草原露天煤礦排土場(chǎng)重建植被與土壤相關(guān)性研究*

邵田田，王明玖，齊 雪

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018)

內(nèi)蒙古自治區(qū)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量居全國(guó)第一，由于煤層埋藏較淺，以露天開采為主。大部分露天煤礦集中在生態(tài)脆弱的草原地區(qū)[1]，剝離的固體廢棄物堆積形成排土場(chǎng)，不僅占?jí)毫舜竺娣e草場(chǎng)，還加劇了當(dāng)?shù)厮亮魇2]。露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)是當(dāng)前受到廣泛關(guān)注的課題，而生態(tài)修復(fù)的首要工作是恢復(fù)或重建植被。研究表明，草原退化生態(tài)系統(tǒng)得到改善總是以植被恢復(fù)為前提的[3]。廣義上來講，生態(tài)恢復(fù)是指將生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)到最初和原來的狀態(tài)，但這是個(gè)十分復(fù)雜的過程[4]。重建植被在恢復(fù)過程中，植物與土壤質(zhì)量的演變相互促進(jìn)和制約，并互為動(dòng)力[5]。國(guó)外對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤和植被演替規(guī)律研究比較早。Cosrigan等人研究發(fā)現(xiàn)，限制礦區(qū)植被生長(zhǎng)的因子主要有土壤肥力和pH值[6]； Dance等人提出，植物群落的動(dòng)態(tài)演替受氮(N)、磷(P)和有機(jī)質(zhì)等因素的影響[7]；Frouz等在分析礦區(qū)復(fù)墾土壤與植被的演替規(guī)律及其交互影響時(shí)認(rèn)為，土壤和植被在礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演替過程中發(fā)揮著重要的作用[8]。中國(guó)從20世紀(jì)80年代初期才開始礦區(qū)土地復(fù)墾工作[9]。 植被重建是露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵，強(qiáng)調(diào)土壤基質(zhì)改良、適應(yīng)性強(qiáng)的生物種類篩選、環(huán)境因子調(diào)控措施的技術(shù)耦合[10]。本研究以錫林浩特草原勝利煤田西二露天煤礦排土場(chǎng)為對(duì)象，在多年生態(tài)修復(fù)工作的基礎(chǔ)上，比較觀測(cè)植物種植后第9～11年兩種處理措施重建植被演替狀態(tài)和土壤重要理化性質(zhì)變化，分析植被演替和土壤演變之間的關(guān)系，為排土場(chǎng)選擇生態(tài)修復(fù)植物種和恢復(fù)措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于錫林浩特市勝利煤田西二露天煤礦排土場(chǎng)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115.54'15″～115.58'15″、北緯為43.57'15″～44.00'00″。該礦地表東西長(zhǎng)約4.5km，南北寬約4.0km，開采標(biāo)高668～1012m，開采深度40～220m，地質(zhì)資源儲(chǔ)量305.25Mt。氣候?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶詺夂?，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季溫暖短暫。年平均降水量為293.6mm，降雨主要集中在6～8月；年蒸發(fā)量為1811.3mm。原始植被類型為典型草原。2007年在礦區(qū)排土場(chǎng)采用兩種處理措施實(shí)施了植被重建工作，分別為植物混合播種+生物笆覆蓋(A)處理措施和植物單純混合播種(B)處理措施。將邊坡坡面整理好后，把多年生草本、一二年生草本和灌木半灌木(見表1)種子按5∶3∶2的比例混合，沿等高線條播，播量20kg/hm2，行距20cm，覆土1～2cm；生物笆是用柳條編織而成的網(wǎng)格狀笆片，規(guī)格為2.5m×2m，經(jīng)條和緯條交叉構(gòu)成的網(wǎng)眼為15cm×15cm，由錨樁固定平鋪在播種后的排土場(chǎng)邊坡上；兩種處理措施試驗(yàn)小區(qū)面積750m2(30m×25m)，隨機(jī)排列，3次重復(fù)。本研究對(duì)兩種處理措施下排土場(chǎng)植被和土壤狀況展開調(diào)查。

