不同人工恢復措施下高寒礦區煤矸石山植被和土壤恢復效果研究

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)

煤礦開采業作為國民經濟的支柱產業之一，對促進區域經濟發展做出了貢獻[1-2]。然而在開采過程當中，通常伴隨著大規模土地的損毀、土壤和植被的破壞、空氣和土壤水的污染等[3-5]，特別是采礦點周邊堆積形成煤矸石山，不僅侵占寶貴的土地資源，而且造成土壤侵蝕等[6-7]，對區域生態環境產生了巨大的影響。煤矸石山由于土壤呈酸性、養分含量低、持水能力差等原因，植被恢復重建過程非常困難[8]，如果沒有人工恢復措施會導致環境的進一步惡化[9]。

許多研究表明，在煤矸石山開展植被重建是恢復生態的有效措施[10-11]，通過人工恢復措施，形成有利于植物生長的環境條件顯得尤為重要。土壤可作為植物生長的基質和物質基礎，能夠提供必要的支撐及水分、養分[12-13]。一方面，可通過煤矸石山土壤復墾，如表土回填或客土覆蓋等方式，促進植物生長及群落演替[14-15]。另一方面，可通過施肥提供植物生長必要的營養元素，提高草地生產力及草地質量，使群落有進一步演替的基礎，進而加快生態系統恢復進程[16]。近年來，對于恢復退化草地措施的效果開展了諸多研究，大部分集中于圍欄封育、補播、施肥、耙地等常規處理措施[16-19]，并且多見于采取人工建植、施肥、覆土等單一措施[20-22]，對以上幾種恢復措施組合下的恢復效果對比，特別是覆土、施肥措施下的對比研究少見報道。在人工建植條件下，施肥、覆土措施之間經濟投入差別大，從有利于植被恢復、同時減少經濟投入的角度出發選擇適宜的恢復措施顯得意義重大。

本研究通過在高寒礦區煤矸石山設置人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等幾種恢復措施，研究不同恢復措施下的植物群落組成、植被生長和土壤性質變化特征，比較不同措施間的恢復效果，探討最適宜的恢復措施，旨在為高寒礦區煤矸石山生態恢復提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

青海木里地區位于祁連山中東段大通河谷地，區內分布有江倉、聚乎更、哆嗦貢瑪和弧山等礦區，是青海省煤炭(焦煤)資源的集中分布區[23]。本研究區位于青海省東北部天峻縣江倉煤礦區，面積55 km2，其地理坐標為：東經99°27′-99°35′，北緯38°02′-38°03′，平均海拔3800 m，是我國重要的煤礦開采區之一。選取江倉煤礦區五井田周邊煤礦廢棄地(煤矸石山)作為試驗區，海拔3917 m左右，年平均氣溫-5.0 ℃左右，年最低氣溫可達-36 ℃，年平均大風日數30 d，年平均降水量500 mm以上，大多栽培草種不適宜該區低溫環境下的生長和發育。試驗區周邊原始群落土壤類型主要為沼澤土和高山草甸土，原始植被類型以藏嵩草(Koeleriatibetica)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)為主。

1.2 試驗設計與方法

試驗共設置5個處理，分別為人工建植+覆土、人工建植+施肥、人工建植、原始群落、煤矸石山。其中，在試驗樣地設置3個人工恢復措施處理，具體設置方法為：在試驗區選取采礦點周邊煤矸石山作為試驗樣地，于2013年春季開展播種，人工種植的草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，播種比例2∶1∶1，播量300 kg·hm-2。播種前利用大型耙機深翻樣地周邊煤矸石山深層底土，并覆蓋于樣地表層，覆土深度40～45 cm(覆土深度的選擇主要依據地上植物根系延伸適宜長度測算)，作為人工建植+覆土處理(revegetation and replaced soil，R-S)；設置6個面積為4 m×4 m固定樣方，在人工建植后樣方內每年6月進行施肥，施用量為磷酸二銨275 kg·hm-2+氯化鉀100 kg·hm-2，作為人工建植+施肥處理(revegetation and fertilization，R-F)；樣方外空地人工建植后不施任何肥料，作為人工建植處理(revegetation，R)。其他2個處理設置方法為：選擇試驗樣地周邊原始群落作為恢復效果對比處理(undisturbed grassland，UG)；將未采取任何人工恢復措施的煤矸石山作為對照(CK)。

