不同施肥水平下高寒礦區(qū)煤矸石山植被和土壤恢復(fù)效果研究

楊鑫光，李希來，馬盼盼，張靜，周偉

（1.青海民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院，青海省特色經(jīng)濟(jì)植物高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧810007；2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海西寧810016；3.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083）

青海木里地區(qū)位于青藏高原祁連山中東段大通河谷地，是青海省最大的煤炭（焦煤）資源集中分布區(qū)［1］。近年來，該地區(qū)露天開采活動(dòng)造成采礦點(diǎn)周邊堆積形成大量煤矸石山，不僅侵占土地資源，而且引起植被破壞、土壤侵蝕等，嚴(yán)重危害區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全［2-3］。在煤矸石山開展植被重建是恢復(fù)生態(tài)的有效措施［4］，然而露天采礦往往伴隨大量表層土壤營養(yǎng)元素的損失，堆積的煤矸石山土壤貧瘠，極大限制了植物的正常生長發(fā)育［5］。為此，煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)過程需要增加土壤營養(yǎng)元素供給，以保證重建植物正常生長及群落的建立和發(fā)展［6］。許多研究表明，施肥可以提高土壤營養(yǎng)元素含量、改變微生物群落、增加生產(chǎn)力和地上部分生物量［7-10］。對(duì)于人工建植草地，施肥可大幅提高草地產(chǎn)量，增加土壤中的有機(jī)碳，有利于生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤的改善［11-12］。但是不同的施肥水平對(duì)于植物生長和土壤營養(yǎng)狀況具有不同的影響［13］，判斷施肥水平對(duì)植物生長和土壤性質(zhì)的影響程度，對(duì)于合理設(shè)計(jì)恢復(fù)措施，加快高寒礦區(qū)煤矸石山植被恢復(fù)進(jìn)程具有重要的指導(dǎo)意義。本研究通過在高寒礦區(qū)煤矸石山人工建植草地中設(shè)置不同的施肥水平梯度處理，同時(shí)與多年不施肥及原始群落樣地（undisturbed grassland，UG）做比較，探討不同施肥水平下煤矸石山植被和土壤的恢復(fù)效果，旨在通過綜合比較探討最適宜該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的施肥措施。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于青海省天峻縣木里煤田江倉煤礦區(qū)，面積約55 km2，地理坐標(biāo)：東經(jīng)99°27′-99°35′，北緯38°02′-38°03′，平均海拔3800 m左右。年平均氣溫-5.0℃，最低氣溫可達(dá)-36.0℃，年平均降水量500 mm以上，冬季寒冷干燥，夏季冷涼濕潤，屬于典型的高原山地氣候。選取江倉煤礦區(qū)五井田周邊煤礦廢棄地（煤矸石山）人工建植混播草地作為試驗(yàn)地，人工草地未施肥前的土壤理化性質(zhì)背景值為：全氮1.78 g·kg-1、全磷0.85 g·kg-1、全鉀22.11 g·kg-1、堿 解 氮16.50 mg·kg-1、速效磷1.93 mg·kg-1、速效鉀70.75 mg·kg-1、土 壤 有 機(jī)質(zhì)59.89 g·kg-1、土壤pH值8.63。人工建植時(shí)間2013年，種植的草種有垂穗披堿草（Elymus nutans）、冷地早熟禾（Poa crymophila）、星星草（Puccinellia tenuiflora），采取撒播方式，播種比例2∶1∶1，播量300 kg·hm-2，種植期間及種植后每年春季施用一定量磷酸二銨及氯化鉀，以保持植物正常生長。試驗(yàn)地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（Koeleria tibetica）和青藏苔草（Carex moorcroftii）為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年返青季節(jié)（6月初），在試驗(yàn)地選擇地勢(shì)平整的1塊人工建植草地作為樣地，樣地面積為20 m×20 m，同時(shí)，將樣地劃分為16個(gè)4 m×4 m的樣方，共設(shè)4個(gè)施肥處理，各處理之間均相隔1 m左右，施用肥料為磷酸二銨。施肥處理的設(shè)定依據(jù)“先確定中施肥水平、后確定輕施肥和重施肥水平”的原則，將該礦區(qū)不同恢復(fù)措施對(duì)比試驗(yàn)中設(shè)定的施肥量水平確定為中施肥水平［14］，該施肥量下植物基本能夠保持正常生長，在此基礎(chǔ)上，將中施肥量分別減少和增加3倍作為輕施肥和重施肥水平處理。處理1：輕施肥（light fertilization，LF），施肥量0.0125 kg·m-（2折純量：0.008 kg·m-2）；處理2：中施肥（moderate fertilization，MF），施肥量0.0375 kg·m-（2折純量：0.024 kg·m-2）；處理3：重施肥（heavy fertilization，HF），施肥量0.1125 kg·m-（2折純量：0.072 kg·m-2）；處理4：1年不施肥作為對(duì)照（no fertilization within one year，CK）。此外，將試驗(yàn)地外圍多年未施肥人工草地作為多年（5年）不施肥對(duì)比處理（處理5，no fertilization within 5 years，NF5），將人工草地周邊自然生長的原始群落作為恢復(fù)效果對(duì)比處理（處理6，undisturbed grassland，UG）。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目和方法

