煤矿废弃地复垦耕地生态系统的可持续性评价

丁 翠，马守臣，李明秋，*，孙 瑞，宋香平，段佩玲

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院/国土资源部野外科学观测研究基地，河南 焦作 454000； 2.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州450052)

煤矿废弃地复垦耕地生态系统的可持续性评价

丁 翠1，马守臣1，李明秋1，*，孙 瑞2，宋香平1，段佩玲2

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院/国土资源部野外科学观测研究基地，河南 焦作 454000； 2.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州450052)

为了评价煤矿区复垦后耕地系统的可持续性，在对赵固煤矿未沉陷区、稳定沉陷区以及不稳定沉陷区复垦耕地的土壤及作物指标进行测定的基础上，基于三角形面积法，将测定的13项指标划分并转换为土壤理化性质指数、土壤微生物特性指数及作物指数，计算不同复垦耕地的可持续性指数(即三角形面积)。研究发现：未沉陷区复垦耕地的可持续性指数(1.80)大于可持续性指数临界值(1.30)，可持续性较好；稳定沉陷区复垦耕地的可持续性指数(1.24)接近可持续性指数临界值；不稳定沉陷区复垦耕地可持续性指数(0.88)低于可持续性指数临界值，为不可持续状态。综上，煤矿区废弃地复垦后耕地的沉陷状态越稳定，可持续性越好，越有利于农业生产。

几何方法；煤矿区；复垦；可持续性

耕地资源是保障粮食安全、维护经济增长的基础。随着我国工业化、城市化进程的加快，耕地系统面临越来越严峻的考验，诸如耕地数量减少、质量下降、后备不足等，给国家粮食安全和城乡发展一体化建设带来严重威胁[1-2]。随着采矿业的迅速发展，矿区周边大量耕地受到严重破坏，加剧了人地矛盾。合理利用复垦后的矿区废弃地，深入研究复垦后不同状态下耕地的可持续性，对于实现矿区周边生态系统的可持续利用，缓解人地矛盾，建设社会-经济-环境复合型系统具有重要意义。

目前，矿区复垦研究主要集中在矿区土地的损毁程度[3-5]、矿区开采沉陷耕地定级评价[6-7]、矿区塌陷区复垦潜力评价[8-10]、土地复垦对土壤理化指标的影响[11-12]，以及矿区土地复垦后效益评价研究[13-15]等方面。王世东等[3]建立了基于改进G1法的矿区土地损毁程度模糊综合评价模型，对富康源煤矿土地损毁程度进行评价；李树志等[6]通过土壤生产力损坏程度对开采沉陷后耕地进行分类；刘文生等[8]以南票矿区为例，运用模糊综合评价法对塌陷土地复垦潜力进行评价；樊文华等[11]对不同复垦年限及复垦植被模式下土壤微生物的数量及变化进行了研究，证明随着复垦年限的增加，土壤微生物呈现递增趋势；岳辉等[13]利用主成分分析法对采煤沉陷区微生物复垦的生态效应进行评价。通过梳理相关文献可以发现，现有的研究主要集中在定级评价、复垦变化及复垦效益等方面，而对复垦耕地生态系统的可持续性问题关注较少。本文基于三角形面积法，综合考虑研究区的土壤理化特性，尝试将研究区的作物和土壤指标相结合，将所测定的13项指标转化为土壤理化性质指数、土壤微生物学特性指数、作物指数，并在此基础上计算矿区废弃地复垦后耕地的可持续性指数，旨在为矿区土地综合利用和生态治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以河南省辉县市赵固煤矿沉陷区为研究区。研究区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14 ℃，年平均降水量603～713 mm，年均蒸发量2 039 mm，年均无霜期214 d，土壤以沙壤土为主。

近年来，长期大规模的煤炭开采严重破坏了当地的耕地资源，已造成塌陷区面积约40 hm2，其中稳定塌陷区约30 hm2，动态塌陷区约10 hm2。在矿区内，由于村庄密集，大量村庄出现了地表沉降、塌陷裂缝、塌陷坑及房屋倒塌等问题，村民被迫搬迁，村庄被废弃。为了改善矿区生态状况，缓解人地矛盾，当地政府于2013年对沉陷区村庄废弃地进行复垦治理，复垦区覆土厚度50～60 cm。

