不同复垦方式对煤矿复垦区土壤养分状况的影响

李俊颖,李新举*,赵跃伦,蔡德水,吴争力,高 峰

1.土肥资源高效利用国家工程实验室,山东 泰安 271018

2.山东农业大学 资环学院,山东 泰安 271018

3.济宁市国土资源局,山东 济宁 272001

4.济宁市采煤塌陷地治理中心,山东 济宁 272001

不同复垦方式对煤矿复垦区土壤养分状况的影响

李俊颖1,2,李新举1,2*,赵跃伦3,蔡德水4,吴争力3,高 峰4

1.土肥资源高效利用国家工程实验室,山东 泰安 271018

2.山东农业大学 资环学院,山东 泰安 271018

3.济宁市国土资源局,山东 济宁 272001

4.济宁市采煤塌陷地治理中心,山东 济宁 272001

以济宁市采煤塌陷区粉煤灰充填、煤矸石充填、引湖充填、引黄充填、预复垦5种方式的复垦土壤为研究对象，研究不同复垦方式对土壤养分及整体肥力恢复程度的影响。结果表明，在0～30 cm耕作层，煤矸石充填较其他方式对复垦土壤碱解氮、有效磷和有机质的含量提升效果更显著，分别达28.07 mg/kg、45.15 mg/kg、1.14%。速效钾含量以引黄充填最高，粉煤灰充填对耕层土壤碱解氮含量影响最小，预复垦对耕层土壤有效磷、速效钾、有机质含量的影响最小；在30～50 cm土层，对复垦土壤养分提升效果最显著的为粉煤灰充填，土壤碱解氮、有效磷、速效钾及有机质分别高于对照地块68.5%、89.0%、71.4%、177.3%。五种复垦方式对耕作层土壤整体肥力的影响由大到小依次为粉煤灰充填地块＞煤矸石充填地块＞引黄充填地块＞引湖充填地块＞预复垦地块，在30～50 cm土层依次为引湖充填＞粉煤灰充填＞预复垦＞引黄充填＞煤矸石充填。综合考虑不同复垦方式对土壤养分及整体肥力恢复程度的影响，粉煤灰充填、引湖充填方式对于济宁地区土壤肥力的恢复效果最为显著，可在该地区进行进一步的推广。

济宁市;煤矿区;复垦;土壤养分

济宁市是我国重要的煤炭基地，截至2015年底，济宁市采矿塌陷地面积27343.15 hm2，占济宁市土地总面积的16.23%，使得矿区土地资源破坏十分严重,生态环境也遭到了严重地破坏。预计到2050年，最终形成塌陷地面积达到3333 km2，约占全市土地总面积的四分之一[1]。为了恢复矿区生态环境，遏制耕地锐减的局面，促进矿区经济与环境协调发展，开展土地复垦就成了一个现实而又迫切的问题[2]。对于济宁市土地复垦模式的研究目前还处于空白当中，因此针对济宁煤矿区不同复垦方式开展研究，对比不同复垦方式对土壤质量的影响，建立济宁市土地复垦评价指标体系对于济宁市塌陷地治理具有一定的现实意义。

煤矿开采过程中直接挖掘表土、土石堆积而导致矿区植被损毁、地形和地质结构改变、地表和地下水文特征破坏[3]。胡振琪首次提出了复垦土壤重构的原理与方法，为复垦优质土壤奠定了理论基础[4]。目前济宁市采煤塌陷地治理主要采取引湖充填、引黄充填、预复垦、煤矸石充填、粉煤灰充填五种复垦方式。

土壤养分是植被生存与发展重要的物质基础[5]。复垦土壤养分含量是耕地复垦效果评价的重要指标，也是指导土壤复垦工作的重要依据。矿区土壤养分变化研究及评价，对于指导矿区土地复垦工作具有重要的意义[6]。前人已经对不同复垦方式的操作方法、复垦年限、效果等进行了部分研究。徐良骥等[7]的研究表明，复垦地的速效氮含量低于对照地块、表层土壤有效磷远低于对照地块水平、各层位速效钾含量均高于正常地块。煤矸石充填复垦覆土70～80 cm既经济又能满足作物生长[8]。焦晓燕等[9]采用表土剥离复垦和混推复垦对煤矿塌陷区的研究表明，表土剥离复垦后土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量要稍高于混推复垦。采用排矸填充等方式复垦后地块表层速效钾含量、土壤pH值、EC值都比未破坏地块高[10]。胡振琪等[11]采用粉煤灰充填复垦的土壤含有较低的有机质含量，复垦12 a的土壤与农业土壤的有机质含量相似，复垦土壤下层土的有机质含量并不比上层土低，有时还比上层土高。目前，煤矿塌陷区复垦研究主要集中在单一复垦方式不同年限对土壤理化性质的影响，对多种复垦方式进行效果对比的研究较少，尤其对引黄充填、引湖充填复垦方式的研究更少。因此，本文针对济宁市采煤塌陷地复垦实际，选择了5种复垦方式，开展复垦方式对土壤养分影响的研究[12]，将为煤矿塌陷区的土地复垦工作提供科学依据与理论支持。

