露天矿排土场不同复垦模式下的土壤修复效果研究

刘宝勇　甄博珺　潘琪　何志勇

摘要 以阜新市海州露天矿排土场刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、农田、草地、裸地6种复垦模式为研究对象，其中以裸地为对照，分析不同复垦模式土壤因子的显著性差异，以揭示不同复垦模式对土壤的修复效果。结果表明，白榆林地土壤温度显著低于裸地，降低土壤温度效果明显；刺槐白榆混交林地土壤含水量显著高于其余复垦模式，保持土壤水分效果明显；刺槐白榆混交林地提高土壤全氮、有机质、碱解氮含量效果最显著；白榆林地提高土壤速效钾含量效果最显著；农田提高土壤速效磷含量效果最显著；各种复垦模式均有降低土壤pH效果。总的来说，刺槐白榆混交林复垦模式对露天矿排土场的土壤修复效果最好。

关键词 露天矿排土场；土壤因子；复垦模式；修复效果

中图分類号 X171.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）06-0053-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.015

Study on Soil Remediation Effect of Open－pit Mine Dump under Different Reclamation Modes

LIU Bao－yong，ZHEN Bo－jun，PAN Qi et al

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

Abstract Six reclamation modes of Robinia pseudoacacia forest land， Ulmus pumila forest land， Robinia pseudoacacia－Ulmus pumila mixed forest land， farmland， grassland and bare land were studied in Haizhou open－pit mine of Fuxin City， and bare land was taken as control. The significant difference of soil factors in different reclamation modes was analyzed to reveal the effect of different reclamation modes on soil restoration.The results showed that the soil temperature of Ulmus pumila forest land was significantly lower than that of bare land， and the effect of reducing soil temperature was obvious.The soil water content of Robinia pseudoacacia－Ulmus pumila mixed forest land was significantly higher than that in other reclamation models， and the effect of soil water conservation was obvious.The Robinia pseudoacacia－Ulmus pumila mixed forest land had the most significant effect on increasing soil total nitrogen， organic matter and alkali－hydrolyzable nitrogen content.Ulmus pumila forest land had the most significant effect on increasing soil available potassium content;Farmland had the most significant effect on increasing soil available phosphorus content.All reclamation modes have the effect of reducing soil pH.In general， the reclamation model of the mixed forest reclamation model had the best effect on the soil remediation of the open－pit mine waste dump.

Key words Open－pit mine dump;Soil factors;Reclamation mode;Remediation effect

辽宁省阜新市海州露天矿在生产过程中，形成了排土场，周围环境被严重破坏。为改善这一情况，排土场已经进行了土地复垦。但目前，对于海州露天矿排土场复垦土壤的研究多停留在对土壤酶及生态化学计量的研究［1-3］，缺少对不同复垦模式的土壤因子改良情况反映生态修复效果的研究。

土壤温度、含水量以及土壤pH直接影响土壤肥力，土壤养分更与土壤的质量密切相关，是植物生长过程中所需营养物质的主要来源［4］。因此笔者通过测定排土场不同复垦模式土壤温度、含水量以及土壤养分并进行显著性分析，深入了解不同复垦模式对露天矿排土场土壤修复情况，进一步了解排土场复垦的实施效果，为排土场继续实施复垦提供理论方向与依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

海州露天矿排土场位于121°26′E、42°02′N，辽宁省阜新市太平区境内，东西长7 km，南北宽3 km，占地16 km2，该地区年降水量539 mm，年蒸发量达1 800 mm，年平均气温7.3 ℃，昼夜温差大，属于半干旱大陆性季风气候区，其土质是由露天矿排出的页岩、砂岩构成［5］，覆土厚度约30 cm。

1.2 研究内容

以海州露天矿排土场刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、农田、草地为研究对象，以裸地为对照。对海州露天矿排土场不同复垦模式下的土壤温度、含水量、pH以及土壤全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量进行测定，并进行显著性分析。

1.3 研究方法

于2021年5月，避開雨天等特殊天气，选取晴朗微风典型天气，选取周围地势相同、坡向相同、坡度相近的刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、农田、草地、裸地进行土样采集，在采集点选取0～10、10～20、20～30 cm土层深度，共采集土样18个，装入密封袋中，编号并带回实验室进行检测。

