不同人工恢復(fù)措施下高寒礦區(qū)煤矸石山植被和土壤恢復(fù)效果研究

楊鑫光，李希來(lái)，金立群，孫華方

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

煤礦開(kāi)采業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)[1-2]。然而在開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，通常伴隨著大規(guī)模土地的損毀、土壤和植被的破壞、空氣和土壤水的污染等[3-5]，特別是采礦點(diǎn)周邊堆積形成煤矸石山，不僅侵占寶貴的土地資源，而且造成土壤侵蝕等[6-7]，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。煤矸石山由于土壤呈酸性、養(yǎng)分含量低、持水能力差等原因，植被恢復(fù)重建過(guò)程非常困難[8]，如果沒(méi)有人工恢復(fù)措施會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的進(jìn)一步惡化[9]。

許多研究表明，在煤矸石山開(kāi)展植被重建是恢復(fù)生態(tài)的有效措施[10-11]，通過(guò)人工恢復(fù)措施，形成有利于植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件顯得尤為重要。土壤可作為植物生長(zhǎng)的基質(zhì)和物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠提供必要的支撐及水分、養(yǎng)分[12-13]。一方面，可通過(guò)煤矸石山土壤復(fù)墾，如表土回填或客土覆蓋等方式，促進(jìn)植物生長(zhǎng)及群落演替[14-15]。另一方面，可通過(guò)施肥提供植物生長(zhǎng)必要的營(yíng)養(yǎng)元素，提高草地生產(chǎn)力及草地質(zhì)量，使群落有進(jìn)一步演替的基礎(chǔ)，進(jìn)而加快生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)程[16]。近年來(lái)，對(duì)于恢復(fù)退化草地措施的效果開(kāi)展了諸多研究，大部分集中于圍欄封育、補(bǔ)播、施肥、耙地等常規(guī)處理措施[16-19]，并且多見(jiàn)于采取人工建植、施肥、覆土等單一措施[20-22]，對(duì)以上幾種恢復(fù)措施組合下的恢復(fù)效果對(duì)比，特別是覆土、施肥措施下的對(duì)比研究少見(jiàn)報(bào)道。在人工建植條件下，施肥、覆土措施之間經(jīng)濟(jì)投入差別大，從有利于植被恢復(fù)、同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)投入的角度出發(fā)選擇適宜的恢復(fù)措施顯得意義重大。

本研究通過(guò)在高寒礦區(qū)煤矸石山設(shè)置人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等幾種恢復(fù)措施，研究不同恢復(fù)措施下的植物群落組成、植被生長(zhǎng)和土壤性質(zhì)變化特征，比較不同措施間的恢復(fù)效果，探討最適宜的恢復(fù)措施，旨在為高寒礦區(qū)煤矸石山生態(tài)恢復(fù)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

青海木里地區(qū)位于祁連山中東段大通河谷地，區(qū)內(nèi)分布有江倉(cāng)、聚乎更、哆嗦貢瑪和弧山等礦區(qū)，是青海省煤炭(焦煤)資源的集中分布區(qū)[23]。本研究區(qū)位于青海省東北部天峻縣江倉(cāng)煤礦區(qū)，面積55 km2，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)99°27′-99°35′，北緯38°02′-38°03′，平均海拔3800 m，是我國(guó)重要的煤礦開(kāi)采區(qū)之一。選取江倉(cāng)煤礦區(qū)五井田周邊煤礦廢棄地(煤矸石山)作為試驗(yàn)區(qū)，海拔3917 m左右，年平均氣溫-5.0 ℃左右，年最低氣溫可達(dá)-36 ℃，年平均大風(fēng)日數(shù)30 d，年平均降水量500 mm以上，大多栽培草種不適宜該區(qū)低溫環(huán)境下的生長(zhǎng)和發(fā)育。試驗(yàn)區(qū)周邊原始群落土壤類型主要為沼澤土和高山草甸土，原始植被類型以藏嵩草(Koeleriatibetica)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，分別為人工建植+覆土、人工建植+施肥、人工建植、原始群落、煤矸石山。其中，在試驗(yàn)樣地設(shè)置3個(gè)人工恢復(fù)措施處理，具體設(shè)置方法為：在試驗(yàn)區(qū)選取采礦點(diǎn)周邊煤矸石山作為試驗(yàn)樣地，于2013年春季開(kāi)展播種，人工種植的草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，播種比例2∶1∶1，播量300 kg·hm-2。播種前利用大型耙機(jī)深翻樣地周邊煤矸石山深層底土，并覆蓋于樣地表層，覆土深度40～45 cm(覆土深度的選擇主要依據(jù)地上植物根系延伸適宜長(zhǎng)度測(cè)算)，作為人工建植+覆土處理(revegetation and replaced soil，R-S)；設(shè)置6個(gè)面積為4 m×4 m固定樣方，在人工建植后樣方內(nèi)每年6月進(jìn)行施肥，施用量為磷酸二銨275 kg·hm-2+氯化鉀100 kg·hm-2，作為人工建植+施肥處理(revegetation and fertilization，R-F)；樣方外空地人工建植后不施任何肥料，作為人工建植處理(revegetation，R)。其他2個(gè)處理設(shè)置方法為：選擇試驗(yàn)樣地周邊原始群落作為恢復(fù)效果對(duì)比處理(undisturbed grassland，UG)；將未采取任何人工恢復(fù)措施的煤矸石山作為對(duì)照(CK)。

