青海省木里江倉煤礦區(qū)高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成過程

安福元, 高志香, 李希來, 王懿萱

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室, 青海 西寧 810008;2.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 青海 西寧 810016; 3.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室,青海 西寧810016; 4.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所 青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 青海 西寧 810008)

青海省木里江倉礦區(qū)位于青海省天峻縣和剛察縣境內(nèi)，是青海省最大的煤礦，也是優(yōu)質(zhì)焦煤和可燃冰資源整裝勘查礦區(qū)。木里江倉礦區(qū)總面積400 km2，已探明儲量4.10×109t，平均海拔4 100 m，由聚乎更、江倉、哆嗦貢瑪和弧山4個礦區(qū)組成，共有11家開采企業(yè)，7家為國有或國有控股企業(yè)，4家為民營企業(yè)。這些礦區(qū)的原生植被以天然高寒濕地為主，畜牧業(yè)是全縣的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，也是青海省發(fā)展牧業(yè)生產(chǎn)自然環(huán)境條件較好地區(qū)之一[1]。近年來隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，該地區(qū)地下儲存的煤炭資源遭到掠奪式、粗狂型開發(fā)，導(dǎo)致當?shù)氐母吆疂竦卦獾絿乐仄茐?，加劇惡化了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和牧民的生計，同時也讓被譽為“中華水塔”的青藏高原寶貴的濕地資源流失，這與國家這兩年來提倡的“綠水青山就是金山銀山”的國策不符。因此，近年來，國家和青海省政府加大資金和力度，對該地區(qū)的露天煤礦區(qū)進行大規(guī)模的渣山植被恢復(fù)，已經(jīng)得到了初步成效。高寒礦區(qū)海拔高，年積溫低，極端的生態(tài)環(huán)境對于植物的生長極為不利，目前有關(guān)礦區(qū)渣山植被恢復(fù)的研究報道較少[2]。本研究運用年代學(xué)、土壤營養(yǎng)學(xué)、沉積學(xué)，對江倉、木里礦區(qū)的高寒濕地進行系統(tǒng)研究，探索該地區(qū)高寒濕地表層土壤的形成歷史、形成過程以及營養(yǎng)學(xué)過程，旨在為當?shù)氐V區(qū)與渣山植被的恢復(fù)提供借鑒和參考意義。

1 研究區(qū)概況及樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

青海木里江倉礦區(qū)地處青藏高原東北端的祁連山中段南部地區(qū)[3]。該地區(qū)是大通河的上游盆地(圖1)，因此該地區(qū)露天煤礦的開采嚴重影響大通河(湟水重要支流)的水質(zhì)。該地區(qū)年最高氣溫為19.8 ℃，最低氣溫可達-34 ℃，年平均氣溫為-4.2～-5.1 ℃。年平均降水量為314 mm,蒸發(fā)量為1 418 mm，降雨主要集中在7—9月，降雪集中在1—5月。礦區(qū)四季多風，夏季盛行東南風，冬季盛行西北風。礦區(qū)海拔高度為3 800～4 000 m左右，屬于高原草甸低位沼澤濕地，地勢起伏不大，多年凍土發(fā)育，地表凍融草沼、熱融湖沼、凍脹丘等地貌形態(tài)發(fā)育。該礦區(qū)天然高寒草甸和濕地保存完好，土壤肥沃，植被密度很大，植物種群較多，是青海省東北部較大的天然生態(tài)保障地區(qū)，也是當?shù)啬撩裆a(chǎn)生活依托之所。由于長時間、大規(guī)模的煤礦開采，使得祁連山腹地的高寒草甸和濕地遭到嚴重破壞，造成濕地生態(tài)系統(tǒng)失衡、地下水遭受污染等環(huán)境問題的出現(xiàn)，也對當?shù)啬撩竦纳a(chǎn)生活造成了極大干擾。因此，礦山廢棄地的生態(tài)植被恢復(fù)已成為一項緊迫而及其重要的研究課題。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點位置

