不同植被類型對哈密南湖二號煤礦土壤修復研究

龍一方 王夢 黃長福 馬伊琍 麻浩

摘? ? 要：礦區(qū)的生態(tài)恢復已經(jīng)受到全球各國的高度重視，大量未治理的礦區(qū)是造成水土流失，土地荒漠化的重要誘因，對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生嚴重影響。為探究不同植被對干旱區(qū)礦區(qū)荒漠土壤的修復情況，以新疆哈密南湖二號礦區(qū)作為對象，研究了梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、紅柳、沙棗、甘草7種植被種類覆蓋對土壤理化性質(zhì)的影響及植被的生長狀況，研究結(jié)果表明：（1）受灌溉方式和水質(zhì)的影響，會造成土壤pH值增加，可能會產(chǎn)生鹽堿化造成二次土地退化。（2）植被種植能夠增加研究區(qū)內(nèi)土壤中全氮、全磷、速效鉀、堿解氮，但大部分會減少全鉀的含量，對速效磷的含量影響并不顯著。（3）苜蓿、甘草、竹柳和枸杞能夠改善土壤，提高土壤有機質(zhì)含量。（4）從生態(tài)恢復效益來看，較為適宜種植的作物為苜蓿、甘草和梭梭，其中甘草和苜蓿又能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟價值，適宜種植。

關(guān)鍵詞：土壤修復效應;干旱區(qū);土壤特征;植物生長;生態(tài)效益;哈密南湖二號煤礦

中圖分類號： X53? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.016

Different Vegetation Types Studied the Soil Restoration of the Hami Nanhu No.2 Coal Mine

LONG Yifang1， WANG Meng2， HUANG Changfu1， MA Yili3， MA Hao1

（1. Desert Ecological Restoration and Reconstruction Innovation Collaborative Center，School of Grass and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University， Urumqi，Xinjiang 830001，China;2. State Grid Hami Coal Power Company Limited， No.2 mine of Dananhu， Hami，Xinjiang 839000，China; 3. Lanzhou Shengduo desert Protection Research Institute， Lanzhou，Gansu 730000，China）

Abstract： The ecological restoration of mining areas has been highly valued by all countries in the world. A large number of untreated mining areas are the important inducements of soil erosion and land desertification， which have a serious impact on human survival and development. Taking Nanhu No.2 Coal Pit in Hami， Xinjiang as the research object， the effects of different vegetation types such as Haloxylon ammodendron（C. A. Mey.） Bunge.， Salix hybrid， Lycium chinense Mill.， Medicago sativa， Tamarix ramosissima， Elaeagnus angustifolia Linn. and Glycyrrhiza uralensis Fisch. on soil properties were studied in this paper. The results showed that： （1） affected by irrigation methods and water quality， soil pH value would increase， which might lead to salinization and secondary land degradation. （2） Vegetation planting can increase the content of total nitrogen， total phosphorus， available potassium and alkali hydrolyzable nitrogen， but most of them will reduce the content of total potassium， and the effect on the content of available phosphorus is not significant. （3） Medicago Sativa， Glycyrrhiza uralensis， Salix hybrid and Lycium chinense could improve soil organic matter content. （4） From the perspective of ecological restoration benefits， Medicago Sativa， Glycyrrhiza uralensis and Haloxylon ammodendron are more suitable for planting， among which licorice and alfalfa can produce better economic value and are suitable for planting.