表1 露天煤礦排土場(chǎng)人工播種植物名稱

1.2 研究方法

1.2.1植被調(diào)查與土壤樣品采集

2016～2018年9月，對(duì)經(jīng)過人工植被重建后自然演替第9年、第10年、第11年排土場(chǎng)繼續(xù)進(jìn)行植被和土壤調(diào)查工作。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，隨機(jī)選取9個(gè)1m×1m樣方，記錄并測(cè)定各樣方植物名稱、高度、密度、頻度、分蓋度、總蓋度及干鮮重。土壤樣品采集避開植物調(diào)查樣方，同時(shí)進(jìn)行。用直徑為10cm土鉆取0～10cm深的上層土，裝入滅菌密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)處理。

1.2.2植物優(yōu)勢(shì)度計(jì)算方法

植物優(yōu)勢(shì)度[11]用 如下公式計(jì)算：

式中：di為植物優(yōu)勢(shì)度；Ai為植物相對(duì)多度；Fi為植物相對(duì)頻度；Hi為植物相對(duì)高度；Ci為植物相對(duì)蓋度。Ai=種i的多度/所有種多度之和×100%；Fi=種i的頻度/所有種頻度之和×100%；Hi=種i的平均高度/所有種平均高度之和×100%；Ci=種i的蓋度/所有種蓋度之和×100%。

1.2.3土壤理化性質(zhì)測(cè)定

將土樣在室內(nèi)風(fēng)干后挑出雜物、研細(xì)，過2mm篩子備用。用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)；用0.5mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)土壤速效磷；用堿解擴(kuò)散法測(cè)土壤速效氮；釆用玻璃電極法測(cè)定土壤pH值[12]。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

統(tǒng)計(jì)分析利用Excel 2010和SPSS21.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落基本特征

排土場(chǎng)人工種植植物后演替到第9～11年，兩種處理措施的植物數(shù)量和地上生物量都表現(xiàn)出一定的差異。植物數(shù)量上的差異主要表現(xiàn)在科數(shù)和種數(shù)上(A處理略高)，但在豆科和禾本科植物種的組成上兩種處理比較相近，A處理在3年中分別為12、14和14，B處理分別為12、11和14，反映了豆科和禾本科植物較強(qiáng)的生存能力與適應(yīng)性(見表2)。在3年中，兩種處理的地上生物量卻表現(xiàn)出明顯差異，第10年生物量顯著高于第9年和第11年(p<0.05)，A處理生物量顯著(p<0.05)高于B處理，這種差異既表現(xiàn)在處理間，更表現(xiàn)在年度間(圖1、圖2)。年度間的波動(dòng)主要是生長(zhǎng)季降雨量的波動(dòng)引起的(圖3)。A處理豆科和禾本科植物地上生物量(g/m2)占總地上生物量的比例分別為70.24%、90.47%和90.47%(圖4)；B處理相應(yīng)的地上生物量占總地上生物量的比例分別為82.75%、94.20%和85.07%(圖5)。B處理豆科和禾本科植物地上生物量雖顯著(p<0.05)低于A處理，但比例則偏高，尤其在夏季降雨較多的干旱年份。由此說明，豆科和禾本科植物在排土場(chǎng)重建植被中占有重要地位。

表2 兩種處理措施第9～11年排土場(chǎng)植物科數(shù)、種數(shù)

