平朔矿区生态重建区域土壤障碍层次障碍因子研究

摘要 ［目的］研究平朔矿区生态重建区域土壤障碍层次障碍因子。［方法］以平朔露天煤矿排土场植被衰退区为研究对象，通过典型刺槐、榆树人工林样地调查与土壤采样分析，系统研究排土场植被衰退区土壤颗粒组成特征、土壤养分状况、土壤水分条件，明确土壤条件影响下的植被衰退机理。［结果］平朔露天矿排土场土壤全氮含量平均值总体上小于0.52 g/kg，土壤全磷含量平均值小于0.44 g/kg，土壤全钾含量平均值小于16.95 g/kg，全氮、全磷含量分别为极低、低水平，土壤全钾含量为中等偏低水平，存在严重的氮、磷胁迫和中等程度钾胁迫。平朔露天煤矿排土场地表覆土来源为煤炭开采过程中剥离的黄土及红黏土，土壤颗粒组成均一，以粉粒（0.005～0.050 mm）和黏粒（>0.250 mm）为主，0～40 cm土层土壤粉粒和黏粒之和占比在95%以上，受大型机械的碾压及自然沉降影响，排土场土壤严重板结，土壤容重较大；土壤水分整体处于凋萎系数（12%～20%）以下。［结论］土壤氮、磷养分缺乏影响植物生长，磷、钾缺乏，植物生长受到影响，植物抗性（抗旱、抗寒）降低。黄土及红黏土土壤紧实致密，容重大，水分入渗率低，干旱年份生长期没有有效雨，土壤水分入渗补给极差，极度干旱导致刺槐、榆树、沙棘逐渐枯萎死亡。

关键词 森林生态水文；植被退化；土壤颗粒组成；土壤养分；土壤水分；排土场

中图分类号 X 171.4  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）24-0067-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.016

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Soil Barrier Levels and Barrier Factors in the Ecological Reconstruction Area of Pingshuo Mining District

L  Chong-yuan，WANG Dong-sheng，SONG Bai-ning et al

（School of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract ［Objective］ To study the barrier factors of soil obstacles in the ecological reconstruction area of Pingshuo mining area.［Method］The vegetation decline area of Pingshuo open-pit coal mine dump was taken as the research object， and the soil particle composition characteristics， soil nutrient status and soil moisture conditions in the vegetation decline area of the dump were systematically studied through the investigation and soil sampling analysis of typical Robinia pseudoacacia and elm plantations， so as to clarify the vegetation decline mechanism under the influence of soil conditions. ［Result］The soil total nitrogen content in Pingshuo open-pit mine dump was generally less than 0.52 g/kg， the average soil total phosphorus content was less than 0.44 g/kg， and the average soil total potassium content was 16.95 g/kg， the total nitrogen and total phosphorus were both very low and low， and the soil total potassium content was medium to low， and there were serious nitrogen and phosphorus stress and moderate potassium stress. The source of the surface soil of the dumping site of Pingshuo open-pit coal mine was the loess and red clay stripped in the process of coal mining.The surface cover soil of the Pingshuo open-pit coal mine waste dump comes from loess and red clay stripped during coal mining. The soil particle composition was uniform， mainly consisting of silt particles （0.005-0.050 mm） and clay particles （>0.250 mm）. The sum of silt particles and clay particles in the 0-40 cm soil layer accounted for more than 95%. Due to the compaction and natural settlement of large machinery， the soil in the waste dump was severely compacted and had a high bulk density; the overall soil moisture was below the wilting coefficient （12%-20%）.［Conclusion］The lack of soil nitrogen and phosphorus nutrients affects plant growth， while the lack of phosphorus and potassium affects plant growth and reduces plant resistance （drought resistance， cold resistance）.Loess and red clay soils are compact and dense， with a large capacity and low water infiltration rate. In dry years， there is no effective rainfall during the growth period， and the soil water infiltration supply is extremely poor. Extreme drought causes Robinia pseudoacacia， elm trees， and seabuckthorn to gradually wither and die.

Key words Forest ecohydrology；Vegetation degradation;Soil particle composition；Soil nutrients；Soil moisture；Spoibank

近年来，随着我国露天煤矿的大规模开发，排土场土壤肥力和植被恢复问题日益引起广泛关注。刘军等^［1］研究发现人工沙棘林能够显著提高土壤肥力，促进土壤微生物活性，有利于矿区生态环境的恢复；杨国敏等^［2］研究发现水分是限制矿区植被生长的关键因素，合理的水资源管理对植被恢复具有重要意义；许丽等^［3］研究阜新市海州露天矿排土场植被自然恢复过程中物种多样性发现，植被的自然恢复过程具有可逆性。目前关于露天煤矿排土场的研究主要集中在土壤肥力、植被恢复、土壤侵蚀与扬尘污染、土地复垦等方面^［4-7］。黄土区生态环境研究的热点是土壤水分、土地利用和人类活动等方面的问题^［8-10］，而现阶段露天矿排土场建设的首要任务是植被恢复。因此，黄土区水文特征、土地植被修复、人类活动影响的研究对于理解黄土区的生态环境和水文特征^［11-13］，以及制定相应的生态保护和水资源管理策略具有重要意义。

