施氮和牛糞添加對煤礦補播區植被恢復效果的研究

摘要：施肥是增加煤礦廢棄地土壤營養、促進植被恢復的有效措施。為探究施氮和牛糞添加對煤礦補播區植物的影響，以煤礦補播草地為研究對象，采用裂區試驗，設置0（CK）、5（N1）、10（N2）、20（N3）、30 g·m?2（N4）5個氮肥（尿素）施用水平和2種牛糞添加模式（0、300 g·m?2），分析施氮和牛糞添加措施對煤礦補播草地植被高度、蓋度、密度和生物量的影響，研究煤礦補播區草地植被在增施氮肥、牛糞措施下的恢復效果。結果表明，施氮對植被蓋度、生物量影響較大，與CK比較，N1處理6、7、9月植被蓋度分別增加1.14%、28.57%、63.64%，植物生物量分別增加14.45%、14.29%、24.46%；而N4 處理6、7、9 月植被蓋度較CK 分別減少44.32%、72.86%、13.64%，6、7月生物量減少36.11%、41.43%。添加牛糞對植被平均高度影響較大，N4處理使6、7月植被平均高度較CK分別降低16.40%、35.05%。從施肥對植物經濟類群來看，施氮+牛糞的施肥模式更有利于禾本科植物的生長，增加了群落中禾本科植物生物量和密度。綜上，添加牛糞可提升植物平均高度，施用氮肥5 g·m?2有利于該類煤礦補播草地植被蓋度、生物量的恢復，而施用氮肥30 g·m?2會對植物產生不利影響。以上研究結果為該類廢棄礦山開展生態修復工作提供科學依據。

關鍵詞：煤礦補播區；施氮；牛糞添加；植被恢復doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0445

中圖分類號：S812.5 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0218‐10

新疆煤炭資源儲量大，分布范圍廣。近年來，隨著我國國民經濟與社會的不斷發展，煤炭需求量也不斷增加，但是由于長期受到資源條件約束以及開采技術等因素影響，區域內生態受到嚴重損害。一方面，粗放式的開采煤炭引起了植被破壞[1]、土壤質量下降[2]、生物多樣性銳減[3]以及水質、大氣污染[4]等環境問題；另一方面，新疆煤礦主要分布在山區草原，煤炭開采侵占了大量草地資源[5]，嚴重制約了當地畜牧業的發展。因此，迫切需要對礦山廢棄地進行生態恢復和重建，以增強礦山生態功能，推進礦山生態系統的可持續發展。研究表明，廢棄礦山植被重建對礦區生態環境的修復最直接、有效[6]，通過播撒一些適應性強、生產和生態價值高的牧草種子，可增加草地植物種類和覆蓋度[7]、增加土壤碳氮固持能力[8]。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）、野苜蓿（Medicagofalcata L.）、冰草（Agropyron cristatum L.）、紅豆草（Onobrychis viciaefolia） 、沙打旺（Astragalusadsurgens）等優良豆科、禾本科牧草已被廣泛應用到退化草地補播改良措施中[9-11]。研究者已探討了適合煤炭礦區的先鋒植物[12]和最佳植被恢復模式[13]等，除了選擇合適的補播物種以外，土壤質量、恢復時間以及人工干擾等都是礦山植被演替恢復以及生態修復過程中不可忽視的影響因素。

礦區土壤養分缺乏制約著補播植物正常生長和發育，造成生態恢復成效不佳，恢復進程遲緩。施肥可提高土壤養分含量，增加草地生產力，改變土壤微生物群落等[14‐15]，有利于植被恢復。在礦區施用有機肥后，土壤含水量、團聚體的穩定性、有機碳含量顯著提高[5，16]，植被高度、蓋度、地上生物量有所提升[17]。因此，合理施肥可有效調節礦區草地土壤養分，促進煤礦補播草地植被的恢復與重建。目前，動物糞便、有機堆肥、泥炭等有機肥被廣泛應用于礦山廢棄地改良，但有機肥料大都需要經過收集、發酵后才能使用，且養分含量低、肥效遲緩，而無機肥具有養分含量高、肥效快、運輸及勞動成本低等優點。基于經濟投入和生態效益等多方面考慮，施用無機肥更適宜當前礦山廢棄地生態修復的迫切要求。

