刘宝昌，刘 畅，王 凯，刘 锋
(1.长春建筑学院 建筑与规划学院， 长春 130607；
2.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院， 辽宁 阜新 123000；
3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司， 沈阳 110016)
中国是世界最大的煤炭生产与消费国。虽然，近年来新兴能源逐渐取代化石能源，但传统化石能源在开采过程中形成了大量土地破坏及污染问题，仍未得到有效解决。在我国制定“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标的背景下，如何协助企业解决污染问题，实现碳减排目标，成为企业经营发展的关键[2]。煤矿开采不仅会生产煤炭资源，同时，在开采过程中也会带来大量采矿废弃物[3]，包括表层土壤及不同年代形成的岩石成分等，这些废弃物在当时的历史条件下无法被充分利用，只能堆积在地表，经过几十年的积累形成了巨大的山体，称为排土场。排土场侵占了大量土地，污染土壤、地下水和空气，特别是排土场边坡土壤稳定性差，易发生水土流失等地质灾害[4]。
近年来，关于排土场生态恢复和环境治理方面的研究越来越受到重视[5]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其稳定性与水土流失紧密相关，是表征土壤质量的重要指标之一[6]。土壤团聚体稳定性受土壤类型、有机质、物理性黏粒、微生物、耕作及利用方式等多种因素影响。传统土壤团聚体稳定性研究方法由于操作便捷而被广泛使用，但研究结果难以揭示土壤团聚体稳定性机制。Le Bissonnais法(LB法)基于土壤团聚体的主要破碎机制，提出可区分出不同破碎机制的测定方法，包括快速湿润(fast wetting,FW)、慢速湿润(slow wetting,SW)和预湿后扰动(wet stirring,WS)3种处理方式[7]。该方法在研究土壤团聚体稳定性机制方面得到广泛应用并已取得大量成果，如在黄土高原农田[8]及林地[9]、东北黑土[10]、南方红壤[11]、石灰性土[12]和富铁土[13]以及石漠化区[14]、喀斯特区[15]、三峡库区[16]等。然而，对于破坏严重、成分复杂的排土场边坡土壤团聚体稳定性机制仍未见报道。因而，本研究以矿山排土场边坡为对象，采用LB法分析坡位、坡向和恢复时间对土壤团聚体分布和稳定性的影响，分析排土场边坡土壤团聚体的破碎机制和稳定性能，为治理排土场水土流失及生态重建提供科学依据。
1.1 研究区概况
研究区位于辽宁省阜新市海州露天矿排土场(121°38′33″E,41°57′16″N)，该区属温带大陆性季风气候。年平均气温7～10 ℃，降水量400～550 mm，主要集中于7～9月。土壤以淋溶褐色土和褐土性土为主。排土场往往堆积成坡度为35°、坡长约60 m的梯形山体，边坡土层约10 cm，基质除地带性土壤外，还夹杂着采煤废弃物，如粉沙岩、砾岩、页岩等[4]。
1.2 试验设计
2015年7～8月，在海州露天矿排土场边坡，选择自然恢复3、5、10年的阴坡及恢复5、10年的阳坡。每个坡面平均分成坡上、坡中和坡下3部分。每个坡位作为一个研究样地，共计15个样地。在不同样地分别按照S型随机采集土壤样品，每个样地设5个重复。采集0～10 cm的原状土，剔除植物根系和小石块等杂质，放于通风透气处自然风干。
根据LB法的3种筛分方法[7,11]，研究不同条件(暴雨、小雨、机械扰动)对排土场边坡土壤团聚体的破坏机制。筛选出粒径3～5 mm团聚体，在40 ℃烘箱中烘干至恒重，各处理分别称取土样5 g。① 快速湿润：团聚体迅速浸入纯水中，10 min后，吸取多余水分，模拟暴雨下土壤快速湿润过程；
② 慢速湿润：团聚体放置于滤纸上，沿滤纸边缘缓慢滴加无水乙醇，团聚体完全浸湿后静置30 min，模拟小雨下土壤慢速湿润过程；
③ 预湿后扰动：用无水乙醇浸没团聚体10 min，吸出多余乙醇，转移至锥形瓶中，加水至200 mL，封口后匀速震荡20次，静置30 min，除去多余水分，模拟预湿后土壤的人为扰动过程。3种处理后分别将土样放入2、1、0.5、0.25、0.1和0.05 mm的套筛中，在乙醇中上下振荡5次，将各筛上的团聚体洗入蒸发皿内，烘干称重。
1.3 数据处理
土壤团聚体平均质量直径(mean weight diameter,MWD)的计算公式为：
(1)
式中：xi为各粒径土壤团聚体的平均直径(mm)；
wi为各粒径土壤团聚体的质量百分比(%)。
为了比较排土场边坡土壤不同处理下团聚体稳定性机制，计算相对糊化指数(relative dissipation index,RSI)和相对机械破碎指数(relative mechanical crushing index,RMI)：