1.2 样品采集与处理

本研究于2014年10月—2015年6月在赵固煤矿沉陷区内村庄废弃地复垦区进行，分别选取未沉陷区、稳定沉陷区、不稳定沉陷区的复垦耕地进行研究。3个样区的耕地面积均为0.5 hm2，播种、耕作、施肥，以及田间管理均相同。试验作物为冬小麦，品种为百农矮抗58。播前深耕，并基施氮磷钾复合肥(N-P-K，15%-15%-15%)750 kg·hm-2，小麦种植密度均为180万株·hm-2，常规管理。分别在小麦不同的生长时期，采用五点取样法采集植物和土壤样品。在每个样点用直径6 cm的土钻分别采集距地面0～20、20～40 cm土层的土样。将采集的土壤样分为3部分：一部分放入铝盒中，用于测量土壤含水量；一部分样品放入冰盒中，存于-20 ℃冰箱中，用于酶活性指标的分析；另一部分放在塑封袋内，经风干处理后用于土壤理化性质测定。同时，在每个样点采集相应的小麦样品，带回实验室测定其生理指标及产量特性。每个样点设置3次重复。

1.3 测定方法

土壤理化性质按常规方法测定[16]：土壤有机碳采用重铬酸钾容量-外加热法测定；土壤全氮采用凯氏法测定；土壤容重采用环刀法测定。

土壤微生物脲酶和蔗糖酶活性均采用比色法测定，其中，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法[17]。土壤呼吸速率用EGM-4便携式土壤呼吸仪(美国PP Systems公司)测定。小麦叶片净光合速率用LI-6400便携式光合测定系统(美国LI-COR公司)于上午9：00—11：00测定。

于小麦成熟期在每个样点随机取1 m双行进行测产，3次重复。同时每个样点随机取30株植株，室内考种，调查小麦的株高、单茎重、穗粒数和千粒重。

1.4 可持续性指数计算

作物产量及其地上部分的基本特征是土壤肥力的外在表现形式，在一定程度上能够准确反映土壤的生产力状况，而土壤微生物和土壤理化性质是土壤肥力的内在表现形式，可作为土壤肥力评价结果的间接验证依据。因此，本研究选择土壤理化性质、土壤微生物特征及作物产量特征作为土壤肥力的评价指标。

选取土壤全氮、有机碳、蔗糖酶、脲酶及作物穗数、千粒重等13项评价因子，将其划分为3项理化性质指标、3项微生物学特性指标和7项作物指标，通过建立最小数据集来评价矿区沉陷复垦后不同状况下耕地系统的可持续性。土壤理化性质指数(IPij)、土壤微生物特性指数(IMij)、作物指数(ICij)及可持续性指数(Iij)的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)中，Iij为第i个处理第j个参数的可持续性指数，Aij为第i个处理第j个参数的实测值，Tij为第i个处理第j个参数的临界值。指标临界值的确定：作物产量以各个处理算术平均值的1.2倍为准，其他指标均采用不同沉陷状态下处理数值的算术平均值[18-19]。式(2)～(4)中，j分别指代相应指数的指标数量。

设a、b、c是从点O出发的3条不同长度的线段，分别代表土壤理化性质指数、土壤微生物特性指数、作物指数，连接3条线段的另一端组成三角形，三角形面积即为可持续性指数。当a、b、c均为1时，系统可持续性指数为1.3。由此可知，对于一个可持续性系统，其可持续性指数应该大于等于1.3，否则视本系统为不可持续。可持续性指数越大，表示系统的可持续性越强[20]。

1.5 数据统计

试验数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0等软件进行数据整理与统计分析，对有显著(P<0.05)差异的处理采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 复垦后沉陷状况对土壤理化性质的影响

矿区废弃地复垦后不同沉陷状况下耕地的土壤理化性质有所差异(表1)。在同一土层，从未沉陷区、稳定沉陷区到不稳定沉陷区，土壤理化性质各指标均呈现递减趋势。在0～20 cm土层，与未沉陷区指标相比：稳定沉陷区、不稳定沉陷区土壤全氮含量分别减少了33.97%和42.95%，土壤有机碳含量分别减少了19.55%和24.85%，土壤容重分别减少了6.38%和8.51%。20～40 cm土层的情况与0～20 cm土层趋同。

2.2 复垦后沉陷状况对土壤微生物的影响

土壤酶中的脲酶和蔗糖酶活性可反映土壤中氮和碳的转化和呼吸强度[21]。如表2所示，在同一生长期，由未沉陷区、稳定沉陷区到不稳定沉陷区，土壤微生物学指标值均呈现递减趋势。复垦后未沉陷区的微生物学指数大于临界值。在小麦拔节期，未沉陷区的土壤呼吸速率分别是稳定沉陷区、不稳定沉陷区的1.17倍和1.37倍，相比未沉陷区，稳定沉陷区、不稳定沉陷区蔗糖酶活性分别降低11.25%和32.14%，脲酶活性分别减少了18.44%和31.70%。花期的情况与拔节期相似。

