露天煤礦排土場干草轉移對坡面草本層重建與土壤改良研究

劉丹，楊兆青，榮正陽，梅靜，陸兆華

(中國礦業大學(北京)恢復生態學研究所，北京 10083)

我國的資源特點是富煤、貧油、少氣，煤炭資源長期處于我國能源結構的主體地位[1]。隨著東部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭資源開發主陣地逐漸“西移”。西部是我國重要的生態功能區，對水源涵養和水土保持等有重要的意義[2]。而煤炭資源的開采，特別是露天煤礦的開采，將土壤層層剝離，不僅損毀地貌、破壞土壤結構，而且加劇水土流失、生物多樣性喪失和生態系統退化等問題[3-4]。因此，對排土場進行生態恢復至關重要，也是實現可持續發展的必要手段。

現在采取的生態恢復措施主要有地貌重塑、土地復墾和植被恢復等[5]。植被恢復一直被認為是實現生態恢復的重要手段，在復墾的土地上種植不同的植物，通過土壤—植物的相互作用改善生境條件，促進植被、土壤微生物和動物的恢復，最終實現可自我維持的生態系統的恢復[6-7]。珊丹等[8]對草原區排土場不同植被類型恢復的研究發現，相較于喬灌群落、灌木群落、草本群落的單一配置模式，采用灌草結合恢復方式的生物多樣性指數、土壤的營養條件最好；王麗麗[9]對排土場恢復長達19年的研究發現，隨著復墾年限的增加，植被恢復能在一定程度上改善生境條件，其中灌草混合對土壤改良效果最明顯，但仍很難恢復至自然水平。

生態恢復是一個漫長的過程，現有的研究大多是關于排土場的恢復效果，已采取的恢復措施常受制于當時的認識、技術條件和環境因素等，普遍存在重視喬木或灌木的恢復而忽視草本層的恢復，導致群落結構單一、土壤三相結構失衡(特別是表層土壤)，使得排土場極易在雨水沖刷時引發嚴重的水土流失、侵蝕溝縱橫等問題。本研究以已經恢復的排土場為研究對象，擬采用一種新的輔助解決方案，提高露天煤礦區排土場群落穩定性并控制水土流失態勢。

本研究以北電勝利1號露天煤礦北排土場為研究對象。現場調研發現，該排土場平臺草本植物茂盛，坡面灌木長勢良好，但在缺乏草本植物的坡面侵蝕溝現象嚴重，這可能是由于缺乏草本層植物對坡面徑流的阻滯作用和根系對表層土壤的固定作用造成的。Agnes-Júlia Albert等[10-11]對草原群落恢復的研究發現，在種子成熟期對草本植物進行刈割，通過轉移草本植物能有效促進種子的傳播；Agata Klimkowska等[12]還發現干草轉移帶來的繁殖體可有效促進草本群落的恢復。本文擬收獲排土場平臺上草本植物生物量，通過干草轉移技術重建坡面草本層，并試圖通過草本層片地下根系對土壤的固持作用及根際效應等，改善排土場坡面土壤理化特征，提高坡面群落結構及植被覆蓋率，進而提升露天排土場坡面生態穩定性。

1 材料與方法

1.1 實驗區概況

勝利一號露天煤礦位于內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市北郊5千米處，屬半干旱草原氣候，風沙大，年平均降水量小于300 mm，主要集中在夏季，年均蒸發量大，約1800 mm。年平均溫度1.7 ℃，最高溫度近40 ℃，最低溫度可達零下40 ℃，無霜期僅為110天～130天。土壤類型為栗鈣土，且土壤有機質含量低、肥力差，沙化嚴重。礦區植被類型為典型草原，主要建群植物為針茅(Stipabreviflora)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)等。勝利一號北排土場坡面安息角為30°～33°，屬于陡坡，占地面積107萬平方米，2006—2009年進行復墾，采用人工種植小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)，播種黃花苜蓿(Medicagofalcata)和披堿草(Elymusdahuricus)等進行植被恢復。

