2019, Vol. 36
2. 自然资源部土地整治重点实验室, 北京 100035
2. Key Lab of Land Consolidation, Ministry of Natural Resources of the PRC, Beijing 100035, China
煤炭资源的开发利用在我国国民经济和社会发展中占有极其重要的位置，是过去与未来相当长一段时间内我国能源消费结构中的主要能源[1]。我国煤炭产业经过“黄金十年”的发展，取得了辉煌的成就[2]，在满足我国经济建设需要的同时，也带来了一系列点多、量大、面广的生态环境问题和各种次生问题[2-3]。我国露天矿区多数位于生态环境脆弱区，受到煤矿开采的影响，不可避免地存在土地损毁、土壤肥力下降等问题，并且会导致剧烈的景观扰动和生态环境的破坏，这些问题直接或间接地影响当地的植被生长[4-6]。此外，露天煤矿开采过程中经过剥离、运输、排土形成的排土场采用堆山式排土，在原地貌或矿坑基础上堆起，稳定性差，易造成原有土体性质改变等问题，从而成为矿区土地损毁高生态风险区。早期排土场表层土壤重构通常采用厚层覆土方式并用重型机械碾压，这一方面造成平台表层土壤的严重压实，不利于植被恢复，另一方面，坚硬的平台表面不利于水分入渗，暴雨时极易形成地表集中的暴雨径流，严重威胁排土场稳定性[7-8]。因此，矿山土地复垦与生态恢复已成为矿区可持续发展的重要环节[3]。
煤矿开采造成的土地浪费、生态破坏已上升为全球性问题，由此衍生的土地复垦研究受到国内外学术界和政府的普遍关注[9]，国外许多发达国家特别是矿区较多的国家，如德国、美国等较早地开展了矿区土地复垦的相关研究[9-10]。Hernando等[11]指出土壤物理性质具有显著的区域变异性，其区域特性和后农业变化是决定主要植物功能群丰度的主要因素。Naeth等[12]通过对土壤相关物理性质的测定，指出植被高低冠层对降水事件的响应不同，低植被覆盖区各深度的体积含水量波动较大。Mariusz等[13]指出土壤容重是直接影响土壤质量的主要因素之一，其变化对苗木生长参数影响较大，特别是根系的长度和土壤容重之间存在很高的负相关性。Beata等[14]强调了采矿后植被恢复的重要性，提出植被在总有机碳积累和确保土壤结构相对稳定方面起着重要作用。
我国在矿区土地复垦与土壤重构方面的研究起步相对较晚，从20世纪50年代末期开始，经过60年的发展，在各方面也取得了较大进展[15]。白中科等[16]以安太堡露天矿为例，初步揭示了矿区土地复垦与生态重建过程中“三大效益”的有序配置和高度统一问题。胡振琪等[17]对土地复垦、土壤重构方面的相关概念进行定义、分类，提出土壤重构与土地复垦的方法、程序与模型构建。王金满等[18]研究了黄土区露天煤矿排土场复垦后土壤与植被的演变规律，建立了黄土区露天煤矿排土场复垦土壤环境因子和乔木林地植被生物量Logistic演替模型，并构建了土壤-植被交互影响的偏微分方程组。Cao等[19]对复垦农地的土壤理化性质进行相关性分析，表明再生农田土壤剖面性质随深度的不同而显著变化。Pan等[20]指出土壤容重与植被指数（NDVI）呈负相关关系，土壤质量含水量与阴坡、半阴坡植被指数呈凹函数关系，与阳坡、半阳坡植被指数呈二次函数关系。Liu等[21]对植被指数与土壤理化性质进行研究，指出植被覆盖率与土壤的理化性质间存在明显的正相关或负相关。
矿区重构土壤理化性质对植被生长状况的影响研究，多集中在重构土壤养分及环境因子对植被生长状况的影响，或表层重构土壤理化性质对植被生长状况的影响，而针对矿区重构土壤不同深度典型物理性质对植被生长状况的影响还需要深入研究。