1.2 剖面概況

研究區(qū)剖面主要有江倉和木里剖面。其中江倉剖面(JC)位于江倉礦區(qū)圣雄煤礦礦坑?xùn)|北邊緣處，地理坐標為38°2′52″N，99°28′8″E，海拔高度3 890 m。剖面深度為1.40 m，其中0～0.40 m為腐殖質(zhì)層，植物根系發(fā)育，有機質(zhì)和植物殘體含量較高；0.40～0.60 m為泥炭層，植物根系稍少，有機質(zhì)含量高，沉積物以碳質(zhì)黏土為主；0.60～0.95 m為黃土沉積層，以黏土，粉砂質(zhì)黏土組成，稍具水平層理，可能后期受水流改造；0.95～1.40 m為沖積扇礫石層，礫石粒徑在0.01～0.03 m之間，夾雜0.10～0.15 m的礫石，磨圓好，含大量粗砂、中砂(圖2)。木里剖面(ML)位于木里礦區(qū)東南部大通河支流河岸階地上，地理坐標為38°7′7″N，99°7′23″E，海拔為4 040 m。該剖面沉積地層比較簡單，上部0～45 cm為腐殖質(zhì)層，植物根系和殘體發(fā)育，有機質(zhì)含量較高，偶見黃色巖石風化殘留物。下部0.45～1.00 m為青灰色強風化基巖母質(zhì)風化層，粒徑為1～2 cm為主，原巖為泥巖。該層中偶見黃色條狀黏土透鏡體(圖2)。

注：JC1-1腐殖質(zhì)； JC1-2泥炭層； JC1-3黃土； JC1-4沖積扇礫石； ML1-1腐殖質(zhì)； ML1-2基巖母質(zhì)風化層。

圖2 江倉、木里剖面地層劃分

1.3 樣品采集

本次研究共采集光釋光年代學(xué)樣品共6個。在江倉剖面，由于剖面的沉積相變化較大，沉積類型多樣，因此，按照不同的沉積層位自上而下采集樣品4個(圖2)；在木里剖面沉積類型相對簡單，共采集樣品2個(圖2)。同時，與年代學(xué)樣品同層位中，采集土壤營養(yǎng)學(xué)樣品6個，進行全氮、全P、全K、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)等分析。所有樣品在中科院青海鹽湖研究所和青海大學(xué)進行年代學(xué)及土壤營養(yǎng)元素分析。

2 樣品的前處理

2.1 光釋光年代樣品前處理過程

樣品的前處理和制備均在暗室弱紅光下進行，鋼管兩端厚約0.03～0.04 m的光釋光樣品可能被曝光，需要被除去，中部沒有被提取曝光的部分用于石英提取和等效劑量(equivalent dose, De)測定。樣品先后用10%的HCL和30%的H2O2除去碳酸鹽和有機質(zhì)，然后對剩余樣品進行濕篩后取38～63 um的粒徑組分。將該粒徑的樣品用35%的H2SiF6浸泡約兩周時間以除去樣品中的長石礦物，然后將樣品用10%的HCL清洗以除去反應(yīng)生成的氟化物[4]。對上述提純的石英進行紅外釋光(infrared stimulated luminescence, IRSL)檢測，如果有明顯的IRSL信號則需重新進行H2SiF6浸泡，以盡可能除凈長石，避免對De造成低估[5]。

光釋光樣品在RisoTL/光釋光-DA-20全自動釋光儀上進行測試。De的測定利用單片再生劑量法(single aliquot regeneration, SAR)[6]。測試石英釋光信號所用的藍光波長為470±20 nm，且在130 ℃下激發(fā)40 s；檢驗長石組分所用的紅外激光波長為830 nm，在光電倍增管前放置1個7.5 mm厚的U-340濾光片，人工β輻射源為90 Sr/Y90，對于粒徑38～63 μm石英的輻射劑量率為0.149 Gy/s。大部分樣品在預(yù)熱坪試驗中表明樣品的De在240～260 ℃下有一明顯的坪區(qū)[7]。對于自然和再生劑量在220 ℃下預(yù)熱10 s。在背景值(后10 s信號)去除后，選取前0.64 s的信號進行生長曲線重建，同時其衰減曲線表明都是快組分，說明樣品比較可靠(圖3)。U，Th，K的含量通過中子活化法測定。對于38～63 μm的樣品a輻射的有效系數(shù)為0.035±0.003[8]。宇宙射線的劑量率根據(jù)每個樣品的深度、海拔和地磁緯度等參數(shù)確定[9]。樣品含水量通過實測數(shù)據(jù)矯正獲得。樣品的前處理及測試是在中國科學(xué)院青海鹽湖研究所光釋光實驗室完成。