相同大寫字母表示相同處理不同年際間含量無顯著差異(p<0.05)，

相同小寫字母表示相同年際不同處理間含量無顯著差異(p<0.05)；下圖同

圖3 不同植被重建時(shí)間年降雨量、8月降雨量

圖4 A處理禾本科、豆科地上生物量所占總比

圖5 B處理禾本科、豆科地上生物量所占總比

2.2 植物群落物種優(yōu)勢(shì)度

排土場(chǎng)重建植物群落演替第9～11年，最初播種的9種多年生草本植物還有5種存活。其中，紫花苜蓿和披堿草在A處理優(yōu)勢(shì)度較高且保持穩(wěn)定，在B處理則完全消失，說明這兩種植物在苗期和生長(zhǎng)過程中都需要地面覆蓋保護(hù)。沙打旺在A處理優(yōu)勢(shì)度漸弱，以至于在第11年消失，而在B處理卻保持了很高的優(yōu)勢(shì)度，但隨時(shí)間的延續(xù)也快速降低。黃花苜蓿在兩種處理中都逐漸消退，表明其在排土場(chǎng)條件下的自然壽命。草木樨狀黃芪在A處理中消失后又重新出現(xiàn)，明顯是后期侵入的，其穩(wěn)定性需要進(jìn)一步觀察；B處理隨降雨量增加呈現(xiàn)出較高的優(yōu)勢(shì)度，但也很快消失?？梢?，草木樨狀黃芪對(duì)排土場(chǎng)環(huán)境有一定的適應(yīng)性，但穩(wěn)定性較差。當(dāng)初種植的4種灌木和小半灌木，木地膚徹底消失，達(dá)烏里胡枝子優(yōu)勢(shì)度較弱且不穩(wěn)定，只有小葉錦雞兒和檸條錦雞兒保持了旺盛的生長(zhǎng)力，優(yōu)勢(shì)度都較大，年度間的變化與降雨有關(guān)，也和其他植物的消長(zhǎng)有關(guān)。小葉錦雞兒和檸條錦雞兒在處理間的差別與地表覆蓋有關(guān)(表3)，A處理對(duì)苗期的有效保護(hù)對(duì)后來的生長(zhǎng)產(chǎn)生了長(zhǎng)期影響。

表3 兩種處理措施第9～11年人工種植植物種優(yōu)勢(shì)度

排土場(chǎng)重建植物群落演替第9～11年，除部分人工播種的多年生植物存活外，還有其他多年生植物種侵入，主要有冰草、大針茅、糙隱子草和羊草。這4種植物是礦區(qū)周邊草地的原生種，也是優(yōu)勢(shì)種或常見種，這些植物的生長(zhǎng)標(biāo)志著排土場(chǎng)植物群落正向演替的趨勢(shì)。其中，大針茅在A處理中已經(jīng)定居，能進(jìn)行穩(wěn)定生長(zhǎng)；在B處理中出現(xiàn)，但還不穩(wěn)定。糙隱子草在兩種處理中均形成較均勻分布，保持了穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)度，說明排土場(chǎng)的土壤環(huán)境已逐漸適宜該植物的生存。冰草在A處理中雖有波動(dòng)，但基本保持了較高的優(yōu)勢(shì)度；而在B處理中尚不能定居，說明地表覆蓋對(duì)該植物的選擇性定居非常重要。兩種處理中都有羊草生長(zhǎng)，但是否能穩(wěn)定定居還有待于進(jìn)一步觀察(表4)。

表4 兩種處理措施第9～11年主要侵入植物種優(yōu)勢(shì)度

除了這4種主要多年生植物以外，大量的其他多年生植物也出現(xiàn)在群落中，使群落的多樣性逐漸豐富。其中，A處理中出現(xiàn)的多年生植物主要有艾蒿(Artemisiaargyi)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、黃花菜(Hemerocalliscitrina)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)、天門冬(Asparaguscochinchinensis)、賴草(Leymussecalinus)、叉分蓼(Polygonumdivaricatum)、鵝絨藤(Cynanchumchinense)；B處理中出現(xiàn)的多年生植物主要有艾蒿、白草、豬毛蒿(Artemisiascoparia)。與此同時(shí)，一年生植物的生長(zhǎng)更加常見。在觀察期間常見的一年生或一二年生植物有白花草木樨(Melilotusalbus)、狗尾草(Selatiraviridis)、虎尾草(Chlorisvirgata)、燕麥(Avenasativa)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、櫛葉蒿(Neopallasiapetinata)、豬毛菜(Salsolacollina)、蒙古蟲實(shí)(Corispermummongolicum)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、刺穗藜(C.aristatum)、香青蘭(Dracocephalummoldavica)、裂葉荊芥(Schizonepetatenuifolia)、益母草(Leonurusartemisia)。這些植物的生長(zhǎng)雖然不穩(wěn)定，但對(duì)于增加群落蓋度、形成生物量、積累土壤有機(jī)質(zhì)、為多年生植物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利環(huán)境等均非常重要(表5)。

