劉孝陽, 周 偉,2, 白中科,2, 楊 柯,3,4

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083; 2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035; 3.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球表層碳—汞地球化學(xué)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 廊坊 065000; 4.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所, 河北 廊坊 065000)

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平朔礦區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾類型及微地形對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

劉孝陽1, 周 偉1,2, 白中科1,2, 楊 柯1,3,4

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083; 2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035; 3.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球表層碳—汞地球化學(xué)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 廊坊 065000; 4.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所, 河北 廊坊 065000)

研究土地復(fù)墾類型及微地形對(duì)土壤養(yǎng)分的影響對(duì)于指導(dǎo)土地復(fù)墾實(shí)踐，控制復(fù)墾土地水土流失等具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。以平朔露天煤礦排土場(chǎng)為例，借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析評(píng)價(jià)復(fù)墾類型與微地形因子(高程、坡度、坡向)對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷及速效鉀含量的影響。結(jié)果表明：(1) 復(fù)墾類型對(duì)各項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量影響較為顯著，不同的復(fù)墾類型中，各項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量排序均為耕地>林地>草地；其中，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷及速效鉀含量，耕地分別為草地的2.15～2.68倍，林地的1.48～1.78倍，對(duì)于土壤有效磷，耕地中的含量為71.24 mg/kg，為草地的11倍，林地的4倍；(2) 坡度與土壤養(yǎng)分含量之間存在顯著的相關(guān)性(p<0.05)，而高程、坡向與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性較弱，表明排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)土壤養(yǎng)分受坡度影響較大，而受高程與坡向的影響較小；(3) 復(fù)墾類型與坡度的交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生一定的影響：同一復(fù)墾類型的不同坡度的土地養(yǎng)分含量存在差異，耕地的土壤養(yǎng)分含量隨著坡度的增大在降低；同一坡度，不同的復(fù)墾類型條件下，土壤養(yǎng)分差異顯著，總體趨勢(shì)為耕地>林地>草地。

露天煤礦; 排土場(chǎng); 復(fù)墾; 土壤養(yǎng)分; 復(fù)墾類型; 微地形

全世界三分之二的礦產(chǎn)原料采用露天開采[1]，然而，露天開采為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供大量物質(zhì)基礎(chǔ)的同時(shí)，采礦過程需剝離煤層上方的全部表土和巖層，不僅在采礦場(chǎng)損毀大量的土地，產(chǎn)生的排棄物也會(huì)占用大量的土地，致使區(qū)域環(huán)境生態(tài)失衡和土地資源損失[2]。加上我國露天煤礦多處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)[3]，這進(jìn)一步加大了礦區(qū)土地的破壞程度與生態(tài)恢復(fù)治理難度。排土場(chǎng)作為煤礦露天開采的主要損毀類型之一，復(fù)墾過程也對(duì)土壤產(chǎn)生擾動(dòng)[4]。其中，復(fù)墾過程由于發(fā)生土壤重構(gòu)，土壤原有理化性質(zhì)發(fā)生了根本的變化[5]。復(fù)墾后的土壤條件直接關(guān)系到復(fù)墾的成敗和效益的高低，重構(gòu)一個(gè)較高土壤生產(chǎn)力的土地一直是土地復(fù)墾技術(shù)革新的動(dòng)力和方向[6]。

土壤肥力是決定土地生產(chǎn)力的基本條件[7]，而土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要標(biāo)志[8]。復(fù)墾農(nóng)用地土壤養(yǎng)分在很大程度上決定了復(fù)墾植被的生存、生長(zhǎng)，決定復(fù)墾土地的生產(chǎn)力水平，成為復(fù)墾農(nóng)用地質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。關(guān)于對(duì)土壤養(yǎng)分影響因素的分析研究已有較多，有地形因子對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究[9-10]，也有土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究[11-14]。然而，相關(guān)研究中較多地關(guān)注了土地利用或者地形等單因素對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，較少考慮二者的交互作用，研究對(duì)象也大都集中在自然土壤，針對(duì)發(fā)生土壤重構(gòu)的排土場(chǎng)復(fù)墾土地土壤養(yǎng)分的研究較為少見。本文以平朔露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾土地為對(duì)象，分析評(píng)價(jià)土地復(fù)墾類型與微地形(高程、坡度、坡向)單因素及二者交互作用對(duì)復(fù)墾土地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷及速效鉀含量的影響，以期為指導(dǎo)土地復(fù)墾實(shí)踐及控制復(fù)墾土地水土流失提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原晉、陜、蒙接壤的黑三角地帶，山西省北部的朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°45′58″—110°53′00″，北緯39°3′45″—39°58′29″。礦區(qū)包括三個(gè)大型露天礦以及三個(gè)井工礦，總面積近160 km2。礦區(qū)原地貌類型為黃土低山丘陵，典型的半干旱氣候，地帶性植被屬于干草原類型，地帶性土壤為栗鈣土和黃綿土[15]。礦山服務(wù)年限長(zhǎng)達(dá)上百年，開采時(shí)間從1986年開始，復(fù)墾工作也在隨后的1994年逐漸開展起來。