1 研究区概括及研究技术与方法

1.1 研究区概括

济宁位于山东省南部，地处苏鲁豫皖四省结合部，最北端为北纬35°57′的梁山县小路口镇邹桥村；最南端为北纬34°26′的微山县高楼乡柳新养殖场；最东端为东经117°36′的泗水县泉林乡历山火车站；最西端为东经115°52′梁山县黑虎庙乡高堂村。

截至2009年底，济宁市境内现已有生产矿井46对，在建矿井10对，闭坑矿井2对，生产能力8400万吨，2009年生产原煤8200万吨，累计生产原煤10亿余吨，累计动用储量13.07亿吨，其中累计采出量为8.85亿吨，累计损失量为4.22亿吨，另外还有9对境外矿井跨境开采，年产原煤量超过1亿吨[13]。

1.2 土壤样品采集及分析方法

本研究的对象分别为邹城市平阳寺镇的粉煤灰充填地块、邹城市中心店的煤矸石充填地块、梁山县大路口乡彭那里村引黄充填地块、微山县赵庙乡的引湖充填地块和任城区南阳湖农场的预复垦地块及其各地具有相同耕作条件的对照地块。

在5个试验区选择典型地块挖掘1 m×1 m×0.5 m土壤剖面，分成0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm和30～50 cm四个层次采集土样；样品采回后，自然风干、磨细，过2 mm筛和0.25 mm筛，备用。

土壤样品测定：土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法；土壤有效磷采用Oslen法测定；土壤速效钾采用pH7.0醋酸铵浸提－火焰光度计法测定[14]。

图1 采样点分布图Fig.1 The distribution of sampling points

2 结果分析

2.1 不同复垦方式对复垦土壤碱解氮含量的影响

济宁地区采用的五种复垦方式对土壤碱解氮含量的影响见图2。在0～50 cm深度范围内，粉煤灰复垦地块碱解氮含量均明显低于对照地块。在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm深度范围内碱解氮含量分别为18.90 mg/kg、4.20 mg/kg、4.97 mg/kg、4.10 mg/kg，高于对照地块42.8%、74.7%、61.8%、68.5%；煤矸石复垦地块碱解氮含量在0～50 cm深度范围内均明显高于对照地块，各土层土壤碱解氮含量分别为82.40 mg/kg、71.40 mg/kg、79.10 mg/kg、27.30 mg/kg，高于对照地块805.5%、168.4%、303.6%、49.6%。

引湖充填复垦地块在0～5 cm深度范围内碱解氮含量高于对照地块，5～50 cm深度范围内碱解氮含量均低于对照地块。在0～5 cm范围内的碱解氮含量达到59.50 mg/kg，高于对照耕地32.2%，5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm的深度范围内碱解氮含量为15.40 mg/kg、10.50 mg/kg、10.20 mg/kg，低于对照耕地66.9%。、68.4%、64.0%。

在0～30 cm深度范围内，引黄充填复垦地块碱解氮含量均高于对照地块。碱解氮含量在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm深度范围内分别为16.10 mg/kg、44.80 mg/kg、76.30 mg/kg，高于对照地块9.5%、106.5%、505.6%。在30～50 cm的碱解氮含量比对照地块低，为4.20 mg/kg，低于对照地块碱解氮含量46.2%。

预复垦地块在0～30 cm深度范围内，碱解氮含量均低于对照地块，而在30～50 cm深度范围内含量明显要高于对照地块。0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm深度范围内碱解氮含量分别为58.10 mg/kg、21.70 mg/kg、38.50 mg/kg，低于对照地块39.0%、83.1%。、34.5%。30～50 cm深度范围内碱解氮含量为30.10 mg/kg，高于对照地块437.5%。

在0～30 cm耕作层范围内，煤矸石充填复垦土壤碱解氮的含量明显增加，其次为引黄充填复垦地块。30～50 cm土层范围内，预复垦地块土壤碱解氮含量增加幅度最大，其次为煤矸石充填复垦地块。因此，从对土壤碱解氮含量的影响方面可以得出，在0～50 cm 范围内，五种复垦方式对土壤碱解氮的影响程度由大到小依次为：煤矸石充填＞引黄充填＞预复垦＞引湖充填＞粉煤灰充填。

