草原煤礦排土場(chǎng)2種常用生物工程措施植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

高 迪, 王占義, 陳國(guó)清, 王 亮, 陳麗麗, 王明玖

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019; 2.山東省淄博市高青縣檢驗(yàn)檢測(cè)中心, 山東 淄博 256300)

草原煤礦排土場(chǎng)2種常用生物工程措施植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

高 迪1,2, 王占義1, 陳國(guó)清1, 王 亮1, 陳麗麗1, 王明玖1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019; 2.山東省淄博市高青縣檢驗(yàn)檢測(cè)中心, 山東 淄博 256300)

以錫林郭勒草原烏蘭圖嘎煤礦排土場(chǎng)為主要研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)生物笆與沙障2種不同治理措施下的土壤狀況(溫度、濕度、有機(jī)質(zhì)、pH值)和植被狀況(種類(lèi)組成、密度、蓋度)的測(cè)定與分析，對(duì)其植被恢復(fù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。初步分析表明，生物笆區(qū)的表土溫度比沙障區(qū)低2～5℃，生物笆具有遮陰性；生物笆區(qū)的表土濕度比沙障區(qū)增加0.60%～1%，生物笆具有增濕性。在措施實(shí)施5 a后，生物笆區(qū)的表土有機(jī)質(zhì)比沙障區(qū)增加了2～5.80 g/kg。在整個(gè)植物群落中，多年生草本所占植物種類(lèi)總數(shù)的比例，生物笆區(qū)比沙障區(qū)多13.84%；生物笆區(qū)以多年生植物的重要值較大并占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，沙障區(qū)以一年生植物占優(yōu)勢(shì)；生物笆區(qū)的植被平均密度比沙障區(qū)多2.60株/m2，蓋度大18.50%。在錫林郭勒草原礦區(qū)目前常用的生物笆(單網(wǎng)格20 cm×20 cm)治理措施比沙障(行距30 cm，株距10 cm)更有利于植被恢復(fù)。

煤礦； 排土場(chǎng)； 生物笆； 沙障； 土壤； 植被恢復(fù)

多種治理措施已被運(yùn)用于排土場(chǎng)坡面的治理工作中。沙障作為沙漠治理和礦山排土場(chǎng)治理的一種有效生物工程措施，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。生物笆是近年來(lái)在錫林郭勒草原礦區(qū)使用最多的一種生物工程措施。李勝軍等人已經(jīng)對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了初步的調(diào)查[7]，植被恢復(fù)效果良好，但是生物笆促進(jìn)植被恢復(fù)的機(jī)理有待研究。為此，在錫林郭勒草原選擇典型礦區(qū)，對(duì)2種治理措施實(shí)施5 a后植被和土壤性質(zhì)的變化進(jìn)行了比較研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特烏蘭圖嘎鍺煤礦，地理坐標(biāo)116°06′41″—116°14′11″E，44°02′07″—44°07′05″N。這一地區(qū)地處內(nèi)蒙古高原中部，中溫帶干旱大陸性氣候特征明顯，多年平均降水量276.30 mm，平均蒸發(fā)量1 811.30 mm，平均風(fēng)速3.50 m/s，多年平均氣溫1.50℃，≥10℃積溫2 802.60℃，最大凍土深度2.89 m，無(wú)霜期106 d；研究區(qū)周邊草地植被類(lèi)型屬典型草原，植被蓋度50%左右，土壤類(lèi)型為栗鈣土[8]。

