9 重構(gòu)土有機(jī)質(zhì)差異性分析，將煤矸石與粉煤灰混合的重構(gòu)土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其他情況重構(gòu)土，最近有研究表明煤矸石中Ca2＋對植物生長存在一定促進(jìn)作用[18]。粉煤灰直接覆蓋也可以明顯地抑制煤矸石中硫化物的氧化并提高煤矸石淋溶液的水質(zhì)[19]。也有試驗表明煤矸石基質(zhì)粒徑結(jié)構(gòu)為（＞80 mm）∶（＜80 mm）＝3∶7 為最佳填充基質(zhì)粒徑結(jié)構(gòu)[20]。此外有研究表明，在實際應(yīng)用時，使用粉煤灰充填土地容易造成地表積水，導(dǎo)致土壤透氣性差，影響植被生長狀況，而使用煤矸石充填時，煤矸石極差的持水性容易導(dǎo)致土壤水分易流失[21]，所以需要通過植被翻壓至土，保留住土壤水分，減少煤矸石和粉煤灰的負(fù)面影響，從而使重構(gòu)土壤持水能力得到提升。

5 結(jié)語

1）在不同的土壤重構(gòu)方式下，得到土壤重構(gòu)方式為巖土剝離物∶煤矸石∶粉煤灰的比例為3∶4∶3 時土壤持水能力均較強(qiáng)，所以該類典型草原礦區(qū)進(jìn)行土壤重構(gòu)時，建議優(yōu)先選擇此重構(gòu)配比方式重構(gòu)土壤，從而提高當(dāng)?shù)赝寥辣Ｋ芰Α?/p>

2）熟化措施通過影響土壤的理化性質(zhì)作用于重構(gòu)土，達(dá)到改良和穩(wěn)定的目的?；谠囼灁?shù)據(jù)，采取15 d 翻耕1 次，翻耕處理1 年并植苜蓿，年底將首蓿翻壓至土里，再重新種植1 年苜蓿的熟化方式效益最高。