短期恢復下高寒礦區煤矸石山土壤變化特征研究

楊鑫光，李希來，金立群，孫華方

(青海大學農牧學院，青海 西寧 810016)

煤炭作為經濟社會發展和人民生產生活的重要能源之一，其開采和利用一直備受關注[1]，一方面能夠帶來巨大的經濟效益，同時，其開采過程中也導致嚴重的環境問題[2]，極大地改變開采區域的物理和生物自然狀況[3]，特別是露天開采，能夠引起植被破壞、土壤腐蝕、微生物群落的改變、水污染、生物多樣性的破壞等[4-5]。通常，礦山自然演替過程比較緩慢[6-7]，如果沒有恢復措施甚至會導致環境惡化[5]。通過人工建植能夠促進礦區環境恢復[2]，植被恢復能夠不同程度上引起土壤性質的改變，隨著植被的恢復，植被覆蓋度變大，枯葉和根系腐殖質在土壤中增加，土壤有機質和養分含量不斷積累，進而使土壤結構得到改善，土壤質量提高[8]，土壤理化特征的改善對于景觀和土壤自身的成功恢復極其重要[9]。

植物-土壤的相互作用是生態恢復學的主要研究方向之一，明確植被恢復對土壤性質的影響程度，對于合理設計人工恢復措施等意義重大。就生態恢復過程中土壤和植被組分的改變而言，恢復年限大小往往是主要的驅動因素[10]。有關研究表明，不同恢復時間下，地上植被種類往往發生很大的變化，隨著時間的延長，土壤有機質、氮、含水量等均增加，pH值減少，土壤性質得到逐步改良[11]。近年來，對煤礦復墾和人工建植后的土壤恢復研究大部分集中于低海拔平原區[12-15]，對于高寒礦區煤矸石山復綠后的土壤變化特征研究少見報道。高海拔高寒地區特殊的地理及氣候環境條件，導致植物生長周期短、生長緩慢，人工建植條件下土壤恢復改良過程具有較大不確定性。本研究通過研究高寒礦區不同恢復年限下煤矸石山土壤變化特征及其相互關系，探討短期植被恢復條件下的土壤性質改良程度，旨在為高寒礦區生態恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

圖1 試驗區地理位置Fig.1 The geographical position of the study area

青海省木里地區位于祁連山中東段大通河谷地的山地多年凍土分布區，區內分布有木里煤礦、江倉煤礦、熱水煤礦、聚乎更煤礦等大型煤礦，是青海省煤炭資源的集中分布區之一[16]。聚乎更礦區位于天峻縣木里鎮境內，是木里煤田重要組成礦區，原煤儲量達到13.79億t左右，地處祁連與剛察兩縣交界處的大通河上游地帶。試驗區地理位置見圖1，區內分布大量高寒草甸，草甸下富含凍土，采礦帶來的生態問題如永久凍土破壞、草甸退化、河流污染等，一旦破壞難以恢復[17]。選取木里煤田聚乎更礦區五號井周邊排土場(2.84 km2)作為試驗地，地理坐標99°08′ E，38°06′ N，海拔4130 m，年平均氣溫-5.0 ℃左右，區內自然條件艱苦，生態環境脆弱，植被和土壤恢復難度大。不同恢復年限下的試驗地人工建植過程中，土壤表層均覆蓋25 cm左右周邊土壤，以保持試驗地土壤理化性質一致。人工種植的草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，分別于種植當年(種植時間分別為2012、2014、2016年)5月下旬將相同播種量、播種比例(2∶1∶1)的草種混合撒播于樣地，播量300 kg·hm-2，播后覆蓋無紡布。

1.2 試驗設計與方法

在試驗地中，雖然不同恢復年限下的樣地坡度、坡向不盡一致，但是通過人工覆土保持了地表土壤性質的統一，在最大程度上避免坡度、坡向造成的土壤理化性質差異。2016年7月，選擇不同恢復年限下的樣地，人工建植時間分別為2012、2014、2016年，所對應的恢復時間分別是恢復4、2、0年(由于試驗區海拔高，氣候寒冷，人工種植草種6月左右才開始萌芽，經過1個多月的生長，植被對土壤質量不會造成較大影響，基于此，將2016年即恢復當年樣地視為未人工建植下的空白樣地作為對照)。每個不同恢復年限樣地分別隨機選擇4個1 m×1 m樣方，每個樣方分別測定總蓋度。同時，在每個樣方內部及周邊隨機取5個10 cm土層土壤，混合一起作為1個土壤樣品。土壤樣品均去除雜質(石塊和植物殘根等)，裝入封口袋帶回實驗室，測定土壤養分、有機質含量及pH值。其中，全氮(total nitrogen，TN)采用半微量凱氏定氮法測定；全磷(total phosphorus，TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀(total potassium，TK)采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；堿解氮(available nitrogen，AN)采用堿解擴散法測定；速效磷(available phosphorus，AP)采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀(available potassium，AK)采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤pH值(pH)采用電極法(水土比2.5∶1)測定；土壤有機質(soil organic matter，SOM)采用重鉻酸鉀容量法測定[18]。植被蓋度(vegetation coverage，VC)測定用直接目測法，樣方內垂直投影面積占樣方面積的比值。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007進行數據整理，運用SPSS 19.0進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復年限下土壤氮含量變化特征

