不同栽植方式下釆煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)與土壤養(yǎng)分變化特征

程紅剛,李 鵬,樊曉華,雷文壇,岳本江,張國(guó)財(cái)

(1.西安黃河規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,陜西 西安 710021;2.臨潼黃河職工療養(yǎng)院,陜西 西安 710021; 3.東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150040)

伊金霍洛旗(以下簡(jiǎn)稱“伊旗”)位于毛烏素沙地東北端,黃河流域內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯高原東南部,氣候類型為干旱半干旱的溫帶大陸性高原氣候,蒸發(fā)量大,降水少,日照時(shí)間長(zhǎng)。土壤為黃壤土,土層薄;地貌起伏大,山體多為砒砂巖。礦采前區(qū)域內(nèi)主要樹種有杏樹(Prunusarmeniaca)、山楊(Populusdavidiana)、榆樹(Ulmuspumila)和少部分沙棘(Hippophaerhamnoides)等,采礦后地形破碎,土壤擾動(dòng)和損毀嚴(yán)重,土壤肥力與植被覆蓋度較低[1-2]。

伊旗礦產(chǎn)資源豐富,伴隨礦產(chǎn)資源開發(fā),大量土地資源與植被遭到破壞[3],產(chǎn)生很多的生態(tài)治理修復(fù)問題,特別是以煤炭為中心,目前已有10多家煤礦停產(chǎn)閉坑,采煤形成的沉陷區(qū)急需進(jìn)行植被恢復(fù)[4-5]。因沉陷區(qū)土層受損嚴(yán)重,立地條件差,故樹種選擇、栽植方式和土壤改良就成為植被恢復(fù)是否成功的關(guān)鍵[6]。土壤改良方面,一些煤礦已在沉陷區(qū)綜合治理中運(yùn)用生物復(fù)合肥、生物菌劑、保水劑和化學(xué)改良等措施取得了一些成果,但當(dāng)下對(duì)采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)的研究較少。本研究以伊旗煤礦沉陷區(qū)為研究對(duì)象,選取不同造林樹種和栽植方式進(jìn)行試驗(yàn),探究不同栽植方式對(duì)造林樹種的影響,旨在為加快伊旗采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)、改善周邊生態(tài)景觀環(huán)境提供幫助。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)地塊在伊旗采煤沉陷區(qū),試驗(yàn)造林樹種喬木有油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica),灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、俄羅斯大果沙棘。栽植方式選擇試驗(yàn),樹種選喬木油松和樟子松,栽植方式選取4種:第一種方式是在塑料營(yíng)養(yǎng)袋中裝入養(yǎng)分含量較高的森林土育苗后,直接栽植(營(yíng)養(yǎng)袋栽植);第二種方式是在客土穴中使用HRC保水劑加50倍的水進(jìn)行栽植(保水劑栽植);第三種方式是在加腐殖土的栽植穴中直接栽植(客土栽植);第四種方式是沉陷區(qū)原土栽植(對(duì)照)。4種栽植方式技術(shù)規(guī)格一致。造林樹種選擇試驗(yàn),5種樹種油松、樟子松、胡枝子、紫穗槐、俄羅斯大果沙棘均采用客土栽植方式進(jìn)行造林。2019年春季開始造林,油松與樟子松的株行距相同,均為2 m×2 m,其他灌木為1 m×1 m。生長(zhǎng)3 a后,2022年7月進(jìn)行植物生長(zhǎng)情況調(diào)查和土壤養(yǎng)分含量測(cè)定。

1.2 測(cè)定與計(jì)算方法

采用樣方法進(jìn)行造林樹種的生長(zhǎng)狀況調(diào)查,每組樹種設(shè)置樣方3個(gè),抽樣面積50 m×40 m,在此區(qū)域內(nèi)連續(xù)調(diào)查500株,整理數(shù)據(jù)計(jì)算成活率和冠幅、高度、蓋度的平均值[7-8]。

采用3 m×3 m樣方進(jìn)行林下草本植物調(diào)查,每組樹種設(shè)置樣方5個(gè),樣方等距分布在造林樹種樣方內(nèi),調(diào)查草本植物種類、高度和蓋度。同時(shí)進(jìn)行土樣采集,在每個(gè)樣方內(nèi)分別選取樣點(diǎn)3個(gè),取土樣后混合,將約2 kg的混合土樣置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處,陰干研磨備用[9-10]。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀含量按《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)測(cè)定(因測(cè)定中土壤有效磷含量非常低,數(shù)值表征不明顯,故未作分析),數(shù)據(jù)處理分析與繪圖釆用SPSS、Excel等軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽植方式對(duì)造林樹種生長(zhǎng)的影響

