煤矸石山不同坡面土壤營養(yǎng)元素與植被配置模式研究

張靜雯 ，張成梁 ，宋 楠，康 璇，吳智洋，王黎黎

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京100089；3.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西太原030012）

山西省煤炭資源豐富，是我國最重要的煤炭生產(chǎn)省份[1]，而煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物[2]，約占開采量的20%[3]。目前我國煤矸石的綜合利用率為30%～40%[4-5]，多數(shù)煤矸石都以就近堆放為主，形成大小不一、占壓土地、破壞景觀的煤矸石山，對環(huán)境為害極為嚴(yán)重[6]。煤矸石由于長期露天堆放，矸石內(nèi)部的熱量逐漸積累，當(dāng)溫度達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)，矸石中的殘煤及其他可燃物便可自燃。凡煤層含硫在3%左右，硫鐵礦占40%以上的煤矸石，并有硫鐵礦結(jié)核出現(xiàn)，都會引起自燃發(fā)火[7-8]。

田間實(shí)際情況表明：即使在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi)，同一時(shí)刻其他土壤特性在不同空間位置上也具有明顯的空間變性[9]。由于煤矸石山上各個(gè)坡面上溫度、風(fēng)速、土壤水分等環(huán)境因子存在差異，各個(gè)坡面自燃情況也有所不同，煤矸石的自燃所產(chǎn)生的大量熱能也造成了煤矸石山不同坡面上營養(yǎng)元素和土壤中的微生物存在著一定的空間變異性。土壤中的養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤的基本屬性[10]，土壤肥力的高低直接影響作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量[11]；土壤中的微生物反映了土壤生態(tài)機(jī)制[12]，影響群落植被，因此，土壤中營養(yǎng)元素與微生物的差異性直接導(dǎo)致了煤矸石山不同坡面適宜的植物配置模式不同。

本研究選取山西陽泉市280煤矸石山，對其不同坡面上適宜種植的不同植物配置模式進(jìn)行分析，為促進(jìn)礦區(qū)植被恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

陽泉280煤矸石山位于山西省陽泉市，東經(jīng)112°54′～114°04′，北緯 37°4′～38°31′，地處黃土高原東緣，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。多年平均氣溫11.3℃，全年日照時(shí)數(shù)為2 696.3～2 886.3 h；年均風(fēng)速2 m/s，全年以西、北偏西風(fēng)為主；年平均降水量576 mm，主要集中在7，8月。

280煤矸石山為小型煤矸石山，總面積為3.8 hm2，其中，平臺面積為 0.84 hm2，斜坡面積為2.96 hm2。280煤矸石山長期堆放，經(jīng)過自燃、風(fēng)化等作用具有較高的酸性和鹽性，且土壤中缺乏養(yǎng)分，尤其缺少植物生長所必需的N，P，K等營養(yǎng)元素。經(jīng)過調(diào)查，在對280煤矸石山進(jìn)行植被恢復(fù)的過程中，主要選擇具有耐高溫、耐鹽堿、耐旱性能好的植物，包括紫穗槐、高羊茅、沙打旺、狗尾草、刺槐、檸條等。

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 取樣

以山西陽泉礦區(qū)二礦、三礦280煤矸石山的土壤為研究對象，對于煤矸石山陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡和平臺5種坡面上5種典型的配置模式（喬灌草、草本混交、灌草、灌木混交和單一草本），采用樣方進(jìn)行植被調(diào)查，喬木、灌木樣方大小為2 m×2 m，草本樣方大小為1 m×1 m，喬灌木測量其高度、冠幅；草本測量其高度、蓋度等。同時(shí)在每種植物配置模式下，隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)，取地表至地下0～30 cm的土樣，將5個(gè)點(diǎn)的土壤混合均勻，取1 kg左右，標(biāo)號，并與不同的配置模式相對應(yīng)，拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。

2.2 室內(nèi)測定

室內(nèi)測定指標(biāo)主要為土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量和速效鉀含量。其中，有機(jī)質(zhì)含量測定采用油浴-重鉻酸鉀容量法，全氮測定采用開氏定氮法，速效磷測定采用碳酸氫鈉法，速效鉀含量測定采用火焰光度計(jì)法[13-14]。每種指標(biāo)測量3組，計(jì)算其平均值。

