不同栽植方式下釆煤沉陷區植被恢復與土壤養分變化特征

程紅剛,李 鵬,樊曉華,雷文壇,岳本江,張國財

(1.西安黃河規劃設計有限公司,陜西 西安 710021;2.臨潼黃河職工療養院,陜西 西安 710021; 3.東北林業大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

伊金霍洛旗(以下簡稱“伊旗”)位于毛烏素沙地東北端,黃河流域內蒙古自治區鄂爾多斯高原東南部,氣候類型為干旱半干旱的溫帶大陸性高原氣候,蒸發量大,降水少,日照時間長。土壤為黃壤土,土層薄;地貌起伏大,山體多為砒砂巖。礦采前區域內主要樹種有杏樹(Prunusarmeniaca)、山楊(Populusdavidiana)、榆樹(Ulmuspumila)和少部分沙棘(Hippophaerhamnoides)等,采礦后地形破碎,土壤擾動和損毀嚴重,土壤肥力與植被覆蓋度較低[1-2]。

伊旗礦產資源豐富,伴隨礦產資源開發,大量土地資源與植被遭到破壞[3],產生很多的生態治理修復問題,特別是以煤炭為中心,目前已有10多家煤礦停產閉坑,采煤形成的沉陷區急需進行植被恢復[4-5]。因沉陷區土層受損嚴重,立地條件差,故樹種選擇、栽植方式和土壤改良就成為植被恢復是否成功的關鍵[6]。土壤改良方面,一些煤礦已在沉陷區綜合治理中運用生物復合肥、生物菌劑、保水劑和化學改良等措施取得了一些成果,但當下對采煤沉陷區植被恢復的研究較少。本研究以伊旗煤礦沉陷區為研究對象,選取不同造林樹種和栽植方式進行試驗,探究不同栽植方式對造林樹種的影響,旨在為加快伊旗采煤沉陷區生態修復、改善周邊生態景觀環境提供幫助。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設置

試驗地塊在伊旗采煤沉陷區,試驗造林樹種喬木有油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica),灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、俄羅斯大果沙棘。栽植方式選擇試驗,樹種選喬木油松和樟子松,栽植方式選取4種:第一種方式是在塑料營養袋中裝入養分含量較高的森林土育苗后,直接栽植(營養袋栽植);第二種方式是在客土穴中使用HRC保水劑加50倍的水進行栽植(保水劑栽植);第三種方式是在加腐殖土的栽植穴中直接栽植(客土栽植);第四種方式是沉陷區原土栽植(對照)。4種栽植方式技術規格一致。造林樹種選擇試驗,5種樹種油松、樟子松、胡枝子、紫穗槐、俄羅斯大果沙棘均采用客土栽植方式進行造林。2019年春季開始造林,油松與樟子松的株行距相同,均為2 m×2 m,其他灌木為1 m×1 m。生長3 a后,2022年7月進行植物生長情況調查和土壤養分含量測定。

1.2 測定與計算方法

采用樣方法進行造林樹種的生長狀況調查,每組樹種設置樣方3個,抽樣面積50 m×40 m,在此區域內連續調查500株,整理數據計算成活率和冠幅、高度、蓋度的平均值[7-8]。

采用3 m×3 m樣方進行林下草本植物調查,每組樹種設置樣方5個,樣方等距分布在造林樹種樣方內,調查草本植物種類、高度和蓋度。同時進行土樣采集,在每個樣方內分別選取樣點3個,取土樣后混合,將約2 kg的混合土樣置于室內陰涼通風處,陰干研磨備用[9-10]。

土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀含量按《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)測定(因測定中土壤有效磷含量非常低,數值表征不明顯,故未作分析),數據處理分析與繪圖釆用SPSS、Excel等軟件。