圖3 JC1-3樣品的光釋光(OSL)生長和衰減曲線

2.2 土壤營養(yǎng)學(xué)樣品前處理過程

①全氮。在強堿條件下(pH>11)，用納氏試劑使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成較穩(wěn)定的黃色絡(luò)合物(ONH2I)，進行光電比色后即可測出土壤的含氮量。②全磷。用濃硫酸—高氯酸(或H2O2)強氧化劑氧化，土壤中的難溶性有機磷和無機磷轉(zhuǎn)變?yōu)檎姿猁}而進入溶液，在0.55～0.75 N酸度范圍內(nèi)，用鉬銻抗色劑，可使形成的黃色鉬銻雜多酸絡(luò)合物還原為相當穩(wěn)定的磷鉬蘭(MoO2·4MoO3)H3PO·4H2O，然后進行光電比色。③全鉀。定容前，在土壤待測液中加入適量的氯化鈉溶液，使鈉離子濃度為1 000 mg/L。用系列標準溶液中鉀濃度為零的溶液調(diào)節(jié)儀器零點。從校準曲線查出或從直線回歸方程計算出待測液中鉀的濃度。④堿解氮。用堿液處理土壤，使易水解的有機氮及銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨，硝態(tài)氮則先經(jīng)硫酸亞鐵還原為銨，以硼酸溶液吸收氨，再用標準酸滴定，計算出堿解氮含量。⑤速效鉀。以中性1 mol/L乙酸銨溶液為浸提劑，銨離子與土壤膠體表面的鉀離子進行交換，連同水溶性鉀離子一起進入溶液。浸出液中的鉀含量可以直接用火焰光度測定。⑥速效磷。用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液提取到溶液中進行測定。⑦土壤有機質(zhì)。用過量的重鉻酸鉀、濃硫酸溶液氧化，剩余的重鉻酸鉀溶液用硫酸亞鐵還原滴定，由實際氧化所用去的重鉻酸鉀的量折算出土壤有機碳的含量，乘以相關(guān)系數(shù)可獲得土壤有機質(zhì)含量。

3 結(jié) 果

3.1 光釋光測年結(jié)果

兩個剖面的年代學(xué)環(huán)境參數(shù)和測年結(jié)果數(shù)據(jù)如表1和圖2所示。從測年結(jié)果可以看出,沖積扇礫石層具有較老的年代，為123.5±11.4 ka，沖積扇礫石層之上是黃土層，年代是26.8±2 ka，處在深含氧同位素三階段晚期(MIS3a)；黃土層之上的泥炭層沉積年代是早全新世，年代為8.2±0.7 ka；上覆的腐殖質(zhì)層年代為1.7±0.1 ka。由此發(fā)現(xiàn)，不同地層間存在沉積間斷，而腐殖質(zhì)層的年代較年輕，屬于晚全新世晚期以來的沉積物質(zhì)。在木里剖面中，基巖母質(zhì)分化層具有較年輕的年代，為2.7±0.2 ka，上覆層為腐殖質(zhì)層，測定年代為2.0±0.2 ka。表中數(shù)據(jù)顯示，在江倉和木里剖面的腐殖質(zhì)層具有相近的年代，表明腐殖質(zhì)層的沉積年代較為年輕，大致處于近2 000 a以來的時段。縱觀兩個剖面，底部沖積扇的沉積年代較老，黃土沉積于末次冰期的暖期，可能與良好的植被發(fā)育情況有關(guān)，泥炭層沉積在早全新世氣候適宜期。腐殖質(zhì)層最為年輕，為晚全新世相對較干冷氣候條件下沉積形成。