研究區(qū)位于平朔礦區(qū)內(nèi)西南部，南北長(zhǎng)約6.8 km，東西長(zhǎng)約7 km，總面積約為18.96 km2，所涉范圍包括安太堡內(nèi)排、西排、西排擴(kuò)大區(qū)，安家?guī)X東排及西排，主要復(fù)墾類型包括耕地、草地及林地。研究區(qū)位置及土壤樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1研究區(qū)位置及土壤樣點(diǎn)分布

1.2數(shù)據(jù)來源

(1) 樣品采集及處理。以該區(qū)域地形圖及土地利用現(xiàn)狀圖為依據(jù)進(jìn)行室內(nèi)布點(diǎn)，并將坐標(biāo)輸入GPS，2013年8月進(jìn)行野外土壤樣點(diǎn)的采集，每個(gè)樣地取0—30 cm深度的表層土壤，同時(shí)記錄采樣時(shí)間、海拔高度、土地復(fù)墾類型、植被覆蓋類型及樣點(diǎn)位置描述，最終在研究區(qū)范圍內(nèi)共采集土壤樣點(diǎn)93個(gè)，其中耕地土壤樣點(diǎn)16個(gè)，草地土壤樣點(diǎn)49個(gè)，林地土壤樣點(diǎn)28個(gè)，樣點(diǎn)基本呈均勻分布，兩點(diǎn)間距離約為500 m。樣點(diǎn)處的土地復(fù)墾時(shí)間從1995到2012年不等，其中復(fù)墾5 a內(nèi)的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為42個(gè)，復(fù)墾5～10 a的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為12個(gè)，復(fù)墾10～15 a的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為18個(gè)，復(fù)墾15～20 a的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)21個(gè)。土壤樣品風(fēng)干、研磨、過篩后進(jìn)行分析，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化—分光光度法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；有效磷采用Olsen法；速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法。

(2) 地形因子提取。根據(jù)1∶10 000地形圖生成10 m分辨率的DEM，基于DEM運(yùn)用數(shù)字地形分析技術(shù)提取所需一階地形因子，包括高程、坡度及坡向。

1.3研究方法

(1) 為全面了解研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量的基本統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，對(duì)土壤養(yǎng)分含量的最值、平均值、中位數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變異程度進(jìn)行分析，所用指標(biāo)為變異系數(shù)(CV)。

(2) 為了解研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)程度及其原因，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析不同土壤養(yǎng)分的塊金值(C0)、偏基臺(tái)值(C)，并以塊金比[C0/(C0+C)]作為衡量空間自相關(guān)性的指標(biāo)。

(3) 為探討土地復(fù)墾類型及地形因子單因素及交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響，采用單因素方差分析判斷影響的顯著性，利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析變量間的相關(guān)程度。

2　結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)研究區(qū)的93個(gè)土壤樣本進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表1所示。對(duì)照表1中土壤養(yǎng)分的均值含量，依據(jù)《全國第二次土壤普查分類標(biāo)準(zhǔn)》，將各土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行等級(jí)劃分，等級(jí)排序依次為速效鉀>全磷≈有效磷>有機(jī)碳>全氮。其中速效鉀處于第二等級(jí)，全磷和有效磷處于第三等級(jí)，均為中上等水平；全氮含量處于第六等級(jí)，按照土壤有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)1.724的Van Bemmelen因數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，土壤有機(jī)碳處于第五等級(jí)，二者均處于中下等水平。5種土壤養(yǎng)分含量的空間變異程度都很高，其中土壤有效磷的變異系數(shù)高達(dá)244.17%，變異程度最低為土壤速效鉀，其變異系數(shù)達(dá)到69.70%。根據(jù)變異系數(shù)等級(jí)劃分[16]，土壤有機(jī)碳、有效磷為強(qiáng)變異性，土壤全氮、全磷及速效鉀為中等變異。根據(jù)以往的研究表明，由于采礦方法、復(fù)墾技術(shù)、表土厚度、表土來源以及礦工技能等因素的不同，采礦后復(fù)墾土壤特性空間變異性往往發(fā)生巨大變化[17]，土壤屬性的空間變異性變得較為強(qiáng)烈。根據(jù)K-S正態(tài)性檢驗(yàn)可知，五種土壤養(yǎng)分均不符合正態(tài)分布。