2 結果與分析

2.1 不同栽植方式對造林樹種生長的影響

不同栽植方式下造林樹種(喬木)3 a后生長指標測定結果見表1。由表1知:對油松來說,保水劑栽植成活率最高,為82.3%,其次是營養袋栽植,成活率為79.5%,客土栽植成活率為65.7%,對照成活率僅40.2%;不同栽植方式按油松高度排序是保水劑栽植>營養袋栽植>客土栽植>對照,保水劑栽植油松高度達到53.6 cm,較對照高11.7 cm,營養袋栽植油松高度和對照比差異也較大,為8.3 cm;不同栽植方式按油松冠幅排序為營養袋栽植>保水劑栽植>客土栽植>對照,營養袋與保水劑栽植油松冠幅分別增加了37.3%和15.9%。綜上可知,使用保水劑和營養袋栽植方式油松成活率明顯提高,并促進了幼林生長。

表1 不同栽植方式下造林樹種3 a后生長指標

由表1知,保水劑與營養袋栽植對樟子松幼苗的生長和成活均有較大促進作用。不同栽植方式中,營養袋栽植樟子松成活率最高,為86.2%,其次是保水劑栽植,成活率為80.1%,客土栽植成活率為68.1%,對照成活率最低,僅為39.4%;不同栽植方式樟子松的高度與冠幅排序均為保水劑栽植>營養袋栽植>客土栽植>對照,在保水劑和營養袋栽植方式下二者相差較小,均明顯高于對照。根據以上3項指標得出,樟子松在營養袋栽植方式下生長較好且成活率最高,可應用于伊旗采煤沉陷區植被恢復建設,保水劑栽植也明顯促進了樟子松生長并提高了其成活率。

2.2 同一栽植方式下不同造林樹種的生長狀況

客土栽植方式下5種造林樹種(喬灌木)3 a后生長狀況見表2。由表2可知,俄羅斯大果沙棘的成活率、蓋度、高度和冠幅等指標均優于其他樹種。俄羅斯大果沙棘抗逆性強,耐貧瘠,生長快,發芽萌蘗能力強,水平根系發達,且含根瘤菌,與豆科植物一樣能改良土壤、有效固氮,短時間內可形成穩定的沙棘群落,不僅改善生境,而且增加經濟效益。樟子松和油松的成活率分別是68.1%、65.7%,樟子松的高度、冠幅和蓋度明顯優于油松,所以客土造林方式下樟子松比油松好。胡枝子成活率僅為51.7%,低于油松,但冠幅、蓋度、高度均高于油松,生長狀況良好,若采取有效措施提高其造林成活率,也是造林樹種的選擇之一。各項生長指標最低的是紫穗槐,但客土攜帶的羊柴(Corethrodendronfruticosum)生長狀況較好,統計結果顯示,其冠幅34.5 cm、平均高度92.6 cm、覆蓋度21.7%,已逐漸替代紫穗槐形成羊柴群落。在采煤沉降區羊柴不但長勢好、具有良好的水土保持效果,而且景觀價值和經濟價值也高。綜上表明,采煤沉陷區選擇造林樹種時,應首選俄羅斯大果沙棘、樟子松、羊柴、胡枝子等樹種,避免栽植紫穗槐。

表2 不同造林樹種客土栽植方式下林木3 a后生長狀況

2.3 不同栽植方式、不同造林樹種對沉陷區土壤養分的影響

采煤沉陷區植被恢復3 a后不同栽植方式土壤養分含量測定結果見表3。由表3可知:不同栽植方式油松林下土壤有機質、全氮、全磷、水解氮、速效鉀含量均為保水劑栽植>營養袋栽植>客土栽植>對照,對土壤養分影響較大的是保水劑栽植,在此方式下油松及其林下草本生長狀況良好,成活率高,積累的凋落物分解還原為土壤養分,為植物根系的生長發育和土壤微生物的活動提供了能量;不同栽植方式樟子松林下土壤有機質、全氮、全磷、水解氮和速效鉀含量均是營養袋栽植>保水劑栽植>客土栽植>對照,這是因為樟子松在營養袋栽植方式下成活率最高,林下草本蓋度最大,使土壤有機質等養分含量明顯增加;不同栽植方式油松和樟子松林下土壤全鉀含量排序一致,均為保水劑栽植>客土栽植>營養袋栽植>對照,這是因為土壤中全鉀含量與土壤類型有關,采煤沉陷區土壤大部分由粗骨土和固定風沙土組成,全鉀含量較高,植物生長對其影響作用較小。綜上,通過保水劑和營養袋栽植方式造林,沉陷區土壤養分條件得到較大改善。