表1 江倉、木里剖面環(huán)境信息和光釋光年代結(jié)果

3.2 土壤營養(yǎng)元素分析結(jié)果

從圖4可以看出，在江倉剖面內(nèi)，全氮在沖積扇礫石層中含量最少，為0.4 g/kg，在黃土層中次之，到泥炭層，再到腐殖質(zhì)層，全氮含量一直在緩慢增加；全氮在黃土層中含量為0.7 g/kg，泥炭層的含量比黃土層多5.5 g/kg，在腐殖質(zhì)層中達到了最大值，為3.7 g/kg，可能是由植物的固氮作用造成。全P的含量在沖積扇礫石層和黃土層的含量相近，為1.2 g/kg，在腐殖質(zhì)層和泥炭層的含量分別為1.7，1.5 g/kg。全K在腐殖質(zhì)層中的含量最少，為24.6 g/kg，而在黃土層中的含量最多，達到了30.1 g/kg。從黃土層到腐殖質(zhì)層，堿解氮含量持續(xù)下降，在腐殖質(zhì)層中的含量最大，為540 g/kg。速效磷在腐殖質(zhì)層中最少，含量為5.5 g/kg，在沖積扇礫石層含量最多，達到了6.0 g/kg，在泥炭層和黃土層含量較接近，分別為5.5，5.4 g/kg。有機質(zhì)在各個地層中的含量分為兩個階段：第一階段從腐殖質(zhì)層中的192 g/kg到泥炭層中的118 g/kg，減少74 g/kg；第二階段中有機質(zhì)含量基本不變，從黃土層的4.4 g/kg到?jīng)_積扇礫石層中的4.3 g/kg。在木里剖面中，全氮在基巖母質(zhì)風化層中的含量比在腐殖質(zhì)層的含量低；全P2O3在基巖母質(zhì)風化層中的含量為2.0 g/kg，在腐殖質(zhì)層中的含量為1.9 g/kg，兩地層間的含量相差較小；全K在基巖母質(zhì)風化層中的含量為24.6 g/kg，比腐殖質(zhì)層多1.0 g/kg；堿解氮的含量在不同層位間變化最明顯，從腐殖質(zhì)層中的312 g/kg，降低到基巖母質(zhì)風化層中的198 g/kg；速效鉀的變化幅度僅次于堿解氮，隨地層厚度的增加呈遞減趨勢，從175 g/kg減少到了74 g/kg；速效磷在腐殖質(zhì)層中的含量為6.7 g/kg，比基巖母質(zhì)風化層中的含量稍高；相較于速效鉀和速效磷，有機質(zhì)含量變化較小，從腐殖質(zhì)層中的97 g/kg減小到基巖母質(zhì)風化層中的74 g/kg。

