不同复垦路径下鹤淇露天煤矿排土场土壤属性演变与剖面分异

《Ecological Engineering》：Soil property evolution and profile differentiation in the waste dump of the Hequ Open-pit Coal Mine under different restoration pathways

　　

摘要

长期以来，无法将修复路径效应与年龄效应分离，一直制约着对矿山废弃地土壤恢复机制的理解。为应对这一方法学挑战，我们在河曲露天煤矿排土场建立了准实验设计，比较了四个母质相同但修复历史不同的区域：新废弃区（A1）、自然恢复区（A2，5年）、人工复垦区（A3，5年，与A2同源）以及成熟复垦区（A4，>10年）。我们在三个土层深度（0–30 cm）测量了23项物理化学和生物学指标，并采用方差分析及Benjamini-Hochberg校正和主成分分析（PCA）进行统计分析。结果显示：（1）除水稳性团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）外，所有指标在各样地间差异均极显著（p < 0.001）。相比之下，两项团聚体指标均表现出强烈的土层深度效应——这一模式与结构恢复滞后于肥力恢复的解释一致。（2）在A3区，肥力指标未表现出显著的垂直分层差异，表明剖面趋于均质化；深层（20–30 cm）微生物生物量碳比A2高出117.36%，远超表层58.81%的增加幅度，揭示了显著的深层激活效应。（3）PCA提取了两个主成分，累计解释88.13%的方差：PC1（78.30%）在肥力和基本物理性质上载荷较高；PC2（9.82%）由MWD、GMD和粉砂含量定义。值得注意的是，如此高的累计方差反映了完整的修复梯度（<1年至>10年）——仅针对两条5年路径（A2和A3）的子集PCA解释的方差则显著较少，表明路径效应单独只能解释土壤变异的一部分。尽管如此，A3与A2之间的PC1得分差（3.30）超过了A1与A2之间的得分差（2.50），说明两条5年路径之间存在实质性分离。（4）基于团聚体粒级分布和剖面构型，识别出四种物理遗留类型。总体而言，这些发现表明，修复路径对土壤性质施加了多维度的、形成遗留特征的印记，为基于场地的土壤质量评估和适应性修复策略提供了定量框架。此外，我们的准实验设计为从年龄相关混杂因素中分离路径效应提供了方法学模板——这是矿山修复研究中长期存在的挑战——而四种遗留类型则为根据场地特定土壤条件定制修复干预措施提供了诊断工具。

引言

煤炭是中国的主要能源。露天开采虽保障了能源供应，但也导致了大规模排土场的形成（Zhao等，2022）（Li等，2022）（Hu等，2020）。这些排土场由剥离土石直接堆弃而成，通常存在土壤结构丧失、养分耗竭、微生物活性低和严重碱化等突出问题。恢复这些"人造荒地将"的土壤功能，是矿区生态修复的核心挑战（Bradshaw，1997）。河曲露天煤矿位于黄土高原脆弱生态区的黄河中游流域，因此其排土场的修复对区域生态安全具有典型意义（Peng和Bi，2020）。

目前，排土场的土壤修复主要依赖两种基本途径：自然恢复，依赖植被自发侵入和缓慢的物理风化；以及人工复垦，通过覆土、施肥和种植等手段进行快速干预（Hoda?ová和Prach，2003；Prach和Hobbs，2008）。现有研究已揭示，两种途径下土壤物理、化学和生物学性质的演化轨迹存在显著差异（Ahirwal和Maiti，2018；Zhao等，2015）。例如，Shrestha等[10]发现，经过28年复垦后，重构土壤表层的容重已接近未扰动土壤，但亚表层仍存在明显差异。Mukhopadhyay等（Mukhopadhyay等，2016；Wang等，2019）报道，人工复垦土壤的土壤有机碳（SOM）积累速率显著高于自然恢复条件下的积累速率。