2017年8月，在人工建植+覆土、人工建植+施肥和人工建植處理后的樣地、原始植被樣地、不做任何處理的煤矸石山(CK)樣地中各隨機設置1 m×1 m樣方6個，每個樣方計為1次重復，分別記錄植物種類，同時測定蓋度、高度、密度及地上部分生物量，每個處理6個重復。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；植被密度(vegetation density，VD)，計數法，樣方內的所有植物個體數及分物種個體數；植被高度(vegetation height，VH)用直尺測定，樣方內植物平均高度；地上生物量(above-ground biomass，AGB)用烘干法測定[24]。

依據研究區植物種類分布特點，將重要值≥40%的物種確定為樣地優勢種，將重要值≥3%，<40%的物種確定為樣地亞優勢種，將重要值<3%的物種確定為樣地偶見種。重要值=(相對蓋度+相對密度+相對頻度)/3。式中：相對蓋度=某一植物種的蓋度/樣方中所有物種分蓋度之和×100%；相對密度=某一植物種的個體數/樣方中全部物種的個體數×100%；相對頻度=某一植物種的頻度/全部物種的頻度之和×100%。

每個處理及對照中隨機選取6個樣方中的3個，在每個樣方內部及周邊隨機選取5個0～10 cm土層土壤，混合一起作為1個土壤樣品，每個處理及對照分別有3個土壤樣品，為3次重復。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，風干后測定土壤養分、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[25]。

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。采用單因素ANOVA分析方法檢驗各處理間的差異(P<0.05)，采用LSD法進行多重比較，采用Pearson相關分析法分析不同恢復措施下植被生長特性與相對應土壤全氮、全磷、全鉀、有機質、pH值間的相關性(由于施用速效肥料，速效氮磷鉀不包括)。數據表示平均值±標準差(mean±SD)。

2 結果與分析

2.1 不同恢復措施下的植物群落組成特征

從表1中看出，不同恢復措施下高寒礦區煤矸石山及周邊原始群落樣地共出現9種植物，隸屬于5科9屬。其中，人工建植+覆土、人工建植+施肥、人工建植、原始群落樣地分別出現5、6、4、3種，由于未采取任何人工恢復措施，煤矸石山(CK)沒有植物出現。從樣地出現優勢種來看，人工建植+覆土樣地優勢種為垂穗披堿草，重要值達80.54%，其次為亞優勢種中華羊茅(Festucasinensis)、冷地早熟禾。人工建植+施肥、人工建植樣地優勢種均為冷地早熟禾，重要值分別達40.66%、71.63%，其次為亞優勢種垂穗披堿草、星星草。原始群落樣地優勢種為藏嵩草，重要值達67.89%，其次為亞優勢種青藏苔草、冷地早熟禾。人工建植+覆土、人工建植+施肥措施下，青藏苔草、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、高原毛茛(Ranunculustanguticus)、細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)等偶見種零星出現，而單純的人工建植措施下未發現上述偶見種。

表1 不同恢復措施下植物群落物種組成及優勢種 Table 1 Species composition and dominant species under the different restoration measures

注：“▲”表示樣地優勢種；“△”表示樣地亞優勢種；偶見種未標注；“-”表示此物種在該樣地未出現。R-S：人工建植+覆土；R-F：人工建植+施肥；R：人工建植；UG：原始群落；CK：對照，煤矸石山。下同。

Notes: “▲” indicate the specie is dominant in the plot; “△” indicate the specie is subdominant in the plot; The occasional species in the plot are unmarked; “-” indicate species disappears in the plot. R-S: Revegetation and replaced soil; R-F: Revegetation and fertilization; R: Revegetation; UG: Undisturbed grassland; CK: A control plot, coal mine spoils. The same below.

