露天煤矿开采对土壤理化性质的影响

露天煤矿开采对土壤理化性质的影响

锡林郭勒草原位于内蒙古中部的典型草原区。这是中国“两屏三带”生态安全模式的重要组成部分。它具有防砂、固砂、土壤保护和水环境保护的生态功能。1材料和方法1.1北北西向条带的发展胜利煤田位于内蒙古自治区锡林浩特市境内，呈北东-南西向条带展布，平均走向长50.2km，平均倾向宽8.9km，总面积350.92km1.2样品配置和实验方法1.2.1样地的设置本研究选择胜利煤田的西二号露天煤矿、西三号露天煤矿和东二号露天煤矿作为研究对象，在3个露天矿的采场北侧距采场边界100、500m处各设一个样地;为了比较城镇化建设对草原的影响，在市区东南2.5km处设两个样地;对照区选在位于锡林浩特市南30km处围封多年没有人为干扰的白音锡勒牧场。样地位置和基本情况见图1和表1。1.2.2土壤养分采集和测试在每个样地随机设3～4个1m×1m的草本样方，于2018年8月调查各个样方的植物种类、数量、盖度、频度，同时记录群落的地理位置、海拔等。在每个样方内采用梅花五点法采集表层(0～20cm)土壤，取样时用长1.2m、直径5cm土钻采集适量土样分别装入铝盒和自封袋，测定土壤含水量和养分含量。土壤含水量采用烘干法。有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾的测定方法分别为:重铬酸钾氧化外加热法、凯氏定氮法、碱熔融-钼锑抗分光光度法、碱熔融-火焰光度法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法、醋酸铵浸提-火焰光度法。1.3最小显著差异法lsd的显著性利用Excel软件对数据进行描述统计，采用SPSS20软件的单因素方差分析(one-wayANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同样地的差异显著性，显著水平设定为α=0.05。1.3.1群落多样性指数植物群落物种重要值计算公式:Margalef丰富度指数:Shannon多样性指数:Pielou均匀度指数:Simpson优势度指数:其中，S为群落中的总种数，N为群落中个体总数，P1.3.3关联系数和关联度为综合评价不同样地的土壤质量，采用灰色关联分析计算研究区土壤指标的关联系数和关联度((1)评价指标的无量纲化，将各项土壤指标进行无量纲化，y(2)选定参考序列，设为x(3)x(4)关联度以上公式中:|x2结果与分析2.1城镇区土壤含水量由表2可以看出，3个露天矿土壤含水量的变化很大，与对照区相比，西二矿和东二矿含水量分别减少了1.9%和14.0%，西三矿增加了63.6%，城镇区土壤含水量比对照区下降了27.2%～32.3%。方差检验可知，露天矿区和对照区土壤含水量差异显著，3个露天矿之间差异明显，总体来看，露天矿开采会使采场周围土壤含水量下降，受地理位置、海拔等条件的影响，土壤含水量的空间变异性较大。2.2降低全氮、全磷、全钾和碱解氮含量不同样地土壤养分含量的变化见表2。相比对照区，除有机质、速效磷和速效钾外，露天矿区的土壤养分含量均有所下降，露天矿区全氮、全磷、全钾和碱解氮含量均值分别降低了20.0%、39.7%、6.3%和47.2%。方差分析表明，全钾、碱解氮在露天矿区和对照区差异显著，说明露天矿开采在一定程度上造成土壤养分的损失，使土壤全氮、全磷、全钾和碱解氮含量降低，尤其对全钾、碱解氮的影响较大。城镇区土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮和速效钾含量低于对照区，而全磷和速效磷含量高于对照区。2.3群落优势地位露天矿区、城镇区和对照区的植物群落组成差异较大(表3)。对照区植物种类最多，有19种，建群种克氏针茅和羊草的重要值分别为17.27%和14.49%，在群落中处于优势地位。城镇区重要值排在前3位的以藜科为主，有猪毛菜、绳虫实、尖头叶藜，建群种羊草已经消失。露天矿区物种数量为8～14种，比对照区减少了26.3%～57.9%，建群种克氏针茅、羊草的重要值大幅下降。从植物生活型来看，草本植物占主导，旱生伴生种和一年生草本植物的比例增加，如画眉草、刺藜、猪毛菜、虎尾草等。3个露天矿的物种组成差异不大，优势种均为一年生藜科和禾本科植物，典型草原的建群种和伴生种比例减少或消失，草原呈明显退化趋势。