中国是全世界最大的煤炭生产国和消费国。露天矿开采中土地的挖损、压占和塌陷严重破坏了地表植被生境，造成土壤功能退化，因此选用合理的复垦模式进行排土场生态系统恢复与重建成为近年来关注的焦点，其中复垦土壤的重构是土地复垦中的一个重要研究内容。国外学者对露天煤矿土地复垦中重构土壤进行了深入研究，取得了较多成果，如：Shrestha等^[1]研究了美国俄亥俄州8个县的露天煤矿复垦土壤基本理化性质，认为经过土地复垦，矿区土壤质量明显改善；Frouz等^[2]研究了捷克Sokolov露天煤矿土地复垦25 a后土壤质量演替规律，分析发现土壤质量与植被以及土壤动物恢复状况密切相关。国内学者也对黄土丘陵区和草原区露天煤矿土地复垦中不同植被恢复模式下重构土壤的基本理化性质^[3]、呼吸作用^[4]、碳库^[5]、水盐运动^[6]及其与植被相互作用规律^[7]等内容进行了系统研究，取得了丰硕成果，为指导我国煤矿区土壤重构积累了丰富的经验。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤中各种活动过程形成的基本结构单位，其中粒径>0.25 mm的团聚体称为大团聚体^[8]。土壤大团聚体是土壤肥力的中心调节器，具有保证和协调土壤的水肥气热、维持和稳定土壤疏松熟化层等作用，在一定程度上表征土壤通气性与抗蚀性^[9-10]。土壤水稳性大团聚体指抗水力分散的团聚体，是土壤肥沃的标志之一，它在很大程度上影响土壤酶的活性，维持和稳定土壤疏松熟化层^[11]。表层土壤水稳性团聚体稳定性对土壤侵蚀和径流产生重要影响，在促进土壤养分循环、防止土壤侵蚀方面起到重要作用^[12]。因此，土壤水稳性团聚体的稳定性成为近年来的研究热点。

国外对土壤团聚体的研究起步较早，主要研究包括土壤水稳定性团聚体的数量和质量影响土壤抗蚀性^[13-14]以及团聚体大小反映土壤结构的区别^[15]。Letey^[16]认为土壤团聚体的稳定性可通过影响土壤水、通气性、土壤温度等来影响作物生产力。Primoradian等^[17]和Zhou等^[18]通过研究土壤团聚体平均重量直径 (MWD) 和几何平均直径 (GMD) 来分析土壤团聚体特征。水稳性团聚体的研究在国内起步较晚，刘梦云等^[19]研究了土地利用方式对土壤水稳性团聚体稳定性的影响，认为林地与草地的土壤水稳性团聚体较耕地更为稳定。袁俊吉等^[20]研究了不同植被覆盖对养分在土壤水稳性团聚体中分布特征的影响，发现地表植被覆盖的变化对土壤养分在各粒级水稳性团聚体中的含量具有显著影响。祁迎春等[21、徐爽等^[22]提出将矩法、结构体破坏率 (PAD) 作为土壤团聚体特征的评价指标，王晓娟等^[23]分析了土壤有机质含量与土壤团聚体特征的关系，刘美英等^[24]运用土壤团聚体稳定率 (WSAR)、PAD及不稳定团粒指数来评价采煤沉陷复垦区土壤水稳性团聚体的稳定性。总体来说，土壤团聚体研究主要集中在土壤有机碳与团聚体的关系，及土地利用方式对水稳性团聚体稳定性的影响等方面，但矿区土壤重构中水稳性团聚体稳定性的研究鲜见报道。鉴于此，本文以安太堡露天矿排土场复垦地为例，选取复垦年限为21、22 a的不同复垦模式，应用WSAR、GMD、MWD和PAD等参数，分析不同复垦模式对土壤水稳性团聚体稳定性的影响，旨在揭示不同复垦模式对土壤结构的影响，为黄土丘陵区露天矿区排土场土地复垦与生态重建提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