2.2 不同恢復措施下的植物生長變化特征

與未經恢復的煤矸石山相比，3種人工恢復措施均能快速形成人工植被群落，并且引起植物生長特征發生較大變化(圖1)。對人工恢復措施的效果進行對比，植被蓋度方面，人工建植+覆土為(89.00±8.34)%，已接近原始群落植被蓋度(95.83±1.72)%水平，顯著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。植被密度方面，人工建植+施肥顯著高于人工建植+覆土和人工建植(P<0.05)。植被高度方面，人工建植+覆土顯著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。地上生物量方面，人工建植+覆土顯著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。與人工建植+覆土、人工建植+施肥比較，人工建植措施下植被蓋度、密度、高度和地上生物量均最小(P<0.05)。3種恢復措施對植物生長的恢復效果由高到低順序為：人工建植+覆土>人工建植+施肥>人工建植。與人工恢復措施相比原始群落樣地物種組成差別較大，植被密度相對更高(P<0.05)，而植被高度和地上生物量顯著低于人工建植+覆土措施(P<0.05)。由于未采取任何人工恢復措施，煤矸石山樣地(CK)未觀測到植物生長，植被蓋度、植被密度、植被高度及地上生物量均為0。

2.3 不同恢復措施下的土壤氮磷鉀含量變化特征

從圖2中看出，與煤矸石山樣地相比，不同人工恢復措施沒有顯著提高土壤氮含量，各處理間差異不顯著(P>0.05)。原始群落樣地全氮、堿解氮含量顯著高于不同恢復措施樣地及對照(P<0.05)，經過5年時間的短期恢復，3種煤矸石山人工恢復樣地土壤氮含量仍然處于較低水平。

與煤矸石山樣地相比，短期恢復措施下土壤全磷含量沒有顯著變化(P>0.05)。而不同恢復措施之間相比，土壤全磷含量有較大變化，其中人工建植+覆土顯著高于人工建植(P<0.05)。不同恢復措施下的土壤全磷含量顯著低于原始群落樣地(P<0.05)，整體處于較低水平。與煤矸石山樣地相比，人工建植+覆土、人工建植沒有顯著提高土壤速效磷含量(P>0.05)，而人工建植+施肥顯著提高了土壤速效磷含量(P<0.05)，同時也高于原始群落樣地水平(P<0.05)。

與煤矸石山樣地相比，人工建植+覆土沒有顯著增加土壤全鉀含量(P>0.05)，人工建植+施肥、人工建植顯著提高了土壤全鉀含量(P<0.05)。人工建植+覆土、人工建植與煤矸石山樣地相比，速效鉀含量差異不大(P>0.05)，人工建植+施肥能夠顯著提高土壤速效鉀含量(P<0.05)。與不同恢復措施及對照相比，原始群落樣地土壤全鉀含量相對較低，而速效鉀含量相對較高(P<0.05)。

鑒于3種恢復措施對土壤氮含量影響差異不顯著，對土壤磷、鉀含量影響總體上表現為人工建植+施肥>人工建植+覆土、人工建植。3種恢復措施對土壤氮磷鉀恢復效果由高到低順序為：人工建植+施肥>人工建植+覆土>人工建植。

2.4 不同恢復措施下的土壤有機質及pH值變化特征

從圖3中看出，與煤矸石山樣地相比，不同恢復措施均能顯著提高土壤有機質含量(P<0.05)，而各恢復措施之間差異不顯著(P>0.05)。原始群落樣地土壤有機質含量顯著高于不同恢復措施及對照(P<0.05)，與原始群落樣地相比，3種恢復措施下土壤有機質含量依然很低。短期內3種恢復措施對土壤pH值的改善作用依然有限，與煤矸石山樣地相比差異不顯著(P>0.05)，但3種恢復措施土壤pH值為(8.21±0.20)～(8.34±0.07)，與煤矸石山樣地土壤pH值(8.59±0.04)相比，依然有降低土壤pH值，土壤性質朝中性發展的趨勢。

2.5 不同恢復措施下的植物和土壤指標相關性分析

由于施用速效肥料能夠促進土壤中速效養分含量的增加，為此，僅分析土壤全氮、全磷、全鉀、有機質、pH值與植被蓋度、植被密度、植被高度及地上生物量的相關性(表2)。植被蓋度、密度、高度及地上生物量均與土壤全磷呈顯著或極顯著正相關(P<0.05，P<0.01)，植被高度與土壤全鉀呈顯著負相關(P<0.05)。植被生長各指標與土壤全氮、土壤有機質含量呈弱正相關關系，與土壤全鉀、pH值呈弱負相關關系，指標之間相關性不顯著(P>0.05)。

表2 不同恢復措施下植物生長與土壤指標之間的相關性分析 Table 2 Correlation analysis between different soil properties and vegetation characteristics under the different restoration measures

注：* * 表示P<0.01水平上極顯著相關；* 表示P<0.05水平上顯著相關，n=9。

Note：* * indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1；* indicates the correlation is significant at the 0.05 leve1，n=9.