土壤中的全氮含量代表著土壤氮素的總貯量和供氮潛力，是土壤肥力的重要指標之一，而土壤堿解氮反映土壤短期內氮素供應情況。由圖2可以看出，人工建植當年與2、4年相比，隨著植被恢復時間的延長，土壤全氮含量呈現出先上升、后下降的變化趨勢。恢復當年土壤全氮含量為(4.04±0.04) g·kg-1，恢復2年后上升為(4.55±0.06) g·kg-1，恢復4年后又下降為(4.00±0.12) g·kg-1。雖然短期內(2年內)土壤全氮含量有一定幅度的上升(P<0.05)，但較長一段時期內(4年內)土壤全氮含量與恢復當年相比差異不顯著(P>0.05)，短期植被恢復條件下土壤全氮含量基本維持在4 g·kg-1的水平。可見，在高寒礦區，植被恢復過程對土壤全氮含量的影響在短期內不會有明顯的變化。

人工建植當年與2、4年相比，堿解氮含量差異顯著(P<0.05)。隨著植被恢復時間的延長，堿解氮含量逐步下降，恢復當年為(276.75±2.22) mg·kg-1，恢復2年后下降為(252.00±3.56) mg·kg-1，恢復4年后進一步降低為(139.25±21.22) mg·kg-1。與對照相比，恢復2年和恢復4年土壤堿解氮含量分別下降了8.94%、49.68%。由以上分析可見，高寒礦區煤矸石山人工建植過程中，短期內植被恢復對土壤堿解氮含量產生較大影響，隨著恢復時間的延長，土壤堿解氮被植物根系吸收利用，引起含量的顯著下降。

2.2 不同植被恢復年限下土壤磷含量變化特征

磷是植物生長的重要營養元素，全磷是指土壤磷的總貯量，而土壤速效磷是能被植物直接吸收和利用的無機磷或者小分子有機磷。由圖3可以看出，人工建植當年與2、4年相比，隨著恢復時間的延長，土壤全磷含量呈增加趨勢。恢復當年土壤全磷含量為(1.61±0.04) g·kg-1，恢復2年后為(1.64±0.06) g·kg-1，與恢復當年相比，增加趨勢不太明顯(P>0.05)。恢復4年后土壤全磷含量增加為(1.89±0.13) g·kg-1，與恢復當年相比增加了17.39%，表現為顯著增加(P<0.05)。短期植被恢復能夠促進土壤全磷的積累，引起含量在一定程度上增加，對植被的后續生長產生有利的影響。

短期植被恢復條件下，隨著恢復時間的延長，土壤速效磷含量與全磷含量相比趨勢相反，速效磷含量顯著下降(P<0.05)。恢復當年土壤速效磷含量為(43.33±2.45) mg·kg-1，恢復2年后下降為(20.95±1.37) mg·kg-1，恢復4年后進一步降低為(14.70±2.92) mg·kg-1。與對照相比，恢復2年和恢復4年土壤速效磷含量分別下降了51.65%、66.07%。可見，高寒礦區煤矸石山人工建植過程中，植物的生長對土壤速效磷含量造成了較大影響，植物根系吸收土壤速效磷在短期內得不到補充，短期植被恢復條件下，土壤速效磷含量下降明顯。

圖2 不同恢復年限土壤氮含量變化特征Fig.2 Variation of soil nitrogen with different restoration years 不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。Different small letters indicate significant differences at P<0.05， the same below.

