吳晨明，曹銀貴，2，賴晗澤，謝 鑫，王舒菲

（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.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035）

煤炭資源在全球能源結(jié)構(gòu)中一直處于主導(dǎo)地位，近幾年來，煤炭資源的開采程度呈逐步上升的態(tài)勢(shì)[1]。露天開采是主要的采煤方式之一，美國(guó)、俄羅斯、印度等采煤大國(guó)的露天采煤比例達(dá)50%以上，部分國(guó)家達(dá)到90%以上[2]。由《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》可知，中國(guó)露天煤礦大多位于生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，如荒漠區(qū)、黃土區(qū)等干旱、半干旱地區(qū)[3]。脆弱生態(tài)環(huán)境受到露天煤礦開采的劇烈擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致植被損毀、土地?fù)p毀、土壤肥力下降等問題[4]。生態(tài)文明導(dǎo)向下，土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作則成為此類區(qū)域生態(tài)保護(hù)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，而土壤重構(gòu)是其中的核心內(nèi)容。平朔礦區(qū)位于黃土丘陵區(qū)，在獨(dú)特的氣候與地質(zhì)條件作用下，土質(zhì)疏松、水土流失嚴(yán)重，土壤水分條件成為該區(qū)域土地復(fù)墾和生態(tài)重建工作的限制條件和關(guān)鍵內(nèi)容。因此，該區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作的重要內(nèi)容之一是構(gòu)建良好的土壤水分環(huán)境。

學(xué)者們對(duì)于礦區(qū)重構(gòu)土壤水分進(jìn)行了許多研究。DAVIES 等[5]測(cè)定重構(gòu)土壤剖面的表土含水量，指出其高于天然農(nóng)業(yè)土壤，容易引起積水而產(chǎn)生地表徑流，增大水土流失的風(fēng)險(xiǎn)；NAETH 等[6]通過對(duì)土壤相關(guān)物理性質(zhì)的測(cè)定，指出植被高低冠層對(duì)降水事件的響應(yīng)不同，低植被覆蓋區(qū)沿土層深度的體積含水量波動(dòng)較大；孫俊東等[7]通過對(duì)復(fù)墾地重構(gòu)土壤的調(diào)查和取樣，對(duì)重構(gòu)土壤含水率進(jìn)行差異性分析，并討論了差異形成的原因；嚴(yán)子循等[8]揭示了不同重構(gòu)土壤配比及不同熟化措施對(duì)重構(gòu)土壤持水能力影響的差異性。然而，近年來的已有研究多集中于土壤水動(dòng)力過程、時(shí)空分布特征、外力影響等方面，對(duì)于重構(gòu)土壤含水量差異特征及規(guī)律的研究相對(duì)較少，尚存在空白。

作為土壤重要的水文常數(shù)之一，質(zhì)量含水量表示土壤中水分的質(zhì)量與相應(yīng)固相物質(zhì)質(zhì)量的比值。土壤水制約養(yǎng)分和溶質(zhì)在土壤中的溶解、轉(zhuǎn)移，進(jìn)而影響土壤肥力和土壤性質(zhì)[9]，是礦區(qū)復(fù)墾中植被生長(zhǎng)和退化生態(tài)系統(tǒng)中植被恢復(fù)的主要影響因素。土壤含水量是土壤水分管理的基礎(chǔ)，也是判斷復(fù)墾效果的重要指標(biāo)[10]。為此，以平朔礦區(qū)復(fù)墾地重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量為研究對(duì)象，對(duì)其在垂直深度及水平方向上不同植被配置下的差異及影響因素展開研究，為構(gòu)建適宜重建植被生長(zhǎng)發(fā)育的重構(gòu)土壤水環(huán)境提供路徑參考，以期為礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)工作提供一定幫助。

