不同植被恢復(fù)模式對煤矸石堆土壤理化性質(zhì)的影響*——以大楊樹煤礦區(qū)為例

劉　軍　張武文　藍(lán)登明　楊　光

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特　010011）

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不同植被恢復(fù)模式對煤矸石堆土壤理化性質(zhì)的影響*——以大楊樹煤礦區(qū)為例

劉軍張武文藍(lán)登明楊光

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010011）

摘要：對大楊樹煤礦區(qū)種植喬木模式與自然恢復(fù)模式恢復(fù)下，矸石堆不同坡位土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：（1）種植喬木模式與自然恢復(fù)模式對煤矸石堆土壤物理性質(zhì)進(jìn)行改善，后者自矸石堆底部向坡頂發(fā)展，有壤土發(fā)展為砂壤的變化趨勢，而前者不同坡位土壤結(jié)構(gòu)更優(yōu)。（2）種植喬木模式較自然恢復(fù)模式堿解氮、有機質(zhì)含量高，pH值更接近對照區(qū)，但速效磷含量較低，在電導(dǎo)率方面，自然恢復(fù)模式的坡底、種植喬木模式的坡頂和坡中與對照區(qū)相近。

關(guān)鍵詞：植被恢復(fù)；煤矸石堆；土壤理化性質(zhì)；大楊樹煤礦

*內(nèi)蒙古自治區(qū)國土資源廳重點研究項目“內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究”（內(nèi)財建[2012]1965號）資助

礦業(yè)生產(chǎn)過程是一個破壞生態(tài)環(huán)境的過程，例如會出現(xiàn)地貌變遷、土壤侵蝕、土壤質(zhì)量下降等一系列問題，這就造成礦產(chǎn)資源開采對礦區(qū)的土地資源損毀十分嚴(yán)重。在煤炭開采過程中，大量煤矸石產(chǎn)生，并長期堆積在地表，不僅占用大量土地，而且自燃時會排出大量有害氣體，在雨水等淋溶作用下，還會釋放出大量重金屬[1 - 2 ]。大楊樹煤礦地處內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)東南部，已有100多年的開采歷史，由于生產(chǎn)技術(shù)條件有限以及當(dāng)?shù)夭傻V工藝落后，造成煤炭資源浪費的同時，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，其中大量矸石山無序堆放是當(dāng)?shù)刂饕牡刭|(zhì)環(huán)境問題。本文以鄂倫春自治旗大楊樹煤礦為例，分析在工程措施處理后，在人工種植喬木以及在草本自然恢復(fù)條件下，不同植被恢復(fù)類型對該區(qū)域土壤理化性質(zhì)的修復(fù)效果與改善程度，為礦產(chǎn)開發(fā)過程中礦區(qū)煤矸石堆生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

大楊樹煤礦行政區(qū)劃隸屬鄂倫春自治旗大楊樹鎮(zhèn)管轄，地理坐標(biāo)為124°32′36″～124°33′52″E, 49°38′40″～49°40′12″N，南臨嫩江平原，北靠大興安嶺林區(qū)，屬寒溫帶大陸性濕潤氣候，年降水量429.8～576.0 mm，年蒸發(fā)量1 135.4～1 251.6 mm，年平均氣溫- 2～3℃。地處大興安嶺東南低山丘陵區(qū)，總體地勢北高南低，西高東低，地形起伏較大。主要河流為甘河，屬嫩江水系，由北向南流經(jīng)礦區(qū)東側(cè)。喬木以松、柞、樺、楊為主的喬木闊葉次生林為主；灌木以沼柳、胡枝子、榛、篤斯等組成的灌叢為主；草本是雜草草甸和苔草草甸，礦區(qū)內(nèi)還有大量人工種植的農(nóng)作物，以大豆、玉米為主，土壤類型為黑土和暗色草甸土。