2017年8月，在人工建植+覆土、人工建植+施肥和人工建植處理后的樣地、原始植被樣地、不做任何處理的煤矸石山(CK)樣地中各隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m樣方6個(gè)，每個(gè)樣方計(jì)為1次重復(fù)，分別記錄植物種類，同時(shí)測(cè)定蓋度、高度、密度及地上部分生物量，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)。植被蓋度(vegetation coverage，VC)測(cè)定用直接目測(cè)法，樣方內(nèi)垂直投影面積占樣方面積的比值；植被密度(vegetation density，VD)，計(jì)數(shù)法，樣方內(nèi)的所有植物個(gè)體數(shù)及分物種個(gè)體數(shù)；植被高度(vegetation height，VH)用直尺測(cè)定，樣方內(nèi)植物平均高度；地上生物量(above-ground biomass，AGB)用烘干法測(cè)定[24]。

依據(jù)研究區(qū)植物種類分布特點(diǎn)，將重要值≥40%的物種確定為樣地優(yōu)勢(shì)種，將重要值≥3%，<40%的物種確定為樣地亞優(yōu)勢(shì)種，將重要值<3%的物種確定為樣地偶見(jiàn)種。重要值=(相對(duì)蓋度+相對(duì)密度+相對(duì)頻度)/3。式中：相對(duì)蓋度=某一植物種的蓋度/樣方中所有物種分蓋度之和×100%；相對(duì)密度=某一植物種的個(gè)體數(shù)/樣方中全部物種的個(gè)體數(shù)×100%；相對(duì)頻度=某一植物種的頻度/全部物種的頻度之和×100%。

每個(gè)處理及對(duì)照中隨機(jī)選取6個(gè)樣方中的3個(gè)，在每個(gè)樣方內(nèi)部及周邊隨機(jī)選取5個(gè)0～10 cm土層土壤，混合一起作為1個(gè)土壤樣品，每個(gè)處理及對(duì)照分別有3個(gè)土壤樣品，為3次重復(fù)。土壤樣品均去除雜質(zhì)(石塊和植物殘根等)，裝入封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后測(cè)定土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量及pH值。其中，全氮(total nitrogen，TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷(total phosphorus，TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀(total potassium，TK)采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定；堿解氮(available nitrogen，AN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷(available phosphorus，AP)采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀(available potassium，AK)采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤pH值(pH)采用電極法(水土比2.5∶1)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter，SOM)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用單因素ANOVA分析方法檢驗(yàn)各處理間的差異(P<0.05)，采用LSD法進(jìn)行多重比較，采用Pearson相關(guān)分析法分析不同恢復(fù)措施下植被生長(zhǎng)特性與相對(duì)應(yīng)土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值間的相關(guān)性(由于施用速效肥料，速效氮磷鉀不包括)。數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)措施下的植物群落組成特征