1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，東、西、北以煤層露頭線為界，南至擔(dān)水溝斷層，面積380 km2。區(qū)域原地貌為黃土丘陵地貌，地勢(shì)北高南低，地形以山地、丘陵為主。該礦區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.8～7.5 ℃，平均年降水量428.2～449 mm，且降水集中于6—9 月。原地貌土壤主要以黃綿土、栗鈣土和紅黏土為主，質(zhì)地多為砂壤土至壤土[11]。該礦區(qū)煤炭資源豐富，高強(qiáng)度的開采活動(dòng)導(dǎo)致土地和植被損毀，于1986 年開始進(jìn)行初級(jí)的土地復(fù)墾工作，迄今為止已經(jīng)持續(xù)30 余年。作為研究區(qū)的7 個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)，均已開展土地復(fù)墾與植被重建工作。

2 試驗(yàn)材料與處理方法

2.1 樣方與剖面設(shè)置

2019 年7 月，于平朔礦區(qū)的7 個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng)和1 個(gè)礦區(qū)未開采區(qū)進(jìn)行樣地布設(shè)和土壤樣品采集，其中，未損毀的礦區(qū)未開采區(qū)作為原地貌對(duì)照區(qū)。喬木樣地布設(shè)大小為10 m ×10 m，灌木樣地布設(shè)大小為5 m × 5 m，草本植物樣地布設(shè)大小為1 m ×1 m，每個(gè)樣地隨機(jī)布設(shè)和制作3 個(gè)土壤剖面。樣地編號(hào)分別為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，對(duì)應(yīng)地域分別為西排擴(kuò)大區(qū)、西排、內(nèi)排、南排、安家?guī)X、南寺溝、東露天、礦區(qū)未采區(qū)，每塊樣地設(shè)置3 個(gè)土壤剖面（S1－1、S1－2、S1－3）。樣地S1～S7植被恢復(fù)模式分別為草地、喬木混交林地、林灌草地、喬木混交林地、未恢復(fù)荒草地、喬木林地、未恢復(fù)裸地。樣地S1～S6主要植被分別為苜蓿，旱柳、榆樹、刺槐、青杄、白杄、油松，衛(wèi)矛、苜蓿、沙棘、小葉楊、刺槐，刺槐、油松、榆樹，荒草，小葉楊；樣地S7無植被，未損毀區(qū)樣地S8作為對(duì)照，主要植被為小葉楊。

2.2 采樣與研究方法

利用環(huán)刀法（φ100）分別采集各個(gè)土壤剖面深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm）的土壤樣品，用保鮮袋或密封袋、布袋將樣品封存并編號(hào)。然后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)所采集的土壤樣品稱重（濕質(zhì)量），稱重后用烘箱在105.50 ℃的溫度下烘干至恒重（干質(zhì)量），烘干時(shí)間為8 h 左右。

土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測(cè)定，含水量計(jì)算公式如式（1）：

式中：θm為質(zhì)量含水量（自然含水量或絕對(duì)含水量），%；m1為濕土質(zhì)量，g；m2為烘干土質(zhì)量，g。

利用Excel 工具對(duì)獲取的土壤質(zhì)量含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和基本統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用SPSS 27.0 軟件對(duì)土壤質(zhì)量含水量進(jìn)行方差分析和回歸分析，研究礦區(qū)重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量的差異性及影響因素。利用Excel 及Origin 2019 軟件進(jìn)行相關(guān)圖像繪制。

3 重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量差異

3.1 重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量基本統(tǒng)計(jì)

不同深度土層下重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量基本統(tǒng)計(jì)特征見表1。不同深度土壤質(zhì)量含水量均值變化如圖1，土壤質(zhì)量含水量變異系數(shù)變化如圖2。

圖1 不同深度土壤質(zhì)量含水量均值變化

圖2 土壤質(zhì)量含水量變異系數(shù)變化

表1 不同深度下重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量基本統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)采樣數(shù)據(jù)依據(jù)土層深度進(jìn)行劃分，均進(jìn)行KS 正態(tài)假設(shè)性檢驗(yàn)，結(jié)果基本符合正態(tài)分布，分布類型為N。重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量均值隨土層深度的變化較小，變化率均處于11.25%～12.55%，整體上略低于未損毀土壤的各層質(zhì)量含水量均值，各土層無明顯的變化規(guī)律。除0～10 cm 土層外各層的質(zhì)量含水量變化標(biāo)準(zhǔn)差接近，而變化率處于22.85%～31.70%；0～10 cm 土層較高，均屬中等變異性，高于未重構(gòu)土壤；但各層變異系數(shù)變化較未損毀土壤更小。綜上所述，重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量在空間上有一定的分異，且相較于未損毀土壤，其水平分異性較強(qiáng)，但不同深層變化小。

