胡宜剛，張 鵬，趙 洋，黃 磊，虎 瑞

(中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站，甘肅 蘭州 730000)

植被配置對(duì)黑岱溝露天煤礦區(qū)土壤養(yǎng)分恢復(fù)的影響

胡宜剛，張 鵬，趙 洋，黃 磊，虎 瑞

(中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站，甘肅 蘭州 730000)

人工植被重建是對(duì)受損生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的重要手段，但不同植被配置對(duì)土壤養(yǎng)分恢復(fù)效果的評(píng)估研究仍非常欠缺。本研究對(duì)采用5種不同人工植被配置模式修復(fù)近20年后的黑岱溝露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)的土壤養(yǎng)分恢復(fù)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分含量受植被配置類型的影響顯著。不同土壤深度的有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮(TN)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量差異顯著(P<0.05)，而總磷(TP)、總鉀(TK)和銨氮(NH4+-N)差異不顯著(P>0.05)。雖然SOM、TN和NO3--N均表現(xiàn)出明顯的表聚性，但與天然植被相比，人工植被的建植改變了其剖面垂直分布特征。經(jīng)過(guò)近20年的修復(fù)，混播有豆科牧草的純草本配置在5種植被配置中的恢復(fù)效果表現(xiàn)最好，其0-50 cm土壤平均SOM、TN和NO3--N分別恢復(fù)到天然植被區(qū)的63.9%、57.8%和184.8%，尤其是30-50 cm的SOM、TN和NO3--N含量水平更是超過(guò)了自然恢復(fù)的撂荒地。因此，人工植被重建是促進(jìn)礦區(qū)土壤養(yǎng)分恢復(fù)的有效措施，混播有豆科牧草的純草本是進(jìn)行土壤修復(fù)的首選植被配置模式，SOM、TN和NO3--N可作為評(píng)估礦區(qū)土壤養(yǎng)分修復(fù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

排土場(chǎng)；植被配置；土壤養(yǎng)分；生態(tài)恢復(fù)

煤炭是我國(guó)能源中最主要的能源，約占一次性能源的71%，遠(yuǎn)高于石油、天然氣等其他能源所占的比例[1]。由于技術(shù)簡(jiǎn)單、開采成本低和安全性高等特點(diǎn)，我國(guó)以大型露天煤礦的開采占主導(dǎo)地位，在未來(lái)20年內(nèi)，有望把露天采煤比例由目前的4%提高到15%[2]。但是，由于開采過(guò)程中對(duì)礦區(qū)的規(guī)劃不科學(xué)，亂開采現(xiàn)象普遍，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)意識(shí)的缺乏以及長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)開采后生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建的忽視等，煤礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，在生態(tài)脆弱的黃土高原地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，嚴(yán)重影響該地區(qū)資源利用的可持續(xù)發(fā)展。因此，露天煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與重建工作已經(jīng)迫在眉睫。