1.3.1 植被指標(biāo)的選取和測(cè)定 2018年8月植物生長旺盛期，在每個(gè)處理中隨機(jī)設(shè)置4個(gè)1 m×1 m樣方（4次重復(fù)），6個(gè)處理共計(jì)24個(gè)樣方。每個(gè)樣方中分別記錄植被種類，測(cè)定蓋度、高度、密度及地上部分生物量，同時(shí)計(jì)算植物群落結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。采用直接目測(cè)法測(cè)定植被蓋度（vegetation coverage，VC），即樣方內(nèi)垂直投影面積占樣方面積的比值；采用計(jì)數(shù)法測(cè)定植被密度（vegetation density，VD），即樣方內(nèi)的所有植物個(gè)體數(shù)及分物種個(gè)體數(shù)；采用直尺測(cè)定植被高度（vegetation height，VH）；采用烘干法測(cè)定地上生物量（above-ground biomass，AGB）。

重要值（important value，IV）=（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%。選擇具有代表性的5個(gè)指標(biāo)表示群落多樣性：

式中：S為樣方中物種總數(shù)；Pi為樣方中物種i的相對(duì)密度，Pi=Ni/N，N i為樣方中第i物種的個(gè)體數(shù)，N為樣方中物種總個(gè)體數(shù)。

1.3.2 土壤指標(biāo)的選取和測(cè)定 從每個(gè)處理中的4個(gè)樣方中各取土壤樣品1份，為4個(gè)重復(fù)，6個(gè)處理共計(jì)取土壤樣品24份。具體為：每個(gè)樣方中間及四周共取5個(gè)0~10 cm土層土壤，混合一起作為1個(gè)土壤樣品，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，過0.2 mm篩風(fēng)干后測(cè)定土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量及pH值。其中，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮（total nitrogen，TN）含量；采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷（total phosphorus，TP）含量；采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定全鉀（total potassium，TK）含量；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮（available nitrogen，AN）含量；采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷（available phosphorus，AP）含量；采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定速效鉀（available potassium，AK）含量；采用電極法（水土比2.5∶1）測(cè)定土壤pH值；采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）含量［15］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

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。采用單因素分析方法（One-way ANOVA）檢驗(yàn)各處理間的差異，采用LSD法（least-significant difference）進(jìn)行多重比較，用Pearson相關(guān)分析法分析植被生長特性與土壤化學(xué)性狀間的相關(guān)性（相關(guān)性分析中不包括原始群落），用Canoco 4.5軟件進(jìn)行冗余分析（redundancy analysis，RDA），結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥水平下草地群落物種組成

整個(gè)試驗(yàn)地（包括UG）共出現(xiàn)7種植物，隸屬于4科7屬（表1）。不同施肥水平的樣地物種組成未發(fā)生明顯變化，均由垂穗披堿草、冷地早熟禾、星星草、甘肅馬先蒿4種植物組成，其中，LF、MF、HF、CK樣地重要值最大的均為垂穗披堿草，其次為冷地早熟禾、星星草，甘肅馬先蒿重要值最低；5年不施肥以后，重要值最大的為冷地早熟禾，其次為垂穗披堿草、甘肅馬先蒿，而星星草逐步退化，重要值僅為2.67。從各植物種的重要值變化趨勢(shì)來看，隨著施肥年限和施肥量的增加，垂穗披堿草重要值逐步增大，冷地早熟禾重要值逐步下降，星星草重要值先增加后下降，甘肅馬先蒿重要值變化不大。