图2 不同复垦区各土层土壤碱解氮含量Fig.2 The contents of soil alkali hydrolyzable nitrogen on soil layers of different reclamation plots

2.2 不同复垦方式对复垦土壤有效磷含量的影响

如图3显示，粉煤灰充填复垦对土壤有效磷的含量影响较大，在0～50 cm深度范围内，粉煤灰复垦地块有效磷含量均明显高于对照地块。在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm深度范围内各土层土壤有效磷的含量分别为36.32 mg/kg、3.80 mg/kg、5.03 mg/kg、4.95 mg/kg，高于对照地块194.8%、92.9%、341.1%、89.0%；煤矸石复垦地块有效磷含量在0～50 cm深度范围内均明显低于对照地块，各土层土壤有效磷含量分别为14.86 mg/kg、18.33 mg/kg、23.92 mg/kg、2.35 mg/kg，低于对照地块60.7%、53.9%、19.9%、91.6%。

引湖充填复垦地块在0～5 cm深度范围内有效磷含量低于对照地块，5～50 cm深度范围内有效磷含量均高于对照地块，5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm的深度范围内有效磷含量分别为5.70 mg/kg、7.15 mg/kg、6.95 mg/kg，高于对照42.5%、1330.5%、6852.2%。

在0～30 cm深度范围内，引黄充填复垦地块有效磷含量均低于对照地块。有效磷含量在0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm深度范围内分别为8.05 mg/kg、4.14 mg/kg、4.92 mg/kg，低于对照地块88.3%、89.3%、42.9%。在30～50 cm的有效磷含量为3.61 mg/kg，高于对照地块24.4%。

预复垦地块在0～5 cm、5～15 cm、30～50 cm深度范围内，有效磷含量均分别为7.82 mg/kg、2.01mg/kg、1.12 mg/kg，低于对照地块89.9%、95.2%、92.5%。15～30 cm深度范围内有效磷含量为5.59 mg/kg，高于对照地块138.1%。

在0～30 cm（耕作层）土层范围内，粉煤灰充填地块土壤有效磷含量明显增加，其次为引湖充填复垦地块。30～50 cm土层范围内，引湖充填地块土壤有效磷含量增加幅度最大，其次为引黄充填复垦地块。因此，从对土壤有效磷含量的影响方面可以得出，在0～50 cm 范围内，五种复垦方式对土壤有效磷的影响程度由大到小依次为：粉煤灰充填＞引湖充填＞预复垦＞引黄充填＞煤矸石充填。

图3 不同复垦区各土层土壤有效磷含量Fig.3 The content of available phosphorus on soil layers of different reclamation plots

2.3 不同复垦方式对复垦土壤速效钾含量的影响

由图4可知，五种复垦方式各地块土壤在0～5 cm深度范围内土壤速效钾含量以粉煤灰充填方式最高，为220 mg/kg，高于对照地块175.0%。煤矸石充填地块、引湖充填地块、引黄充填地块、预复垦地块0～5 cm土层土壤速效钾的含量分别为90 mg/kg、180 mg/kg、145 mg/kg、110 mg/kg，低于对照地块10.0%、28.0%、21.6%、54.2%。5～15 cm深度范围内粉煤灰充填地块、煤矸石充填地块与引黄充填地块的速效钾含量分别为60 mg/kg、105 mg/kg、140 mg/kg，高于对照地块33.3%、50.0%、180.0%；煤矸石充填复垦地块与预复垦地块速效钾含量为120 mg/kg、40 mg/kg，低于对照地块41.5%、81.8%。15～30 cm深度范围内，粉煤灰充填地块、煤矸石充填地块与引黄充填地块的速效钾含量为60 mg/kg、90 mg/kg、155 mg/kg，高于对照地块20.0%、12.5%、181.8%。煤矸石充填复垦地块与预复垦地块速效钾含量为120 mg/kg、50 mg/kg，低于对照地块14.3%、60.0%。30～50 cm深度范围内粉煤灰充填复垦地块与引湖充填复垦地块的速效钾含量为60 mg/kg、119 mg/kg，高于对照地块71.4%、8.2%。煤矸石充填复垦地块、引黄充填复垦地块与预复垦地块速效钾含量为70 mg/kg、20 mg/kg、300 mg/kg，低于对照地块7.9%、75.0%、76.0%。

