荒漠草原露天礦開采對礦區及周邊區域土壤養分的影響

榮 浩,崔 崴,葛 楠

(1.中國水利水電科學研究院 內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站,北京 100038;2.水利部牧區水利科學研究所,內蒙古 呼和浩特 010020)

礦產資源在建設和開采過程中會對地表環境造成直接或間接的破壞[1-3];開采剝離的表土和植被、挖掘出的礦石在運輸、傾倒等過程中也會對土壤理化性質產生不同程度的影響[4-6]。開采過程中產生的大量廢棄物堆積形成的排土場、尾礦庫等大型工程堆積體,會破壞生態景觀導致小尺度空間上土壤養分出現異質性,還會影響礦區及其周邊區域的生態水文特征[7-9]。因此,分析采礦活動對土壤理化性質的影響已成為礦區生態恢復工作的關鍵。Sierka等[10]研究發現,礦產資源開采改變了土壤機械組成、密度,使土壤更加緊實;畢銀麗等[11]通過研究露天開采對土壤因子的影響發現,煤礦開采會對一定范圍內的土壤肥力產生影響,遠離礦區位置的土壤肥力要好于礦區附近,礦區周邊土壤養分的空間異質性呈不同程度的變化趨勢;張紅靜等[12]對寶日希勒露天煤礦周邊天然草地不同距離梯度的土壤理化性質進行分析,結果表明,距離煤礦0.5 km處的土壤pH值呈現弱堿性,1.5 km處土壤pH值基本與對照區一致,同時煤礦開采導致土壤含水量降低,距離煤礦1.5 km處土壤含水量降低受采礦影響最大。采礦對土壤的破壞受土質條件、距離、深度、強度等因素的影響,因此,不同地區礦產資源開發對土壤的破壞程度及范圍存在較大差異[13],礦山及周邊區域受損土壤環境的恢復也有很大的不同。本研究通過分析荒漠草原區礦產資源開發利用過程中礦區及其周邊不同區域的土壤養分變化特征,探討土壤養分受采礦活動的影響機制及影響范圍,研究結果可為更好地分析礦山廢棄地土壤重構和生態系統的動態變化過程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古高原中部,海拔1 000～1 600 m,地勢整體表現為由南向北傾斜。該露天礦于2011年建成投產,產能3 000 t/d;在未開采前,礦區及其周邊區域均為天然放牧場,地廣人稀,開采后研究區周邊10 km范圍內無其他生產建設項目。項目區屬中溫帶干旱半干旱氣候,多年平均降水量約為209 mm,年平均蒸發量2 384 mm,年均風速4.6 m/s,年均氣溫4.3 ℃,無霜期135 d;地帶性土壤為栗鈣土,研究區周邊天然草原以小針茅(Stipaklemenzii)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)為主要建群種,植被蓋度約為35%。

1.2 土壤樣品采集

有研究表明,不同風向對礦山周邊不同區域造成的影響存在差異[14],根據研究區常年盛行風向為西北風,將研究區分為3個區域:排土場、尾礦庫南側(下風向)、尾礦庫北側(上風向)。在以礦區為中心沿排土場、尾礦庫南側、尾礦庫北側3個方向周邊5.0 km的范圍內,采用網格法均勻布設土壤樣品取樣點,并在礦區正南方向8.0 km處的天然草原設置1處對照區,對照區處于下風向。每個采樣點采用五點取樣法采集0～20 cm土壤樣品,分別裝入鋁盒與塑封袋中帶回實驗室處理。采樣點分布情況如圖1所示。

圖1 土壤取樣點分布圖

1.3 土壤測試指標

土壤全氮(TN)測定采用濕燒自動定氮儀法;全磷(TP)測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法;速效磷(AP)測定采用0.5 mol/L NaHCO3法;速效鉀(AK)測定采用火焰光度法;堿解氮(AN)測定采用堿解擴散法;有機質(SOM)測定采用重鉻酸鉀容量法;pH值使用pH計測定[15]。

1.4 數據處理與分析

利用SPSS Statistics 20.0軟件進行描述性統計分析,變異系數(CV)反映了土壤性質離散程度,當CV<10%、介于10%～100%和>100%時分別屬于弱變異、中等變異和強變異[16];采用單因素方差分析LSD法比較土壤養分之間的變化差異(P=0.05)。應用半方差函數研究土壤空間變異特征,半方差函數擬合模型包含指數、球狀、高斯和線性模型,通過決定系數(R2)和殘差(RSS)的數值來檢驗模型是否是最優模型,R2越大、RSS越小,模型擬合效果越好。