然而，对文献的批判性梳理揭示出两个反复出现却鲜有被解决的关键问题。第一，大多数比较研究将"不同路径"与"不同时长"捆绑在一起（Wang等，2019；Tang等，2021）——自然恢复区域往往更老，而复垦区域往往更新，或反之。因此，难以判断所观察到的差异究竟源于路径本身还是时间流逝。这构成了一种根本性的方法学混杂，长期存在于矿区修复研究文献中。第二，土壤质量评估往往局限于少数常规指标（如容重、pH、SOM），鲜少将土壤质地和团聚体粒级分布等更基础的物理性质纳入同一分析框架（Zhao等，2018；Cao等，2021）。这是一个重大疏漏，因为这些性质决定了土壤的水肥保持能力和抗侵蚀能力。大多数现有研究使用容重和总孔隙度（PORT）来表征物理性质——尽管有用，但这些指标的解释力远远不够。

国际上关于自然恢复与人工复垦的讨论已超越"哪种更好"的简单二元对立，转向对非均衡优势的更为细致的观察。在捷克共和国多个矿区的长期监测中，?ebelíková等（?ebelíková等，2016）发现自然恢复区域的植物物种多样性实际上高于林业复垦区域。Hoda?ová和Prach（Hoda?ová和Prach，2003）进一步指出，技术复垦对植被的加速效应可能仅是暂时的——在超过25年的时间尺度上，自然演替区域的物种组成和覆盖度往往接近甚至超过复垦区域。相比之下，Pietrzykowski[17]从碳封存的角度描绘了不同的图景：人工复垦可使有机碳积累速率提高2–3倍，但这种优势强烈依赖于外源有机质的输入和深根植物的配置。总体而言，这些研究（Pietrzykowski和Krzaklewski，2007；Perry等，2006）指向一种复杂的、阶段依赖的模式：不同路径在不同的时间窗口和生态维度上各有优劣。然而，大多数结论都来源于涉及"不同地点和不同时长"的空间替代时间的方法，母质、气候和修复时长的混杂效应始终难以消除。因此，本领域一直缺乏真正的纯比较——即在母质相同、起始时间相同、仅有干预方法不同的条件下进行比较。

在阐述我们的实验方法之前，我们首先澄清本研究的概念框架。"生态遗留"描述的是历史土地利用、扰动或管理对当代生态系统结构和功能的持续影响（Perry等，2006；Cuddington等，2014）。"修复遗留"指修复干预产生的持久效应（Suding，2011），而"土壤记忆"强调土壤保留过去环境条件信息的能力（Totsche等，2018）。本研究采用并拓展这些概念，提出"修复路径遗留效应"——定义为特定修复路径（自然演替与人工复垦）所关联的一系列综合措施在土壤剖面中留下的持续性物理、化学和生物学特征的组合。该概念与相关构念在三个方面有所不同：它专门聚焦于土壤性质（而非更广泛的生态系统属性）、强调替代路径之间的比较（而非单一干预的效果），且具有路径特异性（而非涵盖所有历史影响）。这一框架使我们能够将对A1–A4之间观察到的差异的解释不仅视为数量上的变化，而是视为由不同修复历史塑造的、定性上不同的土壤状态。

