煤礦區(qū)土壤—植被恢復(fù)過程及模式研究進展

劉 爽，郭晉麗

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原030031；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

煤礦區(qū)土壤—植被恢復(fù)過程及模式研究進展

劉 爽1,2，郭晉麗1

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原030031；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

人類活動的開采導(dǎo)致煤礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境十分脆弱，因此，開展礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)成為實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要途徑之一。闡述了國內(nèi)外礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)、植被生態(tài)恢復(fù)以及生態(tài)恢復(fù)技術(shù)模式這3個方面的研究進展以及存在的問題，并對今后礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究提出了幾點建議。

煤礦區(qū)；土壤恢復(fù)；植被恢復(fù)；恢復(fù)模式

人類開采活動造成工礦區(qū)周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，特別是煤炭作為我國最主要的能源，其消耗量占一次性能源消耗量的74%，且其中的96%是井下開采[1]。井下開采產(chǎn)生的大量采空區(qū)，已造成大范圍的地表變形。到目前為止，我國煤炭開采塌陷所造成的土地破壞面積已超過400萬hm2，且仍以每年3.3萬～4.7萬hm2的速度增加。煤田的不斷開采在帶來更為嚴(yán)重的地表變形的同時，受水蝕等因素影響，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題進一步惡化，如植被退化、地表沉陷、矸石堆積、河川徑流量減少、地下水資源枯竭，嚴(yán)重破壞了原有的生態(tài)系統(tǒng)[2]。這對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和人類生存產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。因此，開展礦區(qū)生態(tài)修復(fù)已成為實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要途徑之一。

礦區(qū)植被生長的氣候條件和土壤性質(zhì)是影響礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要因素；在干旱區(qū)，土壤水分和養(yǎng)分是制約植物生長與植被恢復(fù)的主要限制因子。因此，綜合考慮植被、土壤、微生物間的相互作用機制，開展行之有效的干旱半干旱礦區(qū)生態(tài)修復(fù)基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)研發(fā)，對于拓寬礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的理論和方法研究范疇，解決我國礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日趨惡化問題、確保土地資源可持續(xù)利用，有著十分重要的理論意義。同時，也對干旱區(qū)礦區(qū)生態(tài)重建技術(shù)與示范，有效治理和改善其惡劣環(huán)境，保證國家生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 國內(nèi)外礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)一直是國內(nèi)外研究中關(guān)注的熱點問題，尤其是發(fā)達國家對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)非常重視，19世紀(jì)末期，歐美等國家就已經(jīng)開始了對礦區(qū)土地進行生態(tài)恢復(fù)的研究[3]。我國因礦區(qū)開采造成生態(tài)環(huán)境破壞十分嚴(yán)重，因采礦累計占用土地面積約586萬hm2，礦山破壞土地面積累計達288萬hm2[4]。直到20世紀(jì)80年代，我國礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與植被重建工作才逐漸得到重視，規(guī)?；謴?fù)工作走上正軌[5]。20世紀(jì)90年代以來，隨著各國對生態(tài)環(huán)境問題日益關(guān)注，礦區(qū)植被恢復(fù)及其環(huán)境的響應(yīng)研究，尤其對土壤水分、養(yǎng)分、微生物的互饋機制已成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究的核心問題[6-7]。礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)研究從內(nèi)容上主要圍繞恢復(fù)植被與土壤、水分等非生物環(huán)境進行，從礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)、植被生態(tài)恢復(fù)和礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)模式三方面綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并總結(jié)目前存在的問題和研究方向。

