济宁市煤矿区土地复垦方式对土壤养分状况的影响.pdf

分类号分类号F301 授予学位单位代码授予学位单位代码10434 研究生研究生学号学号 2014110317 山東農業大學 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 济宁市煤矿区土地复垦方式对土壤养分状况的影响济宁市煤矿区土地复垦方式对土壤养分状况的影响 The Effects of Land Reclamation models on Soil Nutrient Status in Jining City 2017 年 月 日 研究研究生生 李俊颖 学 科 专 业学 科 专 业 土地资源管理 研 究 方 向研 究 方 向 土地规划与利用 学院学院 资源与环境学院 指 导 教 师指 导 教 师 李新举 教授 万方数据 论 文 提 交 日 期 论 文 答 辩 日 期 学 位 授 予 日 期 学 科 门 类 答 辩 委 员会主席 万方数据 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所取 得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个人或 集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同意学 校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文，同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库 ，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名 导 师 签 名 日 期 万方数据 目目 录录 中文摘要中文摘要 ..................................................................................................................................... I Absract .................................................................................................................................... III 1 引言引言 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景以及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................. 3 1.2.1 国外研究现状 ................................................................................................................... 3 1.2.2 国内研究现状 ................................................................................................................... 6 1.3 研究内容及研究方法 .......................................................................................................... 9 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................................... 9 1.3.2 研究方法 ......................................................................................................................... 10 1.3.3 测定项目 ......................................................................................................................... 11 1.3.5 技术路线 ......................................................................................................................... 12 1.4 小结 .................................................................................................................................... 12 2 研究区概况和土壤样品采集研究区概况和土壤样品采集 ............................................................................................... 13 2.1 研究区概况 ........................................................................................................................ 13 2.2 土壤样品采集及分析方法 ................................................................................................ 14 2.2.1 土壤样品采集 ................................................................................................................. 14 2.2.2 土壤样品分析方法 ........................................................................................................ 15 2.3 小结 .................................................................................................................................... 17 3 不同复垦方式对土壤养分状况的影响不同复垦方式对土壤养分状况的影响............................................................................... 17 3.1 不同复垦方式对复垦土壤碱解氮含量的影响 ................................................................ 17 3.2 不同复垦方式对复垦土壤有效磷含量的影响 ................................................................ 18 3.3 不同复垦方式对复垦土壤速效钾含量的影响 ................................................................ 20 3.4 不同复垦方式对复垦土壤有机质含量的影响 ................................................................ 21 3.5 不同复垦方式对复垦土壤整体肥力恢复程度的影响 .................................................... 