烏蘭圖嘎鍺煤礦于1997年建成投產(chǎn)，露天開(kāi)采，目前年產(chǎn)量為7.30×106t。研究試驗(yàn)區(qū)設(shè)在煤礦2號(hào)排土場(chǎng)1平臺(tái)，該平臺(tái)建于2007年，植被恢復(fù)措施也開(kāi)始于本年度。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)區(qū)設(shè)生物笆治理區(qū)和直立式沙障治理區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)生物笆區(qū)和沙障區(qū))。兩個(gè)區(qū)位于同一坡面，具有相同的坡度(30°)和坡長(zhǎng)(30 m)。植物種植時(shí)間都在2007年完成，種植的植物中，一年生及一二年生草本主要為大籽蒿(Artemisiasieversiana)、黃花草木樨(Melilotusofficinalis)、白花草木樨(Melilotusalbus)等；多年生草本主要為冰草(Agropyroncristatum)、老芒麥(Elymussibiricus)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等；灌木主要為小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、山杏(Prunusansu)等。播種方式是將所有植物種子混合后人工撒播，各植物種的混播比例系數(shù)是：沙打旺(3)，紫花苜蓿(3)，小葉錦雞兒(3)，冰草(2)，老芒麥(2)，大籽蒿(2)，黃花草木樨(1)，白花草木樨(1)，檸條錦雞兒(1)，山杏(1)。

生物笆單個(gè)網(wǎng)格規(guī)格是20 cm×20 cm，由黃柳(Salixgordejevii)枝條編織而成，其結(jié)構(gòu)包括經(jīng)條和緯條，鋪蓋在坡面上之后用綁絲連接在一起，并用20 cm長(zhǎng)的枝條插在每2塊生物笆的連接處加以固定。沙障是用相同長(zhǎng)度的黃柳枝條插入土壤形成行列式網(wǎng)格，本試驗(yàn)中使用的沙障以行距30 cm，株距10 cm垂直插入坡面土壤，所用柳條長(zhǎng)度40 cm，入土深度15 cm(圖1 A，B)。

“誰(shuí)是球王”是傳統(tǒng)體育賽事組織的升級(jí)創(chuàng)意，迎合了現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求，將草根賽事搬上熒屏，貼近群眾的生活，同時(shí)，設(shè)計(jì)草根選手與高水平選手的互動(dòng)、對(duì)決、博弈等，為廣大健身參與者提供了展示的舞臺(tái)。例如，乒乓球、羽毛球、足球爭(zhēng)霸賽、誰(shuí)是舞王等，參賽人員都是草根群眾，使比賽更具觀賞性和群眾性。

(A) (B)

圖1生物笆(A)和沙障(B)實(shí)物圖

1.3采樣與測(cè)定方法

1.3.1 土壤樣品采集和有機(jī)質(zhì)測(cè)定 2011年8月在2個(gè)治理區(qū)的坡上、坡中、坡下3個(gè)位置挖土壤剖面，每個(gè)位置3次重復(fù)，共挖9個(gè)剖面。考慮到枯枝落葉對(duì)土壤結(jié)皮層的影響更大，因此按0—3 cm和3—6 cm分層采樣。采樣后混合，四分法取樣裝入袋中并標(biāo)記。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法，利用濃硫酸和重鉻酸鉀氧化，硫酸亞鐵滴定測(cè)定[9]。pH值采用電位法，水土比為5∶1，用PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 土壤溫度和地表濕度測(cè)定 土壤溫度采用便攜式土壤溫度計(jì)(AXBP—B1，北京)測(cè)定，測(cè)定在氣溫最冷(6：00)和最熱(14：00)2個(gè)時(shí)段進(jìn)行。在2個(gè)治理區(qū)的坡上、坡中、坡下3個(gè)位置挖土壤剖面，每個(gè)位置3次重復(fù)，共挖9個(gè)剖面。各剖面按0—5，5—10，10—15，15—20 cm分層測(cè)定。地表濕度采用手持氣象站(NK4 000，美國(guó))貼近地面測(cè)定[10]。

