露天煤礦排土場(chǎng)干草轉(zhuǎn)移對(duì)坡面草本層重建與土壤改良研究

劉丹，楊兆青，榮正陽，梅靜，陸兆華

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所，北京 10083)

我國(guó)的資源特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣，煤炭資源長(zhǎng)期處于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主體地位[1]。隨著東部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭資源開發(fā)主陣地逐漸“西移”。西部是我國(guó)重要的生態(tài)功能區(qū)，對(duì)水源涵養(yǎng)和水土保持等有重要的意義[2]。而煤炭資源的開采，特別是露天煤礦的開采，將土壤層層剝離，不僅損毀地貌、破壞土壤結(jié)構(gòu)，而且加劇水土流失、生物多樣性喪失和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題[3-4]。因此，對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)至關(guān)重要，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要手段。

現(xiàn)在采取的生態(tài)恢復(fù)措施主要有地貌重塑、土地復(fù)墾和植被恢復(fù)等[5]。植被恢復(fù)一直被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)的重要手段，在復(fù)墾的土地上種植不同的植物，通過土壤—植物的相互作用改善生境條件，促進(jìn)植被、土壤微生物和動(dòng)物的恢復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)可自我維持的生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[6-7]。珊丹等[8]對(duì)草原區(qū)排土場(chǎng)不同植被類型恢復(fù)的研究發(fā)現(xiàn)，相較于喬灌群落、灌木群落、草本群落的單一配置模式，采用灌草結(jié)合恢復(fù)方式的生物多樣性指數(shù)、土壤的營(yíng)養(yǎng)條件最好；王麗麗[9]對(duì)排土場(chǎng)恢復(fù)長(zhǎng)達(dá)19年的研究發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)墾年限的增加，植被恢復(fù)能在一定程度上改善生境條件，其中灌草混合對(duì)土壤改良效果最明顯，但仍很難恢復(fù)至自然水平。

生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，現(xiàn)有的研究大多是關(guān)于排土場(chǎng)的恢復(fù)效果，已采取的恢復(fù)措施常受制于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)、技術(shù)條件和環(huán)境因素等，普遍存在重視喬木或灌木的恢復(fù)而忽視草本層的恢復(fù)，導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)單一、土壤三相結(jié)構(gòu)失衡(特別是表層土壤)，使得排土場(chǎng)極易在雨水沖刷時(shí)引發(fā)嚴(yán)重的水土流失、侵蝕溝縱橫等問題。本研究以已經(jīng)恢復(fù)的排土場(chǎng)為研究對(duì)象，擬采用一種新的輔助解決方案，提高露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)群落穩(wěn)定性并控制水土流失態(tài)勢(shì)。

本研究以北電勝利1號(hào)露天煤礦北排土場(chǎng)為研究對(duì)象。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該排土場(chǎng)平臺(tái)草本植物茂盛，坡面灌木長(zhǎng)勢(shì)良好，但在缺乏草本植物的坡面侵蝕溝現(xiàn)象嚴(yán)重，這可能是由于缺乏草本層植物對(duì)坡面徑流的阻滯作用和根系對(duì)表層土壤的固定作用造成的。Agnes-Júlia Albert等[10-11]對(duì)草原群落恢復(fù)的研究發(fā)現(xiàn)，在種子成熟期對(duì)草本植物進(jìn)行刈割，通過轉(zhuǎn)移草本植物能有效促進(jìn)種子的傳播；Agata Klimkowska等[12]還發(fā)現(xiàn)干草轉(zhuǎn)移帶來的繁殖體可有效促進(jìn)草本群落的恢復(fù)。本文擬收獲排土場(chǎng)平臺(tái)上草本植物生物量，通過干草轉(zhuǎn)移技術(shù)重建坡面草本層，并試圖通過草本層片地下根系對(duì)土壤的固持作用及根際效應(yīng)等，改善排土場(chǎng)坡面土壤理化特征，提高坡面群落結(jié)構(gòu)及植被覆蓋率，進(jìn)而提升露天排土場(chǎng)坡面生態(tài)穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

