高寒礦區排土場不同坡向植被和土壤特征研究①

金立群，李希來，孫華方，張 靜,4，周 偉

(1 青海大學農牧學院，西寧 810016；2 青海湟源縣草原站，西寧 812100；3 中國地質大學土地科學技術學院，北京 100083；4 青海-廣東自然資源監測與評價聯合實驗室，西寧 810016)

煤炭是支撐社會經濟發展的主要能源之一[1]，但露天煤礦的開采造成了以水土資源為核心的生態環境破壞，使整個礦區生態系統極端惡化，且難以恢復[2-3]。相關研究表明，目前全球因采礦而破壞的土地約為670 萬 hm2，中國約有140 ～ 200 萬hm2，并以每年4 萬hm2的速度遞增且復墾率僅13.3%，與國外發達國家75% 的復墾率差距較大[4]。開采前未對草地、農田的表層土進行剝離、存儲，加大了復墾難度。國內外礦區復墾主要集中在低海拔平原、盆地及黃土高原地區[5]，對青藏高原礦區的研究較少，特別是人工植被恢復。

木里煤田位于高海拔、氣候寒冷、生態條件惡劣的青海省海北州，2003 年開始進行開礦生產原煤，且產量逐年遞增。采煤占據了大量的天然濕地面積，尤其開采過程中形成了大量的地下凍土、巖土、巖石與煤矸石機械堆積的排土場山[6]，其無序堆放不僅破壞和占用大量濕地資源，而且其結構松散，地層層序紊亂，土量稀少，無保水保肥能力，嚴重缺乏植物生長所需要的營養物質，植物很難定居生長[7-8]。因此，在青藏高原進行礦區生態重建對恢復受損的土壤和植被具有重大意義，通過人工植被建植，能夠有效提高草地生態系統的功能[9]。

排土場修復是通過再造土壤形成良好的土壤結構和層次，提供植物生長必備的土壤生境，而植被恢復能夠改善露天煤礦區排土場表層基質結構和肥力，是排土場土壤形成的必要條件[10]，也是露天煤礦區排土場土壤重構的重要內容，不僅起著構建礦區排土場初始植被的作用，還能從而促進整個生態系統結構和功能的恢復[11]。露天煤礦排土場人工建植的植被與土壤環境相互依存又相互制約[12]，因此，研究人工建植植被特征和土壤理化特征對于煤礦區植被恢復具有重要的意義。有關研究表明，在煤矸石山人工建植植被可提高其表層有機質含量和pH[13]，可明顯改善排土場基質的土壤容重、土壤持水量及孔隙度等物理性質[14]。王洪丹等[15]發現坡向與土壤有機質和有效磷之間具有線性相關性；邱莉萍等[16]分析得出草地土壤養分在不同坡向的變異性較大；Pan 等[17]研究表明由于不同坡向水熱條件的差異，植被生長狀況有明顯差異；陳正興等[18]通過研究不同坡向的草地植物群落，揭示了植被物種組成和多樣性特征在不同坡向條件下差異顯著。本文以青藏高原青海省木里煤田江倉礦區排土場為研究對象，在不覆蓋客土的條件下人工建植植被，并且不同坡向條件下植被建植方法一致，研究在高海拔寒冷地區煤礦排土場不同坡面是否對植被生長與土壤基質造成差異，為高寒煤礦區排土場植被恢復與重建提供科學的參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究地點位于青海省海北州木里煤田東部的江倉礦區，大通河上游南側(圖1)，距省會西寧市約450 km。木里煤田是青海省唯一的焦煤資源整裝勘查區域，也是該省最大的煤礦。其地理坐標為99°27′ ～99°35′ E，38°02′ ～ 38°03′ N，海拔3 800 ～ 4 200 m，年平均氣溫 -2.8℃，氣候嚴寒。礦區東西長25 km，南北寬2.5 km，面積55 km2。研究區為圣雄礦業在2010 年采煤區，礦坑深度100 ～ 200 m，兩座排土場占地面積約104.33 萬hm2，由開采時產生的煤矸石及渣土機械堆積而成。南部排土場占地面積73.10 hm2，最大堆高60 m(地表標高3 865 m，排土場頂部標高 3 925 m)，北部排土場占地面積31.23 hm2，最大堆高50 m(地表標高3 890 m，排土場頂部標高3 940 m)。排土場基部多年凍土夏季容易融化產生滑坡、塌方等，形成地質災害。研究區排土場穩定處理措施包括削坡卸載，使坡度小于25°，沿排土場底部邊緣砌筑圍堰，以增加坡面和坡體的穩定性，恢復排土場地下凍土。為減少排土場植被恢復的成本，人工植被建植時不覆蓋客土，充分利用礦坑堆積的數十米多年永久性凍土作為排土場植被恢復的表層土壤。試區種植的草種主要是垂穗披堿草(Elymus nutans)、冷地早熟禾(Poa crymophila)和星星草(Puccinellia tenuiflora)，分別于2015 年5 月下旬將相同播種量、播種比例(2∶1∶1)的草種混合撒播于樣地，播種量為 300 kg/hm2，并施顆粒有機肥60 kg/hm2、復合化肥195 kg/hm2，播種施肥后覆蓋20 g/m2的無紡布。

