铲运机复垦重构土壤容重值的时空变异特性.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 0 5 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N O ．4 J u l ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 6 7 0 5 铲运机复垦重构土壤容重值的时空变异特性 戚家忠1 ’2 ，胡振琪1 ，赵艳玲1 1 ．中国矿业大学土地复垦与生态重建研究所，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．皖北煤电集团永盛公司，安徽宿州 2 3 4 0 0 0 摘要基于复垦重构土壤物理性状的重要性，采用网格取样法对三块不同时间的铲运机复垦重 构土壤以及一块普通农田进行了取样化验，求得容重值，然后应用地质统计学理论的克立格方 法，研究了铲运机复垦重构土壤容重属性的时空变异性．结果表明实验田1 和实验田2 为正态 分布，实验田3 为对数正态分布．三决实验田的半变差函数模型以纯块金效应模型占多数．铲运 机复垦重构土壤的容重值比普通农田偏大． 关键词铲运机；复垦重构土壤；容重 中图分类号T D3 2 7 文献标识码A T i m e SV a r i a t i o no fB u l kD e n s i t yofll m e p a c eVa r l a t l O nO ie n s l t yo t 一3 R e c o n s t r u c t i n gS o i lR e c l a i m e db yS c r a p e r Q IJ i a z h o n 9 1 ”，H UZ h e n q i l ，Z H A OY a n l i n 9 1 1 ．I n s t i t u t eo fR e c l a m a t i o na n dE c o l o g i c a lR e c o n s t r u c t i o n ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ’ 2 ．Y o n g s h e n gC o ．o fW a n b e iC o a lF i r eP l a n tG r o u p ，S u z h o u ，A n h u i2 3 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ei m p o r t a n c eo fu n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr e c o n s t r u c t i n g s o i lr e c l a i m e db ys c r a p e r ，t h es o i lb u l kd e n s i t yw a so b t a i n e db yg i r d i n gs a m p l i n gm e t h o di nt h r e e r e c l a i m e d p l o t s w i t hd i f f e r e n tr e c l a i m i n gt i m e sa n dan o r m a lf a r m l a n dp l o t ．T h et i m e s p a c e v a r i a t i o no fs o i lb u l kd e n s i t yw a ss t u d i e db yG e o s t a t i s t i c sa n dK r i g i n g ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts o i l b u l kd e n s i t yw a san o r m a ld i s t r i b u t i o ni nb o t hp l o t1a n dp l o t2 ，b u tl o g a r i t h mn o r m a ld i s t r i b u t i o n i np l o t3 ，a n dm o s to ft h eh a l f v a r i a t i o nm o d e l sw e r et h ep u r en u g g e tm o d e l ．