表1　土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)

注：有機(jī)碳含、全磷、全氮的單位是g/kg，有效磷、速效鉀的單位是mg/kg。

2.2土壤養(yǎng)分含量地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

區(qū)域化變量同時(shí)具有結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，僅用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究是不夠的[18]，目前利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來研究土壤特性的空間變異已成為土壤科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分析結(jié)果見表2。

表2　土壤養(yǎng)分含量地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

從表2中可以看出，速效鉀的塊金比最大，表明土壤速效鉀的空間自相關(guān)性很弱；其次是全磷和有效磷的塊金比，分別為34.14%和33.77%，空間自相關(guān)性為中等；有機(jī)碳和全氮的塊金比最低，分別為16.11%和10.38%，均小于25%，表現(xiàn)出的空間自相關(guān)性強(qiáng)烈。通過對(duì)比表1和表2可以看出，變異系數(shù)與塊金比并不能一一對(duì)應(yīng)，土壤速效鉀屬中等變異性，但塊金比最大，這表明人為的隨機(jī)干擾對(duì)變異性的貢獻(xiàn)較大；對(duì)于土壤全磷和有效磷，空間變異性分別為中等變異和強(qiáng)變異性，但塊金比分別為34.14%和33.77%，處于中等自相關(guān)水平，這說明空間變異性是由人為因素和結(jié)構(gòu)性因素共同導(dǎo)致；而對(duì)于土壤有機(jī)碳與全氮，塊金比均小于25%，空間自相關(guān)性較為強(qiáng)烈，這表明空間變異性主要來自結(jié)構(gòu)性因素，人為擾動(dòng)因素的作用很小。

2.3土地復(fù)墾類型對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量的影響

土地復(fù)墾類型屬于土地利用的具體體現(xiàn)，土地利用作為人類利用土地各種活動(dòng)的綜合反映，與土壤養(yǎng)分有著密切的聯(lián)系[19]。土地利用方式可以影響植被凋落物和殘余量[20]，影響土壤微生物的活動(dòng)[21]，因而引起土壤養(yǎng)分的變化。

研究區(qū)土地復(fù)墾類型主要為耕地、草地及林地。耕地包括旱地和水澆地，旱地以種植玉米、土豆、蕎麥等農(nóng)作物為主，水澆地主要為蔬菜大棚；草地種植有苜蓿，林地種植有沙棘、油松、楊樹等。在復(fù)墾工作以前，剝離的表土首先會(huì)播撒苜蓿等草本的植物種子以用來保持土壤養(yǎng)分，復(fù)墾完成后，復(fù)墾為林、草地的基本不會(huì)進(jìn)行施肥，復(fù)墾為旱地的主要進(jìn)行機(jī)械化耕作，肥料施用較少，而復(fù)墾為水澆地的管理措施較多，有機(jī)肥料施用較多。93個(gè)土壤樣點(diǎn)中，耕地土壤樣點(diǎn)16個(gè)，草地土壤樣點(diǎn)49個(gè)，林地土壤樣點(diǎn)28個(gè)。分類對(duì)樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行均值及變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，在不同的土地復(fù)墾類型條件下，5種土壤營(yíng)養(yǎng)含量表現(xiàn)出了顯著的差異性。就土壤養(yǎng)分均值含量來看，耕地>林地>草地，這與陳春瑜等的土地利用對(duì)滇池流域土壤養(yǎng)分時(shí)空分布影響的研究結(jié)果較為一致[22]。土壤養(yǎng)分含量的變異系數(shù)差異較大，除了林地土壤有機(jī)碳大于耕地外，其他土壤養(yǎng)分平均含量中耕地的變異系數(shù)都大于其他地類。其中，草地和林地的全磷含量變異系數(shù)最低，分別為8.49%和9.88%，屬弱變異性；耕地有效磷平均含量數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的“跳躍性”，變異系數(shù)最大，達(dá)到了117.81%，屬強(qiáng)變異性；剩余地類的土壤養(yǎng)分含量變異性均較大，變異系數(shù)介于25.08%～89.78%，均屬于中等變異性。

