基于红黏土和砂石土复配的草原露天矿区土壤重构技术研究

Research on soil reconstruction technology based on red clay-sand soil compounding in grassland open-pit mining areas

摘要

针对典型草原露天矿区排土场土体结构破碎导致的土壤保水保肥能力差问题，以内蒙古扎哈淖尔煤矿排土场为研究对象，采用矿区本地红黏土和砂石土为重构材料，构建“排土场底土-保水保肥隔水层-黏砂复配土”3层结构，设置5种黏砂体积配比（处理T1~T5的配比分别为1∶0、1∶1、1∶2、1∶5、0∶1），保水保肥隔水层标记为B，总计T1、T2、T3、T4、T5、T1B、T2B、T3B、T4B和T5B共10个处理，探究不同土壤重构方式处理对土壤理化性质、微生物多样性及植物生长的影响，并通过熵权-TOPSIS法进行综合评价。结果表明黏砂体积比和隔水层处理均对土壤电导率、含盐量、有机质、全氮影响显著，且黏砂体积比和隔水层存在显著交互作用。熵权-TOPSIS法综合评价结果表明黏砂体积比为1∶5且设置10 cm保水保肥隔水层（T4B）处理下的综合效应最优。与未设置隔水层的T4处理相比，T4B处理下的土壤有机质、全氮、全磷含量分别由5.04、0.94、1.56提高至14.98、1.54、1.74 g/kg；同时真菌多样性也得到了提高。综上，红黏土和砂石土的体积配比为1∶5时与隔水层形成的土壤重构方式，可以改善土壤养分和微生物多样性，进而促进植物生长。本研究可为典型草原露天矿区排土场植被恢复提供科学依据，对推动绿色矿山建设具有重要理论与实践意义。

Abstract

To address the poor soil water and nutrient retention capacity caused by the fragmented soil structure of overburden dumps in typical steppe open-pit mining areas， the overburden dump of the Zhahanaoer Coal Mine in Inner Mongolia was selected as the study object. Using locally sourced red clay and sandy soil from the mining area as reconstruction materials， a three-layer profile consisting of “dump site subsoil—water and nutrient retention impermeable layer–clay-sand mixed soil”was constructed. Five clay-to-sand volume ratios （1∶0， 1∶1， 1∶2， 1∶5 and 0∶1， T1–T5） were set， and a water and nutrient retention barrier layer denoted as B， resulting in 10 treatments： T1， T2， T3， T4， T5， T1B， T2B， T3B， T4B and T5B. To investigate the effects of different soil reconstruction treatments on soil physicochemical properties， microbial diversity， and plant growth. A comprehensive evaluation was conducted using the entropy weight-TOPSIS method. The results showed that both the clay-sand volume ratio and the impermeable-layer treatment significantly affected soil electrical conductivity， salinity， organic matter， and total nitrogen， with a significant interaction observed between these two factors. The entropy weight-TOPSIS evaluation indicated that the treatment with a clay-sand volume ratio of 1∶5 and a 10 cm barrier layer （T4B） achieved the optimal overall effect. Compared with T4 without a barrier layer， T4B increased soil organic matter， total nitrogen， and total phosphorus from 5.04， 0.94 and 1.56 to 14.98， 1.54 and 1.74 g/kg， respectively， and its microbial diversity also increased. In conclusion， the soil reconstruction approach formed with a 1∶5 volume ratio of red clay to sandy soil， combined with a water and nutrient retention barrier layer， can improve soil nutrients and microbial diversity， thereby promoting plant growth. This study provides a scientific basis for vegetation restoration on overburden dumps in typical steppe open-pit mining areas and has important theoretical and practical significance for promoting green mine construction.

