基于植被重建的寧東礦區煤矸石山立地類型及其特征

楊宇平， 許 麗， 豐 菲， 鄭雯丹， 劉 瑩

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院， 內蒙古 呼和浩特 010011;2.荒漠生態系統保護與修復國家林業局重點實驗室, 內蒙古 呼和浩特 010018)

國家規劃的14個大型煤炭基地之一的寧東礦區位于西北干旱荒漠區，為國家生態安全格局“兩屏三帶”的北方防沙帶，是國家“一帶一路”的重點建設區域[1]，該區氣候干旱、降水稀少,土壤水分長期處于負平衡狀態，是中國的典型生態脆弱區，潛在的水土流失和風蝕沙化嚴重[2]。隨著煤炭資源的開采，更加劇了本礦區生態系統結構變異、生態功能退化、生態穩定性減弱，同時造成地形地貌受損、土地占壓等生態環境問題。寧東礦區煤炭開采方式以井工開采為主，形成大面積煤矸石山，造成的土地占壓和地表植被破壞更為嚴重，亟待進行植被重建，因此劃分煤矸石山立地類型成為礦區生態恢復及植被重建的首要工作。

目前，國內外對立地類型劃分多集中在造林地[3-7]，近年來采石場[8-9]、礦山[10-11]立地類型分類的研究也有報道，但對煤礦區矸石山立地類型劃分的研究至今未見報道。劃分立地可采用立地指數法[12]進行立地劃分與評價，也可通過數量化理論[13-14]、主成分分析[15-16]、多元回歸分析[3,9]等數理統計方法在立地因子中篩選主導因子，從而劃分立地類型。煤矸石山立地類型的劃分可為植被重建時適宜植物種的選擇及其保育技術的制定提供依據，是礦區生態恢復的關鍵。本研究以寧東礦區煤矸石山為研究對象，探究影響煤矸石山立地條件的主導因子，從而劃分煤矸石山立地類型，再結合不同立地類型特征進行分析，為礦區生態恢復與重建提供參考。

1 研究區概況

寧東礦區位于寧夏回族自治區中部的靈武市，地理坐標105°35′24″—106°22′12″E，37°36′0″—38°0′36″N。寧東礦區煤炭資源儲量豐富，有10余個生產礦井，已探明儲量達2.70×1010t，礦區煤炭年產量為5.80×107t，矸石年產量1.88×106t[17]。研究區干旱少雨，年平均氣溫8～9 ℃，年降水量300 mm以下，蒸發強烈，年日照時數3 000 h左右，年總太陽總輻射5 700～6 100 MJ/m2。地形以低山丘陵為主，地勢大致呈東南向西北傾斜。土壤以灰鈣土為主，另有風沙土、潮土和鹽土，植被主要以荒漠草原和草原帶沙生植被為主，荒漠草原植被包括貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、駱駝蓬(Peganumharmala)、地錦(Euphorbiahumifusa)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等，沙生植被有沙蒿(Artemisiadesertorum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等[18]。

本研究調查的煤矸石山位于羊場灣煤礦、棗泉煤礦和靈新煤礦，各煤矸石山地理位置見圖1。

圖1 寧東礦區煤矸石山地理位置

寧東礦區開采方式均以井工開采為主，排矸年限10 a以上，矸石堆放形成煤矸石山，有平臺和邊坡2種微地形。自2016年開始，各煤礦陸續對煤矸石山進行覆土及植被重建，覆土來源于矸石山周邊土地，土質以砂土及礫質砂土為主，寧東礦區煤矸石山基本概況見表1。

表1 寧東礦區煤矸石山概況

2 材料與方法

2.1 立地因子篩選

根據各煤矸石山實地調查及相關研究方法，將能夠反映煤矸石山立地類型特征的地形因子和土壤因子作為立地因子篩選依據[8-9]，篩選出微地形X1，海拔高度X2(m)，覆土厚度X3(cm)，土壤質地X4，土壤田間持水量(X5/%)，有機質含量X6(g/kg)，全N含量X7(g/kg)，全P含量X8(g/kg)，全K含量X9(g/kg)，坡向X10這10個立地因子。