圖3 不同恢復年限土壤磷含量變化特征 Fig.3 Variation of soil phosphorus with different restoration years

2.3 不同恢復年限下土壤鉀含量變化特征

土壤中鉀元素是植物生長3大營養元素之一，對植物生長代謝的調節起著重要作用，全鉀是指土壤中各種形態的鉀含量，速效鉀是土壤鉀元素有效供應的重要指標。由圖4可以看出，隨著恢復時間的延長，土壤全鉀含量逐步下降。恢復當年土壤全鉀含量為(19.18±0.51) g·kg-1，恢復2年后下降為(17.39±0.08) g·kg-1，恢復4年后進一步降低為(16.73±0.46) g·kg-1。與對照相比，恢復2年和恢復4年土壤全鉀含量分別下降了9.33%、12.77%，下降幅度不是太明顯，但差異性顯著(P<0.05)。這表明短期植被恢復條件下，植物生長過程對全鉀含量造成了一定程度影響，但是影響幅度不是太大。

與土壤全鉀含量相比，土壤速效鉀含量下降幅度在恢復2年后就表現的比較明顯(P<0.05)，恢復當年土壤速效鉀含量為(143.25±9.14) mg·kg-1，恢復2年和恢復4年后分別下降為(114.50±8.81) mg·kg-1、(116.50±18.28) mg·kg-1，與對照相比，恢復2年和恢復4年土壤速效鉀含量分別下降了20.07%、18.67%。可以看出，恢復2年后土壤速效鉀含量基本維持在一定水平，變化幅度不是太明顯。總體上來看，高寒礦區煤矸石山人工建植過程中，在短期植被恢復條件下，隨著恢復時間的延長，土壤全鉀、速效鉀含量均表現為一定程度下降。

圖4 不同恢復年限土壤鉀含量變化特征Fig.4 Variation of soil potassium with different restoration years

2.4 不同恢復年限下土壤有機質含量和pH值變化特征

土壤有機質含量大小是判斷土壤質量的重要指標之一，是土壤肥力的物質基礎和有效保障。由圖5可以看出，隨著人工建植時間的延長，土壤有機質含量呈顯著增加趨勢(P<0.05)。恢復當年土壤有機質含量為(191.56±4.73) g·kg-1，恢復2年后增加為(206.73±4.22) g·kg-1，恢復4年后進一步增加為(273.97±10.88) g·kg-1。與恢復當年相比，恢復2和4年后土壤有機質含量分別提高了7.92%、43.02%，特別是恢復4年后土壤有機質含量大幅度上升，這與植物的連續生長能夠富集更多的土壤有機物質關系密切。

土壤pH值主要反映土壤的酸堿程度。本研究中，隨著人工建植時間的延長，土壤pH值增加趨勢明顯(P<0.05)。恢復當年土壤pH值為(6.21±0.03)，恢復2年后增加為(6.50±0.07)，恢復4年后增加為(7.15±0.01)，土壤由酸性逐步向中性過渡，高寒礦區煤矸石山土壤性質得到逐步改良。

圖5 不同恢復年限土壤有機質含量和pH值變化特征 Fig.5 Variation of soil organic matter and soil pH value with different restoration years

2.5 不同恢復年限下植被蓋度變化特征

圖6 不同恢復年限植被蓋度變化特征 Fig.6 Variation of vegetation coverage with different restoration years

蓋度是反映植被群落結構的一個重要數量指標，蓋度的大小與土壤、氣候等諸多環境因子密切相關，同時也受到人為因素、動物活動干擾等影響。在測定不同恢復年限下土壤化學性質變化特征的同時，測定了相應地上部分植被的總蓋度。從圖6中可以看出，隨著植被恢復時間的延長，地上部分植被總蓋度略有下降，但是這一過程差異不顯著。人工建植2、4年后蓋度與恢復當年蓋度相比變化不大，基本維持在76%左右水平。在環境因子基本相同以及沒有受到人為因素、動物活動干擾的背景下，高寒礦區煤矸石山人工建植混播群落數量短期內能夠保持穩定。

2.6 土壤各養分含量和蓋度之間的相關性分析

對不同恢復年限下土壤中的氮、磷、鉀及有機質、pH值以及地上部分植物總蓋度之間進行相關性分析(表1)。從結果中可以看出，全氮含量與各指標之間均無顯著相關(P>0.05)，全氮含量的變化沒有受到其他土壤指標的影響。堿解氮含量與速效磷、全鉀含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與全磷、有機質含量及pH值呈極顯著負相關(P<0.01)。全磷含量與有機質含量、pH值呈極顯著正相關(P<0.01)，與速效磷、全鉀含量呈顯著負相關(P<0.05)，與堿解氮含量呈極顯著負相關(P<0.01)。速效磷含量與堿解氮、全鉀含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與速效鉀含量呈顯著正相關(P<0.05)，與有機質、pH值呈極顯著負相關(P<0.01)。全鉀含量與堿解氮、速效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與全磷含量呈顯著負相關(P<0.05)，與有機質、pH值呈極顯著負相關(P<0.01)。速效鉀含量與速效磷含量呈顯著正相關(P<0.05)，與全鉀含量呈極顯著正相關(P<0.01)。有機質含量與全磷含量、pH值呈極顯著正相關(P<0.01)，與堿解氮、速效磷、全鉀含量呈極顯著負相關(P<0.01)。pH值與全磷、有機質含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與堿解氮、速效磷、全鉀含量呈極顯著負相關(P<0.01)。植被總蓋度僅與pH值之間呈顯著負相關(P<0.05)，與其他指標之間均無顯著相關(P>0.05)。