Graphical abstract

关键词

草原露天矿区 / 生态修复 / 黏砂复配 / 土壤重构

Key words

grassland open-pit mining areas / ecological restoration / clay-sand compounding / soil reconstruction

土壤作为生态系统的核心载体，其结构稳定性直接决定了保水保肥能力、微生物活性及植被生长潜力^［1］。在露天煤矿开采过程中，大规模的地表剥离和岩土堆置会对土壤造成不可逆的结构性破坏，不仅导致颗粒组成失衡、孔隙结构紊乱，还破坏了水分、养分、空气和热量的协同平衡，使剥离后的土壤成为“结构破碎、功能丧失”的退化生境^［2］。草原露天矿区具有降水稀少、蒸发量大、土壤肥力低的特征，开采引发的结构破坏进一步降低了土壤保水能力，加速养分流失，显著增加了生态系统恢复难度，成为制约矿区生态修复的核心瓶颈^［3］。

在矿区生态修复中，土壤重构作为关键环节，旨在通过系统性人为干预，重塑土壤的物理结构、化学性质与生物功能，为植被重建提供基础生境^［4］。在物理结构重构方面，通过复配不同粒径的土壤或矿物材料可有效调控土壤结构，优化孔隙分布。研究表明，分选后的煤矸石填充基质比天然煤矸石具有更好的保水、保肥与通气性能，以煤矸石作为填充材料时，重构土壤的理化性状显著改善^［5］。在养分方面，添加化肥、有机肥或生物炭等改良剂能够快速提升土壤肥力，其中生物炭的应用可使有机质含量提高30%以上，但由于其成本较高，在大范围草原矿区的推广仍面临限制^［6］。微生物重构是提升土壤系统功能的关键途径。通过引入固氮菌、解磷菌等功能菌剂，可有效激活养分循环、促进团粒结构形成。然而，外来菌种在干旱草原条件下普遍存在适应性障碍，严重制约了其长期生态稳定性^［7］。此外，为缓解干旱胁迫，保水剂被用于增强土壤持水能力，其效果虽获认可，但部分化学类保水材料降解缓慢，可能带来二次环境风险^［8］。从系统成效来看，各类土壤重构措施在改善矿区土壤质量方面均展现出特定优势。然而，面向干旱草原这一特殊生境，单项技术的适应性、不同措施之间的协同性以及生态风险可控性，仍缺乏系统性的评估与优化，难以实现生态修复的长期稳定效果。

扎哈淖尔煤矿位于内蒙古东部典型草原区，是我国北方重要的能源生产基地。长期露天开采导致排土场土壤生态系统严重退化，其中表层土壤呈现明显的缺水和缺肥问题，严重制约后续植被恢复^［9］。目前，针对这一问题的研究多聚焦于单一改良措施，缺乏对“土壤养分–微生物–植被”的协同研究。本研究拟以扎哈淖尔煤矿排土场为研究对象，选用矿区赋存的砂石土和红黏土作为重构材料，设置不同的重构比例，结合保水保肥隔水层，探究不同土壤重构方式对土壤理化性质、微生物多样性及植物生长的影响，并通过熵权-TOPSIS法进行综合评价，筛选出适配草原矿区土壤重构的最佳方式，以期为扎哈淖尔煤矿排土场的快速植被恢复提供技术支撑，也为我国典型草原露天矿区生态修复提供可推广的工程方案。

1　材料与方法

1.1　试验设计

试验中底土、红黏土、砂石土均采自扎矿排土场，红黏土和砂石土的理化性质见表1。土壤重构土层模拟排土场自然状态，从底层到上层分别为：排土场底土（5 cm）、保水保肥隔水层（红黏土10 cm）、黏砂复配土壤（20 cm）。其中，黏砂复配土的试验设置为将红黏土和砂石土按照不同体积配比（1︰0、1︰1、1︰2、1︰5、0︰1）混合均匀，试验设置见表2。共设置10个处理，每个处理3次重复。试验开始时将重构土壤分层装入19 cm（盆高）×20 cm（盆口直径）×16 cm（盆底直径）的塑料盆内。种植植物采用种子包的形式，包括禾本科、豆科、杂科种子。

由于矿区土壤养分含量较低，植物生长1个月后统一进行追肥，肥料配比按质量比计，m（N）︰m（P₂O₅）︰m（K₂O）为4︰2︰1，使用3种肥料来进行配制：尿素含氮（N）46%、过磷酸钙含磷（P₂O₅）16%、硫酸钾含钾（K₂O）52%。施肥量分别为尿素225.0 kg/hm²、过磷酸钙328.5 kg/hm²、硫酸钾49.5 kg/hm²。