2.2 樣地設置與指標測定

2018年9月，通過前期對研究區資料的整理分析，并結合野外實地調查，對寧東礦區的羊場灣煤礦、棗泉煤礦、靈新煤礦等礦區的煤矸石山進行典型樣地調查，根據微地形及實地狀況設置樣地14個。微地形有平臺和邊坡2種，使用GPS對各樣地進行定位，并調查海拔高度；手持羅盤儀調查邊坡坡度和坡向，覆土厚度通過盒尺測得，并在平臺采取“S形”取樣法設土壤剖面，邊坡分別在坡上、中、下部設土壤剖面，共設52個土壤剖面。在剖面表層用環刀、鋁盒取樣，同時取1 kg混合土樣用于土壤理化性質分析，將樣品帶回實驗室，以常規方法測定土壤質地、土壤田間持水量、土壤有機質含量、土壤全N，全P，全K含量等土壤理化性質指標[19]。

2.3 立地類型劃分

采用定性與定量相結合的方法分析立地因子，對X1，X10等描述性因子進行量化處理后，采用主成分分析確定煤矸石山主導立地因子，再通過系統聚類法對主導立地因子進行分級組合，劃分寧東礦區煤矸石山立地類型。

3 結果與分析

3.1 煤矸石山立地因子分析

煤矸石山立地條件較為惡劣，劃分立地類型的關鍵在于找出主導因子，經SPSS因子分析的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin Measure)和Bartlett(Bartlett’s Test of Sphericity)球形度檢驗可知，KMO>0.5，sig.<0.01，檢驗結果均屬于正常范圍，因表明選用的研究數據適合做為因子分析[8-9]。據此對立地因子X1—X10進行主成分分析，從而確定煤矸石山主導立地因子。由結果可知，前4個主成分累計方差貢獻率為80.624%，表明前4個主成分代表著全部因子80.624%的信息，構建這4個主成分與各因子關系式如下：

F1=0.120X1-0.213X2+0.135X3-0.260X4-0.144X5+0.209X6-X7+0.173X8+0.08X9+0.241X10

F2=-0.182X1-0.148X2+0.313X3+0.116X4+0.052X5-0.181X6-0.073X7+0.274X8+0.273X9-0.219X10

F3=-0.411X1+0.188X2-0.06X3-0.190X4+0.381X5+0.318X6-0.271X7-0.095X8+0.177X9+0.049X10

F4=-0.05X1-0.38X2-0.032X3-0.278X4+0.341X5-0.004X6+0.684X7-0.195X8+0.203X9-0.029X10

由以上關系式可知，F1關系式中，土壤質地(X4)系數最大，為0.260，在第1主成分中起主要影響作用；第2主成分代表土壤覆土厚度(X3)，其在該成分中系數最大為0.313；F3關系式中，微地形(X1)系數(0.411)最大，表明第3主成分表示地形特征；第4主成分代表土壤全氮含量。由此可見，土壤狀況及地形因子等在寧東礦區煤矸石山立地類型劃分過程中起關鍵性主導作用，實測結果表明土壤全氮含量在0.07～0.18 g/kg之間，根據全國土壤養分含量分級標準，全氮含量<0.5g/kg均屬于極低水平，另外土壤養分指標的含量難以通過現場調查的方式直接測得，這些指標又受到地形和土壤特征的影響，而地形特征和土壤特征又具有穩定直觀、易調查和易測量的特點[5]，故選取微地形、覆土厚度、土壤質地為劃分立地的主導立地因子。

主導立地因子中，微地形分為平臺和邊坡，邊坡根據坡度大小分為陡坡、急坡，覆土厚度根據當地實地調查分為厚層、中層、薄層，土壤質地根據國際制土壤質地分級標準確定(見表2)。