不同栽植方式下造林樹種(喬木)3 a后生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表1。由表1知:對(duì)油松來(lái)說(shuō),保水劑栽植成活率最高,為82.3%,其次是營(yíng)養(yǎng)袋栽植,成活率為79.5%,客土栽植成活率為65.7%,對(duì)照成活率僅40.2%;不同栽植方式按油松高度排序是保水劑栽植>營(yíng)養(yǎng)袋栽植>客土栽植>對(duì)照,保水劑栽植油松高度達(dá)到53.6 cm,較對(duì)照高11.7 cm,營(yíng)養(yǎng)袋栽植油松高度和對(duì)照比差異也較大,為8.3 cm;不同栽植方式按油松冠幅排序?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)袋栽植>保水劑栽植>客土栽植>對(duì)照,營(yíng)養(yǎng)袋與保水劑栽植油松冠幅分別增加了37.3%和15.9%。綜上可知,使用保水劑和營(yíng)養(yǎng)袋栽植方式油松成活率明顯提高,并促進(jìn)了幼林生長(zhǎng)。

表1 不同栽植方式下造林樹種3 a后生長(zhǎng)指標(biāo)

由表1知,保水劑與營(yíng)養(yǎng)袋栽植對(duì)樟子松幼苗的生長(zhǎng)和成活均有較大促進(jìn)作用。不同栽植方式中,營(yíng)養(yǎng)袋栽植樟子松成活率最高,為86.2%,其次是保水劑栽植,成活率為80.1%,客土栽植成活率為68.1%,對(duì)照成活率最低,僅為39.4%;不同栽植方式樟子松的高度與冠幅排序均為保水劑栽植>營(yíng)養(yǎng)袋栽植>客土栽植>對(duì)照,在保水劑和營(yíng)養(yǎng)袋栽植方式下二者相差較小,均明顯高于對(duì)照。根據(jù)以上3項(xiàng)指標(biāo)得出,樟子松在營(yíng)養(yǎng)袋栽植方式下生長(zhǎng)較好且成活率最高,可應(yīng)用于伊旗采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)建設(shè),保水劑栽植也明顯促進(jìn)了樟子松生長(zhǎng)并提高了其成活率。

2.2 同一栽植方式下不同造林樹種的生長(zhǎng)狀況

客土栽植方式下5種造林樹種(喬灌木)3 a后生長(zhǎng)狀況見表2。由表2可知,俄羅斯大果沙棘的成活率、蓋度、高度和冠幅等指標(biāo)均優(yōu)于其他樹種。俄羅斯大果沙棘抗逆性強(qiáng),耐貧瘠,生長(zhǎng)快,發(fā)芽萌蘗能力強(qiáng),水平根系發(fā)達(dá),且含根瘤菌,與豆科植物一樣能改良土壤、有效固氮,短時(shí)間內(nèi)可形成穩(wěn)定的沙棘群落,不僅改善生境,而且增加經(jīng)濟(jì)效益。樟子松和油松的成活率分別是68.1%、65.7%,樟子松的高度、冠幅和蓋度明顯優(yōu)于油松,所以客土造林方式下樟子松比油松好。胡枝子成活率僅為51.7%,低于油松,但冠幅、蓋度、高度均高于油松,生長(zhǎng)狀況良好,若采取有效措施提高其造林成活率,也是造林樹種的選擇之一。各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)最低的是紫穗槐,但客土攜帶的羊柴(Corethrodendronfruticosum)生長(zhǎng)狀況較好,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,其冠幅34.5 cm、平均高度92.6 cm、覆蓋度21.7%,已逐漸替代紫穗槐形成羊柴群落。在采煤沉降區(qū)羊柴不但長(zhǎng)勢(shì)好、具有良好的水土保持效果,而且景觀價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值也高。綜上表明,采煤沉陷區(qū)選擇造林樹種時(shí),應(yīng)首選俄羅斯大果沙棘、樟子松、羊柴、胡枝子等樹種,避免栽植紫穗槐。

表2 不同造林樹種客土栽植方式下林木3 a后生長(zhǎng)狀況

2.3 不同栽植方式、不同造林樹種對(duì)沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分的影響

采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)3 a后不同栽植方式土壤養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果見表3。由表3可知:不同栽植方式油松林下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效鉀含量均為保水劑栽植>營(yíng)養(yǎng)袋栽植>客土栽植>對(duì)照,對(duì)土壤養(yǎng)分影響較大的是保水劑栽植,在此方式下油松及其林下草本生長(zhǎng)狀況良好,成活率高,積累的凋落物分解還原為土壤養(yǎng)分,為植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育和土壤微生物的活動(dòng)提供了能量;不同栽植方式樟子松林下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮和速效鉀含量均是營(yíng)養(yǎng)袋栽植>保水劑栽植>客土栽植>對(duì)照,這是因?yàn)檎磷铀稍跔I(yíng)養(yǎng)袋栽植方式下成活率最高,林下草本蓋度最大,使土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量明顯增加;不同栽植方式油松和樟子松林下土壤全鉀含量排序一致,均為保水劑栽植>客土栽植>營(yíng)養(yǎng)袋栽植>對(duì)照,這是因?yàn)橥寥乐腥浐颗c土壤類型有關(guān),采煤沉陷區(qū)土壤大部分由粗骨土和固定風(fēng)沙土組成,全鉀含量較高,植物生長(zhǎng)對(duì)其影響作用較小。綜上,通過保水劑和營(yíng)養(yǎng)袋栽植方式造林,沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分條件得到較大改善。

