呼倫貝爾某煤礦區地境結構特征及其對草原生態恢復的意義

余 露，白光宇，周建偉，馮海波，袁 磊，田 磊，余 洋

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質環境監測院, 北京 100081；3.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

呼倫貝爾市擁有面積10萬km2的呼倫貝爾大草原，同時也是我國主要的煤炭生產基地。20世紀70年代以來，煤炭產業迅速發展，導致草原區局部生態環境退化，出現了嚴重的地面塌陷、地裂縫、地下水水位下降、土地沙化等生態環境問題。自2003年起，當地政府和礦山企業對問題嚴重的煤礦地面塌陷區采取圍封、回填、覆土、種植植被等工程技術措施進行治理，取得了一定的成效。為了在開采礦產資源的同時有效保護呼倫貝爾大草原，有必要針對前期治理工程開展效果調查評價和綜合研究，以利于未來更加科學、有效地指導礦區土地復墾和生態環境保護修復工作。

近年來，國內外學者常采用遙感調查方法和實地采樣調查方法開展草原礦區生態環境調查與評價[1]，其中遙感調查著重觀察草原礦區的景觀格局變化[2]，實地采樣調查則主要關注土壤污染程度及肥力、物種多樣性、植物長勢情況[3]。通過上述調查可較好地對治理效果進行評價，但對礦區生態修復的復墾工程的借鑒意義有限，而利用生態地質學相關理論和技術方法研究草原礦區植被地下生境結構體系可以彌補這一空缺。

地下生境是植物在地下生活的環境，即根系的生存空間，包括必需的生活條件和其他對生物起作用的生態因素(如土壤水分、鹽分、有機質等)，植物根群是具有吸收功能的細根和根毛數目最多、最密集的部位，各植物物種經過對不同土壤層條件以及其他外界環境自組織的過程，植物根群形成不同“層片”[4]。相比容易受環境影響而變化的地表，地下生境中生態因素更穩定，且與植被生長、植物群落演替情況密切相關，因此觀察分析地下生境結構中植物根群的特征能清楚地揭示“層片”規律[5]，反映出不同植物的生長習性和需求，解釋不同植物物種之間資源競爭、共存等生態關系，了解植物群落的穩定性、演替等特征[6]。該理論已被應用于高陡邊坡覆綠效果的評價[7]，但缺少背景值進行對比。

本文以呼倫貝爾某煤礦區為研究對象，通過調查植被地下生境狀況，分析植物根系發育規律及其與土壤質量之間的關系，重點探討地面塌陷裂縫區、地面塌陷治理區和原生草原區土壤對植被生長的影響，旨在提供一種新的草原生態系統調查方式，為受損草原礦區土地復墾的覆土厚度、植物類型、回填肥分的種類等選擇提供理論依據和技術參數，為草原礦區治理恢復效果調查、生物多樣性保護措施的建立提供新的思路。

1 研究區概況

本次研究的某煤礦區位于呼倫貝爾市寶日希勒鎮，地處呼倫貝爾大草原中部，該區地勢較平坦，為半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫為-2.9～1.3℃，年降水量為250～400 mm，降水集中在6～8月，年蒸發量較大，是降水量的2～7倍。該地區發育的地層為白堊系下統大磨拐河組(K1d)和第四系(Q)，含水層為第四系孔隙含水巖組和白堊系大磨拐河組裂隙-孔隙含水巖組。

該煤礦區及其周邊土壤質地以細砂和粉砂為主，土壤類型主要是地帶性土壤栗鈣土，腐殖質豐富，厚度較大。該區的植物物種豐富，但長勢嚴重依賴于氣象水文等條件，優勢物種主要為披堿草(Elymusdahuricus)，針茅(Stipacapillata)等。

在19世紀80年代到21世紀初，該礦區采煤以井工開采為主，由于開采方法和頂板管理不盡合理，導致采煤區出現大面積地面塌陷，并伴生地裂縫、植被退化、土壤沙化等環境問題[8]。截止2014年，該煤礦區開采導致的地面沉降和地面塌陷總面積達62.4 km2，形成了數千個塌陷坑[9]。當地政府和礦山企業對其中某些塌陷區域采取圍封塌陷區、回填塌陷坑和裂縫、覆蓋耕植土、種植適應當地的堿草、針茅等一系列措施進行治理，對破損草原區的生態恢復起到了積極的推進作用[10]。