3 討論

3.1 不同恢復措施對人工群落物種組成的影響

在煤礦開采過程中，原始群落生物多樣性在很大程度上被破壞[26]，通過采取有利于植被群落構成和演替的人工恢復措施，能夠加快受損礦區生態系統的恢復。有研究表明，不同的人工恢復措施，能夠對草地群落物種組成和結構產生不同的影響[27-28]。土壤厚度影響植物群落物種組成和豐富度[29]，與單純的人工建植措施相比，人工建植+覆土措施在一定程度引起群落豐富度的增加。人工建植+覆土措施下，演替形成了以垂穗披堿草為主的單優勢種群落，和中華羊茅、冷地早熟禾等物種相比，垂穗披堿草具有更大的種間競爭優勢[30-31]，在厚覆土條件下利于垂穗披堿草根系發育，從而吸收更多營養元素，使其逐步在群落中占據優勢。仁青吉等[16]對青藏高原典型高寒草甸退化草地的恢復研究中發現，施肥措施簡化了植物群落結構。而本研究結果表明，施肥有利于人工植物群落物種數量的增加，群落組成相對更復雜，豐富度更大。人工建植+施肥措施下，演替形成了以冷地早熟禾為優勢種，以垂穗披堿草、星星草為亞優勢種的混播群落，由于施肥措施能夠在煤矸石山基質環境差的表層形成均勻的土壤營養環境，使得人工栽培的各物種均能充分吸收利用，使得3種草種不同程度上得到發展。單純的人工建植措施形成了以冷地早熟禾為優勢種、以垂穗披堿草為亞優勢種的混播群落，群落物種數量少，結構相對更加單一，不利于人工草地群落的穩定發展。僅從植物群落物種數量及組成上判斷，3種人工恢復措施的恢復效果由高到低的順序為人工建植+施肥>人工建植+覆土>人工建植。此外，人工恢復措施下的植物群落組成與原始群落相比差異較大，一方面受到繁殖體的限制，缺乏目標群落入侵物種，導致新的植物群落出現[26]。也有研究表明土壤種子庫中缺乏當地多年生植物種，加之地上植物僅有極少部分本地多年生植物種，這將在很大程度上導致人工植被群落恢復至原始群落需要一個長期的過程[32]。

3.2 不同恢復措施對植物生長特征的影響

煤礦露天開采及煤矸石山的堆積造成了植被的嚴重破壞，通過植被重建恢復礦山脆弱的生態系統是一項關鍵措施[33]。植被生長是區域生態環境狀況的綜合反映[34]，不同的恢復措施均趨向增加群落的高度、蓋度及生物量，但是不同的恢復措施產生的恢復效果是不同的[35-36]。本研究中，通過人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等措施，均在煤矸石山形成了人工植物群落，但是不同措施下的植物群落生長狀況差異顯著。與單獨的人工建植措施相比，施肥增加了土壤肥力，改善了人工植被營養供給環境，促進了植物生長；而覆土提供了植物生長的土壤環境，有利于植物根系延伸生長，從而吸收更多的養分和水分，促進了植物更好生長。單純的人工建植措施下，植被蓋度、高度、密度及地上生物量均很低，在煤矸石山極端的土壤條件及缺乏營養元素的情況下[37]，在恢復初期，如果不采取施肥、覆土等額外增加土壤營養元素的措施，僅依靠植物自我生長及繁衍達不到生態恢復的良好效果，甚至會導致恢復失敗。通過植被生長特征判斷，3種人工恢復措施的恢復效果由高到低的順序為人工建植+覆土>人工建植+施肥>人工建植。未經恢復的煤矸石山沒有任何植物出現，表明該地區如果不采取人工恢復措施，依靠自然演替恢復植被幾乎不可能實現。

