陜北沙區(qū)煤矸石山適宜的覆沙厚度試驗研究

趙國平, 畢銀麗, 李 瑩, 李軍保, 張繼平

(1.中國礦業(yè)大學(xué), 北京 010019; 2.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000; 3.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730021)

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陜北沙區(qū)煤矸石山適宜的覆沙厚度試驗研究

趙國平1,2, 畢銀麗1, 李 瑩3, 李軍保2, 張繼平2

(1.中國礦業(yè)大學(xué), 北京 010019; 2.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000; 3.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730021)

摘要：[目的] 解決陜北沙區(qū)煤矸石廢棄地占地面積大,植被恢復(fù)困難和治理造價高的問題。[方法] 利用野外試驗,設(shè)計半隱蔽沙蒿沙障(2 m×2 m)下的3種覆沙厚度(30,50和70 cm)共3種類型的處理。4種鄉(xiāng)土灌木樹種沙地柏(Sabina chinensis)、長柄扁桃(Amygdalus pedunculata)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)和蒙古蕕(Caryopteris mongholica)進行對比試驗。[結(jié)果] 成活率、保存率、新稍生長量和地徑變化隨著覆沙厚度的增加,其指標(biāo)均有所提高;多因素方差分析表明種間存在極顯著差異,在0.05的顯著水平下,紫穗槐與其它植物種均存在顯著差異,蒙古蕕與沙地柏間存在顯著差異;在0.01顯著水平下,蒙古蕕、長柄扁桃和沙地柏間差異性不顯著;覆沙30 cm與覆沙50 cm，覆沙70 cm間均存在顯著差異,覆沙50 cm和覆沙70 cm間差異性均達不到顯著水平。[結(jié)論] 綜合因素條件下,覆沙50 cm是該區(qū)域煤矸石山土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)植被需要基質(zhì)的最佳選擇。

關(guān)鍵詞：陜北沙區(qū); 煤矸石山; 適宜覆沙厚度

文獻參數(shù)： 趙國平, 畢銀麗, 李瑩, 等.陜北沙區(qū)煤矸石山適宜的覆沙厚度試驗研究[J].水土保持通報，2016,36(3)：329-331.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.056

陜北沙區(qū)地處毛烏素沙地邊緣的晉陜蒙接壤區(qū)，是中國目前已探明的煤炭儲量最富集的地區(qū)，煤炭儲量約占全國儲量的1/3[1-4]，是國家確定的跨世紀(jì)特大型煤炭開采、開發(fā)和首個批準(zhǔn)的大型能源化工基地。該區(qū)地處中國的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，在氣候、土壤、植被等因子上均表現(xiàn)出強烈的過渡性特征[4-5]，特別是伴隨著人類活動的強度增加，生態(tài)環(huán)境對采煤的響應(yīng)非常敏感。監(jiān)測表明該區(qū)已經(jīng)成為中國荒漠化嚴(yán)重發(fā)展地區(qū)，到目前為止煤炭采空塌陷區(qū)面積約550 km2，形成10 hm2以上矸石山多達400多個，侵占土地資源，污染環(huán)境，境內(nèi)大多數(shù)河流、濕地都受到不同程度的損害和污染。預(yù)計到2015年煤炭產(chǎn)量將達到4.00×108t，估算新增加塌陷區(qū)面積約為9 600 hm2，煤矸石山占壓土地面積約為3 000 hm2[4]。煤炭資源開采對區(qū)域生態(tài)影響將持續(xù)累積，整個生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、功能的演變也將日益增強，呈現(xiàn)出大規(guī)模、連鎖性的特點[6-9]，迫切需要在區(qū)域的尺度層次上解決因人類干擾引起的植被衰退與土地退化等生態(tài)響應(yīng)問題。因此，針對陜北風(fēng)沙區(qū)煤矸石廢棄地面積廣，植被恢復(fù)困難和生態(tài)治理造價高的問題，本著就地取材，因地制宜的原則，利用野外試驗，取試驗煤矸石山附近的風(fēng)沙土，設(shè)計半隱蔽沙蒿沙障(2 m×2 m)下的3種覆沙厚度(30，50和70 cm)共3種類型的處理。選擇4種鄉(xiāng)土灌木樹種沙地柏(Sabinavulgaris)、長柄扁桃(AmygdaluspedunculataPall.)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)和蒙古蕕(CaryopterismongholicaBunge)進行對比試驗，以達到就地取材、簡單易行和經(jīng)濟實用的半干旱風(fēng)沙區(qū)煤矸石山適宜的覆沙厚度，解決煤石山廢棄地植被恢復(fù)困難的問題。