表1 不同施肥水平下植物群落物種組成及其重要值Table 1 Species composition and important value of vegetation community under the different levels of fertilization

UG物種與不同施肥水平下人工草地物種種類差異巨大，UG主要由藏嵩草、青藏苔草、冷地早熟禾、火絨草（Leontopodium leontopodioides）4種植物組成，隸屬于3科4屬，重要值最大的為藏嵩草，其次為青藏苔草、冷地早熟禾，火絨草重要值最低，在UG中零星出現(xiàn)。

2.2 不同施肥水平下草地群落結(jié)構(gòu)變化特征

與CK比較，LF、MF、HF措施下草地群落豐富度指數(shù)（R，Ma）并沒有發(fā)生顯著變化（P>0.05），施肥量的增加并沒有改變?nèi)郝涞呢S富度，而NF5可造成群落豐富度指數(shù)顯著下降（P<0.05）。UG物種數(shù)少且冷地早熟禾、火絨草在群落中較少出現(xiàn)，其豐富度指數(shù)也比較低（表2）。

表2 不同施肥水平下植物群落結(jié)構(gòu)變化特征Table 2 Variation of vegetation community structure under the different levels of fertilization

與CK比較，LF和MF措施下，草地群落多樣性指數(shù)（H'，D）差異不顯著（P>0.05），而HF和NF5措施下群落多樣性指數(shù)顯著下降（P<0.05）。UG多樣性指數(shù)相對(duì)較低，與NF5樣地比較差異不顯著（P>0.05）。

HF不利于群落均勻度的提高，與對(duì)照相比其均勻度指數(shù)（JP）顯著下降（P<0.05），而LF、MF、CK、NF5措施下的均勻度指數(shù)為0.72~0.83，各處理間差異不顯著（P>0.05）。UG均勻度指數(shù)顯著低于CK、NF5措施（P<0.05），而與其他處理相比差異不顯著（P>0.05）。

除UG以外，將不同施肥水平下草地群落結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)由大到小排序。Patrick和Margarlef豐富度指數(shù)為：LF=CK>MF>HF>NF5；Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數(shù)為：CK>LF>MF>HF>NF5；Pielou均勻度指數(shù)為：NF5>CK>LF>MF>HF。

2.3 不同施肥水平下草地植被生長變化特征

不同施肥水平對(duì)植被蓋度、密度、高度及地上部分生物量的影響均較大（圖1）。與CK比較，LF和MF均能顯著提高植被蓋度（P<0.05），而LF與MF措施相比，MF措施對(duì)植被蓋度的增加效果更大（P<0.05）。HF措施下植被蓋度與對(duì)照相比差異不顯著（P>0.05），表明施肥太多會(huì)抑制植被蓋度的增加。NF5植被蓋度僅為11.50%，與其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。UG植被蓋度顯著高于其他處理（P<0.05），達(dá)到了94.25%。

圖1 不同施肥水平下植物生長變化特征Fig.1 Variation of plant growth under the different levels of fertilization

與CK比較，僅有MF措施顯著提高了植被密度（P<0.05），而LF、HF措施與對(duì)照相比差異不顯著（P>0.05）。NF5植被密度僅為158.50株·m-2，與其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。施肥量太大或者太小均不能有效促進(jìn)植被密度的增加。UG優(yōu)勢(shì)種藏嵩草、青藏苔草相比人工種植草種植株生長更小更密，因此其密度顯著高于其他處理（P<0.05）。

與CK比較，LF、MF和HF措施均能顯著提高植被高度（P<0.05），其中HF、MF措施對(duì)植被高度的增加效果顯著高于LF措施（P<0.05）。NF5植被高度僅為11.25 cm，與其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。由于群落中的物種差別，UG植被高度顯著低于LF、MF、HF及CK措施（P<0.05），但是仍然顯著高于NF5措施（P<0.05）。

與CK比較，LF、MF、HF措施均能顯著提高地上部分生物量（P<0.05），MF措施地上部分生物量最大，達(dá)64.10 g·m-2，并且顯著高于LF、HF措施（P<0.05）。NF5地上部分生物量僅為6.13 g·m-2，較其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。UG雖然具有更高的蓋度、密度，但是地上部分生物量仍顯著低于LF、MF、HF和CK措施（P<0.05）。