表3　不同土地復(fù)墾類型下土壤養(yǎng)分含量的分布

注：*表示指標(biāo)達(dá)到F檢驗(yàn)要求，p<0.05。a，b表示二者差異顯著的狀態(tài)，ab表示差異不顯著狀態(tài)。

耕地土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出的這種特征主要與耕地土壤樣點(diǎn)中包含蔬菜大棚的地類有關(guān)。由于蔬菜生長(zhǎng)的需要，大棚土壤施用氮磷鉀等肥料，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量均值升高，也使耕地的空間變異性有很大的增強(qiáng)。

2.4微地形對(duì)復(fù)墾土壤養(yǎng)分含量的影響

地形與土壤中水分的運(yùn)輸及物質(zhì)的運(yùn)移有著緊密的聯(lián)系[23]，因而會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分的分布狀況產(chǎn)生影響。露天礦排土場(chǎng)地形復(fù)雜多變，復(fù)墾土壤重構(gòu)后排土場(chǎng)地形因子與土壤養(yǎng)分的關(guān)系也變得較為特殊。為了探討研究區(qū)微地形與土壤養(yǎng)分二者的關(guān)系，首先將其進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表4。

表4　土壤養(yǎng)分含量與微地形因子的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0.05水平上顯著性相關(guān)。

從表4中可以看出，除有機(jī)碳外，坡度與土壤全氮、全磷、有效磷、速效鉀之間均存在顯著負(fù)相關(guān)性，這與楊建虎等對(duì)黃土高原小流域地形與土壤養(yǎng)分關(guān)系的研究結(jié)果較為一致[24]。復(fù)墾排土場(chǎng)的土壤養(yǎng)分受坡度影響較大，并隨著坡度的加大，土壤養(yǎng)分流失加劇，含量逐漸降低。土壤養(yǎng)分與高程、坡向的相關(guān)性較弱，Pearson相關(guān)系數(shù)均在0.1水平以下，這表明研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分受高程與坡向的影響較小。

為了進(jìn)一步探討坡度對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響，本研究將坡度進(jìn)行重分類，重分類以水土保持工作中普遍采用的臨界坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]作為基本依據(jù)，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況來進(jìn)行分類，共分為6級(jí)，分級(jí)結(jié)果見表5所示。

由于研究區(qū)35°以上坡度所占比例少且零星分布，所采土壤樣點(diǎn)沒有涉及到第6坡度等級(jí)，故以下分析中不涉及第6坡度等級(jí)。對(duì)不同坡度等級(jí)的土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。

表5　排土場(chǎng)邊坡坡度分級(jí)

從圖2中可以看出，坡度等級(jí)對(duì)各土壤養(yǎng)分含量的影響較為顯著，平均含量隨著坡度等級(jí)的增加總體上呈下降的趨勢(shì)。對(duì)于土壤有機(jī)碳含量，第1等級(jí)均值含量最高，第5坡度等級(jí)的均值含量最低，為第1坡度等級(jí)的三分之一左右；第1，3坡度等級(jí)的有機(jī)碳含量極差較大，而第2，4，5等級(jí)的分布則相對(duì)集中。第1坡度等級(jí)的土壤全氮含量最高，達(dá)到0.7 g/kg左右，其次是第3坡度等級(jí)，第2，4，5等級(jí)的均值含量較為接近，含量較低僅為第1等級(jí)的一半左右，但其含量極差較小，分布較為集中。土壤全磷和有效磷的分布趨勢(shì)較為一致，第1坡度等級(jí)的含量最高，但同時(shí)又是極差最大的一個(gè)等級(jí)，第2～5坡度等級(jí)含量較為接近，且極差較小，相對(duì)第1坡度等級(jí)來說，土壤全磷和有效磷的含量高度集中，表明在這幾個(gè)坡度等級(jí)中，全磷與有效磷含量較為穩(wěn)定，空間變異程度低。對(duì)于速效鉀，同樣是第1坡度等級(jí)的均值含量最高，接近200 mg/kg左右，第2～5坡度等級(jí)速效鉀含量較為接近，極差較小，分布較為穩(wěn)定。