1.3.3 植被調(diào)查方法 對(duì)生物笆區(qū)和沙障區(qū)的坡面同時(shí)在2011年8月進(jìn)行調(diào)查，在坡上、坡中、坡下3個(gè)位置分別取樣，樣方面積1 m×1 m，每個(gè)位置3次重復(fù)。對(duì)植物的種屬、投影蓋度、平均密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[11]，采用(相對(duì)密度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度)/3來(lái)計(jì)算各物種的重要值。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Microsoft Excel 2003和SAS 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。為了分析影響不同治理區(qū)植被生長(zhǎng)差異的原因，用SAS 9.0軟件對(duì)不同治理區(qū)的土壤溫度、濕度、有機(jī)質(zhì)含量、pH值及植被的平均密度、蓋度進(jìn)行單因素方差(one-way ANOVA)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同治理區(qū)土壤性質(zhì)的變化

(1) 土壤溫度。土壤溫度反映了土壤的熱量狀況，其高低對(duì)于土壤水分及土壤生物具有重要影響。一日內(nèi)，氣溫最高時(shí)段，2個(gè)治理區(qū)的土壤溫度分別在0—5 cm和5—10 cm土層有顯著性差異(P<0.05)。生物笆區(qū)比沙障區(qū)在0—5 cm土層低5℃，在5—10 cm土層低2.43℃；在10 cm以下土層無(wú)顯著性差異(P>0.05)。氣溫最低時(shí)段，2個(gè)治理區(qū)的土壤溫度在各個(gè)土層均無(wú)顯著性差異(P>0.05)(表1)。

(2) 地表濕度。地表濕度反映了表層土壤的水分狀況。土壤水分是土壤肥力諸多因素中最活躍、最重要的指標(biāo)。一日內(nèi)，氣溫最低時(shí)段，沙障治理區(qū)地表濕度平均為43.73%±0.03%，生物笆治理區(qū)地表濕度平均為44.37%±0.07%，生物笆區(qū)比沙障區(qū)高0.63%；氣溫最高時(shí)段，沙障治理區(qū)地表濕度平均為15.57%±0.26%，生物笆治理區(qū)地表濕度平均為16.57%±0.60%。

表1 不同治理區(qū)1日氣溫最高、最低時(shí)段土壤溫度差異(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

注：同一行平均數(shù)后有相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。

(3) 土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤有機(jī)質(zhì)是植物礦物營(yíng)養(yǎng)的源泉，主要來(lái)源于地上植物的凋落物及地下根系，其積累是一個(gè)緩慢的過(guò)程。通過(guò)幾年的處理，生物笆治理區(qū)有機(jī)質(zhì)含量平均為25.20 g/kg，沙障治理區(qū)有機(jī)質(zhì)含量平均為19.40 g/kg，2個(gè)治理區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量在0—3 cm土層發(fā)生了顯著性變化(P<0.05)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)高5.80g/kg；在3—6 cm土層無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

(4) 土壤pH值。pH值是土壤的基本性質(zhì)，直接反映土壤酸堿度狀況及決定土壤元素和養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性。排土場(chǎng)土壤pH值往往較高，是植物生長(zhǎng)的主要限制因素之一。生物笆區(qū)的土壤pH值在0—3 cm和3—6 cm土層為8.55和8.61；沙障區(qū)在相同土層為8.53和8.64，均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.2 不同治理區(qū)植被生長(zhǎng)情況

2.2.1 群落植物組成 在植被樣方調(diào)查中，生物笆區(qū)共有8科，14屬，15種不同的植物(表2)。其中，禾本科4種，豆科4種，菊科2種，其余各科均為1種。占物種總數(shù)的比例，一年生及一二年生草本為26.67%，多年生草本為60%，灌木及半灌木為13.30%。

在沙障區(qū)共有6科，10屬，13種植物(表2)。其中，豆科8種，其余各科均為1種。占物種總數(shù)的比例，一年生及一二年生草本為30.77%，多年生草本為46.16%，灌木及半灌木為23.08%。

在重要值方面，生物笆治理區(qū)的多年生植物紫花苜蓿、小葉錦雞兒、冰草的重要值較大，均在0.15以上。沙障治理區(qū)的一年生草本大籽蒿、蒙古豬毛菜的重要值較大，均在0.19以上(表2)。