安太堡露天煤矿位于山西省朔州市平鲁区境内 (图 1)，是我国大型开采的露天煤矿之一，位于112°11′~113°30′E，39°23′~39°37′N^[25]，煤炭地质储备量约为127亿t。该矿地处黄土高原的丘陵缓坡地带，森林覆盖率低，地表水蚀风蚀严重，水土流失严重，气候冬春寒冷干旱，夏秋温凉且降水较多，年平均降水量428.2~449 mm。安太堡露天矿区土壤为普通栗钙土、淡栗褐土与黄绵土，成土母质为黄土性冲积物、洪积物、坡积物以及部分地带性风积物，风害天气致使该区土壤干旱，土质偏砂型，保水能力差。本文选取安太堡露天矿南排土场及西排土场作为研究区。两个排土场经过多年复垦，目前已经形成刺槐、榆树、油松、沙棘等为主的林、草、灌多层次、多类型的植被结构，生态恢复取得明显成效。

1.2 样品采集与处理

在安太堡排土场选取复垦年限相近的6种复垦林地 (复垦22a的刺槐纯林、刺槐+油松混交林、刺槐+榆树+臭椿混交林、刺槐+柠条+沙棘混交林及复垦21a的沙棘+榆树混交林和沙棘纯林) 和复垦耕地，并选原地貌及内排未复垦地作为对照，各样地基本情况见表 1。

土样于2015年8月采集，根据不同模式选取9个样地，每个样地各取3个样点作为重复，每个样点按梅花状取5个点，去除表层腐殖质后分别用土钻取0~20 cm层土壤，将这5个点的土样充分混合，用“四分法”弃去多余土壤，共采集27份土样。在采集和运输过程中避免震动及翻倒，运回后将直径>2 cm的土块沿自然结构剥开，然后去除土壤中杂质，将采集的土样放在干燥通风的房间内风干，用于团聚体筛分。

1.3 样品检测方法

土壤团聚体含量测定选用干筛法与湿筛法^[26]。干筛法用于测定土壤机械稳定性团聚体含量，各模式取150 g风干土样，先后通过孔径1、0.5、0.3、0.25 mm土筛，过筛后收集土样进行分别称重，计算其占总土样的百分比，记录机械稳定性团聚体含量。湿筛法用于测定土壤水稳性团聚体含量，在团聚体分析仪上进行。取各模式土样150 g，依次倒入孔径为1、0.5、0.3、0.25 mm的套筛，浸润10 min，开动仪器，以20次·min^-1的速率定时5 min；湿筛后，将土筛上各级团聚体分别洗入铝盒，50 ℃烘干称量，计算其在土样中的质量百分含量。土壤含水量的测定采用烘干法。

1.4 指标计算

不同粒径水稳性团聚体含量w_i (质量分数，%) 的计算方法如下：

式中：W_wi为该范围内水稳性大团聚体的干质量，g。

土壤团聚体稳定率WSAR的计算方法^[27]如下：

式中：WR_0.25为>0.25 mm水稳性团聚体质量，g；W_T为>0.25 mm团聚体的质量，g。

土壤水稳性团聚体的平均重量直径MWD及几何平均质量GMD计算方法^[28]如下：

式中：x_i为不同粒径范围内土壤团聚体的平均直径，mm。

土壤水稳性团聚体的破坏率PAD计算方法如下：

式中：DR_0.25为>0.25 mm水稳性团聚体质量，g；WR_0.25为>0.25 mm机械性团聚体质量，g。

1.5 数据处理

试验所得数据采用Excel 2007处理，利用SPSS 22.0统计分析软件单因素方差分析 (One-Way ANOVA) 方法对样地土壤水稳性团聚体稳定性参数进行差异显著性检验，并利用新复极差法 (Duncan) 进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 不同复垦模式土壤水稳性团聚体的分布

土壤大团聚体相较于其他粒径团聚体，更能体现土壤团聚体质量的优劣以及稳定性。由表 2可以看出，不同复垦模式下排土场土壤水稳性团聚体含量及粒径组成有较明显差异 (P < 0.05)，且不同复垦模式土壤水稳性团聚体的含量与粒径大小在总体上呈反比趋势。在所有复垦模式中，SⅢ样地 (40.28%) 土壤水稳性大团聚体含量最高，其次是WH样地 (39.87%) 及SⅣ样地 (36.97%)，这三种复垦模式差异不显著 (P < 0.05)，土壤水稳性大团聚体含量最低的是UR样地 (5.37%)；研究区样地中，粒径>1 mm的土壤水稳性团聚体含量均不高，各复垦模式土壤水稳性团聚体主要分布0.25~0.5 mm粒级，在0.25~0.3 mm粒级，SⅤ样地水稳性团聚体含量最高 (16.65%)，在0.3~0.5 mm粒级，SⅢ样地水稳性团聚体含量最高 (27.72%)；从土地利用方式来看，林地的水稳性大团聚体含量显著高于耕地。

