基于聚類分析的寧東礦區(qū)煤石山立地類型劃分

基于聚類分析的寧東礦區(qū)煤石山立地類型劃分

寧東礦區(qū)是國(guó)家規(guī)劃的14個(gè)大型煤炭基地之一，位于西北干旱的沙漠中。北方的沙帶是國(guó)家生態(tài)安全的“兩條橫帶”，也是國(guó)家“一帶一路”倡議的主要建設(shè)區(qū)域。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)立地類型劃分多集中在造林地1煤石山地質(zhì)概況寧東礦區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中部的靈武市,地理坐標(biāo)105°35′24″—106°22′12″E,37°36′0″—38°0′36″N。寧東礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富,有10余個(gè)生產(chǎn)礦井,已探明儲(chǔ)量達(dá)2.70×10本研究調(diào)查的煤矸石山位于羊場(chǎng)灣煤礦、棗泉煤礦和靈新煤礦,各煤矸石山地理位置見圖1。寧東礦區(qū)開采方式均以井工開采為主,排矸年限10a以上,矸石堆放形成煤矸石山,有平臺(tái)和邊坡2種微地形。自2016年開始,各煤礦陸續(xù)對(duì)煤矸石山進(jìn)行覆土及植被重建,覆土來源于矸石山周邊土地,土質(zhì)以砂土及礫質(zhì)砂土為主,寧東礦區(qū)煤矸石山基本概況見表1。2材料和方法2.1布局因素篩選根據(jù)各煤矸石山實(shí)地調(diào)查及相關(guān)研究方法,將能夠反映煤矸石山立地類型特征的地形因子和土壤因子作為立地因子篩選依據(jù)2.2樣地設(shè)置與調(diào)查2018年9月,通過前期對(duì)研究區(qū)資料的整理分析,并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查,對(duì)寧東礦區(qū)的羊場(chǎng)灣煤礦、棗泉煤礦、靈新煤礦等礦區(qū)的煤矸石山進(jìn)行典型樣地調(diào)查,根據(jù)微地形及實(shí)地狀況設(shè)置樣地14個(gè)。微地形有平臺(tái)和邊坡2種,使用GPS對(duì)各樣地進(jìn)行定位,并調(diào)查海拔高度;手持羅盤儀調(diào)查邊坡坡度和坡向,覆土厚度通過盒尺測(cè)得,并在平臺(tái)采取“S形”取樣法設(shè)土壤剖面,邊坡分別在坡上、中、下部設(shè)土壤剖面,共設(shè)52個(gè)土壤剖面。在剖面表層用環(huán)刀、鋁盒取樣,同時(shí)取1kg混合土樣用于土壤理化性質(zhì)分析,將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,以常規(guī)方法測(cè)定土壤質(zhì)地、土壤田間持水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全N,全P,全K含量等土壤理化性質(zhì)指標(biāo)2.3布局類型分類采用定性與定量相結(jié)合的方法分析立地因子,對(duì)3結(jié)果與分析3.1主導(dǎo)立地因子煤矸石山立地條件較為惡劣,劃分立地類型的關(guān)鍵在于找出主導(dǎo)因子,經(jīng)SPSS因子分析的KMO(Kaiser-Meyer-OlkinMeasure)和Bartlett(Bartlett’sTestofSphericity)球形度檢驗(yàn)可知,KMO>0.5,sig.<0.01,檢驗(yàn)結(jié)果均屬于正常范圍,因表明選用的研究數(shù)據(jù)適合做為因子分析=0.120=-0.182=-0.411=-0.05由以上關(guān)系式可知,主導(dǎo)立地因子中,微地形分為平臺(tái)和邊坡,邊坡根據(jù)坡度大小分為陡坡、急坡,覆土厚度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)地調(diào)查分為厚層、中層、薄層,土壤質(zhì)地根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定(見表2)。