3.2 重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量的垂直及水平差異特征

為探究研究區(qū)重構(gòu)土壤在垂直方向上質(zhì)量含水量的變化規(guī)律，對(duì)土壤質(zhì)量含水量進(jìn)行不同土層深度的單因素方差分析。不同深度下重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量方差分析圖如圖3。

圖3 不同深度下重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量方差分析圖

由圖3 可知：不同深度土層下重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量未出現(xiàn)顯著差異，0～10 cm、10～20 cm 及50～60 cm 土層的土壤質(zhì)量含水量均值較高于其他土層，整體上0～30 cm 土層的土壤質(zhì)量含水量較高于其他土層，其余差異不大，水分情況比較均勻，無其他明顯變化規(guī)律。

研究區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)模式有喬木混交林地（S2、S4）、喬木林地（S6）、喬木林草地（S4）、草地（S1）和未復(fù)墾地（S7），保留未損毀地（S8）作為對(duì)照。為探究水平方向上重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量的差異，對(duì)土壤質(zhì)量含水量從植被覆蓋情況不同的8 個(gè)樣區(qū)進(jìn)行單因素方差分析。不同植被配置樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量方差分析圖如圖4。不同深度下各樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量方差分析圖如圖5。

圖4 不同植被配置樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量方差分析圖

圖5 不同深度下各樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量方差分析圖

由圖4 可知：不同樣區(qū)之間土壤質(zhì)量含水量的分布有明顯的差異性。土壤質(zhì)量含水量均值在10.8%～13.9%，其中礦區(qū)未損毀區(qū)S8土壤質(zhì)量含水量達(dá)13.08%，重構(gòu)土壤中僅樣區(qū)S4（主要植被配置為刺槐、油松和榆樹）質(zhì)量含水量高于未損毀土壤，樣區(qū)S6（主要植被配置為小葉楊）質(zhì)量含水量最低、僅10.87%。樣區(qū)S4與質(zhì)量含水量較低的S1（主要植被配置為苜蓿）、S2（主要植被配置為旱柳、榆樹和刺槐）、S5（主要植被配置為荒草）及S6之間均存在顯著差異，樣區(qū)S1和S6雖然質(zhì)量含水量分別達(dá)到了未損毀區(qū)S8的83.22%和83.14%，但仍與其差異明顯，而樣區(qū)S3（主要植被配置為苜蓿、衛(wèi)矛、沙棘、小葉楊林、刺槐）和S7（未復(fù)墾）與其他所有樣區(qū)之間都不存在顯著的水平差異。

由圖5 可知，各樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量在10～20 cm 及30～60 cm 出現(xiàn)顯著差異，40～50 cm 土層差異現(xiàn)象最廣泛，30～60 cm 深層樣區(qū)間差異更大，樣區(qū)S4在多個(gè)深度層均值較高。

4 重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量影響因素分析

為探究研究區(qū)土壤含水量的主要影響因素，對(duì)土壤質(zhì)量含水量和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，選取土壤理化性質(zhì)指標(biāo)包括：土壤密度、礫石含量、pH、全N、有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、速效鉀、黏粒含量9 項(xiàng)。不同植被配置樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量與理化性質(zhì)的相關(guān)性見表2。

表2 不同植被配置樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量與理化性質(zhì)的相關(guān)性

由表2 可知：除樣區(qū)S3外，其余樣區(qū)的土壤質(zhì)量含水量與密度都呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)均低于－0.600，其中與S7的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)，為－0.888。樣區(qū)S5、S7、S8土壤質(zhì)量含水量與速效鉀呈顯著正相關(guān)，而樣區(qū)S5的土壤質(zhì)量含水量?jī)H與黏粒含量有顯著正相關(guān)性。