圖1 試驗區地理位置Fig. 1 Geographical position of study area

1.2 試驗設計

試驗地選擇為2015 年種植的排土場山南坡、北坡、東南坡與東坡，種植方法一致。2017 年8 月分別以樣線法隨機選擇12 個1 m × 1 m 的樣方，測定植被蓋度(人為估測)、高度(鋼卷尺測定)、地上生物量、生殖枝數量、幼苗數量等，并把采集的樣品用信封袋帶回室內，烘干稱其干重。采樣過程中，用GPS 記錄經緯度、海拔，羅盤儀測定坡度、坡向，三參速測儀(HW-WET-3)測定排土場基質的水分與鹽分。樣方內除去地面植被和地表覆蓋物，對表層(0 ～ 10 cm)土壤進行取樣，去除大石塊和植物殘根后用自封袋帶回室內；另用消過毒的無菌鏟在每個樣方取表層樣20 g 裝入無菌袋，在低溫下運回實驗室，放入4℃冰箱冷藏待用，且取樣過程、運輸環節盡可能保持無菌。

1.3 樣品分析測定

土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用0.5 mol/L 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤pH 采用電極法(水土質量比 2.5∶1)測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定[19]。土壤樣品委托青海省農林科學院分析測試中心測定。土壤微生物數量采用混合平板計數法測定：細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用虎紅培養基，放線菌采用高氏1號培養基[20]。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2007 進行數據整理，運用SPSS 19.0進行描述性統計分析、單因素方差分析及顯著性檢驗，顯著水平設定為α=0.05。其次，基于R 語言軟件的隨機森林算法進行影響因子重要性分析。隨機森林算法是由Leo Breiman 提出的一種新型高效的組合分類法，通過自助法(Bootstrap)對樣本數據進行抽樣，由隨機向量(X，Y)構建組合模型。鑒于隨機森林模型可處理大量數據，易于建立又易于解釋，可用來評估本文中變量的重要性，提高效率[21]。

2 結果與分析

2.1 不同坡向立地條件植被特征

由圖2A 可以看出，種植在排土場南坡與東南坡的植被高度顯著高于東坡與北坡的植被(P＜0.05)，而東坡的植被顯著高于北坡(P＜0.05)。由圖2B 可以看出，植被生物量在東南坡為115 g/m2，顯著高于其他3 個坡向(P＜0.05)，南坡生物量顯著高于北坡與東坡(P＜0.05)，北坡與東坡差異不顯著(P＞0.05)。由圖2C可以看出，東南坡的植被蓋度顯著高于南坡、北坡與東坡(P＜0.05)，南坡植被蓋度顯著高于東坡(P＜0.05)，北坡與南坡、東坡差異不顯著(P＞0.05)。由圖2D 中可以看出，南坡植被生殖枝數量顯著高于北坡與東坡(P＜0.05)，東坡與其他3 個坡向差異不顯著(P＞0.05)，北坡與東坡差異不顯著(P＞0.05)。由圖2E 可以看出，植被幼苗高度在4 個坡上差異不顯著(P＞0.05)。由圖2F 可以看出，東南坡的幼苗蓋度顯著高于其他3 個坡向(P＜0.05)，其余 3 個坡向之間差異不顯著(P＞0.05)。由以上分析可知，不同的坡向種植對地上植被特征有一定的影響，東南坡與南坡相較于北坡與東坡，地上植被質量明顯較好。