1.2 實驗設計

為在自然條件下開展實驗，避開道路、灌溉等干擾，本研究具體選擇北排土場南坡、北坡的第四階坡面作為實驗區。在北排土場南坡、北坡設置5m×5m的樣地作為實驗組和對照組，并設置三個平行，對應的平臺設置1個，共設置14個樣方。每個樣地間隔0.5m～1m。2017年9月，草本植物成熟期在平臺進行干草刈割。首先在平臺選取5m×5m的樣方進行刈割、稱重，隨后進行條帶收割。將收割的干草自然風干后按300%的比例均勻覆蓋至對應坡面，厚度約為3cm，480g/m2，并用尼龍網固定。在第二年夏季對所有樣方群落進行調查和土壤樣品采集。

1.3 測定方法與數據分析

1.3.1 植物群落學特征調查

于2018年8月植物生長旺盛期對植物進行群落學特征調查，記錄每個樣方內的植物種類、數量、蓋度和高度。

1.3.2 土壤樣品采集與測定

采用S形五點采樣法，同期隨機在每個樣方內分0～5cm和5cm～10cm兩層進行土樣采集，經自然風干后，過2mm土壤分析篩；pH值采用電位法，通過酸度計直接測定；土壤溫度(ST)和含水率(MC)用順科達TR-6D土壤溫濕度儀直接測定；土壤全氮(TN)采用元素分析儀測定；有機質(OM)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量的測定分別采用重鉻酸鉀—油浴法、堿熔—鉬銻抗分光光度法和氫氧化鈉火焰光度法；速效鉀(AK)的測定采用醋酸銨浸提—火焰光度法[8]；速效磷(AP)和堿解氮(AN)選用碳酸氫鈉法和氫氧化鈉消解法[14]。由于AP和AN含量極低，不做參考和數據分析處理。

數據分析在SPSS 17.0中進行，采用方差分析和LSD比較不同處理、不同土層土壤的差異性，顯著性水平設定為α=0.05，相關圖表制作在Origin中完成。

1.3.3 物種多樣性統計分析

α物種多樣性選用3類指數，即Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數和Shannon-wiener多樣性指數，計算公式如下：

Margalef豐富度指數：D=(S-1)/lnN

Pielou均勻度指數：E=H/Hmax(Hmax=lnS)

Shannon-wiener多樣性指數：H’=-ΣPilnPi(Pi=Ni/N)

式中，S為樣方內物種的總數目，N為樣方內觀察到的個體總數，Pi為種的個體數占群落中總個體數的比例，H為實際調查的物種多樣性指數，Hmax為最大的物種多樣性指數。

2 研究結果

2.1 坡面樣地植物群落組成及物種多樣性

樣地內出現的植物種類共有20種，分屬7科17屬，以一、二年生植物為主。平臺的草本植物密度、蓋度顯著高于坡面；坡面草本植物蓋度占比遠低于灌木。經干草轉移后，各實驗樣地的草本植物蓋度均有所提高；南坡實驗樣地的草本植物密度顯著提高，北坡實驗樣地的草本植物密度雖高于對照組，但未達到顯著水平(圖1)。

圖1 不同樣地植被變化

樣地植物多樣性指數均存在顯著性差異(P<0.01)；實驗樣地的Pielou指數和Shannon指數均高于對照組和對應的平臺樣地，北坡的Margalef指數顯著高于對照組；北坡的物種豐富度和多樣性指數普遍高于南坡(表1)。

表1 物種多樣性指數方差分析

2.2 干草轉移對坡面樣地土壤理化性質的影響

研究表明，干草轉移樣地0～5cm表層土壤pH值、地表溫度顯著低于對照樣地和平臺樣地；土壤含水率顯著高于空白樣地，但低于平臺樣地(P<0.05)；土壤有機質、全氮含量與對照組和平臺樣地有顯著差異；全鉀、全磷、速效鉀含量在南坡樣地的差異性達到顯著性水平，其中速效鉀增幅最大，達到13.91%(圖2)。