本研究以中煤平朔安太堡露天煤矿南排土场为研究区，通过实地采样与分析，旨在揭示矿区重构土壤典型物理性质（土壤容重、土壤质量含水量）的深度差异、相互关系及对植被生长状况的影响，并且研究深度不只局限于表层土壤。一方面为矿区重构土壤质量对植被生长状况的影响机理及精准复垦研究提供参考，另一方面为本矿区及类似矿区土地复垦与生态重建实践提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于山西省朔州市平鲁区内（图 1），是中煤平朔安太堡露天矿早期的一个外排土场，排土时间是1985—1989年，海拔高度为1360~1465 m，边坡坡度为20°~40°。排土结束后其岩土容量达到1.16×108m3，属于土石混排类型，其中大于或等于50 mm的岩石占46.98%，50~5 mm砾石占15.48%，小于5 mm的砾石、土砂占37.54%[22]。地表覆盖以黄土、红土、红黄土为主。1990年开始进行复垦，采用“草-灌-乔”的植被配置模式[23]。该研究区地处黄土高原东部，所在的原地貌为黄土山地丘陵，属黄土丘陵强烈侵蚀生态脆弱系统，季节性河流较多，土壤侵蚀严重，同时冬春季节风大风多，地表干燥，是黄土高原典型的生态脆弱区，在此地区进行大规模的露天开采，更是加剧了水土流失与生态破坏[24-26]。自1989年以来，中煤平朔露天矿采煤废弃地开展土地复垦与生态重建工作已有30年，现已形成3000 hm2以上不同复垦模式的复垦地[26]。土地损毁和复垦过程中都对土壤造成了扰动[25]。
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图 1 研究区区位图 Figure 1 Location of the study area |
研究区所采用的露天煤矿排土场堆状地面土壤重构方法是一项创新性的排土场侵蚀控制和土壤重构技术，它是针对矿区存在的问题，并基于对安太堡露天煤矿排土场土地复垦具体情况的科学分析和长期的研究与实践而提出的[8]。研究区是安太堡露天矿复垦时间最长、复垦模式最多的排土场，相对高度为120 m，有4个台阶，平台与边坡相间分布，平台宽数十米至百余米，每层台阶高20~40 m，台阶坡面角为30°~42°[27]。
1.2 样方与剖面建立采样时间是在2018年5月中旬，是研究区干旱少雨的季节。综合考虑安太堡露天矿南排土场的海拔、地形、坡度和坡向条件，在该排土场范围内设置了具有代表性的5个样方，用于地表植被信息的收集，编号分别为S1、S2、S3、S4、S5。在排土场平台上，样方的大小设置为10 m×10 m，在排土场边坡上，样方的宽度设置为10 m，样方的长度根据边坡的坡度来确定。10 m×10 m的大样方内随机划定出具有代表性的1 m×1 m小样方，用于地表草本采集与土壤剖面的制作。在小样方内制作土壤剖面，剖面编号分别为P1、P2、P3、P4、P5。土壤剖面的平均深度为100 cm，个别剖面因障碍层太浅，开挖困难，最终开挖深度为60 cm。各样地编号、剖面编号、剖面深度、地形特征、海拔高度、平均坡度及主要植被情况如表 1所示。
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表 1 样方记录表 Table 1 Information of the plots |
（1）草本样品采集：在各个样地建立的1 m×1 m小样方中，采集地表草本。草本样装入密封袋，保存并编号，避免遗漏，同时注意通风干燥，避免腐烂，后期在实验室用烘箱在65 ℃的温度下烘干至恒重，烘干时间为10 h左右。
（2）土壤样品采集：在各剖面内利用环刀（ϕ100）每隔10 cm采集一次土壤样品，然后用保鲜袋或密封袋、布袋将样品封存并编号。在实验室对所采集的土壤样品进行称重（湿质量），称重后用烘箱在105.50 ℃的温度下烘干至恒重（干质量），烘干时间为8 h左右。
土壤容重采用环刀法测定，土壤质量含水量采用烘干法测定[28-29]，计算公式[30]如式（1）、式（2）所示：
土壤容重：
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(1) |
式中：ρ为土壤容重，g·cm3；V为环刀容积，cm3；m1为环刀的质量，g；m2为环刀+烘干土质量，g。
土壤质量含水量：
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(2) |
式中：θm为质量含水量（自然含水率或绝对含水量），%；w1为湿土质量，g；w2为烘干土质量，g。