為進(jìn)一步探究土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤質(zhì)量含水量的定量影響，構(gòu)建土壤質(zhì)量含水量與其他典型理化性質(zhì)因素的多元逐步回歸方程。不同植被配置樣區(qū)土壤含水量與理化性質(zhì)的回歸方程見表3，表中：因變量y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8分別為樣區(qū)S1～S8；自變量x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分別為密度、礫石含量、pH、全氮、有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、速效鉀、黏粒；F值模型整體的顯著性；P 值為拒絕原假設(shè)的值；R2為曲線回歸的擬合程度。

表3 不同植被配置樣區(qū)土壤含水量與理化性質(zhì)的回歸方程

對(duì)逐步回歸分析方程進(jìn)行篩選，保留F 值與顯著性較好且系數(shù)均達(dá)到顯著性水平的結(jié)果，結(jié)果與相關(guān)性分析較相似。其中，土壤密度對(duì)除S3外的樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量有極顯著負(fù)影響，負(fù)相關(guān)系數(shù)最低為－15.02、最高為－47.96。此外，樣區(qū)S6土壤質(zhì)量含水量與黏粒含量呈顯著正相關(guān)，系數(shù)為0.093；樣區(qū)S7土壤質(zhì)量含水量與速效鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)，系數(shù)為－0.016；樣區(qū)S8土壤質(zhì)量含水量與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，系數(shù)為－0.059；樣區(qū)S3土壤質(zhì)量含水量與黏粒含量呈顯著正相關(guān)，系數(shù)為0.317，與礫石含量重呈顯著正相關(guān)，系數(shù)為－16.852。

5 重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量差異性原因

5.1 礦區(qū)重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量水平及垂直差異原因

研究結(jié)果表明礦區(qū)重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量與內(nèi)部未開采區(qū)未損毀土壤之間有一定差距，除50～60 cm土層外，各層重構(gòu)土壤的質(zhì)量含水量略低于未損毀土壤，這可能是因?yàn)樵谂磐吝^程中工程機(jī)械的碾壓導(dǎo)致土壤緊實(shí)度增大、孔隙度減小[12]，水分難以入滲，恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)期。重構(gòu)土壤經(jīng)過階段的復(fù)墾措施，土壤理化環(huán)境得到改善，土壤持水導(dǎo)水能力有一定的提高[13-14]，質(zhì)量含水量在垂直方向上沒有顯著差異，表現(xiàn)出比較均衡的狀態(tài)，由于植物根系在淺層分布更豐富，淺層0～30 cm 相較于更深層略高，這與劉樂等[15]的研究結(jié)果相似。

水平方向不同植被覆蓋下樣區(qū)重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量出現(xiàn)差異，差異現(xiàn)象在40～50 cm 深層最廣泛。本次研究區(qū)域植被重建時(shí)間較早，復(fù)墾時(shí)間均超過9 年，已達(dá)到穩(wěn)定階段，分析結(jié)果顯示刺槐、油松與榆樹混交林覆蓋下重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量最高，已達(dá)到未損毀土壤的水平，單一草本植物苜蓿覆蓋下最差，不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤含水量的恢復(fù)效果有差異，和張鶴等[16]、李航等[17]研究結(jié)果相近。

研究發(fā)現(xiàn)黃土露天礦區(qū)復(fù)墾植被恢復(fù)模式中，喬木混交林地對(duì)重構(gòu)土壤含水量的恢復(fù)效果最好，草地的恢復(fù)效果最差，這是因?yàn)閱棠局参锏母蛋l(fā)達(dá)，能達(dá)到的深度更深，通過穿透和根際效應(yīng)對(duì)土壤水分環(huán)境的改良作用更強(qiáng)[18]，而草本植物的根系對(duì)30 cm 深度以下土壤影響較弱，同為喬木混交林的樣區(qū)S2土壤質(zhì)量含水量較低，可能是因?yàn)闃訁^(qū)內(nèi)喬木種植早（1994 年）、林齡大，且配置的旱柳成熟期短，整體林冠發(fā)育過好，對(duì)降水的攔截和土壤內(nèi)部水分的蒸發(fā)較強(qiáng)[19-20]，保留在土壤內(nèi)的水分較少。