除UG以外，將不同施肥水平下草地植被生長特征指標(biāo)由大到小排序。植被蓋度為：MF>LF>HF>CK>NF5；植被密度為：MF>HF>LF>CK>NF5；植被高度為：HF>MF>LF>CK>NF5；地上部分生物量為：MF>HF>LF>CK>NF5。

2.4 不同施肥水平下土壤氮磷鉀含量變化特征

不同施肥水平對(duì)土壤全氮含量沒有影響，各處理間差異不顯著（P>0.05）。與CK比較，HF措施能夠顯著提高土壤堿解氮含量（P<0.05），而其他施肥措施土壤堿解氮含量差異不顯著（P>0.05）。不同施肥水平下人工草地土壤全氮、堿解氮含量與UG相比依然很低（P<0.05），人工草地土壤氮含量恢復(fù)至UG水平依然需要較長時(shí)間（圖2）。

圖2 不同施肥水平下土壤氮、磷、鉀含量變化特征Fig.2 Variation of soil nitrogen，phosphorus and potassium under the different levels of fertilization

與CK比較，除了HF以外，其他施肥措施對(duì)人工草地土壤磷含量水平影響不顯著（P>0.05）。HF措施能夠顯著提高土壤全磷、速效磷含量（P<0.05），與對(duì)照相比，分別提高了73.91%、1432.73%。UG土壤全磷含量顯著高于不同施肥水平人工草地（P<0.05），而速效磷含量除與HF措施相比差異顯著外（P<0.05），與其他各處理相比差異均不顯著（P>0.05）（圖2）。

與CK比較，除了NF5土壤全鉀含量較低以外，其他施肥措施對(duì)人工草地土壤鉀含量水平影響不顯著（P>0.05）。與不同施肥水平下的人工草地相比，UG土壤全鉀含量較低（P<0.05），而速效鉀含量較高（P<0.05）（圖2）。

2.5 不同施肥水平下土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值變化特征

與CK比較，MF措施顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量（P<0.05），而其他施肥措施下土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不顯著（P>0.05）。NF5土壤有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢(shì)，與LF、MF措施相比顯著下降（P<0.05）。UG土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于人工草地（P<0.05）（圖3）。

圖3 不同施肥水平下土壤有機(jī)質(zhì)含量和p H值變化特征Fig.3 Variation of soil organic matter content and p H value under the different levels of fertilization

與CK比較，不同施肥水平措施并沒有顯著改變土壤pH值（P>0.05），人工草地土壤pH值介于8.18~8.54，土壤性質(zhì)呈堿性。UG土壤p H值為6.88，顯著低于人工草地（P<0.05），土壤基本呈中性（圖3）。

2.6 不同施肥水平下植物生長和土壤指標(biāo)的關(guān)系

原始群落和人工草地物種差別大，不同植物的生長狀況差異明顯，為此僅對(duì)不同施肥水平下人工草地植被生長指標(biāo)與相應(yīng)土壤指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。植被蓋度、密度、高度、地上部分生物量均與土壤全鉀、有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。除此之外，植被高度與土壤堿解氮、速效磷分別呈顯著正相關(guān)（P<0.05）、極顯著正相關(guān)（P<0.01），與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。其余指標(biāo)之間相關(guān)性不顯著（表3）。

表3 不同施肥水平下植物生長與土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table 3 Cor r elation analysis between differ ent soil pr oper ties and vegetation gr owth parameter s under the differ ent levels of fertilization（n=20）

RDA分析中，正的余弦值表示正相關(guān)，反之表示負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步通過RDA分析可以看出（圖4），除了土壤p H值以外，所有的植物生長指標(biāo)（蓋度、密度、高度和地上部分生物量）與土壤指標(biāo)（全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)）聚合效果好，植被與土壤指標(biāo)之間存在正相關(guān)關(guān)系，反映出土壤有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)元素與植物生長之間相互影響、相互促進(jìn)，特別是土壤鉀、有機(jī)質(zhì)含量與植物生長指標(biāo)之間相互促進(jìn)作用明顯。

圖4 植被和土壤指標(biāo)參數(shù)之間的冗余分析二維排序Fig.4 The ordination diagram of RDA analysis of vegetation and soil parameters