從表1中看出，不同恢復(fù)措施下高寒礦區(qū)煤矸石山及周邊原始群落樣地共出現(xiàn)9種植物，隸屬于5科9屬。其中，人工建植+覆土、人工建植+施肥、人工建植、原始群落樣地分別出現(xiàn)5、6、4、3種，由于未采取任何人工恢復(fù)措施，煤矸石山(CK)沒(méi)有植物出現(xiàn)。從樣地出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)種來(lái)看，人工建植+覆土樣地優(yōu)勢(shì)種為垂穗披堿草，重要值達(dá)80.54%，其次為亞優(yōu)勢(shì)種中華羊茅(Festucasinensis)、冷地早熟禾。人工建植+施肥、人工建植樣地優(yōu)勢(shì)種均為冷地早熟禾，重要值分別達(dá)40.66%、71.63%，其次為亞優(yōu)勢(shì)種垂穗披堿草、星星草。原始群落樣地優(yōu)勢(shì)種為藏嵩草，重要值達(dá)67.89%，其次為亞優(yōu)勢(shì)種青藏苔草、冷地早熟禾。人工建植+覆土、人工建植+施肥措施下，青藏苔草、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、高原毛茛(Ranunculustanguticus)、細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)等偶見(jiàn)種零星出現(xiàn)，而單純的人工建植措施下未發(fā)現(xiàn)上述偶見(jiàn)種。

表1 不同恢復(fù)措施下植物群落物種組成及優(yōu)勢(shì)種 Table 1 Species composition and dominant species under the different restoration measures

注：“▲”表示樣地優(yōu)勢(shì)種；“△”表示樣地亞優(yōu)勢(shì)種；偶見(jiàn)種未標(biāo)注；“-”表示此物種在該樣地未出現(xiàn)。R-S：人工建植+覆土；R-F：人工建植+施肥；R：人工建植；UG：原始群落；CK：對(duì)照，煤矸石山。下同。

Notes: “▲” indicate the specie is dominant in the plot; “△” indicate the specie is subdominant in the plot; The occasional species in the plot are unmarked; “-” indicate species disappears in the plot. R-S: Revegetation and replaced soil; R-F: Revegetation and fertilization; R: Revegetation; UG: Undisturbed grassland; CK: A control plot, coal mine spoils. The same below.

2.2 不同恢復(fù)措施下的植物生長(zhǎng)變化特征

與未經(jīng)恢復(fù)的煤矸石山相比，3種人工恢復(fù)措施均能快速形成人工植被群落，并且引起植物生長(zhǎng)特征發(fā)生較大變化(圖1)。對(duì)人工恢復(fù)措施的效果進(jìn)行對(duì)比，植被蓋度方面，人工建植+覆土為(89.00±8.34)%，已接近原始群落植被蓋度(95.83±1.72)%水平，顯著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。植被密度方面，人工建植+施肥顯著高于人工建植+覆土和人工建植(P<0.05)。植被高度方面，人工建植+覆土顯著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。地上生物量方面，人工建植+覆土顯著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。與人工建植+覆土、人工建植+施肥比較，人工建植措施下植被蓋度、密度、高度和地上生物量均最小(P<0.05)。3種恢復(fù)措施對(duì)植物生長(zhǎng)的恢復(fù)效果由高到低順序?yàn)椋喝斯そㄖ?覆土>人工建植+施肥>人工建植。與人工恢復(fù)措施相比原始群落樣地物種組成差別較大，植被密度相對(duì)更高(P<0.05)，而植被高度和地上生物量顯著低于人工建植+覆土措施(P<0.05)。由于未采取任何人工恢復(fù)措施，煤矸石山樣地(CK)未觀測(cè)到植物生長(zhǎng)，植被蓋度、植被密度、植被高度及地上生物量均為0。

2.3 不同恢復(fù)措施下的土壤氮磷鉀含量變化特征

從圖2中看出，與煤矸石山樣地相比，不同人工恢復(fù)措施沒(méi)有顯著提高土壤氮含量，各處理間差異不顯著(P>0.05)。原始群落樣地全氮、堿解氮含量顯著高于不同恢復(fù)措施樣地及對(duì)照(P<0.05)，經(jīng)過(guò)5年時(shí)間的短期恢復(fù)，3種煤矸石山人工恢復(fù)樣地土壤氮含量仍然處于較低水平。

與煤矸石山樣地相比，短期恢復(fù)措施下土壤全磷含量沒(méi)有顯著變化(P>0.05)。而不同恢復(fù)措施之間相比，土壤全磷含量有較大變化，其中人工建植+覆土顯著高于人工建植(P<0.05)。不同恢復(fù)措施下的土壤全磷含量顯著低于原始群落樣地(P<0.05)，整體處于較低水平。與煤矸石山樣地相比，人工建植+覆土、人工建植沒(méi)有顯著提高土壤速效磷含量(P>0.05)，而人工建植+施肥顯著提高了土壤速效磷含量(P<0.05)，同時(shí)也高于原始群落樣地水平(P<0.05)。