圖4 江倉和木里剖面土壤營養(yǎng)元素隨深度變化過程

4 討 論

4.1 木里江倉地區(qū)濕地演化歷史

濕地的形成、發(fā)育與演化是濕地理論研究的核心問題[10]，而青藏高原由于特殊的地理位置，獨特的生態(tài)作用，其高寒草甸、高寒濕地的形成歷史是當前第四紀研究、生態(tài)研究的熱點[11-12]。江倉木里地區(qū)位于青藏高原北部的祁連山脈腹地，同時該地區(qū)是季風、西風共同作用的交匯區(qū)，其草原濕地的形成過程與地區(qū)氣候變化和地貌過程的聯(lián)系十分密切[13-14]。從江倉剖面可以看出，作為高寒濕地承載基座的沖積扇形成于123.5±11.4 ka，屬于深海氧同位素5e (MIS5e)初期。這個階段，青藏高原上出現(xiàn)了末次間冰期以來最濕潤的氣候時期[15-16]。因此，充足的降水導(dǎo)致高原東北部山前沖積扇、谷溝填充等地貌過程的發(fā)育[17]，形成了高原濕地的基座載體。沖積扇沉積層之上為黃土沉積，其年代為26.8±2.0 ka，表明兩層不同類型沉積物中間有將近10萬年的沉積間斷。同時黃土沉積的年代表明該層風成堆積形成MIS 3a階段，該階段在末次冰期里面是一個短暫的氣候適宜期[18]。這一時期，青藏高原東北部普遍存在黃土沉積[19-20]。這種現(xiàn)象意味著氣候條件的好轉(zhuǎn)使得地表植被茂盛，起到了固定黃土的作用，從而堆積了厚度達35 cm的黃土沉積。進入全新世早期，江倉地區(qū)氣候條件極大改觀，降雨充沛，水草豐茂，濕地面積進一步擴大，大量植物殘體沉積下來，碳化壓實，形成了近20 cm的泥炭層(圖2a)，其光釋光年代為8.2±0.7 ka。全新世早中期(約10～6 ka)，青藏高原上的氣候進入一個雨熱同期的最佳適宜期[21]。這個時期的氣候特點是降水出現(xiàn)全新世以來的最大值，氣溫同樣也出現(xiàn)峰值[22-23]。這種雨熱同期對青藏高原環(huán)境的影響表現(xiàn)為：湖泊水位升高，湖面擴大[24]；山地冰川退縮[25]；古土壤發(fā)育[26]；草原濕地面積擴大等[27]。在這種氣候背景下，江倉地區(qū)的高寒濕地大面積發(fā)育，濕地的成熟度和規(guī)模擴大，其發(fā)育程度超過了現(xiàn)在的水平。同樣的濕地大規(guī)模發(fā)育出現(xiàn)在青海湖流域，劉德梅[27]研究了青海湖地區(qū)的全新世土壤沉積地層，發(fā)現(xiàn)華扁穗草沼澤濕地出現(xiàn)在8.4±0.6 ka，表明這一時期氣候變化過程與青藏高原東北部是一致的。然而，青海南部三江源地區(qū)的高寒濕地主要發(fā)育在14.3～13.2 ka的末次冰消期，在早中全新世發(fā)育停滯[27]，表明在更大的空間尺度上，濕地的發(fā)育存在差異性，這種現(xiàn)象可能與不同的大氣環(huán)流主導(dǎo)及當?shù)氐匦蔚孛灿嘘P(guān)。

江倉剖面的腐殖質(zhì)層發(fā)育年代為1.7±0.1 ka，表明這些表層濕地草甸主要形成于晚全新世，這與木里剖面腐殖質(zhì)層年代一致(2.0±0.2 ka)。木里剖面腐殖層下部基巖母質(zhì)風化層的風化碎屑具有較年輕的光釋光年代，為2.7±0.2 ka，表明這些腐殖層直接發(fā)育在風化巖石之上，其光釋光年代即為風化形成的年代。研究表明，青藏高原東北部土壤腐殖質(zhì)層形成的年代較為集中，皆為晚全新世以來發(fā)育形成(圖5)。在青海湖地區(qū)，草甸土的年代可最早追溯到中晚全新世。鄂崇毅等[28]測定了青海湖流域橡皮山頂(XPSD2)和日月山(RYS1)兩個剖面的草甸土年代，其腐殖層開始發(fā)育的年代分別為3.2 ka和2.5 ka，持續(xù)了約2 000～3 000 a。常秋芳等對青海湖流域夏拉(XL)水庫剖面測定發(fā)現(xiàn)其腐殖層發(fā)育開始于3.4至1.1 ka之間[29]。劉德梅[27]測定得出青海湖藏嵩草沼澤濕地和鹽地鳳毛菊沼澤濕地的發(fā)育年代為2.1至1.1 ka之間。綜上所述，青藏高原東北部的高寒濕地和草甸形成年代開始于3 000 a前，大部分濕地形成于最近2000 a以來，且在形成過程、形成時間上具有地域一致性的特點。