表1土壤理化性质及临界值

Table1Soil physicochemical properties and according thresholds

处理Treatment全氮Totalnitrogen/(g·kg-1)0～20cm20～40cm有机碳Organiccarbon/(g·kg-1)0～20cm20～40cm容重Bulkdensity/(g·cm-3)0～20cm20～40cmSFA156±007a113±001a1831±185a1495±403a141±009a149±005aSSA103±002b094±001b1473±189b1074±221b132±003b133±003bUSA089±001b074±001c1376±297c1073±304b129±002b132±003b临界值Threshold11609415601214134138

SFA，未沉陷区；SSA，稳定沉陷区；USA，不稳定沉陷区。同列数据后无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

SFA， Subsidence-free area; SSA， Stable subsidence area; USA， Unstable subsidence area. Data followed by no same letters within the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

2.3 复垦后沉陷状况对作物产量特征的影响

由表3可知，未沉陷区的穗数、穗粒数、千粒重、产量、株高及单茎重均高于沉陷区，且差异显著(P<0.05)。其中，复垦后耕地的沉陷状况对产量的影响最大：未沉陷区的产量是稳定沉陷区的1.51倍，是不稳定沉陷区的3.62倍。未沉陷区作物成熟期的平均株高为76.52 cm，而稳定沉陷区的作物平均株高为68.87 cm，不稳定沉陷区的作物平均株高为64.07 cm。从作物的光合速率来看，未沉陷区>临界值>稳定沉陷区>不稳定沉陷区。综合来看，矿区废弃地经复垦后形成的耕地生态系统，作物各指标在未沉陷区、稳定沉陷区到不稳定沉陷区呈现递减的趋势。

2.4 可持续性指数

不同复垦区土壤理化性质指数、土壤微生物特性指数、作物指数及可持续性指数见表4。未沉陷区的各指数值均大于对应的稳定沉陷区、不稳定沉陷区，且3类沉陷区的土壤理化性质指数、土壤微生物特性指数和作物指数之间均呈显著(P<0.05)差异。未沉陷区的土壤理化性质指数、土壤微生物特性指数、作物指数及可持续性指数均高于对应的临界值，稳定沉陷区的各项指数均接近临界值，而不稳定沉陷区的各项指数均低于临界值。

从变异系数来看，作物指数(17.93%)大于土壤理化性质指数(13.32%)和土壤微生物特性指数(13.06%)，但均低于可持续性指数(28.97%)。可见用可持续性指数能够更好地反映煤矿区废弃地复垦后不同耕地状况的差异性。

表2土壤微生物特性及临界值

Table2Soil microbiological properties and according thresholds

处理Treatment土壤呼吸速率Soilrespiration/(μmol·m-2·s-1)拔节期Jointing花期Floweringperiod蔗糖酶Sucrase/(mg·g-1·24h-1)拔节期Jointing花期Floweringperiod脲酶Urease/(mg·g-1·24h-1)拔节期Jointing花期FloweringperiodSFA056±003a070±002a560±016a633±012a347±024a353±025aSSA048±002b060±002b497±012b513±017b283±020b333±025bUSA041±002c053±001b380±016c447±012c237±021c290±014c临界值Threshold048062479531289326

表3作物产量特征及临界值

Table3Crop yield characteristics and according thresholds

处理Treatment穗数Spikenumber穗粒数Kernelnumber千粒重1000⁃grainweight/g产量Yield/(g·m-2)株高Plantheight/cm单茎重/gStalkweight/g光合速率Photosyntheticrate/(μmol·m-2·s-1)SFA48867±492a3750±083a3697±017a67741±1650a7652±067a186±008a2070±049aSSA36067±419b3407±056b3640±065a44731±1459b6887±244b137±013b1877±039bUSA24133±822c2273±042c3417±192b18731±1029c6407±126c124±002b1703±059c临界值36356314335845248169821491884Threshold

表4各沉陷区的土壤理化性质指数、土壤微生物特性指数、作物指数及可持续性指数

Table4Soil physiochemical index， soil microbial index， crop index and sustainability index of different areas

处理TreatmentSPISUICISISFA118±009a116±004a119±010a180SSA094±004b100±002b099±006b124USA087±007c084±003c076±018c088临界值Threshold10101013CV/%1332130617932897

CV，变异系数。SPI，土壤理化性质指数；SMI，土壤微生物特性指数；CI，作物指数；SI，可持续性指数。

CV， Coefficient of variation. SPI， Soil physiochemical index; SMI， Soil microbial index; CI， Crop index; SI， Sustainability index.