總體上來看，高寒礦區煤矸石山短期植被恢復條件下，隨著恢復時間的延長，除全氮含量以外，土壤各元素含量之間均具有一定的相關性；短期內地上部分植被總蓋度僅與土壤pH值之間具有一定的負相關性，而暫時沒有受到其他土壤化學指標的影響。在混播群落中，由于土壤各元素含量大小與各物種間的蓋度不是相互獨立的，對于土壤養分含量與群落中各物種蓋度的相關性分析需要進一步深入研究。

表1 不同恢復年限土壤各養分和蓋度之間的相關性分析Table 1 Correlation analysis between different soil nutrients and vegetation coverage with different restoration years

**表示P<0.01水平上顯著相關，*表示P<0.05水平上顯著相關，n=12。

** indicates the correlation is significant at the 0.01 level；* indicates the correlation is significant at the 0.05 level，n=12.

3 討論

3.1 不同恢復時間對土壤氮磷鉀含量的影響

土壤作為植物生長的基質，其養分含量是地形、氣候及生物因素等相互作用的結果[19]。在其他因素相對穩定，特別是人工覆土后表層土壤性質保持一致情況下，生物因素將作為主導因素影響土壤性質的改變。在煤礦開采區開展人工建植能夠有效改善土壤性質[10]，并且隨著恢復時間的延長，土壤營養元素含量會發生不同的變化規律。對內蒙古地區露天煤礦人工建植20年后的土壤養分含量開展研究，相比于自然恢復，人工植被的重建加速了全氮、硝態氮的積累，但是并沒有改變土壤全磷、全鉀和銨態氮的含量[20]。在黃土高原區不同恢復年限下的露天煤礦土壤性質研究中表明，不同土地利用類型土壤性質變化不同，在耕地中恢復時間和全氮、全磷、速效磷含量呈正相關；在林地中全氮含量表現為相反的趨勢；在草地中全磷和恢復時間呈正相關，全鉀和速效鉀含量下降[9]，相似地區做進一步研究發現，隨著恢復時間的延長，堿解氮含量顯著增加[13]。從本研究中可以看出，在高寒煤礦區，煤矸石山經過4年多的短期恢復，土壤中的全氮含量變化不明顯，全磷含量略有增加，而全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均有不同程度的下降。土壤全氮含量未發生明顯改變，主要可能由于恢復時間較短，植被蓋度沒有明顯增加造成。土壤磷素含量主要受土壤母質的影響，生物因素影響不大[21]，因此，土壤全磷含量雖有所增加，但是增幅不大。鉀在土壤中的流動性強，植物對鉀的需求量也較大[22]，因此土壤全鉀含量逐步下降。堿解氮、速效磷、速效鉀含量的下降主要由于地上植物根系的吸收利用造成，高寒礦區溫度低，有機質分解速度緩慢，地上植物對土壤速效養分的吸收利用得不到及時補充，導致土壤速效營養成分下降明顯。為此，在高寒礦區人工建植過程中，需適時補充氮、磷、鉀等速效肥料，以滿足地上植被生長的需要。