圖5 青藏高原東北部不同濕地剖面地層對比

4.2 木里江倉地區(qū)剖面土壤營養(yǎng)成分變化特征

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是氮素和磷素等各種養(yǎng)分的主要儲積庫。土壤中的有機態(tài)氮和無機態(tài)氮總稱為全氮。土壤中的氮素絕大部分來自于有機質(zhì)，故有機質(zhì)的含量與全氮含量成正相關(guān)。土壤全氮是衡量土壤肥力水平的重要指標之一[30]?？偭资菨竦刂参锷L的主要營養(yǎng)元素之一,其在土壤中的含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,也是導(dǎo)致濕地及其相連水系發(fā)生富營養(yǎng)化的主要因素,因此研究濕地土壤磷對評估濕地生態(tài)涵養(yǎng)能力和控制濕地水域富營養(yǎng)化具有重要意義[31]。土壤中的全鉀包括無效態(tài)或礦物態(tài)鉀、緩效性鉀、速效性鉀，其含量取決于成土母質(zhì)、風化程度、土壤形成條件、土壤質(zhì)地和耕作施肥措施，可反映土壤鉀素的貯量狀況[32]。堿解氮又叫水解氮，包括無機態(tài)氮和有機態(tài)氮，它可供作物近期吸收利用，故又稱速效氮。堿解氮含量取決于有機質(zhì)含量的高低和質(zhì)量的好壞，它能反映近期土壤氮素供應(yīng)能力[33]。速效磷和鉀，是指土壤中較容易被植物吸收利用的磷和鉀，速效磷和鉀是土壤有效磷儲庫中對作物最為有效的部分，也是評價土壤供磷水平的重要指標[34]。有機質(zhì)是土壤中來源于生命的物質(zhì)，包括土壤微生物和土壤動物及其分泌物以及土體中植物殘體和植物分泌物。有機質(zhì)含量的多少取決于當時的植被狀況，因此有機質(zhì)的含量可以間接地視為植被蓋度和生物量的指示[35]，而植被蓋度和生物量的變化可以反映氣候冷暖干濕變化。一般而言，溫暖濕潤的氣候有利于植物茂盛生長，泥炭的有機質(zhì)含量高，反之，冷干的環(huán)境泥炭有機質(zhì)含量較低。

如圖4所示，總體上江倉、木里剖面的有機質(zhì)、全氮、堿解氮和全P含量呈現(xiàn)從底部到頂部逐漸升高的趨勢，而速效磷、全K含量則出現(xiàn)波動。這些變化規(guī)律基本和剖面沉積相和沉積類型的變化一致。具體來講，有機質(zhì)、全氮、堿解氮以及全P含量在江倉剖面下部沖積扇礫石層中含量極低，隨著深度的變淺，其含量逐漸升高，表現(xiàn)出非常好的正相關(guān)性，表明土壤中全氮、堿解氮和全磷和地層中有機質(zhì)的儲藏密切相關(guān)。劉世全等[36]對西藏地區(qū)土壤中的全氮與有機質(zhì)的研究表明兩者呈非常明顯的線性正相關(guān)，而堿解氮則呈非線性正相關(guān)。王艷杰和付華[37]對華北靈霧山地區(qū)的土壤研究表明其有機質(zhì)、全氮及堿解氮均隨著深度的增加而減少，且土壤腐殖質(zhì)層的含量要遠遠高于其他各層。這與江倉剖面的變化規(guī)律十分相似。在靈霧山地區(qū)，由于表層殘枝落葉的覆蓋，在降水豐富的情況下，這些有機質(zhì)進行腐解，造成了地表層中有機質(zhì)含量的豐富。隨著雨水的下滲，部分有機質(zhì)被淋溶到深層，形成了有機質(zhì)等營養(yǎng)元素隨深度逐漸降低的變化特征。在江倉、木里地區(qū)，地表植被主要以高原藏嵩草、矮嵩草等禾本科植物為主，其有機質(zhì)的來源主要是植物根系和植物殘體腐解。而腐殖質(zhì)層以下的泥碳層中，由于經(jīng)過八千多年的壓實變質(zhì)，其所含營養(yǎng)元素有所降低。而在黃土層中，由于其無機粉砂黏土礦物的屬性，營養(yǎng)元素進一步降低。雖然有機質(zhì)反映了地層地質(zhì)歷史時期植被蓋度和植物豐度，但這種規(guī)律在江倉剖面并不明顯，可能是由于八千多年的全新世適宜期沉積下的大量有機質(zhì)、全氮、堿解氮等營養(yǎng)物質(zhì)已被降解，所以與過去的氣候變化相關(guān)性較弱。在木里剖面中，同樣表現(xiàn)為上部的腐殖質(zhì)層中有機質(zhì)、全氮、堿解氮等營養(yǎng)元素含量最高，而全P則為下部層位含量高，上部層位低，可能與下伏基巖風化產(chǎn)物中含有大量磷灰石礦物且向上遷移有關(guān)。在兩剖面中，速效磷和速效鉀的變化比較復(fù)雜：江倉剖面中，速效磷含量在泥炭中含量最高，黃土中次之；速效鉀在黃土層含量最高、腐殖質(zhì)層中次之。劉雙等[38]研究北京地區(qū)濕地時發(fā)現(xiàn)土壤中的磷元素含量變化與季節(jié)變化、粒徑分布等因素有關(guān)。另外，江倉剖面中全K含量在黃土中含量最高。這些結(jié)果表明江倉剖面中的磷和鉀元素含量與土壤母質(zhì)層礦物含量、風化程度、降解程度、元素遷移等因素有關(guān)，呈現(xiàn)比較復(fù)雜的相關(guān)性。在木里剖面中，由于上下沉積地層形成年代很接近(2.0～2.7 ka)，層位之間整合接觸，無沉積間斷，故各營養(yǎng)元素含量呈簡單的遞增規(guī)律(除全P含量)，在腐殖質(zhì)層含量達到最高。