2 調查與研究方法

2. 1 調查區域點選取

在研究的煤礦區選取4個調查區域，分別是原生草原區(背景值)、地面塌陷裂縫區、地面塌陷治理區和草原耕地區，依次標號為A、B、C、D(見圖1)，其中地面塌陷治理區已治理完成兩年。4個調查區域所在地的氣候條件、成土母質、地形地貌、水文地質等環境因素均相近，可通過橫向的對比分析研究煤炭資源開發對草原區植被生態環境的影響，并評價礦區土地復墾的實際工作效果。

圖1 調查區域位置分布圖Fig.1 Location map of the survey area

2. 2 植被樣方調查

植被樣方調查采用樣地調查法，即在4個調查區域分別選取4～5個植物種類完整、長勢居中、具有代表性的地點，用皮尺圈出1 m×1 m的植被區，記錄每個樣方中的植物名稱、株數、高度、蓋度等，取平均值代表該調查區域的植物長勢情況。

2. 3 植被地下生境根系結構調查

在每個調查區域的采樣點首先取一個垂直剖面，開挖時保證至少有一個樣坑剖面垂直平整，由于中緯度地區地下生境底界不超過1 m[5]，此次調查開挖至100 cm深，并修整剖面，使植物根系完整出露；然后用尼龍線將剖面劃分成10 cm×10 cm的方格(見圖2)，按從左到右、從上到下的順序逐個對剖面方格中的植物細根(直徑<2 mm)[11]計數并記錄。

圖2 植被地下生境結構調查樣坑剖面Fig.2 Sample pit profiles of plant below-ground habitat

2. 4 土壤樣品采集及理化性質測定

植物根系調查完畢后，再將調查剖面從上到下每20 cm劃分為一層，即劃分為1、2、3、4、5層，每層均勻取1 kg土樣，土樣編號為樣點剖面號+層號(見圖2)。另外在地面塌陷治理區另一剖面80 cm深度某處發現土壤明顯呈黑色，應是富含有機質的未被混合均勻的復墾回填土壤，為更好地了解復墾土壤的肥力性質，取1 kg土樣，編號為C6。將所有樣品自然風干，挑出石塊、殘根等雜物后，過100目篩。根據土壤復墾受到物理、化學、生物擾動等因素的影響程度[12],本文選取相關性較小的10個土壤肥力指標進行測定，這些指標包括土壤環境指標、土壤化學性質指標和土壤生物性質指標，能夠比較全面地反映土壤的自身肥力條件、土壤給植物提供養分的能力以及土壤所處的自然環境。具體指標及測定方法為：采用1∶1的水土比酸度計測定土壤pH；采用堿解擴散法測定堿解氮；采用半微量凱氏定氮法測定全氮(TN)的含量；采用鉬銻抗比色法測定速效磷、全磷(TP)的含量；采用火焰光度法測定速效鉀、全鉀(TK)的含量；采用乙酸銨交換法測定陽離子交換量(CEC)的含量；采用重鉻酸鉀-外加熱法測定有機質的含量；采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶的含量。

3 結果與討論

3. 1 植被樣方調查結果

通過植被樣方調查，分別統計研究區各調查區域的植物多樣性、植株數量和優勢物種等基本特征，由于統計期間草原耕地區的植被大多為單一農作物，故不列出，其統計結果見表1。

表1 研究區各調查區域植物群落樣方調查結果

注：“-”表示此植物物種植株數量為0。

由表1可知，研究區各調查區域植物都為草本植物，但各調查區域植物物種有一定的差異，其中原生草原區優勢種為雀麥和針茅，地面塌陷裂縫區的優勢種為針茅和披堿草；原生草原區植被的高度為15～70 cm，蓋度接近100%，植物長勢明顯好于地面塌陷裂縫區和地面塌陷治理區。

3. 2 植被地下生境根系調查結果

植物細根的根尖和根毛對養分和水分的吸收功能遠強于粗根和中根[13]，所以本文主要研究植物細根分布與土壤質量的關系。研究區不同調查區域地下生境植物根系頻率統計結果見表2。

由表2可知，研究區不同調查區域地下生境植物細根數量從上到下隨著深度的加深依次減少。

3. 3 土壤肥力測定結果

本次調查共采集研究區不同調查區域21個土壤樣品，對11個土壤肥力指標進行了測定，其測定結果詳見表3。

表2 研究區不同調查區域地下生境植物根系頻率統計結果

注：植物根系頻率指植物細根頻率。下同。

表3 研究區不同調查區域土壤肥力測試結果

注：相對濕度指標采用溫濕度計測量垂直于剖面的內部10 cm深處的相對濕度，并記錄；CEC指土壤中陽離子交換量。

3. 4 植被地下生境調查結果分析與對比

3.4.1 地下生境植物根系頻率分析

根據現場的植物根系調查與統計結果計算出植物根系頻率，并繪制不同調查區域地下生境植物根系頻率對比圖，見圖3。每個波峰代表一個植物根群圈范圍，最底部收斂處代表地下生境界限。