目前，關于礦山補播區施肥對草地植被和土壤的影響主要集中在施肥組合[17]、有機肥種類[18]以及不同恢復時間[19]等方面，而關于有機肥與無機肥配施的研究較少。研究表明，添加氮素是促進植被吸收、利用磷肥和鉀肥的關鍵[20]，長期施用有機肥既能促進自身養分釋放，又能促進土壤中碳氮磷等循環[18]。因此，理論上氮肥+牛糞的施肥模式不僅可以縮短恢復時間，還可以平衡土壤與植物間養分循環，對礦區補播草地的植被恢復具有重要意義。本研究以烏魯木齊市大西溝水庫東側廢棄礦山為研究對象，在簡單微地形營造和人工補播草種后，通過對煤礦補播區植被高度、蓋度、密度及生物量的測定分析，明確不同施氮水平與牛糞添加模式對煤礦補播區草地植被的恢復效果，以期為該類煤炭廢棄礦山區的植被恢復提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區位于新疆烏魯木齊縣大西溝水庫東側的廢棄4 號礦山（43°15′32″N、87°19′48″E），面積約57 000 m2，海拔約2 371 m。該區屬溫帶大陸性氣候，溫差大，寒暑變化劇烈，日照時數長，熱量充足。年均氣溫2～5 ℃，年均降水量350～450 mm，年均蒸發量2 616.9 mm。草地類型為山地草甸草地，以中生禾草和雜類草為主，主要優勢種包括羽衣草（Alchemilla japonica）、早熟禾 （Poa annua）、老鸛草（Geranium wilfordii） 、白車軸草（Trifolium repens L.）、苔草（Carex spp.）。原始地形為低山，自然坡度約15°，試驗前研究區覆蓋了一層土壤，中度風蝕，地表有大塊礫石、煤渣覆蓋。

2021年，在研究區進行了微地形營造、播撒草籽、人工養護等工作。內容包括：圍欄封育、覆土（約5 cm）、坡面開淺溝（人工沿地形等高線開淺溝，溝深5～10 cm，溝寬20～30 cm，溝距20～40 cm）。同年9月在廢棄礦山人工撒播草籽，草種為無芒雀麥（Bromus inermis Layss.）、垂穗披堿草（Elymus nutans）、冰草、野苜蓿、紅豆草，每公頃撒播草籽60 kg。2022年4月進行現場勘測時發現，補播牧草返青效果較差。

1.2 試驗設計

通過對礦區植物種類的廣泛調查以及相關資料的查閱和研究[21]，確定本次礦山廢棄地覆土種植試驗選擇的植物為豆科紅豆草和禾本科冰草。在廢棄礦山上選擇外部條件基本一致的區域作為試驗小區。2022年4月初進行翻耕劃區、去除大塊石礫及煤渣等準備工作后進行補播、施肥。將紅豆草、冰草按2∶1 的比例混合后撒播，播種深度1～2 cm，播種量60 kg·hm?2，并覆土鎮壓。

采用裂區試驗設計，主區為無機肥添加，設置5 個尿素（含氮量46.7%）施用梯度，分別為0（CK）、5（N1）、10（N2）、20（N3）和30 g·m?2（N4），每個處理3次重復，共15個小區（6 m ×5 m，間隔1 m）；副區為牛糞添加，設置0和300 g·m?2共2個梯度。牛糞有機肥從附近牧民家獲得，對草地養分的貢獻估值約為全氮548.62 kg·hm?2、全磷147.63 kg·hm?2、全鉀131.67 kg·hm?2。

1.3 野外取樣

于2022年6、7、9月中旬對試驗區進行野外植被采集工作，在每個主區和副區分別隨機布置2個0.5 m×0.5 m的樣方。測定時，記錄各樣方中的物種種類，并分種進行蓋度、高度、密度及生物量的測定。其中，物種蓋度（%）采用針刺法[22]測定；高度采用常規方法測量自然高度（cm）；密度（株·m?2）為直接計數法記錄株叢數；生物量（g·m?2）就地稱鮮重。

1.4 數據分析

使用 Excel 對原始數據進行預處理，采用SPSS 25數據統計軟件對不同氮肥施用量與牛糞添加模式下各月植被平均高度、蓋度、密度、生物量等進行雙因素方差分析、單因素方差分析，最后用Origin 2021 制圖，圖中誤差棒均為標準誤差。