1.4 研究方法利用野外实地收集样方内植被生长参数与室内测定土样、草本样相关数据，采用上述计算方式，得到每个样方各个土层（以10 cm为间隔）的土壤容重、土壤质量含水量数据，制作相关图表以分析数据分布和变化规律。利用SPSS 22软件对土壤容重、土壤质量含水量进行差异性分析，研究不同样地相应土层之间土壤容重和质量含水量的差异性；利用Excel 2010对土壤容重和质量含水量进行拟合分析，探索二者之间是否存在一般规律性，并进一步分析土壤容重、土壤质量含水量对植被生长状况的影响。
2 结果与分析 2.1 重构土壤典型物理性质特征 2.1.1 土壤容重的特征各剖面不同深度内土壤样品容重如表 2所示。从表 2可以看出，各个剖面土壤容重的均值相差较大，土壤容重均值最高的是P5剖面，达到1.74 g·cm-3。土壤容重均值最低的是P3剖面，为1.27 g·cm-3。另外，平台P1、P4、P5剖面土壤容重的均值较高，都在1.50 g·cm-3以上，而边坡P2、P3剖面的土壤容重均值相对较低，在1.34 g·cm-3以下。P3、P4剖面属于弱变异程度，其余属于中等变异程度。
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表 2 各剖面不同深度土壤容重及总体特征（g·cm-3） Table 2 Soil bulk density and general characteristics at different depth of each profile (g·cm-3) |
通过对比各层土壤容重的均值和中值发现，土层土壤容重均值和中值的最大值出现在40~70 cm之间，其均值和中值分别为1.47、1.51 g·cm-3。从各层土壤容重均值随深度变化的规律来看（图 2），随着土层深度的增加，土壤容重均值呈现出先增加后减少的趋势。
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图 2 分层土壤容重均值变化趋势 Figure 2 Trend of soil bulk density average value with depths |
为了分析各个剖面土壤容重垂向上的变化规律，分别以P1、P2、P3、P4、P5剖面0~60、0~30 cm及30~60 cm土层为研究对象，从同一深度进行差异性分析，差异性分析结果如图 3所示。
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相同土层不同字母表示不同剖面间差异显著（P < 0.05）。下同 Different letters in the same soil layer indicate significant differences between different sections(P < 0.05). The same below 图 3 各剖面不同深度土壤容重 Figure 3 Soil bulk density at different depth in each profile |
从5个剖面不同深度土壤容重差异来看（图 3），在0~60 cm整体深度内：P1剖面与其他剖面差异均不显著；P2剖面与P5剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P3剖面与P5剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P4剖面与其他剖面差异均不显著；P5剖面与P2、P3剖面差异显著，而与P1、P4剖面差异不显著。在0~30 cm深度内：P1剖面与P2、P3剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P2剖面与P1、P4剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P3剖面与P1、P4剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P4剖面与P2、P3剖面差异显著，而与其他剖面差异性不显著；P5剖面与其他剖面差异均不显著。在30~60 cm深度内：P1剖面与P3、P5剖面差异显著，而与P2、P4剖面差异不显著；P2剖面与P5剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P3剖面与P2剖面差异不显著，而与其他剖面差异显著；P4剖面与P3、P5剖面差异显著，而与其他剖面差异不显著；P5剖面与其他剖面差异均显著。