2 結果與分析

2.1 土壤養分描述性統計分析

通過對礦區周邊3個區域的土壤主要養分指標進行測定,并對測定數據進行統計分析,不同區域的土壤養分變化見表1。

表1 土壤樣品養分含量特征

由表1可以看出,研究區內土壤pH值為7.09～8.58,呈現弱堿性,且與對照區差異不明顯。排土場、尾礦庫南、北兩側土壤全氮含量平均值與對照區相比分別降低了7.90%、8.85%、28.99%。尾礦庫北側區域土壤堿解氮平均值最大(24.21 mg/kg),其次為排土場(21.85 mg/kg),尾礦庫南側的堿解氮平均值最低(21.13 mg/kg),3個區域堿解氮平均值顯著低于對照區(33.74 mg/kg)(P<0.05);研究區內土壤全磷含量差別不大,為0.22～0.24 g/kg,且與天然草原(對照區)接近。排土場周邊土壤中的速效磷含量較高,3個區域的速效磷均低于對照區(1.54 mg/kg),但變化差異未達到顯著水平。研究區內土壤速效鉀含量存在較大波動,土壤速效鉀含量最大值出現在排土場(35.80 mg/kg),最小值出現在尾礦庫南側(6.00 mg/kg)。土壤有機質含量分布與全氮含量的分布規律相似,尾礦庫北側最低,排土場周邊較高,3個區域平均值都低于對照區,其中,尾礦庫北側的土壤有機質含量顯著低于對照區(P<0.05)。對比3個區域,排土場周邊土壤中的全氮、速效磷、有機質含量均較高,在尾礦庫北側土壤的堿解氮含量較高,尾礦庫南側土壤中的速效鉀含量較高。

2.2 礦區周邊不同距離土壤養分含量變化

為了進一步確定采礦對礦區周邊土壤養分的影響范圍,對與礦區不同距離的土壤的養分含量進行分析。排土場不同距離的土壤養分變化如圖2所示。由圖2可知,排土場周邊土壤中速效磷、速效鉀含量隨著與礦區距離的增大呈現增大趨勢,最大值均在5.0 km處,分別為2.15、21.91 mg/kg。有機質、堿解氮、全氮呈先減小后增大的變化趨勢,有機質、全氮均在5.0 km處最大,分別為13.58、9.29 g/kg。研究區土壤堿解氮的含量在距離排土場1.0 km處最大,為25.32 mg/kg。各距離之間的土壤pH值平均變化差異未達到顯著水平(P>0.05)。

圖2 排土場周邊土壤養分變化情況

尾礦庫南側周邊土壤養分變化如圖3所示?？梢钥闯?土壤有機質、堿解氮、速效鉀含量隨著與礦區中心距離的增大呈現增大的變化規律,有機質最大值在距離尾礦庫南側的4.0 km處,為15.12 g/kg;堿解氮、速效鉀最大值均在尾礦庫南側5.0 km處,分別為28.56、21.98 mg/kg。全氮含量隨著與礦區中心的距離增大呈先增大后減小又增大的波動變化,土壤全氮含量的最大值在尾礦庫南側1.0 km處(8.70 g/kg)。尾礦庫南側周邊土壤pH值、全磷、速效磷含量變化差異不明顯(P>0.05)。

圖3 尾礦庫南側周邊土壤養分變化情況

尾礦庫北側周邊土壤養分變化如圖4所示?？梢钥闯?堿解氮、有機質隨著與礦區中心距離的增大呈現增加趨勢,有機質、堿解氮含量最大值均在5.0 km處。全氮、速效鉀含量隨著與礦區距離的增大呈先增加后降低趨勢,全氮、速效鉀含量在2.0 km處達最大值,分別為6.95 g/kg、21.5 mg/kg。尾礦庫北側的土壤pH值、全磷、速效磷含量變化與尾礦庫南側一致,各采樣點之間沒有明顯變化(P>0.05)。

圖4 尾礦庫北側周邊土壤養分變化情況

2.3 土壤養分地統計分析

利用GS+9.0軟件對各項土壤養分指標做半方差函數模型擬合,相關參數見表2。

表2 研究區土壤養分變異函數模型及相關參數

由表2可知,研究區土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀、有機質、pH值決定系數均大于0.5,模型擬合度較高。土壤全氮、速效磷、有機質的最優擬合模型為高斯模型,全磷、速效鉀采用球狀模型擬合效果較好,堿解氮、pH值可采用線性模型進行擬合。當塊金系數小于0.25時,變量具有強烈空間自相關性;當塊金系數為0.25～0.75時,變量具有中度空間自相關性;當塊金系數大于0.75時,變量具有較弱空間自相關性[17]。由此可知,研究區內土壤全磷、速效磷、速效鉀具有強烈空間自相關性,全氮表現為中等程度空間自相關,而堿解氮、有機質、pH值空間自相關性較弱。