由圖3可以看出，研究區4個不同調查區域的植物根系分布具備一些共同的規律：①地面以下10 cm左右處的植物根系最為發育；②從地面以下10 cm往下，植物根系數量隨著深度的加深而減少，在地面以下30 cm、70 cm處植物根系明顯減少；③地面以下70 cm以下植物根系數量減少趨于平穩，植物根系頻率基本都低于5%。根據徐恒力等[5]的觀點，累計頻率在20%～80%的植物根系的土壤空間即為植物根系的主功能區，這個區域是吸收水分和養分最有效的空間，同時也是微生物最活躍的場所，有助于植物的生長代謝過程。按照4個調查區域的植物根系數量(見表2)，除地面塌陷治理區植物根系的主功能區在0～50 cm以外，其他調查區域植物根系的主功能區在0～60 cm之間。可見，研究區植物根系的主功能區最深可達地面以下60 cm。

圖3 研究區不同調查區域地下生境植物根系頻率對比圖Fig.3 Comparison of root frequency of the plant below-ground habitat in different survey areas of the study area

3.4.2 植被地下生境結構對比與分析

本文以調查剖面中間50 cm豎線為對稱軸，繪制研究區不同調查區域左右兩側不同距離處植物根系頻率分布曲線，見圖4。

圖4 研究區不同調查區域左右兩側不同距離處植物根系頻率分布曲線Fig.4 Root frequency distribution curves at different distance between the axis of symmetry in different survey areas of the study area

由圖4可見，研究區4個調查剖面不同深度處植物根系基本都是對稱分布，不同的變化趨勢反映出植物不同的生長特征。通過對比植被樣方調查和土壤肥力測定結果可知，4個調查區域的植物根系分布與植物種類和土壤質量之間具有一定的相關性，具體分析如下：

(1) 原生草原區(A)：該區域植物根系數量在地面以下10 cm時最多，植物根系數量隨著深度的加深均勻減少，說明不同植物的根系分布在不同的深度(層片)，該區域地下生境結構完整、物種豐富，其生態系統更穩定[14]。結合圖3可以看出，該區域的植物根系頻率出現兩個較高值段：0～30 cm深度處植物根系數量分布最多，為一年生草本植物根系的根群圈；其次是40～60 cm深度處，結合植被樣方調查結果，應為多年生草本植物根系的根群圈。該區域優勢物種為雀麥，為一年生草本植物，證明此區域地下生境長年水肥條件穩定在其生存域內，散落在附近的種子才能在來年水分、溫度條件適宜時迅速發芽生長[6]。該區域數量較多的針茅和細葉地榆為多年生草本植物，其根系更發達，形成了30～50 cm深度處的植物根系頻率峰值，其他一年或多年生草本植物根系分布在不同深度，保證了該區域的生態完整，可適應環境的各種變化。注意到研究區一年生草本植物和多年生草本植物根系普遍比華北地區植物根系深度更深[7]，這與研究區土壤較干旱有關，植物根系偏向垂向生長，汲取深層土壤水分。

(2) 地面塌陷裂縫區(B)：該區域土壤貧瘠，適合生長的植物較少，物種單一，優勢種為多年生草本植物，因此該區域的植物根系頻率分布曲線相對平滑，沒有出現多個特定層片現象。該區域在10～20 cm深度的植物根系最為發育，其由一年生草本植物的根以及埋深較淺的冷蒿的側根和不定根組成。

(3) 地面塌陷治理區(C)：該區域植物根系頻率分布曲線特征與地面塌陷裂縫區相似，在 10 cm深度處植物根系頻率分布比其他深度處高很多，形成了一個明顯的峰，這除了與該區域生長較多的一年生藜有關外，還與多年生草本植物生長年限不長、扎根不深有關。由前述研究可知，該區域植物根系的主功能區在地下0～50 cm，說明該區域地下生境結構暫時并沒有因人工干預而恢復，其生態系統相對比較脆弱。雖然對該區域土壤施加了較多肥分，但由于植物是人工種植，自然演化程度低，植物種類依然單一，并與地面塌陷裂縫區的優勢物種類似，說明對該區域物種的生長條件改善效果不大。該研究結果與Benally[15]的研究結論類似。