图4 不同复垦区各土层土壤速效钾含量Fig.4 The contents of available potassium on soil layers of different reclamation plots

2.4 不同复垦方式对复垦土壤有机质含量的影响

由图5可见，不同复垦方式对复垦地块土壤有机质含量的影响不同，粉煤灰充填地块与引湖充填地块在0～5 cm土层内土壤有机质含量高于对照地块，分别为1.63%、1.26%，高于对照地块570.6%、9.0%；粉煤灰充填复垦地块在5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm深度范围内土壤有机质含量为0.88%、0.66%、0.58%，高于对照地块165.4%、88.2%、177.3%。煤矸石充填地块在5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm土层内土壤有机质含量分别为1.26%、0.86%、0.27%，低于对照地块51.3.9%、64.0%、88.1%；引湖充填复垦地块在5～15 cm、15～30 cm、30～50 cm土层内土壤有机质含量为0.71%、0.73%、0.64%，低于对照地块12.5%、10.0%、3.7%；引黄充填复垦地块在5～30 cm深度范围内各土层有机质含量分别为0.62%、0.96%、0.75%，低于对照地块41.7%、12.6%、14.2%；预复垦地块在5～30 cm深度范围内各土层有机质含量分别为0.22%、0.45%、0.31%，低于对照地块89.7%、62.5%、80.5%。

图5 不同复垦区各土层土壤有机质含量Fig.5 The contents of organic matter on soil layers of different reclamation plots

2.5 不同复垦方式对复垦土壤整体肥力恢复程度的影响

2.5.1 指标权重的确定 在土壤质量评价中，各项指标对土壤质量的贡献各不相同，因此各项指标的权重需要确定。在权重的确定中,本研究中采用各指标的相关系数来确定权重。

1）相关系数的计算：把选取的4项指标数据在SPSS中运行，计算出各指标相关系数矩阵。

2）指标的权重计算：

根据上述公式对各指标权重进行计算[15]，结果见表1：

表1 不同土壤特性的相关系数及权重Table 1 Correlation coefficients and weights of different soil characteristics

2.5.2 复垦土壤肥力整体恢复程度的计算 以土壤中各养分的恢复程度以及权重大小来求算复垦土壤肥力整体恢复程度。计算式为：

式中，I代表复垦土壤养分恢复综合指数；Fi为第i个指标评分值；Wi为第i个指标的权重；Ci为复垦土壤评价养分的实测值；Si为评价因子标准，即为各复垦方式对照地块的农田养分值[6]。

2.5.3 对复垦土壤整体肥力恢复程度的影响 不同复垦方式对复垦土壤整体肥力恢复程度的影响不同。如表2所示，粉煤灰充填和煤矸石充填对复垦地块0～15 cm土层整体肥力恢复程度已达到甚至超过对照地块肥力水平；引湖充填地块0～5 cm和5～15 cm土壤整体恢复程度分别达到对照地块的94.5%、85.0%，复垦程度基本达到正常农田水平；引黄充填地块在0～5 cm土层土壤整体肥力恢复程度达到正常农田的57.1%，存在较大恢复潜力，5～15 cm土层土壤整体肥力恢复程度达到周围正常农田相同土层的132.3%，恢复程度较好。预复垦地块0～5 cm、5～15 cm土层土壤整体肥力恢复程度分别达到正常农田相同土层的32.6%、12.1%，复垦效果较差，有较大提升潜力，此种方式可能不适用于南阳湖煤矿塌陷区地块土壤整体肥力恢复，多年连续采用预复垦方式对耕层土壤肥力的恢复有待进一步研究。

15～50 cm土层土壤肥力恢复程度以引湖充填复垦地块最高，15～30 cm、30～50 cm两土层恢复程度分别是正常农田的446.2%、1970.1%，明显高于正常农田地块，引湖充填对微山县赵庙乡煤矿塌陷区30～50 cm土层土壤肥力提升明显。其余四种复垦方式地块15～50 cm土层土壤整体肥力恢复程度基本达到其所对应基本农田肥力水平，57.4%～224.7%范围内变化。

表2 不同复垦方式各土层整体肥力恢复程度Table 2 The total level of soil fertility recovery on soil layers of different reclamation modes

