草原露天矿区重构土壤含水率差异性分析

　　摘 要：为揭示不同重构土壤配比及不同植被生长等级对重构土壤含水率影响的差异性，探寻最适宜的重构土壤材料配比，本文以内蒙古胜利矿区内排土场为研究区，对重构土壤复垦地进行了调查和取样，并采用单因素方差分析法对重构土壤的土壤含水率进行差异性分析，讨论了形成差异的原因。结果表明：①在不同的植被生长等级下，土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时，土壤含水率均较高;②当土壤重构方式相同时，不同植被生长等级下土壤含水率不完全受植被生长等级影响。土壤重构方式为岩土剥离物时，大田块一(15d翻耕靶地一次)和大田块二(30d翻耕靶地一次)在植被生长等级为1、2时，土壤含水率较高;土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石=2:3时，大田块三(60d翻耕靶地一次)和大田块四(当年翻耕处理并种植苜蓿)在植被生长等级为3时，土壤含水率较高;土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时，大田块一(15d翻耕靶地一次)和大田块三(60d翻耕靶地一次)在植被生长等级为3时，土壤含水率最高，大田块二(30d翻耕靶地一次)和大田块四(当年翻耕处理并种植苜蓿)在植被生长等级为1时土壤含水率最高。岩土剥离物、煤矸石、粉煤灰作为表土替代材料，其不同配比在重构土壤上的研究可以为表土稀缺矿区的复垦工作提供支撑，为全球草原露天矿区的生态修复工程提供参考。

　　关键词：土地复垦;矿区生态修复;表土替代材料;土壤含水率;植被生长等级

　　引 言

　　煤炭资源在全球能源结构中一直处于主导地位，近几年来，煤炭资源的开采程度呈逐步上升的态势[1]。2019年，全球煤炭总产量为81.29亿t，相比2018年上涨0.5%[2]。未来一段时间内，煤炭仍将保持全球能源主导地位[1]。中国是世界上最大的煤炭生 产 国 和 消 费 国，2019 年，中 国 煤 炭 总 产 量 为38.46亿t，占全球总产量的47.3%[2]。

　　露天煤矿开采是主要的采煤方式，美国、俄罗斯、印度等采煤大国的露天采煤比例达50%以上，部分国家达到90%以上。中 国 露 天 煤 矿 开 采 比 例 也 由 4% 提 高 到15%[3-4]，露天煤矿大规模开采尽管可以满足国家经济建设的需要，但同时也带来了许多生态环境问题及社会问题[5-7]。由于露天煤矿大多位于草原地区，导致草原地区的水土流失和土地荒漠化问题愈发严重，使原本脆弱的草原生态系统遭到了更严重的破坏[8]。

　　草原环境论文：草地利用方式对温性典型草原优势种植物功能性状的影响

　　土壤重构是土地复垦的核心[9]，重构土壤质量直接影响土地复垦状况。表土是土壤重构过程中的首要选择，但矿区土壤发育不良等自然因素及采矿活动等 人 为 因 素 导 致 许 多 矿 区 表 土 稀 缺 问 题 严重[10-12]，比 如 我 国 的 广 西 壮 族 自 治 区 平 果 铝 煤矿[13]、内蒙古自治区锡林浩特市 北 电 胜 利 露 天 煤矿[14]，德国的维佐夫煤矿[15]，美国的桦树河煤矿[16]均受表土稀缺问题影响。表土替代物可以有效地解决土壤重构过程中表土不足的问题，同时实现矿区固体废弃物的资源化利用[3]。

　　因此，在表土稀缺的矿区，表土替代物的选择是土壤重构过程的关键。大多数煤矸石为大孔隙，仅有较少的小孔隙，这给水分和气体提供了便于流动的通道，具有持水性差的特性，长期如此会影响地下水对土壤水分的补给，进而影响植物的生长[17]。粉煤灰具有较多的小孔隙和巨大的比表面积，其吸水性和持水能力均优于煤矸石，因此将粉煤灰与煤矸石按一定比例混合后作为重构土壤对土壤含水率有较大的改善作用[18]。

　　本文在矿区固体废弃物可作为表土替代材料的基础上，通过表土替代材料不同配比混合后及不同植被生长等级对重构土壤的持水能力差异性进行分析，研究矿区最优的表土替代材料配比，并讨论其差异形成的原因，为表土稀缺矿区的土地复垦工作提供理论参考，为矿区土壤重构时表土替代材料最优配比的选择提供实践参考，有利于表土稀缺矿区植被生长状况的改善，为国内外矿区的土地复垦工作提供支撑。

　　1 研究区概况

　　神华北电胜利矿区一号露天煤矿地处内蒙古高原东北部，深居内陆，位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市西北部伊利勒特苏木境内，地理位置为43°57′～44°14′N，115°30′～116°26′E，东西长6.84km，南北宽 5.43km，含煤面积 37.14km2，矿 产 储 量1934.43t，可开采矿产储量1854.79t，平均剥离率为2.59m3/t。

