王艷秋，張伯昆，代艷麗

（1.赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.內(nèi)蒙古中水澤源水利工程有限公司 內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

露天開采是全球主要采煤方式，全球煤炭生產(chǎn)增加值的75%來自露天開采，我國露天煤礦年產(chǎn)量逐步提高到煤炭總產(chǎn)量的15%[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)土地和煤炭資源的需求不斷增長，煤炭資源的規(guī)模和開發(fā)程度也在不斷提高，對(duì)土地資源和生態(tài)環(huán)境的破壞也越來越嚴(yán)重[2-3]。露天煤礦開采改變了土地原有用途，破壞了植被和耕地，露天開采后受損土地短期內(nèi)難以恢復(fù)，導(dǎo)致土地沙化、水土流失和土地質(zhì)量下降，對(duì)我國1.2億hm2耕地紅線保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。研究表明，我國露天煤礦每開采1萬噸煤，破壞的土地面積為0.22 hm2，其中直接采掘破壞占55%，間接占用破壞占45%。露天煤礦開采對(duì)土壤的擾動(dòng)導(dǎo)致高達(dá)80%的土壤有機(jī)碳流失，地表植被的移除導(dǎo)致幾乎所有的植被碳庫流失。據(jù)估算，我國因生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)破壞而未復(fù)墾的土地面積超過666.67多萬hm2[4-5]。每年新增約26.67萬hm2，其中60%是耕地或農(nóng)用地[6-8]。這種情況嚴(yán)重威脅著國家糧食安全、生態(tài)安全和社會(huì)發(fā)展，解決煤礦開采間接導(dǎo)致的土地受損問題、恢復(fù)重建煤礦開采區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)我國實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略有巨大推進(jìn)作用。

因此開展煤礦排土場(chǎng)及周邊原地貌區(qū)土壤理化性質(zhì)、植物群落結(jié)構(gòu)及土壤侵蝕特征研究，探究其生態(tài)系統(tǒng)功能變化過程和植被自然修復(fù)能力。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，坐落于東勝煤田補(bǔ)連礦區(qū)的東南部。其地理坐標(biāo)為：E110°05′55″～110°10′48″，N39°15′16″～39°17′50″。研究區(qū)處于毛烏素沙地南緣生態(tài)脆弱帶，氣候類型為半干旱大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)主要土壤類型為風(fēng)沙土，約占礦區(qū)面積的70%，風(fēng)沙土廣泛分布是本區(qū)生態(tài)脆弱的標(biāo)志。風(fēng)沙土質(zhì)地粗，細(xì)砂粒占比的80% 以上，粗砂粒、粉砂粒及黏粒的含量占比往往在20% 以下。土壤結(jié)構(gòu)松散，貧瘠。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤

1）樣地布設(shè)及取樣：在武家塔礦區(qū)原地貌及排土場(chǎng)分別選擇3 塊樣地，在每塊樣地內(nèi)分別取樣測(cè)量土壤理化指標(biāo)。物理指標(biāo)：機(jī)械組成、容重、總孔隙度、水分常數(shù)（田間持水量、飽和導(dǎo)水率）；化學(xué)指標(biāo)：有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分（全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀）、pH 值、電導(dǎo)率；土壤取樣深度為10cm、30cm、50cm，每層取樣數(shù)量為3 個(gè)，用環(huán)刀取樣，將土樣裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

2）土壤理化指標(biāo)測(cè)定方法：土壤機(jī)械組成：篩分法結(jié)合比重計(jì)法。

容重：環(huán)刀法，用環(huán)刀在野外取原狀土土樣，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，根據(jù)公式計(jì)算土壤容重，容重=烘干土重量/環(huán)刀體積。

總孔隙度：容重?fù)Q算法，根據(jù)公式計(jì)算土壤總孔隙度，總孔隙度=(1-容重/比重)×100，其中土壤比重采用比重瓶法測(cè)量。

有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量法。

全氮：半微量開氏法。

全磷：NaOH 熔融-鉬銻抗比色法。

全鉀：NaOH 熔融-火焰光度法。

堿解氮：堿解擴(kuò)散法。

速效磷：碳酸氫鈉浸取-鉬銻抗比色法。

速效鉀： NH4OAc 浸提-火焰光度法。

pH 值：pH 酸度計(jì)電位法（水:土=1:1）。

電導(dǎo)率：電導(dǎo)率儀法。

1.2.2 水土流失

1）風(fēng)蝕：在排土場(chǎng)西北側(cè)選擇新排裸地3 塊，每個(gè)樣地布設(shè)三組集沙儀。集沙儀進(jìn)沙口朝向?yàn)槲鞅狈较颉＿M(jìn)沙口面積為10cm2,外擴(kuò)展角度為11。當(dāng)充滿沙塵的空氣進(jìn)入沙箱時(shí)，空氣速度會(huì)迅速下降，在重力的作用下沉積在集沙盒。BSNE 集沙儀由鍍鋅金屬板、18 目和 60 目不銹鋼篩網(wǎng)構(gòu)成，其中60 目篩網(wǎng)用于空氣交換，18 目篩網(wǎng)用于減少沉積土壤顆粒的移動(dòng)。安裝兩個(gè)儀器，分別在進(jìn)沙口距地表10cm 和25cm 高度。每次風(fēng)蝕過后，將集沙儀的風(fēng)化物倒入紙袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，在60℃下烘干并稱重，用于計(jì)算輸沙率=風(fēng)蝕物重量/進(jìn)沙口面積·單位時(shí)間。

