寧煤公司羊場灣煤礦排矸場不同植物配置模式生態(tài)效益研究

張繼平，郜 超，石長春，馬存平，付廣軍，董 強，李軍保，顧清敏

(1.陜西省林業(yè)科學院，西安 710082; 2.陜西榆林毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，陜西 榆林 719000; 3. 國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司羊場灣煤礦，寧夏 靈武 751400)

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，排放量相當于煤炭產(chǎn)量的10%～15%，煤矸石山植被恢復已成為生態(tài)修復的重要陣地[1]。國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司羊場灣煤礦排矸場位于寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)寧東礦區(qū)，地處毛烏素沙地南緣，是能源富集區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)相互作用的典型區(qū)域。隨著人類活動強度的不斷增加，生態(tài)環(huán)境對采礦的響應更加敏感[2]，煤矸石山的植被恢復與重建迫在眉睫。目前國內(nèi)關(guān)于煤矸石山植被恢復的研究，主要集中于半濕潤區(qū)的遼寧撫順[3]、安徽淮南[4]，半干旱區(qū)的山西陽泉、長治、靈石和陜北榆林等區(qū)域[5-7],而對干旱區(qū)沙地煤矸石山植被恢復模式研究較少。本研究通過羊場灣煤礦排矸場不同植被恢復措施的生態(tài)效益比較，分析總結(jié)經(jīng)濟、合理、持續(xù)、穩(wěn)定和高效的植被恢復措施，為同地類礦區(qū)排矸場生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

國家能源集團寧煤公司羊場灣煤礦排矸場，位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東礦區(qū)，地理坐標： 37°59′2.5″N； 106°35′19″E。海拔1 123～1 350 m，地處毛烏素沙地邊緣，屬溫帶干旱、大陸性季風氣候區(qū)，主要風向為西-西北，風力最大可達8級，一般為4～5 級，平均風速為3.1 m·s-1，最大風速20 m·s-1，春季時有沙暴；多年年平均氣溫8.8 ℃，年最高氣溫41.4 ℃(1953 年)，年最低氣溫-28.0 ℃(1954 年)；降水多集中在7-9月，年最大降水量352.4 mm(1964 年)，年最小降水量80.1 mm(1980 年)，而年最大蒸發(fā)量高達2 303.3 mm(1953 年)，為年最大降水量的 6 倍及最小降水量的 29 倍，年最小蒸發(fā)量1 508.8 mm(1988 年)，土壤質(zhì)地為沙壤土，干旱和風蝕是該地區(qū)兩個嚴重的自然災害。試驗區(qū)地帶性植被為荒漠草原，主要植物有沙蒿、檸條、綿蓬、沙米、老瓜頭、刺沙蓬、苦豆子、貓頭刺、砂藍刺頭、棘豆、甘草、針茅、沙蘆草等。

2 研究方法

2.1 植物配置模式設(shè)置

煤矸石場推平后覆土50 cm，選擇耐干旱、耐瘠薄，抗風蝕、水蝕能力強，根系發(fā)達、易繁殖、生長快、萌蘗力強的植物作為主要試驗樹種[8-9]，并根據(jù)各種植物的生物生態(tài)學特性、植株高度、根系分布、花期花色、抗逆性等設(shè)計16種植物配置模式(表1)。供試苗木健壯、無病蟲害，1～2 a生苗，供試植物種子為Ⅱ級種子，2018年5月上旬栽植喬灌木，2018年6月上旬種草。

表1 植物配置模式一覽表

2.2 土壤溫度測定

2020年7月份測量不同配置模式林內(nèi)地表下5、10 、15 、20 、25 cm等五個不同深度土層的溫度，林外空曠地作為對照，各配置模式及對照布設(shè)3個測量點。

2.3 土壤化學性狀測定

2020年7月在不同配置模式與對照空曠地布設(shè)3個采樣點，每個采樣點分別采集地表下0～10 cm和10～30 cm深土層土壤，各配置模式的3個點土樣分層攪勻，帶回實驗室風干、備用。土壤全效N采用半微量開氏法測定，堿解N采用堿解擴散法測定，全效P、全效K采用NAOH熔融-鉬銻抗比色法、火焰光度法測定，速效P采用NaHCO3法測定，速效K采用NH4OAc浸提法、火焰光度法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法測定。