土壤含水率的测定采用烘干法；土壤温度的测定采用曲管地温计；土壤全氮的测定采用半微量开氏法；土壤全磷的测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；土壤全钾的测定采用NaOH熔融-火焰光度法；土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法测定；土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法；土壤速效磷的测定采用0.5 mol/L NaHCO3法；土壤速效钾的测定采用醋酸铵溶液浸提法；土壤pH的测定使用土壤酸碱度计。

1.4 数据统计分析

采用Excel整理数据，SPSS 23进行数据处理，并进行差异显著性检验。采用Origin 2021画图。

2 结果与分析

2.1 不同复垦模式下土壤温度分析

从图1～3可以看出，不同复垦模式下土壤温度日变化表现为先上升后下降的变化趋势。对相同复垦模式不同时间土层温度进行分析，各土层相同复垦模式不同时间土壤温度存在差异。0～10 cm土层，白榆林地15：00土壤温度显著高于07：00—13：00，最高温度出现在15：00；刺槐林地、刺槐白榆混交林地、农田、裸地、草地11：00—17：00土壤温度显著高于07：00，最高温度出现在13：00。10～20 cm土层，各复垦模式11：00—17：00土壤温度均显著高于07：00，刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、农田土壤最高温度出现在15：00，草地、裸地土壤最高温度出现在13：00。20～30 cm土层，各复垦模式07：00土壤温度均显著低于其余时段，刺槐林地、白榆林地、农田、裸地土壤最高温度出现在15：00，刺槐白榆混交林地、草地土壤最高温度出现在13：00。各土层不同复垦模式相同时间土壤温度存在差异，0～10 cm土层07：00—13：00表现为农田、草地、裸地土壤温度显著高于白榆林地，15：00—17：00各复垦模式土壤温度无显著差异；10～20 cm土层07：00—13：00表现为草地土壤温度显著高于白榆林地，15：00—17：00各复垦模式土壤温度无显著差异；20～30 cm土层07：00—11：00草地、裸地土壤温度显著高于其余复垦模式，13：00—17：00裸地土壤温度显著高于其余复垦模式。

2.2 不同复垦模式下土壤含水量分析 从表1可以看出，同一复垦模式不同土层间土壤含水量有一定的差异，白榆林地、草地、农田与裸地0～10 cm土层土壤含水量略低于10～20、20～30 cm土层，刺槐林地20～30 cm土层含水量低于0～10、10～20 cm土层。同一土层不同复垦模式土壤含水量有一定的差异，0～10 cm土层土壤含水量，刺槐白榆混交林地、刺槐林地显著高于白榆林地、草地、裸地、农田；10～20 cm土层土壤含水量，刺槐白榆混交林地、刺槐林地、农田显著高于白榆林地、草地、裸地；20～30 cm土层土壤含水量，刺槐白榆混交林地显著高于其余复垦模式。

2.3 不同复垦模式下土壤全氮、全磷、全钾、有机质含量分析 从表2可以看出，

刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地不同土层间土壤全氮含量均存在差异，农田、草地、裸地不同土层间土壤全氮含量差异不显著（P>0.05），刺槐林地、刺槐白榆混交林地0～10 cm土层土壤全氮含量显著高于10～20、20～30 cm，白榆林地20～30 cm土层土壤全氮含量显著低于0～10、10～20 cm。对相同土层不同复垦模式分析，各土层不同复垦模式土壤全氮含量均存在差异；同一土层刺槐白榆混交林地、刺槐林地土壤全氮含量显著高于其余复垦模式。

相同土层不同复垦模式之间土壤全磷含量均存在差异。0～10 cm土层草地土壤全磷含量显著低于除农田外其余复垦模式；10～20 cm土层白榆林地、刺槐白榆混交林地、裸地土壤全磷含量显著高于农田、草地；20～30 cm土层白榆林地、刺槐白榆混交林地土壤全磷含量显著高于刺槐林地、农田、裸地、草地。对相同复垦模式不同土层分析发现，农田不同土层土壤全磷含量存在显著差异。农田0～10 cm土层土壤全磷含量显著高于20～30和10～20 cm土层；裸地10～20 cm土层土壤全磷含量显著高于0～10和20～30 cm土层。