1.2治理措施

2006年內(nèi)蒙古自治區(qū)國土廳設(shè)立專項，對大楊樹煤礦的煤矸石堆進(jìn)行治理，內(nèi)容包括：（1）采取工程措施對煤矸石堆進(jìn)行整形，然后人工進(jìn)行邊坡平整、碾壓，使其呈緩坡狀，邊坡坡度小于25°。整形平整碾壓后的煤矸石堆表面均勻覆蓋煤矸石堆放前所剝離的表土，覆土厚度為0.5 m；（2）采用種植喬木模式和自然恢復(fù)模式對煤矸石堆進(jìn)行植被恢復(fù)。其中，種植喬木模式中喬木為山楊（Pobulus davidiana），受當(dāng)?shù)貧夂虻茸匀灰蛩赜绊?，林地?nèi)草本植物生長情況較好，主要物種有小花鬼針草（Bidens parviflora）、獨行菜（Lepidium apetalum）、天藍(lán)苜蓿（Medicago lupulina）、毛連菜（Picris hieracioides）；自然恢復(fù)模式中草本主要物種有大籽蒿（Artemisia sievrsiana）、狗尾草（Setaria viridis）、老芒麥（Elymus sibiricus）、飛蓬（Erigeron speciosus）、黃花蒿（Artemisia annua）。

1.3樣地調(diào)查與取樣方法

為全面了解不同植被恢復(fù)模式對煤矸石堆土壤理化性質(zhì)的影響，依據(jù)不同恢復(fù)類型，在不同坡位下，各布置3塊樣地，每塊樣地取樣3次，取樣深度為0～20 cm，對照區(qū)選擇在原始灌木林地內(nèi)（表1）。土樣送實驗室測定，土壤pH值采用pH計測定法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法[3 ]，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定，速效磷采用碳酸氫鈉法[4 ]，速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法測定，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定。土壤容重用環(huán)刀法測定、土壤顆粒分級采用大量筒法測定。

表1　土壤樣方位置

2　結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)特征分析

2.1.1土壤物理性質(zhì)特征分析

據(jù)圖1、圖2分析可知，自然恢復(fù)模式中不同土壤粒級間呈現(xiàn)以下特征：粗砂與細(xì)砂為主體，呈相反的變化方向，與對照區(qū)相比，粗砂小于對照，細(xì)砂大于對照。粗粉砂在坡頂、坡中部均小于對照，而坡底比對照大3.93%；細(xì)粉砂在各部位均大于對照，而且坡底比對照高約4倍；粗黏粒在坡中部、坡底大于對照；黏粒在各個部位均大于對照。自坡頂?shù)狡碌?，土壤容重逐漸減小，與對照相比，坡底稍低，其他位置稍大于對照。草本模式下自坡頂?shù)狡碌?，土壤中粗砂比例逐漸減少，且變化明顯，其他粒級均呈增加趨勢，粗黏粒與黏粒變化明顯。

種植喬木模式中不同土壤粒級間呈現(xiàn)以下特征：粗砂在坡中部最高，比對照區(qū)高4.17%；細(xì)砂在坡中部最小，較對照區(qū)低6.86%；在粗粉砂向黏粒發(fā)展過程中，在中部粗粉砂低于對照區(qū)，細(xì)粉砂、粗黏粒高于對照區(qū)；黏粒在頂部低于對照區(qū)。土壤容重呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，整體稍低于對照區(qū)。在總體上，種植喬木模式下，自坡頂?shù)狡碌祝稚跋仍黾雍鬁p少，細(xì)砂-細(xì)粉砂先減少后增加，粗黏粒與黏粒處于增加趨勢。

圖1　土壤物理性質(zhì)特征

圖2　土壤容重特征

通過自然恢復(fù)模式與種植喬木模式對比發(fā)現(xiàn)，在機械組成方面，兩種植被恢復(fù)模式下土壤顆粒均以粗砂與細(xì)砂為主，同一樣地內(nèi)，土壤機械組成自粗砂-細(xì)粉砂-黏粒呈現(xiàn)先減小后增加的分布趨勢。不同的是種植喬木模式中土壤黏粒在坡頂與坡中部高于自然恢復(fù)模式，而自然恢復(fù)模式在矸石堆底部較林草模式高。在容重方面，自然恢復(fù)模式較種植喬木模式高。

黏粒粒徑較小，比表面積巨大，導(dǎo)致其吸附能力較強，保水保肥力強，對于顆粒組成較粗的煤矸石堆來說，黏粒含量的增加對提高土壤肥力意義重大。土壤容重反映了土壤的松緊度和對地表水的蓄積能力。由此可以發(fā)現(xiàn)，在矸石堆坡底，自然恢復(fù)模式比較有優(yōu)勢，種植喬木模式在坡頂與坡中部發(fā)揮作用更加明顯，且種植喬木模式對土壤疏松度的改善優(yōu)于自然恢復(fù)模式。

