鄭永紅，張治國(guó)，陳永春，安士凱，鄧永強(qiáng)，陳芳玲，任韓煜，張曉慧，張鳳玲

(1.淮河能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter，SOM )是土壤的重要組分，與土壤質(zhì)量密切相關(guān)，有機(jī)質(zhì)數(shù)量的耗竭和質(zhì)量的惡化可直接導(dǎo)致土壤生態(tài)功能的衰退[1]。有機(jī)質(zhì)在形成土壤團(tuán)聚體 、提高土壤含水量、減少土壤退化和侵蝕方面具有重要作用[2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及其演變特征做了大量研究，包括國(guó)家尺度、省域尺度，以及典型地區(qū)和氣候帶，土壤類型區(qū)等方面研究。楊帆等比較測(cè)土施肥和全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，結(jié)果表明近三十年全國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)提高 4.85 g/kg[3]。吳駁等分析了近四十年黃土高原泥河溝流域土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)間變異性，研究表明1980 年以來(lái)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量呈階段性上升趨勢(shì)，該區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量從1980年的 9.52 g/kg 到2015 年的14.58 g/kg[4]。顧成軍等分析了安徽江淮丘陵縣域農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征，研究結(jié)果表明滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)平均含量介于15.16～19.90 g/kg之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體水平較低[5]。高旭等研究了湖南省郴州煙區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)果表明2015 年土壤有機(jī)質(zhì)平均含量較 2000 年分別增加了2.59 g/kg，變異系數(shù)基本穩(wěn)定[6]。趙義博等研究了內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市周邊勝利礦區(qū)土壤 ，結(jié)果表明pH呈中性至強(qiáng)堿性，有機(jī)質(zhì)含中等，有機(jī)質(zhì)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)量，主要受采礦活動(dòng)引起土壤擾動(dòng)是有機(jī)質(zhì)含量較低的重要原因[7]。劉文全等以萊州灣南岸廢棄鹽田兩個(gè)典型復(fù)墾地塊為研究對(duì)象，研究不同復(fù)墾年限下各層土壤鹽分和表層土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性，結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)含量極低，土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分屬于五級(jí)水平，主要是由于濱海地區(qū)土壤本身較為貧瘠，加之復(fù)墾過(guò)程中使用的肥料較少造成[8]。然而，針對(duì)復(fù)墾區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)空變化特征研究相對(duì)較少。從2008年開始以潘一礦復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，開展了復(fù)墾土壤肥力水平、煤矸石充填復(fù)墾對(duì)土壤和地下水環(huán)境影響等長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究。分別于2008、2013和2017年在潘一礦復(fù)墾區(qū)開展了三次土壤樣品采集以及養(yǎng)分指標(biāo)等的測(cè)試工作，研究成果將為采煤沉陷區(qū)的土地利用、充填復(fù)墾、土壤培肥等工作提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

潘一礦位于安徽省淮南市西北方、潘集區(qū)境內(nèi)，經(jīng)過(guò)多年的開采，該地地勢(shì)有了很大的變化，采空區(qū)上方地表形成了許多大小不一的沉陷積水塘和沉陷坑，塘內(nèi)積水對(duì)井下煤層的安全開采有一定影響。隨著開采面積的增大，地表沉陷盆地面積亦會(huì)隨之?dāng)U大[9]。潘一礦復(fù)墾區(qū)工程實(shí)施采用剝離表土，回填矸石，上覆1 m粘土工藝。采用分層施工，每層厚度控制在400 mm以內(nèi)，碾壓次數(shù)控制在8次以上。設(shè)計(jì)要求煤矸石回填碾壓成功后覆1 m黃土，平整好后達(dá)到農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 采樣與預(yù)處理

在研究區(qū)域內(nèi)，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法采集土壤樣品。根據(jù)剖面土壤顏色、性狀選擇3個(gè)土層分層采樣，分別自上而下分層采集0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm深度樣品，用封口袋密封并做好標(biāo)記，貼上寫好的標(biāo)簽。同時(shí)，選取一定面積的非復(fù)墾區(qū)農(nóng)田作為對(duì)照采樣區(qū)。將采集的土壤樣品剔除植物根葉等有機(jī)殘?bào)w后，分?jǐn)傇谕寥里L(fēng)干盤內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干。風(fēng)干后的土樣，磨碎、過(guò)0.25 mm孔徑篩網(wǎng)后備用。

1.3 測(cè)試方法與質(zhì)量控制

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重酸氧化-外加熱法(NY/T1121.6-2006)測(cè)定，數(shù)據(jù)采用Excel2010和SPSS2 4.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖件用ArcGIS10.2和Origin8.0軟件制圖。采用普通克里格法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，繪制了研究區(qū)域內(nèi)2017年土壤剖面有機(jī)質(zhì)的空間分布格局圖。