(4) 草原耕地區(D)：該區域植物根系頻率分布曲線有3個明顯的峰值，分別出現在0～30 cm、30～60 cm以及90 cm深度處，應分別對應的植物物種為小麥、多年生雜草以及離樣坑2 m處的一排楊樹。該區域物種單一且不同種植物根系有各自不同的根群圈，各自在特定“層片”吸收水肥，有效避免了種間沖突[16]，也是造成該區域每層植物根系頻率差異較大的原因。

3.4.3 地下生境土壤肥力條件分析

水肥條件是土壤的基本性質，分析地下生境結構中各層片水肥分布特征有利于了解植被生長、微生物活動等的變化情況[17]。

圖5 研究區不同調查區域不同深度處土壤堿解氮、速效 磷、速效鉀含量的變化曲線Fig.5 Variation of available nitrogen(a),rapid available phosphorus(b) and rapidly available potassium(c) at different depths in different survey areas of the study area

(1) 氮、磷、鉀是植物生長不可缺少的營養元素，也是常用肥料的元素。圖5為研究區不同調查區域不同深度處土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量的曲線。由圖5可見，研究區不同調查區域氮、磷、鉀的含量變化總體趨勢是隨著深度的增加而降低。其中原生草原區土壤中磷、鉀的含量峰值所處深度都大于地面塌陷裂縫區和地面塌陷治理區；地面塌陷裂縫區土壤中氮含量最低，其表面含量不足地面塌陷治理區的60%；地面塌陷治理區土壤中總氮含量在100 cm深度處有一個較大的提升，與剖面編錄的土壤類型為回填土相符，證明通過回填含有較高肥力的土壤，使該區域土壤中氮元素的恢復效果較好。采煤塌陷影響速效磷在土壤層片中的分布，研究區地面塌陷治理區、地面塌陷裂縫區、原生草原區土壤分別在40 cm、60 cm、80 cm左右深度處出現了速效磷含量峰值，與3個調查區域植物根系主功能區深度基本對應，而主功能區根系的植物返還能力使該層片磷含量升高[18]，因此地面塌陷裂縫區土壤中磷含量峰值深度最淺。采礦活動和農業活動都會破壞土壤原有植被，導致鉀鹽含量流失，因此鉀是土壤復墾修復的限制因子。 根據《全國第二次土壤普查分類標準》，研究區4個調查區域土壤中鉀元素都相對缺乏，屬于三級或四級土壤，鉀含量趨勢大致為原生草原區>地面塌陷裂縫區>地面塌陷治理區>草原耕地區。

(2) 有機質在土壤演化中起著主導作用，其含量與微生物量、土壤酶活性之間具有相關性[19]。地面塌陷裂縫區表面土壤中有機質含量很低，這是由于裂縫區雨水沖刷淋濾作用嚴重，使表層土壤有機質流失，這也是裂縫區植物長勢一般的原因。

(3) 過氧化氫酶主要來源于植物根系分泌物和微生物，其含量峰值在一定程度上代表該層片中根系最發達[15]。由表3可以看出，研究區不同調查區域表層土壤中過氧化氫酶含量均較高，且4個調查區域在層片中均有對應的過氧化氫含量峰值，其中原生草原區表層土壤中過氧化氫含量的峰值在0～20 cm深度處，次峰值深度為≥100 cm；另外3個調查區域表層土壤中過氧化氫酶含量的峰值分別出現在60～80 cm、60～80 cm、≥100 cm深度處。說明地面塌陷裂縫區的土壤結構發生了變化，通過治理沒有恢復到原土狀態，深層土壤生物活性不足，會影響多年生草本植物的生長和演化。

圖6 研究區不同調查區域不同深度處土壤pH值的 變化曲線Fig.6 Variation of pH at different depths in different survey areas of the study area

(4) 研究區不同調查區域土壤pH值在6.42～8.48之間(見圖6)，且隨著深度的加深，土壤pH值逐漸升高，土壤pH值在適宜范圍內呈現出由微酸性或中性至弱堿性過渡的趨勢，表層土壤的pH值在適合草本植物生長的范圍內[20]。研究區地面塌陷治理區和地面塌陷裂縫區土壤pH值相對較高，而原生草原區和草原耕地區土壤pH值最低，分析認為這是由于植物根系以及微生物的新陳代謝促進了土壤中CO2、腐殖酸和有機酸含量的增加，從而導致土壤pH值的下降[21-22]；也說明植物對于改良土壤酸堿度具有很顯著的效果。結合表1可知，研究區地面塌陷裂縫區和地面塌陷治理區土壤中植物種類更相近，同屬于相對更耐堿的植物，如披堿草、石竹等，而野艾蒿等不耐鹽堿的植物則只出現在原生草原地區，這反映了土壤酸堿度的改變影響了植物群落的演化。