表5 兩種處理措施第9～11年主要一二年生植物種蓋度、密度和地上現(xiàn)存量

2.3 不同植被重建時(shí)間土壤理化性質(zhì)分析

排土場(chǎng)重建植被后演變第9～11年，在0～10cm土壤層的pH值、速效磷、速效氮和土壤有機(jī)質(zhì)含量在處理間和年度間都發(fā)生了一定變化。土壤pH值在年際間和處理間具有顯著(p<0.05)差異，總的趨勢(shì)是土壤pH值隨時(shí)間序列而降低，且B處理比A處理降低的更快(圖6)。實(shí)地觀察表明，其原因是B處理表土在降雨后比有生物笆覆蓋的A處理流失更多，堿性物質(zhì)隨流失也有更多轉(zhuǎn)移。土壤有機(jī)質(zhì)含量在年際間和處理間具有顯著性差異(p<0.05)，在群落演替第9～11年逐漸降低，A處理降低較慢，這與植物生物量積累有直接關(guān)系。表層土壤有機(jī)質(zhì)來源主要是植物根系死亡積累和地上枯落物的分解。當(dāng)灌木逐漸成為優(yōu)勢(shì)植物后，根系生物量積累主要在深層土壤，多年生植物根系分布也相對(duì)較深。一年生植物生物量逐漸降低，造成上層土壤有機(jī)質(zhì)的積累減少。然而，一二年生植物的減少卻是群落演替的必然結(jié)果。土壤速效磷和速效氮含量在年度間和處理間有波動(dòng)，但沒有顯著性差異(p>0.05)，沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，這可能與取樣深度淺有關(guān)(圖6)。

相同大寫字母表示相同處理不同年際間含量無顯著差異(p<0.05)，相同小寫字母表示相同年際不同處理間含量無顯著差異(p<0.05)；A處理左，B處理右圖6 不同植被重建時(shí)間上層土壤pH值及有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效氮含量變化