基于上述研究空白，本研究提出一个聚焦性的问题：不同的修复路径是否导致土壤肥力恢复与结构恢复之间的不同步性，以及这种不同步性如何在土壤剖面分化中体现？为回答这一问题，我们选择河曲露天煤矿排土场作为研究场地。在该场地内，我们选取了两个同源、同龄（5年）但代表对比修复路径的区域：自然恢复区（A2）和人工复垦区（A3）。A2与A3之间的比较控制了母质和修复时长——两个样地均源自同一弃置事件且年龄相同。然而，这两个样地之间的差异反映了各路径所关联多项措施的综合效应——包括A3的覆土、施肥、植被类型和机械扰动，以及A2的自发演替——而非任何单一干预因子的效应。这一样地选择建立在先前关于土壤肥力评估与改良的研究基础之上（Cuddington等，2014；Suding，2011），构建了一个"同源、同步、异径"的准实验。本研究中的"路径效应"一词指代整个复垦方案的多因子综合效应，而非孤立单因子的效应。新废弃区（A1）作为修复起点，成熟复垦区（A4）作为目标参照。我们系统测量了23项涵盖土壤质地、团聚体粒级分布、化学肥力和微生物活性的指标，遵循矿区土壤质量评估核心指标体系（Totsche等，2018）。采用两因素方差分析和主成分分析（PCA），我们量化了修复路径（p）、土层（D）及其交互作用对各土壤性质和剖面分化的相对贡献。

本研究的创新之处在于三个方面。第一，虽然先前研究已比较过矿区的自然恢复与人工复垦（Hoda?ová和Prach，2003；Prach和Hobbs，2008；Ahirwal和Maiti，2018；Zhao等，2015），但大多数研究都受到修复年龄或母质差异的混杂。我们的准实验设计——在同一排土场内、同一弃置事件、相同年龄（5年）条件下——比以往矿区修复研究所能实现的更为可控地比较了综合路径效应。第二，我们在单一分析框架内系统测量了23项跨越土壤质地、团聚体粒级分布、化学肥力和微生物活性的指标——这种物理细节水平（特别是团聚体粒级分布和GMD）在矿区土壤质量评估中极为罕见。第三，我们识别出四种不同的剖面构型类型，捕捉了路径特异性的土壤发育模式，提供了一个超越传统"哪种路径更好"比较的诊断框架，以更深入地理解不同路径如何差异化地塑造土壤性质。

片区概况

研究区域位于山西省河曲县，地处陕北、晋西和内蒙古交界处的黄土高原东部（约111°12′E，39°23′N）。该区域属温带大陆性季风气候，年均气温8.8°C，年均降水量约450 mm，主要集中在7至9月。蒸发量远超降水量。地形以黄土衍生丘陵和沟谷地貌为主，土壤类型主要为

不同修复路径下土壤基本性质的总体特征

注：橙色字母表示样地间显著差异，黑色字母表示样地内土层显著差异（p < 0.05）。

两因素方差分析表明，除MWD（p = 0.113）和GMD（p = 0.802）外，样地主效应对所有21项指标均有显著影响（p < 0.05），其中20项指标达到p < 0.001的极显著水平，仅有0.5–0.25 mm粒级达到p = 0.031的显著水平（表2）。

肥力恢复与结构恢复之间的不同步性

核心问题——不同的修复路径是否导致土壤肥力恢复与结构恢复之间的不同步性——首先通过PCA、ANOVA和效应量的证据来回答。PC1在PCA中占主导地位（78.30%），有机质具有最高载荷（+0.27）。这一高载荷表明SOM变异与土壤协变的主轴密切相关。然而，由于PCA识别的是协变模式而非因果关系，这一关联应被

结论

本研究旨在回答不同修复路径是否导致土壤肥力恢复与结构恢复之间的不同步性，以及这种不同步性如何在土壤剖面分化中体现。研究结果为这两个方面都提供了肯定性证据。

（1）肥力-结构不同步性得到以下对比的支撑：路径效应对肥力指标具有显著影响（偏η2 > 0.15），而对团聚体稳定性的路径效应可忽略不计（偏η2 < 0.005）。这

CRediT作者贡献声明

李越：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。赵洪保：项目管理，资金获取。郭鑫：调查，数据管理。

王学冰：调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢辽宁省废弃矿区生态修复技术重点实验室（LNTUCEF-2301）以及自然资源部高原地质灾害监测预警与生态保护修复重点实验室和云南省高原山区地质灾害预测与地质生态修复重点实验室（MKGGR2024-1）。

李越|赵宏宝|郭鑫|王学冰