1.1 礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)研究現(xiàn)狀

土壤為植物的生長發(fā)育提供必要的水分和養(yǎng)分，是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)和載體，在干旱地區(qū)，礦區(qū)因開采導(dǎo)致土壤貧瘠、水分降低，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響植被恢復(fù)[8-10]。針對礦區(qū)土壤的修復(fù)，國內(nèi)外眾多學(xué)者分別從物理、化學(xué)、微生物及添加有機礦質(zhì)肥料等方面改良礦區(qū)土壤恢復(fù)土壤質(zhì)量。如我國學(xué)者采用保水劑改良礦區(qū)土壤，提高土壤持水性，降低土壤表面蒸發(fā)[11]；國外學(xué)者SORT等[12]采用污泥對土壤基質(zhì)進行改良，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污泥可顯著提高表層土壤氮量，并使深層植物吸收氮含量增加，提高礦區(qū)土壤中微生物的活性和數(shù)量。莫測輝等[13]也對此進行了探討。倪含斌等[8]研究表明，長期少量多次施入速效肥，可有效改善礦區(qū)土壤養(yǎng)分條件；LI等[14]在平朔安太堡煤礦對不同肥料組合方式對土壤質(zhì)量的提升效果進行了研究，結(jié)果表明，施用污泥和氮肥，4種樣地的生物量均顯著增加。國內(nèi)外學(xué)者也利用固氮微生物、菌根真菌等生物方法改善礦區(qū)土壤理化性質(zhì)，收到了明顯的效果。吳秀瓊[15]通過科學(xué)施用微生物復(fù)合肥料，利用植物根際微生物活動提高礦區(qū)土壤肥力。以上學(xué)者對于礦區(qū)土壤在物理、化學(xué)和生物方面進行了改良，并且取得了一定研究成果，但是多數(shù)只側(cè)重于研究一種方法，對于植物—微生物聯(lián)合修復(fù)的研究較少。王艷麗等[16]在煤礦區(qū)廢棄地對6種植被模式下施加不同量的微生物菌劑進行研究，結(jié)果表明，10 g植被結(jié)合菌劑效果較佳，但并未針對植物篩選優(yōu)勢的微生物，缺乏對優(yōu)勢微生物—植物聯(lián)合修復(fù)過程中微生物對環(huán)境響應(yīng)機制的深入研究。雖然蘇成西[17]提出了大紅山鐵礦的“土壤—微生物—植被系統(tǒng)”構(gòu)想，綜合考慮了植物、微生物與土壤環(huán)境，但并未從三者間相互作用機理上進行深入的研究。

礦區(qū)土壤由于其獨特的形成方式及不同于普通土壤的物質(zhì)組成，加之特定的氣候特征，如干旱缺水等，決定了其土壤水熱條件、養(yǎng)分及微生物活動的復(fù)雜性和特殊性。目前，對農(nóng)田、林地、丘陵、沙地等的土壤水分時空變化規(guī)律研究較多，而對干旱礦區(qū)植被恢復(fù)這一特定環(huán)境的土壤水分研究卻相對較少。近幾年來，有學(xué)者逐漸認識到土壤水分對半干旱工礦區(qū)植被恢復(fù)的重要性，王尚義等[18]研究了礦區(qū)和非礦區(qū)不同植被下土壤水分特征，結(jié)果表明，礦區(qū)土壤平均含水量小于非礦區(qū)土壤，小葉楊土壤干層最深；潘德成等[10]采用變異系數(shù)法對復(fù)墾區(qū)土壤水分時空分布對植被恢復(fù)的影響進行研究，結(jié)果表明，在煤礦排土場應(yīng)以草本和淺根灌木為主；孫建等[19]研究了不同植被類型礦區(qū)復(fù)墾土壤水分變化特征，結(jié)果表明，復(fù)合模式種植的土壤水分含量高于單植。目前，對礦區(qū)土壤養(yǎng)分的研究主要集中于對不同植被恢復(fù)類型或不同恢復(fù)方式下土壤養(yǎng)分含量的時空變化方面[20]，孟廣濤等[21]研究揭示了晉寧礦區(qū)不同植被恢復(fù)措施林地土壤養(yǎng)分存在一定差異，旱冬瓜（尼泊爾榿木）林地的速效氮、磷、鉀以及有機質(zhì)含量最高；邢慧等[22]研究了安太堡露天礦排土場植被恢復(fù)模式與土壤因子的相關(guān)性，結(jié)果表明，植被恢復(fù)可提高土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀含量。目前，對于礦區(qū)土壤水分和養(yǎng)分的研究，多側(cè)重于水分和養(yǎng)分含量在一定土層內(nèi)變化，未能深入研究水分和養(yǎng)分雙因素耦合運移規(guī)律和特征。

土壤養(yǎng)分和熱量因子作為土壤水分的重要影響因素常耦合在一起影響和控制植被的生長，而植被的生長又會影響土壤水熱和養(yǎng)分環(huán)境狀況[23]，不同植被類型和生長年限對土壤水熱養(yǎng)分環(huán)境效應(yīng)的影響不同，它可改變土壤水熱條件和養(yǎng)分狀況及其運移特征，其運移過程和規(guī)律的研究對不同植被生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)換的機理等方面具有重要意義。目前，國內(nèi)外對于礦區(qū)土壤熱量狀況的研究鮮見報道，對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中土壤水熱條件和養(yǎng)分耦合運移特征和過程的研究更加匱乏。