2 結果與分析

2.1 施氮和牛糞添加下煤礦補播區植被數量特征方差分析

對煤礦補播區草地植被平均高度、蓋度、密度和生物量進行雙因素方差分析（表1）發現，不同氮肥處理對6、7、9月植被蓋度均有顯著影響，對7月煤礦補播區植被平均高度、生物量也有顯著影響（Plt;0.05）；牛糞添加處理僅在6、7月對煤礦補播區植被平均高度表現出顯著影響（Plt;0.05）。此外，氮肥×牛糞的交互作用除對煤礦補播區植被的密度在9月時表現出顯著影響外，對其平均高度、蓋度、生物量均無顯著影響。

2.2 施氮和牛糞添加措施對煤礦補播區植被高度的影響

由圖1可知，施氮措施下，6月煤礦補播區草地植被平均高度各施氮量處理間差異不顯著。與CK 相比，7 月N4 處理植被平均高度、豆科植物高度及N3 處理豆科植物高度依次顯著下降26.34%、46.03%、42.59%（Plt;0.05），9 月N4 處理下豆科植物平均高度則顯著增加51.49%（Plt;0.05）。

添加牛糞措施下，6月禾本科植物的平均高度變化不顯著，而N4處理下6月植被平均高度降低16.40%。7月植被平均高度隨氮肥水平的增加呈波動性下降趨勢，其中N4處理的植被平均高度、豆科植物平均高度分別比CK處理顯著降低35.05%、47.74%（Plt;0.05）。氮肥+牛糞措施對9月禾本科植物平均高度影響較大，N3處理禾本科植物平均高度相較于CK、N2 和N4 處理分別降低23.96%、22.44%、32.24%（Plt;0.05）。

2.3 施氮和牛糞添加措施對煤礦補播區植被蓋度的影響

由圖2 可知，6 月植被總蓋度和豆科植物蓋度隨氮肥水平的增加均呈先增后降的變化趨勢，與CK相比，N1處理植被總蓋度增加1.14%，N4 處理降低44.32%。此外，N3 和N4 處理豆科植物蓋度比CK、N1 和N2 處理分別顯著降低36.50%～39.77% 和62.12%～64.08%（Plt;0.05）。7月，N1處理植被總蓋度較N2、N3和N4處理均顯著增加32.33～373.93%（Plt;0.05），但與CK 比較，N1 處理植被蓋度變化不顯著，N4 處理顯著降低72.86%。與CK相比，N1、N2處理豆科植物蓋度顯著增加104.71%、135.71%（Plt;0.05），而N2、N3、N4 處理禾本科植物蓋度分別顯著降低63.26%、71.4%和77.53%（Plt;0.05）。9月植被總蓋度、豆科植物蓋度和禾本科植物蓋度隨施氮水平的增加大致呈先增加后降低的變化趨勢，且均在N1 處理達到最大，植物總蓋度、豆科植物蓋度比CK 分別增加63.64%、87.55%，而植被總蓋度在N4 處理較CK 降低13.64%，但差異不顯著。

牛糞添加措施下，與CK相比，6月植被蓋度處理間差異不顯著。7月植被總蓋度存在顯著差異，N1 處理植被總蓋度較CK 顯著增加33.32%（Plt;0.05），N3、N4處理較N1分別顯著下降46.98%和73.99%。此外，N4處理豆科植物蓋度較CK顯著下降82.96%（Plt;0.05），禾本科植物蓋度也顯著下降61.78%（Plt;0.05）。9月植被總蓋度、分蓋度隨施肥梯度的增加均呈先增后降的趨勢，且植被總蓋度、禾本科植物蓋度均在N2處理達到最大，分別比N4處理植被總蓋度顯著增加177.75%和313.33%，而豆科植物蓋度在N1處理時達到最大，較N3、N4 處理分別顯著增加152.63%、200.00%（Plt;0.05）。