Keywords： soil remediation effect; arid area; soil characteristics; plant growth; ecological benefits; Nanhu No.2 coal mine in Hami

土壤是人類賴以生存的載體，為人類生產(chǎn)、生活提供主要物質(zhì)來源的途徑之一[1]。礦區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)建設(shè)會對植被和土壤環(huán)境造成較大的破壞。哈密南湖二號煤礦屬于露天煤礦，并且當?shù)氐靥幐珊档貐^(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被和土壤的破壞對環(huán)境會造成巨大影響。因此需要在兼顧發(fā)展的同時對礦區(qū)進行土壤植的修復，恢復土壤環(huán)境的系統(tǒng)功能，以實現(xiàn)土地的再利用[2-4]。

土壤是植物生長的基礎(chǔ)，土壤中植物主要需要的養(yǎng)分主要包括有機質(zhì)、全鉀、全磷、全氮等，并且土壤水分、土壤質(zhì)地等也會對植物生長產(chǎn)生影響。同時植被對土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)具有富集作用，因此通過植被種植對貧瘠的土壤具有一定的修復作用。王夢等[1]通過對本研究區(qū)土壤進行理化性質(zhì)分析，認為植被的種植會改善土壤的貧瘠狀況;李藝鋒[5]對葫蘆島周邊廢棄礦區(qū)種植植被后的土壤理化性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，植被對于土壤中的堿解氮的增加影響顯著;王璐[6]對太原市西山煤礦進行了不同樹種修復對土壤理化性質(zhì)影響的研究，發(fā)現(xiàn)植被的種植對當?shù)氐耐寥览砘再|(zhì)改良顯著[7-9]。綜上所述，植被對于土壤修復具有一定的作用，但由于環(huán)境和植被類型的差異，濕潤地區(qū)通常選用喬木來進行土壤的改良，而干旱地區(qū)則選取當?shù)鼐哂袃?yōu)勢的草本或灌木。目前對于新疆地區(qū)優(yōu)勢植被對土壤理化性質(zhì)影響的研究還較少[5，10，11]。

哈密南湖二號煤礦地處內(nèi)陸干旱的荒漠區(qū)域，土壤貧瘠，保水保肥能力差。因此，本文選取適宜當?shù)氐膬?yōu)勢植被及耐旱植被，包括梭梭（Haloxylon ammodendron（C. A. Mey.）Bunge.）、竹柳（Salix hybrid）、枸杞（Lycium chinense Mill.）、苜蓿（Medicago sativa）、紅柳（Tamarix ramosissima）、沙棗（Elaeagnus angustifolia Linn.）、甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）7種植物種類[9]，對研究區(qū)的土壤修復狀況和植物的生長狀況進行研究，以期選取能夠改良當?shù)赝寥佬再|(zhì)，并且最適宜種植的植被種類，對當?shù)氐V區(qū)的生態(tài)恢復和環(huán)境保護工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南湖二號露天煤礦位于E93°6′，N42°23′，地處新疆省維吾爾族自治區(qū)哈密市伊州區(qū)殘丘臺地區(qū)，地表被殘積、坡積的巖屑層所覆蓋，通稱戈壁（南湖戈壁）。礦區(qū)及其周邊50 km范圍內(nèi)無地表水系，地形高差最大155.71 m，坡度15%～30%[12]，屬低山丘陵區(qū)。該地區(qū)屬于典型的大陸性氣候，多年平均氣溫為9.8 ℃，全年干旱少雨，潛在蒸發(fā)量大[13]。

實驗地0～80 cm的平均土壤容重為1.4 g·cm-3，主要為砂土，自然狀態(tài)下土壤含水量和營養(yǎng)物質(zhì)含量較低。為改良研究區(qū)土壤，2018年春季進行植被種植，其中喬木種植面積1 400 m2，灌木10 500 m2，草本2 100 m2，實行人工滴灌，灌溉方式為每月灌溉3次，每次灌溉1～2 h，灌溉量為600 m3·hm-2，每年的灌溉時間為植物的生長階段4—11月份。

1.2 采樣分析方法

本研究在2018年進行土壤本底值的調(diào)查，2019年和2020年的6月份對植被種植后，梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、紅柳、沙棗和甘草7種植物的土壤進行采樣，每種植被地塊中隨機采集3次，測定土壤中0～20 cm的全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)。2019年和2020年8月，在植物生長旺季對植被的生理形態(tài)狀況進行調(diào)查，測定的指標為植被蓋度、葉片葉綠素和氮含量。其中葉片的采集選取每種植被中生長狀態(tài)較為平均的3棵植株進行，葉片采集后冷凍保存，烘干后測得其葉綠素和氮含量。