表2 不同治理區(qū)植物組成

注：“—”表示沒(méi)有。

2.2.2 植被生長(zhǎng)狀況 治理區(qū)恢復(fù)效果是通過(guò)植被的平均密度和蓋度來(lái)反映的。2個(gè)治理區(qū)植被的平均密度有顯著性差異(P<0.05)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)多2.60株/m2；2個(gè)治理區(qū)植被的蓋度也表現(xiàn)出了顯著性差異(P<0.05)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)大18.50%。生物笆區(qū)植被平均密度和蓋度明顯高于沙障區(qū)，說(shuō)明生物笆的使用在一定程度上促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，提高了植物的成活率(表3和圖2)。

表3 不同治理區(qū)植物平均密度和蓋度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

注：同一列平均數(shù)后有相同字母表示差異不顯著 (P>0.05)。

(A) (B)

圖2生物笆區(qū)(A)和沙障區(qū)(B)植被恢復(fù)后效果圖

3 討 論

礦山開(kāi)采對(duì)生態(tài)造成的不利影響越來(lái)越受到社會(huì)各界的關(guān)注。植被恢復(fù)是礦山廢棄地生態(tài)治理的重要目標(biāo)，正確選擇植被恢復(fù)措施是改善土壤理化性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)的重要手段。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)植物種屬、平均密度、蓋度的初步統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)生物笆區(qū)植被恢復(fù)效果好于沙障區(qū)(表2，3)。從測(cè)定結(jié)果看，2種治理措施都能改善土壤溫度、濕度、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤pH值等，使土壤向有利于植物生長(zhǎng)的環(huán)境轉(zhuǎn)化[12]。在土壤溫度方面，1日內(nèi)氣溫最高時(shí)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)低，說(shuō)明生物笆在氣溫最高時(shí)候的遮陰效果明顯，對(duì)表土起降溫作用，可以防止溫度過(guò)高造成土壤水分的快速蒸發(fā)，保護(hù)植物的出苗及生長(zhǎng)；氣溫最低時(shí)，2個(gè)治理區(qū)的地表溫度沒(méi)有明顯差異。地表濕度可能受高溫的影響更為顯著，1日內(nèi)氣溫最高時(shí)，2個(gè)治理區(qū)地表水分都在加速蒸發(fā)，生物笆的遮陰作用雖可以降低地表溫度，但降低的溫度對(duì)蒸發(fā)速率的影響有限。而1日內(nèi)氣溫最低時(shí)，由于生物笆區(qū)的溫度高于沙障區(qū)，土壤中的水分活度較大，地表以上的微環(huán)境內(nèi)空氣能夠容納的水分子量較大，加之生物笆下面氣流穩(wěn)定，所以地表濕度也較大，因此，生物笆區(qū)土壤水熱條件優(yōu)于沙障區(qū)，導(dǎo)致生物笆區(qū)的植物種屬都多于沙障區(qū)，生物笆區(qū)的多年生草本與灌木、半灌木在整個(gè)植物群落中所占的比例明顯大于沙障區(qū)(表2)。隨著時(shí)間的推移，一二年生的先鋒植物(蒙古豬毛菜、大籽蒿等)慢慢衰退后退出植物群落，多年生草本(冰草、披堿草等)形成目標(biāo)群落，在無(wú)人工養(yǎng)護(hù)條件下仍能健康茁壯生長(zhǎng)[13]。生物笆區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量高于沙障區(qū)，可能與生物笆措施坡面枯枝落葉的保留能力強(qiáng)及生物笆原材料長(zhǎng)期放置后部分地脫落降解到了土壤里有關(guān)，也與植物生長(zhǎng)相對(duì)旺盛有關(guān)。由于治理時(shí)間較短，2種措施下相同深度土壤pH值差異不顯著，這與王金滿等在研究對(duì)草原露天煤礦排土場(chǎng)土壤質(zhì)量時(shí)得出的結(jié)論相符[14]。但是2個(gè)治理區(qū)表層土壤的pH值都小于下層土壤，可能是因?yàn)楸韺油寥乐械奈⑸?、?dòng)物及生物殘?bào)w較下層土壤多，微生物、動(dòng)物及生物殘?bào)w會(huì)引起有機(jī)酸的積累，也可能與降雨的淋溶遷移有關(guān)[15]。

