覆土處理對高寒礦區露天煤礦排土場植被和土壤特征的影響

高志香, 李希來,2, 張 靜,2, 金立群, 周偉

(1.青海大學 農牧學院, 青海 西寧 810016; 2.青海—廣東自然資源監測與評價聯合實驗室, 青海 西寧 810016； 3.中國地質大學 土地科學技術學院， 北京 100083)

木里煤田是青海省內面積最大的煤礦，礦區面積159.13 km2[1]，地處高寒，氣候條件惡劣，該區生態環境脆弱而敏感，植被破壞后很難恢復[2-5]。由于頻繁的采礦活動和長期不合理的開采利用，導致木里地區大面積原有地表植被遭到嚴重破壞，礦區植被覆蓋率下降，同時也降低了土壤肥力[6-7]。尤其是因露天開采而堆積起來的排土場，表層基質極不穩定，易遭到水蝕、風蝕的侵害作用，從而加速土壤養分流失和土壤退化的進程。此外，排土場的堆積減少了可利用天然草地的面積，不利于當地畜牧業的發展。因此，為保護木里地區生態安全，對大面積排土場的治理修復不容忽視[8-11]。

土壤是植物生存的基礎，擁有良好的土壤母質，是植被生長和生存的關鍵[12-13]。隨著國家對礦區生態恢復重視度的提高，礦區土壤改良技術的研究已成為眾多學者關注的焦點。中國在20世紀50年代末就已開展礦山恢復工作，但由于經濟及技術限制等原因致使礦山恢復的研究和進程極為緩慢[14]。近幾年來，有關礦山治理的方法及措施得到了大量的驗證，其中通過采取物理、化學和生物方法來重建土壤結構和提高肥力，達到改善和恢復土壤的目的是礦區生態恢復過程中的關鍵措施。但是針對高寒礦區植被恢復的治理研究很少[5]，楊鑫光等[15]對高寒礦區煤矸石山植被和土壤恢復的研究中發現，種草+覆土或種草+施肥的組合方式可以有效恢復礦山植被和土壤養分。金立群等[16]通過研究高寒礦區露天煤礦排土場不同年限植被和土壤特征變化，發現礦區排土場植被缺乏自我更新能力，排土場人工建植植被有利于排土場表層土壤養分的恢復。覆土與種草或施肥等組合技術對礦山植被和土壤特征的恢復已有研究報道，在施肥等技術支撐下，進行覆土處理是否可以使礦區植被恢復達到更佳的效果？目前這一結論尚未得到明確證實。基于此，本研究通過對木里煤田5個覆土處理和3個不覆土處理的礦區排土場植被和土壤進行調查分析，探討高寒礦區露天煤礦排土場植被和土壤在不同恢復年限的變化特征，明確影響植被恢復的主要土壤養分因素，以評估覆土措施在露天煤礦排土場所達到的植被恢復效果，為高寒礦區生態保護和恢復提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

木里煤田位于青海省大通河上游盆地，橫跨海西、海北兩大自治州(海拔：3 883 m；38°20′49″N；99°28′54″E)，地勢平緩，起伏不大[17]。植被類型為高寒沼澤化草甸植被，主要建群種為藏嵩草(Kobresiatibetica)，原生土壤為沼澤草甸土[18]，地表水豐富，分布均勻，高寒草甸和濕地保存的較為完整。木里煤田東西長50 km，南北寬8 km，總面積約400 km2，由于礦產資源的大規模開采，煤田周圍形成面積近1.04×106hm2的露天排土場，主要由腐植表土、風化巖土、堅硬巖石以及混合巖土、煤矸石、煤炭、凍土等組成，極易發生坍塌等地質災害，繼而使土壤結構遭到嚴重破壞，周邊生態環境亟需治理和修復[19]。

于木里煤田選擇義海、慶華、興青等8個礦區進行調查研究，且各礦區排土場未覆土前的基礎物質組成基本一致，主要由腐植表土、風化巖土、堅硬巖石以及混合巖土、煤矸石、煤炭、凍土等組成。后期覆土的材料也基本上一致，覆蓋土壤都是原生草甸腐殖土。樣地經緯度、海拔、覆土處理、植被建制年限、原表土基本性質等情況詳見表1。

表1 木里煤田8個典型礦區概況

1.2 研究方法

1.2.1 野外試驗設計及內容 本試驗中，覆土前先對各個排土場進行削坡整形，邊坡刷坡分級放緩邊坡、修建排水溝、修筑馬道，5個覆土樣地中的土壤是由煤礦開采時剝離的原表土層經過二次倒運，機械覆于排土場表層，覆土厚度為25 cm。覆土土壤理化性質為：全氮1.78±0.21，全磷0.85±0.10，全鉀22.11±1.57，堿解氮16.50±1.73，速效磷1.93±0.26，速效鉀58.25±38.02，有機質59.89±15.25，pH值8.63±0.08，容重1.75±0.22。3個不覆土礦區樣地作為對照。