3.2煤石山立地類型分類主導(dǎo)因子的立地類型研究概述運(yùn)用SPSS軟件,采用組間聯(lián)接的聚類方法,以平方歐氏距離為樣地度量標(biāo)準(zhǔn),本文根據(jù)聚類分析結(jié)果,并結(jié)合主導(dǎo)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表2),將寧東礦區(qū)煤矸石山14個(gè)研究樣地劃分成3個(gè)立地類型組,5個(gè)立地類型亞組,8個(gè)立地類型。立地類型的命名以聚類分析中引起分類不同的立地劃分因子為依據(jù)3.3煤石山立地類型特征對(duì)煤矸石山各立地類型特征進(jìn)行描述,可以更好地了解不同立地類型的土壤、植被等狀況,可為植被重建提供基底數(shù)據(jù),并對(duì)各立地類型植被重建適宜植物種的選擇提出建議,寧東礦區(qū)煤矸石山立地類型特征見表4。(1)不同立地類型的保水性矸石山平臺(tái)厚層砂質(zhì)壤土立地類型。該類立地類型覆土厚度95～110cm,覆土土質(zhì)為砂質(zhì)壤土,土壤田間持水量32.62%,在各立地類型中其保水性最好;該立地土壤全K含量平均37.82g/kg,屬于極高水平,而有機(jī)質(zhì)含量、土壤全N含量分別為0.28%,0.11g/kg,均為極低水平,全P含量0.34g/kg為低水平,土壤偏堿性。該立地生長(zhǎng)有2018年人工重建的側(cè)柏林,其成活與生長(zhǎng)狀況較好,總體看該立地類型立地條件較好。建議植被重建時(shí),可選擇以喬木為主的喬灌型植被配置模式。(2)不同立地土壤條件矸石山平臺(tái)中層壤質(zhì)砂土立地類型。該類立地類型覆土厚度55～60cm,覆土土質(zhì)為壤質(zhì)砂土,土壤田間持水量27.13%,保水性僅次于Ⅰ類立地;土壤全K含量(35.44g/kg)屬于極高水平,土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量均屬于極低水平,全P含量為低水平,土壤偏堿性?，F(xiàn)有2018年人工檸條錦雞兒+沙拐棗+糜子灌草混交林,植被生長(zhǎng)狀況較好,總體看立地條件較好。建議植被重建時(shí),選擇以灌木為主的灌木林或灌草型配置。(3)少練質(zhì)土保水材料矸石山平臺(tái)中層少礫質(zhì)砂土立地類型。該立地類型覆土厚度33～36cm,礫石含量1.62%,為少礪質(zhì)砂土,土壤保水性能一般,土壤全K含量屬于極高水平,全P為低水平,其他土壤養(yǎng)分含量均屬于極低水平,土壤偏堿性。該立地條件一般,有2016年人工種植的檸條、沙蒿、蜀葵等,但植被成活率一般。建議植被重建時(shí),植被配置選擇以灌木為主的灌草型。(4)人工感染土壤全k、n、p含量及生長(zhǎng)狀況的影響矸石山平臺(tái)薄層少礫質(zhì)砂土立地類型。該類立地類型覆土厚度較薄,覆土土質(zhì)為少礫質(zhì)砂土,土壤持水性能一般,土壤全K含量屬于極高水平,土壤全P含量為0.52g/kg,屬于中下水平,土壤有機(jī)質(zhì)和全N含量分別為4.36g/kg,0.16g/kg,屬于極低水平,一定程度上限制植被生長(zhǎng),土壤偏堿性。該類立地有人工條播的紫花苜蓿,生長(zhǎng)狀況較好。建議植被重建時(shí),選擇以草本為主的灌草型配置模式。(5)土壤保水性、n矸石山平臺(tái)薄層輕礫石土立地類型。該類立地類型覆土厚度僅0～3cm,礫石含量38.74%,土壤粗礫化,嚴(yán)重限制植物種的生長(zhǎng),土壤田間持水量為18.35%,保水性較其他立地類型差;土壤全K含量屬于極高水平,土壤全P含量在各立地類型最大,為0.59g/kg,屬于中下水平,而土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量為極低水平,土壤偏堿性?