2.5土地復(fù)墾類型及坡度的交互作用對(duì)復(fù)墾土壤養(yǎng)分含量的影響

為了研究土地復(fù)墾類型與微地形因子的交互作用，將每個(gè)坡度等級(jí)的地類細(xì)分為耕地、草地及林地進(jìn)行分析，分類結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出，耕地主要集中在第1坡度等級(jí)上，第2，3坡度等級(jí)耕地零星分布，第4，5等級(jí)不存在耕地。草地在前五個(gè)坡度等級(jí)中均有分布，其中第3坡度等級(jí)分布最多，是第5坡度等級(jí)中僅存的一種地類；除了第5坡度等級(jí)，林地在其他各個(gè)坡度等級(jí)中均有分布。

圖2不同坡度等級(jí)土壤養(yǎng)分含量分布

這種分布格局主要是由于坡度對(duì)土地復(fù)墾類型的限制造成的，農(nóng)用地由于耕作等條件的限制，對(duì)坡度有較高的要求，根據(jù)《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T1036—2013)黃土高原區(qū)的控制標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)墾為旱地的地面坡度要求在25°以內(nèi)，在坡度較緩的適宜區(qū)內(nèi)往往優(yōu)先復(fù)墾為農(nóng)用地，因而耕地在研究區(qū)范圍內(nèi)的分布主要表現(xiàn)為集中于微坡(平臺(tái))及緩坡區(qū)域；而林地和草地對(duì)坡度的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以適應(yīng)坡度較陡的區(qū)域，《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》中并未對(duì)復(fù)墾林地和草地進(jìn)行坡度的限制，在研究區(qū)不同坡度等級(jí)中均有林地或草地的出現(xiàn)。

圖3不同坡度等級(jí)中的土地復(fù)墾類型分布

在分析土地復(fù)墾類型與坡度對(duì)各土壤養(yǎng)分的交互作用前，首先要對(duì)交互作用的存在性進(jìn)行檢驗(yàn)。利用SPSS 19.0，通過交互檢驗(yàn)得到結(jié)果如表6所示。

從表6中可以看出，除土壤有機(jī)碳以外，其他各項(xiàng)土壤養(yǎng)分均受土地復(fù)墾類型與坡度等級(jí)的交互影響，在5%或10%水平上表現(xiàn)出較為明顯的顯著性。由于交互因子對(duì)土壤有機(jī)碳的交互作用不顯著，因此只需對(duì)其他幾種土壤養(yǎng)分做分析，土地復(fù)墾類型與坡度雙因子交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分的影響見表7。

從表7中可以看出，同一土地復(fù)墾類型下，不同坡度等級(jí)的土壤養(yǎng)分含量差異顯著。耕地的各項(xiàng)土壤養(yǎng)分均隨著坡度等級(jí)的增加呈下降趨勢(shì)，從第1坡度等級(jí)到第2坡度等級(jí)，耕地的各項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量急劇降低，而從第2坡度等級(jí)到第3坡度等級(jí)，營(yíng)養(yǎng)含量下降則相對(duì)緩慢。對(duì)于土壤全氮、全磷及速效鉀含量，第1坡度等級(jí)均為第2，3坡度等級(jí)的2～3倍，但對(duì)于耕地的有效磷含量，第1坡度等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2，3等級(jí)，相差近18倍之多。對(duì)于草地，全氮含量受坡度等級(jí)影響較小，維持在0.30～0.33 g/kg以內(nèi)變化。草地土壤全磷含量在第2—4坡度等級(jí)上先是減少，然后在第5坡度等級(jí)上增加至最高值0.71 g/kg，總體變化趨勢(shì)較小，近乎呈U形，土壤有效磷從第1坡度等級(jí)變?yōu)榈?坡度等級(jí)時(shí)含量達(dá)到最高值11.05 mg/kg，而后呈波浪狀上下浮動(dòng)變化，在第5坡度等級(jí)處達(dá)到最低值3.03 mg/kg。土壤速效鉀在前3個(gè)坡度等級(jí)含量呈倒V字形變化，而后在第4，5坡度等級(jí)持續(xù)增加，在第5等級(jí)處達(dá)到最高值134.08 mg/kg。