相同土层不同复垦模式之间土壤全钾含量均存在差异。0～10、10～20 cm土层刺槐白榆混交林地土壤全钾含量显著低于其余复垦模式；20～30 cm土层裸地、刺槐白榆混交林地土壤全钾含量显著低于其余复垦模式。对相同复垦模式不同土层分析发现，刺槐林地10～20 cm土层土壤全钾含量显著高于20～30 cm土层；白榆林地0～10 cm土层土壤全钾含量显著低于10～20、20～30 cm土层；草地20～30 cm土层土壤全钾含量显著高于0～10、10～20 cm土层。

相同土层不同复垦模式之间土壤有机质含量存在差异，各土层均表现为刺槐白榆混交林地土壤有机质含量显著高于其余复垦模式。对相同复垦模式不同土层分析发现，白榆林地、草地0～10 cm土层土壤有机质含量显著高于10～20、20～30 cm土层；刺槐林地10～20 cm土层土壤有机质含量显著高于0～10、20～30 cm土层；裸地10～20、20～30 cm土层土壤有机质含量显著高于0～10 cm土层；农田20～30 cm土层土壤有机质含量显著高于0～10、10～20 cm土层；刺槐白榆混交林地各土层间无显著差异。

2.4 不同复垦模式下土壤碱解氮、速效磷、速效钾、pH分析

对相同复垦模式不同土层土壤碱解氮含量分析（表3）发现，白榆林地表现为0～10 cm土层土壤碱解氮含量显著高于10～20、20～30 cm土层，刺槐白榆混交林地表现为10～20 cm 土层土壤碱解氮含量显著低于0～10、20～30 cm土层。对同一土层不同复垦模式分析发现，0～10 cm土层土壤碱解氮含量，刺槐白榆混交林地、白榆林地、刺槐林地显著高于农田、裸地、草地；10～20 cm土层土壤碱解氮含量，草地显著低于其余复垦模式；20～30 cm土层土壤碱解氮含量，刺槐白榆混交林地显著高于白榆林地、裸地、农田、刺槐林地、草地。

对相同土层不同复垦模式土壤速效磷含量分析（表3）发现，0～10 cm土层土壤速效磷含量，农田显著高于其余复垦模式；10～20 cm土层土壤速效磷含量，农田、草地显著高于其余复垦模式；20～30 cm土层土壤速效磷含量，农田显著高于其余复垦模式。对相同复垦模式不同土层分析发现，农田各土层间速效磷含量差异显著，表现为0～10 cm土层含量显著高于10～20、20～30 cm土层。

对相同复垦模式不同土层土壤速效钾分析（表3）发现，刺槐林地、刺槐白榆混交林地、农田、草地、裸地0～10 cm土层土壤速效鉀含量显著高于10～20、20～30 cm土层；白榆林地20～30 cm土层土壤速效钾含量显著高于0～10、10～20 cm土层。对同一土层不同复垦模式分析发现，各土层白榆林地土壤速效钾含量均显著高于其余复垦模式。

对相同复垦模式不同土层土壤pH分析（表3）发现，农田不同土层土壤pH无显著差异；刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地、裸地20～30 cm土层土壤pH显著高于0～10、10～20 cm土层；草地10～20、20～30 cm土层土壤pH显著高于0～10 cm土层。对同一土层不同复垦模式分析发现，各土层均表现为裸地土壤pH显著高于其余复垦模式，5种复垦模式土壤pH低于裸地且深层土壤pH高于表层土壤。

3 讨论

研究区土壤含大量煤矸石，大孔隙多，结构较差，使土壤导热率增加。土壤被太阳直接照射时吸热快，温度高；太阳照射不强时散热快，一天之内温度变化大。所以没有植物遮蔽的农田、草地、裸地的表层土壤温度日变化较大，林地有林冠以及枯枝落叶遮挡，林地土壤温度日变化不大，地表温度较低［6］，有助于生态环境恢复。