與煤矸石山樣地相比，人工建植+覆土沒(méi)有顯著增加土壤全鉀含量(P>0.05)，人工建植+施肥、人工建植顯著提高了土壤全鉀含量(P<0.05)。人工建植+覆土、人工建植與煤矸石山樣地相比，速效鉀含量差異不大(P>0.05)，人工建植+施肥能夠顯著提高土壤速效鉀含量(P<0.05)。與不同恢復(fù)措施及對(duì)照相比，原始群落樣地土壤全鉀含量相對(duì)較低，而速效鉀含量相對(duì)較高(P<0.05)。

鑒于3種恢復(fù)措施對(duì)土壤氮含量影響差異不顯著，對(duì)土壤磷、鉀含量影響總體上表現(xiàn)為人工建植+施肥>人工建植+覆土、人工建植。3種恢復(fù)措施對(duì)土壤氮磷鉀恢復(fù)效果由高到低順序?yàn)椋喝斯そㄖ?施肥>人工建植+覆土>人工建植。

2.4 不同恢復(fù)措施下的土壤有機(jī)質(zhì)及pH值變化特征

從圖3中看出，與煤矸石山樣地相比，不同恢復(fù)措施均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05)，而各恢復(fù)措施之間差異不顯著(P>0.05)。原始群落樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于不同恢復(fù)措施及對(duì)照(P<0.05)，與原始群落樣地相比，3種恢復(fù)措施下土壤有機(jī)質(zhì)含量依然很低。短期內(nèi)3種恢復(fù)措施對(duì)土壤pH值的改善作用依然有限，與煤矸石山樣地相比差異不顯著(P>0.05)，但3種恢復(fù)措施土壤pH值為(8.21±0.20)～(8.34±0.07)，與煤矸石山樣地土壤pH值(8.59±0.04)相比，依然有降低土壤pH值，土壤性質(zhì)朝中性發(fā)展的趨勢(shì)。

2.5 不同恢復(fù)措施下的植物和土壤指標(biāo)相關(guān)性分析

由于施用速效肥料能夠促進(jìn)土壤中速效養(yǎng)分含量的增加，為此，僅分析土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值與植被蓋度、植被密度、植被高度及地上生物量的相關(guān)性(表2)。植被蓋度、密度、高度及地上生物量均與土壤全磷呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05，P<0.01)，植被高度與土壤全鉀呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。植被生長(zhǎng)各指標(biāo)與土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)含量呈弱正相關(guān)關(guān)系，與土壤全鉀、pH值呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

表2 不同恢復(fù)措施下植物生長(zhǎng)與土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性分析 Table 2 Correlation analysis between different soil properties and vegetation characteristics under the different restoration measures

注：* * 表示P<0.01水平上極顯著相關(guān)；* 表示P<0.05水平上顯著相關(guān)，n=9。

Note：* * indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1；* indicates the correlation is significant at the 0.05 leve1，n=9.

3 討論

3.1 不同恢復(fù)措施對(duì)人工群落物種組成的影響

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，原始群落生物多樣性在很大程度上被破壞[26]，通過(guò)采取有利于植被群落構(gòu)成和演替的人工恢復(fù)措施，能夠加快受損礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。有研究表明，不同的人工恢復(fù)措施，能夠?qū)Σ莸厝郝湮锓N組成和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響[27-28]。土壤厚度影響植物群落物種組成和豐富度[29]，與單純的人工建植措施相比，人工建植+覆土措施在一定程度引起群落豐富度的增加。人工建植+覆土措施下，演替形成了以垂穗披堿草為主的單優(yōu)勢(shì)種群落，和中華羊茅、冷地早熟禾等物種相比，垂穗披堿草具有更大的種間競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[30-31]，在厚覆土條件下利于垂穗披堿草根系發(fā)育，從而吸收更多營(yíng)養(yǎng)元素，使其逐步在群落中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。仁青吉等[16]對(duì)青藏高原典型高寒草甸退化草地的恢復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)，施肥措施簡(jiǎn)化了植物群落結(jié)構(gòu)。而本研究結(jié)果表明，施肥有利于人工植物群落物種數(shù)量的增加，群落組成相對(duì)更復(fù)雜，豐富度更大。人工建植+施肥措施下，演替形成了以冷地早熟禾為優(yōu)勢(shì)種，以垂穗披堿草、星星草為亞優(yōu)勢(shì)種的混播群落，由于施肥措施能夠在煤矸石山基質(zhì)環(huán)境差的表層形成均勻的土壤營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，使得人工栽培的各物種均能充分吸收利用，使得3種草種不同程度上得到發(fā)展。單純的人工建植措施形成了以冷地早熟禾為優(yōu)勢(shì)種、以垂穗披堿草為亞優(yōu)勢(shì)種的混播群落，群落物種數(shù)量少，結(jié)構(gòu)相對(duì)更加單一，不利于人工草地群落的穩(wěn)定發(fā)展。僅從植物群落物種數(shù)量及組成上判斷，3種人工恢復(fù)措施的恢復(fù)效果由高到低的順序?yàn)槿斯そㄖ?施肥>人工建植+覆土>人工建植。此外，人工恢復(fù)措施下的植物群落組成與原始群落相比差異較大，一方面受到繁殖體的限制，缺乏目標(biāo)群落入侵物種，導(dǎo)致新的植物群落出現(xiàn)[26]。也有研究表明土壤種子庫(kù)中缺乏當(dāng)?shù)囟嗄晟参锓N，加之地上植物僅有極少部分本地多年生植物種，這將在很大程度上導(dǎo)致人工植被群落恢復(fù)至原始群落需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程[32]。