3 討論

礦產資源經過長時間、大規模的開采利用,開采區周邊土壤養分隨地表水向采空區洼地流入,導致采區周邊土壤養分分布不均勻,嚴重影響了土壤的生產力[18-20]。對于生態環境相對脆弱的荒漠草原區,礦產資源開發對原始地貌形態、土體結構、生物種群的嚴重破壞致使礦區周邊草原也出現不同程度的退化。本研究以礦區為中心,對礦區及其周邊3個區域(排土場、尾礦庫南側、尾礦庫北側)的土壤酸堿度及主要養分進行了測定分析,研究區內土壤平均pH值低于天然放牧草原,但變化差異未達到顯著水平,根據全國第二次土壤普查養分分級標準[21],研究區土壤有機質、全氮含量處于四級(中下),堿解氮、全磷含量處于五級(較低),速效鉀、速效磷含量處于六級(低),研究區土壤養分含量整體處于較低水平,土壤質量較差,貧瘠的土壤環境加大了生態受損區域的植被恢復難度;而隨著與礦區中心的距離增加,土壤有機質、速效磷、速效鉀、堿解氮的含量呈顯著增大的變化規律,說明礦區的開采活動會對提高土壤營養成分有效性的有機質,更易被植物吸收的磷酸鹽,以及植被生長所必需的氮元素、鉀元素的含量產生一定影響。黃洪銘等[22]研究發現,當礦區周邊土壤養分只有正常植被覆蓋土壤的30%,采礦活動就已經嚴重影響礦區周邊的土壤及植物的正常生長;趙義博等[23]研究認為,坡度、坡向、高程、地形濕度指數是影響勝利煤田土壤養分格局特征的主要地形因子,采礦活動引起土壤擾動是土壤養分含量較低的重要原因;康文慧[24]對礦區周邊土壤養分進行研究得出,與未受干擾的礦區外部相比較,距離礦區近的土壤養分受干擾程度較大,土壤結構不穩定,養分流失嚴重,而礦區外部土壤養分隨土層深度的變化流失緩慢。半方差函數模型擬合結果表明,除堿解氮以外,土壤有機質、全氮、全磷、速效鉀、有效磷、pH值的模型擬合結果均較好,土壤養分的分布表現出明顯的空間依賴性。結構性因素(氣候、地形、母質等)和隨機性因素(人為活動等)共同影響土壤的空間異質性,結構性因素促進土壤的空間自相關性,人為活動等隨機性因素會使其趨向均質化方向發展,降低土壤的空間自相關程度[25-27]。研究區土壤堿解氮、有機質、pH值表現為弱空間自相關,說明隨機因素削弱了其空間相關性,全氮表現為中等程度空間自相關,其在空間尺度上受到隨機因素和結構因素的綜合作用,而全磷、速效磷、速效鉀具有強烈空間自相關,表明結構性因素造成其明顯的空間變異[28-29]。

礦產資源開采對周邊生態系統的影響范圍因自然氣候條件、植被類型、土壤特征等自然因素,以及礦產資源開發利用形式、強度等人為因素的差異而不同[30-32]。本研究沿礦區邊界向外半徑5.0 km范圍內進行土壤樣品采集,礦區周邊1.0～2.0 km區域的土壤主要養分含量要明顯低于對照區,距離礦區中心5.0 km區域的土壤主要養分與對照區基本接近,說明礦區中心5.0 km以外的區域土壤理化性質基本不受采礦活動影響。孟峰等[33]研究認為,寶日希勒礦區開發對土壤養分及土壤濕度的影響距離為1.0 km,隨著采煤及放牧干擾時間變長,土壤中全氮含量逐漸降低,且降低幅度呈升高趨勢;而土壤中全磷變化雖然也很顯著,但沒有明顯的規律性。馬驍[34]對錫林浩特市露天礦區采區周邊天然草原土壤養分進行測定發現,土壤pH值隨著干擾距離的增加而逐漸減小,土壤含水量、全氮、全碳、硝態氮、速效磷、速效鉀含量在表層土壤中呈現以2.0 km為閾值的分布特征,整體上在距干擾區2.0 km范圍外均顯著高于2.0 km范圍內的值,說明該區域采礦活動對2.0 km范圍內的草地土壤養分影響較嚴重。因此,通過研究確定礦產資源開發對周邊區域土壤養分的影響程度和范圍,可以為更好地制訂科學、合理的區域生態修復方案提供理論依據。

4 結論

1)與對照區相比,研究區內土壤中的有機質、速效鉀、速效磷含量處于較低水平,并且有機質、速效磷、速效鉀、堿解氮的含量隨著與礦區中心的距離增加呈顯著性增加,但對土壤pH值、全氮含量影響不明顯。

2)地統計分析結果表明,研究區內土壤全磷、速效磷、速效鉀表現為強烈空間自相關性,全氮具有中等程度空間自相關,堿解氮、有機質、pH值表現為較弱空間自相關。

3)礦區內部與周邊1.0～2.0 km區域的土壤主要養分含量要明顯低于對照區,在距離礦區中心5.0 km區域以外的土壤養分與對照區基本接近,表明距離礦區中心5.0 km以外的區域土壤主要養分基本不受采礦活動影響。