2 結(jié)果分析

2.1 復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)間變化規(guī)律

從圖1可知，2008年、2013年和2017年期間，復(fù)墾區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2017年0～20 cm深度土壤有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)了對(duì)照農(nóng)田。復(fù)墾1年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)平均含量分別為8.69±2.53 g/kg、7.33±2.20 g/kg和7.04±1.35 g/kg，對(duì)照農(nóng)田有機(jī)質(zhì)平均含量為12.89±0.70 g/kg；復(fù)墾5年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)平均含量為12.26±1.39 g/kg、10.18±1.82 g/kg和8.79±1.26 g/kg，其中對(duì)照農(nóng)田有機(jī)質(zhì)平均含量為13.12±1.15 g/kg；復(fù)墾9年0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)平均含量為14.05±2.12 g/kg、12.42±2.17 g/kg和10.96±1.77 g/kg，對(duì)照農(nóng)田有機(jī)質(zhì)平均含量為13.51±0.78 g/kg。復(fù)墾5年后土壤，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)的增長(zhǎng)率分別為41.08 %、38.88 %和24.86 %。復(fù)墾9年后土壤，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)相對(duì)于復(fù)墾5年的土壤增長(zhǎng)率分別為14.60 %、22.0 %和24.69 %?？傮w上，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)率為61.68 % 、69.44 %、55.68 %。與對(duì)照農(nóng)田相比，復(fù)墾初期表層土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增多且增速較快。復(fù)墾9年后，土壤表層有機(jī)質(zhì)的含量略高于對(duì)照農(nóng)田，但20～40 cm和40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)的含量仍低于對(duì)照農(nóng)田。對(duì)照全國(guó)第二次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，潘一礦復(fù)墾土壤從2008年有機(jī)質(zhì)五級(jí)(較缺乏)水平提高到了2017年的四級(jí)(缺乏)水平。因此，可以考慮追施有機(jī)肥或者綠肥來(lái)快速提升復(fù)墾土壤的有機(jī)質(zhì)水平。

圖1 不同復(fù)墾年限土壤有機(jī)質(zhì)的含量變化

2.2 復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)預(yù)測(cè)

0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤有機(jī)質(zhì)平均含量均隨復(fù)墾年份的增加呈升高趨勢(shì)。對(duì)不同深度的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化做線性回歸擬合，如圖2所示。0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm層有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)分別符合線性回歸方程。0～20 cm土層，y=0.67 x+8.3155，相關(guān)系數(shù)R2=0.964 8。因此，要達(dá)到對(duì)照農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的13.51 g/kg，預(yù)測(cè)需要7.75年。20～40 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)，變化趨勢(shì)符合y=0.636 3x+6.7954，相關(guān)系數(shù)R2=0.995 2。因此，要達(dá)到對(duì)照農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的13.51 g/kg，預(yù)測(cè)需要10.55年。40～60cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨復(fù)墾年份的增加也呈升高趨勢(shì)，變化趨勢(shì)符合y=0.49 x+6.48，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 2。因此，要達(dá)到對(duì)照農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的13.51 g/kg，預(yù)測(cè)需要14.35年。

圖2 不同復(fù)墾年限土壤有機(jī)質(zhì)含量的回歸曲線

2.3 復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化規(guī)律

從圖3可知，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量在研究區(qū)域東南角和煤矸石山一側(cè)含量較高，西側(cè)沿省道方向最低，呈條帶狀和島狀分布；20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量從東南角靠近裸露煤矸石山處有機(jī)質(zhì)含量最高，且由高值中心向外輻射遞減，逐漸降低。沿西側(cè)省道方向有機(jī)質(zhì)含量最低，呈條帶狀分布；40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)高值點(diǎn)主要集中在研究區(qū)域東側(cè)，呈條帶狀和島狀分布。

圖3 土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布圖

3 結(jié)論

復(fù)墾初期表層土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增多且增速較快，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)率為61.68 % 、69.44 %、55.68 %。對(duì)照全國(guó)第二次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，潘一礦復(fù)墾土壤從2008年有機(jī)質(zhì)五級(jí)(較缺乏)水平提高到了2017年的四級(jí)(缺乏)水平。因此，可以考慮追施有機(jī)肥或者綠肥來(lái)快速提升復(fù)墾土壤的有機(jī)質(zhì)水平。結(jié)合復(fù)墾模式的關(guān)鍵因子和多年觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究土壤質(zhì)量恢復(fù)趨勢(shì)以及預(yù)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)至對(duì)照農(nóng)田所需的時(shí)間。有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)符合線性回歸方程，相關(guān)系數(shù)(R2)在0.964 8～0.996 2之間。復(fù)墾9年后，土壤表層有機(jī)質(zhì)的含量略高于對(duì)照農(nóng)田，但20～40 cm和40～60 cm土壤中有機(jī)質(zhì)的含量仍低于對(duì)照農(nóng)田。預(yù)測(cè)20～40 cm和40～60 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量恢復(fù)到對(duì)照農(nóng)田水平分別需要10.55和14.35年時(shí)間。繪制研究區(qū)域內(nèi)土壤剖面有機(jī)質(zhì)的空間分布格局圖，0～20 cm、40～60 cm土壤有機(jī)質(zhì)在空間上分布以條帶狀分布和島狀為主，其中20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)從東南角靠近裸露煤矸石山處有機(jī)質(zhì)含量最高呈面狀分布。因此，復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)分布可能受到裸露煤矸石山和充填基質(zhì)煤矸石的影響。