　　整个矿区地势较平坦，属温带半干旱大陆性季风气候区，气候特点为春季风大多干旱，夏季温热雨集中，秋高气爽霜雪早，冬季寒冷风雪多，年均气温1.7 ℃，年降水量294.74mm，年平均蒸发量为1794.4mm，属于典型草原地带性植被类型区。目前，此矿区土壤类型主要由栗钙土、草甸栗钙土、草甸土等组成，该部分土壤有机质含量较高，土壤肥力较好;部分地段由于草场退化形成沙化、砾石化栗钙土，植被覆盖率低，形成强烈侵蚀的生态脆弱草原区，对环境改变较为敏感。矿区内排土场重构土壤区在2019年进行了土地复垦与植被重建，自然植物组成有克氏针茅、大针茅、糙隐子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、锦鸡儿等，人工复垦与植被重建先锋植被为紫花苜蓿。

　　2 材料与方法

　　内排土场采用了三种不同的重构方式重构土壤：第一种表层为50cm 的岩土剥离物，下面全部为采矿剥离物自然堆积体;第二种表层为50cm 的岩土剥离物和煤矸石的混合物，岩土剥离物:煤矸石=2:3，下面全部为采矿剥离物自然堆积体;第三种表层为50cm 的岩土剥离物、煤矸石和粉煤灰的混合物，岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3，下面全部为采矿剥离物自然堆积体。每种重构方式构成一个小田块，三种不同重构方式形成的三个小田块组成一个大田块，共设置相同的四个大田块，另设置一块未复垦地作为对比田块。

　　2.1 样品采集与处理

　　2019年8月，对复垦后的内排土场四个大田块及未复垦地进行了样地调查和取样，取样前未进行浇水处理。大田块一15d翻耕一次，翻耕处理一年并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植一年苜蓿;大田块二30d翻耕一次，翻耕处理一年并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植一年苜蓿;大田块三60d翻耕一次，翻耕处理一年并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植一年苜蓿;大田块四当年翻耕处理，并种植苜蓿，年底将苜蓿翻压至土里，再重新种植一年苜蓿。其中，采样时样区处于翻耕处理一年后，且苜蓿已生长出来时。

　　为了使样地中所选定的各样点代表不同的植被恢复水平，在取样的地块内对各样点的植被长势进行了定性的分级，同时考虑到不同的重构地块内植被恢复的整体水平具有差异性，定性分级在三个不同的重构地块内分别进行，因此本次样点的选定能够代表样地内不同植被的恢复水平。在每个小田块内基于样线法在代表性地块上分别设置12个样点，植被恢复水平根据植被覆盖度高低划分为1、2、3、4四个等级，每个等级下设置三个土样样点，采样深度为20cm，将三个样点采集到的土样混合。

　　3 研究结果

　　3.1 不同重构土壤方式下土壤含水率差异性分析

　　当植被生长等级为1时，不同土壤重构方式下土壤含水率差异性，在大田块一中，未复垦地的土壤含水率最高，为12.29%，与复垦地1-1、复垦地1-2、复垦地1-3之间不存在显著性差异。在大田块二中，复垦地2-3的土壤含水率最高，为 14.16%，显 著 高 于 复 垦 地 2-1 和 复 垦 地2-2，高出比例分别为39.97%和113.69%(高出比例是通过每个田块土壤含水率均值计算得到的);复垦地2-3和未复垦地之间不存在显著性差异，高出未复垦地15.19%。

　　在大田块三中，复垦地3-3土壤含水率最高，为13.15%，与复垦地3-1、复垦地3-2、未复垦地之间不存在显著性差异。在大田块四中，复垦地4-3的土壤含水率最高，为15.36%，显著高于复 垦 地 4-1 和 复 垦 地 4-2，高 出 比 例 分 别 为41.57%和64.56%;与未复垦地之间不存在显著性差异，高出未复垦地24.96%。

　　在大田块一中，未复垦地的土壤含水率最高，为12.29%，与复垦地1-1、复垦地1-2、复垦地1-3之间不存在显著性差异。在大田块二中，复垦地2-2的土壤含水率最高，为13.12%，与复垦地2-1、复垦地2-3、未复垦地之间不存在显著性差异。在大田块三中，未复垦地的土壤含水率最高，与复垦地3-1、复垦地3-2、复垦地3-3之间不存在显著性差异。在大田块四中，未复垦地的土壤含水率最高，显著高于复垦地4-2，高出比例为38.48%;与复垦地4-1、复垦地4-3之间不存在显著性差异。

　　在大田块一中，复垦地1-3的土壤含水率最高，为17.59%，显著高于复垦地1-2，高出比例为261.06%;与未复垦地之间不存在显著性差异，高出未复垦地43.12%。在大田 块 二 中，复 垦 地 2-3 的 土 壤 含 水 率 最 高，为13.39%，显 著 高 于 复 垦 地 2-1，高 出 比 例 为112.84%;与未复垦地之间不存在显著性差异，但高出未复垦地8.95%。