2）水蝕：降雨在坡面產(chǎn)生徑流，由于徑流的侵蝕作用，會(huì)在坡面產(chǎn)生侵蝕溝，在同一地區(qū)，侵蝕溝在單位面積上的長度即侵蝕溝密度可以代表坡面水蝕狀況。因此，采用坡面侵蝕溝密度法進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)不同恢復(fù)年限、不同植被狀況條件下坡面的水蝕狀況對(duì)比。侵蝕溝密度=侵蝕溝總長度/單位面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分變化分析

原始地貌的平均有機(jī)質(zhì)含量最高為5.98 g/kg，排土場(chǎng)的有機(jī)質(zhì)含量最低為1.14 g/kg，僅為原始地貌的19%。排土場(chǎng)、原始地貌有機(jī)質(zhì)含量為六級(jí)，屬于極缺乏肥力的土壤。

速效氮又稱堿解氮，是指作物當(dāng)季可越境吸收利用的氮素，它是促進(jìn)作物生長和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素。經(jīng)測(cè)定，排土場(chǎng)、原始地貌的速效氮含量分別為4.01 mg/kg、3.52 mg/kg。垂直方向土壤中堿解氮的含量總趨勢(shì)均為上層含量低，越往下含量越高。全效氮含量中，排土場(chǎng)、原始地貌的含量分別為0.12 g/kg、0.28 g/kg。排土場(chǎng)的全氮含量最低為0.15 g/kg。

速效磷含量低是制約礦區(qū)土壤肥力的重要因素，一般在砂性土（偏堿性）、栗鈣土中速效磷含量低。排土場(chǎng)、原始地貌的速效磷含量5.89mg/kg、5.84mg/kg。

項(xiàng)目區(qū)不同采樣點(diǎn)的土壤樣品中鉀的含量均較氮、磷豐富。排土場(chǎng)、原始地貌的速效鉀含量46.84mg/kg、50.93 mg/kg。速效鉀含量等級(jí)從排土場(chǎng)為五級(jí)。原始地貌速效鉀含量等級(jí)為四級(jí)。

總體而言，排土場(chǎng)土壤為堿性土壤，肥力較低，總體表現(xiàn)為“缺氮、少磷、富鉀”。

2.2 土壤顆粒組成與質(zhì)地變化分析

各區(qū)域的土壤粒徑中細(xì)砂粒的含量相對(duì)較大，占粒徑組成的90%～98%之間，粉粒及黏粒的含量較少，質(zhì)地為砂土。各區(qū)域埋深在0～10cm 處的土壤粒徑砂粒含量大體高于在10～25cm 處的砂粒含量，黏粒與粉粒的變化差異較小。排土場(chǎng)平均的砂粒含量以及粉粒含量均高于原始地貌天然油蒿群落區(qū)，黏粒含量低于原始地貌天然油蒿群落區(qū)。排土場(chǎng)在0～10cm 處的砂粒含量高于原始地貌天然油蒿群落區(qū)，但在10～25cm 處,排土場(chǎng)新排土的砂粒含量低于原始地貌天然油蒿群落區(qū)。由此可知，原始地貌的黏粒含量較高，土壤的吸水性、黏結(jié)性、保肥性和可塑性較強(qiáng)，說明原始地貌的土壤水分含量高于排土場(chǎng)。原始地貌土壤的砂粒含量較低，說明土壤的排水和通氣性相對(duì)低于新排土，可有效貯存水分，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。綜上所述，原始地貌的土壤性質(zhì)優(yōu)于排土場(chǎng)，天然油蒿群落可以有效改良土壤質(zhì)地。

2.3 土壤重金屬變化分析

不同堆放區(qū)域的土壤中重金屬含量如表4-3所示。數(shù)據(jù)顯示種植年限較短的復(fù)墾區(qū)的土壤中銅和鉻含量最高，達(dá)到了13.17 mg/kg和58.46 mg/kg，且明顯的高于排土場(chǎng)和原始地貌中的含量，而鎘和鉛的含量在排土場(chǎng)、原始地貌、試驗(yàn)區(qū)以及復(fù)墾區(qū)中含量比較接近，如鎘含量變化范圍為0.03～0.05mg/kg，鎘含量變化范圍為7.40～8.57 mg/kg。

銅、鉻、鎘和鉛等四種重金屬的含量，與種植以及堆積年限沒有明顯的相關(guān)性，并且垂直方向上的重金屬含量也與埋深無明顯的相關(guān)性，說明重金屬在復(fù)墾過程中并未出現(xiàn)富集現(xiàn)象，其重金屬含量的高低，主要是與堆積時(shí)基礎(chǔ)墊層的煤矸石中重金屬含量有關(guān)。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）中土壤污染物分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤屬于一級(jí)，尚未受到重金屬的侵害。