1.2　指标测试及分析

1.2.1　土壤

1）土壤理化性质。试验后采集2份土样，一部分土样风干后剔除杂物过2 mm筛，用于分析土壤颗粒组成、有机质、全钾、全磷、全氮、电导率、含盐量及pH；另一部分土样用自封袋密封后冷藏于4 ℃冰柜中，用于测定微生物数量。

土壤颗粒组分采用BT-9300H激光粒度分析仪测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全钾采用火焰光度法测定；土壤全磷采用钼酸铵分光光度法测定；土壤全氮采用硫酸消煮-凯氏定氮法测定；电导率（EC）采用电导率仪测定（m（土）︰V（水）=1︰5）；含盐量通过电导率与经验系数换算得出；土壤pH采用pH计（m（土）︰V（水）=1︰2.5）测定。

2）土壤微生物。原始高通量测序数据通过集成的生物信息分析流程进行处理。该流程以EasyAmplicon v1.18为核心，并在R环境中结合microeco与vegan等软件包完成补充分析。首先，将双端序列进行合并并分配至对应样品；随后剪切引物序列，并按照EasyAmplicon标准流程实施质量控制。质量过滤后的序列经去冗余处理，移除单序列与低丰度序列，以降低噪声对后续分析的影响。后利用UNOISE3算法识别扩增子序列变体（ASVs），该步骤同时实现嵌合体去除。进一步通过rdp_its_v2真菌ITS数据库与RDP 16S rRNA数据库UNITE真菌ITS数据库及RDP 16S rRNA数据库进行参考比对，以识别并剔除残余嵌合体。

在获得最终ASVs集合后，提取其代表序列并基于97%序列相似性阈值进行OTU聚类，以构建物种丰度矩阵用于后续多样性分析比较。通过EasyAmplicon 与 microeco内置脚本过滤叶绿体、线粒体等非目标来源序列，并进一步去除极低丰度ASVs。为确保样品间数据的可比性，对特征表进行抽平处理。最终利用USEARCH与vegan包基于稀释后的数据计算Alpha多样性指数。Alpha多样性指数基于抽平后的OTU丰度数据在R语言环境中计算，包括物种丰富度指数Richness以及多样性指数Shannon。

1.2.2　植被

1）生物量。生长90 d收获时用剪刀将出土点剪断，分为地上部和地下部。地上部和地下部取出后，用清水洗净表面，而后用去离子水冲洗，并用吸水纸吸干表面水分，随后将植株样本放入烘箱105 ℃杀青30 min，调温至70 ℃，烘干至恒重，获得地上部分生物量，即干重。

2）总碳。植物样品经70 ℃烘干至恒重后，利用球磨仪研磨并通过100目筛（0.15 mm）。称取约5~10 mg样品，包裹于锡舟中，利用元素分析仪采用干烧法测定。

1.3　基于熵权的TOPSIS综合模型构建

熵权法能够消除主观因素的影响，是一种根据评价指标反馈的信息量来确定指标权重的方法，熵值越小权重越大。TOPSIS模型是Hwang等^［10］于1981年首次提出，是一种距离综合评价方法。本研究运用熵权-TOPSIS法对不同材料配比的重构土壤进行综合评价，具体步骤如表3所示。

1.4　数据统计及分析

试验数据利用Microsoft Excel 2021软件进行数据归纳整理和作图，采用SPSS软件进行主成分分析和单因素方差分析，不同处理间采用Duncan法检验各处理平均数在P<0.05水平的差异显著性。

2　结果与讨论

2.1　不同土壤重构方式下土壤化学性质的变化

不同土壤重构方式下土壤的化学性质变化如表4所示。可见，各处理下土壤pH为7.61~8.78，均处于弱碱性范围。其中：在无隔水层处理中，纯砂处理T5的土壤pH显著低于其他复配处理（P<0.05），而T1~T4处理差异不显著，表明高砂比例的土壤中缓冲能力与盐基离子保持能力相对较弱；设置隔水层后，土壤pH为8.30~8.64，且处理组间差异较小，表明添加隔水层结构后在一定程度上削弱了不同复配比例对表层土壤酸碱度的直接影响，但在黏粒比例较高的组合（T1B）仍可能出现局部环境差异导致的pH下降。

