煤礦廢棄地植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量的影響及評價

樊蘭英

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

煤矸石山是煤炭開采和選洗加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物堆積而成的，山上形成了一種全新的立地條件，其結(jié)構(gòu)性和通透性差，保水、保肥能力差，缺乏植被生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。植被恢復(fù)是改善矸石山條件最常用也是最有效的方法之一(Finkelman R B，1999)，通過植被恢復(fù)，建立穩(wěn)定、高效的矸石廢棄地人工植被生態(tài)系統(tǒng)，為動植物的生存提供良好的生態(tài)環(huán)境條件(張光燦，2003)。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程(如，營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、水分平衡和凋落物分解等)的載體，矸石山土壤的養(yǎng)分狀況是衡量退化生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一(Augusto，2002;于君寶，2002)。研究矸石山人工植被恢復(fù)土壤養(yǎng)分特征，對于了解植被恢復(fù)質(zhì)量和篩選適生植物有重要意義。

植被類型影響著土壤的恢復(fù)質(zhì)量，筆者對山西省河?xùn)|礦區(qū)煤矸石山4種植被恢復(fù)模式的土壤養(yǎng)分進(jìn)行了分析，旨在通過比較和定量評價，對土壤恢復(fù)工作進(jìn)行總結(jié)，為進(jìn)一步加快矸石山修復(fù)進(jìn)程、提高土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河?xùn)|礦區(qū)位于呂梁山脈中段東麓，晉中盆地南端，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 111°46'48″，北緯 36°55'58″.該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，四季交替分明，日照充裕，氣候溫和，年均氣溫10.4℃，平均降水量477.2 mm.

矸石山位于礦區(qū)南部，海拔810 m，總面積3 000 hm2，平均坡度30.6°.2009年進(jìn)行覆土碾壓，覆土厚度50 cm～100 cm.同時進(jìn)行植被建設(shè)，目前形成了4種典型的植被類型，分別是紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)，高羊茅(Festuca elata G.)—紫花苜蓿(Medicago sativa L.)，紫穗槐—高羊茅—紫花紫花苜蓿，高羊茅—黑心菊(Rudbeckia hybirta)—波斯菊(Cosmos bipinnatus Cav.)。調(diào)查樣地基本情況見表1.

表1 調(diào)查樣地基本情況

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)計與樣品采集

2011年8月在4種植被類型中選擇樣地，設(shè)置樣方，在不同植被類型樣地內(nèi)分別設(shè)置8個樣方，大小1m×1m.調(diào)查每個樣方內(nèi)的物種、高度、蓋度和生物量。在植被調(diào)查的基礎(chǔ)上，分別在每塊樣地內(nèi)按對角線隨機(jī)布 3個點，挖取土壤剖面，并按0 cm～10 cm取土樣，混勻，帶回實驗室，備用。

2.2 土樣測試方法

pH值采用用玻璃電極法，速效氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量采用土壤四參數(shù)儀(TRF-3)進(jìn)行測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和Spss 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分特征

不同植被恢復(fù)類型下土壤養(yǎng)分特征分析，見表2.土壤養(yǎng)分含量分級情況，見表3.

表2 不同植被恢復(fù)類型下土壤養(yǎng)分特征

表3 土壤養(yǎng)分含量分級

表2，表3結(jié)果顯示，研究區(qū)4種恢復(fù)模式的土壤速效氮含量極缺(8.73 mg/kg～15.17 mg/kg);紫穗槐對土壤速效磷的改良效果較好;土壤速效磷含量22.48 mg/kg(稍豐)，高羊茅—紫花苜蓿，高羊茅—紫花苜蓿—紫穗槐，高羊茅—黑心菊—波斯菊模式下土壤有效磷含量為18.58 mg/kg，19.62 mg/kg和17.62 mg/kg，整體處于中等級別;高羊茅—紫花苜蓿恢復(fù)土壤速效鉀含量最高162.06 mg/kg(稍豐)，顯著高于其他三者，整體處于中等級別;有機(jī)質(zhì)含量差異性不顯著，相對于養(yǎng)分含量分級表，有機(jī)質(zhì)含量級別為缺(7.69 g/kg);4種植被恢復(fù)土壤pH值差異較小，整體呈弱堿性。

相對客土有效氮含量，高羊茅—紫花苜蓿和高羊茅—黑心菊—波斯菊植被模式土壤提高效果顯著。植被恢復(fù)對土壤的速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高，恢復(fù)前后土壤酸堿度差異較小。

3.2 不同植被恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分綜合評價

3.2.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

在土壤養(yǎng)分評價中，各項指標(biāo)對土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)不同，需要確定各指標(biāo)的權(quán)重，本試驗采用相關(guān)系數(shù)法確定土壤養(yǎng)分評價中各因子的權(quán)重(呂曉男，1999;孫海運，2008)，見第27頁表4.