2.4 施氮和牛糞添加措施對煤礦補播區植被密度的影響

由圖3可知，6月煤礦補播區植被總密度隨施氮水平的增加呈現波動性下降趨勢，禾本科植物密度呈先降后增趨勢。豆科植物密度在N4處理顯著降低，相較于CK 減少57.14%（Plt;0.05）。而施氮對7、9月煤礦補播區植被總密度、分密度的影響均不顯著。

施氮+牛糞措施對6月煤礦補播區植被密度影響不大，而7月植被密度隨施氮水平的增加呈先升高后降低的趨勢，且植被總密度在N1處理最大，較N4 處理顯著增加102.93%（Plt;0.05）。此外，N3、N4處理豆科植物密度相較于CK分別顯著降低50.86%、60.35%（Plt;0.05）。添加牛糞后，9月豆科植物密度隨施氮水平的增加呈先增后降的變化趨勢，其中N1 處理較N4 處理顯著增加209.38%（Plt;0.05）。植被總密度、禾本科植物密度均在N3處理達到最大，分別比N4處理顯著升高153.61%、122.55%（（Plt;0.05）。

2.5 施氮和牛糞添加措施對煤礦補播區植被生物量的影響

由圖4 可知，在施氮措施下，6 月N1 處理植被生物量較CK 增加14.45%，而N4 處理降低36.11%。豆科植物生物量在N1 處理達到最大，分別比N3、N4 處理平均高200.55%（Plt;0.05）。7 月植被總生物量和豆科植物生物量隨施氮水平的增加呈先增后降的趨勢，而禾本科植物生物量呈波動性變化，與CK 相比，N1處理植被總生物量增加14.29%，N4 處理降低41.43%。9 月N1 處理植被生物量較CK 增加24.46%，但差異不顯著，從植物經濟類群來看，豆科植物生物量在N1 處理達到最大，比N4 處理顯著增加79.76%（Plt;0.05），而禾本科植物生物量在N4 處理最高，比N1 處理顯著升高175.00%（Plt;0.05）。

在施氮+牛糞措施下，6月煤礦補播區植被總生物量、豆科生物量隨施氮水平的增加呈先升高后降低的趨勢，而禾本科植物生物量呈波動性變化。與CK相比，7月植被總生物量和豆科生物量在N3、N4 處理均顯著降低，降幅分別為50%～69.39%、66.14%～78.47%（Plt;0.05）。9月植被總生物量、豆科植物生物量均無顯著變化，而禾本科植物生物量在N3、N4 處理分別較CK 顯著增加86.67%、77.80%（Plt;0.05）。

2.6 相關性分析

相關性分析（圖5）表明，6 月煤礦補播區在施用氮肥后，植被平均高度與植被蓋度、生物量顯著相關，相關系數分別為0.62、0.65，植被蓋度與生物量也呈顯著正相關；而在氮肥+牛糞措施下，僅植被蓋度與密度、生物量關系顯著（Plt;0.05），相關系數分別為0.79、0.78。各指標相關性在7月時均呈現一致的正相關，其中僅施氮的小區植被平均高度與植被生物量相關系數為0.58（Plt;0.05），植被蓋度與密度、生物量也均顯著相關，相關系數分別為0.52、0.71。在施氮+牛糞措施下，除植被平均高度與密度無顯著相關性外，其他指標均呈顯著正相關，相關系數在0.57～0.86（Plt;0.05）。

將植被數量特征月平均后，各指標整體呈現正相關。僅施氮措施下植被蓋度與植被密度、生物量顯著相關，相關系數分別達0.76、0.56，植被密度與植被生物量也顯著相關（Plt;0.05）。在施氮+牛糞措施下，除植被平均高度與密度無顯著相關性外，其他指標均相關顯著。