(5) 土壤水分對植物的生長和分布起著決定性作用。地面塌陷治理區土壤經過治理后其相對濕度基本與原生草原區無異；地面塌陷裂縫區土壤具有多個耗散面，水汽條件交換頻繁，水分散失速度快[23]，相對濕度較低，因此該區域多生長耐旱物種，比如裂縫區獨有的石竹就是典型耐旱多年生草本植物。

綜上分析可知，地面塌陷裂縫區和地面塌陷治理區地下生境結構簡單，植物根系的主功能區變淺，主要原因是地面塌陷造成環境因子發生變化，比如土壤水分降低、pH值升高，植被為了適應新的環境因子，植物種群數量被迫減少，群落發生演替，新的種群在適應環境的過程中，植物根系會逐漸扎深，地下生境結構逐漸完整，表明該區域植物群落具有一定的抗逆性。

4 地下生境結構分析對于植被恢復的生態意義

4. 1 關于復墾時覆土厚度問題

目前，礦區復墾有關覆土厚度大多是根據相關規范、結合農事經驗總結來確定，缺少定量研究和生態學理論支撐。德國、美國現有規范規定復墾厚度在1 m左右[21]。地下生境結構理論結合了生態地質學的調查方法和基礎，為確定覆土厚度提供了新思路。

研究區原生草原區、地面塌陷裂縫區、地面塌陷治理區和草原耕地區土壤的植物根系分布具有近似的規律性，植物根系主功能區在0～60 cm深度處。需要特別指出的是，雖然研究區少數植物根系深度超過覆土厚度，但是由于植物根系可以在生長過程中通過代謝過程和生化作用反作用于植物根際周圍土壤，促使土壤熟化，改變土壤環境，因此，為了在開采礦產資源的同時有效保護呼倫貝爾大草原，做好土地復墾和植被恢復工作，應盡可能保證所種植植物的根系結構完整、群落的正向演替，覆土厚度應至少達到60 cm，這與該地政府、企業完成的復墾工程中采取的覆土厚度(30～50 cm)基本吻合。而上述覆土厚度標準在工程上是可以保證的。

4. 2 關于土壤肥力與植物物種的調控問題

根據研究區地下生境結構和土壤質量的分析，研究區在土地復墾工作時，施肥區域深度應達到60 cm，并在原來基礎上加大鉀肥含量，才能使土壤肥力含量與原生草原區持平，從而有利于多種植物的生長。

復墾物種應考慮種植多種生長速度快、耐旱耐堿植物，涵蓋一年生和多年生草本植物，如針茅、披堿草、藜等，以便植物能迅速生長繁殖，為后繼植物的入侵定居提供條件，從而達到復墾效果。由于不同植物有不同的主功能區，只在特定層片上吸收營養，不產生競爭關系，這樣可保證生態系統的穩定，加快土壤演化速度，盡快形成完整的地下生境結構，增強系統的自我調節功能。化學、生物指標成分在地下生境結構中分布不同的問題可隨植物群落演替和地下生境結構的完整化自然恢復到原生草原狀態，而演化過程中，當多種植物形成一定規模時，可根據植物群落中優勢種植物的變化來衡量草地狀況[6]，若觀察到復墾區優勢物種與原生草原區相同或類似，則表明該地生態系統恢復效果良好。

5 結論與建議

本文通過調查呼倫貝爾某煤礦區植被地下生境中不同層片的土壤結構、養分運移、植物根群結構和植物群落特征，將不同層片的土壤肥力測定結果與植物根系生長情況進行對比，得出如下結論：

(1) 研究區地面塌陷裂縫區和地面塌陷治理區植物類似，雖然植物長勢較好，但種類較單一，植物群落相較于原生草原區發生了演替，且生態系統穩定性較差，現存植物更耐旱耐堿。

(2) 研究區原生草原區地下生境結構完整，植物根系主功能區在地下0～60 cm；地面塌陷治理區地下生境結構與地面塌陷裂縫區結構類似，地下生境結構被破壞，10 cm左右深度處的植物根系最為發育。

(3) 采煤塌陷對土壤的相對濕度及pH值有一定的影響。通過采用一定的復墾治理措施，地下生境結構中除鉀外的各項指標含量能基本復原，但土壤肥力在各層片中的分布規律未能復原。

(4) 復墾土壤厚度應達到60 cm，并根據植物根系不同的主功能區合理選擇和搭配植物類型，同時增加復墾土壤中鉀肥的含量，這樣可避免相似物種之間形成競爭關系，從而保證植物有充足營養，盡快形成結構完整的地下生境環境，加快土壤演替過程。