1試驗材料與方法

1.1試驗布置

在神木縣大柳塔石圪臺礦選擇1，2號矸石場進

行覆沙試驗，相距500 m，其中1號矸石場南北長200 m，東西寬140 m，高約15 m，總面積約2.66 hm2；2號矸石場南北長150 m，東西寬140 m，高約12 m，總面積約2.0 hm2。試驗布置如圖1所示。

圖1　煤矸石山覆沙試驗布置

覆沙材料取自礦區(qū)附近的毛烏素沙地風(fēng)沙土(容重在1.4～1.7 g/cm3之間)，粒度組成以粗沙和中沙為主，占整個組成的65%以上。試驗小區(qū)設(shè)置為20 m×60 m，按30，50和70 cm厚的沙土覆蓋平臺小區(qū)，壓實(容重約達到1.6 g/cm3左右)，再搭設(shè)2 m×2 m的沙蒿沙障，在春季種植3行沙地柏、紫穗槐、長柄扁桃以及蒙古蕕，苗木規(guī)格均為3 a生裸根苗，株行距2 m×2 m，栽植當(dāng)天澆水灌溉，做對比試驗。

1.2觀測內(nèi)容

栽植當(dāng)年10月份觀測供試植物的成活率，2 a后10月份觀測不同供試植物的保存率、新稍枝長、地徑及生物量(冠幅)等，重復(fù)5次。

2結(jié)果與分析

2.1覆沙厚度對植物的成活率和保存率影響

在相同條件下(基質(zhì)為沙土，2 m×2 m沙蒿沙障防護)，平臺分別覆沙30，50和70 cm，對不同4個植物種的當(dāng)年的成活率及2 a后保存率進行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1　3種覆沙厚度不同植物成活率和保存率變化　%

由表1可知，4種適宜該區(qū)域的鄉(xiāng)土樹種，在3種覆沙厚度影響下，栽植當(dāng)年的成活率變化不大，基本都在80%以上波動。對比4種灌木種成活率，發(fā)現(xiàn)紫穗槐成活率最高，長柄扁桃次之，沙地柏最低。同樣，2 a后保存率也證明了這點，這說明在不考慮物種的生物學(xué)特性情況下，紫穗槐表現(xiàn)最好，長柄扁桃次之，蒙古蕕第三，沙地柏最低。

為了便于分析不同樹種與成活率、保存率，進行多因素方差分析。雙因素方差分析表明，4種植物成活率在樹種間存在極顯著差異(p=0.000 1<0.05)，而3種覆沙厚度間差異性不顯著(p=0.387>0.05)。由多重比較可知，在0.05的顯著水平下，紫穗槐與其它植物種均存在顯著差異，蒙古蕕與沙地柏間存在顯著差異，在0.01顯著水平下，蒙古蕕、長柄扁桃和沙地柏間差異性不顯著。

對不同的試驗樹種與覆沙厚度對保存率影響的雙因素方差、植物種間保存率多重比較、不同覆沙厚度成活率多重比較表明：在不同覆沙厚度下，4種植物的保存率均達到70%以上，4種植物保存率在樹種間和不同覆沙厚度間均存在極顯著差異(p=0.000 1<0.05)；在0.05的顯著水平下，紫穗槐與其他植物種均存在顯著差異，蒙古蕕與沙地柏、長柄扁桃間存在顯著差異；在0.01顯著水平下，蒙古蕕、長柄扁桃和沙地柏間差異性不顯著；覆沙30 cm與覆沙50 cm，覆沙70 cm均存在顯著差異，覆沙50 cm和覆沙70 cm間差異性均達不到顯著水平。

2.2覆沙厚度對植物的生物量影響

在相同條件下(基質(zhì)為沙土，2 m×2 m沙蒿沙障防護)，平臺分別覆沙30，50和70 cm，對不同4個植物種的新稍枝長和地徑生物量進行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表2。

如表2所示，在相同條件下，不同的覆沙厚度，4種適宜鄉(xiāng)土樹種的生物量差異較大，橫向比較結(jié)果表明，隨著覆沙厚度的增大，4種植物新稍枝長和地徑生長量均有所增加，且隨著不同植物的生長特性的變化而有所變化，其中紫穗槐生物量相對最大，長柄扁桃次之，蒙古蕕最小。同樣，對新稍枝長和地徑生長量進行多因素方差分析，3種植物新梢生長量在樹種間和不同覆沙厚度間均存在顯著差異(p<0.05)；在0.05，0.01的顯著水平下，3種植物種間均存在顯著差異；在0.05的顯著水平下，覆沙30 cm與覆沙70 cm均存在顯著差異，覆沙50 cm和覆沙70 cm間差異性不顯著，在0.01的顯著水平下，不同覆沙厚度間均達不到顯著水平。