表2 主導因子分級標準

3.2 煤矸石山立地類型劃分

運用SPSS軟件，采用組間聯接的聚類方法，以平方歐氏距離為樣地度量標準，Z得分標量進行標準化，對寧東礦區煤矸石山各樣地進行聚類，劃分立地類型。結果見圖2。

圖2 寧東礦區煤矸石山地類型聚類分析樹狀圖

本文根據聚類分析結果，并結合主導因子分級標準(見表2)，將寧東礦區煤矸石山14個研究樣地劃分成3個立地類型組，5個立地類型亞組，8個立地類型。

立地類型的命名以聚類分析中引起分類不同的立地劃分因子為依據[9]，劃分結果見表3。

表3 寧東礦區立地類型

3.3 煤矸石山立地類型特征

對煤矸石山各立地類型特征進行描述，可以更好地了解不同立地類型的土壤、植被等狀況，可為植被重建提供基底數據，并對各立地類型植被重建適宜植物種的選擇提出建議，寧東礦區煤矸石山立地類型特征見表4。

表4 寧東礦區煤矸石山立地類型特征

(1) 第Ⅰ類。矸石山平臺厚層砂質壤土立地類型。該類立地類型覆土厚度95～110 cm，覆土土質為砂質壤土，土壤田間持水量32.62%，在各立地類型中其保水性最好；該立地土壤全K含量平均37.82 g/kg，屬于極高水平，而有機質含量、土壤全N含量分別為0.28%，0.11 g/kg，均為極低水平，全P 含量0.34 g/kg為低水平，土壤偏堿性。該立地生長有2018年人工重建的側柏林，其成活與生長狀況較好，總體看該立地類型立地條件較好。建議植被重建時，可選擇以喬木為主的喬灌型植被配置模式。

(2) 第Ⅱ類。矸石山平臺中層壤質砂土立地類型。該類立地類型覆土厚度55～60 cm，覆土土質為壤質砂土，土壤田間持水量27.13%，保水性僅次于Ⅰ類立地；土壤全K含量(35.44 g/kg)屬于極高水平，土壤有機質、全N含量均屬于極低水平，全P含量為低水平，土壤偏堿性。現有2018年人工檸條錦雞兒+沙拐棗+糜子灌草混交林，植被生長狀況較好，總體看立地條件較好。建議植被重建時，選擇以灌木為主的灌木林或灌草型配置。

(3) 第Ⅲ類。矸石山平臺中層少礫質砂土立地類型。該立地類型覆土厚度33～36 cm，礫石含量1.62%，為少礪質砂土，土壤保水性能一般，土壤全K含量屬于極高水平，全P為低水平，其他土壤養分含量均屬于極低水平，土壤偏堿性。該立地條件一般，有2016年人工種植的檸條、沙蒿、蜀葵等，但植被成活率一般。建議植被重建時，植被配置選擇以灌木為主的灌草型。

(4) 第Ⅳ類。矸石山平臺薄層少礫質砂土立地類型。該類立地類型覆土厚度較薄，覆土土質為少礫質砂土，土壤持水性能一般，土壤全K含量屬于極高水平，土壤全P含量為0.52 g/kg，屬于中下水平，土壤有機質和全N含量分別為4.36 g/kg，0.16 g/kg，屬于極低水平，一定程度上限制植被生長，土壤偏堿性。該類立地有人工條播的紫花苜蓿，生長狀況較好。建議植被重建時，選擇以草本為主的灌草型配置模式。

(5) 第Ⅴ類。矸石山平臺薄層輕礫石土立地類型。該類立地類型覆土厚度僅0～3 cm，礫石含量38.74%，土壤粗礫化，嚴重限制植物種的生長，土壤田間持水量為18.35%，保水性較其他立地類型差；土壤全K含量屬于極高水平，土壤全P含量在各立地類型最大，為0.59 g/kg，屬于中下水平，而土壤有機質、全N含量為極低水平，土壤偏堿性。現無人工恢復措施，該立地條件較差。建議植被重建時，選擇以草本為主的灌草型配置模式。

(6) 第Ⅵ類。矸石山陡坡中層壤質砂土立地類型。該類立地類型坡度大小為32.5°，為陡坡，覆土厚度55～60 cm，屬于中層，覆土土質為壤質砂土，土壤田間持水量為23.95%，保水性能較好；該立地土壤全K含量36.05 g/kg，屬于極高水平，全P含量0.35 g/kg為低水平，土壤有機質、全N含量為極低水平，現有2018年人工種植糜子，其生長狀況較好，土壤偏堿性。總體看該立地類型立地條件較好。建議植被重建時，可選擇灌木林或以灌木為主的灌草型配置。