RSI=(MWDSW-MWDFW)/MWDSW×100
(2)
RMI=(MWDSW-MWDWS)/MWDSW×100
(3)
式中：MWDSW为慢速湿润处理的MWD，MWDFW为快速湿润处理的MWD，MWDWS为预湿后扰动处理的MWD。根据RSI和RMI解释排土场边坡土壤团聚体的稳定性机制。RSI可反映土壤湿润速度快的情况下，孔隙中空气受压而造成团聚体分散；
RMI可反映雨滴打击、耕作、根系穿透等外应力作用下的团聚体稳定性[17]。RSI和RMI越低，团聚体稳定性越强。
排土场边坡的不同坡位、不同坡向和不同恢复年限，以及3种不同处理方法间的土壤团聚体平均质量直径的差异，采用单因素方差(One-Way ANOVA)分析，运用Duncan检验方法进行多重比较。相对糊化指数与相对机械破碎指数间的差异采用T检验法。所有数据运用SPSS 16.0统计分析软件完成。
2.1 快速湿润法下排土场边坡的土壤团聚体组成
快速湿润法模拟了土壤在快速湿润下的团聚体崩解作用，主要反映团聚体崩解的消散机制。快速湿润处理的土壤团聚体粒径分布(图1)主要以>2 mm团聚体为主，变化幅度在50.99%～76.77%；
其次是粒径2-1 mm和0.25-0.1 mm团聚体，分别在6.98%～15.36%和5.44%～17.85%之间；
而粒径1-0.5 mm、0.5-0.25 mm、0.1-0.05 mm及<0.05 mm团聚体较少，含量变化范围分别为1.37%～4.90%、3.21%～7.81%、1.08%～4.06%和1.80%～6.53%。
图1 快速湿润法处理后排土场坡面土壤团聚体粒径分布
在恢复3年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径<0.05 mm团聚体含量减少；
在恢复5年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm和<0.05 mm团聚体含量增加，粒径2-1 mm、1-0.5 mm和0.5-0.25 mm团聚体含量减少；
在恢复10年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径0.5-0.25 mm和<0.05 mm团聚体含量减少；
在恢复5年阳坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径0.5-0.25 mm、0.25-0.1 mm、0.1-0.05 mm和<0.05 mm团聚体含量减少；
在恢复10年阳坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径1-0.5 mm、0.5-0.25 mm和<0.05 mm团聚体含量减少。
粒径>2 mm团聚体含量在恢复5年阴坡大于阳坡，粒径<0.05 mm团聚体含量在恢复5年阴坡小于阳坡；
粒径>2 mm团聚体含量在恢复10年阴坡大于阳坡，粒径2-1 mm和0.1-0.05 mm团聚体含量在恢复10年阴坡小于阳坡。随着恢复年限增加，阴坡粒径>2 mm团聚体含量逐渐增加；
阳坡粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径<0.05 mm团聚体含量减少。
2.2 慢速湿润法下排土场边坡的土壤团聚体组成
慢速湿润法反映了土壤慢速湿润过程中土壤粘粒膨胀引起的团聚体崩解作用。慢速湿润处理的土壤团聚体粒径分布(图2)主要以>2 mm团聚体为主，变化幅度在81.75%～95.51%；
其次是粒径2-1 mm团聚体，在1.88%～14.88%之间；
而粒径1-0.5 mm、0.5-0.25 mm、0.25-0.1 mm、0.1-0.05 mm和<0.05 mm团聚体较少，含量变化范围分别为0.16%～1.07%、0.24%～1.99%、0.40%～4.36%、0.09%～0.76%和0.30%～3.44%。
图2 慢速湿润法处理后排土场坡面土壤团聚体粒径分布
在恢复3年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径2-1 mm和<0.05 mm团聚体含量减少；
在恢复5年阴坡，从坡上到坡下粒径0.25-0.1 mm、0.1-0.05 mm和<0.05 mm团聚体含量减少；
在恢复10年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径2-1 mm、0.5-0.25 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量减少；