調查的8個礦區樣地人工植被選用草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，這3種禾本科植物作為青藏高原地區典型植物種，近年來被廣泛用于退化高寒草甸生態系統的人工恢復，特別是高寒礦區煤矸石山的人工建植當中。按2∶1∶1的播種比例，播量為300 kg/hm2。人工草地建成后，進行施肥，用量為磷酸二銨275 kg/hm2+氯化鉀100 kg/hm2，往后每年都施追肥。調查的礦區樣地均選在陽坡，每個樣地的海拔高度、坡度、覆土材料等生態條件盡可能保持一致。

在2018年8月，在每個礦區排土場的陽坡坡面隨機選取3個1 m×1 m的樣方進行植被調查，每個樣方間距10 m。每個樣方內測定植被的高度、蓋度、幼苗高度、幼苗蓋度、苔蘚蓋度(植被高度是指樣方內草層平均高度，蓋度是指樣方內植被投影蓋度，幼苗高度和蓋度是指當年萌發幼苗的高度與蓋度)。由于排土場坡面土層較薄，故僅對每個樣方內0—10 cm土壤進行取樣，采用3點取樣法，在每個樣方內的挖取3次重量相當的土樣，并混合后去掉大的石塊和殘枝落葉后裝入密封袋，跟植被樣方一樣重復3次，帶回實驗室進行土壤理化性質的分析測定[19]。

1.2.2 室內試驗測定與數據分析

(1) 土壤理化性質的測定。野外采取土壤樣品先進行風干處理，并過2 mm篩備用，進行土壤理化性質測定。各指標測定方法為：采用半微量凱氏定氮法測定全氮，采用碳酸氫鈉法測定全磷，采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測定全鉀，采用堿解擴散法測定速效氮，采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定速效磷，采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定速效鉀，采用電極法測定土壤pH值，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質[16]。

(2) 數據分析。植被特征包括植被高度、植被蓋度、幼苗高度、幼苗蓋度和苔蘚蓋度5個指標；土壤理化性質包括全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀和有機質含量，以及pH值和容重9個指標，共14個分析指標。應用R語言3.6.1，對8個樣地24個樣方中植被特征和土壤理化性質共14項指標進行聚類分析和非度量多維尺度分析，N代表不覆土樣地，N1—3代表樣方號(青煤：N1，N2，N3，中澳：N4，N5，N6，圣雄：N7，N8，N9)，F代表覆土樣地，F1—5代表樣方號(義海：F1，F2，F3，慶華：F4，F5，F6，興青：F7，F8，F9，中鐵：F10，F11，F12，鹽湖：F13，F14，F15)。

運用SPSS 20.0軟件，通過雙因素(覆土+年限)方差分析分析不同年限間覆土處理下植被特征和土壤理化性質差異，具有顯著差異的因素進行多重比較(LSD法)，用R語言4.0.2進行RDA冗余分析。

2 結果與分析

2.1 覆土處理下礦區露天煤礦排土場植被特征和土壤理化性質的變化

2.1.1 覆土處理礦區不同年限間樣地植被特征變化 由表2可知，幼苗高度在覆土處理下顯著高于不覆土處理下(p<0.05)，但其他植被蓋度、高度、幼苗蓋度、苔蘚蓋度等指標并沒有達到顯著差異，這說明覆土條件下植被生長狀況并沒有顯著優于不覆土處理水平。通過多重比較，在不覆土樣地中，建植4 a樣地的植被蓋度顯著高于的3 a(p<0.05)，建植5 a樣地的幼苗蓋度和苔蘚蓋度顯著高于3 a和4年的(p<0.05，表3)。由此得知，植被建植3 a后，植被蓋度、幼苗蓋度、苔蘚蓋度都有所增加，尤其是苔蘚蓋度增加了約29.84 %，幼苗蓋度從2 %增加到4.33 %。在覆土樣地中，建植5 a樣地的苔蘚蓋度顯著高于3 a和4年的(p<0.05)。建植第3—4 a，除植被高度外，其他幾項植被特征的值都顯著增加，說明植被的生長狀況隨年限的增長趨于良好。