綜上所述，江倉、木里地區(qū)的有機質(zhì)、全氮、堿解氮和全磷含量土壤營養(yǎng)元素主要儲存在腐殖質(zhì)層中，其次為泥炭層中。而鉀元素主要儲存在黃土等土壤母質(zhì)層中，這種含量跟它的原巖礦物組成有關(guān)(如鉀長石等)。營養(yǎng)元素在垂向上的變化表明其與地質(zhì)歷史時期的氣候變化過程相關(guān)性不大，這可能與地層屬性、地層壓實、元素降解等因素有關(guān)。

4.3 江倉、木里地區(qū)剖面腐殖質(zhì)層的沉積年代與土壤營養(yǎng)指標含量對礦山植被恢復(fù)的意義

通過對比江倉、木里草原濕地剖面(JC，ML)和青海湖地區(qū)高寒草原剖面(XL，XPSD2和RYS1)(圖5)，我們發(fā)現(xiàn)青藏高原東北部的草原和濕地腐殖質(zhì)層最早是3.4 ka以來形成的，大部分形成于2 ka左右，說明這些自然生長形成的高寒草甸和高寒濕地腐殖質(zhì)層在經(jīng)歷了近2.0～3.0 ka的時間才發(fā)育到目前的成熟度。劉德梅[27]對青海湖沼澤濕地的測定年代為2.1～1.1 ka之間，也進一步佐證了這種長期的形成歷史。腐殖質(zhì)層主要是歷史植物殘體堆積腐化形成的。按照平均兩千年的時間來算，要形成厚度40 cm左右的腐殖質(zhì)層，其年平均沉積速率為0.2 mm，形成的過程十分緩慢且不易。因為青藏高原惡劣的氣候環(huán)境和短暫的春夏季節(jié)，植被的生長短暫緩慢，其單位面積的生物量較低，平均為500 g/m2左右。目前對于江倉、木里地區(qū)煤礦礦山的植被恢復(fù)主要采用人工種植的方法。由于礦區(qū)開采出來的礦渣基本由粗砂、礫石、塊石以及多年凍土組成，含土量和肥力極低，礦山植被恢復(fù)時間短(2015—2018年)，加之礦渣山體滑坡、坍塌等影響，其人工種草后植被恢復(fù)狀況遠不及天然草原濕地植被蓋度和成熟度，主要表現(xiàn)為人工種植形成的土壤層很薄，植被單一且稀疏，植物類型并不是區(qū)域草原優(yōu)勢種，其土壤穩(wěn)定性、植被抗旱/寒性和生態(tài)環(huán)境相當脆弱(圖6)。從該地區(qū)天然草原腐殖質(zhì)層形成的地質(zhì)歷史時間看，要使已經(jīng)受到嚴重破壞的高寒濕地恢復(fù)到原有狀態(tài)，還需要進行更科學(xué)的植被恢復(fù)方法研究；要使礦山生態(tài)環(huán)境在有限的時間里采用人工種植技術(shù)得到最大程度的恢復(fù)，就要借鑒自然界表層腐殖質(zhì)層的形成機制和土壤營養(yǎng)學(xué)動態(tài)變化過程。影響土壤形成的因素主要有母質(zhì)、氣候、生物、地形和時間，礦山恢復(fù)的關(guān)鍵就是要縮短人工表層腐殖質(zhì)層的形成時間，使其在較短的時間內(nèi)達到較高的腐殖質(zhì)化，穩(wěn)定化和植物種群結(jié)構(gòu)的合理化，從而徹底使礦山礦渣表層植被恢復(fù)到較高水平。