　　在大田块三中，复垦地3-3的土壤含水率最高，为14.40%，与复垦地3-1、复垦地3-2和未复垦地之间不存在显著性差异。在大田块四中，复垦地4-2的土壤含水率最高，为14.96%，与复垦地4-1、复垦地4-3和未复垦地之间不存在显著性差异，土壤含水率高出未复垦地21.71%。

　　当植被生长等级为4时，不同土壤重构方式下土壤含水率，无论在哪个大田块中，复垦地的土壤含水率与未复垦地之间均不存在显著性差异。在大田块一中，复垦地1-3的土壤含水率最高，为 15.11%，高出未复垦地 22.93%。在大田块四中，复垦地 4-2 的土壤含水率最高，为14.09%，高出未复垦地14.65%。

　　4 讨 论

　　4.1 不同重构土壤方式下土壤含水率分析当植被生长等级为1时，大田块二、大田块三和大田块四在土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时土壤含水率最高;当植被生长等级为2时，大田块一和大田块二在土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时土壤含水率较高;当植被生长等级为3时，大田块一、大田块二、大田块三在土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时土壤含水率最高;当植被生长等级为4时，大田块一、大田块二、大田块三在土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时土壤含水率较高。

　　因此，在不同的植被生长等级下，土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时土壤含水率均较高。这是由于煤矸石的理化性质和土壤的理化性质具有较大的差异，煤矸石中大孔隙含量较多，造成其持水性差，长时间施用会影响地下水对土壤水分的补充，进而影响植物生长[19]。

　　粉煤灰是火力发电厂燃煤排出的一种工业废渣，具有丰富的孔隙和巨大的比表面积，在土壤中掺入粉煤灰可以有效改善土壤结构和通气透水性能[18-20]。煤矸石和粉煤灰混合后可以提高煤矸石的饱和含水量，同时可以改 变 煤 矸 石 的 孔 隙 结 构 并 降 低 煤 矸 石 的 导气率[18-21]。

　　4.2 不同植被生长等级下土壤含水率分析当土壤重构方式为岩土剥离物时，大田块一和大田块二在植被生长等级为1、2时土壤含水率较高;当土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石=2:3时，大田块三和大田块四在植被生长等级为3时土壤含水率较高;当土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时，大田块一和大田块三在植被生长等级为3时土壤含水率最高，大田块二和大田块四在植被生长等级为1时土壤含水率最高。

　　因此，不同植被生长等级下土壤含水率并不是植被生长等级越高越好。这可能与排土场存在的微地形及重构土壤结构有关，当排土场有小型沟壑存在时，在降雨时可能会存在积水情况，有研究表明，在实际应用时，使用粉煤灰充填土地容易造成地表积水，导致土壤透气性差，影响植被生长状况。而使用煤矸石充填时，煤矸石极差的持水性容易导致土壤水分易流失，因此，当土壤含水率最高时，植被生长状况不一定最优[22-23]。

　　4.3 利用矿区固体废弃物进行土壤重构存在的局限性分析在气候干旱时，由于复垦土壤表层土壤较薄，重构土壤含水量可以满足植被的生长需求，粉煤灰层具有较强的持水能力，但这种强持水能力也会带来一定局限性，当粉煤灰施用过多时，整个复垦土壤剖面的含水量可能常年接近饱和含水量，这会阻滞植物的生长，即使是在干旱的年份，这种局限性也可能存在[24]。

　　利用煤矸石进行土壤重构时，土壤含水率会受到坡位的影响，降水的径流作用导致含水量由坡上到坡下呈现逐渐增加的趋势[25]。因此，在进行表土稀缺矿区土壤重构过程中，粉煤灰的含量不应过多，应保证与煤矸石按一定比例混合后对土壤的含水率改善作用最优。在除此之外，矿区进行重构土壤平整过程中，应尽量避免沟壑的存在，并对复垦地进行充分的翻耕和平整。

　　5 结 论

　　1)在不同的植被生长等级下，土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时土壤含水率均较高。2)当土壤重构方式相同时，不同植被生长等级下土壤含水率并不是植被生长等级越高越好。当土壤重构方式为岩土剥离物时，大田块一(当年不种植，不翻耕)和大田块二(15d翻耕靶地一次)在植被生长等级为1、2时土壤含水率较高;当土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石=2:3时，大田块三(30d翻耕靶地一次)和大田块四(60d翻耕靶地一次)在植被生长等级为3时土壤含水率较高;当土壤重构方式为岩土剥离物:煤矸石:粉煤灰=3:4:3时，大田块一(当年不种植，不翻耕)和大田块三(30d翻耕靶地一次)在植被生长等级为3时土壤含水率最高，大田块二(15d翻耕靶地一次)和大田块四(60d翻耕靶地一次)在植被生长等级为 1 时土壤含水 率最高。

　　参考文献

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　　作者：孙俊东1，韩 兴1，黄月军1，肖 兵1，佘长超1，王玲玲2，王 凡

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