3 結(jié)果與分析

280煤矸石山堆放年限較長，由于各個(gè)坡面上氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量不同，坡面上植物生長狀況也有所不同。本研究選擇了陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡、平臺上存在的典型配置模式各5種，測定了其蓋度、株高以及其下土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀和有效磷的含量，并對不同配置模式的效果進(jìn)行了比較。

3.1 煤矸石山陽坡不同配置模式效果比較

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，280煤矸石山陽坡喬木以刺槐為主，灌木以紫穗槐、荊條為主，草本稍多，主要有狗尾草、沙打旺、蓬蒿等。本研究選取陽坡上5種典型的配置模式進(jìn)行比較。1號樣地為刺槐、狗尾草、荊條、灰菜、鬼貞子，2號樣地為草木樨，3號樣地為紫穗槐、沙打旺，4號樣地為荊條、紫穗槐，5號樣地為蓬蒿。280煤矸石山陽坡不同配置模式效果比較列于表1。

表1 280煤矸石山陽坡不同配置模式效果比較

由表1可知，不同配置模式下，土壤有機(jī)質(zhì) 含量、速效鉀、有效磷的大小順序都為：1＞3＞2＞4＞5（喬灌草＞灌草＞草本混交＞灌木混交＞單一草本）。這主要是由于不同的配置模式下，產(chǎn)生的生物量和植物根系數(shù)量不同。1號樣地為喬灌草結(jié)合的配置模式，擁有的物種多樣，其產(chǎn)生的生物量最多，大量植被殘落物是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源，加之林下土壤中存在大量的植物根系和微生物，加速了對含磷、鉀礦物質(zhì)的分解，增加了1號樣地中有效磷和速效鉀的含量；相比之下，2，3，4，5號樣地所產(chǎn)生的生物量都較小。

土壤全氮含量的大小順序?yàn)椋?＞4＞3＞2＞5（喬灌草＞灌草＞灌木混交＞草本混交＞單一草本），由于土壤全氮含量的多少取決于是否有固氮植物的存在，豆科植物的根系具有很強(qiáng)的固氮能力，將氮還原為氨，進(jìn)而通過分解形成土壤中的全氮[15]。從表1可以看出，1，3，4號樣地都有固氮植物刺槐和紫穗槐，因此其含氮量較高。

從表1還可以看出，陽坡上物種越多的樣地，植物的生長情況越好，1號樣地中喬灌草3類植物形成了較為完整、穩(wěn)定的小型群落，符合物種多樣性的原則，各種植物之間互利共生，進(jìn)而促進(jìn)了植物的生長；而在5號樣地中，只有蓬蒿1種植物，缺乏合理的競爭機(jī)制，影響了植物的生長。

3.2 煤矸石山半陽坡不同配置模式效果比較

試驗(yàn)選取了半陽坡上存在的較為典型的物種配置模式，分別是：1號樣地為蒺藜，2號樣地為刺槐、狗尾草、灰菜，3號樣地為紫穗槐、蒺藜、狗尾草，4號樣地為刺槐、紫穗槐、狗尾草、蒺藜，5號樣地為披堿草、蒺藜。測量不同配置模式下的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的含量結(jié)果如表2所示。半陽坡上的各種配置模式下土壤營養(yǎng)元素的變化規(guī)律一致（速效鉀除外），大小順序均為4＞3＞2＞5＞1（喬灌草＞灌草＞喬草＞草本混交＞單一草本）。

植物生長過程中的植物殘?bào)w是土壤中有機(jī)質(zhì)的主要來源，在4號樣地中，刺槐、紫穗槐、狗尾草、蒺藜互利共生，形成了層次分明的穩(wěn)定小型群落，產(chǎn)生了較多的生物量，為土壤提供了大量的有機(jī)質(zhì)，豐富的有機(jī)質(zhì)又促進(jìn)了植物的生長，使該配置模式進(jìn)入一個(gè)良性的循環(huán)。而在1號和5號樣地中，只存在草本，所以減緩了整個(gè)循環(huán)過程。

半陽坡上喬灌草的配置模式中豐富的物種也是各種微生物聚集的基本條件，在4號樣地的土壤中，存在較多的土壤微生物，微生物體內(nèi)分解的酶、蛋白質(zhì)等物質(zhì)可以加速土壤中氮磷的轉(zhuǎn)化，增加有效磷和速效鉀的含量。1，5號樣地均為草本植物，根系較少，且其下土壤中微生物活動(dòng)很少，因而，有效磷的含量較小。