表3 采煤沉陷區植被恢復3 a后不同栽植方式土壤養分含量

采煤沉陷區植被恢復3 a后客土栽植方式下不同造林樹種林下土壤養分含量測定結果見表4。由表4可知:不同造林樹種土壤改良作用差異較大,按土壤有機質含量排序是紫穗槐(+羊柴)>俄羅斯大果沙棘>胡枝子>油松>樟子松,按全氮和水解氮含量排序是俄羅斯大果沙棘>胡枝子>紫穗槐(+羊柴)>油松>樟子松,按速效鉀含量排序是胡枝子>紫穗槐(+羊柴)>俄羅斯大果沙棘>樟子松>油松。綜上,俄羅斯大果沙棘、胡枝子、紫穗槐等固氮植物的土壤有機質、全氮、水解氮和速效鉀含量顯著高于松科植物。

表4 采煤沉陷區客土造林3 a后不同造林樹種林下土壤養分含量

2.4 不同栽植方式對林下草本植物生長狀況的影響

不同栽植方式3 a后林下草本植物生長狀況見表5。由表5及現場調查可知:油松林下草本植物種類最多的是營養袋栽植方式,為10種,分別是沙蒿(Artemisiadesertorum)、狼毒(Stellerachamaejasme)、蒙古黃芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)、中華苦荬菜(Ixerischinensis)、乳漿大戟(Euphorbiaesula)、沙打旺(Astragaluslaxmannii)、草木樨(Melilotussuaveolens)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、苜蓿(Medicagosativa)和披堿草(Elymusdahuricus);保水劑栽植方式次之,林下草本植物有7種,分別是拂子茅(Calamagrostisepigeios)、沙蒿、豬毛蒿、蒙古黃芪、羊柴、中華苦荬菜、胡枝子;植物種類最少的是對照,僅4種,分別是沙蒿、狼毒、豬毛蒿和沙打旺。保水劑栽植油松林下草本植物平均高度和蓋度最大,為36.9 cm與30.4%,營養袋栽植油松林下草本植物平均高度僅次于保水劑栽植,但蓋度低于保水劑和客土栽植。

表5 不同栽植方式3 a后林下草本植物生長狀況

樟子松林下草本植物種類最多的為保水劑與營養袋栽植,均有6種,最少的是客土栽植,僅4種,4種栽植方式樟子松林下草本植物均以沙蒿、豬毛蒿、蒙古黃芪、狼毒等為主;林下草本植物平均高度最高的是保水劑栽植(23.7 cm),其次是營養袋栽植(19.4 cm),最低為對照(14.8 cm);林下草本植物蓋度最大的是營養袋栽植(27.4%),其次是保水劑栽植(23.9%),最小的是客土栽植(12.8%)。

3 結論與討論

1)4種栽植方式中,保水劑與營養袋栽植均能有效增加油松和樟子松成活率,并促進幼林生長。紫穗槐的成活率和生長高度最低,應避免栽植。

2)不同栽植方式油松林下土壤有機質、全氮、全磷、水解氮、速效鉀的含量均是保水劑栽植最高,樟子松林下土壤有機質、全氮、全磷、水解氮、速效鉀的含量均是營養袋栽植最高。客土栽植時俄羅斯大果沙棘對土壤的改良作用最強,其次是胡枝子與羊柴,土壤養分含量較低的是油松與樟子松。

3)不同栽植方式中,油松林下草本植物種類最多的是營養袋栽植,其次是保水劑栽植,樟子松林下草本植物種類最多的是保水劑和營養袋栽植,同時保水劑和營養袋栽植林下草本植物平均高度與蓋度均明顯高于對照,所以采用保水劑與營養袋栽植可有效增加采煤沉陷區植被恢復速度。

4)雖然不同栽植方式的結果存在差異,但營養袋和保水劑栽植方式都對沉陷區的植被生長及成活提供了物質保障,使植被蓋度增加,草本植物種類和平均高度也保持相對較高水平。另外選擇豆科植物有利于土壤中氮素的積累。