表2　3種覆沙厚度情況下不同植物的生物量變化

對不同覆沙厚度下3種植物的地徑生長量進行雙因素方差分析，3種植物地徑生長量在樹種間和不同覆沙厚度間均存在極顯著差異(p<0.01)；由植物種間保存率多重比較表明，在0.05，0.01的顯著水平下，長柄扁桃與紫穗槐和沙地柏間均存在顯著差異；不同覆沙厚度成活率多重比較表明，在0.05的顯著水平下，不同覆沙厚度間均存在顯著差異，在0.01的顯著水平下，覆沙厚度30 cm與50 cm，70 cm間差異性極顯著，覆沙50 cm和覆沙70 cm 間差異性不顯著。

2.3適宜沙區(qū)煤矸石山適宜的覆沙厚度確定

由以上分析可知，不同的覆沙厚度，對本區(qū)域適生種的成活率、保存率以及生物量的影響較大。當(dāng)然，覆沙厚度越大對植物的生長越有利，但考慮到經(jīng)濟造價以及工程量的大小，經(jīng)過對4種適宜種平均成活率、平均保存率和生物量總和以及每平方米的經(jīng)濟造價綜合考慮(表3)，確定覆沙50 cm是區(qū)域煤矸石山土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)植被所需要基質(zhì)的最佳選擇。

表3　綜合影響因素下適宜覆沙厚度的變化

3討論與結(jié)論

(1) 4種適宜本區(qū)域的鄉(xiāng)土樹種，在3種覆沙厚度影響下，成活率、保存率、新稍枝長生長量和地徑變化隨著覆沙厚度的增加，其影響指標(biāo)均有所提高。其中，以紫穗槐表現(xiàn)最優(yōu)，長柄扁桃次之，蒙古蕕第3，沙地柏最低。

(2) 多方差分析表明，成活率、保存率、新稍枝長生長量和地徑種間存在極顯著差異。多重比較在0.05的顯著水平下，紫穗槐與其他植物種均存在顯著差異，蒙古蕕與沙地柏間存在顯著差異，在0.01顯著水平下，蒙古蕕、長柄扁桃和沙地柏間差異性不顯著。覆沙30 cm與覆沙50 cm、覆沙70 cm均存在顯著差異，覆沙50 cm和覆沙70 cm間差異性均達不到顯著水平。

(3) 綜合考慮到經(jīng)濟造價以及工程量的大小，確定覆沙50 cm是該區(qū)域煤矸石山土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)植被所需要基質(zhì)的最佳選擇。

[參考文獻]

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收稿日期：2015-10-30修回日期：2015-12-01

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0329-03

中圖分類號：F205

Experimental Research on Suitable Sand Thickness in Coal Gangue Waste Land in Sandy Area of Northern Shaanxi Province

ZHAO Guoping1,2, BI Yinli1, LI Ying3, LI Junbao2, ZHANG Jiping2

(1.ChinaUniversityofMingTechnology,Beijing10083,China;2.ShaanxiProvinceResearchInstituteforSandControl,Yulin,Shaanxi710009,China;3.LanzhouResourcesandEnvironmentVoc-TechCollege,Lanzhou,Gansu730021,China)

Abstract：[Objective] To solve the issues of large coal gangue waste land area and high cost in vegetation restoration in sandy area of Northern Shaanxi Province. [Methods] Three sand thickness(30, 50 and 70 cm) and a semi-covered Artemisia sand barrier(2 m×2 m) were set. Four different kinds of native shrub species including Sabina chinensis, Amygdalus pedunculata, Amorpha fruticosa and Caryopteris mongholica were selected for the experiments. [Results] The survival rate, saving rate, the amount of new growth and diameter had improved due to the increase of sand thickness. Multi-factor variance analysis showed that there were significant differences among different species. Significant differences were found between A. fruticosa Linn and other types, and between C. mongholica Bunge and S. vulgaris(p<0.05). There were no significant difference between C. mongholica Bunge, A. pedunculata Pall and S. vulgaris (p<0.01). There were significant differences among the 30, 50 and 70 cm sand thickness, and there were no significant differences between 50 cm and 70 cm sand. [Conclusion] With the consideration of all factors, a sand thickness of 50 cm is optimal in land reclamation and ecological restoration in the coal gangue waste land.

Keywords:sandy soil in Northern Shaanxi Province; mine rock dump; suitable sand thickness

資助項目：陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃“陜北工礦區(qū)低效防護林評價體系及調(diào)控技術(shù)研究”(2014KJXX-21); 陜西省自然科學(xué)基金項目(2014jm5126)； 榆林市科技攻關(guān)項目(sf13-35)； 國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(200804016)

第一作者：趙國平(1979—),男(漢族),青海省樂都區(qū)人,博士,副研究員,主要從事荒漠化防治、礦區(qū)土地復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)方面的研究。E-mail: fhqlgu@126.com。