在恢复5年阳坡，从坡上到坡下粒径2-1 mm团聚体含量增加，粒径1-0.5 mm、0.5-0.25 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量减少；
在恢复10年阳坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径1-0.5 mm和0.1-0.05 mm团聚体含量减少。
粒径>2 mm和<0.05 mm团聚体含量在恢复5年阴坡大于阳坡，而粒径2-1 mm、0.5-0.25 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量在恢复5年阴坡小于阳坡；
粒径>2 mm团聚体含量在恢复10年阴坡大于阳坡，而粒径0.25-0.1 mm和<0.05 mm团聚体含量在恢复10年阴坡小于阳坡。随着恢复年限增加，阴坡粒径>2 mm团聚体含量呈增加趋势；
阳坡粒径>2 mm和<0.05 mm团聚体含量增加，粒径2-1 mm、0.5-0.25 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量减少。
2.3 预湿后扰动法下排土场边坡的土壤团聚体组成
预湿后扰动法应用乙醇湿润团聚体，主要反映了团聚体在机械扰动下的崩解作用。预湿后扰动处理的土壤团聚体粒径分布(图3)主要以>2 mm团聚体为主，变化幅度在44.50%～78.53%；
其次是粒径2-1 mm和0.25-0.1 mm团聚体，分别在6.19%～18.14%和5.91%～22.95%之间；
而粒径1-0.5 mm、0.5-0.25 mm、0.1-0.05 mm及<0.05 mm团聚体较少，含量变化范围分别为1.53%～6.27%、3.44%～10.71%、0.75%～1.85%和2.03%～1.93%。
图3 预湿后扰动法处理后排土场坡面土壤团聚体粒径分布
在恢复3年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径2-1 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量减少；
在恢复5年阴坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径2-1 mm、1-0.5 mm、0.5-0.25 mm、0.25-0.1 mm和0.1-0.05 mm团聚体含量减少；
在恢复10年阴坡，从坡上到坡下粒径0.1-0.05 mm团聚体含量增加，粒径1-0.5 mm团聚体含量减少；
在恢复5年阳坡，从坡上到坡下粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径1-0.5 mm、0.5-0.25 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量减少；
在恢复10年阳坡，从坡上到坡下粒径1-0.5、0.5-0.25、0.25-0.1、0.1-0.05、<0.05 mm团聚体含量减少。
粒径>2 mm团聚体含量在恢复5年阴坡大于阳坡，而粒径1-0.5 mm和0.25-0.1 mm团聚体含量在恢复5年阴坡小于阳坡；
粒径2-1 mm团聚体含量在恢复10年阴坡大于阳坡。随着恢复年限增加，阴坡粒径>2 mm团聚体含量呈增加趋势，粒径0.25-0.1 mm团聚体含量减少；
阳坡粒径>2 mm团聚体含量增加，粒径1-0.5、0.25-0.1、0.1-0.05和<0.05 mm团聚体含量减少。
2.4 排土场边坡土壤团聚体稳定性机制
团聚体的MWD常用于分析团聚体分布特征，其值越大，土壤团聚度越高，稳定性越强。由表1可知，在恢复3年阴坡的坡上、坡中和坡下，恢复5年和10年阴坡的坡上和坡下，恢复5年阳坡的坡中和坡下以及恢复10年阳坡的坡上和坡下，MWDSW>MWDFW和MWDWS(P<0.05)，而MWDFW与MWDWS间无显著差异(P>0.05)。在恢复5年和10年阴坡的坡中以及恢复5年阳坡的坡上，MWDSW>MWDFW>MWDWS(P<0.05)。在恢复10年阳坡的坡下，MWDSW>MWDWS>MWDFW(P<0.05)。
快速湿润处理下，土壤团聚体MWDFW在恢复3年阴坡的不同坡位间无显著差异(P>0.05)，在恢复5年阴坡表现为坡中和坡下>坡上(P<0.05)，在恢复10年阴坡从坡上到坡下呈增加趋势；
MWDFW在恢复5年阳坡从坡上到坡下显著增加(P<0.05)，在恢复10年阳坡表现为坡中和坡下>坡上(P<0.05)。排土场恢复5年时，坡上和坡中的土壤团MWDFW在阴坡>阳坡(P<0.05)，在坡下不同坡向间无显著差异(P>0.05)；