1.2 礦區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)研究現(xiàn)狀

礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)有賴于植被的恢復(fù)，植被恢復(fù)過程的實質(zhì)是植被與環(huán)境相互影響和相互作用的過程。目前，國內(nèi)外關(guān)于礦區(qū)植被恢復(fù)的研究主要集中在耐性植物的選育、植被恢復(fù)和配置對地上地下生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括對土壤理化及生物特性變化、植物物種和多樣性等方面的研究[24]。在干旱礦區(qū)耐性植物選育方面，所選樹種要具有耐寒、抗旱、耐貧瘠、生長快和有一定的土壤改良作用等特性[25-26]。大量研究表明，采用固氮樹種作為先鋒樹種可有效提高土壤肥力，顯著增加土壤中氮素含量[27-31]。GOOD等[32]對礦區(qū)貧瘠土壤中生長的樺木和柳樹進行了選擇，所選樹種在條件越惡劣的礦區(qū)種植效果越好。也有學(xué)者從養(yǎng)分平衡角度選擇適宜的樹種，DUTTA等[33]研究表明，桉樹葉片積累與分解速度適中，更容易使廢棄地養(yǎng)分循環(huán)保持平衡狀態(tài)。以上的研究結(jié)果對礦區(qū)植被恢復(fù)有一定的作用，但目前適宜性植物篩選多是從傳統(tǒng)成活率和形態(tài)學(xué)2個方面進行研究，存在周期長、成本高、后期存活率低的問題，缺乏從分子水平上進行篩選并從機理上深入研究植物對環(huán)境的適應(yīng)性機制。

礦區(qū)植被恢復(fù)對地上生態(tài)系統(tǒng)影響的研究主要集中于植被恢復(fù)過程中植物物種和多樣性方面，重點考慮種群的結(jié)構(gòu)與動態(tài)。多數(shù)研究表明，隨礦區(qū)植被恢復(fù)過程的加長，植被群落多樣性指數(shù)升高，群落結(jié)構(gòu)和功能得到改善[34-36]。但HUANG等[37]在黑岱溝礦區(qū)研究結(jié)果表明，草本植被年限增加，多樣性、蓋度及生物量大幅度提升，但灌叢表現(xiàn)為降低趨勢。近年來，更多關(guān)注于生物多樣性方面的研究，郝容等[38]通過對安太堡礦區(qū)多年的植被恢復(fù)動態(tài)研究表明，人工植被可由單一物種發(fā)展為復(fù)雜物種組成并逐漸趨于動態(tài)平衡，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能得以逐步協(xié)調(diào)。在植被配置的研究中，多數(shù)學(xué)者研究表明，合理配置喬、灌、草等植物有利于提高土壤的水分和養(yǎng)分含量、增加植被覆蓋率。但目前不同區(qū)域不同植被配置模式對比研究較少，研究深度不夠。

植被恢復(fù)對地下生態(tài)系統(tǒng)影響的研究主要集中于2個方面，一是植被恢復(fù)過程中土壤物理、化學(xué)及生物特性的變化研究[39]。在植被恢復(fù)過程中，隨著演替時間的推移，植被群落多樣性指數(shù)逐漸上升[34，36]，通過植被枯枝落葉層和根系固氮作用，對地表生物種類、豐度和組成產(chǎn)生影響，土壤質(zhì)地細化，團聚力增強，土壤有機質(zhì)和N含量增加[40]，土壤微生物生物量增加[41]，土壤酶活性提高[42]，土壤質(zhì)量得到改善。二是植被恢復(fù)過程中土壤水分的變化研究，水分是干旱、半干旱地區(qū)植被重建中最主要的生態(tài)限制因子[43-44]。

以上對于礦區(qū)植被恢復(fù)主要從植物物種多樣性、種群結(jié)構(gòu)變化特征以及植被配置模式等對地上地下生態(tài)系統(tǒng)的影響進行研究，對礦區(qū)植被恢復(fù)和多樣性保護起到重要作用，但生態(tài)系統(tǒng)地上地下生物多樣性是相互影響的，目前多數(shù)研究主要以不同恢復(fù)方式對植物脅迫生長的生理性描述為主，而沒有討論植物—土壤的耦合機制，更沒有從演化的角度，利用比較的手段探討二者的協(xié)同演化規(guī)律。

1.3 礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)模式研究現(xiàn)狀

礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)主要研究礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合能力的恢復(fù)和管理過程，具有綜合性和技術(shù)性強的特點，已成為國內(nèi)當(dāng)前研究的熱點問題。目前，針對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)模式的研究主要是根據(jù)不同的礦區(qū)種類、礦區(qū)的破壞程度及由開采技術(shù)的不同對土地所造成的破壞，選擇開發(fā)適宜的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)和模式[26]。