3 討論

排土場(chǎng)重建植物群落演替與土壤理化性質(zhì)演變是個(gè)相關(guān)聯(lián)的過程。兩種處理措施植物群落和土壤養(yǎng)分均有改善且相互關(guān)聯(lián)，生物笆覆蓋措施比未覆蓋措施更有利于植物定居和土壤改善。本試驗(yàn)排土場(chǎng)在植被重建自然演替第9～11年，兩種處理豆科、禾本科植物適應(yīng)性更強(qiáng)，受降雨影響植物生物量表現(xiàn)較高、優(yōu)勢(shì)度較大。地上生物量主要來源于種植的幾種灌木，在第10年年降雨僅為168.60mm的干旱年份，8月份的及時(shí)降雨使得土壤水分得到了補(bǔ)充，生物量表現(xiàn)較高，這與張永生[13]的結(jié)論一致。人工種植的小葉錦雞兒、檸條錦雞兒及糙隱子草可以穩(wěn)定生長(zhǎng)在排土場(chǎng)坡面，其他植物種均有消長(zhǎng)現(xiàn)象出現(xiàn)，植物的消長(zhǎng)一方面可能由于對(duì)排土場(chǎng)土壤適應(yīng)性有差別，另一方面可能由于植物生長(zhǎng)具有隨機(jī)性，或試驗(yàn)樣方調(diào)查數(shù)量不夠。A處理(植物混合播種+生物笆覆蓋)穩(wěn)定生長(zhǎng)的種數(shù)較多，更有利于植物的定居。植物在恢復(fù)過程中不斷適應(yīng)土壤的變化，排土場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)物種更替現(xiàn)象，植物群落組成在自然演替過程中會(huì)發(fā)生較大變化[14]。冰草、大針茅、糙隱子草和羊草的出現(xiàn)，標(biāo)志著排土場(chǎng)植物群落正向演替的趨勢(shì)。植物種可以適應(yīng)并且定居在排土場(chǎng)土壤中，多年生植物較多，占群落的主要地位，物種的順利定居恰恰是植被恢復(fù)的開始[15]。徐志果等人于2010、2011年在安太堡露天煤礦進(jìn)行植物調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)同樣結(jié)果[16]。張磊等人研究發(fā)現(xiàn)，植物在演替的20年中，15～20年的時(shí)間間隔表現(xiàn)出最高的物種更替速率，群落結(jié)構(gòu)要素中物種組成和結(jié)構(gòu)層變化最大[17]。在0～10cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效氮含量仍然較低，pH呈堿性，這與李丹的研究結(jié)果一致[18]。土壤各有效養(yǎng)分含量受植物生長(zhǎng)和pH影響[19]。有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，由于表層其含量大多來源于草本植物枯落物分解和淺根系植物生物量積累，隨著群落演替一二年生植物減少是必然結(jié)果，也可能由于土壤過堿會(huì)影響有機(jī)質(zhì)含量的積累[20]，煤礦開采擾動(dòng)影響較大[21]。土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，并不代表土壤肥力降低，土壤速效氮、速效磷含量雖有變化，但沒有明顯規(guī)律，這可能由于土壤取樣深度較淺所致。土壤速效氮、速效磷含量的增加，側(cè)面反映了土壤含量變化受植物影響，兩種處理可以對(duì)排土場(chǎng)植被恢復(fù)起到一定作用，但僅通過植物恢復(fù)可能是一個(gè)比較緩慢的過程。A處理地上生物量較多，有機(jī)質(zhì)含量、速效氮含量高于B處理，植物地上生物量的增加促進(jìn)了土壤理化性質(zhì)的改變，植物的定植可以改善土壤。邢慧等人對(duì)安太堡排土場(chǎng)植被恢復(fù)進(jìn)行的研究表明，植被恢復(fù)對(duì)土壤具有改善作用[22]。李鵬飛對(duì)黑岱溝煤礦排土場(chǎng)進(jìn)行植被恢復(fù)的研究表明，通過種植不同種植物可以起到恢復(fù)和改善土壤效果；尤其豆科樹種可以有效地重建系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程，恢復(fù)退化土地[23]。植被在年齡序列上影響碳氮庫(kù)組成，陸地碳氮庫(kù)組成土壤、林下植被、地上生物量、根系碳氮呈現(xiàn)“S”型變化趨勢(shì)[24]，Soukova等人也報(bào)告了類似的趨勢(shì)[25]。由于本試驗(yàn)僅探討植被重建后第9～11年植被演替和土壤演變狀況，存在局限性，所以排土場(chǎng)恢復(fù)到哪個(gè)階段還有待討論探究。

4 結(jié)論

兩種處理措施植物群落組成和土壤理化性質(zhì)在年際間和處理間均發(fā)生了改變。在重建植被后第9～11年，(1)豆科和禾本科植物適應(yīng)性較強(qiáng)，處理A植物種數(shù)較多，地上生物量較大。(2)在植物群落演替過程中，部分人工種植的植物仍然存活，并且出現(xiàn)本地植物種定居生長(zhǎng)現(xiàn)象，表明植物群落處于正向演替。(3)人工種植的小葉錦雞兒、檸條錦雞兒兩種處理均可生長(zhǎng)，長(zhǎng)勢(shì)處理A較好；人工種植的紫花苜蓿、披堿草、大針茅、羊草、糙隱子草處理A生長(zhǎng)穩(wěn)定，而沙打旺和糙隱子草處理B生長(zhǎng)穩(wěn)定；處理A更有利于人工種植植物苗期的生長(zhǎng)。(4)土壤0～10cm層pH呈堿性，兩種處理年際間土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，速效磷、速效氮含量在年際間未呈現(xiàn)規(guī)律變化，有機(jī)質(zhì)、速效氮含量處理A比處理B高，表明生物笆覆蓋更有利于植物定居和土壤改善。