圖2 不同坡向立地條件下植被特征變化Fig. 2 Vegetation characteristics under different aspects

2.2 不同坡向立地條件表層土壤理化性質

從表1 可以看出，排土場山南坡表層土壤全氮含量高于其他3 個坡面，但是差異不顯著(P＞0.05)。全磷含量在南坡最高，顯著高于北坡與東坡(P＜0.05)，與東南坡差異不顯著(P＞0.05)。全鉀含量在東坡最高，顯著高于南坡與北坡(P＜0.05)，與東南坡差異不顯著(P＞0.05)。南坡與北坡全氮含量差異也不顯著(P＞0.05)。土壤堿解氮含量南坡為85.58 mg/kg，比北坡、東南坡、東坡分別高53.58、43.33、54.33 mg/kg，差異顯著(P＜0.05)。有效磷含量在4 個坡面差異不顯著(P＞0.05)。速效鉀含量在東南坡含量最高，顯著高于南坡與北坡(P＜0.05)，與東坡差異不顯著(P＞0.05)。有機質含量在北坡高達163.52 g/kg ± 56.98 g/kg，顯著高于其他3 個坡面(P＜0.05)。土壤pH 在4 個坡面無顯著變化(P＞0.05)，均偏堿性。土壤體積含水量在北坡與東坡含量較高，平均比南坡與東南坡高66%，差異顯著(P＜0.05)。由以上分析可以看出，不同坡向立地條件對露天煤礦區排土場表層土壤理化性質有一定的影響，全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有機質與含水量等具有明顯差異。

表1 不同坡向條件下表層土壤理化性質Table 1 Soil physiochemical properties under different aspects

2.3 不同坡向立地條件表層土壤微生物數量

從表2 中可以看出，細菌數量在東南坡最高，顯著高于其他3 個坡面(P＜0.05)，北坡與東坡顯著高于南坡(P＜0.05)，南坡細菌數量最少，僅為(0.12 ±0.10)×102cfu/g。放線菌數量在不同坡向條件下無顯著差異(P＞0.05)。真菌數量在東南坡數量為(3.14 ±1.99)×106cfu/g，顯著高于其他3 個坡向(P＜0.05)。

表2 不同坡向條件下表層土壤微生物數量Table 2 Soil microbial populations under different aspects

2.4 礦區排土場表層土壤的主要影響因子

圖3 為隨機森林方法對不同坡向表層土壤理化性質以及植被恢復特征的22 個建模因子的重要性分析。重要性指標為平均準確率降低度與基于平均基尼指數遞減度，兩個指標數值增大，則代表對應的影響因子越重要。從圖3 中可以看出，土壤細菌數量、含水量、堿解氮、全磷、植被高度與土壤有機質含量是影響排土場不同坡向立地條件下植被與土壤特性的主要因子，通過隨機森林法計算平均準確率降低度，土壤細菌數量的影響力為 16.35，土壤含水量為12.01，土壤堿解氮為11.21，全磷為10.25，植被高度為9.39，土壤有機質為8.60，依次降低。為了更好地分析各因子對不同坡向立地條件下植被與土壤特性的影響規律，本文對6 個重要因子繪制了作用曲線(圖4)。圖4 中橫坐標對應因子取值，縱坐標對應該因子對排土場植被與土壤特性影響的貢獻概率值，即縱坐標值越大，該因子對排土場不同坡向立地條件的影響越大。細菌數量的重要性排序最高，從圖4 中可以看出，隨著細菌數量的增大，對不同坡向排土場特性影響增大。土壤含水量是維持土壤循環系統不可缺少的物質，從圖4 中可以看出，隨著土壤含水量的升高，對不同坡向排土場表層土壤的影響逐漸增大，當含水量為25.4% 時，有略微下降。氮是植物需要量較大的營養元素，從圖4 中可以看出，堿解氮含量為49 mg/kg 時，對不同坡向排土場特征的影響最大，之后隨著堿解氮含量的增大影響力逐漸下降并趨于穩定。從圖4 曲線中可以看出，全磷含量大于1.6 g/kg時，對4 個坡向的植被與土壤特性影響最大。植被高度是對排土場表層基質養分的響應，從圖4 中可以看出，隨著植被高度的增高，對不同坡向立地條件的影響顯著上升，當植被高度上升至34 cm 時，影響最大，隨后隨著植被高度增高，影響力緩慢下降并趨于穩定。而土壤有機質為47 g/kg 時對不同坡向排土場特性影響最大，之后影響力下降。