表2 8個樣地植被特征變化雙因素方差分析結果

表3 不同年限8個樣地植被特征的變化

2.1.2 覆土處理礦區不同年限間樣地土壤化學性質差異 從表4可以看出，土壤全磷、速效氮、速效磷、速效鉀、有機質在覆土時顯著高于不覆土(p<0.05)；全鉀、pH值在不覆土時顯著高于覆土(p<0.05)。全磷、全鉀、速效磷、有機質在交互作用下達到顯著差異(p<0.05)。由此得出，在相同年限間土壤的化學性質中除了全氮、全鉀、pH值之外，其他化學指標覆土樣地高于不覆土樣地。

表4 8個樣地土壤理化性質變化雙因素方差分析結果

多重比較結果顯示(表5)，在不覆土樣地中建植4 a的全鉀、速效鉀、有機質顯著高于3 a的(p<0.05)；建植3 a的pH值顯著高于4 a和5 a(p<0.05)；全鉀、速效鉀在建植3—4 a都呈現增加的趨勢，尤其是速效鉀，從83.33 g/kg增加到了202.67 g/kg。在覆土樣地中，建植3—4 a的速效氮、速效鉀都呈現增加的趨勢，其中速效氮增加的最明顯，從76.17 g/kg增加到了171.50 g/kg；建植4 a的全磷顯著高于3 a(p<0.05)，全磷從建植第3—4 a增加了0.69 g/kg；建植5 a的pH值顯著低于第3—4 a(p<0.05)；這說明隨著人工植被建植年限的增加，土壤pH值逐漸適應植物的生長，土壤的化學性質趨于良好，土壤的養分逐漸增加。

表5 不同年限8個樣地土壤化學性質的變化

2.2 覆土處理下植被和土壤生態因子的聚類分析

由圖1所示，不覆土的N4，N5，N6代表的中澳樣地的3個樣方聚在一起，說明這幾個樣地中植被特征和土壤理化性質方面具有相似性；覆土的F10，F11，F12聚在一起，表明中鐵樣地的3個樣方的植被特征和土壤理化性質間不存在差異性；不覆土的N1，N3，N9，N7，N8代表的青煤樣地的樣方1，樣方3和圣雄樣地的3個樣方聚在一起，代表這幾個樣方中植被特征和土壤理化性質間不存在顯著的差異性；覆土的F15，F13，F14代表的鹽湖樣地和F8，F7，F9代表的興青樣地與不覆土的N2代表的青煤樣地的樣方2聚在一起，表明鹽湖和興青樣地的生境條件不存在差異性；覆土的F1，F2，F3，F4，F5，F6代表的義海和慶華樣地聚在一起，即義海和慶華樣方中的植被特征和土壤理化性質間差異不顯著。

從圖1中可以看出，8個樣地按照相似性被分為兩大類，第一大類為不覆土的青煤、中澳、圣雄3個樣地和覆土的興青、中鐵、鹽湖3個樣地，其中不覆土的樣地占50%，覆土的樣地占50%。由此可見，覆土處理3 a之后，興青、中鐵、鹽湖3個樣地已經失去了覆土的效果。第二大類為覆土的慶華和義海3個樣地。

注：N表示不覆土處理； F表示覆土處理。

2.3 覆土處理下植被特征和土壤理化性質的RDA排序

圖2結果表明，土壤理化性質與植被特征在第Ⅰ和Ⅱ軸的解釋量分別為54.5%和45.5%，即9種土壤理化性質前2個排序軸累計解釋了100%的植被特征變化，說明前兩軸能夠真實地反映土壤環境因子對植被特征的影響情況，并主要由第Ⅰ軸決定。實心箭頭代表土壤理化性質指標，虛線代表植被特征，箭頭連線長度和相應夾角余弦值代表土壤理化性質與植被特征的相關性大小，箭頭連線越長、余弦值絕對值越大，則說明某一土壤理化性質與植被特征的相關性越大。

注：①圖中箭線為虛線表示植被特征。VH為植被高度；VC為植被蓋度；SH為幼苗高度；SC為幼苗蓋度；MC為苔蘚蓋度；②箭線為實線表示土壤理化特征。TN為全N；TP為全P；TK為全K；N為速效N；P為速效P；K為速效K；SOM為有機質；BD為容重。

由圖2可知，pH值、全氮、速效氮、有機質箭頭連線最長，表明其是對植被特征影響最大的環境因子，全磷、速效磷、速效鉀對植被特征的影響較大。速效鉀、速效磷、全磷、有機質、全氮、速效氮與軸1呈正相關關系，這些指標的含量與苔蘚蓋度呈正相關關系；pH值、容重、全鉀與軸1負相關關系，且和植被高度、植被蓋度、幼苗高度、幼苗蓋度呈正相關關系，與苔蘚蓋度呈現負相關關系。