，F(xiàn)無人工恢復(fù)措施,該立地條件較差。建議植被重建時(shí),選擇以草本為主的灌草型配置模式。(6)覆土土壤質(zhì)土立地類型矸石山陡坡中層壤質(zhì)砂土立地類型。該類立地類型坡度大小為32.5°,為陡坡,覆土厚度55～60cm,屬于中層,覆土土質(zhì)為壤質(zhì)砂土,土壤田間持水量為23.95%,保水性能較好;該立地土壤全K含量36.05g/kg,屬于極高水平,全P含量0.35g/kg為低水平,土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量為極低水平,現(xiàn)有2018年人工種植糜子,其生長(zhǎng)狀況較好,土壤偏堿性。總體看該立地類型立地條件較好。建議植被重建時(shí),可選擇灌木林或以灌木為主的灌草型配置。(7)覆土土壤條件矸石山陡坡中層中礫質(zhì)砂土立地類型。該類立地為坡度33.7°的陡坡,覆土厚度35～40cm,覆土土質(zhì)為中礫質(zhì)砂土,土壤持水性差,土壤全K含量為極高水平,其他養(yǎng)分含量低,土壤偏堿性?，F(xiàn)有2018年人工種植的沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等草本植物,總體看立地條件一般。建議植被重建時(shí),植被配置模式選擇以草本為主的灌草型。(8)不同立地類型土壤理化性質(zhì)矸石山急坡薄層輕礫石土立地類型。該類立地為急坡,其坡度為39.5°,覆土厚度小(0～2cm),覆土土壤的礫石含量較高,為輕礫石土,土壤粗礫化現(xiàn)象嚴(yán)重限制喬、灌木植物種生長(zhǎng),土壤田間持水量18.88%,其持水性較其他立地類型差;土壤全K含量屬于極高水平,全P含量屬于低水平,其均值0.40g/kg,土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量為極低水平,土壤偏堿性。該立地類型現(xiàn)無人工植被恢復(fù),立地條件差。建議植被重建時(shí),選擇以草本為主的灌草型配置。4煤石山立地類型主成分聚類分析通過對(duì)微地形(依據(jù)主導(dǎo)立地因子,通過聚類分析法將煤矸石山劃分成3個(gè)立地類型組,5個(gè)立地類型亞組,8個(gè)立地類型,分別為矸石山平臺(tái)厚層砂質(zhì)壤土立地類型、矸石山平臺(tái)中層壤質(zhì)砂土立地類型、矸石山平臺(tái)中層少礫質(zhì)砂土立地類型、矸石山平臺(tái)薄層少礫質(zhì)砂土立地類型、矸石山平臺(tái)薄層輕礫石土立地類型、矸石山陡坡中層壤質(zhì)砂土立地類型、矸石山陡坡中層中礫質(zhì)砂土立地類型、矸石山急坡薄層輕礫石土立地類型。本研究對(duì)立地因子采用主成分分析法確定主導(dǎo)因子,再通過對(duì)主導(dǎo)因子進(jìn)行聚類分析劃分立地類型,這與有關(guān)學(xué)者對(duì)于立地類型劃分的方法相一致通過對(duì)煤矸石山各立地類型特征分析,總體來說,煤矸石山平臺(tái)較平坦,面積較大,邊坡坡度32°～40°之間;煤矸石山覆土土源為其周邊土地土壤,覆土厚度多在30cm以上,覆土土質(zhì)有砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土及礪質(zhì)砂性土,特殊立地類型礫石含量>30%,其土質(zhì)為輕礫石土,此類立地條件較差;煤矸石山覆土土壤透水性強(qiáng),保水保肥性差,土壤田間持水量18.35%～32.62%;土壤養(yǎng)分貧瘠,有機(jī)質(zhì)含量在0.26%～0.44%、全N含量0.10～0.16g/kg,全P含量0.33～0.59g/kg,屬于低至中下水平,全K含量較高,在35.44～44.16g/kg之間,為極高水平,煤矸石山土壤偏堿性。煤矸石山各立地類型特征結(jié)合現(xiàn)有人工植被類型分析,可為煤矸石山植被重建工作提出建議。對(duì)于煤矸石山平臺(tái),覆土