根據(jù)礦區(qū)所在地的氣候條件、地形地貌、土壤質(zhì)地等特點，有學(xué)者歸類了不同的生態(tài)恢復(fù)模式[26]：在地下水豐富的平原地帶，建成以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢農(nóng)作物為主的集約化農(nóng)業(yè)生態(tài)恢復(fù)模式；在丘陵和山區(qū)地帶，以構(gòu)建喬灌草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為主，主要目標(biāo)是防治水土流失、改善生態(tài)環(huán)境。白中科等[45]對山西平朔安太堡露天煤礦的水土保持布局模式進行了研究，并確定了礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建規(guī)劃的方法。吳秀瓊[15]研發(fā)出剝離—采礦—復(fù)墾聯(lián)合工藝系統(tǒng)。宮正[46]對遼西礦區(qū)廢棄地水土保持技術(shù)進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“牧草+灌木”模式對于改良土壤、減少地表徑流和土壤侵蝕的效果最佳。此外，還可根據(jù)礦區(qū)自然條件，將廢棄礦山開發(fā)建設(shè)成各種主題公園，如“生態(tài)恢復(fù)展示園區(qū)”、“采礦體驗園”。

目前，礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)主要以生物技術(shù)和工程技術(shù)為主，也有學(xué)者開始關(guān)注工程技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的景觀恢復(fù)技術(shù)。盡管目前國內(nèi)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)采用各種技術(shù)措施，但截至目前，并未形成一套完整的技術(shù)體系[47]，尤其是在水土流失區(qū)域，缺乏從土壤、植被和水分三方面綜合考慮的、系統(tǒng)完善的技術(shù)體系。

2 問題和展望

從國內(nèi)外礦區(qū)生態(tài)修復(fù)相關(guān)問題的研究看，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)取得了長足發(fā)展，主要關(guān)注礦區(qū)土壤改良、生態(tài)修復(fù)耐性植物篩選以及修復(fù)進程中的植物配置及其群落結(jié)構(gòu)的變化等方面。就目前研究中存在的問題提出今后礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究的建議。

從目前的研究來看，主要存在的問題是：缺乏將土壤水熱條件與養(yǎng)分耦合運移來研究其對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的影響；在適宜性植物篩選方面，多是從形態(tài)學(xué)、生理學(xué)等方面進行，存在周期長、成本高的問題，尚未從分子水平深入研究植物對環(huán)境的適應(yīng)性機制并開發(fā)新技術(shù)進行耐性植物篩選；在植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中則缺乏優(yōu)勢菌的篩選，以及優(yōu)勢微生物與礦區(qū)植被生長相互作用機制的研究；對于礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中植物群落結(jié)構(gòu)和功能變化，更多的是從物種多樣性、結(jié)構(gòu)變化等對地上生態(tài)功能的影響進行研究，而對于作為反映生態(tài)功能變化的土壤微生物、植物根系等相互作用的地下生態(tài)過程卻研究較少。

針對目前研究中存在的問題，一方面，應(yīng)該對土壤、植被、水分進行更深入的研究，發(fā)掘在每個因素中對生態(tài)修復(fù)所起到的關(guān)鍵性作用；另一方面，應(yīng)該從系統(tǒng)的整體性考慮，將三者結(jié)合起來建立完善的土壤—水分—植被耦合機制技術(shù)模式，使今后的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)得到更有效長遠的發(fā)展。

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Research Progress of Soil-Vegetation Restoration Process and Mode in Coal Mining Area

LIU Shuang1，2，GUO Jinli1
（1.Institute of Agricultural Environment and Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province，Taiyuan 030031，China；2.Institute of Loess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Human activities leads to the fragile nature ecological environment of the coal mining area and the surrounding.Therefore,the ecological restoration of the mine is one of the main ways to realize the ecosystem structure and function recovery and the sustainable development of the society and economy.In this article,the research progress and problems about the restoration of soil,vegetation ecosystem and technical model were reviewed,and some suggestions were put forward for future research on ecosystem restoration in miningarea.

coal miningarea;soil restoration;revegetation;recovery mode

TD88

A

1002-2481（2017）10-1710-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.33

2017-05-20

山西省自然科學(xué)基金項目（201601D021117）；土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室開放基金項目（2015004）

劉 爽（1983-），女，黑龍江綏化人，副教授，博士，主要從事土壤生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)模型模擬研究工作。