3.3 不同恢復措施對土壤性狀的影響

露天煤礦開采使土壤自然狀況和性質遭到改變和破壞，土壤質量的提高和恢復是恢復礦山生態系統功能的重要方面[38-39]，在此過程中，土壤理化性質是判斷土壤質量和健康程度的重要依據[40]。通過采取不同植被恢復措施，均能不同程度地改善土壤理化性質[41-42]，而恢復的時間越長，恢復的效果越顯著[43]。本研究中，由于恢復時間較短，通過人工建植措施、人工建植+覆土措施對土壤肥力增加的效果不明顯。與其他恢復措施相比，人工建植+施肥措施提高了土壤肥力，特別是顯著增加了土壤中的速效磷、鉀成分，而堿解氮在土壤中不夠穩定，易受土壤水熱條件和生物活動的影響而發生變化，短期施肥并沒有增加土壤中堿解氮的含量。較長恢復時間下，不同恢復措施對土壤性狀的影響需進一步深入研究。

土壤有機質含量作為判斷土壤質量狀況的重要指標，在植物生長中扮演重要的角色[44]。與煤矸石山樣地相比，不同恢復措施均能顯著提高土壤有機質含量，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，引起了土壤有機質的較大增加，提高了土壤肥力。3種恢復措施之間土壤有機質含量并沒有發生顯著變化，由于隨著恢復時間的延長，不同恢復措施在不同期間產生的恢復效果不同[45]，較長恢復時間下不同恢復措施對土壤有機質含量的增加比較分析有待進一步研究。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，改變土壤微生物活性大小和土壤速效養分含量，引起土壤理化性質發生變化[39，46]。本研究中不同恢復措施對土壤pH值的影響作用不大，與煤矸石山樣地相比差異不顯著，但從趨勢上來看，一定程度上改善了土壤性質，使土壤朝中性向好趨勢發展。

與原始群落樣地相比，短期內3種恢復措施下土壤全氮、堿解氮、全磷、速效鉀、土壤有機質含量依然較低，對土壤pH值的改善作用依然有限，人工植被要想恢復至原始群落土壤營養含量水平仍需要很長時間的恢復過程。綜合對土壤各元素含量影響水平的判斷，3種人工恢復措施的恢復效果由高到低的順序為人工建植+施肥>人工建植+覆土>人工建植。

3.4 土壤和植物的相互作用

植物-土壤的相互作用研究是生態恢復學研究的一個熱點問題。在植被恢復過程中，植被與土壤相互作用，能夠形成顯著的相關關系[42,47]。本研究中得出類似的結果，植被生長與土壤全氮、土壤有機質特別是土壤全磷之間相互促進。由于植物生長過程中對鉀的需求量較大[48]，短期內植被生長狀況的改善并沒有促進土壤中全鉀含量的增加，全鉀含量有所降低。植被生長狀況與土壤pH值之間呈弱負相關，表明植被對土壤 pH值的調節作用在加強。從以上分析看出，植物生長有利于改良土壤，而土壤有機質、全氮、全磷含量的提高促進了植物生長。由于植被重建過程當中采取覆土方式，經濟投入相對更高，基于受損礦區的經濟投入和所產生的生態效益兩個方面的考慮[29]，人工建植+施肥措施更符合該地區受損礦區生態恢復實際。從有利于植被恢復、同時減少經濟投入的角度出發，可通過大量施肥特別是施用有機肥替代人工覆土，通過植物-土壤相互促進，逐步實現煤矸石山人工草地生態系統的穩定發展。

4 結論

通過研究人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥3種恢復措施對植物和土壤5年時間的恢復效果發現，單純的人工建植方式不利于高寒礦區生態恢復，采取人工建植+覆土或人工建植+施肥的組合方式，是恢復高寒礦區煤矸石山的有效途徑。為減少經濟投入，可考慮通過施肥替代人工覆土，實現煤矸石山人工草地生態系統的穩定發展。以下幾個方面需進一步深入研究：長期恢復下，不同措施間的恢復效果對比；植物生長與土壤性質的動態變化及土壤-植物相互作用機理；人工建植條件下多種施肥、覆土梯度效果比較，進一步探討施肥代替覆土的可行性及施肥水平。

致謝：在野外的調查中得到了木里煤田管理局、青海圣雄礦業有限公司等單位領導和工作人員的大力支持，一并致謝。