2.4 植物生長狀況觀察

不同模式植物栽植或播種生長后第三年即2020年9月，對各配置模式栽植的喬灌木生長狀況進行觀察測定，測定時采用隔株機械法抽樣，每種模式的每種植物選擇300株(3次重復，每重復100株)調(diào)查植株保存率，選擇30株測定地徑、高度、冠幅等。

2.5 不同模式比較排序

3 結(jié)果與分析

3.1 不同配置模式生長狀況

從表2看出，試驗16種配置模式的植物保存率平均93.0%，喬灌木平均高度74.94 cm，平均冠幅6 855.69 cm2，平均地徑10.84 mm，除模式9外，其他模式喬灌木保存率都在85%以上，可保障林地基本不缺苗，同時喬灌木高度除模式11外都在50 cm以上，甚至超過100 cm,能夠?qū)ε彭穲銎鸬搅己玫姆雷o效果。

3.2 不同配置模式夏季地溫變化

從圖1、表3可看出：不同配置模式可以有效降低夏季地面溫度，從平均值來看，不同深度降溫幅度差異非常顯著(P<0.01)，5、10、15、20、25 cm分別比對照降低2.84、1.38、1.66、1.44、0.66 ℃。

表3、圖1顯示，試驗所有植物配置模式對夏季林地土壤溫度都有降低的作用，不同配置模式夏季地溫變化變化不同，其中模式3變化最大， 其次為模式4，地溫變化最小的是模式1，模式14的變化幅度也較小；由于不同植物種冠幅及枝條生長緊密度不同，調(diào)節(jié)地表溫度的幅度也不相同，沙棗+檸條+冰草+草木樨模式調(diào)節(jié)幅度最大，榆樹+檸條+冰草+草木樨模式調(diào)節(jié)幅度最小。

圖1 不同配置模式下的土層溫度

3.3 不同配置模式土壤化學性狀特征

測定結(jié)果表明(表4)，全P、全K兩層次差異不顯著(P>0.05)，全N、堿解N、速效P、速效K、有機質(zhì)、pH值、電導率兩層次差異非常顯著(P<0.01)，除少數(shù)模式外，全N、堿解N、速效N、速效K、有機質(zhì)、電導率0～10 cm明顯高于10～30 cm，而pH值0～10 cm平均值7.20明顯低于10～30 cm平均值7.98。

表4 不同配置模式化學性狀特征綜合評價排序

不同配置模式土壤化學性狀特征變化從大到小順序為M7>M5>M15>M8>M4>M2>M16>M13>M10>M11>M1>M6>M12>M9>M3>M14；不同植物配置模式都能改良林地土壤化學性狀特征，但是不同的植物配置模式對林地土壤化學性狀的改良效果不同，紫穗槐+檸條+檉柳+草木樨模式效果最好，模式中豆科植物，能夠有效改良林地土壤化學性狀特征。

3.4 不同配置模式綜合生態(tài)效益排序

不同配置模式生態(tài)效益綜合排序從大到小順序為M7>M8>M5>M15>M4>M3>M2>M10>M1>M12>M11>M16>M9>M13>M6>M14；綜合地表粗糙度變化、夏季地溫變化、土壤化學性狀特征指標進行綜合排序，紫穗槐+檸條+檉柳+草木樨模式效果最好，沙拐棗+檸條、紫穗槐+草木樨+苜蓿+冰草模式次之，這三種模式可在同類地區(qū)推廣應用。

4 結(jié)論與討論

本研究對寧夏毛烏素沙地排矸場綜合治理技術(shù)模式進行的生態(tài)效益測定比較結(jié)果為，紫穗槐+檸條+檉柳+草木樨，沙拐棗+檸條，紫穗槐+草木樨+苜蓿+冰草等3種模式效果最好，適宜推廣。總體看相對較小的株行距，能夠很快起到防護作用；檸條、檉柳、羊柴等根系分布較深，紫穗槐、蒙古蕕、沙地柏等根系分布較淺，深根植物與淺根植物混交，可形成不同層次的地上地下層次結(jié)構(gòu)，有利于植物充分利用地上、地下空間和土壤養(yǎng)分；不同配置模式都能改良林地土壤化學性狀，但不同模式的效果存有差異，灌木與草本配置或有豆科植物的配置一般可增強效果，減少水分及養(yǎng)分競爭，植物之間相互補充，又可促進人工植被的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。今后研究與實踐中，還應在植物空間配置、豆科與其它科植物組合等方面加大力度。