勝利一號(hào)露天煤礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市北郊5千米處，屬半干旱草原氣候，風(fēng)沙大，年平均降水量小于300 mm，主要集中在夏季，年均蒸發(fā)量大，約1800 mm。年平均溫度1.7 ℃，最高溫度近40 ℃，最低溫度可達(dá)零下40 ℃，無霜期僅為110天～130天。土壤類型為栗鈣土，且土壤有機(jī)質(zhì)含量低、肥力差，沙化嚴(yán)重。礦區(qū)植被類型為典型草原，主要建群植物為針茅(Stipabreviflora)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)等。勝利一號(hào)北排土場(chǎng)坡面安息角為30°～33°，屬于陡坡，占地面積107萬平方米，2006—2009年進(jìn)行復(fù)墾，采用人工種植小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)，播種黃花苜蓿(Medicagofalcata)和披堿草(Elymusdahuricus)等進(jìn)行植被恢復(fù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為在自然條件下開展實(shí)驗(yàn)，避開道路、灌溉等干擾，本研究具體選擇北排土場(chǎng)南坡、北坡的第四階坡面作為實(shí)驗(yàn)區(qū)。在北排土場(chǎng)南坡、北坡設(shè)置5m×5m的樣地作為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，并設(shè)置三個(gè)平行，對(duì)應(yīng)的平臺(tái)設(shè)置1個(gè)，共設(shè)置14個(gè)樣方。每個(gè)樣地間隔0.5m～1m。2017年9月，草本植物成熟期在平臺(tái)進(jìn)行干草刈割。首先在平臺(tái)選取5m×5m的樣方進(jìn)行刈割、稱重，隨后進(jìn)行條帶收割。將收割的干草自然風(fēng)干后按300%的比例均勻覆蓋至對(duì)應(yīng)坡面，厚度約為3cm，480g/m2，并用尼龍網(wǎng)固定。在第二年夏季對(duì)所有樣方群落進(jìn)行調(diào)查和土壤樣品采集。

1.3 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 植物群落學(xué)特征調(diào)查

于2018年8月植物生長(zhǎng)旺盛期對(duì)植物進(jìn)行群落學(xué)特征調(diào)查，記錄每個(gè)樣方內(nèi)的植物種類、數(shù)量、蓋度和高度。

1.3.2 土壤樣品采集與測(cè)定

采用S形五點(diǎn)采樣法，同期隨機(jī)在每個(gè)樣方內(nèi)分0～5cm和5cm～10cm兩層進(jìn)行土樣采集，經(jīng)自然風(fēng)干后，過2mm土壤分析篩；pH值采用電位法，通過酸度計(jì)直接測(cè)定；土壤溫度(ST)和含水率(MC)用順科達(dá)TR-6D土壤溫濕度儀直接測(cè)定；土壤全氮(TN)采用元素分析儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)(OM)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量的測(cè)定分別采用重鉻酸鉀—油浴法、堿熔—鉬銻抗分光光度法和氫氧化鈉火焰光度法；速效鉀(AK)的測(cè)定采用醋酸銨浸提—火焰光度法[8]；速效磷(AP)和堿解氮(AN)選用碳酸氫鈉法和氫氧化鈉消解法[14]。由于AP和AN含量極低，不做參考和數(shù)據(jù)分析處理。

數(shù)據(jù)分析在SPSS 17.0中進(jìn)行，采用方差分析和LSD比較不同處理、不同土層土壤的差異性，顯著性水平設(shè)定為α=0.05，相關(guān)圖表制作在Origin中完成。

1.3.3 物種多樣性統(tǒng)計(jì)分析

α物種多樣性選用3類指數(shù)，即Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)，計(jì)算公式如下：

Margalef豐富度指數(shù)：D=(S-1)/lnN

Pielou均勻度指數(shù)：E=H/Hmax(Hmax=lnS)

Shannon-wiener多樣性指數(shù)：H’=-ΣPilnPi(Pi=Ni/N)

式中，S為樣方內(nèi)物種的總數(shù)目，N為樣方內(nèi)觀察到的個(gè)體總數(shù)，Pi為種的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例，H為實(shí)際調(diào)查的物種多樣性指數(shù)，Hmax為最大的物種多樣性指數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1 坡面樣地植物群落組成及物種多樣性

樣地內(nèi)出現(xiàn)的植物種類共有20種，分屬7科17屬，以一、二年生植物為主。平臺(tái)的草本植物密度、蓋度顯著高于坡面；坡面草本植物蓋度占比遠(yuǎn)低于灌木。經(jīng)干草轉(zhuǎn)移后，各實(shí)驗(yàn)樣地的草本植物蓋度均有所提高；南坡實(shí)驗(yàn)樣地的草本植物密度顯著提高，北坡實(shí)驗(yàn)樣地的草本植物密度雖高于對(duì)照組，但未達(dá)到顯著水平(圖1)。

圖1 不同樣地植被變化

樣地植物多樣性指數(shù)均存在顯著性差異(P<0.01)；實(shí)驗(yàn)樣地的Pielou指數(shù)和Shannon指數(shù)均高于對(duì)照組和對(duì)應(yīng)的平臺(tái)樣地，北坡的Margalef指數(shù)顯著高于對(duì)照組；北坡的物種豐富度和多樣性指數(shù)普遍高于南坡(表1)。

表1 物種多樣性指數(shù)方差分析

2.2 干草轉(zhuǎn)移對(duì)坡面樣地土壤理化性質(zhì)的影響

研究表明，干草轉(zhuǎn)移樣地0～5cm表層土壤pH值、地表溫度顯著低于對(duì)照樣地和平臺(tái)樣地；土壤含水率顯著高于空白樣地，但低于平臺(tái)樣地(P<0.05)；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與對(duì)照組和平臺(tái)樣地有顯著差異；全鉀、全磷、速效鉀含量在南坡樣地的差異性達(dá)到顯著性水平，其中速效鉀增幅最大，達(dá)到13.91%(圖2)。