3 討論

3.1 不同坡向立地條件對排土場植被特征變化的影響

坡向作為一個最重要的地形因子，不同坡向因光照、水分、溫度、土壤等差異，使植被特征不同。南坡受較多太陽輻射影響，具有較高的溫度，北坡則溫度較低且濕度大。同時，土壤是植物生長的物質基礎，植物的生長發育和分布與不同坡面的土壤特征存在著重要關系[22]。植被生長與生存環境之間是一種相互協同進化和適應的關系，植物在不同坡向立地條件下長勢不同，也會因生境的不同而出現一些可塑性反應[23]。從本文研究結果可以看出，植被高度在南坡和東南坡高于東坡和北坡，北坡植被高度最低，這說明植被高度與日照時數關系密切，日照時數會影響熱量與水分的平衡[24]，從而影響植被的生長高度。植被蓋度與產量按東南坡、南坡、東坡、北坡的順序下降，南坡與東南坡相比較低，這可能是由于南坡溫度更高，光照更強，蒸散作用大，土壤中水分可利用性低，使植被蓋度與產量低于東南坡。正是由于以上原因，使得北坡與東坡的植被生長狀況稍差。植被生殖枝數量在南坡和東南坡高于其他2 個坡，這是因為坡向的不同造成了植被生長期的差異，溫度縮短了北坡與東坡的生長周期，減緩了生殖枝的發育。幼苗的出現，證明在排土場山植被恢復中，有成熟種子脫落并發芽，說明植被恢復呈穩定演替方向發展。一般情況下幼苗時期是對環境最敏感的時期，坡向的差異使種子發芽率與幼苗成活率表現出明顯的差異，所以幼苗蓋度在不同坡向有顯著差異。鑒于不同坡向對排土場人工植被建植有一定的影響，在今后露天煤礦區排土場植被恢復初期應增加東坡與北坡(陰坡)的播種量以及恢復過程中及時補播和追施氮肥，減小不同坡向對植被生長造成的差異。

圖3 不同坡面變量的重要性排序Fig. 3 Importance rank of variables under different aspects

圖4 基于隨機森林方法的主要生態因子對不同坡面表層基質的影響Fig. 4 Effects of main ecological factors on topsoil substrate under different aspects based on random forest method

3.2 不同坡向立地條件對排土場土壤特征變化的影響

土壤養分狀況在土壤質量維持和改善中具有重要作用，也是植被恢復生態環境效應的重要體現[16]。在同一區域成土條件一致的情況下，土壤養分會因為坡向不同存在差異[18,25]。在不同坡向立地條件下，排土場表層土壤全量氮、鉀含量與速效氮、磷含量均在東南坡與南坡最高，而其有機質含量顯著低于北坡與東坡，這是因為在植被生長過程中需要吸收大量的速效氮、磷、鉀，而植物生長所需的養分是由土壤中有機質轉化而來，南坡與東南坡的植物由于地形原因，生長速率快，促進了土壤中物質循環，加快了土壤中物質的輸入和輸出速率。同時，南坡與東南坡的植被蓋度高，提高了土壤氮、磷、鉀的利用率[26]。而北坡與東坡土壤含水量高，土壤空隙由水分充塞，通氣受阻使有機質礦化率低，有利于有機質的積累[27]。排土場坡面的不同立地條件對土壤pH 的影響略微，這是由于在植被恢復3 a 的時間下，植物根系與凋落物并不多，與有機質結合分解、轉化的過程中，產生有機酸含量少，不足以降低礦區排土場表層土壤pH[10,28]。坡向通過調節太陽輻射狀況來影響水分的平衡，在排土場南坡與東南坡光照強，蒸散作用大，表層基質含水量低[24]。因此，在今后高寒礦區恢復中，排土場東坡與北坡(陰坡)播種時應覆蓋至少為50 g/m2的加厚無紡布，保溫效果更好，有利于種子發芽及出苗生長。