电导率（EC）与含盐量反映了土壤中可溶性盐分的累积与迁移特征，其变化在不同处理间呈现一致性趋势（表4）。其中：无隔水层下，T3处理的土壤EC与含盐量最低，纯砂土处理T5的土壤EC与含盐量的最高，且呈现显著性（P<0.05），说明中等复配比例（1︰2）更可能形成有利于盐分淋洗与扩散的孔隙结构，而纯砂土处理更容易表现为盐分负荷偏高；加隔水层后，与其他处理相比，T1B处理的土壤EC与含盐量偏高，表明在“细颗粒比例较高+隔水层”的组合下，离子更易在表层滞留（表4）。EC既反映可溶盐/离子强度，也会受施肥溶液浓度与水分过程影响。已有研究表明土壤含盐量与土壤含水量均可显著改变EC响应^［11-12］，而施肥也会提高EC值^［13-14］。因此，隔水层对盐分再分布的影响并非单向一致，而取决于上覆复配土质地与孔隙结构，从而导致不同复配比例下盐分在表层的累积程度存在显著差异。

此外，重构后土壤有机质与全氮对重构方式的响应更为敏感（表4）。不加隔水层时，土壤有机质含量在不同复配比例间差异显著，T1与T3处理下土壤有机质含量相对较高，T5处理下土壤有机质含量最低；加隔水层后，T3B处理下土壤有机质与全氮显著最高（P<0.05）（表4）。因此，“中等黏粒比例+隔水层”可能更有利于表层碳氮库的形成与保持^［15-16］。该结果与矿区土壤重构研究中“通过分层结构改善水分调控、提升表层养分库容”的认识一致，但也需同步关注表层盐分滞留风险，以避免“保水保肥”与“控盐”目标发生冲突^［17-18］。全磷含量1.56~3.22 g/kg，隔水层处理间差异相对减弱；全钾含量37.28~70.03 g/kg（表4）。其中：T4B处理下全钾含量显著偏高，可能与分层条件下钾素在表层富集或细颗粒相关矿物供给增强有关^［19］，仍需结合剖面分层采样与钾素形态分析进一步验证。

不同黏砂体积比和隔水层及其交互作用对土壤性质影响的双因素方差分析见表5。可见黏砂体积比和隔水层对土壤理化性质均有显著影响，并在多数指标上呈现交互效应。其中：黏砂体积比对pH、EC、含盐量、有机质、全磷与全氮均达到显著性水平（P<0.05），其中对EC、含盐量、有机质与全氮的影响为极显著（P<0.01）；隔水层对EC、含盐量、有机质与全氮同样表现为极显著影响（P<0.01），并对全钾产生显著影响（P<0.05），但对pH与全磷影响不显著。此外，交互作用方面，黏粒体积比×隔水层对pH、EC、含盐量、有机质与全氮均达到极显著水平（P<0.01），对全钾也呈现显著影响（P<0.05），而对全磷的影响不显著，说明隔水层对多数理化性质的调控效应依赖于黏砂复配体积比例，而磷的总体响应相对稳定。

pH的主效应主要来自黏粒体积比（P<0.01），且交互作用极显著（P<0.01），表明不同砂黏体积配比会改变隔水层对酸碱环境的影响。EC与含盐量在黏粒比、隔水层及交互项上均为极显著（P<0.01），表明添加隔水层后可能降低深层渗漏并延长溶质在根域停留时间，从而强化了不同配比间盐分差异（表5）。这与张一清等^［14］在土壤电导率与含盐量方面的研究结果一致。有机质同样受到黏砂体积比、隔水层及交互作用的极显著影响（P<0.01），说明黏粒供给与隔水层处理可通过增强有机-矿物结合与减少有机质随水分迁移流失，提高表层有机质积累潜力（表5）。全氮对两主因子及其交互作用均为极显著（P<0.01），表明氮素库对“结构-水分过程”的响应最为敏感，隔水层与黏砂复配体积比例共同影响了氮素滞留与转化环境。相比之下，全磷仅受黏粒体积比显著影响（P<0.05），隔水层及交互作用不显著，施肥条件下磷的差异主要由颗粒组成决定，而隔水层对其总体影响较弱。全钾方面，黏粒体积比主效应不显著，但隔水层与交互作用达到显著水平（P<0.05），说明钾的表层分布可能更易受分层结构引起的迁移-富集过程影响，而非单纯由配比决定。

