煤礦廢棄地不同立地植被恢復效果對比研究

張晉英

(山西省林業科學研究院，山西 太原 030012)

山西省煤炭資源豐富，煤炭資源的開采嚴重破壞了當地生態環境，煤矸石亂堆亂放、地表塌陷、植被破壞、土壤結構失衡等問題嚴重制約了山西省社會經濟的可持續發展。近年來，為改變煤礦廢棄地生態失衡的現狀，相關部門對廢棄礦山開展了植被修復工程，逐步建立起持續穩定、高速有效的廢棄煤礦人工植被修復系統。土壤是生態修復的重要環節，研究廢棄礦山植被修復后的土壤結構和性能，對了解植被恢復效果和篩選優良植被恢復類型有著重要意義。筆者對太原西山4個煤礦(杜兒坪礦、官地礦、西銘礦、白家莊礦)采空區典型立地的樹種選擇、配置模式、林木生長和土壤修復效果進行分析，旨在篩選出適宜山西地區廢棄礦山修復的植被模式，為進一步加快山西省廢棄礦山生態修復進程提供參考依據。

1 研究區域概況

太原西山地處呂梁山脈中部東麓的邊山地區，北起汾河冽石口，南至天龍山柳子峪，屬華北地區黃河流域中部。氣候屬北溫帶大陸性季風氣候，春季少雨多風，夏季炎熱多雨，秋季短暫涼爽，冬季寒冷干燥。年均氣溫9 ℃，年平均無霜期202 d，年均降水量460 mm.

太原西山煤礦的開采方式以巷道采煤為主，由于多年來的開采，形成了大面積采空區。近年來，越來越多的采空區域出現了地質塌陷現象，不同程度地改變了土壤結構。土壤是植被生長的基礎，植被的種植和生長發育也會影響土壤的形成與發育，不同植被類型對土壤養分及理化性質的影響程度也有所差異。目前，太原西山煤礦采空區主要有6種典型的植被恢復類型，分別為護坡林(油松為主)、風景園林(銀杏、國槐、白皮松、雪杉等園林植物)、農林復合林(核桃、桃樹、杏樹等經濟林樹種)、側柏林、楊樹林和紫穗槐林(主要位于煤矸石堆積區)。不同植被類型的基本情況，見表1.

表1 調查樣地基本情況

2 研究方法

2016年8月至2017年12月，在6個植被類型中各設置3個樣方，喬木樣方10 m×10 m，灌木樣方5 m×5 m，草本樣方1 m×1 m，記錄樣方內植被的名稱、數量、蓋度、胸徑、高度等信息。然后在每個樣方內隨機選擇3個點位，挖取土壤剖面，按0 cm～15 cm，15 cm～30 cm，30 cm～45 cm 3個層次分別用環刀取土樣，帶回實驗室測定相關理化指標。用Excel 2003和SPSS 17.0軟件對不同植被類型下的土壤容重、土壤飽和持水量、土壤孔隙度、土壤含水率、氮、磷、鉀、有機質、pH值等各項指標進行主成分分析，篩選出最優植被恢復模式。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型對土壤物理性質的影響

不同植被恢復類型對礦山廢棄地土壤物理性質的影響，見表 2.

表2 不同植被類型對土壤物理性質的影響

由表2可以看出，0 cm～15 cm土層的土壤物理性質在不同植被類型間均差異顯著。通過多重比較可看出，護坡林的土壤容重為1.598 g/cm3，明顯高于其它5種植被類型；楊樹林、紫穗槐林和風景園林相差不大，農林復合林和側柏林土壤容重明顯低于其它植被類型。農林復合林的土壤飽和持水量最高，側柏林、紫穗槐林和楊樹林相差較小，僅次于農林復合林；護坡林土壤飽和持水量最低，且遠小于其它植被類型。土壤孔隙度大小為農林復合林>側柏林>楊樹林>紫穗槐林>風景園林>護坡林，農林復合林和側柏林差異較小。紫穗槐林和農林復合林的土壤含水率明顯高于其它植被類型，側柏林和楊樹林的土壤含水率較低。

15 cm～30 cm土層的土壤物理性質在不同植被類型間存在顯著性差異。通過多重比較表明，不同植被類型的土壤容重相差較小，其中，側柏林和護坡林最高，均為1.399 g/cm3；楊樹林最低，為1.198 g/cm3.農林復合林、楊樹林和風景園林的土壤飽和持水量明顯高于其它3種植被類型；側柏林的土壤飽和持水量最低，為26.18%.各植被類型的土壤孔隙度較為接近，其中，楊樹林最高，為54.79%；護坡林最低，為47.20%.紫穗槐林、農林復合林和風景園林的土壤含水率明顯高于其它植被類型；楊樹林的土壤含水率最低，為8.15%.