2.1.2 土壤质量含水量的特征各剖面深度内土壤样品土壤质量含水量如表 3所示。从表 3可以看出，各个剖面土壤质量含水量的均值相差较大，土壤质量含水量均值最高的是P5剖面，达到8.88%。土壤质量含水量均值最低的是P3剖面，为4.00%。另外，P1、P2、P5剖面土壤质量含水量的均值较高，在8.04%以上。而P4剖面的土壤质量含水量均值相对较低，P3剖面的土壤质量含水量均值最低。各个剖面均属于中等变异程度。
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表 3 各剖面不同深度土壤质量含水量及总体特征（%） Table 3 Soil mass water content and general characteristics at different depth of each profile(%) |
从表 3可以看出，土壤质量含水量总体上随着土壤剖面深度的增加而降低，最大值出现在0~20 cm（阴坡、半阴坡、半阳坡）和80~100 cm（阳坡），最小值规律不明显。此外，从土壤质量含水量的均值来看，P5剖面土壤质量含水量最高，P3剖面土壤质量含水量最低。
为了分析各个剖面土壤质量含水量在垂向上的变化规律，分别以P1、P2、P3、P4、P5剖面0~60、0~30 cm及30~60 cm土层为研究对象，从同一深度进行差异性分析，分析结果如图 4所示。
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图 4 各剖面不同深度土壤质量含水量 Figure 4 Soil mass water content at different depths in each profile |
由图 4可知，5个样方在不同土层深度中的土壤质量含水量呈现出的差异性较为显著。在0~60 cm的整体土层中，P1剖面中的土壤质量含水量与P2、P3剖面差异显著，而与P4、P5剖面差异不显著。P2、P3、P4三剖面的土壤质量含水量的差异两两之间皆不显著。对于P5剖面而言，其与P1、P2、P4剖面土壤质量含水量差异均不显著。在0~30 cm土层中，P5剖面与P1、P3、P4剖面土壤质量含水量差异均较为显著。P1剖面与P4剖面、P1剖面与P3剖面以及P2剖面与P5剖面的土壤质量含水量差异均不显著。在30~60 cm土层中，P3剖面与其他各个剖面中的土壤质量含水量比较，均具有较为显著的差异。而P1、P2、P5三剖面和P1、P4、P5三剖面的土壤质量含水量差异均不显著。
2.2 土壤容重与土壤质量含水量关系分析利用Excel 2010分别进行各个剖面土壤容重与土壤质量含水量拟合分析，如图 5所示。可以发现土壤容重和土壤质量含水量之间存在显著负相关关系，并且5个剖面作比较，土壤容重与土壤质量含水量相关性大小为P5>P4>P2>P3>P1。
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图 5 各剖面土壤容重与土壤质量含水量关系 Figure 5 Relationship between soil bulk density and soil mass water content in each profile |
整理野外实地调查采集得到的数据，各样方植被生长指标如表 4所示。从表 4可看出，在乔木样方内，S2样方（边坡、阴坡）内的植被生长状况好于其他样方，而S4样方（平台、半阳坡）内的植被生长状况比其他样方差。乔木样方内植被生长状况总体上来看：S2>S1>S5>S4。S3样方属于灌木样方，没有参与乔木样方的对比。