2.2　不同土壤重构方式下土壤物理性质的变化

不同土壤重构方式下土壤质地的变化如图1所示。可见随着砂土比例增加，黏粒与粉粒含量快速下降。在不加隔水层条件下，随黏砂体积比的比例降低，重构土壤表层质地由T1处理的粉壤土向砂质化转变：T2处理为壤砂土，T3、T4和T5处理均为砂土。隔水层对T5和T5B处理仅引起很小的细颗粒（<0.050 mm）所占比例变化，说明在砂质含量较高情况下隔水层对表层土壤粒级组成的影响较小。而在T4处理中，在无隔水层时为砂土，加隔水层后（T4B处理）细颗粒（<0.050 mm）增加，质地由砂土转变为砂壤土，说明隔水层对中高砂复配处理中细颗粒（<0.050 mm）有一定的影响。

分层结构下，隔水层可改变剖面水分运移与界面水动力条件，从而影响细颗粒在表层或层间界面附近的再分布^［20］。已有研究表明在相同母质下，通过管理干预如施肥或设置隔水层可驱动细颗粒向大颗粒态的转化或相反的解聚过程^［21-22］。2类机制可解释这些相反方向的变化：一是团聚体形成/胶结，二是颗粒分散/解聚。团聚体形成通常由根分泌物和微生物粘多糖等有机物、Ca²⁺和Al³⁺多价阳离子或矿物胶结作用介导，使大量黏粒、粉粒被团聚进>0.005 mm的团聚体，从而在粒径上表现为>0.005 mm比例上升^［23-24］。在本试验中，T3处理中出现0.002~0.050 mm粒径颗粒的增加，表明隔水层延缓了表层水分与养分向下渗透的速度，从而使得植物在生长过程中，微生物与植物系统可形成稳定的团聚体^［25-26］。

2.3　不同土壤重构方式下土壤生物性质的变化

不同土壤重构方法下土壤细菌与真菌的多样性Shannon指数和丰富度Richness指数在不同处理下表现出显著差异如图2（a）和（b）所示。可见细菌Alpha多样性整体维持较高水平，各处理细菌Richness的均值为2 270.7~3 318.7，其中T1处理最高，T4处理最低。Shannon指数总体集中在5.84~6.82，差异幅度相对较小，表明细菌群落的均匀度较为稳定。已有研究指出，细菌多样性对土壤pH具有较强敏感性，但在同一试验体系内，质地与水分过程通过改变碳氮资源与微生物生长的环境，从而影响细菌群落的物种丰富度与结构^［27-28］。与本研究结果基本一致。

真菌群落对重构方式的响应更为明显（图2（a）和（b））。无隔水层处理中，真菌Richness均值为122.7~194.7，Shannon指数为2.10~3.14；设置隔水层后，真菌的Richness和Shannon指数整体上升，其中T4B与T1B处理的多样性水平相对较高。表明真菌受到土壤水分和养分的影响，隔水层可能通过改变表层水分滞留与孔隙环境，提供更稳定的菌丝生长微环境，从而提升真菌多样性^［29-30］。同时，不同黏砂比仍可能通过影响有机质与全氮含量，间接调控微生物多样性与酶活表达^［31-32］。

2.4　不同土壤重构方式下植物的生物量及总碳的变化

2.4.1　植物生物量的变化

由图3可见，不同黏砂体积比及隔水层处理对植物生物量表现出显著差异。其中：各处理植物生物量均值为9.38~32.06 g；T2B处理最高，达到32.06 g；T3处理最低，仅为9.38 g。此外，无隔水层处理中，T1与T5处理的生物量相对较高，而T3与T4处理较低；设置隔水层后，除T1B处理外，其他处理下植物生物量较未设置隔水层处理显著提高，尤其T2B处理表现出显著的增加趋势，提高了189.09%。

植物生物量同时受土壤重构方式中水分和养分供给的约束^［33］。设置隔水层后，可能通过改善土壤表层水分的持水性，提高根系对氮、磷、钾等外源养分的吸收利用效率，从而促进干物质积累^［34-35］。已有研究表明，增加水分供应并配合适度施氮处理能够显著促进作物干物质积累^［36］，且水分效应往往强于养分效应^［37］。因此，在隔水层处理下，植物生物量的提高很可能反映了水分的改善对施肥效应的促进作用。