22 3.5.1 指标权重的确定 ............................................................................................................. 22 3.5.2 复垦土壤肥力整体恢复程度的计算 ............................................................................. 23 3.5.3 对复垦土壤整体肥力恢复程度的影响 ......................................................................... 23 万方数据 3.6 小结 ................................................................................................................................... 24 4 引黄充填复垦模式不同复垦年限复垦土壤养分的变化情况引黄充填复垦模式不同复垦年限复垦土壤养分的变化情况 .......................................... 25 4.1 引黄充填复垦模式不同复垦年限矿区复垦土壤有机质的变化 .................................... 25 4.2 引黄充填复垦模式不同复垦年限矿区复垦土壤碱解氮的变化 .................................... 25 4.3 引黄充填复垦模式不同复垦年限矿区复垦土壤有效磷的变化 .................................... 26 4.4 引黄充填复垦模式不同复垦年限矿区复垦土壤速效钾的变化 .................................... 27 4.5 小结 ................................................................................................................................... 28 5 引黄充填复垦地土壤质量恢复趋势引黄充填复垦地土壤质量恢复趋势 .................................................................................. 29 5.1 复垦土壤容重恢复情况 .................................................................................................... 30 5.2 复垦土壤有机质恢复情况 ................................................................................................ 32 5.3 复垦土壤碱解氮恢复情况 ................................................................................................ 34 5.4 复垦土壤有效磷恢复情况 ................................................................................................ 36 5.5 复垦土壤速效钾恢复情况 ................................................................................................ 38 5.6 结论 .................................................................................................................................... 39 6 结论与创新结论与创新 ........................................................................................................................... 40 6.1 结论 .................................................................................................................................... 40 6.2 创新 .................................................................................................................................... 42 6.3 展望 .................................................................................................................................... 42 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 43 致谢致谢 .......................................................................................................................................... 49 攻读硕士攻读硕士期间取得的主要学术成就期间取得的主要学术成就 ...................................................................................... 50 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 I 中文摘要 本文基于当前矿区土地复垦研究现状， 以济宁市不同复垦方式土壤以及不同年限同 一复垦方式土壤为研究对象，研究分析济宁矿区复垦区土壤化学肥力性状，探索不同复 垦方式对土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、土壤肥力的影响，以及不同复垦年限 后，土壤有机质、速效钾、有效磷、有机质等的变化规律，对试验结果进行分析、评价， 为矿区土壤肥力及环境恢复提供理论依据，研究结果表明 （1）不同复垦方式对煤矿复垦区土壤养分状况的影响 以济宁市采煤塌陷区粉煤灰充填、煤矸石充填、引湖充填、引黄充填、预复垦 5 种 方式的复垦土壤为研究对象，研究不同复垦方式对土壤养分及整体肥力恢复程度的影 响。结果表明，在 0-30cm 耕作层，煤矸石充填较其他方式对复垦土壤碱解氮、有效磷 和有机质的含量提升效果更显著，分别达 28.07mg/kg、45.15mg/kg、1.14。速效钾含 量以引黄充填最高，粉煤灰充填对耕层土壤碱解氮含量影响最小，预复垦对耕层土壤有 效磷、速效钾、有机质含量的影响最小；在 30-50cm 土层，对复垦土壤养分提升效果最 显著的为粉煤灰充填，土壤碱解氮、有效磷、速效钾及有机质分别高于对照地块 68.5、 89.0、71.4、177.3。五种复垦方式对耕作层土壤整体肥力的影响由大到小依次为粉 煤灰充填地块煤矸石充填地块引黄充填地块引湖充填地块预复垦地块， 在 30-50 cm 土层依次为引湖充填粉煤灰充填预复垦引黄充填煤矸石充填。 综合考虑不同复垦方 式对土壤养分及整体肥力恢复程度的影响，粉煤灰充填、引湖充填方式对于济宁地区土 壤肥力的恢复效果最为显著，可在该地区进行进一步的推广。 （2）同一复垦方式不同年限下土壤养分的变化情况 复垦 1 年、3 年、5 年土壤有机质含量均低于对照地块，但到复垦 5 年时，土壤有 机质含量为 10.34、13.28/12.11，低于对照地块 3.48/0.33/0.83，较复垦 1 年有机质含量 有大幅地增加，并且已基本接近对照地块有机质含量。 复垦初期， 土壤碱解氮含量较低， 碱解氮含量分别为 57.29mg/kg、 59.67 mg/kg、 60.14 mg/kg，低于对照地块 27.313 mg/kg 、25.782 mg/kg 、27.41 mg/kg；但随着复垦年限的 延长，土壤碱解氮含量逐渐增加，虽复垦五年土壤碱解氮含量仍低于对照地块，但随着 复垦年限的增长，其含量增加较快，基本可以达到正常农田水平。 试验表明，复垦 1 年、3 年、5 年的土壤有效磷含量均大幅低于对照地块，复垦 1 年土壤有效磷低于对照地块 11.810 mg/kg 、10.536 mg/kg 、11.479 mg/kg ；复垦 3 年， 万方数据 济宁市煤矿区土地复垦方式对土壤养分状况的影响 II 低于对照地块 10.420 mg/kg 、9.616 mg/kg 、11.139 mg/kg ；复垦 5 年土壤有效磷含量 为 6.34 mg/kg 、6.21 mg/kg 、5.93 mg/kg ，约占对照地块土壤有效磷含量的 60，虽 然有效磷含量在复垦 5 年之后只有对照地块的 60，但总体还是呈上升趋势。 复垦 1 年土壤速效钾含量低于对照地块，随着复垦年限的延长，土壤速效钾含量随 之增长，复垦 3 年 0-20cm、 20-40cm、40-60cm 土层土壤速效钾含量为 110.28 mg/kg 、 122.39 mg/kg 、118.49 mg/kg 。复垦 5 年 0-20cm、40-60cm 土层土壤速效钾含量仍低于 对照地块，但 20-40cm 土层土壤速效钾含量基本趋近于对照地块速效钾含量。 （3）引黄充填复垦样地土壤质量恢复趋势 引黄充填土壤容重在观测基年 7 年后可恢复，5 至 6 年后充填复垦的有机质、碱解 氮和速效钾含量可恢复至对照耕地水平；有效磷含量的恢复时间相对较长，达到 15 年， 可适当增施磷肥进行改良。 关键字复垦方式；复垦土壤；复垦年限；土壤养分； 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 III The Effects of Land Reclamation models on Soil Nutrient Status in Jining City Absract Based on the present research situation of land reclamation in the mining area, this paper studied the soil chemical fertility traits in the reclamation area of Jining mining area, and explored the effects of different reclamation s on the soil Nitrogen, available phosphorus, available potassium, organic matter and soil fertility, and the changes of soil organic matter, available potassium, available phosphorus and organic matter after different reclamation years were analyzed. The results were analyzed and uated for the soil fertility and environmental restoration to provide theoretical basis, the results show that 1 Taking the reclamation plots filled with fly ash、coal gangue、the Yellow River sediment、lake sediments and the plots prepared for reclamation as the research object in Jining, this research was conducted to explore the influence on the soil nutrient and the total level of soil fertility with different reclamation modes. The results showed that the available nitrogen、 available phosphorus、 and organic matter which were 28.07mg/kg、 45.15mg/kg and 1.14 increased significantly at 0-30 cm depth of the plot filled with coal gangue. The content of available potassium for the plot filled with the Yellow River sediment was the highest. Fly ash filling had the worst effect on the content of the available nitrogen. Pre-reclamation had the least influence on the available phosphorus、available potassium and organic matter. At the 30-50 cm depth, fly ash filling had the biggest influence on the soil fertility. The available nitrogen、 available phosphorus、 available potassium and organic matter were 68.5、 89.0、 71.4、 177.3 higher than the Control plot. The influence on the total level of soil fertility of five reclamation modes was in sequence of the plot filled with fly ash the plot filled with coal gangue the plot filled with the Yellow River sediment the plot filled with lake sediments the plot prepared for reclamation, at the 30-50 cm depth, the sequence was the plot filled with lake sediments the plot filled with fly ash the plot prepared for reclamation the plot filled with the Yellow River sediment the plot filled with 万方数据 济宁市煤矿区土地复垦方式对土壤养分状况的影响 IV coal gangue. Comprehensive consideration about soil nutrient and the total level of soil fertility, fly ash filling and lake sediments filling had the best effect on the recovery of soil fertility in Jining, and should get further popularization. 