表2 280煤矸石山半陽坡不同配置模式效果比較

從土壤中全氮含量可以得出，土壤中的固氮植物可以增加土壤中全氮的含量，對比2，3號樣地可以看出，草本都沒有固氮的功能，而含有紫穗槐的樣地（3號）比含有刺槐的樣地（2號）含氮量稍高，說明在280煤矸石山半陽坡上，紫穗槐的固氮效果比刺槐好。因?yàn)樵?80煤矸石山半陽坡上，雖然陽光充足，但是降雨量和營養(yǎng)元素較少，在有限的條件下，紫穗槐（灌木）的生長狀況要優(yōu)于刺槐（喬木），因此，生長旺盛的紫穗槐具有更好的固氮效果。

3.3 煤矸石山陰坡不同配置模式效果比較

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，280煤矸石山陰坡上由于常年日照量小，植物種類較少，多為草本植物，灌木只生長有紫穗槐，生長狀況較差。本試驗(yàn)選取陰坡上存在的較為典型的物種配置模式，分別是：1號樣地為紫穗槐、檸條，2號樣地為高羊茅，3號樣地為狗尾草、升馬唐，4號樣地為紫穗槐、高羊茅，5號樣地為紫穗槐、狗尾草、百脈根、高羊茅。

由表3可知，物種不同配置模式下，土壤有機(jī)質(zhì)含量相差不大，且與不進(jìn)行植被恢復(fù)的土壤有機(jī)質(zhì)含量（2.4%）相近，主要是由于陰坡上接受太陽光較少，植物生長極為緩慢，植物殘?bào)w為土壤提供的有機(jī)物質(zhì)很少，土壤中的有機(jī)質(zhì)主要來自所覆黃土本身含有的有機(jī)質(zhì)，因此，幾種不同配置模式對土壤有機(jī)質(zhì)含量改變作用十分微弱。

不同配置模式下土壤全氮、速效鉀、有效磷含量的大小順序?yàn)椋?＞2＞4＞1＞5，在純草本狗尾草和升馬唐混交的模式下，各營養(yǎng)元素的含量最高，均高于不進(jìn)行植被恢復(fù)的土壤。而在樣地1，4中，混入了紫穗槐，林下土壤中各元素含量降低，主要原因是由于紫穗槐的加入奪去了半陰破上有限的陽光和水分，影響了草本的生長，雖然紫穗槐具有固氮的功能，但是由于陰坡上陽光較少，再加上降雨較少，紫穗槐生長極為緩慢，固氮作用明顯減弱。樣地5中，由于草本種類較多，在有限的環(huán)境條件下，不同物種之間的競爭較為激烈，導(dǎo)致樣地中各個(gè)植物生長減緩，生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陽坡上相同配置的植物所產(chǎn)生的生物量。

表3 280煤矸石山陰坡不同配置模式效果比較

3.4 煤矸石山半陰坡不同配置模式效果比較

試驗(yàn)選取了半陰坡上存在的較為典型的物種配置模式，分別是：1號樣地為紫穗槐，2號樣地為紫穗槐、擰條、高羊茅，3號樣地為狗尾草、升馬唐，4號樣地為沙打旺、臭蒿、高羊茅，5號樣地為沙打旺，測量結(jié)果如表4所示。

表4 280煤矸石山半陰坡不同配置模式效果比較

從表4可以看出，3號樣地的有機(jī)質(zhì)、速效鉀和有效磷的含量最多，其次是5號樣地、4號樣地、2號樣地和 1號樣地（3＞5＞4＞2＞1）。280煤矸石山半陰坡上常年日照量較小，且有不同程度的自燃現(xiàn)象，因此，植被種類稀少，多為草本，灌木僅存在紫穗槐1種植物且長勢較差。對比3，4，5號樣地可以看出，沙打旺、狗尾草較適宜在半陰坡上生長，它們能夠產(chǎn)生較大的植物量，為土壤提供豐富的N，P，K等營養(yǎng)元素。與土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷含量多少順序不同，土壤中全氮量的大小順序?yàn)?＞2＞5＞1＞4，豆科植物紫穗槐具有固氮的功能，因此，含有紫穗槐的樣地含氮量較高，但是由于在含有紫穗槐的樣地內(nèi)，紫穗槐會占據(jù)大量的營養(yǎng)元素、陽光和水分，嚴(yán)重影響了其他植物的生長，因此，該樣地內(nèi)有機(jī)質(zhì)、速效鉀和有效磷的含量較小。綜上所述，280煤矸石山半陰坡上并不適宜種植過多的植物，因?yàn)榘腙幤律系沫h(huán)境條件有限，僅能供給1～2種草本的生長。