2.4丰富度、多样性、优势度指数的方差分析植物群落多样性指数显示(图2)，对照区群落丰富度指数、多样性指数、优势度指数和均匀度指数分别为2.23、1.83、0.8和0.75，其中丰富度指数、多样性指数和优势度指数在所有样地中最大。方差分析表明，对照区丰富度指数和多样性指数显著高于露天矿区，其余指数差异不明显。露天矿开采使草原物种多样性下降，采矿干扰导致群落的物种丰富程度和多样性均有下降，优势种的优势程度也有所降低，个体在群落中的分布更趋于均匀化。2.5土壤与植物因子的相关性分析为了更好地揭示研究区土壤理化性质与植物群落特征的相互关系，本研究采用冗余分析方法(RDA)，将各样地的土壤因子作为环境因素，植物因子作为物种，将2个变量组进行RDA排序分析。表4结果显示，土壤与植物因子相关关系第一轴和第二轴的累计比例分别为85.5%和14.3%，即第一轴和第二轴共解释了99.8%的土壤与植物之间的关系。土壤与植物因子相关系数第一轴和第二轴的值分别是0.672和0.531。由此可知，土壤与植物因子之间具有较高的相关性。由图3可知，速效钾、全氮、有机质、全钾与均匀度指数、优势度指数、多样性指数呈正相关关系，全磷、含水量与其呈负相关关系;速效钾、全磷、含水量与丰富度指数呈负相关关系，其余土壤因子与其呈正相关关系。全钾、速效钾是影响植物群落多样性的关键因子，其余土壤因子对植物群落特征的影响较小。2.6不同样地分布规律为揭示研究区各样地之间的相互联系，本文以余弦为测度方法，采用组间连接方法，以土壤因子为变量对不同样地进行聚类分析，其聚类树状图形象、直观地反映出了不同样地的亲属关系(图4)。图4显示，研究区不同样地可以划分为4类:对照区、西二矿和西三矿、城镇区、东二矿。再结合RDA排序图中样地随土壤、植物因子梯度变化的分布规律(图3)，对照区主要分布于排序图第四象限的中部，土壤和植物因子以样地为中心聚集在其两侧，土壤养分状况和植物群落结构均较好;城镇区主要分布于排序图的第三象限，除全磷、速效磷和含水量外，其余土壤和植物因子退化趋势明显;3个露天矿主要分布于排序图的第一和第二象限，一部分土壤因子和植物群落结构处于退化状态，如全钾、碱解氮和物种丰富度。2.7土壤肥力关联度为综合考察研究区土壤肥力状况的优劣，采用灰色关联法对露天矿区、城镇区和对照区的土壤肥力质量进行评价。根据关联度分析原则，由于“参考序列”的质量是系统中质量最高的，如果评价对象的关联度越大，其与参考序列越接近，代表土壤肥力状况越好，反之则越差。不同样地土壤肥力质量排序结果(表5):S4>S6>S9>S2>S8>S7>S3>S1，可见，3个露天矿距采场边界500m处的土壤肥力质量均好于100m处，其中西三矿500m处和东二矿500m处的土壤肥力状况略好于对照区，部分土壤因子(有机质、全氮、速效钾)的关联系数大于对照区，说明露天矿开采对土壤肥力质量的影响是有限的，不同露天煤矿开采对土壤肥力质量的影响范围因矿山而异，本研究显示，西三矿和东二矿的影响范围约为500m，而西二矿的影响范围大于500m。3露天煤矿开采对植物物种组成和多样性的影响煤矿露天开采是在剥离地表覆盖物后直接开采煤炭，将导致原有土地资源的挖损和压占，从而破坏矿区的地形地貌、土壤、植被和景观()研究发现，煤矿开采活动会对土壤理化性质产生影响，使矿区以及矿区周边土壤养分含量降低。露天煤矿开采会对植物群落组成和物种多样性产生影响，露天矿区物种数量减少，建群种羊草、克氏针茅比例下降或消失，旱生伴生种和一年生草本植物数量增加。此变化说明，露天矿开采导致植物群落逆向演替，典型草原干旱化、退化趋势比较明显，群落结构逐渐趋于简单化。群落物种数量的减少导致丰富度指数和多样性指数在露天矿区显著降低，这与前人的研究结论一致(土壤与植物因子的排序结果显示，全钾和速效钾是影响群落结构的关键因子，其余土壤因子对植物群落特征的影响较小。因为土壤养分会影响植被的生长和植被生态系统的发展，表现为群落数量特征、种群动态和结构的改变(4土壤理化性质的变化露天煤矿开采对土壤含水量的影响较为复杂，西二矿和东二矿土壤含水量下降，而西三矿含水量有所上升，3个露天矿的土壤水分空间变异性较大。与对照区相比，露天矿区土壤全氮、全磷、全钾和碱解氮含量下降，速效磷和速效钾含量增加，其中全钾和碱解氮含量显著降低。露天矿区物种数量有所减少，建群种重要值大幅下降，旱生伴生种和一年生草本植物数量增多，丰富度指数和多样性指数显著降低，群落结构逐渐趋于简单化，草原干旱化、退化趋势明显。土壤理化性质与植物群落特征具有较高的相关性，全钾和速效钾是影响群落结构的关键因子。土壤肥力质量评价得出，远离露天采场的土壤肥力质量要好于采场附近，