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表 4 样方植被生长状况 Table 4 Vegetation growth in each plot |
利用Excel 2010制作各剖面土壤容重、土壤质量含水量随深度的变化趋势图（图 6、图 7）。通过对比各个剖面土壤容重变化趋势（图 6）发现，土壤容重介于0.87~2.00 g·cm-3之间，除P3剖面以外的剖面土壤容重随着土层深度的增加有明显的增加，呈先增大后减小、然后趋于平稳的趋势，而P3剖面呈现的是先减小后缓慢增大的趋势。从30~40 cm土层开始P5剖面容重值明显大于其余剖面，0~10 cm土层中，土壤容重大小比较大致为P2 < P1 < P5 < P4 < P3。通过对比各个剖面土壤质量含水量变化趋势（图 7）发现，土壤质量含水量的范围为1.19%~20.97%，整体上P1剖面质量含水量随土层深度的增加有上升趋势，P3剖面质量含水量较其余剖面小，P2剖面与P5剖面在20~30 cm土层有明显下降趋势，并且P5剖面下降更为明显，P4剖面随土层加深变动程度较小。
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图 6 土壤容重随土层深度变化趋势 Figure 6 Trend of soil bulk density with depths |
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图 7 土壤质量含水量随土层深度变化趋势图 Figure 7 Trend of soil mass water content with depths |
基本统计结果表明，土壤容重最大值出现在40~ 70 cm土层之间，最小值出现在0~30 cm土层之间。土壤容重平均值和中值为1.47、1.51 g·cm-3，较全国土壤容重平均值和中值（1.32、1.35 g·cm-3）大[31]，含矿物质较多的土壤的容重值为1.40~1.70 g·cm-3 [31]，表明该区域排土场土地复垦重构土壤质量较接近标准水平。土壤容重变幅为0.49 g·cm-3，变化幅度大，P3、P4剖面属于弱变异程度，其余属于中等变异程度。
各个土层之间土壤容重存在较显著差异，且土壤容重在30~60 cm土层差异性最大。在30~60 cm土层中P3剖面和P5剖面的土壤容重与其他剖面土壤容重差异最明显。这是由于P3剖面是边坡，是在排土造地过程中自然形成，且没有受到机械碾压[32]，坡度大、草本稀少，土壤容重总体偏小。植被根系作用对土壤容重会产生很大影响[33]。该样地种植植被为柠条，比其他样地的刺槐扎根要深[34]，使得P3剖面在较深土层中土壤疏松、容重小。P5剖面是典型的土石混排剖面，砾石含量高，并且受大型机械压实严重，在30~60 cm土层中土壤紧实度急剧升高，造成P5剖面与其他剖面产生较显著差异。
通过比较发现，平台土壤容重大于边坡。边坡处的土壤容重较低，这是因为边坡是在排土过程中自然形成的，没有经过重型机械的碾压[35]。P2剖面和P3剖面均为边坡，土壤容重却存在较大差异。这是因为土壤容重与坡度呈负相关关系[36-37]，P3剖面所在边坡坡度为33°，P2剖面所在边坡坡度为22°，所以P3剖面的土壤容重小于P2剖面。
随着土层深度的增加，土壤容重值先增加后减少，依次交替并趋于稳定。这与柴华等[31]提出的土壤容重随土层深度增加而增加，两者间表现为显著的幂函数关系的结论存在不一致之处。这是因为本研究区为露天煤矿排土场，在一定厚度的覆土下多分布着煤矸石与砾石，煤矸石与砾石在土体中形成障碍层，影响土壤的物理性质。此外，在研究区内多有煤矸石自燃现象，放出的热量以及气体会影响到覆土的性质，对土壤物理性质产生很大的影响[27]。这导致了露天煤矿排土场土壤容重在不同土层上的分布规律与一般规律存在差别。
3.2 重构土壤质量含水量差异P1剖面随着土层深度的增加，土壤质量含水量总体上逐渐增大，与王尚义等[38]提出的土壤含水量与土壤深度呈极显著正相关结论一致。并且该样地整体含水量较大，从造地工艺与植被恢复效果来看，该样地是平台且植被恢复效果比较好，土壤质量含水量有明显的提高[39]。在20~30 cm土层间，P2剖面与P5剖面土壤质量含水量有明显下降趋势。这是因为P2剖面和P5剖面障碍层浅，0~20 cm以表土为主，以下为土石混排，孔隙度大，砾石含量高，含水量低。