4 結(jié) 論

生物笆措施在煤礦排土場(chǎng)植被恢復(fù)方面優(yōu)于沙障措施。生物笆治理措施的使用，對(duì)于地表的土壤具有一定的改良作用，對(duì)植被的發(fā)育具有良好的促進(jìn)作用，更有利于了植物的生長(zhǎng)。

在氣溫最高時(shí)，生物笆措施具有明顯的遮陰降溫作用；在氣溫最低時(shí)，生物笆區(qū)表土濕度比沙障區(qū)高0.63%，在干旱區(qū)草原，增加地表濕度有助于植物的生長(zhǎng)發(fā)育和植被恢復(fù)；0—3 cm土層和3—6 cm土層，生物笆區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)均高于沙障區(qū)。

在整個(gè)植物群落中各植物種所占植物種類(lèi)總數(shù)的比例，生物笆區(qū)的多年生草本比沙障區(qū)多，一年生及一二年生草本比沙障區(qū)少。生物笆區(qū)多年生草本植物的重要值較大，沙障區(qū)一年生植物的重要值較大。生物笆區(qū)的植物種屬、平均密度、蓋度都多于沙障區(qū)。

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EvaluationforEffectivenessofVegetationRestorationofTwoKindsofBio-engineeringMeasurescommonlyUsedinMineDumpinGrassland

GAO Di1,2, WANG Zhan-yi1, CHEN Guo-qing1, WANG Liang1, CHEN Li-li1, WANG Ming-jiu1

(1.CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China; 2.InspectionandTestingCenterofGaoqingCounty,Zibo,Sandong256300,China)

The dump of Wulantuga coal mine in Xilin Gol Grassland was taken as the research site, the vegetation restoration effectiveness of bio-fence and sand barrier fence was evaluated by analyzing the soil properties (temperature, humidity, organic matter, and pH value) and vegetation parameters (plant species, density, and coverage). Preliminary analysis indicated that top soil temperature in the biological fence areas was 2～5℃ which was lower than in the sand barrier zone. Bio-fence could protect the plants by shading. Topsoil moisture in bio-fence areas increased by 0.6%～1% compared with the sand barrier areas. Bio-fence could help increase the humidity. Organic matter of topsoil in bio-fence areas increased by 2～5.80 g/kg compared with the sand barrier areas after 5 years of measures implementation. In the plant communities, the proportion of perennial herbaceous plant species was 13.84% more than that in the sand barrier fence zone. The average density of plant and total cover of vegetation in bio-fence areas were 2.60 m2and 18.50% higher than those in the sand barrier areas, respectively. The effectiverness of vegetation restoration for bio-fence (with a single grid of 20 cm×20 cm) currently used in the coal mine of Xilin Gol Grassland was better than for the sand barrier (line space of 30 cm×10 cm).

coal mine; dump; bio-fence; sand-barrier fence; soil properties; vegetation restoration

2014-01-08

：2014-03-10

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)資金計(jì)劃“煤礦開(kāi)采區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究與示范——錫林郭勒草原煤礦區(qū)植被重建、生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(20121604)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(BJ2013C-3)

高迪(1988—),女,山東德州人,在讀碩士,主要從事草地生態(tài)學(xué)研究。E-mail:gdnmgnydx@163.com

王明玖(1961—),男,內(nèi)蒙古赤峰人,教授,主要從事草地生態(tài)學(xué)研究。E-mail:wangmj_0540@163.com

X171.4

：A

：1005-3409(2014)06-0260-05