2 Changes of Soil Nutrients with same Reclamation Modes under Different Years The contents of soil organic matter were 10.34 mg / kg, 13.28 mg / kg and 12.11 mg / kg, respectively, and the soil organic matter content was lower than that of the control .The content of organic matter in the land was 3.48 mg / kg, 0.33 mg / kg and 0.83 mg / kg, which was close to that of the control plot. In the early stage of reclamation, the contents of available N were 57.29mg / kg, 59.67 mg / kg and 60.14 mg / kg, respectively, which was lower than that of the control plot 27.313 mg / kg, 25.782 mg / kg, 27.41 mg / Kg, but with the extension of the reclamation period, the content of soil alkali-hydrolyzable nitrogen increased gradually. Although the content of alkali-hydrolyzable nitrogen in the soil was still lower than that in the control land for five years, but with the development of the reclamation years，the contents of available N raises fastly, basically can reach the normal farmland level. The results showed that the available phosphorus contents in the 1 year, 3 years and 5 years were significantly lower than those in the control plot. The soil available phosphorus was 11.810 mg / kg, 10.536 mg / kg, 11.479 mg. The soil available phosphorus content was 6.34 mg / kg, 6.21 mg / kg, 5.93 mg / kg, and 5.91 mg / kg, respectively accounting for 60 of the available phosphorus content in the control plot, although the available phosphorus content in the reclamation after 5 years only 60 of the control plot, but the overall is still on the rise. The soil available potassium content in the soil was lower than that in the control plot. The soil available potassium increased with the extension of the reclamation period. The soil available potassium in 0-20cm, 20-40cm, 40-60cm soil The content was 110.28 mg / kg, 122.39 mg / kg, 118.49 mg / kg. The content of available potassium in 0-20 cm and 40-60 cm soil layer was still lower than that in control plot, but the content of available potassium in 20-40 cm soil layer was similar to that of control plot. 3 The recovery trend of reclaimed land with yellow river sediment The soil bulk density of yellowing can be restored after 7 years. After 5 to 6 years, the 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 V contents of organic matter, alkali-hydrolyzable nitrogen and available potassium can be restored to the level of cultivated land. The recovery time of available phosphorus is relatively long, to 15 years. May be appropriate to increase the application of phosphate fertilizer. Key words reclamation models; reclaimed soil; reclamation years; soil nutrient 万方数据 山东农业大学硕士学位论文 1 1 引言 1.1 选题背景以及研究意义 煤炭是我国非常重要的能源，占全国一次能源总量的 74左右，对国民经济的发展 有着至关重要的作用。1989 年我国煤炭的产量突破了 10 亿吨的关卡，成为了世界上 第一的煤大国，截止至 2010 年，煤炭的总产量已突破 30 亿吨。煤炭工业的快速发展为 国民经济的发展、社会的进步和人民生活水平的提高提供大量能源。然而，由于煤炭和 土地空间分布的同位性以及采煤技术的限制，煤炭开采不可避免地导致土地塌陷（方创 琳，1997） 。我国煤炭产量的 95源自井工开采，而井工开采破坏煤炭上覆岩层的应力 平衡，引起岩层从下至上的冒落、裂缝和下沉，从而导致地表沉降、地层破裂和形变， 地面塌陷成为煤炭开采过程土地破坏的主要表现形式 （芮素生， 1994； 胡振琪等， 2005） 。 随着经济的高速增长,矿产资源开发强度不断加大,使得矿区土地资源破坏十分严重,矿区 生态环境日趋恶化。据测算，在我国，每开采万吨煤炭土地塌陷少的有 0.033 hm2，多 的有 0.533 hm2，平均为 0.2 hm2。以建国以来煤炭产量 376 亿吨来计算，目前采煤塌陷 引起土地破坏面积约 75.2 万 hm2，并且每年还以 4.6 万 hm2的速度递增。我国土地资源 相对贫乏，人口多，耕地少，煤炭开采破坏了大量的土地和植被，其中对土地特别是耕 地的破坏最为严重。耕地的大量破坏带来了一系列矿区生态环境问题，制约了矿区经济 社会的可持续发展。 煤矿开采过程中直接挖掘表土、土石堆积而导致矿区植物覆盖被损毁、地形和地质 结构改变、地表和地下水文特征破坏（Jiang J et al，2002） 。如何遏制土地锐减的局面、 恢复矿区的生态环境, ,促进矿区经济、环境的协调发展,顺利开展矿区的土地复垦工作, 成为现在急待解决的问题。 国外的土地复垦工作开展地较早,对于复垦土壤的重构、 基本 特性等各个方面都进行了深入的研究; 而在我国,土地复垦的工作起步较晚,近年来在土 地复垦在土壤研究方面也取得了一些进展,初步建立了煤矸石以及露天矿排土场等固体 废弃物的复垦土壤重构原理、方法及其土壤特性基础理论。胡振琪首次提出的重构复垦 土壤的原理及方法，为优质土壤的复垦工作奠定了理论基础。目前济宁市采煤塌陷地治 理主要采取引湖充填、引黄充填、预复垦、煤矸石充填、粉煤灰充填五种复垦方式。土 壤养分是植被生存与发展重要的物质基础（彭建等，2005