林地枯枝落叶吸收水分，缓解了土壤水分流失和蒸发，提高土壤表层水分含量［7-8］，而农田、裸地、草地0～10 cm土层的含水量显著低于深层土壤。刺槐林地0～20 cm土层土壤含水量高于白榆林地、裸地、草地。刺槐白榆混交林地各土层土壤含水量均最高，这是由于刺槐属于水平根系植物［9-10］，根系主要分布于接近地表的浅层土壤中［11-12］，白榆属深根性树种，根系深度远大于刺槐［13］。在所测土层较浅的情况下，刺槐林地0～30 cm土壤含水量显著高于白榆林地。而深层土壤含水量刺槐白榆混交林地最高，证明了水平根系树种与深根性树种混交可以相较于纯林显著提高深层土壤含水量［14-15］。

土壤养分是植物生长过程中所需营养物质的主要来源［4］，其中氮素更是土壤中的三大营养元素之一，研究区土壤全氮、碱解氮含量均表现为表层土壤高于深层土壤，这是由于采集土壤时期正值5月份植物在生长发育阶段，植物会吸收深层土壤养分供本身使用。各复垦模式提高土壤全氮含量都比较明显，尤其是刺槐白榆混交林地，其次为刺槐林地。枯枝落叶分解为土壤提供有机质、氮、磷、钾等营养物质，并逐年积累，向下沉淀，所以林地土壤全氮含量高于结构简单且凋落物量更少的复垦模式，其中混交林地结构最复杂，所以其土壤全氮含量也最高。土壤碱解氮含量相较于裸地，除农田与草地外不同复垦模式均有提高土壤碱解氮含量的能力。根据全国土壤养分评级［16］，海州露天矿排土场0～20 cm土层土壤碱解氮含量大多处于高和极高范围，说明土地复垦对露天矿排土场土壤修复效果明显。

磷是构成植物生命不可或缺的重要元素［17］。0～10 cm土层土壤全磷含量刺槐白榆混交林地最高。与裸地相比，白榆林地、刺槐白榆混交林地提高20～30 cm土层土壤全磷效果显著，其余复垦模式土壤全磷含量没有表现出明显提高。各复垦模式速效磷含量均有提高。但根据土壤速效磷含量分级［16］，所测土壤速效磷含量均处在中等及以下水平，大多数处在极低和较低等级，但是各复垦模式含量相较裸地均有提高。说明海州露天矿排土场整体速效磷含量不高，但是实施复垦对排土场土壤速效磷含量有提高效果。

各复垦模式土壤全钾含量差别较小，刺槐白榆混交林地土壤全钾含量最低。与裸地相比，白榆林地、刺槐林地、农田、草地提高20～30 cm土层土壤全钾效果显著，各复垦模式0～20 cm土层土壤全钾含量没有明显提高。刺槐林地、白榆林地、刺槐白榆混交林地有提高土壤速效钾含量的能力。而土壤速效钾含量整体处于极低水平，说明海州露天矿排土场整体缺钾，需要施用其他措施处理。

刺槐白榆混交林地土壤有机质含量显著高于其余复垦模式，且处于极高水平［16］，说明刺槐白榆混交林地对土壤的修复效果明显。各复垦模式对土壤pH均有降低作用，且林地降低pH较小，但总体来说，进行土壤复垦的土地对土壤酸碱性都有改良作用。

4 结论

不同复垦模式与裸地相比，均有修复土壤的效果。表层土壤质量提高明显，土壤磷含量变化不明显。刺槐白榆混交林地提高土壤全氮、全磷、碱解氮、有机质含量能力明显。各复垦模式对土壤修复效果由强到弱依次为刺槐白榆混交林地、刺槐林地、白榆林地、农田、草地、裸地。综上所述，排土场在改善土壤质量方面应采用刺槐白榆混交林地为主，白榆和刺槐林地为辅，还需要施用其余复垦措施来提高土壤速效磷、速效钾含量。

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作者简介 刘宝勇（1975—），男，辽宁葫芦岛人，副教授，博士，从事工矿区水土保持及矿山环境工程研究。

*通信作者，硕士研究生，研究方向：生态修复理论与技术。

收稿日期 2022-04-07