3.5 煤矸石山平臺不同配置模式效果比較

280煤矸石山平臺上的煤矸石有比較嚴(yán)重的自燃現(xiàn)象，植物較稀疏，多為草本植物，灌木偶見紫穗槐和荊條，且生長狀況較差。本試驗(yàn)選取了平臺上存在的較為典型的物種配置模式，分別是：1號樣地為紫穗槐、高羊茅、升馬唐、百脈根、狗尾草，2號樣地為紫穗槐、披堿草，3號樣地為荊條、高羊茅，4號樣地為升馬唐，5號樣地為馬齒莧。測量結(jié)果如表5所示。

表5 280煤矸石山平臺不同配置模式效果比較

由表5可知，不同配置模式下土壤有機(jī)質(zhì)的大小順序?yàn)?＞3＞4＞5＞1，全氮含量大小順序?yàn)?＞3＞4＞1＞5，速效鉀的大小順序?yàn)?＞3（4）＞5（1），速效磷大小順序?yàn)?2＞3＞4＞1＞5，在 2，3，4 號樣地中，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量相對較大。分析原因，平臺上的煤矸石有不同程度的自燃現(xiàn)象，只有一些耐高溫的植物能夠存活，其他坡面上的大多數(shù)植物如刺槐、灰菜、蒿類都很難在其上生長并保存，因此，平臺上的配置模式相對較少，主要植物為紫穗槐和升馬唐。

對比1號和5號樣地可以看出，煤矸石山平臺上不適宜采用物種較為多樣的配置模式，因?yàn)樽匀紝?dǎo)致煤矸石山平臺上營養(yǎng)元素含量較少，土壤條件很難供給2種以上的植物同時(shí)生存，而由于植物覆蓋度較少，又直接導(dǎo)致了煤矸石山平臺上相對其他坡面的水蝕情況較為嚴(yán)重，有限的覆土隨侵蝕不斷減少，使植物更加難以生存。通過5號樣地可以看出，280煤矸石山上并不適宜種植馬齒莧，馬齒莧屬耐旱植物，對高溫的抗性并不強(qiáng)，導(dǎo)致其在煤矸石山平臺上長勢并不好，在土壤中積累的N，P，K含量也較少。

通過2，3，4號樣地可以看出，280煤矸石山較宜種植紫穗槐和荊條，它們的耐高溫性能較強(qiáng)，且紫穗槐具有固氮的功能，能夠提升土壤中全氮的含量，而升馬唐和高羊茅是比較適宜在平臺上種植的草本植物，能夠具有較高的植被覆蓋度，對土壤各營養(yǎng)元素的改良效果也較好。

4 結(jié)論

由于煤矸石山體不同坡面上水分、溫度等環(huán)境因子不同，不同坡面上的土壤營養(yǎng)元素含量也不同，導(dǎo)致不同坡面應(yīng)適宜不同的植物配置模式。其中，陽坡和半陽坡陽光、水分條件較為充足，植物在其上生長狀況良好，適宜種植以喬灌草為主的搭配模式，同時(shí)也有利于改良土壤中N，P，K及有機(jī)質(zhì)的含量，能夠獲得較好的綠化效果；由于陰坡與半陰坡上自然條件有限，較適宜種植以草本為主的搭配模式，且草本的種類控制在2種左右，具有較好的礦山恢復(fù)效果；在平臺上適宜種植以紫穗槐和披堿草為主的灌草結(jié)合的配置模式。另外，各個(gè)坡面中應(yīng)盡量加入具有固氮功能的植物，陽坡應(yīng)加入刺槐、紫穗槐等，平臺應(yīng)加入紫穗槐，能夠有效地增加土壤中的全氮含量。

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