3.2 不同恢復(fù)措施對(duì)植物生長(zhǎng)特征的影響

煤礦露天開(kāi)采及煤矸石山的堆積造成了植被的嚴(yán)重破壞，通過(guò)植被重建恢復(fù)礦山脆弱的生態(tài)系統(tǒng)是一項(xiàng)關(guān)鍵措施[33]。植被生長(zhǎng)是區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的綜合反映[34]，不同的恢復(fù)措施均趨向增加群落的高度、蓋度及生物量，但是不同的恢復(fù)措施產(chǎn)生的恢復(fù)效果是不同的[35-36]。本研究中，通過(guò)人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等措施，均在煤矸石山形成了人工植物群落，但是不同措施下的植物群落生長(zhǎng)狀況差異顯著。與單獨(dú)的人工建植措施相比，施肥增加了土壤肥力，改善了人工植被營(yíng)養(yǎng)供給環(huán)境，促進(jìn)了植物生長(zhǎng)；而覆土提供了植物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，有利于植物根系延伸生長(zhǎng)，從而吸收更多的養(yǎng)分和水分，促進(jìn)了植物更好生長(zhǎng)。單純的人工建植措施下，植被蓋度、高度、密度及地上生物量均很低，在煤矸石山極端的土壤條件及缺乏營(yíng)養(yǎng)元素的情況下[37]，在恢復(fù)初期，如果不采取施肥、覆土等額外增加土壤營(yíng)養(yǎng)元素的措施，僅依靠植物自我生長(zhǎng)及繁衍達(dá)不到生態(tài)恢復(fù)的良好效果，甚至?xí)?dǎo)致恢復(fù)失敗。通過(guò)植被生長(zhǎng)特征判斷，3種人工恢復(fù)措施的恢復(fù)效果由高到低的順序?yàn)槿斯そㄖ?覆土>人工建植+施肥>人工建植。未經(jīng)恢復(fù)的煤矸石山?jīng)]有任何植物出現(xiàn)，表明該地區(qū)如果不采取人工恢復(fù)措施，依靠自然演替恢復(fù)植被幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

3.3 不同恢復(fù)措施對(duì)土壤性狀的影響

露天煤礦開(kāi)采使土壤自然狀況和性質(zhì)遭到改變和破壞，土壤質(zhì)量的提高和恢復(fù)是恢復(fù)礦山生態(tài)系統(tǒng)功能的重要方面[38-39]，在此過(guò)程中，土壤理化性質(zhì)是判斷土壤質(zhì)量和健康程度的重要依據(jù)[40]。通過(guò)采取不同植被恢復(fù)措施，均能不同程度地改善土壤理化性質(zhì)[41-42]，而恢復(fù)的時(shí)間越長(zhǎng)，恢復(fù)的效果越顯著[43]。本研究中，由于恢復(fù)時(shí)間較短，通過(guò)人工建植措施、人工建植+覆土措施對(duì)土壤肥力增加的效果不明顯。與其他恢復(fù)措施相比，人工建植+施肥措施提高了土壤肥力，特別是顯著增加了土壤中的速效磷、鉀成分，而堿解氮在土壤中不夠穩(wěn)定，易受土壤水熱條件和生物活動(dòng)的影響而發(fā)生變化，短期施肥并沒(méi)有增加土壤中堿解氮的含量。較長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間下，不同恢復(fù)措施對(duì)土壤性狀的影響需進(jìn)一步深入研究。