T h eb u l kd e n s i t yo f r e c o n s t r u c t i n gs o i lr e c l a i m e db ys c r a p e rw a sl a r g e rt h a nt h a to fn o r m a lf a r m l a n d ． K e yw o r d s s c r a p e r ；r e c o n s t r u c t i n gs o i l ；b u l kd e n s i t y 土地是人类赖以生存的基础，由于采矿破坏了 大量的土地，造成良田的大量损失和环境的严重污 染，因此，矿山土地复垦已成为一项刻不容缓的任 务[ 1 ] ，我国的复垦也取得了很大的成绩，铲运机复 垦是其中的一种主流复垦方式，在利用铲运机复垦 时，由于机械作功，对土壤产生压实作用，过度的压 实会影响土壤的耕作性能，不利作物生长，使得土 壤质量下降．因此，土壤容重值的大小是衡量土壤 质量好坏的一个重要指标[ 2 ’3 ] ． 1 研究区概况 实验区位于安徽省北部，地处陇海线之南，京 沪线之西，京九线之东．公路网络四通八达，交通十 分便利，如图1 所示．区内地形平坦，地处暖温带湿 润气候区，四季分明．年平均气温1 8 ℃，最高温度 4 0 ℃，最低温度一1 6 ℃．气候温和，阳光充足．年平 收稿日期2 0 0 4 1 1 1 5 基金项目；国家自然科学基金项目 4 0 0 7 1 0 4 5 作者简介戚家忠 1 9 6 2 一 ，男，江苏省徐州市人，高级工程师，博士，从事土地复垦与矿区生态重建的研究 ．E - m a l l q i j i a z h o n g 1 6 3 ．C O I T I T e l 1 3 8 5 5 7 7 5 6 5 6 万方数据 4 6 8 中国矿业大学学报第3 4 卷 均降水量8 2 6r a m ，且年平均蒸发量为13 0 09 0 0 m m ．无霜期在2 0 4d 左右． 图1 实验区地理位置 F i g ．1G e o g r a p h i cp o s i t i o no fe x p e r i m e n t a la r e a 区内河流均系淮河水系，一般为季节性河流． 本区水资源人均占有量为全国人均水平的1 2 ％左 右，地下水位1 ～2r r l ，水质为重碳酸钙型． 本区土壤基质主要为中壤黏土，砂浆黑土、潮 土、棕壤土和黑色石灰土等组成，渗水性能好． 植被多系人造林、果林和农田林网．农作物种 植以粮食与经济作物为主，通常为一年两熟制．地 层自上而下分别为第四系黄土冲积层，二叠系、石 炭系和奥陶系．第四系属黄淮平原的黄土冲积层和 湖积层．层厚1 1 0 ～1 4 01 2 “ 1 ，主要由黏土、粉砂岩和 砂岩组成．二叠系的石盒子组和山西组为本区的主 要含煤地层．矿区开发于2 0 世纪7 0 年代，总设计 生产能力1 5 0 万t ． 2 实验地选择及取样方法 2 ．1 实验地选择 实验地为典型的平原地形农田．是由3 块互不 相连的采煤塌陷地、在不同年份进行复垦的、且均 是采用铲运机复垦技术的田块构成．具体是 实验田1 复垦结束并已耕作3 ．5a ； 实验田2 复垦结束1a 多未耕作； 实验田3 取样时刚刚完成复垦． 3 块实验田土壤均为中壤黏土和砂姜黑土，含 姜砾． 2 ．2 取样方法 取样深度为O ～2 0c m 的表层土壤．取样时间 为2 0 0 2 年9 月2 7 日至3 0 日．实验田1 占地6 ．4 公顷，该地为小麦一玉米一年两季．取样时选在该 复垦地的中部，划分为1 0m 1 0m 的网格，共1 0 0 个取样点．实验田2 面积3 ．7 公顷，选其中部划分 为6m 81 T I 的网格，共取样1 0 2 个点。实验田3 约 6 0 公顷，取样时选择其东北角约6 ．7 公顷做为复 垦取样田，按1 0m 1 0i n 间距共取样1 0 4 个点．另 外，为了对比，在实验田附近未受采煤塌陷影响的 农田内，随机选取了6 个样点．噪用环刀法取样，现 场蜡封，回到室内后启封测定容重． 3 结果分析与讨论 3 ．1统计分析 应用统计学的原理和方法，对3 块实验田的容 重值进行了统计分析，结果如表1 ． 表1不同复晨时问的土壤窖重值统计分析结果 T a b l e1S t a t i s t i ca n a l y s i sr e s u l t so fs o i lb u l kd e n s i t yi nd i f f e r e n tr e c l a i m e dt i m e 3 ．2 半方差函数结构分析 根据地质统计学的半变差函数理论n ] ，对3 个 实验田的土壤容重实验半变差函数进行计算口] ，并 作不同方向的实验半变差函数曲线图印] ．然后依据 曲线图找出最优拟合理论模型，求出参数值，得最 优拟合曲线图[ 7 ‘8 ] ． 