表6　土地復(fù)墾類型與坡度交互作用的檢驗(yàn)

表7　土地復(fù)墾類型與坡度雙因子交互作用下土壤養(yǎng)分的分布

同一坡度等級(jí)上，不同的土地復(fù)墾類型對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響顯著。耕地各項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量在第1坡度等級(jí)上顯著高于林地和草地的含量，其中耕地有效磷為林、草地的18倍左右。第2坡度等級(jí)上，耕地除了有效磷含量低于林地、草地外，其他土壤養(yǎng)分均較林地、草地含量高。第3坡度等級(jí)上，耕地除全磷含量與林地、草地較為接近外，其他土壤養(yǎng)分含量較林地、草地低。在第1—4坡度等級(jí)上，除第2等級(jí)上全氮含量相等外，林地全氮含量均大于草地含量，而全磷含量較為接近；對(duì)于土壤有效磷含量，第1—4坡度等級(jí)上草地均大于林地，而速效鉀含量較為接近。

2.6其他影響土壤養(yǎng)分含量的因素

除了坡度和土地復(fù)墾類型以外，引起復(fù)墾區(qū)土壤養(yǎng)分變化的因素還有很多，其中較為重要的主要還有復(fù)墾時(shí)間和管理措施。

研究區(qū)內(nèi)土壤樣點(diǎn)的復(fù)墾年限從3～20 a不等，將土壤樣點(diǎn)按5 a一個(gè)階段進(jìn)行，共劃分為0～5 a，5～10 a，10～15 a，15～20 a四個(gè)階段，進(jìn)行單方差分析，得到表8檢驗(yàn)結(jié)果。

表8　復(fù)墾時(shí)間對(duì)土壤養(yǎng)分影響的單方差檢驗(yàn)

注：*表示在0.05水平上顯著性相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著性相關(guān)。

從表8中可以看出，復(fù)墾時(shí)間對(duì)土壤養(yǎng)分含量有重要的影響，其中土壤有效磷和速效鉀含量與復(fù)墾時(shí)間在0.01置信度水平上存在顯著相關(guān)性，土壤全磷含量與復(fù)墾時(shí)間在0.05置信度水平上存在顯著相關(guān)性，土壤有機(jī)碳、全氮與復(fù)墾時(shí)間存在一定的相關(guān)性，但顯著性水平稍低。根據(jù)樊文華等[26]關(guān)于平朔安太堡露天煤礦不同復(fù)墾模式和年限下土壤養(yǎng)分變化的研究表明，復(fù)墾年限對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響較為顯著，隨著復(fù)墾年限的增加，沙棘林、喬木林的土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量均不斷上升。

另外，管理措施也是影響土壤養(yǎng)分含量變化的重要因素。研究區(qū)內(nèi)的復(fù)墾類型主要分為耕地、林地和草地，其中草地和林地很少進(jìn)行施肥等管護(hù)，管理措施對(duì)于草地及林地土壤養(yǎng)分含量的影響較小；耕地中旱地進(jìn)行農(nóng)作物的種植，主要進(jìn)行機(jī)械化耕作，肥料施用較少，而耕地中的水澆地主要為蔬菜大棚，管理措施較多，肥料施用量大，對(duì)于土壤養(yǎng)分產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致耕地土壤養(yǎng)分含量的極差和變異程度均較高。

3　結(jié) 論

(1) 依據(jù)全國第二次土壤普查分類標(biāo)準(zhǔn)，除土壤有機(jī)碳及全氮含量等級(jí)較低外，其他土壤養(yǎng)分含量均處于中上等水平，等級(jí)排序依次為速效鉀>全磷≈有效磷>有機(jī)碳>全氮；土壤養(yǎng)分的空間變異程度很高，變異系數(shù)均達(dá)到中強(qiáng)度水平，其中有效磷的變異系數(shù)高達(dá)244.17%，即使是變異程度最低的速效鉀，其變異系數(shù)也達(dá)到了69.70%。

(2) 不同土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)性差異較大。其中有機(jī)碳和全氮的塊金比最低，均小于25%，空間自相關(guān)性較強(qiáng)，空間變異主要來自結(jié)構(gòu)性因素。全磷和速效鉀含量的塊金值，介于25%～75%，空間自相關(guān)性為中等，速效鉀的塊金比最大，其值達(dá)到79.60%，表明受人為擾動(dòng)較大。