表3 采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)3 a后不同栽植方式土壤養(yǎng)分含量

采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)3 a后客土栽植方式下不同造林樹種林下土壤養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果見表4。由表4可知:不同造林樹種土壤改良作用差異較大,按土壤有機(jī)質(zhì)含量排序是紫穗槐(+羊柴)>俄羅斯大果沙棘>胡枝子>油松>樟子松,按全氮和水解氮含量排序是俄羅斯大果沙棘>胡枝子>紫穗槐(+羊柴)>油松>樟子松,按速效鉀含量排序是胡枝子>紫穗槐(+羊柴)>俄羅斯大果沙棘>樟子松>油松。綜上,俄羅斯大果沙棘、胡枝子、紫穗槐等固氮植物的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮和速效鉀含量顯著高于松科植物。

表4 采煤沉陷區(qū)客土造林3 a后不同造林樹種林下土壤養(yǎng)分含量

2.4 不同栽植方式對(duì)林下草本植物生長(zhǎng)狀況的影響

不同栽植方式3 a后林下草本植物生長(zhǎng)狀況見表5。由表5及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知:油松林下草本植物種類最多的是營(yíng)養(yǎng)袋栽植方式,為10種,分別是沙蒿(Artemisiadesertorum)、狼毒(Stellerachamaejasme)、蒙古黃芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)、中華苦荬菜(Ixerischinensis)、乳漿大戟(Euphorbiaesula)、沙打旺(Astragaluslaxmannii)、草木樨(Melilotussuaveolens)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、苜蓿(Medicagosativa)和披堿草(Elymusdahuricus);保水劑栽植方式次之,林下草本植物有7種,分別是拂子茅(Calamagrostisepigeios)、沙蒿、豬毛蒿、蒙古黃芪、羊柴、中華苦荬菜、胡枝子;植物種類最少的是對(duì)照,僅4種,分別是沙蒿、狼毒、豬毛蒿和沙打旺。保水劑栽植油松林下草本植物平均高度和蓋度最大,為36.9 cm與30.4%,營(yíng)養(yǎng)袋栽植油松林下草本植物平均高度僅次于保水劑栽植,但蓋度低于保水劑和客土栽植。

表5 不同栽植方式3 a后林下草本植物生長(zhǎng)狀況

樟子松林下草本植物種類最多的為保水劑與營(yíng)養(yǎng)袋栽植,均有6種,最少的是客土栽植,僅4種,4種栽植方式樟子松林下草本植物均以沙蒿、豬毛蒿、蒙古黃芪、狼毒等為主;林下草本植物平均高度最高的是保水劑栽植(23.7 cm),其次是營(yíng)養(yǎng)袋栽植(19.4 cm),最低為對(duì)照(14.8 cm);林下草本植物蓋度最大的是營(yíng)養(yǎng)袋栽植(27.4%),其次是保水劑栽植(23.9%),最小的是客土栽植(12.8%)。

3 結(jié)論與討論

1)4種栽植方式中,保水劑與營(yíng)養(yǎng)袋栽植均能有效增加油松和樟子松成活率,并促進(jìn)幼林生長(zhǎng)。紫穗槐的成活率和生長(zhǎng)高度最低,應(yīng)避免栽植。

2)不同栽植方式油松林下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效鉀的含量均是保水劑栽植最高,樟子松林下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效鉀的含量均是營(yíng)養(yǎng)袋栽植最高?？屯猎灾矔r(shí)俄羅斯大果沙棘對(duì)土壤的改良作用最強(qiáng),其次是胡枝子與羊柴,土壤養(yǎng)分含量較低的是油松與樟子松。

3)不同栽植方式中,油松林下草本植物種類最多的是營(yíng)養(yǎng)袋栽植,其次是保水劑栽植,樟子松林下草本植物種類最多的是保水劑和營(yíng)養(yǎng)袋栽植,同時(shí)保水劑和營(yíng)養(yǎng)袋栽植林下草本植物平均高度與蓋度均明顯高于對(duì)照,所以采用保水劑與營(yíng)養(yǎng)袋栽植可有效增加采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)速度。

4)雖然不同栽植方式的結(jié)果存在差異,但營(yíng)養(yǎng)袋和保水劑栽植方式都對(duì)沉陷區(qū)的植被生長(zhǎng)及成活提供了物質(zhì)保障,使植被蓋度增加,草本植物種類和平均高度也保持相對(duì)較高水平。另外選擇豆科植物有利于土壤中氮素的積累。