土壤樣品經(jīng)過處理后進行各項指標的測定，測定標準與方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》進行，具體指標、測量方法和儀器型號見表1[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

各項土壤理化指標經(jīng)分析測試后，結(jié)果分析采用Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和表格制作，使用Matlab進行方差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

為了研究植被的種植對土壤的改良作用和程度，尋找最適合研究區(qū)種植的植被，需要對植被種植前后土壤的理化性質(zhì)和植被的生長適應狀況進行研究。因此本研究選取適宜荒漠地區(qū)中種植的草本灌木植被，梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、紅柳、沙棗和甘草7種植物，并對種植前后土壤中全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的變化情況進行分析，結(jié)合植物的生長狀況，以期選取其中對當?shù)赝寥栏牧己蜕鷳B(tài)效益影響最優(yōu)的品種。

2.1 不同植被對土壤理化性質(zhì)的影響

表2為2018—2020年不同植被土壤中測定的pH、全氮、全磷、全鉀和有機質(zhì)值，表中顯示了土壤中不同年份各指標的平均值、標準差和顯著性。從表中可以看出，相對于2018年，2020年植被的種植均增加了土壤的pH值，除了沙棗在2019—2020年間降低了土壤的pH，植被的種植下土壤pH均呈顯著增加趨勢。土壤pH的增加可能是由于灌溉水源的影響，造成了土壤鹽堿化的加劇。在全氮、全磷和全鉀方面，全氮和全鉀分別呈現(xiàn)略微上升和下降的趨勢。其中，相對于2018年，2020年除紅柳外，其他植物土壤全氮上升均較為顯著。而全鉀除梭梭和苜蓿對土壤的影響不顯著外，其他均呈顯著下降趨勢?？傮w上，對土壤中全氮增加最多的植被為苜蓿，增加量的為0.11 g·kg-1，對土壤中全鉀影響最小的植物為梭梭;植被的種植對土壤全磷的影響比較顯著，經(jīng)過兩年的種植，所有植物均增加了土壤中的全磷含量，并且都為顯著增加。在不同年份中，竹柳和苜蓿土壤中的全磷是呈現(xiàn)逐年顯著增加的趨勢，對全磷增加量最大的為竹柳，增加量為0.18 g·kg-1。對土壤中的有機質(zhì)含量的影響方面，經(jīng)過兩年的種植，竹柳、枸杞、甘草和苜蓿會增加有機質(zhì)含量，而梭梭、沙棗和紅柳會降低土壤中的有機質(zhì)，但梭梭、枸杞、竹柳和甘草的影響并不顯著，對土壤中有機質(zhì)增加最多的為苜蓿，增加量為1.54 g·kg-1。從2018—2020年整體上看，不同植物對有機質(zhì)影響的過程也不同，梭梭、苜蓿、紅柳和沙棗是先增加再減少，竹柳和枸杞是逐漸增加的趨勢，而甘草是減少后再增加的趨勢?？傊?，植被的種植對土壤的理化性質(zhì)會產(chǎn)生一定的影響，有助于土壤中全氮、全磷的增加，但大部分會減少全鉀，不同類型的植物對土壤有機質(zhì)的含量影響不同。