5.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)重構(gòu)土壤含水量的影響

土壤含水量受其所處土壤的理化性質(zhì)條件的限制和影響，前人研究發(fā)現(xiàn)土壤密度、有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量是土壤持水能力的主要影響因素[21-22]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在重構(gòu)土壤理化性質(zhì)中土壤密度是影響質(zhì)量含水量最廣泛且最顯著的因素，差異原因可能是所選樣地環(huán)境背景有一定差異，研究區(qū)域在長(zhǎng)期開發(fā)利用過程中，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受人工干擾強(qiáng)，表現(xiàn)在研究區(qū)域露天采礦對(duì)土壤的挖損，重型工程機(jī)械的碾壓等，同時(shí)排土場(chǎng)有長(zhǎng)期壓占情況，復(fù)墾前土壤的理化環(huán)境受到了很大的破壞，特別是土壤緊實(shí)程度很高，而重構(gòu)土壤材料來源于多個(gè)采區(qū)的剝離開采、交錯(cuò)回填，因此在當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)修復(fù)的過程中，土壤密度是限制土壤水分入滲與保持的最主要因素。土壤密度很大程度上反映了土壤內(nèi)部的孔隙度和緊實(shí)度，重建植被能夠通過根系的生長(zhǎng)疏松土壤、改變土壤結(jié)構(gòu)，通過根系分泌物、枯落物為土壤輸入有機(jī)物質(zhì)，提高土壤孔隙數(shù)量和孔隙大小[23]，從而降低土壤密度。明確土壤密度是土壤典型理化性質(zhì)中對(duì)區(qū)域土壤含水量影響最大的因素，為土地復(fù)墾工作提供改善土壤水環(huán)境的一大方向，能有效避免土地復(fù)墾時(shí)的盲目性和二次破壞，達(dá)到最大限度合理利用土地的目的[24]。不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤密度等理化性質(zhì)的作用效果差異顯著[25]，復(fù)墾工作應(yīng)注意構(gòu)建合適的植被恢復(fù)配置模式、選擇持水性更佳的重構(gòu)材料等，重視改善以土壤密度為主的限制要素，促進(jìn)土壤含水量恢復(fù)，發(fā)揮其在黃土露天礦區(qū)重構(gòu)土壤水分環(huán)境修復(fù)中的重要作用。

5 結(jié)語

1）基本統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，研究區(qū)重構(gòu)土壤0～60 cm質(zhì)量含水量均值處于11.5%～13.0%范圍內(nèi)，經(jīng)過多年復(fù)墾工作恢復(fù)較好，與未損毀土壤相差不大；變異系數(shù)在22.85%～31.70%，具有中等變異性，相較于未損毀土壤，變異性更強(qiáng)。

2）基于方差分析，研究區(qū)重構(gòu)土壤在垂向變異性較弱，不同植被配置的樣區(qū)土壤質(zhì)量含水量之間存在水平方向的顯著差異，僅樣區(qū)S4質(zhì)量含水量高于未損毀地，而樣區(qū)S1和S6質(zhì)量含水量最低且與未損毀地之間存在顯著差異，樣區(qū)S3與其他樣區(qū)均不存在顯著差異，差異現(xiàn)象在40～50 cm 深度最廣泛，總體上刺槐、油松和榆樹喬木混交林地恢復(fù)效果最好，單苜蓿草地恢復(fù)效果最差，不同的植被恢復(fù)模式及配置情況對(duì)重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量有著明顯的影響，建議優(yōu)選刺槐、油松和榆樹混交作為復(fù)墾植被。

3）基于回歸分析，土壤密度是土壤典型理化性質(zhì)中對(duì)質(zhì)量含水量影響最大的因素，研究區(qū)內(nèi)絕大部分樣區(qū)重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量與密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，其次為黏粒含量。復(fù)墾工作要注意采取適當(dāng)措施，如重建植被配置、重構(gòu)材料選擇等以調(diào)節(jié)土壤密度等理化性質(zhì)，進(jìn)而調(diào)整提高重構(gòu)土壤質(zhì)量含水量，促進(jìn)恢復(fù)適宜的土壤水環(huán)境。