恢复10年时，坡上的土壤团聚体MWDFW在阴坡>阳坡(P<0.05)，在坡中和坡下不同坡向间无显著差异(P>0.05)。总的来说，随着恢复年限增加，排土场阴坡和阳坡土壤团聚体MWDFW均表现为增加趋势(表1)。
慢速湿润处理下，在恢复3、5年的阴坡，土壤团聚体MWDSW从坡上到坡下呈增加趋势，在恢复10年阴坡表现为坡中和坡下>坡上(P<0.05)；
在恢复5年阳坡团聚体MWDSW在不同坡位间无显著差异(P>0.05)，在恢复10年阳坡从坡上到坡下表现为增加趋势。排土场恢复5年时，土壤团聚体MWDSW在阴坡>阳坡(P<0.05)；
恢复10年时，坡下的土壤团聚体MWDSW在阴坡>阳坡(P<0.05)，在坡上和坡中不同坡向间无显著差异(P>0.05)。随着恢复年限增加，排土场阴坡土壤团聚体MWDSW变化不显著(P>0.05)，而阳坡呈增加趋势(表1)。
预湿后扰动处理下，在恢复3年的阴坡，土壤团聚体MWDWS从坡上到坡下呈增加趋势，在恢复5、10年阴坡表现为坡下>坡上和坡中(P<0.05)；
在恢复5年阳坡团聚体MWDWS从坡上到坡下显著增加(P<0.05)，在恢复10年阳坡表现为坡下>坡上和坡中(P<0.05)。排土场恢复5年时，坡上土壤团聚体MWDWS在阴坡>阳坡(P<0.05)，在坡中和坡下不同坡向间无显著差异(P>0.05)；
恢复10年时，不同坡向间无显著差异(P>0.05)。总的来说，随着恢复年限增加，排土场土壤团聚体MWDWS呈增加趋势(表1)。
RSI和RMI越低，则团聚体遇水崩解和受外力破坏的敏感性越低，土壤团聚体的稳定性越强。由表1可知，总的来说，RSI和RMI从坡上到坡下逐渐降低，而在不同坡向间变化不显著(P>0.05)，随着恢复年限增加呈下降趋势。同时RSI和RMI间的差异还能表明坡面团聚体稳定性机制。在恢复3年阴坡的坡上、坡中和坡下，恢复5、10年阴坡的坡上和坡下及恢复10年阳坡的坡上，RSI和RMI间无显著差异(P>0.05)；
在恢复5年和10年阴坡的坡中、恢复5年阳坡的坡上、坡中和坡下及恢复10年阳坡的坡中，RSI
表1 排土场边坡土壤团聚体稳定性
排土场边坡土壤发育过程中受到重力和水力侵蚀的影响，土壤颗粒从坡上向坡下不断向下移动，同时有机质及养分离子也随着径流和泥沙向下运移。所以，坡下土层较厚，肥力较高，有利于形成团粒结构及植被恢复[18]。粒径>2 mm团聚体含量从坡上到坡下逐渐增加，稳定性逐渐增强。LB法对土壤团聚体破坏的3种机制中，土壤孔隙中的气泡爆破产生的消散作用、粘粒膨胀作用和机械扰动均在坡上更强，这可能由于坡上水土流失更多，侵蚀更加严重，植被覆盖较少，水力及风力侵蚀作用导致土壤团粒结构难以形成，植被恢复困难。因而，坡上是排土场边坡生态恢复的重点区域，可以采用挂网、修筑鱼鳞坑等措施减少水土流失，保护土壤结构，种植草冠，添加肥料，尽快促进植物群落形成。
排土场自然恢复10年后，坡上的土壤团聚体MWDFW在阴坡>阳坡(P<0.05)，说明阴坡坡上对于暴雨条件下消散作用的团聚体稳定性更强，而阳坡土壤团聚体更易发生“气爆”而引起崩解。坡下的土壤团聚体MWDSW在阴坡>阳坡(P<0.05)，说明阴坡坡下对于连阴雨或者滴灌等条件下土壤团聚体稳定性更强，而阳坡土壤团聚体受黏粒膨胀破坏更严重。这可能由于排土场阴坡太阳辐射相对较少，土壤水分含量较高，有利于植物生长[18]，植被覆盖保护了土壤被暴雨及连阴雨的破坏，从而导致阴坡土壤团聚体稳定性高于阳坡[5]。
随着排土场恢复自然年限增加，土壤团聚体MWDFW、MWDSW和MWDWS均表现为增加趋势(表1)，说明土壤结构稳定性增强。这可能由于植被自然恢复过程中，随着植物在排土场定居，植物根系能分泌糖类、有机酸等可作为团聚体的胶结剂[19]，同时枯落物腐烂分解能提高土壤有机质含量，从而促进团聚体的转化及形成过程[20]。在排土场不同坡位和坡向，土壤团聚体的破坏机制不同。总的来说，MWDSW>MWDFW和MWDWS(P<0.05)，说明连阴雨或者滴灌等条件下引发的黏粒膨胀对排土场边坡土壤团聚体的破坏作用较小，而消散和机械外力作用是团聚体破坏的2种主要机制。在恢复3年阴坡、恢复5年和10年阴坡坡上和坡下及恢复10年阳坡坡上，RSI和RMI间无显著差异(P>0.05)；
说明该区域受消散和机械外力作用的影响相似。在恢复5年和10年阴坡坡中、恢复5年阳坡及恢复10年阳坡坡中，RSI
排土场边坡土壤团聚体稳定性与土壤有机碳含量显著相关。土壤有机碳是影响土壤团聚形成及稳定性最重要的因素。农业生产中，大量秸秆等废弃物被随意丢弃及焚烧，产生了一系列生态环境问题。因而，可以考虑通过“以废治废”的方法，利用秸秆等生物质制成生物炭提升土壤团聚体稳定性。稳定的土壤团聚体能固持更多碳，防止暴雨及耕作等对矿山排土场边坡土壤团聚体的破坏，可有效储存土壤碳。
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