表3為7種植被種類在種植前后對土壤中速效磷、速效鉀和堿解氮的影響。從表3中可以看出，在2018—2019年，種植植被的第一年，竹柳、枸杞、苜蓿增加了土壤中的速效磷含量。其中增加最多的為枸杞，增加量為0.27 mg·kg-1。其他的植被均減少了土壤中的速效磷。減少最多的為紅柳，減少量為0.15 mg·kg-1。在2020年，植被種植后的第二年，相對于2019年梭梭、紅柳、沙棗增加了土壤中的速效磷含量，其他植被均為減少趨勢，其中增加最多的植被為沙棗，增加量為0.14 mg·kg-1?？傮w上，經(jīng)過兩年的種植梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、甘草和紅柳會降低土壤中速效磷的含量，但影響并不顯著。沙棗雖然對土壤中的速效磷略有提高，但影響同樣提高趨勢也不顯著。這說明植被的種植對研究區(qū)域速效磷并不會產(chǎn)生明顯的影響。

土壤中速效鉀含量方面，相對于2018年，在植被種植兩年后，均顯著提高了土壤中的速效鉀含量。其中增加量最大的植被為苜蓿，增加量為0.51 g·kg-1。在不同年份中，2018—2019年，7種植被均增加了土壤中的速效鉀含量，除了梭梭外，其他均呈顯著增加的趨勢，其中增加最多的為紅柳，最少的為梭梭增加量分別為0.25 g·kg-1和0.02 g·kg-1。在2020年，植被種植后的第二年，相對于2019年竹柳、紅柳、沙棗減少了土壤中的速效鉀含量，并且沙棗呈顯著減少趨勢;其他植被均為增加趨勢，且增加趨勢顯著，其中紅柳和沙棗的減少量相近約為0.03 g·kg-1，增加最多的為苜蓿，增加量為0.29 g·kg-1?？傮w上，研究區(qū)域內(nèi)植被的種植對于土壤中速效鉀的含量影響較為明顯，增加趨勢顯著。

從表中可以看出，2018—2020年土壤中堿解氮含量的變化，相對于種植之前，7種植物均增加了土壤中堿解氮的含量。2018—2019年，植被種植后苜蓿土壤的氮含量呈現(xiàn)顯著增加，增加量為4.1 mg·kg-1，其他植物土壤堿解氮含量雖然增加但不顯著。2019—2020年，植物種植后第二年，土壤中的堿解氮含量除甘草上升外，都有一定程度的下降，但下降趨勢都不顯著。整體上，苜蓿和甘草的種植能顯著增加土壤中的堿解氮含量，其他植被雖然有增加但增加趨勢都不顯著。

綜上所述，植被種植對研究區(qū)內(nèi)土壤的理化性質(zhì)有一定的改良作用，選取合適的品種能夠提高土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。從各種植被對土壤的綜合影響程度來看，比較適合研究區(qū)種植的植物為苜蓿、甘草、枸杞和竹柳。這4種植物能夠提高土壤中的有機質(zhì)和全磷含量，但甘草、枸杞和竹柳會降低土壤中的全鉀含量，并且枸杞和甘草會略微降低土壤中的全氮含量，因此對土壤改良效果的排序為：苜蓿>甘草>枸杞>竹柳。

2.2 不同植被的生長狀況

圖1為研究區(qū)2018—2019年植被葉片氮含量、葉綠素含量和植被蓋度變化圖。從圖中可以看出，2018—2019年7種植被葉片的氮含量除枸杞呈現(xiàn)顯著下降趨勢，竹柳呈顯著上升趨勢以外，其他植被的葉片氮含量均沒有顯著變化。其中，2019年葉片氮含量最高的為枸杞，氮含量為12.1 mg·kg-1，2020年為沙棗，氮含量為11.03 mg·kg-1，其中紅柳和梭梭的氮含量較低。在葉片葉綠素含量方面，與氮含量相似，紅柳和梭梭較低，竹柳、枸杞、苜蓿和沙棗較高。在植被蓋度方面，苜蓿、梭梭和甘草具有優(yōu)勢，能夠起到一定的防風固沙效果。