2.2 不同复垦模式土壤团聚体的WSAR

土壤团聚体WSAR值是评价土壤团聚体稳定性的重要指标。由图 2可以看出，经复垦后各样地土壤团聚体WSAR均显著高于未复垦地 (P < 0.05)，4种混交林土壤团聚体WSAR较2种纯林更高，林地土壤团聚体WSAR较耕地更高。其中：SⅣ样地 (87.98%)、SCM样地 (86.11%) 和WUH样地 (81.79%) 土壤团聚体WSAR无明显差异且显著高于其他复垦模式样地；SⅤ样地 (71.19%) 与WH样地 (69.31%)2个纯林的团聚体WSAR差异不显著 (P < 0.05) 且低于4种混交林复垦模式；各林地土壤团聚体WSAR均高于IC内排耕地 (62.21%) 及UR未复垦地，UR未复垦地土壤团聚体WSAR最低 (40.59%)。

2.3 不同复垦模式土壤水稳性团聚体的MWD和GMD

土壤团聚体MWD和GMD值均是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，能够反映土壤团聚体大小分布状态，其增加值反映土壤中大团聚体含量的增加，MWD和GMD值越大表示团聚体团聚度越高、稳定性越好^{[27, 29]}。图 3表明，研究区不同复垦模式下土壤团聚体的MWD和GMD具有相似的变化规律，且各复垦模式与原地貌林地MWD和GMD值相差不大，MWD变化范围在0.568 5~0.600 2 mm之间，GMD变化范围在0.348 9~0.390 3 mm之间。各复垦模式样地中，MWD和GMD值以SⅣ样地 (0.600 2、0.390 3 mm) 和SCM样地 (0.592 2、0.387 2 mm) 为最高，而SⅤ和WH两个纯林样地的MWD和GMD值略低于4种混交林。总体来看，UR未复垦地的MWD与GMD值最低，其次是IC内排耕地；林地的MWD和GMD值高于耕地。

2.4 不同复垦模式土壤水稳性团聚体的PAD

土壤水稳性团聚体的PAD表示土壤水稳性团聚体在水蚀作用下的分散程度，PAD值越小，表示土壤水稳性团聚体的稳定性越高^[19]。如图 4所示，经复垦后各样地土壤水稳性团聚体PAD值显著低于UR未复垦地及IC内排耕地 (P < 0.05)。其中，UR未复垦地 (59.41%) 的PAD值最大，SⅣ样地 (12.01%) 的PAD值最小；4种混交林复垦样地 (SⅢ样地、SⅣ样地、SCM样地、WUH样地) PAD值差异不显著且低于2种纯林样地 (SⅤ样地、WH样地)；各复垦模式样地及OP原地貌林地PAD值均低于IC内排耕地。

2.5 不同复垦模式土壤水稳性团聚体稳定性指标相关性分析

DR_0.25、WSAR、MWD、GMD和PAD均可以表示土壤水稳性团聚体的稳定性。利用相关性分析法，分析了各指标之间的相关性，结果如表 3所示。各稳定性指标之间相关性极显著，其中DR_0.25、WSAR、MWD及GMD相互之间呈极显著正相关，且均与PAD呈极显著负相关。排土场复垦地土壤中水稳性大团聚体含量越多，WSAR、MWD和GMD值越大，PAD值越小，说明水稳性团聚体越稳定，土壤质量越好，即复垦模式效果越好；反之，则土壤水稳性团聚体越不稳定，土壤结构越不稳定，复垦模式效果也略差。