由上述結果可知，土壤環境因子對植被特征的影響是不盡相同的，由土壤環境因子解釋的重要性排序結果(表6)可知，土壤理化性質對植被特征的重要性排序依次是pH值、全氮、有機質、速效氮、速效鉀、速效磷、全磷、全鉀、容重，說明土壤pH值、全氮和有機質是植被的生長的關鍵因子，但是這些環境因子對植被特征的變化的影響并不顯著(p>0.05)。

表6 土壤環境因子解釋的重要性排序和顯著性檢驗結果

3 討 論

3.1 不同年限間礦區排土場植被特征和土壤理化性質

在木里煤田的8個調查樣地中，幼苗蓋度和苔蘚蓋度隨著年限的增加而增大，金立群等[16]在研究不同恢復年限對高寒露天煤礦區江倉排土場植被和土壤特性的影響時，發現植被在種植1，3，5 a間存在顯著差異，植被高度、蓋度、幼苗蓋度隨年限的增加而增大，土壤理化性質也隨年限的增長逐步改善，這與本研究結果一致。郭李凱等[20]在研究煤矸山重構土壤養分和重金屬污染狀況時，采用不同復墾年限作為處理，所得結果隨著復墾年限的增長，土壤中的速效鉀、速效磷、全氮、有機質、pH值也呈現顯著差異，這也和本研究中的結果一致。

3.2 覆土下植被特征和土壤理化性質的聚類分析

覆土作為土壤重構的技術之一，對植被生長具有促進作用。一些研究礦山植被恢復的學者都運用覆土的方法來達到恢復礦山的目的，谷金鋒等[21]研究的覆土對象是坡度較小的矸石山，且覆土區域面積小，對這類表層無土的矸石山進行覆土來調整土壤結構是必要的，而本研究中，研究區處在環境條件惡劣、氣候寒冷較為獨特的木里煤礦，且礦區面積較大，為此木里煤田大部分礦區進行了覆土處理，小部分礦區沒有覆土直接建植人工草地。我們對木里煤田覆土和不覆土8個樣地進行了聚類分析，得到覆土處理的3個樣地和不覆土處理的3個樣地聚到一起，這說明它們沒有顯著差異，這個結果與覆土和不覆土處理中植被特征和土壤理化性質的數據分析結果一致，這表明在恢復3 a之后由于水蝕、風蝕等作用使得覆土處理的優勢不明顯。楊鑫光等[15]在研究木里煤田江倉礦區不同覆土深度對高寒礦區植被和土壤性質的影響時，更說明了這個問題。由于本試驗樣地屬于缺土地區，交通不便利，覆土成本更是達到了43.5元/m2[4]。另外，木里煤田高寒礦區排土場沒有重金屬污染，因此不覆土進行人工建植，不會在牧草中造成重金屬沉積而影響當地畜牧業生產。

3.3 覆土處理中植被特征和土壤理化性質RDA排序

由植被特征和土壤理化性質的RDA排序結果知，pH值和有機質、全氮含量與植被生長密切相關，這和劉育紅等[22]在探討高寒草甸植被特征和土壤因子的關系時得到的結果一致。土壤pH值控制著土壤Eh值，對植被根域內外養分的轉化和移動起著關鍵作用，速效氮、速效磷、速效鉀與植被的生長發育和生理代謝有著十分密切的關系[23]，土壤中的全氮是衡量當前土壤肥力的重要指標之一[24]，有機質的含量可以用來衡量當前區域植被的生長狀況[25]。由本試驗數據可以得到，義海和慶華礦區兩個樣地的速效氮和速效鉀以及其他土壤指標都是較其他幾個礦區樣地為最高，所以導致了聚類結果中義海和慶華聚在一起。有研究表明[19]，本研究區排土場的持水能力較弱，但是其表層基質中富含氮和磷，而由本試驗結果得到該地區全氮含量較低，因此在對礦山植被和土壤恢復的后期治理研究中，建議考慮采用施用有機肥和追施化肥(尿素)等措施，需要研究最適合的施肥組合以及施肥量，這是目前還未解決的科學問題。

4 結 論

(1) 覆土和不覆土樣地植被特征和土壤理化性質隨著植被恢復年限的增長而得到改善，植被蓋度和苔蘚蓋度的變化最明顯；覆土和不覆土樣地植被特征和土壤理化性質綜合指標差異不顯著；

(2) 非度量多維尺度分析結果顯示，影響覆土處理的主要土壤因子是速效氮、速效鉀、全氮和有機質。因此，為減少植被恢復成本高寒礦區木里煤田的植被恢復，可以采用不覆土加施有機肥結合追施化肥等措施。