(7) 第Ⅶ類。矸石山陡坡中層中礫質砂土立地類型。該類立地為坡度33.7°的陡坡，覆土厚度35～40 cm，覆土土質為中礫質砂土，土壤持水性差，土壤全K含量為極高水平，其他養分含量低，土壤偏堿性。現有2018年人工種植的沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等草本植物，總體看立地條件一般。建議植被重建時，植被配置模式選擇以草本為主的灌草型。

(8) 第Ⅷ類。矸石山急坡薄層輕礫石土立地類型。該類立地為急坡，其坡度為39.5°，覆土厚度小(0～2 cm)，覆土土壤的礫石含量較高，為輕礫石土，土壤粗礫化現象嚴重限制喬、灌木植物種生長，土壤田間持水量18.88%，其持水性較其他立地類型差；土壤全K含量屬于極高水平，全P含量屬于低水平，其均值0.40 g/kg，土壤有機質、全N含量為極低水平，土壤偏堿性。該立地類型現無人工植被恢復，立地條件差。建議植被重建時，選擇以草本為主的灌草型配置。

4 討論與結論

通過對微地形(X1)，海拔高度(X2)，覆土厚度(X3)，土壤質地(X4)，土壤田間持水量(X5)，有機質含量(X6)，全N含量(X7)，全P含量(X8)，全K含量(X9)，坡向(X10)這10個立地因子進行調查測定，采用主成分分析法，在各主成分關系式中選取系數最大的因子，結合煤矸石山實地調查情況，同時考慮到主導因子的直觀易測的特點，選取微地形、覆土厚度、土壤質地為劃分立地類型的主導立地因子。進行立地類型劃分牽涉的因素有很多，對于不同的研究區，所選的主導因子會有所不同，本研究選擇地形、土壤等因子作為煤矸石山立地類型劃分的主導因子，這與賴文豪[3]，李丹雄等[8]，張靈等[20]研究一致。

依據主導立地因子，通過聚類分析法將煤矸石山劃分成3個立地類型組，5個立地類型亞組，8個立地類型，分別為矸石山平臺厚層砂質壤土立地類型、矸石山平臺中層壤質砂土立地類型、矸石山平臺中層少礫質砂土立地類型、矸石山平臺薄層少礫質砂土立地類型、矸石山平臺薄層輕礫石土立地類型、矸石山陡坡中層壤質砂土立地類型、矸石山陡坡中層中礫質砂土立地類型、矸石山急坡薄層輕礫石土立地類型。本研究對立地因子采用主成分分析法確定主導因子，再通過對主導因子進行聚類分析劃分立地類型，這與有關學者對于立地類型劃分的方法相一致[9,15-16]。

通過對煤矸石山各立地類型特征分析，總體來說，煤矸石山平臺較平坦，面積較大，邊坡坡度32°～40°之間；煤矸石山覆土土源為其周邊土地土壤，覆土厚度多在30 cm以上，覆土土質有砂質壤土、壤質砂土及礪質砂性土，特殊立地類型礫石含量>30%，其土質為輕礫石土，此類立地條件較差；煤矸石山覆土土壤透水性強，保水保肥性差，土壤田間持水量18.35%～32.62%；土壤養分貧瘠，有機質含量在0.26%～0.44%、全N含量0.10～0.16 g/kg，全P含量0.33～0.59 g/kg，屬于低至中下水平，全K含量較高，在35.44～44.16 g/kg之間，為極高水平，煤矸石山土壤偏堿性。

煤矸石山各立地類型特征結合現有人工植被類型分析，可為煤矸石山植被重建工作提出建議。對于煤矸石山平臺，覆土厚度>60 cm，覆土土質以砂土為主，可選擇以喬木為主的喬灌型混交模式；覆土厚度20～60 cm，當覆土土質為砂土或礫石含量較少時，可選擇以灌木為主的灌木林或灌草型配置；覆土厚度<20 cm，覆土土質礫石含量較多，可選擇以草本為主的灌草型配置；而對于煤矸石山邊坡，覆土厚度20～60 cm，覆土土質中礫石含量較少，可選擇灌木林或以灌木為主的灌草型配置；若礫石含量過多，則以撒播草籽為主。