2.1.2土壤化學(xué)性質(zhì)特征分析

據(jù)圖3分析可知，在pH值方面，對照區(qū)呈中性，對于自然恢復(fù)模式，坡頂呈現(xiàn)弱堿性，坡中部與坡底偏弱酸性，且從坡頂至坡底pH值在不斷減??；種植喬木模式均呈現(xiàn)弱酸性，坡底較接近于中性。對比兩種模式可知，在坡底，種植喬木模式pH值較自然恢復(fù)模式更接近對照區(qū)。

在電導(dǎo)率方面，自然恢復(fù)模式中坡頂最高，坡底與對照區(qū)比較相近；種植喬木模式不同部位間電導(dǎo)率變化相對較小，其中坡底大于對照區(qū)。對比兩種模式可知，種植喬木模式更加接近于原始土壤電導(dǎo)率。

在堿解氮含量方面，自然恢復(fù)模式自坡頂向坡底升高，坡中部與坡底略高于對照區(qū)；種植喬木模式坡中部低于對照區(qū)。對比種植喬木模式與自然恢復(fù)模式發(fā)現(xiàn)，堿解氮主要富集于坡底，且種植喬木模式總體上比自然恢復(fù)模式堿解氮含量高。

圖3　土壤化學(xué)性質(zhì)特征

在速效磷含量方面，自然恢復(fù)模式自坡頂向坡底逐漸增加，坡頂比對照區(qū)高31.47 mg/kg；種植喬木模式在不同坡位變化較小，較對照區(qū)含量高。通過對比種植喬木模式與自然恢復(fù)模式發(fā)現(xiàn)，自然恢復(fù)模式速效磷含量明顯高于林草模式，二者最高值均出現(xiàn)在坡底。

在速效鉀含量方面，自然恢復(fù)模式自坡頂向坡底逐漸減少，且變化量較大，坡底低于對照區(qū)；林草模式坡底與坡頂變化不大，坡中部小于對照區(qū)。通過對比種植喬木模式與自然恢復(fù)模式發(fā)現(xiàn)，最高值均出現(xiàn)在坡頂，自然恢復(fù)模式對于速效鉀含量在不同坡位變化明顯，種植喬木模式相對較小，二者不同坡位總和含量相近。

在有機質(zhì)含量方面，自然恢復(fù)模式自坡頂?shù)狡碌撞粩嘣黾?，但是低于對照區(qū)；林草模式排序為坡頂>坡底>坡中部，各坡位均高于對照區(qū)。對比種植喬木模式與自然恢復(fù)模式發(fā)現(xiàn)，種植喬木模式有機質(zhì)含量遠(yuǎn)高于自然恢復(fù)模式，自然恢復(fù)模式有機質(zhì)主要積累于坡底，而種植喬木模式對有機質(zhì)的積累在不同坡位均較好，并且主要出現(xiàn)在坡頂。

通過以上分析可知，種植喬木模式下的土壤pH值、電導(dǎo)率較自然恢復(fù)模式更加接近原始土壤，堿解氮與有機質(zhì)含量較高，不同坡位速效鉀含量總和相近。因此種植喬木模式較自然恢復(fù)模式更有利于煤矸石堆向成土發(fā)育。

2.2土壤理化性質(zhì)影響因素分析

2.2.1所處地理位置對土壤的影響

礦區(qū)內(nèi)地勢處于平緩山坡地帶，地勢較低，坡度一般在15°～30°，煤矸石堆在工程治理過程中表面均勻的覆蓋了一層煤矸石堆放前剝離的土壤，覆土厚度0.5 m。所以，該區(qū)域內(nèi)水分條件較好、地勢相對平緩，有利于治理后的煤矸石堆表層土壤的發(fā)育。