3 討論

3.1 群落物種組成及結(jié)構(gòu)變化

受草地類型、施肥種類、配比情況等多種因素影響，施肥對(duì)草地群落結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果不盡相同［16］。如對(duì)半天然草地的恢復(fù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采取施肥措施不會(huì)對(duì)草地植物種類及生物多樣性造成影響［17］；對(duì)高寒草甸退化草地的試驗(yàn)研究表明，施肥能夠引起群落物種數(shù)的降低，施肥量大反而不利于草地群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定［18］；對(duì)荒漠草原的研究表明，施肥能夠顯著增加群落多樣性，并且施用速效肥的效果大于有機(jī)肥［16］。本研究中不同施肥水平對(duì)植物物種數(shù)沒有造成影響，這與人工草地不同施肥處理樣地中播種相同的3種植物，加之甘肅馬先蒿入侵能力強(qiáng)，在不同施肥處理樣地中均出現(xiàn)有關(guān)。從各植物種的重要值來看，施肥量的增加促進(jìn)了垂穗披堿草的生長繁衍，由于其具有更加發(fā)達(dá)的根系［19］，能夠吸收更多土壤營養(yǎng)物質(zhì)供其生長，垂穗披堿草重要值逐步增加，在群落中的優(yōu)勢(shì)地位變大，由于種間競爭關(guān)系，其他植物種的群落優(yōu)勢(shì)地位也相應(yīng)變小。HF措施能夠引起群落多樣性、均勻度顯著降低，這與仁青吉等［18］的研究結(jié)果類似，造成這一結(jié)果的原因主要是施肥增加了喜肥植物的快速生長，使雜類草等其他物種生長受到抑制［20］。同樣在NF5，也會(huì)造成群落豐富度、多樣性的大幅降低，這應(yīng)該與星星草的大幅度退化有關(guān)?？梢?，在高寒礦區(qū)煤矸石山人工建植過程中，HF和NF5更加容易形成以垂穗披堿草或冷地早熟禾為主要優(yōu)勢(shì)種的單一群落，群落穩(wěn)定性降低，而LF、MF措施是維持草地群落多樣性的有效方式。與對(duì)照相比，UG結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)相對(duì)較低，反映出UG物種數(shù)少，以及主要優(yōu)勢(shì)種為藏嵩草和青藏苔草的特點(diǎn)。

3.2 植物生長變化

施肥量不同造成土壤營養(yǎng)元素供給狀況不同，從而會(huì)對(duì)植物的生長發(fā)育造成影響。許多研究表明，在草地恢復(fù)過程中，施肥能夠有效增加植被蓋度、高度及生物量等，從而提高草地生產(chǎn)力［21-23］，但是這種促進(jìn)作用應(yīng)該是在一定范圍的施肥量之內(nèi)，施肥過多會(huì)對(duì)植物造成傷害，反而不利于植物生長［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK比較，LF、MF和HF措施均不同程度增加了人工草地植被蓋度、密度、高度和地上部分生物量，這也在一定程度上反映了煤矸石山土壤營養(yǎng)元素缺乏的特征，即使短期1年內(nèi)不施肥也會(huì)影響植物生長。除植被高度之外，MF措施對(duì)植被蓋度、密度和地上部分生物量的增加效果最好，施肥量太大或太小均不利于植物生長，造成草地退化。此外施肥量過多增加了經(jīng)濟(jì)成本，而適宜的施肥量能產(chǎn)生更大經(jīng)濟(jì)效益，有利于人工草地的持續(xù)健康發(fā)展［25］。NF5植被蓋度僅為11.50%，同時(shí)高度、密度、生物量大幅降低，大面積禿斑地產(chǎn)生，人工草地嚴(yán)重退化。可見，煤矸石山由于土壤貧瘠，在植被恢復(fù)初期，如果不采取施肥（覆土）等額外增加土壤營養(yǎng)元素的措施，最終可能會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)失?。?4］。從有利于植物生長的角度出發(fā)，江倉礦區(qū)煤矸石山人工草地適宜施肥量為MF：磷酸二銨0.0375 kg·m-2。UG由于物種不同，與人工草地相比，具有更高的蓋度，更大的密度，而高度和地上生物量相對(duì)較低。