各个土层之间土壤质量含水量之间均存在显著差异，且土壤质量含水量在0~30 cm土层差异性最大。表层土壤处于大气圈、土壤圈和生物圈的交界面上，在各种影响下具有高度的空间变异性[40]。P1、P3剖面与P4剖面为纯土壤剖面，P2剖面与P5剖面为土石混排剖面，不同土体构型有不同的透水保水性能[41]，这就造成了土壤质量含水量差异性的存在。在0~30 cm土层，P3剖面土质疏松，保水性能差，土壤质量含水量显著低于其他剖面；P1、P2剖面与P4剖面草本较多，草根多分布于0~30 cm土层，消耗了土体表层的水分[33]；P5剖面草本密集，对水分的消耗更大。研究区内土壤质量含水量大小基本表现为平台大于边坡，阴坡大于阳坡，半阳坡和半阴坡介于阴坡、阳坡两者之间，与孟秦倩等[42]的研究结果一致。这是因为地形和光照是影响土壤含水量的重要因素[42]，边坡较平台水分流失严重，而光照充足的阳坡水分蒸发量更大。
3.3 重构土壤典型物理性质与植被生长状况的关系从图 6和图 7可以看出重构土壤容重与土壤质量含水量的变化大体呈S型变化，这一现象比较符合王金满等[18]提出的Logistic生长模型。土壤容重与土壤质量含水量之间存在明显的负相关关系，这与甘淼等[43]的研究结果一致，并且相关性较小的样地植被生长状况较好。矿区的建设和生产损毁了土地的原始条件，对植被生长造成严重影响，也加大了矿区植被的恢复难度[44]。植被恢复的早期阶段，很大程度上受到土壤质量的约束[45]，这就对早期造地工艺提出要求，在重构土壤的物理性质方面要注意加强单个物理因子以及各个因子之间相关性的研究，优化土壤质量。本研究表明研究区植被生长状况较好的样地土壤容重均值为1.47 g·cm-3，土壤质量含水量随深度增加趋于10%左右。
表层土壤容重和质量含水量是影响植被生长的重要因素。本研究中，表层0~10 cm土壤容重较小的样方，植被生长状况较好，并且土壤质量含水量在0~ 30 cm之间存在较大差别，在30 cm以下基本趋于10%左右，结合植被生长状况，说明表层土壤物理性质的不同是植被生长状况存在差异的主要原因。浅层土壤更容易受到环境因素的影响[46]，土壤含水量受植被根系的影响，但随着深度的增加，根系对土壤含水量的影响逐渐减弱[47]。实地调研与分析表明，S2样方中植被生长状况最好，S3样方最差。二者土壤容重均比其余样地小，但是植被状况差异却很大，这可能是因为S2样方土壤质量含水量较S3样方大，并且在0~20 cm表层土中S2样方土壤质量含水量约为S3样方的4倍。S3样方土质疏松，水分含量少，只适合生长柠条这类根系发达、耐旱、耐高温的树种。本研究着重强调土壤物理性质对植被的影响，关于植被对土壤影响的研究缺乏，今后有待进一步研究。同时，缺乏一个综合指标来反映植被生长状况，而且采样地数量有限，可能会影响所得结论的严谨性。
4 结论（1）基本统计学分析表明，研究区土壤容重随土层深度增加先增加后减少，均值为1.47 g·cm-3，变幅为0.49 g·cm-3，变化幅度大；平台容重大于边坡。土壤质量含水量总体上随土层深度增加而减小，平台大于边坡，阴坡大于阳坡，半阳坡和半阴坡介于阴坡、阳坡两者之间。
（2）差异性分析表明，在不同土层各个剖面土壤容重和土壤质量含水量之间均存在较明显差异，且土壤容重在30~60 cm土层差异最明显，土壤质量含水量在0~30 cm土层差异最明显。相关性分析表明土壤容重与土壤质量含水量之间存在明显的负相关关系，相关性大小为P5>P4>P2>P3>P1。
（3）表层0~10 cm土壤容重较小的样方，植被生长状况较好，并且土壤质量含水量在0~30 cm之间存在较大差别，说明表层土壤容重和质量含水量是影响植被生长的重要因素；植被生长状况良好的样地土壤容重呈上升趋势并最终浮动于1.50 g·cm-3左右，且土壤质量含水量随深度增加趋于10%左右。
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