30 cm～45 cm土層的土壤物理性質在不同植被類型間存在顯著性差異。通過多重比較表明，護坡林和楊樹林的土壤容重明顯高于其它植被類型；紫穗槐林最低，為1.062 g/cm3.紫穗槐林、農林復合林和側柏林的土壤飽和持水量遠高于風景園林、護坡林和楊樹林。紫穗槐林的土壤孔隙度最大，為59.91%；護坡林的土壤孔隙度最小，為36.36%.各植被類型的土壤含水率差異明顯，從大到小依次為農林復合林>紫穗槐林>風景園林>護坡林>楊樹林>側柏林。

3.2 不同植被類型對土壤化學性質的影響

不同植被恢復類型對礦山廢棄地土壤化學性質的影響，見表3.

表3 不同植被類型對土壤化學性質的影響

由表3可以看出，0 cm～15 cm土層處，側柏林土壤全氮含量明顯高于其它植被類型，紫穗槐林和護坡林的土壤全氮含量與其它植被類型相比明顯偏低。速效鉀含量的排序為農林復合林>楊樹林>風景園林>側柏林>護坡林>紫穗槐林；側柏林的有機質含量最高，為84.4 g/kg，遠高于其它植被類型；其次為楊樹林和護坡林，有機質含量均為21.5 g/kg.pH值大小排序為護坡林>紫穗槐林>側柏林>楊樹林>農林復合林>風景園林。側柏林和農林復合林的有效磷含量遠高于其它植被類型。

15 cm～30 cm土層處，側柏林的土壤全氮含量最高，且遠高于其它植被類型；紫穗槐林、護坡林和風景園林的土壤全氮含量偏低。側柏林的土壤有機質含量最高，達91.4 g/kg；紫穗槐林最低，為6.6 g/kg.土壤有效磷含量從大到小依次為側柏林>楊樹林>護坡林>農林復合林>紫穗槐林>風景園林。各植被類型土壤pH值差異較小，均在8.39～8.72之間。農林復合林的速效鉀含量明顯高于其它植被類型。

30 cm～45 cm土層處，土壤全氮含量從大到小排序為側柏林>農林復合林>風景園林>楊樹林>護坡林>紫穗槐林。護坡林、側柏林和楊樹林的土壤有機質含量明顯高于其它3種植被類型。護坡林、側柏林、楊樹林和紫穗槐林的土壤有效磷含量相差較小，且明顯高于農林復合林和風景園林。護坡林的pH值最高，可達8.89；側柏林最低，為7.92.側柏林的土壤速效鉀含量最高，為115.0 mg/kg，明顯高于其它植被類型。

3.3 綜合分析

將不同土層土壤的物理和化學指標作為主成分，對不同植被類型的土壤特征進行綜合評價，結果見表4.

表4 不同植被土壤特征的方差貢獻率和累積方差貢獻率

由表4可知，前5個主成分的累計方差貢獻率達到96.866%，表明前5個主成分已經可以代表不同植被類型下土壤的大部分信息。因此，選取前5個主成分作為植被對土壤影響的重要成分。以5個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算主成分模型：

式中：Y——表示綜合主成分值；

λi——各主成分的貢獻率；

Yi——各主成分的特征值。

根據主成分綜合模型得出6個植被類型相對應的綜合主成分值，并按綜合主成分值對其進行排序，結果見表5.

表5 不同植被類型的綜合排序

通過分析表明，側柏林對土壤的改良效果最佳，其次是農林復合林、護坡林、楊樹林、風景園林；紫穗槐林對土壤的改良效果最差。

4 結論與討論

由于煤礦廢棄地特殊的立地條件，對其植被恢復效果的評價，主要考慮因子為植被對土壤容重、持水量和孔隙度的改善上。大密度側柏林對土壤的改良效果最佳，原因是側柏耐旱能力強，對肥力和灌溉的要求低，成活率高，可有效改善立地的水土流失情況，加大了外界漂移樹種的成活率，使植被覆蓋度不斷增大，枯枝落葉層也不斷增多，從而有效改善林地養分，形成良性循環。不同植被修復類型模式下，土壤養分增加存在顯著差異，側柏林、農林復合林、護坡林、楊樹林的土壤養分增加效果較好。在上述4種模式中，農林復合林和楊樹林由于其特殊原因，澆水、施肥等人為干擾措施較多。因此，側柏林和護坡林的修復模式更加適合礦山土壤修復。