植被恢复是矿区环境持续发展的重要保证^［14-16］。但是对于排土场植被退化机理的研究鲜有报道。因此，笔者通过深入分析排土场土壤的颗粒组成特征、养分状况和水分条件，明确影响植被重建与稳定的土壤因素，以期为排土场生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平朔矿区位于黄土高原东缘，在山西省北部，朔州市平鲁区境内，地理位置为112°20′35″～112°26′22″E、39°26′03″～39°30′29″N^［17］。矿区总面积近160 km2，地跨平鲁、朔城两城区，隶属朔州市管辖。夏季气温凉爽，春冬季风沙严重，气候特点干燥寒冷。年温差与日温差大，年日照时数为2 693.3 h^［18］，年降水量分配极度不均^［19］。

平朔矿区是生态脆弱区的典型。长期高强度采矿破坏了矿区生态环境，地表植被以耐旱灌草植物为主，主要植被类型根据地形特征分布，平台区为刺槐与草地，坡脚、坡中、坡顶多为刺槐与油松，少量为油松与火炬树（表1）。

1.2 研究方法

首先对排土场立地条件进行诊断，在找到原因后，通过土壤重构与改良技术进行相应研究。采用野外观测试验方法、室内分析方法、区域遥感法、大尺网格法、典型样地法和大田试验法相结合的试验方法进行试验研究。

考虑各类能影响土壤环境和土壤生物的植被相关因素^［20］，在排土场设置大样地（面积约20 km2），构建评价单元体系，采用网格法布设采样点，网格大小为1 km×1 km。同时，每一大样地设置3个典型样地（面积≥1 000 m2），采样点加密，网格大小为20 m×20 m。

通过对土壤质地、土壤紧实度、土壤含水量等参数进行分析，综合评价土壤障碍层次与限制因子。通过研究土壤中N、P、K、土壤有机质的含量，按照一般土壤肥力评价标准，将评价结果分为不同等级。

2 土壤障碍层次与障碍因子

2.1 土壤颗粒组成与孔隙度

土壤质地是土壤的一种较稳定的自然属性^［21］。黄土组成成分均一，以粉粒（0.005～0.050 mm）和黏粒（>0.250 mm）为主，并含一定比例的细砂、极细砂物。碳酸盐矿物在黄土中的胶结作用使黄土的土壤颗粒在自然结构下紧密堆积，容重大，总孔隙度小。

平朔露天矿区排土场土壤颗粒组成差异性大，颗粒组成以粉粒和黏粒为主，土粒堆积紧密，容重大，总孔隙度小。土壤以黄土、红黏土为主，砂粒、粉粒、黏粒平均含量分别为3.24%、14.12%、82.52%，土壤质地类型为黏质土。透水性差，不适宜植物根系储存水分。从0～20 cm土层内土壤的颗粒组成状态（图1a）可以看出，3个排土场中安太堡南排平台黏粒占比最多，为92.15%，安家岭西排平台黏粒最少，占61.07%；粉粒在安家岭西排平台最多，占比为34.4%，在安太堡南排平台最低，仅占5.53%；砂粒在安家岭西排平台分布最广，占4.53%，在安太堡南排平台最少，占2.30%。从>20～40 cm土层土壤颗粒组成分布（图1b）可以看出，安家岭西排边坡在3个排土场中黏粒分布最广，占90.76%，安家岭西排平台黏粒分布最少，仅占57.48%；粉粒在安家岭西排平台分布最广，占37.33%，安太堡南排平台分布最少，仅占6.47%；砂粒在安家岭西排平台分布最广，占4.89%，在安家岭西排边坡最少，仅占2.63%。由此可看出，3个排土场中普遍存在黏粒远高于砂粒和粉粒的情况。

2.2 土壤紧实度与土壤容重

山西省朔州市属于黄土高原区，地表的风积黄土及红黏土沉积深厚。平朔露天矿排土场地表覆土的来源为煤炭开采过程中剥离的黄土及红黏土，覆土厚度约50 cm。平台区采用大型机械作业，机械压实作用导致土壤坚实；边坡区则采用在边坡顶部向下倾覆的方式覆土，土壤疏松，厚度均匀。采区地表存在深厚坚实的黄土，以及煤炭露天开采过程中剥离的红黏土^［22-23］。平朔矿区其平台区受大型机械的碾压及自然沉降（降水作用）影响，土壤结构发生了明显变化，土壤坚实，地表严重板结，容重较大且分布不具规律性。土壤紧实影响植物对水分和养分的吸收利用^［24］，进而对植被产生影响。