3 討論

3.1 不同氮肥水平下煤礦補播區植被數量特征變化

氮素參與蛋白質、核酸和葉綠素等物質的合成[23]，是限制植物生長和繁殖的重要因素，關系到草地植物?土壤物質與能量循環，影響草地生產力及草地生態系統的組成與功能[24]。因此，合理施用氮肥對恢復煤礦補播區草地植被具有重要意義。本研究中，煤礦補播區植物蓋度和生物量隨施氮水平的增加呈先增后降的變化趨勢，平均高度、密度呈先增后降的波動性變化趨勢，這種趨勢在7月尤為顯著，這與龍會英等[25]、楊鑫光[19]研究結果一致，表明在廢棄礦山的補播草地上施用適量的氮肥有益于當地植被的生長和恢復，過量施肥會抑制植被蓋度的增加，也不能促進植被密度的增加。這可能是因為適量的施用氮肥補充了土壤缺失的養分，從而滿足植物正常生長發育的營養需求。此外，本研究還發現，施用過量氮肥（N4處理）后，植物高度、蓋度、密度和生物量相較于不施氮的小區大致都表現出降低態勢，尤其是在7月N4處理下植物數量特征呈顯著降低趨勢，9月植被密度、蓋度在添加牛糞且施氮量為30 g·m?2處理下也表現出顯著降低的結果。龐立東等[26]也得到了同樣的結果，同時他們還指出，當施氮超過一定范圍，不僅會對牧草生長產生不利影響，還會導致土壤富營養化、鹽漬化以及土傳病害加重[27]等問題。Pedrol等[28]認為，氮磷鉀肥料在短時間內雖然顯著提高了煤礦廢棄地的植被，但中后期物種多樣性受到嚴重威脅。因此，在未來礦區生態修復實踐中，施肥用量和施用年限的合理與否值得進一步探索。龍會英等[25]研究表明，合理的氮素添加促進了禾本科植物分蘗、提高了豆科牧草產量，本研究中僅施氮肥對禾本科植物生物量影響不顯著，而豆科植物生物量在施氮水平為N1、N2時有所增加，在N3、N4水平下較不施肥有所降低，其原因可能與豆科植物固氮有關，也可能與氣候、放牧活動等因素有關。在一定范圍的氮肥施用量內，可促進煤礦補播區植被高度、蓋度、密度及生物量，但施肥過多不利于植物生長，導致植被恢復失敗。本研究區煤礦補播草地的適宜氮肥用量建議在5～10 g·m?2。此外，在植被恢復初期可以設置圍欄以排除人類活動及放牧帶來的消極影響。

3.2 不同施肥模式下煤礦補播區植被組成的變化

目前，有機肥和化肥配合施用主要集中在對農作物的產量和品質改善方面，其對農作物以及土壤改良都具有良好的作用，而該措施應用到草地恢復、礦山生態修復方面鮮有報道。研究表明，在低海拔露天煤礦開采區，人工建植的禾本科植物隨著恢復時間的延長，植被種類、蓋度和生物量顯著增加[29]。本研究中，短期內氮肥+牛糞的施肥模式相較于單施氮肥植被恢復效果更好，可能是腐熟牛糞中的有機質和微生物改善了礦山土壤結構和增加土壤肥力，為植物的生長提供了更好的條件。通過比較分析廢棄煤礦補播區豆科、禾本科植物數量特征發現，有機肥和無機肥混合配施的模式更有利于礦山的植被恢復，尤其是施肥+牛糞的處理對礦區禾本科植物的生長恢復具有較大的促進作用，使禾本科植物的平均高度、密度和生物量比豆科植物更高，可能是因為禾本科植物不具備豆科植物固氮的能力，比豆科植物更需要肥料補充，因此對氮肥的響應也更明顯。

植被覆蓋度是反映礦區生態環境狀態的重要指標，其變化反映了自然演化和人類活動對生態環境的影響[30]。通過施肥會促進受損礦區植被蓋度的增加，然而不同施肥量和施肥模式對該地植被蓋度的影響相關報道較少，本研究設置不同氮肥水平和牛糞添加模式，分析其對礦區植被總蓋度和豆科、禾本科分蓋度的影響，結果表明，氮肥+牛糞添加的施肥模式更有利于植被覆蓋度的恢復，且高水平的氮肥施用量（N3、N4處理）會對植被蓋度恢復產生不利影響；此外，本研究發現，在施氮和牛糞添加后豆科植物覆蓋度大于禾本科植物，反映出在礦山恢復初期施肥，就覆蓋度而言，豆科植物具有更大的種間競爭優勢，對植被覆蓋度的恢復具有重要貢獻。然而，豆類植物和禾本科植物在生長過程中會相互競爭養分和空間資源，基于生態系統多樣性與穩定性考慮，補播期間應注意豆禾草種的比例，適當的植物密度和比例可以促進二者的互補作用，從而提高草地的穩定性。

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