因此，今后的研究工作需要更深入地探究礦區(qū)高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成過程和機理，并加大礦區(qū)渣山人工干預(yù)，選取科學(xué)的方案，通過優(yōu)化組合的方法縮短植被腐殖層形成時間。比如對一些礦山礦渣地表礫石含量高，植物不易生長的區(qū)塊，進行腐殖質(zhì)土的客土覆蓋或噴播技術(shù)，采用人工干預(yù)的方式增加土壤厚度和有機含量，這對于植被根系發(fā)育、植被蓋度提高和植被物種多樣性合理化具有重要意義。通過提高煤矸石表層植被覆蓋度和植物根系對土壤水分的吸附力，可有效增強煤矸石表層土壤的水源涵養(yǎng)功能，其中，要重視改善渣山表層土壤物理性質(zhì)，選擇增施畜圈牛羊糞或者牛羊顆粒有機肥(工廠熟化)等措施；同時，根據(jù)高寒濕地土壤主要營養(yǎng)元素的變化規(guī)律，增施人工土壤中的N，P，K等植物所需元素肥料，提高土壤養(yǎng)分，改善土壤化學(xué)性狀，加快成土速度，使煤矸石表層土壤環(huán)境得到快速改善，為恢復(fù)區(qū)植被生長和其它先鋒植物的入侵創(chuàng)造良好的立地條件，縮短恢復(fù)時間，加快礦區(qū)植被恢復(fù)演替進程。

注：a天然高寒草甸；b天然高寒濕地；c礦山人工建植草地；d天然高寒濕地和人工建植草地對比(近處為人工草地，遠處為天然濕地)。

圖6 木里江倉礦區(qū)天然高寒濕地和人工草地對比

5 結(jié) 論

(1) 江倉和木里地區(qū)存在著大面積的優(yōu)質(zhì)濕地資源，其中江倉地區(qū)濕地剖面地層變化較大，從底層的沖積扇礫石層、黃土層、泥炭層發(fā)育到頂部的腐殖質(zhì)層；而木里濕地剖面較為簡單，下部為基巖母質(zhì)風化層，上部為腐殖質(zhì)層。光釋光年代學(xué)研究表明，江倉剖面的腐殖質(zhì)層形成于1.7±0.1 ka以來；木里剖面的腐殖質(zhì)層形成于2.0±0.2 ka以來。該結(jié)果與青海湖地區(qū)草原表層腐殖質(zhì)層的形成年代基本一致。

(2) 江倉、木里剖面的土壤營養(yǎng)學(xué)表明，腐殖質(zhì)層中有機碳、全氮、堿解氮、全磷等含量最高，其中氮、磷元素的含量跟有機質(zhì)含量成正比，說明草原植被生長需要較高的土壤肥力；全鉀含量在土壤母質(zhì)層中最高；速效磷和速效鉀含量在各地層中變化波動較大。

(3) 青藏高原東北部高寒草甸、高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成年代表明其形成時間至少在兩千年以上，形成過程十分緩慢，沉積速率非常低，這對于江倉、木里地區(qū)礦區(qū)和渣山的植被恢復(fù)工作具有指導(dǎo)意義。根據(jù)天然高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成年代和形成過程，采用人工種草方式恢復(fù)礦區(qū)生活區(qū)和排土場渣山的植被生態(tài)，還需要增加礦山礦渣表面土壤厚度和肥力，從而加快礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和植被多樣性的恢復(fù)進程。