實(shí)驗(yàn)樣地5cm～10cm層土壤的pH值、土壤溫度與對(duì)照樣地及平臺(tái)樣地?zé)o顯著差異；北坡實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤含水率顯著高于對(duì)照樣地和平臺(tái)樣地；南坡實(shí)驗(yàn)樣地土壤含水率高于對(duì)照區(qū)，但無顯著性差異(P<0.05)；有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量與對(duì)照組差異達(dá)到顯著性水平，其中有機(jī)質(zhì)增幅達(dá)16.43%以上；全鉀和全氮含量在南坡樣地有顯著差異；速效鉀在北坡樣地差異性達(dá)到顯著性水平。

圖2 不同樣地土壤理化性質(zhì)

2.3 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)描述土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性。土壤含水率與溫度和全氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、總磷和總氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)與總磷和全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；總磷與總鉀呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與總氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；速效鉀與總鉀呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表2)。

2.4 物種多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)分析

由表3可知，Margalef指數(shù)與土壤含水率和速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；Pielou指數(shù)與總磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；Shannon指數(shù)與總磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表2 土壤理化特性相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 物種多樣性指數(shù)與理化特性相關(guān)性系數(shù)矩陣

3 結(jié)論與討論

排土場(chǎng)主要由采礦剝離的煤矸石、廢渣等廢棄物堆積經(jīng)覆土而成，其土層結(jié)構(gòu)混雜，土壤肥力較弱，很難在短時(shí)間內(nèi)自我恢復(fù)成一個(gè)可以自我維持的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)[13]。植被恢復(fù)是實(shí)現(xiàn)露天排土場(chǎng)生態(tài)重建的重要手段。半干旱區(qū)露天排土場(chǎng)邊坡生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。有研究發(fā)現(xiàn)，排土場(chǎng)的生境條件在長(zhǎng)達(dá)10年甚至近20年時(shí)間仍難恢復(fù)至自然水平[9，14]。本研究設(shè)計(jì)的露天排土場(chǎng)邊坡干草生物量轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)可為典型半干旱草原區(qū)排土場(chǎng)水土流失控制、植被恢復(fù)與重建提供可借鑒的技術(shù)支持。

干草轉(zhuǎn)移有效改善了排土場(chǎng)邊坡土壤水分和土壤溫度條件，本研究區(qū)位于半干旱的草原區(qū)，土壤水分是該區(qū)植物生長(zhǎng)的重要限制因子。土壤水分低和高溫是影響坡面種子萌發(fā)和生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素，特別是在排土場(chǎng)的南坡即陽面，對(duì)照組平均土壤溫度高達(dá)40℃以上。樣地中出現(xiàn)的20種植物中大部分物種的最適萌發(fā)溫度為20℃～25℃，35℃以上的高溫會(huì)影響種子的萌發(fā)[15-21]。干草轉(zhuǎn)移顯著降低了土壤溫度，提高了土壤含水率，這可能是南坡實(shí)驗(yàn)區(qū)草本植物密度顯著提高的原因。干草轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在草本植物成熟期對(duì)平臺(tái)植物進(jìn)行刈割，干草轉(zhuǎn)移的同時(shí)促進(jìn)了種子的傳播；此外還可提供一定的繁殖體，有助于群落的植物多樣性，這也可能是導(dǎo)致干草轉(zhuǎn)移樣地表征樣地均勻度和多樣性的指標(biāo)——Pielou指數(shù)和Shannon指數(shù)均高于對(duì)照組的原因。

干草轉(zhuǎn)移促進(jìn)了露天煤礦排土場(chǎng)坡面草本層的重建，改善了邊坡表層(0～5cm)土壤及淺層(5cm～10cm)土壤的固持能力和養(yǎng)分條件。植物根系通過淋溶、根際效應(yīng)等反作用于土壤，土壤有機(jī)質(zhì)含量得到顯著提高，促進(jìn)了邊坡土壤養(yǎng)分條件循環(huán)，其中草本層植物根系主要分布的0～5cm表層，這一表層的土壤養(yǎng)分條件的改善大于5cm～10cm淺層土壤。

干草轉(zhuǎn)移對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善亦有助于邊坡植被群落的物種多樣性。相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤氮和總磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤總磷與Pielou指數(shù)和Shannon指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。由此表明，生境條件的改善是通過植物—土壤的相互作用過程積累而成的。

綜上所述，典型半干旱草原區(qū)露天煤礦開發(fā)排土場(chǎng)干草轉(zhuǎn)移技術(shù)可有效改善邊坡土壤的生境條件，提高土壤的養(yǎng)分條件，促進(jìn)了植被草本層的恢復(fù)，對(duì)控制排土場(chǎng)邊坡表層水土流失、提升群落穩(wěn)定性具有重要的示范意義。