2.4 土壤侵蝕特征

1）風(fēng)力侵蝕：項(xiàng)目區(qū)大部分區(qū)域土壤為風(fēng)沙土，砂粒含量很高，結(jié)構(gòu)松散，質(zhì)地粗糙，特別是在新排土區(qū)，無任何植被，加之本地區(qū)冬春季節(jié)西風(fēng)和西北風(fēng)強(qiáng)勁，極易發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)蝕現(xiàn)象。

利用集沙儀分別觀測(cè)新排土區(qū)和項(xiàng)目試驗(yàn)田的風(fēng)蝕情況，如圖1 所示。

圖1 新排土區(qū)輸沙率動(dòng)態(tài)變化

新排土區(qū)于2018 年秋季完成排土。由圖1 中可以看出，2019 年春季，新排土區(qū)地表5cm 明顯高于25cm 輸沙率，這是由于新排土區(qū)無植被導(dǎo)致風(fēng)蝕劇烈所致。為了加快新排土區(qū)的植被恢復(fù)，2019年夏季，通過扦插沙柳，播種沙打旺、紫花苜蓿、胡枝子、草木樨、草谷子、檸條、紫穗槐等草本和灌木植物，并灑施了生物炭、保水劑和微生物菌肥等一系列人工干預(yù)措施，以促進(jìn)新排土區(qū)植被的自然恢復(fù)。因此，在2019 年夏季以后，新排土區(qū)地表5cm 和25cm 輸沙率呈逐漸下降的趨勢(shì)，這是由于一方面冬春季節(jié)多大風(fēng)，夏秋季節(jié)風(fēng)力較小，進(jìn)而影響風(fēng)蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)季節(jié)變化的原因；另一方面，通過人工干預(yù)+自然修復(fù)措施，植被逐漸恢復(fù)，土壤持續(xù)改良，起到了防風(fēng)固沙的作用。與2019 年相比，新排土區(qū)2020 年同期5cm 和25cm 輸沙率明顯下降，這更加說明了人工干預(yù)+自然修復(fù)措施通過恢復(fù)植被+改良土壤，有效控制了風(fēng)蝕作用。

2）水力侵蝕：項(xiàng)目區(qū)排土場(chǎng)邊坡坡度均為35°～ 40°之間，接近沙土的自然休止角。于2018年和2019年秋季對(duì)不同恢復(fù)年限的排土場(chǎng)邊坡上、中、下部分別進(jìn)行2m×2m 樣方侵蝕溝密度觀測(cè)。

影響邊坡侵蝕溝密度的因素主要為植被蓋度，新排土邊坡當(dāng)年植被蓋度只有10%，第二年植被蓋度為25%，其水力侵蝕強(qiáng)烈，侵蝕溝密度分別為8.9m/m2和6.6 m/m2。說明較低的植被蓋度難以起到防治水力侵蝕的作用。2018 年秋季調(diào)查的恢復(fù)5年排土場(chǎng)邊坡，植被蓋度已達(dá)到40%，只有在坡上部由于上游平臺(tái)邊緣擋土埂損壞，降雨產(chǎn)生徑流直接由平臺(tái)流向邊坡造成一定程度的沖刷，形成了少量的侵蝕溝，而中部和下部則無侵蝕溝，平均侵蝕溝密度為0.4 m/m2。2019 年秋季調(diào)查臨近的恢復(fù)6a排土場(chǎng)邊坡，植被蓋度為40%，其上游平臺(tái)擋土埂完好，其坡上、中、下部均無侵蝕溝。對(duì)于恢復(fù)9a和14a 排土場(chǎng)邊坡，植被蓋度達(dá)到50%，其坡面也均無侵蝕溝。

因此，可以認(rèn)為，植被蓋度達(dá)到40%時(shí)，可以完全抑制排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)流造成的水力侵蝕。

3 結(jié) 論

排土場(chǎng)土壤為堿性土壤，肥力較低，總體表現(xiàn)為“缺氮、少磷、富鉀”。

露天開采對(duì)排土場(chǎng)區(qū)土壤質(zhì)量的影響長期存在。排土場(chǎng)平均的砂粒含量以及粉粒含量均高于原始地貌區(qū)，黏粒含量低于原始地貌區(qū)。排土場(chǎng)在0～10cm 處的砂粒含量高于原始地貌區(qū)，但在10～25cm 處,排土場(chǎng)新排土的砂粒含量低于原始地貌區(qū)。

排土場(chǎng)生物修復(fù)措施通過扦插沙柳，播種沙打旺、紫花苜蓿、胡枝子、草木樨、草谷子、檸條、紫穗槐等草本和灌木植物，并灑施了生物炭、保水劑和微生物菌肥等一系列人工干預(yù)措施，人工干預(yù)+自然修復(fù)措施通過恢復(fù)植被+改良土壤，有效控制了風(fēng)蝕作用，抑制排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)流造成的水力侵蝕。