3 结论

（1）五种复垦方式对复垦土壤碱解氮含量的影响由大到小为煤矸石充填＞引黄充填＞预复垦＞引湖充填＞粉煤灰充填；在30～50 cm土层，由大到小为预复垦＞煤矸石充填＞引湖充填＞引黄充填＞粉煤灰充填。对耕层土壤有效磷含量的影响由大到小为煤矸石充填＞粉煤灰充填＞引黄充填＞引湖充填＞预复垦；在30～50 cm土层，由大到小依次为引湖充填＞粉煤灰充填＞引黄充填＞煤矸石充填＞预复垦。对耕层土壤速效钾的影响由大到小为引黄充填＞引湖充填＞煤矸石充填＞粉煤灰充填＞预复垦；在30～50cm土层，由大到小为引湖充填地块＞煤矸石充填地块＞粉煤灰充填地块＞预复垦地块＞引黄充填地块。

（2）五种复垦方式对耕层土壤有机质的影响由大到小为煤矸石充填地块＞粉煤灰填＞引湖充填＞引黄充填＞预复垦。在30～50cm土层，五种复垦方式对土壤有机质的影响由大到小为引黄充填＞引湖充填＞粉煤灰充填＞预复垦＞煤矸石充填。

（3）从复垦地块整体肥力的恢复程度来看，0～30 cm耕作层，土壤整体肥力恢复程度由大到小为粉煤灰充填地块＞煤矸石充填地块＞引黄充填地块＞引湖充填地块＞预复垦地块，分别达到周围基本农田的264.7%、132.8%、112.5%、95.1%、26.2%；在30～50 cm土层，土壤整体肥力恢复程度由大到小为引湖充填＞粉煤灰充填＞预复垦＞引黄充填＞煤矸石充填，分别达到周围基本农田的1969.6%、179.9%、109.8%、74.1%、57.4%。

（4）粉煤灰充填、引湖充填复垦方式对土壤肥力的恢复效果明显，可在该地区进一步推广。

煤矿塌陷区进行土地复垦后，土壤养分逐渐恢复，已接近当地耕地养分水平，说明土地复垦对土壤修复有重要意义。济宁塌陷区进行的土地复垦方法是切实有效的，适宜在各煤炭塌陷区进行推广。粉煤灰充填、引湖充填复垦方式的方法对土壤养分恢复影响很大，其余三种复垦方式恢复程度稍加欠缺，还需采取一定的措施，应进一步改良复垦土壤的养分水平，以期提高土壤的生产力。

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The Influence of Different Reclamation Modes on Soil Nutrient in Coal Mine Plots

LIJun-ying1,2,LIXin-ju1,2*,ZHAOYue-lun3,CAIDe-shui4,WUZheng-li3,GAOFeng4
1.National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources,Tai’an 271018,China
2.College of Resources and Environment/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China
3.Jining Municipal Bureau of Land and Resource,Jining 272001,China
4.Jining Coal Mine Subsidence Governance Center,Jining 272001,China

This paper took the reclamation plots filled with fly ash,coal gangue,Yellow River sediment,lake sediments and the plots prepared for reclamation as the research object in Jining to explore the influences of different reclamation modes on soil nutrients and the total level of soil fertility.The results showed that the available nitrogen,available phosphorus and organic matter increased significantly 28.07 mg/kg,45.15 mg/kg and 1.14%respectively at 0-30 cm depth of the plot filled with coal gangue.The content of available potassium for the plot filled with Yellow River sediment was highest.Fly ash filling had the worst effect on the content of the available nitrogen.Pre-reclamation had the least influence on the available phosphorus,available potassium and organic matter.At the 30-50 cm depth,fly ash filling had the biggest influence on the soil fertility.The available nitrogen,available phosphorus,available potassium and organic matter were 68.5%、89.0%、71.4%、177.3%higher than the Control plot.The influence on the total level of soil fertility of five reclamation modes was in sequence of the plot filled with fly ash＞the plot filled with coal gangue＞the plot filled with Yellow River sediment＞the plot filled with lake sediments＞the plot prepared for reclamation,at the 30-50 cm depth,the sequence was the plot filled with lake sediments＞the plot filled with fly ash＞the plot prepared for reclamation＞the plot filled with Yellow River sediment＞the plot filled with coal gangue.Comprehensive consideration about soil nutrient and the total level of soil fertility,fly ash filling and lake sediments filling had the best effect on the recovery of soil fertility in Jining,and should get further popularization.

Jining;coal mine plots;reclamation;soil nutrients

TD88;S151.9

:A

:1000-2324(2017)02-0186-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.005

2016-08-07

:2016-10-14

国家自然基金:煤矿区复垦土壤压实机理及其土壤环境效应研究(41171425)

李俊颖(1992-),女,硕士研究生.主要从事土地质量、土地复垦方面的研究.E-mail:ljy3069@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:lxj0911@126.com