3.3 土壤性狀變化

礦山開采過程中堆積的煤矸石山立地條件差，土壤中營養(yǎng)元素缺乏［26］，通過施肥特別是施用速效肥料，快速增加土壤中的氮磷鉀等營養(yǎng)元素含量，是加快礦山生態(tài)恢復(fù)的有效手段。一般情況下，通過施用速效氮磷鉀肥料，土壤中的速效營養(yǎng)元素含量可以得到有效提升［27］，而對(duì)土壤全氮、全磷等含量的影響不大［28］。本研究表明，與對(duì)照相比，只有HF措施能夠顯著增加土壤堿解氮、全磷及速效磷含量，其他處理變化不明顯。短期適度的施肥過程并沒有顯著增加土壤肥力，這可能由于速效肥中的營養(yǎng)元素基本被植物吸收利用，并沒有在土壤中得到富集。隨著施肥量的進(jìn)一步增加，部分速效營養(yǎng)元素不能完全被植物所利用，因此引起土壤中氮、磷含量的增加，特別是HF措施下土壤速效磷含量已經(jīng)遠(yuǎn)高于UG，過量的磷肥會(huì)對(duì)植物生長造成危害［29］，這可能是HF措施下植物生長發(fā)育受限的其中一方面原因。

施肥能夠加快植物生長，生物量更多的積累和分解增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)（有機(jī)碳）含量［11］。與其他施肥措施相比，MF措施能夠產(chǎn)生更大的生物量，為此土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)更高，而施肥量過大或過小、不施肥等都不利于土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加。土壤有機(jī)質(zhì)含量增加是土壤肥力增加的重要依據(jù)［30］，MF措施更有利于土壤性質(zhì)的改善，長期來看，對(duì)于煤矸石山極端貧瘠的土壤條件下生態(tài)系統(tǒng)的成功恢復(fù)具有重大作用。江倉礦區(qū)煤矸石山土壤呈堿性，短期內(nèi)施肥并沒有明顯促進(jìn)土壤p H值向中性轉(zhuǎn)變。通過對(duì)青藏高原高寒草甸進(jìn)行圍欄，經(jīng)過10年的施肥處理后發(fā)現(xiàn)，隨著施肥量的增加，土壤p H值下降程度顯著［31］，可見施肥引起土壤p H值的變化應(yīng)該通過較長一段時(shí)期的觀察來判斷。

與不同施肥水平下的煤矸石山人工草地相比，UG具有更高的土壤全氮、堿解氮、全磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量，土壤p H值呈中性。人工草地要想恢復(fù)至UG土壤營養(yǎng)及酸堿水平仍需要較長時(shí)間的恢復(fù)過程。

3.4 植物和土壤的相互作用

土壤是植物養(yǎng)分供給的基礎(chǔ)，土壤營養(yǎng)元素可供植物生長，植物生長后通過生物量積累和腐化進(jìn)行反饋，從而改善土壤營養(yǎng)狀況，植物和土壤能夠相互作用、相互促進(jìn)，這一現(xiàn)象在許多研究中均有報(bào)道［32-33］，然而這種相互作用關(guān)系在煤矸石山復(fù)墾地中少有研究［34］。本研究發(fā)現(xiàn)，除土壤pH值之外，植被生長指標(biāo)與土壤氮磷鉀及有機(jī)質(zhì)含量存在正相關(guān)關(guān)系，特別是與土壤全鉀和有機(jī)質(zhì)相互促進(jìn)作用明顯，這種相互促進(jìn)關(guān)系對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤矸石山人工草地的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用［35］。土壤p H值與植物生長指標(biāo)呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明隨著煤矸石山地表植被生長狀況的改善，土壤性質(zhì)具有由堿性向中性發(fā)展的潛勢(shì)。在高寒礦區(qū)煤矸石山恢復(fù)初期，由于土壤營養(yǎng)元素嚴(yán)重缺乏，需要通過施肥等措施提供植物生長的必要條件，當(dāng)恢復(fù)至一定水平后，可減少施肥投入甚至不施肥，利用植物-土壤相互促進(jìn)作用，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

不同施肥水平的樣地物種組成未發(fā)生明顯變化，而HF和NF5均能夠引起群落物種多樣性的降低，不利于人工草地群落穩(wěn)定。LF、MF和HF措施均不同程度增加了人工草地植被蓋度、密度、高度和地上部分生物量，MF措施更有利于植物生長。HF措施能夠顯著增加土壤堿解氮、全磷及速效磷含量，MF措施更有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累。綜合判斷，江倉礦區(qū)煤矸石山人工草地適宜施肥量為MF：磷酸二銨0.0375 kg·m-（2折純N和純P量共計(jì)：0.024 kg·m-2）。除土壤pH值之外，植被生長指標(biāo)與土壤指標(biāo)之間相互促進(jìn)，這種作用對(duì)于煤矸石山人工草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定將發(fā)揮重要作用。