1 实验田1 容重半变差函数模型类型及参数 值 实验田1 复垦重构土壤容重半变差函数模型 类型及参数值如表2 ，土壤样品不同方向的半变差 函数拟合结果如图2 ． 裹2 实验田1 窖I 含■半变差函数模型及参数值 T a b l e2P a r a m e t e r sa n dm o d e lo fs e m i - v a r i a t i o n f u n c t i o no fb u l kd e n s i t yi np l o t1 吉藿之穹7 模型类型 块金C o 值警基尝值丽C o 0 容重4 9 0 5 1 3 5 4 3 4 3鸲他 O O 8O 4∞∞ O 02 2 63 扎3 6 6 4 4 3 1 l∞∞∞∞ O O O 0 型型模模应应 效效型型金金模模块块状状纯纯球球 万方数据 第4 期戚家忠等铲运机复垦重构土壤容重值的时空变异特性4 6 9 1 6 咨1 2 墨8 邑 ∑4 O ● ’块金值0 ．0 1 3 6 变程3 2 ’基台值O ．0 0 0 8 1 6 墨1 2 釜8 暑4 81 6 2 43 24 0 0 1 22 43 6 4 86 0 [ h 】 [ h ] c 9 0 。 d 1 3 5 。 图2 实验田1 土壤容重值不同方向半变差函数拟合结果 F i g ．2F i t t i n gr e s u l t so fd i f f e r e n td i r e c t i o ns e m i - v a r i a t i o nf u n c t i o no fs o i lb u l kd e n s i t yi np l o t1 可以看到，实验田1 的土壤容重值在O 。和4 5 。 方向均呈现出纯块金效应模型，块金值分别为 0 ．0 1 46 和0 ．0 1 36 ，说明其空间变异完全是由随机 因素引起，不存在空间自相关的情况．在9 0 。和 1 3 5 。方向呈球状模型，块金值分别为0 ．0 1 14 和 0 ．0 1 1 ，变程为3 2m 和3 7 ．6 2m ，由随机因素引起 的空间变异程度分别为9 3 ．4 4 ％和7 3 ．3 3 ％，接近 1 ，说明容重值的空间变异性主要是随机现象造成， 空间自相关程度非常低． 2 实验田2 容重半变差函数模型及其参数值 实验田2 复垦重构土壤容重半变差函数模型 及其参数值如表3 ，半变差函数拟合结果如图3 ． 表3 实验田2 窖重含量半变差函数模型及参数值 T a b l e3P a r a m e t e rv a l u e sa n dm o d e lo fs e m i v a r i a t i o n f u n c t i o no fb u l kd e n s i t yi np l o t2 【h 】 b 9 0 。 图3 实验田2 土壤容重值不同方向半变差函数拟合结果 F i g ．3F i t t i n gr e s u l t so fd i f f e r e n td i r e c t i o ns e m i - v a r i a t i o nf u n c t i o no fs o i lb u l kd e n s i t yi np l o t2 可以看到，实验田2 的土壤容重的半变差函数 均为球状模型．容重O 。方向上的变程为1 3 ．4 4m ， 仅仅略大于取样尺度1 0m ．其由随机部分引起的 空间变异程度为8 3 ％．这些说明了容重在这个方 向上的空间相关性不大，这点与实验田1 的情况相 同． 3 实验田3 容重半变差函数模型及其参数值 实验田3 复垦重构土壤容重半变差函数模型 毛2 4 孓1 8 互1 2 6 块金值0 ．0 1 2 5 02 0 4 06 08 0 1 0 01 2 0 [ h 】 8 0 。 m2 4 宝1 8 ≥1 2 量6 O 及其参数值如表4 ，半变差函数拟合结果如图4 ． 表4 实验田3 窖重含量半变差函数模型及参数值 T a b l e4P a r a m e t e rv a l u e sa n dm o d e lo fs e m i v a r i a t i o n f u n c t i o no fb u l kd e n s i t yi np l o t3 m 3 2 b2 4 墨1 6 邑8 k m1 8 61 6 曼1 2 亭4 8 2 04 0 6 0 8 01 0 0071 42 1 2 83 5 4 2 4 9 5 66 3 7 002 04 06 08 01 0 0 [ h 】 【h 】【h 】 b 4 5 。 c 9 0 。 d 1 3 5 。 