3 讨论

耕地可持续利用问题是全球关注研究的课题。近年来，学者们开展了大量关于耕地生态系统可持续性评价的研究。刘宗强[22]将层次分析法和模糊评价法相结合，对哈尔滨市耕地的可持续利用状况进行评价；陈睿山等[23]采用文献综述法、归纳总结法等从土地系统功能的角度探讨了土地的可持续性。郝翠等[24]对国内外耕地可持续评价方法进行对比，发现多指标综合指数法更适合小范围耕地的可持续性评价。但这些研究都缺少定量评价。此外，当前大多相关研究都是围绕土壤特性的单一类型指标进行研究，缺少对整个耕地系统的综合分析。虽然作物生理和产量指标不是土壤属性，但却是土壤实际生产力的外在表现，能够确切反映土壤生产力水平，可作为土壤可持续性评价结果的直接依据[18]。基于此，本研究尝试将土壤、作物指标结合起来，将所测指标划分为土壤理化性质、土壤微生物特性和作物指标3类，借助三角形面积法建立作物系统的可持续性指数。该方法相对于土壤单因素评价法，能够更加准确、更加全面地评价研究区耕地系统的可持续性。

本研究结果表明，矿区废弃地复垦后不同沉陷状态下耕地的可持续性存在差异，未沉陷区废弃地复垦后耕地的可持续性要优于稳定沉陷区和不稳定沉陷区，不稳定沉陷区复垦后耕地的可持续性最差。分析结果与实际相符。矿区煤炭开采造成地表沉陷，使土地结构的完整性受到破坏。同时，土地结构的动态变化也扰乱了原来相对稳定的土壤结构，造成土壤养分流失、微生物群落破坏、土壤质量下降，最终影响作物生产。因此，在进行土地复垦时，不宜在不稳定沉陷区进行，而宜选择稳定沉陷区或不沉陷区。本研究只是对煤矿废弃地复垦可持续性评价的初步探索，在今后的工作中，还应综合考虑研究区环境状况及人为干扰等情况的影响，加强对不同复垦区耕地的持续监测，以期能更准确地反映不同复垦区耕地的可持续性，构建更加全面、更加精准的评价体系，为矿区土地复垦提供参考。

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Sustainabilityevaluationofreclaimedcultivatedlandecosystemincoalminewasteland

DING Cui1， MA Shouchen1， LI Mingqiu1，*， SUN Rui2， SONG Xiangping1， DUAN Peiling2

(1.SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering，HenanPolytechnicUniversity/FieldScientificObservationandResearchBase，MinistryofLandandResources，Jiaozuo454000，China；2.ZhengzhouRailwayVocational&TechnicalCollege，Zhengzhou450052，China)

To evaluate the sustainability of reclaimed cultivated land， the soil and crop indexes were determined by sampling in subsidence-free area， stable subsidence area and unstable subsidence area in Zhaogu mine area. The 13 indexes measured were divided into soil physicochemical index， soil microbial index and crop index. Then， the sustainability index was calculated based on the triangle area method. It was shown that the sustainability index of reclaimed land in subsidence-free area (1.80) was higher than the threshold of sustainability index (1.30). The sustainability index in the stable subsidence area (1.24) was close to the threshold of sustainability index， yet the sustainability index in the unstable subsidence area (0.88) was lower than the threshold of sustainability index. In summary， the more stable the subsidence state is， the more sustainable the reclaimed is for agricultural production.

geometric method; coal mining area; reclamation; sustainability

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2097-2103

http://www.zjnyxb.cn

丁翠，马守臣，李明秋，等. 煤矿废弃地复垦耕地生态系统的可持续性评价[J]. 浙江农业学报，2017，29(12)： 2097-2103.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.19

2017-05-10

河南省科技攻关项目(162102110169)；河南省高校科技创新团队支持计划(18IRTSTHN008)；河南理工大学创新型科研团队(B2017-16)

丁翠(1991—)，女，河南信阳人，硕士研究生，主要从事土地生态与规划方面的研究。E-mail: yxwldmq@163.com

*通信作者，李明秋，E-mail: mingqiuli@sohu.com

S156; S158

A

1004-1524(2017)12-2097-07

(责任编辑高 峻)