土壤有機(jī)質(zhì)含量作為判斷土壤質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)，在植物生長(zhǎng)中扮演重要的角色[44]。與煤矸石山樣地相比，不同恢復(fù)措施均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，在高寒礦區(qū)煤矸石山人工建植后，由于氣候嚴(yán)寒，地上植被枯落物不斷積累，土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢，引起了土壤有機(jī)質(zhì)的較大增加，提高了土壤肥力。3種恢復(fù)措施之間土壤有機(jī)質(zhì)含量并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，由于隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同恢復(fù)措施在不同期間產(chǎn)生的恢復(fù)效果不同[45]，較長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間下不同恢復(fù)措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加比較分析有待進(jìn)一步研究。土壤 pH 值在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中扮演重要角色，通過(guò)調(diào)節(jié)植物營(yíng)養(yǎng)有效性，改變土壤微生物活性大小和土壤速效養(yǎng)分含量，引起土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化[39，46]。本研究中不同恢復(fù)措施對(duì)土壤pH值的影響作用不大，與煤矸石山樣地相比差異不顯著，但從趨勢(shì)上來(lái)看，一定程度上改善了土壤性質(zhì)，使土壤朝中性向好趨勢(shì)發(fā)展。

與原始群落樣地相比，短期內(nèi)3種恢復(fù)措施下土壤全氮、堿解氮、全磷、速效鉀、土壤有機(jī)質(zhì)含量依然較低，對(duì)土壤pH值的改善作用依然有限，人工植被要想恢復(fù)至原始群落土壤營(yíng)養(yǎng)含量水平仍需要很長(zhǎng)時(shí)間的恢復(fù)過(guò)程。綜合對(duì)土壤各元素含量影響水平的判斷，3種人工恢復(fù)措施的恢復(fù)效果由高到低的順序?yàn)槿斯そㄖ?施肥>人工建植+覆土>人工建植。

3.4 土壤和植物的相互作用

植物-土壤的相互作用研究是生態(tài)恢復(fù)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。在植被恢復(fù)過(guò)程中，植被與土壤相互作用，能夠形成顯著的相關(guān)關(guān)系[42,47]。本研究中得出類似的結(jié)果，植被生長(zhǎng)與土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)特別是土壤全磷之間相互促進(jìn)。由于植物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)鉀的需求量較大[48]，短期內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況的改善并沒(méi)有促進(jìn)土壤中全鉀含量的增加，全鉀含量有所降低。植被生長(zhǎng)狀況與土壤pH值之間呈弱負(fù)相關(guān)，表明植被對(duì)土壤 pH值的調(diào)節(jié)作用在加強(qiáng)。從以上分析看出，植物生長(zhǎng)有利于改良土壤，而土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量的提高促進(jìn)了植物生長(zhǎng)。由于植被重建過(guò)程當(dāng)中采取覆土方式，經(jīng)濟(jì)投入相對(duì)更高，基于受損礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)投入和所產(chǎn)生的生態(tài)效益兩個(gè)方面的考慮[29]，人工建植+施肥措施更符合該地區(qū)受損礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)實(shí)際。從有利于植被恢復(fù)、同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)投入的角度出發(fā)，可通過(guò)大量施肥特別是施用有機(jī)肥替代人工覆土，通過(guò)植物-土壤相互促進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)煤矸石山人工草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié)論

通過(guò)研究人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥3種恢復(fù)措施對(duì)植物和土壤5年時(shí)間的恢復(fù)效果發(fā)現(xiàn)，單純的人工建植方式不利于高寒礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)，采取人工建植+覆土或人工建植+施肥的組合方式，是恢復(fù)高寒礦區(qū)煤矸石山的有效途徑。為減少經(jīng)濟(jì)投入，可考慮通過(guò)施肥替代人工覆土，實(shí)現(xiàn)煤矸石山人工草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。以下幾個(gè)方面需進(jìn)一步深入研究：長(zhǎng)期恢復(fù)下，不同措施間的恢復(fù)效果對(duì)比；植物生長(zhǎng)與土壤性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化及土壤-植物相互作用機(jī)理；人工建植條件下多種施肥、覆土梯度效果比較，進(jìn)一步探討施肥代替覆土的可行性及施肥水平。

致謝：在野外的調(diào)查中得到了木里煤田管理局、青海圣雄礦業(yè)有限公司等單位領(lǐng)導(dǎo)和工作人員的大力支持，一并致謝。