(3) 土地復(fù)墾類型對(duì)各項(xiàng)土壤養(yǎng)分影響均較顯著，均為顯著性相關(guān)。各項(xiàng)土壤養(yǎng)分含量排序均為耕地>林地>草地，其中，土壤有效磷、全氮、全磷及速效鉀含量，耕地分別為草地的2.15～2.68倍，林地的1.48～1.78倍，對(duì)于土壤有效磷，耕地中的含量為71.24 mg/kg，為草地的11倍，林地的4倍。

(4) 微地形因子影響土壤養(yǎng)分含量。通過Pearson相關(guān)性分析可知，土壤養(yǎng)分含量與坡度之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，除土壤有機(jī)碳以外，其他各養(yǎng)分含量與坡度在0.05水平上均呈現(xiàn)為顯著相關(guān)性；土壤養(yǎng)分含量與高程、坡向的相關(guān)性較弱，Pearson相關(guān)系數(shù)均在0.1水平以下，未達(dá)到0.05水平上的顯著性相關(guān)水平，這表明土壤養(yǎng)分受高程與坡向的影響較小，在微地形因子中坡度占主導(dǎo)地位。

(5) 土地復(fù)墾類型與坡度的交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響。同一土地復(fù)墾類型下，不同坡度的土壤養(yǎng)分含量存在差異，耕地的土壤養(yǎng)分隨著坡度的加大含量在降低。同一坡度條件下，不同的土地復(fù)墾類型土壤養(yǎng)分差異顯著，總體趨勢(shì)為耕地>林地>草地。這種二者的交互作用在控制復(fù)墾土地水土流失中值得重視。

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Influences of Reclamation Types and Microtopography on Soil Nutrient in Opencast Coal Mine Dump of Pingshuo Mining Area

LIU Xiaoyang1, ZHOU Wei1,2, BAI Zhongke1,2, YANG Ke1,3,4

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofLandConsolidationandRehabilitation,MinistryofLandandResources,Beijing100083,China; 3.KeyLaboratoryofGeochemicalCyclingofCarbonandMercuryintheEarth′sCriticalZone,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Langfang,Hebei065000,China;4.InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Langfang,Hebei065000,China)

Study of the impacts of reclamation type and microtopography on soil nutrient is helpful to guide the executive of land reclamation, and it also has great significance with respect to both theory and execution for controlling soil erosion of reclaimed land. Selecting the reclaimed land in Pingshuo opencast coal mine dump as the study area, we estimate the effects of reclamation types and the microtopographic factors (elevation, slope, aspect) on soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and available potassium using mathematical statistics method. The results show that: (1) reclamation types have the significant effect on the soil nutrient contents in different reclamation types, the contents of soil nutrients decrease in the order: farmland>woodland>grassland, the contents of soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and available potassium in farmland are 2.15～2.68 times of the grassland, are 1.48～1.78 times as much as woodland. Content of available phosphorus in farmland is 71.24 mg/kg, being 11 times of grassland, 4 times of woodland; (2) there is a significant correlation between slope steepness and soil nutrient content at 0.05 level, while elevation and aspect have weaker correlation with soil nutrients, suggesting that soil nutrients are greatly influenced by slope, but the influence of elevation and slope direction is small; (3) the interaction between reclamation types and slope has effect on soil nutrient to certain extent, with the same reclamation type, soil nutrient content differs in different slopes, the farmland slope′s increase leads to the decrease of soil nutrient content; with the same slope, different reclamation types have significant differences in soil nutrient contents, the general trend of soil nutrient content follows the order: farmland>woodland>grassland.

opencast coal mine; mine dump; land reclamation; soil nutrient; reclamation type; microtopography

2015-10-23

2015-11-27

國家自然科學(xué)基金(41571508);中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)(12120113002600)

劉孝陽(1989—),男,山東省臨沂人,博士研究生,研究方向?yàn)橥恋卣韽?fù)墾、資源環(huán)境遙感。E-mail:liuxiaoyangsd@163.com

周偉(1974—),男,甘肅省會(huì)寧人,博士,教授,主要從事礦區(qū)土地復(fù)墾與土地節(jié)約集約利用等方面的研究。E-mail:zhouw@cugb.edu.cn

S158.3

A

1005-3409(2016)03-0006-07