綜上所述，不同植被對研究區(qū)環(huán)境的適應狀況不同，生理生態(tài)上具有一定的差異。其中紅柳和梭梭葉片氮含量較低，竹柳、枸杞、紅柳和沙棗植被蓋度在種植的兩年中均相對其他植物較低，說明其在生態(tài)效益上表現(xiàn)較差。因此，根據(jù)植被對當?shù)丨h(huán)境的適應性和對當?shù)貛淼纳鷳B(tài)效益綜合來看，較為適宜當?shù)胤N植的植被排序為：苜蓿>甘草>沙棗>枸杞。

3 結(jié)論與討論

通過研究7種植被對哈密南湖二號煤礦土壤理化性質(zhì)的影響以及對植被的生長狀況進行了監(jiān)測，筆者發(fā)現(xiàn)不同植被對研究區(qū)的土壤理化性質(zhì)均有一定程度的影響，這與前人研究相似，說明植被的種植對土壤環(huán)境的修復具有一定的作用[6-8]。由于研究區(qū)域處于荒漠地帶，土壤中保肥保水能力差，本身營養(yǎng)物質(zhì)含量較低。植被的種植對土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)具有一定的富集作用，其根系的微生物活動也能夠增加土壤中鉀和氮元素的含量，尤其其中苜蓿和甘草為豆科植物其根系的固氮菌的固氮作用相對于其他植被生長具有優(yōu)勢，對于土壤的改良效果也更加明顯，其他研究也說明豆科植物具有更強的固氮作用更適宜于貧瘠土壤的改良[15-16]。由于本研究區(qū)域氣候干旱，在對礦區(qū)土壤修復時，植被選取主要以灌木和草本為主，并且通過本研究發(fā)現(xiàn)適宜當?shù)厣L的草本植物對土壤修復能力要優(yōu)于喬木，這與其他研究主要選取喬木為主有一定的差異[17-18]。在植被的生長方面，由于不同植被的生理生態(tài)有一定的差別，在葉片葉綠素和氮含量上差異也十分明顯，但年際差別相對較小，部分植物的蓋度隨著生長年限的增加而增加，而苜蓿甘草相對年際變化較小，部分植物在種植時還要注重土壤的肥力情況。由于本文在研究中受到時長影響，可能一些植被對土壤的改良作用會在更長的時段內(nèi)顯現(xiàn)。對土壤的采樣期主要在植物的集中生長階段，因此植物對部分營養(yǎng)物質(zhì)的富集作用可能產(chǎn)生一定的影響，并且荒漠中的其他種類的優(yōu)勢植被較多，所以還需要進一步對植被修復土壤的作用進行研究。

本研究通過分析2018—2020年，7種植被種植前后研究區(qū)內(nèi)土壤理化性質(zhì)的變化，以及不同植被在研究區(qū)域內(nèi)的生長情況，探討了最適宜當?shù)胤N植的植物，以達到最佳的生態(tài)環(huán)境效益，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）由于研究區(qū)地處干旱區(qū)，因此植被的種植需要依靠人工灌溉，但受到灌溉方式和水質(zhì)的影響，會增加土壤的pH值，可能會產(chǎn)生鹽堿化。因此需要在植被種植和生態(tài)恢復的同時注重次生鹽堿化，防止土壤性質(zhì)惡化[19-22]。

（2）植被的種植能夠增加研究區(qū)內(nèi)土壤中全氮、全磷、速效鉀、堿解氮含量，但大部分會減少全鉀的含量。植被種植對土壤中的速效磷影響并不顯著。其中最能夠改善土壤，提高土壤中營養(yǎng)物質(zhì)含量的植被為苜蓿、甘草、竹柳和枸杞。

（3）根據(jù)的葉片氮含量和葉綠素含量，最適宜研究區(qū)生長的植被為竹柳、枸杞、苜蓿、甘草和沙棗。根據(jù)植被蓋度所能產(chǎn)生防風固沙作用的生態(tài)效益來看，研究區(qū)較為適宜種植的作物為苜蓿、甘草和梭梭，其中甘草和苜蓿又能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟價值，因此最適宜種植[23-25]。

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