2.2.2不同植被恢復(fù)類型對煤矸石堆土壤物理性質(zhì)的影響

對于退化的土地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，合理的植被恢復(fù)模式的配置，可以加速土壤熟化過程，改良土壤結(jié)構(gòu)，這樣可以有效地加快土壤理化性質(zhì)的恢復(fù)進(jìn)程[5 - 6 ]。研究區(qū)土壤在機械組成方面，種植喬木模式變化幅度明顯小于自然恢復(fù)模式，而且容重小于自然恢復(fù)模式，表明在種植喬木模式與自然恢復(fù)模式中，植被恢復(fù)過程減少了煤矸石中粒徑較大部分的矸石的比例，其中喬木根系對矸石堆土壤結(jié)構(gòu)改變有較大作用，從而使種植喬木模式對煤矸石堆植被恢復(fù)效果較好。這與孫海運等[7]對復(fù)墾5年的馬家塔礦區(qū)土壤研究結(jié)果一致，復(fù)墾種植不同植被土壤質(zhì)量差異較大，種植楊樹較牧草好。

2.2.3不同植被恢復(fù)類型對煤矸石堆土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

相關(guān)研究表明，合理植被模式的配置可以增加有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的含量[8]。水土流失是土壤養(yǎng)分流失的重要途徑，養(yǎng)分的流失直接影響不同坡位植物的生長。同時較陡的坡度造成矸石堆難于進(jìn)行水土保持，覆土極易被沖刷，坡度越大，植被恢復(fù)效果越差[9 ]，而喬木林能使土壤疏松，結(jié)構(gòu)得到改善。大楊樹煤礦矸石堆坡度設(shè)計最大值不超過25°,呈緩坡狀，自坡頂?shù)狡碌?，水分致使土壤養(yǎng)分流失，最后積累于坡底及周邊區(qū)域，從而造成種植喬木模式與自然恢復(fù)模式土壤間pH值、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分含量存在顯著差異，并且種植喬木模式土壤養(yǎng)分較高。這與種植喬木模式水土保持效果明顯，山楊林下土壤持水能力強，土壤侵蝕減少，養(yǎng)分流失小有關(guān)。

3　結(jié)論

3.1種植喬木模式較自然恢復(fù)模式對煤矸石堆土壤物理性質(zhì)改善更有優(yōu)勢。在地表不同粒級機械組成形成過程中，種植喬木模式與自然恢復(fù)模式均以粗砂與細(xì)砂為主要粒級。自然恢復(fù)模式自矸石堆坡頂向底部發(fā)展，有砂壤發(fā)展為壤土的變化趨勢，而種植喬木模式不同坡位土壤結(jié)構(gòu)較自然恢復(fù)模式更優(yōu)。在矸石堆坡底，自然恢復(fù)模式比較有優(yōu)勢，種植喬木模式在坡頂發(fā)揮作用更加明顯。

3.2種植喬木模式較自然恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量高，pH值更接近對照區(qū)，堿解氮含量高，速效鉀含量在不同坡位變化相對較小，但速效磷含量較低。在有機質(zhì)方面，種植喬木模式高于自然恢復(fù)模式，自然恢復(fù)模式主要積累于坡底，而種植喬木模式在不同坡位均較好。在電導(dǎo)率方面，自然恢復(fù)模式的坡底、種植喬木模式的坡頂和坡中與對照區(qū)相近。

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（責(zé)任編輯：張亞楠）

Effect of Different Vegetation Restoration Model on Soil Physicochemical Properties of Coal Gangue Heap——A Case Study of Dayangshu Coal Mine

LIUJun
（College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010011）

Abstract The influences of different vegetation recovery mode on soil of coal gangue heap in Dayangshu coal mine were studied, soil's physicochemical properties of forest model and natural restoration model in of different slope positions of coal gangue heaps were studied. The results showed: (1) From top to bottem, natural restoration model had the trend that changed from loam to sandy loam, but forest model was closer loam.（2）Nitrogen, organic matter of forest model were higher, its pH value was closer to original, but available phosphorus was lower than natural restoration model, the conductivity of natural restoration model' bottem and forest model's top and middle were closer to original.

Key words Vegetation recovery; Coal gangue heap; Soil's physicochemical properties; Dayangshu coal mine

收稿日期：2015 - 12 - 19

作者簡介：第1劉軍（1984-），男，碩士，實驗師，主要從事土地利用與保護(hù)、土地利用/覆蓋變化和3S技術(shù)應(yīng)用等方面研究。

文章編號：1001 - 9499（2016）01 - 0056 - 04

中圖分類號：S731. 6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A