3.2 不同恢復時間對土壤有機質、pH值的影響

土壤有機質、pH值等指標是影響土壤質量的關鍵因素[23]。煤礦開采過程造成的植被破壞、土壤環境的改變等顯著地影響生態系統碳循環過程。許多研究表明，隨著植被重建時間的延長，土壤有機質(土壤有機碳)含量能夠顯著增加[6，13，24-25]。從本研究結果可以看出同樣的趨勢，并且恢復4年后土壤有機質含量增加幅度明顯，與恢復當年相比增加了43.02%。土壤有機質是植物礦質營養和有機營養的源泉，是形成土壤結構的重要因素之一，直接影響土壤的耐肥、保墑和緩沖性等[24]，土壤有機質增加通常被認為是土壤肥力增加的一個重要判斷依據。在高寒礦區煤矸石山人工建植后，由于氣候嚴寒，地上植被枯落物不斷積累，土壤有機質分解緩慢，在短期內引起了土壤有機質的較大增加，提高了土壤肥力。雖然高寒礦區土壤有機質被分解轉化的過程較為緩慢，地上植被難以吸收有效成分并快速利用，但是減少土壤有機質的損失、增強其儲存積累仍然被認為是礦山生態恢復成功的一個重要標志[26]。土壤 pH 值在生態恢復過程中扮演重要角色，通過調節植物營養有效性，影響土壤微生物活性，改變土壤可溶性養分含量，引起土壤性質的變化[9，27]，煤礦區植被恢復過程中，土壤 pH 值表現出上升[23]、下降[2，10]、沒有顯著變化[6]和無規律變化[28]等趨勢，在本研究中，土壤 pH 值隨著植被恢復年限的增加而增加，土壤由酸性逐步向中性過渡，以更好適應植被恢復生長。煤礦區植被恢復引起土壤 pH 值的變化，不同的植被類型往往差別很大[9，28]，但是，總體上朝有利于地上植被良好生長的趨勢變化。

3.3 不同恢復時間對地上植被蓋度的影響

植被蓋度受自然條件、人類活動、動物采食等多種因素干擾發生變化。在其他因素相對穩定情況下，隨著植被恢復時間的延長蓋度逐步增加[29-30]，本研究結果與此不盡相同。青海木里煤田高寒礦區人工建植的地表是由大型機械耙機進行處理，加大植被恢復播量(退化人工草地播量的10倍)，同時覆蓋無紡布以利于種子萌發和幼苗的生長，植被恢復當年蓋度能夠達到81.25%，經過4年多的短期恢復，植被蓋度并沒有明顯的增加。主要原因可能有2個方面，一方面由于人工建植時間較短，加之后續未開展播種、施肥及覆蓋無紡布等人工干預措施，使得植被蓋度沒有增加。同時，高寒礦區人工復綠植被自然更新過程困難，由于高寒低溫，人工復綠植被種子不能夠完全成熟，野外觀察結果來看，種子大部分不飽滿，同時，恢復4年植被中很少有植物幼苗存在，人工植被的自疏現象同樣不利于植被蓋度的增加。鑒于恢復植被自然成活率低的現狀，應從植被恢復的翌年開始進行補播、施肥及覆蓋無紡布等處理，改善土壤、溫度等環境條件，以加大高寒礦區人工復綠植被自我更新及恢復進程。

3.4 不同恢復時間下的植被與土壤環境關系

隨著高寒礦區煤矸石山植被恢復時間的延長，土壤除全氮含量以外，各元素含量之間均具有一定的相關性，表明高寒礦區植被恢復過程中，土壤各營養元素之間的復雜關系。由于未考慮植被吸收而對土壤質量進行研究，存在一定局限性[31]，下一步應該從高寒礦區植物、土壤養分含量的交互協同作用等方面開展研究。植被總蓋度與土壤 pH 值之間負相關，表明植被對土壤 pH 值的調節作用在加強。

高寒礦區植被恢復過程復雜，短期內土壤變化特征研究具有一定局限性。而較長時間尺度下的土壤改良狀況、土壤和植物之間的營養成分轉變過程、地上群落結構變化特征等需進一步深入研究。

4 結論

1) 在高寒煤礦區，煤矸石山經過人工建植后較短時間的恢復，土壤中的全氮含量變化不明顯，全磷含量略有增加，而全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均有不同程度的下降。因此，在高寒礦區人工建植過程中，需及時補充氮、磷、鉀速效肥料，以滿足地上植物生長。

2) 高寒礦區煤矸石山經過植被恢復后，土壤有機質有較大幅度增加，提高了土壤肥力。土壤 pH 值隨著恢復年限的增加而增加，土壤由酸性逐步向中性過度，土壤性質得到改良。高寒礦區植被恢復過程中，除全氮之外，絕大部分土壤營養元素之間相關性顯著，植被總蓋度與土壤 pH 值之間呈負相關。

3) 高寒礦區植被恢復過程困難，短期內植被總蓋度沒有得到增加。通過春季補播+施肥+覆蓋無紡布處理，以利于加快高寒礦區人工植被自我更新及恢復進程。

致謝：在野外的調查中得到了青海省農牧廳、木里煤田管理局、青海興青工貿工程集團有限公司等單位領導和工作人員的大力支持，一并致謝。