图4 实验田3 土壤容重值不同方向半变差函数拟合结果 F i g ．4F i t t i n gr e s u l t so fd i f f e r e n td i r e c t i o ns e m i - v a r i a t i o nf u n c t i o n so fs o i lb u l kd e n s i t yi np l o t3 可以看出，实验田3 的土壤容重在O 。方向上是 球状模型，其块金值为0 ．0 1 25 ，变程为2 4m ，随机 部分引起的空间变异程度为7 7 ．6 4 ％．另3 个方向 是纯块金效应模型，表明在这些方向上它们互不相 关，其变异程度完全是由随机因素引起．其块金值 在0 ．0 1 47 ～o ．0 1 54 之间，基本相等，表明土壤容 万方数据 4 7 0 中国矿业大学学报第3 4 卷 重在复垦时完全受外力的随机影响． 3 ．3 土壤容重时空分布特性研究 1 土壤容重时空分布特性分析 土壤容重数值的大小，受土壤的质地、结构、有 机质多少以及各种自然的和人为的因素的影响．铲 运机复垦土壤时由于机械作功，对土壤有压实作 用，过度的压实会影响耕作，不利作物生长．因此， 土壤容重值的大小是衡量这方面好坏的一个重要 指标．根据获得的半变差最优拟合理论模型，采用 克立格法分别计算3 块实验田容重的克立格估值， 并作出其克立格估值等值线分布图如图5 ．图6 显 示了容重的时间变异特性．可以看到，3 块实验田 土壤容重值的空间分布等值线较均匀，未见高差起 落差别很大的情况，说明铲运机复垦时机械对土壤 的压实作用分布较平均．从容重的时间变异图可以 看到，实验田1 的容重为1 ．4 0 1g ／c m 3 ，与普通农田 的容重值相比略高，差别不大，说明在经过3a 多 的耕作后，复垦土壤容重与一般农田的容重基本相 同．实验田2 土壤容重均值为1 ．3 8 4g ／c m 3 ，与对照 田的1 ．3 7 9g ／c m 3 基本一致．该复垦田在复垦完毕 后至取样时有1 ．5a 的时间没有进行耕作或其他 人为的管理措施，是否说明复垦土壤在自然因素作 用下，容重值可以从最初的压实状态向着疏松状态 变化，最后达到与一般农田土壤容重相当，还需要 更多的数据分析才能够证明这点．实验田3 土壤容 重值最大为1 ．5 3 8g ／c m 3 ，比实验田1 的容重均值 高9 ．8 ％，比实验田2 的高1 1 ．1 ％，比普通农田的 容重均值高1 1 ．5 ％．说明应用铲运机复垦技术，由 于机械作用，对土壤产生的压实作用较大，容重值 4 0 3 0 2 0 l O 4 0 3 0 2 0 l O 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 2 04 06 08 01 0 0 1 2 01 4 0 1 6 01 8 0 a 田1 等值线图 1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 b 田2 等值线图 1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 c 田3 等值线圈 图5 容重空间分布等值线图 F i g ．5 I s o l i n eo fs p a t i a ld i s t r i b u t i o no fb u l kd e n s i t y ’ 鼍 1 ．6 1 ．5 1 ．4 1 ．3 万方数据 第4 期戚家忠等铲运机复垦重构土壤容重值的时空变异特性4 7 1 4结论 1 土壤容重值的统计分布类型是实验田1 和实验田2 为正态分布；实验田3 为对数正态分 布。 2 土壤容重值的半变差函数模型以纯块金效 应模型占多数．特别刚刚复垦完毕的实验田3 ，其 仅在o 。方向上表现为球状模型，其变程也仅是 2 4 m ，说明土壤容重在复垦时主要受外力的随机影 响，本身空间自相关性不强． 3 铲运机复垦土壤的容重值大于普通农田， 因此，要搞好复垦规划，缩短工期．复垦完毕后要深 耕翻晒，疏松土壤．并且要合理种植，科学施肥，改 良土壤，降低容重值． 参考文献 胡振琪．露天煤矿复垦土壤物理特性的空间变异性 F J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 2 ，2 1 4 3 1 3 7 ． H uZQ ．S p a t i a la r i a b i l i t yo fp h y s i c a lp r o p e r t i e so f r e c l a i m e dS o i li ns u r f a c ec o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 2 ，2 1 4 3 1 3 7 ． 