孙俊东，韩 兴，黄月军，肖 兵，佘长超，王玲玲，王 凡

(1.神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000；2.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083)

0 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]。

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6.84 km，南北宽5.43 km，含煤面积37.14 km2，矿产储量1 934.43 t，可开采矿产储量1 854.79 t，平均剥离率为2.59 m3/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294.74 mm，年平均蒸发量为1 794.4 mm，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50 cm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50 cm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50 cm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。大田块一15 d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；大田块二30 d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；大田块三60 d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20 cm，将三个样点采集到的土样混合。

2.2 数据测定

数据测定采用土壤含水率采用烘干法，土壤含水率计算公式见式(1)。

(1)

式中：X为土壤含水率，%；m1为湿土样质量，g；m2为干土样质量，g。

2.3 数据分析

采用SPSS 22.0软件对试验数据进行单因素方差分析(P<0.05)，数据用3次重复试验均值计算。以复垦地第一个大田块中的第一个小田块为例，将其记为1-1，复垦地第一个大田块的第二个小田块记为1-2，以此类推对复垦地不同小田块进行命名。

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见图1。由图1可知，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%。

图1 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Fig.1 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 1(注：柱状图上方字母不同表示差异性显著，通过字母是否有相同而表示组内差异性。若两个柱形上方字母有相同的，则这两个田块之间差异性不显著；若字母不同，则差异性显著(sig值取P<0.05)，下同)

当植被生长等级为2时，不同土壤重构方式下土壤含水率差异性见图2。由图2可知，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。

图2 植被生长等级为2时，不同土壤重构方式下土壤含水率差异性Fig.2 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 2

当植被生长等级为3时，不同土壤重构方式下土壤含水率见图3。由图3可知，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%。

图3 植被生长等级为3时，不同土壤重构方式下土壤含水率差异性Fig.3 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 3

当植被生长等级为4时，不同土壤重构方式下土壤含水率见图4。由图4可知，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%。

图4 植被生长等级为4时，不同土壤重构方式下土壤含水率差异性Fig.4 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the vegetation growth grade is 4

3.2 不同植被生长等级下重构土壤含水率差异性分析

当土壤重构方式为岩土剥离物时，不同植被生长等级下土壤持水能力的差异性见图5。由图5可知，在大田块一中，未复垦地的土壤含水率最高，为12.29%，显著高于植被生长等级为4时的土壤含水率，高出比例为62.41%。在大田块二中，未复垦地的土壤含水率最高，显著高于植被生长等级为3时的土壤含水率，高出比例为95.36%。在大田块三中，植被生长等级为1时的土壤含水率最高，为12.78%，与植被生长等级为2、3、4时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3.94%。在大田块四中，未复垦地的土壤含水率最高，显著高于植被生长等级为4时的土壤含水率，高出比例为125.22%。

图5 土壤重构方式为岩土剥离物时，不同植被生长等级下土壤含水率差异性Fig.5 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the soil reconstruction method is geotechnical stripping

当土壤重构方式为岩土剥离物∶煤矸石=2∶3时，不同植被生长等级下土壤含水率差异性见图6。由图6可知，在大田块一中，植被生长等级为4时的土壤含水率最高，为12.68%，与植被生长等级为1、2、3时和未复垦地之间均不存在显著性差异，土壤含水率高出未复垦地3.12%。在大田块二中，植被生长等级为2时的土壤含水率最高，为13.12%，显著高于植被生长等级为1时，高出比例为98.00%；与未复垦地之间不存在显著性差异，高出未复垦地6.73%。在大田块三中，植被生长等级为3时的土壤含水率最高，为13.46%，与植被生长等级为1、2、4时和未复垦地之间均不存在显著性差异，高出未复垦地9.49%。在大田块四中，植被生长等级为3时的土壤含水率最高，为14.96%，与植被生长等级为1、2、4时和未复垦地之间均不存在显著性差异，高出未复垦地21.71%。

图6 土壤重构方式为岩土剥离物∶煤矸石=2∶3时,不同植被生长等级下土壤含水率差异性Fig.6 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the soil reconstruction mode is rock soil stripping∶coal gangue=2∶3

当土壤重构方式为岩土剥离物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3时，不同植被生长等级下土壤含水率差异性见图7。由图7可知，在大田块一中，植被生长等级为3时的土壤含水率最高，为17.59%，与植被生长等级为1、2、4时和未复垦地之间均不存在显著性差异，高出未复垦地43.12%。在大田块二中，植被生长等级为1时的土壤含水率最高，为14.16%，与植被生长等级为2、3、4时和未复垦地之间均不存在显著性差异，高出未复垦地15.19%。在大田块三中，植被生长等级为3时的土壤含水率最高，为14.40%，显著高于植被生长等级为2时，高出比例为64.93%；植被生长等级为3时的土壤含水率与未复垦地之间不存在显著性差异，高出未复垦地17.15%。在大田块四中，植被生长等级为1时的土壤含水率最高，为15.36%，显著高于植被生长等级为2、3、4时，高出比例分别为42.94%、53.73%、35.34%；植被生长等级为1时的土壤含水率与未复垦地之间不存在显著性差异，高出未复垦地24.96%。

图7 土壤重构方式为岩土剥离物∶煤矸石∶粉煤灰=3∶4∶3时，不同植被生长等级下土壤含水率差异性Fig.7 The difference of soil moisture content under different soil reconstruction methods,when the soil reconstruction mode is rock soil stripping∶coal gangue∶fly ash=3∶4∶3

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(15 d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(30 d翻耕靶地一次)和大田块四(60 d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(30 d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(15 d翻耕靶地一次)和大田块四(60 d翻耕靶地一次)在植被生长等级为1时土壤含水率最高。