3.3 不同坡向立地條件對排土場土壤微生物數量的影響

土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，主要參與土壤養分與物質的循環代謝過程，與土壤健康狀況密切相關[29]。煤礦區排土場的特殊結構和地形特點使表層基質肥力差，而地形會通過光照分布影響土壤水熱條件[30]。不同坡向由于其水熱條件的差異，影響土壤中微生物的數量，土壤溫度與水分對微生物代謝活動有很大影響[31-32]。在本文中，細菌與真菌在東南坡的數量最多，而南坡含量僅有0.12×102cfu/g，這是因為東南坡的光照、水分及植被生長狀況均良好，光照強度使土壤干濕交替與晝夜溫差不大，并且植被的旺盛使枯枝落葉增多，增加腐殖質，影響著土壤養分的保持與土壤結構的形成[33]，相對于其他3個坡面，有利于細菌代謝生長。不同坡面對土壤放線菌的影響不大，這可能是因為排土場恢復初期，選擇人工建植的植物種只有3 種，并且排土場恢復時間較短，每個坡面的植物種類基本無差異，植物產生的枯枝落葉基本相同，使土壤放線菌數量無差異[34]。

3.4 礦區排土場不同坡向表層土壤特征的主要影響因子

露天煤礦區排土場土壤與植被的交互影響作用復雜，因為在現階段處于植被恢復初期，土壤各因子不穩定，植被的生長也處于適應階段[35]。隨機森林法得出結果表明，細菌、含水量、堿解氮、全磷、植被高度與有機質是影響排土場表層土壤特征的主要影響因子。細菌是土壤微生物中重要的組成部分，含氮量高，含碳量低，可促進土壤養分的形成與分解[36]，不同坡向植被恢復后土壤細菌的環境影響因子主要為含水量、有機質及全磷含量[37]，這說明土壤微生物在植被恢復過程中起著重要的作用。土壤含水量對植被的生長與土壤養分循環及土壤微生物的活動均有不可或缺的作用，在不同坡面立地條件下，由于不同的光照強度與時間導致了土壤含水量的差異。土壤中氮素是植物生長發育所需的大量元素，是調節生態系統生產力、結構與功能的重要元素，在氮循環中至關重要，而氮含量的高低與植被特征密切相關[38]，故而在不同坡向條件下有一定差異。不同坡向含水量的差異影響了植被可吸收的無機磷含量，排土場較低的含磷量限制了植被的生長。土壤中有機質的含量影響著土壤的肥力，進而影響了土壤質量與結構功能[39]，排土場北坡表層土壤含水量高，溫度低，有利于有機質的積累與保存。通過分析排土場不同坡向表層土壤的主要影響因子，建議在排土場恢復中及時補充氮肥以利于加速植被恢復進程。

4 結論

1) 在青海江倉礦區排土場進行不覆蓋客土利用多年凍土植被恢復中，不同坡向立地條件下，南坡與東南坡(陽坡)的植被高度、蓋度、生物量、生殖枝數量等特征均顯著高于北坡與東坡(陰坡)。說明坡向不同顯著影響植被的生長，因此在高寒礦區植被恢復過程中增加陰坡(東坡與北坡)坡面的播種量并及時追施速效肥料有利于植被的快速恢復。

2) 在排土場不同坡向立地條件下，表層土壤的全磷、全鉀、速效氮磷鉀、有機質及含水量具有明顯差異，因此，在排土場恢復初期應增加陰坡(北坡與東坡)種植時所用無紡布厚度，減小坡向不同對植被生長帶來的影響。

3) 坡向的不同對排土場表層微生物數量有一定影響，東南坡(陽坡)的土壤細菌和真菌數量顯著高于其他3 個坡面。

4) 在高寒礦區排土場植被恢復過程中，排土場表層細菌數量、含水量、堿解氮、全磷與植被高度是影響植被生長的主要影響因子。因此，及時補充氮肥有利于加速礦區排土場植被恢復進程。