實驗樣地5cm～10cm層土壤的pH值、土壤溫度與對照樣地及平臺樣地無顯著差異；北坡實驗區土壤含水率顯著高于對照樣地和平臺樣地；南坡實驗樣地土壤含水率高于對照區，但無顯著性差異(P<0.05)；有機質和速效鉀含量與對照組差異達到顯著性水平，其中有機質增幅達16.43%以上；全鉀和全氮含量在南坡樣地有顯著差異；速效鉀在北坡樣地差異性達到顯著性水平。

圖2 不同樣地土壤理化性質

2.3 土壤理化性質相關性分析

采用Pearson相關系數描述土壤理化性質之間的相關性。土壤含水率與溫度和全氮含量呈極顯著負相關關系；土壤pH值與有機質、總磷和總氮呈極顯著負相關關系；有機質與總磷和全氮呈極顯著正相關關系；總磷與總鉀呈顯著正相關關系，與總氮呈極顯著正相關關系；速效鉀與總鉀呈極顯著正相關關系(表2)。

2.4 物種多樣性指數與土壤理化性質分析

由表3可知，Margalef指數與土壤含水率和速效鉀含量呈顯著負相關關系，與有機質呈極顯著負相關關系；Pielou指數與總磷含量呈極顯著正相關關系；Shannon指數與總磷呈顯著正相關關系。

表2 土壤理化特性相關系數矩陣

表3 物種多樣性指數與理化特性相關性系數矩陣

3 結論與討論

排土場主要由采礦剝離的煤矸石、廢渣等廢棄物堆積經覆土而成，其土層結構混雜，土壤肥力較弱，很難在短時間內自我恢復成一個可以自我維持的穩定生態系統[13]。植被恢復是實現露天排土場生態重建的重要手段。半干旱區露天排土場邊坡生態恢復是一個漫長的過程。有研究發現，排土場的生境條件在長達10年甚至近20年時間仍難恢復至自然水平[9，14]。本研究設計的露天排土場邊坡干草生物量轉移實驗可為典型半干旱草原區排土場水土流失控制、植被恢復與重建提供可借鑒的技術支持。

干草轉移有效改善了排土場邊坡土壤水分和土壤溫度條件，本研究區位于半干旱的草原區，土壤水分是該區植物生長的重要限制因子。土壤水分低和高溫是影響坡面種子萌發和生長發育的關鍵因素，特別是在排土場的南坡即陽面，對照組平均土壤溫度高達40℃以上。樣地中出現的20種植物中大部分物種的最適萌發溫度為20℃～25℃，35℃以上的高溫會影響種子的萌發[15-21]。干草轉移顯著降低了土壤溫度，提高了土壤含水率，這可能是南坡實驗區草本植物密度顯著提高的原因。干草轉移實驗設計在草本植物成熟期對平臺植物進行刈割，干草轉移的同時促進了種子的傳播；此外還可提供一定的繁殖體，有助于群落的植物多樣性，這也可能是導致干草轉移樣地表征樣地均勻度和多樣性的指標——Pielou指數和Shannon指數均高于對照組的原因。

干草轉移促進了露天煤礦排土場坡面草本層的重建，改善了邊坡表層(0～5cm)土壤及淺層(5cm～10cm)土壤的固持能力和養分條件。植物根系通過淋溶、根際效應等反作用于土壤，土壤有機質含量得到顯著提高，促進了邊坡土壤養分條件循環，其中草本層植物根系主要分布的0～5cm表層，這一表層的土壤養分條件的改善大于5cm～10cm淺層土壤。

干草轉移對土壤理化性質的改善亦有助于邊坡植被群落的物種多樣性。相關性分析表明，土壤有機質與土壤氮和總磷呈顯著正相關關系；土壤總磷與Pielou指數和Shannon指數呈顯著正相關關系。由此表明，生境條件的改善是通過植物—土壤的相互作用過程積累而成的。

綜上所述，典型半干旱草原區露天煤礦開發排土場干草轉移技術可有效改善邊坡土壤的生境條件，提高土壤的養分條件，促進了植被草本層的恢復，對控制排土場邊坡表層水土流失、提升群落穩定性具有重要的示范意義。