表4 不同土壤特性的權(quán)重

3.2.2 S型隸屬函數(shù)隸屬度的確定

S型隸屬函數(shù)表達(dá)的是在一定范圍內(nèi)評價因素指標(biāo)值與土壤功能之間呈正相關(guān)，低于或高于此范圍評價指標(biāo)值的變化對土壤功能的影響很小。屬于這類函數(shù)的評價因素包括土壤化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀及土壤生物學(xué)性質(zhì)的過氧化氫酶等。其相應(yīng)的隸屬函數(shù)表達(dá)式為:

其中，f(x)——表示隸屬函數(shù);

x ——評價指標(biāo)的實際測定值;

x1，x2——分別為指標(biāo)閾值的下限和上限。

根據(jù)前人的研究結(jié)果(周連碧，2007;白中科，1998)，結(jié)合該區(qū)實際的土壤性質(zhì)情況，確定各指標(biāo)的臨界值。具體方法是把各指標(biāo)的最小值作為x1，最大值作為x2，見表5.

表5 S型隸屬函數(shù)中土壤評價因素的上下臨界值

3.2.3 土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價

根據(jù)各指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重，計算各個復(fù)墾土壤的養(yǎng)分質(zhì)量指數(shù)值(Nutrient Quality Index)，

式中，Wi——第i個指標(biāo)的權(quán)重;

Ni——第i個指標(biāo)的隸屬度。

應(yīng)用加權(quán)和法指數(shù)評價模型對研究區(qū)復(fù)墾土壤和原狀土壤質(zhì)量的綜合評價結(jié)果，見表6.

表6 不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分質(zhì)量指數(shù)值

4 結(jié)論與討論

加速土壤熟化過程，改良土壤結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)含量，是煤矸石山植被恢復(fù)與生態(tài)重建的關(guān)鍵之一。經(jīng)過2a植被恢復(fù)的河?xùn)|礦區(qū)矸石山土壤速效磷19.58 mg/kg和速效鉀135.82 mg/kg的改良效果較好，均達(dá)到中等水平，土壤速效氮含量為11.94 mg/kg;陽煤集團(tuán)有關(guān)礦區(qū)復(fù)墾土壤的結(jié)果顯示(王麗艷，2011)，7a植被恢復(fù)的矸石山土壤平均速效氮含量為26.61 mg/kg.按第二次全國土壤普查技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，兩者均處于極缺水平。陽煤集團(tuán)、安太堡礦區(qū)和河?xùn)|礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為6.08 g/kg，7.35 g/kg 和 7.69 g/kg，可見，植被恢復(fù)對土壤速效氮和有機(jī)質(zhì)的改良效果較差。

借鑒孫海運和馬建軍等人對復(fù)墾土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價的研究方法(孫海運和馬建軍，2007)，采用相關(guān)系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，以隸屬函數(shù)對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合河?xùn)|礦區(qū)土壤實際情況，采用指數(shù)和法評價土壤養(yǎng)分，并對安太堡和陽煤集團(tuán)恢復(fù)土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行評價。評價結(jié)果顯示，陽煤集團(tuán)7a植被恢復(fù)矸石山以6種植被恢復(fù)模式下土壤的養(yǎng)分指數(shù)最高(1.342)，高羊茅—紫花苜蓿混交模式土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)為1.235，高于紫穗槐純林恢復(fù)模式1.172.安太堡礦區(qū)6a復(fù)墾土壤13個典型復(fù)墾樣地土壤養(yǎng)分指數(shù)為0.991(樊文華，2011)。按該養(yǎng)分評價系統(tǒng)，河?xùn)|礦區(qū)植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分改良效果與多年土壤改良效果差異不顯著，這與人工植被恢復(fù)模式和方向有關(guān)。煤矸石山屬于原生裸地，植物群落演替為原生演替，直接植樹造林往往有較大困難，干旱瘠薄的環(huán)境，致使苗木成活率低，生長緩慢，很難成林，對此應(yīng)根據(jù)植物群落草本—灌木—喬木的演替規(guī)律，采取以草開路，走草、灌、喬相結(jié)合的道路，先種草，使生態(tài)環(huán)境條件有了改善，再根據(jù)實際情況種植灌木和喬木(王正周，1990)。

高羊茅—紫花苜蓿—紫穗槐混交模式土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)為0.958，高羊茅—紫花苜蓿的模式中紫穗槐的植入并不利于土壤養(yǎng)分質(zhì)量的修復(fù)，說明人工栽培時應(yīng)注重群落演替規(guī)律，不可隨意搭配。風(fēng)景型配置模式中黑心菊和波斯菊的引入具有美化環(huán)境的優(yōu)勢，豐富了煤矸石山植物恢復(fù)種的種類，對土壤養(yǎng)分的改良效果一般。

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