2.4.2　植物总碳的变化

由图4可见，植物总碳在各处理间总体波动较小，均值为388.52~428.93 g/kg。其中：T2B处理最高，达到428.93 g/kg；T5B处理最低，为388.52 g/kg。在T2处理中，隔水层的设置使得土壤总碳含量提高了8.31%，表明水分的保持不仅提升了植物生物量，同时可能会减少有机质分解和碳的流失，从而增强了碳汇功能^［38］。但在T5处理中，隔水层处理反而使土壤总碳下降至388.52 g/kg。这可能是由于砂质土壤在通气性与水分环境条件改变下，加速了有机碳矿化和溶解有机碳的流失^［39］。

植物的碳含量通常具有一定稳定性，但仍可能随水分与养分条件以及胁迫水平而变化^［40］。本研究中，隔水层处理在提高生物量的同时提高了植物的总碳含量，说明水分再分布的过程并未导致植物碳含量的下降。已有研究指出，施肥方式与土壤水分可共同影响碳输入与碳转化过程，从而改变系统碳循环强度与固存潜力^［41］。因此，土壤总碳的变化不仅取决于外源碳源输入，还受土壤质地、水分保持和微生物活性的交互作用。在土壤重构中，应把提高植物生物量与减少有机碳矿化损失结合起来。

2.5　不同土壤重构方式的效果评价

基于熵权-TOPSIS方法的综合分析，不同土壤重构方式下各指标的熵值及权重如表6所示。可见不同指标的重要性存在显著差异。其中：砂粒所占比例（0.236）、粉粒所占比例（0.230）、黏粒所占比例（0.142）与有机质（0.136）权重较高，在区分不同处理组的土壤质量时贡献最大。这种结果不仅符合土壤肥力和养分有效性在植被恢复中的核心作用^［42］，也进一步验证了熵权法能够客观反映多指标间的信息差异。

不同土壤重构方式的综合评价结果如表7所示。可见：在不加隔水层处理中，除T2处理外，其他处理的整体表现普遍处于较低水平，排序均位于10名之后，说明仅依靠土壤质地重构难以实现土壤理化特性、养分供给和生物学功能的全面优化。这与先前关于矿山废弃地土壤基质单一改良措施作用有限的研究结论相一致^［4］。本研究发现在设置隔水层的作用下，土壤质量综合表现显著改善，可有效提升综合评价指数，尤其是T4B、T1B和T2B处理，T4B处理的综合排名第一，相对接近度C值高达0.851，反映出增强土壤持水性的措施能够显著缓解基质水分不足的问题，表明隔水层对植被恢复和土壤碳积累具有关键作用，与张慧芋等^［43］研究结果一致。结果表明施加隔水层不仅改善了土壤肥力与理化环境，还在一定程度上弥补了基质颗粒结构不足的缺陷，从而实现了最佳的综合修复效果。

3　结 论

为探究不同土壤重构方式处理对土壤性质及植物生长的影响，本研究通过对比不同红黏土和砂石土复配比例及保水保肥隔水层处理对土壤理化性质、微生物多样性及植被生物量等多维度指标的影响，并利用熵权-TOPSIS方法对各处理进行综合评价。主要结论如下：

1）黏砂配比与隔水层对土壤关键理化性质均产生显著影响，在含盐量、有机质、全氮等指标上存在显著交互作用。

2）不加隔水层时，随砂粒比例升高，土壤pH、电导率、含盐量与养分差异加大，而设置隔水层处理后，在中高砂复配体系中可显著改善重构土壤“控盐-保肥”的协同效应，也显著提升植物生长与土壤微生物多样性。

3）熵权-TOPSIS分析表明，砂粒、粉粒、黏粒所占比例以及有机质含量是区分不同处理效果的关键指标，反映了土壤质地与养分效应是评价重构土壤质量中的核心地位。综合评价分析表明T4B处理的排名第一，表明以10 cm的保水保肥隔水层与1∶5黏砂体积比处理下进行土壤重构方式可改善土壤水盐环境、养分与微生物多样性。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFF1302805-2)