3 讨论

不同复垦模式对土壤水稳性团聚体的粒径分布有较为明显的影响，复垦地土壤水稳性大团聚体含量显著高于未复垦地，与刘梦云等^[19]、刘美英^[24]等研究结果一致。本研究所选安太堡露天矿地处黄土高原区，以干草原植被为主，土壤贫瘠，加上常年的煤矿开采及环境污染，矿区土壤养分整体水平较低，经过地貌重塑、土壤重构和植被重建后，刺槐、油松等先锋物种在排土场迅速拓殖，刺槐、油松等产生的凋落物和根系腐解物在土壤中不断积累和矿化，将有机物和无机营养元素释放于土壤，改善土壤的理化性质和生物学性状^[30]，从而优化了土壤的结构，致使土壤大团聚体含量增多，土壤结构更加稳定。

经过多年复垦，研究区排土场复垦样地土壤水稳性团聚体WSAR、MWD、GMD值，均呈现出4种混交林复垦模式>2种纯林复垦模式>未复垦林地，林地>内排耕地的总体趋势；土壤水稳性团聚体PAD值呈现出4种混交林复垦模式 < 2种纯林复垦模式 < 未复垦林地，林地 < 内排耕地的总体趋势。各复垦模式中，刺槐+油松复垦模式下土壤水稳性团聚体更稳定。林地生物结构较优，有大量回归土壤的有机质，因此其表层土壤的PAD值较低，WSAR值较高。有关不同植被覆盖模式土壤水稳性团聚体的分布和稳定性已有较多报道，Gaillard等^[31]研究表明植被覆盖模式不同，其产生的植物残渣便不同，残渣进入土体在微生物作用下与土壤矿物结合的能力也不同，进而影响土壤团聚过程及团聚体的稳定性。王晓峰等^[32]研究表明，混交林可以发挥种间互补作用，合理占据生存空间，充分利用温度、光照、水分、土壤中的养分等生态因子，生长量上有显著的提高，其枯枝落叶的土壤培肥作用要优于纯林，因此土壤结构更加合理，土壤水稳性团聚体更稳定。乔木林中，种植针阔混交林可以更好的改良土壤结构，针叶树的凋落物中含有大量单宁、树脂和木质素等，这些物质分解后产生酸性物质，使得土壤pH值下降、质地疏松、结构改善、持水量和孔隙度提高，从而提高土壤水稳性团聚体的稳定性。毛艳玲等^[33]研究表明，当林地开垦为农田后，＞2 mm团聚体含量明显下降，团聚体稳定性也下降。耕地与林地相比，地表掉落物明显减少，土壤中的天然有机质也随之减少，而且耕作会破坏表层土壤，破坏大粒径团聚体，使有机质胶体氧化分解，导致土壤团聚体易破裂分散，降低其MWD、GMD及WSAR值，因此耕地土壤水稳性团聚体稳定性较林地差。这与本研究结果相一致。

研究区DR_0.25、WSAR、MWD、GMD和PAD值的相关分析表明，排土场复垦样地DR_0.25、WSAR、MWD和GMD值呈显著正相关，且与PAD值呈显著负相关，与刘艳等^[34]研究结果相吻合。已有研究表明土壤中大粒径的团聚体越多，团聚体分布越集中，团聚体越不容易遭到破坏，土壤结构越稳定^{[19, 22]}，则该模式复垦效果越好；反之，团聚体中小颗粒越多，土壤团聚体稳定性越差，越容易遭到破坏^[24]。

4 结论

(1) 经多年复垦后，土壤水稳性团聚体趋于稳定状态，随之土壤结构也越来越稳定，土壤质量得到有效改良。

(2) 在4种混交林复垦模式及2种纯林复垦模式中，混交林复垦模式对土壤水稳性团聚体的改良作用优于纯林，其中，刺槐+油松复垦模式的改良效果最佳。

(3) 对于不同的土地利用方式，林地的土壤有机质更为丰富且团聚体粒径较大，结构较为均一，其土壤水稳性团聚体稳定性优于耕地。耕地由于频繁的人为扰动造成团聚体粒径相对较小，较易被破坏，稳定性较差。

(4) 评价土壤水稳性团聚体稳定性的指标DR0.25、WSAR、MWD与GMD相互之间呈极显著正相关，且均与PAD呈极显著负相关。