胡振琪．矿山复垦土壤物理特性及其在深耕措施下的 改良[ D ] ．徐州中国矿业大学采矿工程系，1 9 9 1 ． 胡振琪．露天矿复垦土壤的研究现状[ J ] ．农业环境保 护，1 9 9 7 ，1 6 2 9 0 9 2 ． H uZQ ．S t a t u si nr e c l a m a t i o ns o i lo fs u r f a cm i n e [ J ] ． A g r o e n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n ，1 9 9 7 ，1 6 2 9 0 - 9 2 ． M a t h e r o nG ．P r i n c i p l e so fg e o s t a t i s t i c s [ J ] ．E c o n o m i c G e o l o g y ，1 9 6 3 ，5 8 1 2 4 6 - 1 2 6 6 ． 侯景儒，尹镇南，李维明，等．实用地质统计学[ M ] ．北 京地质出版社，1 9 9 8 ． [ 6 ]王政权．地质统计学及其在生态学中的应用[ M ] ．北 京科学出版社，1 9 9 9 ． [ 7 ]张乃明，李保国，胡克林．太原污灌区土壤重金属和盐 分含量的空间变异特征口] ．环境科学学报，2 0 0 1 ，2 1 3 3 4 9 3 5 3 ． Z h a n gNM ，L iBG ，H uKL ．S p a t i a lv a r i a b i l i t i e so f h e a v ym e t a l sa n ds a l tc o n t e n t si ns o i l so fT a i y u a n s e w a g ei r r i g a t i o nr e g i o n [ J ] ． A c t aS c i e n t i a e C i r c u m s t a n t i a e ，2 0 0 1 ，2 1 3 3 4 9 3 5 3 ． [ 8 ] 胡克林，李保国，林启美，等．农田土壤养分的空间变 异性特征[ J ] ．农业工程学报，1 9 9 9 ，1 5 3 3 3 3 8 ． H uKL ，L iBG ，L i nQM ，e ta 1 ．S p a t i a lv a r i a b i l i t i e s o ff a r m l a n ds o i ln u t r i t i o n [ J ] ．T r a n s a c t i o n so ft h e C h i n e s eS o c i e t yo fA g r i c u l t u r a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，1 5 3 3 3 3 8 ． [ 9 ] 胡振琪．复垦土壤耕作效果的定量评价口] ．土壤侵蚀 与水土保持学报，1 9 9 6 ，2 2 8 6 9 4 ． H uZQ ． Q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t i l l a g e e f f e c t i v e n e s so fr e c l a i m e dS o i l [ J ] ．J o u r n a lo fS o i l E r o s i o na n dS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n ，19 9 6 ，2 2 8 6 9 4 ． [ 1 0 ] 浙江农业大学主编．植物营养与肥料[ M ] ．北京农 业出版社，1 9 9 1 ． [ 1 1 ] 毕银丽，胡振琪，司继涛，等．接种菌根对充填复垦土 壤中营养吸收的影响口] ．中国矿业大学学报，2 0 0 2 ， 3 1 3 2 5 2 2 5 7 ． B iYL ，H uZQ ，S iJT ，e ta 1 ．E f f e c t so fa r b u s c u l a r m y c o r r h i z a lf u n g io nn u t r i e n tu p t a k eo fm a i z ei n r e c l a m a t e dS o i l [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，3 1 3 2 5 2 2 5 7 ． 责任编辑骆振福 ] ] ] ] ] 口 心 口 H 口 万方数据