我國(guó)露天煤礦大多集中在干旱或半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)[2]。黃土高原地區(qū)是大型或特大型煤礦的主要集中區(qū)。該區(qū)已初步探明的煤炭?jī)?chǔ)量5.8×1011t，約占全國(guó)已探明儲(chǔ)量的2/3。據(jù)預(yù)測(cè)，21世紀(jì)前期，全國(guó)煤炭年產(chǎn)量將達(dá)到4.0×109t，其中60%～70%的煤炭來(lái)自黃土高原。黑岱溝露天煤礦是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行施工的特大型露天煤礦，設(shè)計(jì)開采范圍為42.36 km2。其上部黃土層平均厚49 m，中間巖石層平均厚56 m，下部煤層平均厚28.8 m。采礦時(shí)將原有的深層土回填到下部，再在其上覆以剝離出去的原有表土。盡管如此，還是對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)造成了極大破壞，且礦區(qū)處在生態(tài)非常脆弱的黃土高原地區(qū)，生態(tài)重建問(wèn)題引起了各方面的高度重視[3]。植被恢復(fù)與重建是生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵，而根據(jù)氣候帶的特點(diǎn)選擇合適的人工植被類型是決定生態(tài)修復(fù)成敗和效果好壞的重點(diǎn)。生態(tài)修復(fù)效果的評(píng)價(jià)不能只關(guān)注于地上植被的恢復(fù)，更應(yīng)該重視其土壤理化性質(zhì)的修復(fù)。黑岱溝露天煤礦自1995年以來(lái)，采用不同人工植被配置模式開展礦區(qū)排土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)與重建[4]。然而，經(jīng)過(guò)近20年的恢復(fù)，排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分狀況的改善程度如何尚不清楚。為此，本研究選擇1995年開始恢復(fù)的北排土場(chǎng)，通過(guò)對(duì)不同人工植被配置模式下的土壤主要養(yǎng)分含量的分析，評(píng)價(jià)不同人工植被配置模式對(duì)土壤養(yǎng)分的恢復(fù)與改善效果，為我國(guó)黃土高原地區(qū)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的植被重建提供基礎(chǔ)參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部。地處黃河西岸，地理位置位于晉、陜、蒙接壤的黃土地區(qū)，海拔在1 025～1 302 m。面積達(dá)52.11 km2。地理坐標(biāo)為111°13′-111°20′ E，39°43′-39°49′ N。礦區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?，冬季?yán)寒而漫長(zhǎng)，夏季溫?zé)岫虝?，晝夜溫差較大，日照時(shí)數(shù)3 119.3 h，年平均氣溫7 ℃。年均降水量為408 mm，多集中在7-9月，占全年降水量的60%～70%，年蒸發(fā)量為2 082 mm。地貌類型為典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，地帶性土壤不明顯，非地帶性土壤——黃綿土廣泛分布。礦區(qū)有搗蒜溝排土場(chǎng)、東排土場(chǎng)、北排土場(chǎng)、西排土場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)和東沿幫排土場(chǎng)共6個(gè)排土場(chǎng)。排土場(chǎng)土壤均為開采時(shí)從原表層剝離的復(fù)填土，復(fù)填過(guò)程中用深層土、淺層土、表層土從下層往上層開始逐層復(fù)填，以盡量保證原始土壤層次與結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)人工種植不同的植被進(jìn)行恢復(fù)。1995年以來(lái)，采用人工植被重建的措施進(jìn)行過(guò)生態(tài)修復(fù)，主要的人工植被配置模式可分為喬木型、喬-灌型、喬-草型、喬-灌-草型和草本型共5種類型。

1.2 樣品采集與分析

以1995年開始恢復(fù)與重建的北排土場(chǎng)為代表，選擇5種不同配置模式的人工植被和人工耕作后棄耕撂荒15年的撂荒地為試驗(yàn)樣地，撂荒地距北排土場(chǎng)約150 m，未進(jìn)行過(guò)煤礦開采。以未經(jīng)破壞的天然植被區(qū)為對(duì)照，共7塊樣地。2012年9月調(diào)查其物種組成、植被蓋度、高度和草本地上生物量，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的大樣方作為調(diào)查喬木或灌木的樣方，大樣方內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的草本樣方，選擇5株有代表性的喬木和灌木測(cè)量其冠幅，喬木和灌木的蓋度按C=π×(D/2)2×N×100%計(jì)算，式中，C、D和N分別代表喬木和灌木的蓋度、冠幅和株數(shù)，具體內(nèi)容如表1所示。

用直徑為7 cm的土鉆采集0-50 cm的土壤樣品，每10 cm采集一份，共采集5層，每塊樣地3個(gè)重復(fù)，土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后過(guò)2 mm篩備用。用2 mol·L-1KCl浸提鮮土中的無(wú)機(jī)氮，在連續(xù)流動(dòng)注射儀(FIAstar 5000 Analyzer，F(xiàn)OSS，瑞典)上測(cè)定浸提液中的銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)；用外加熱-重鉻酸鉀容量法、凱氏定氮法(KDN-2，Thermo Fisher，德國(guó))、鉬銻抗比色法(UV-2012PC，上海元析儀器有限公司，中國(guó))和火焰光度法測(cè)定風(fēng)干土中的總有機(jī)質(zhì)(SOM)、總氮(TN)、總磷(TP)和總鉀(TK)含量，具體操作方法詳見《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中的GB 9834-88[5]、GB/T 11894-89[6]、GB 8937-88[7]和GB 9836-88[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0中的一般線性模型中的多因子分析方法，以植被配置模式和土壤深度為主要因子，對(duì)土壤中的SOM、TN、TP、TK、NH4+-N和NO3--N進(jìn)行雙因子方差分析。采用最小顯著差異法(LSD)對(duì)不同配置模式和同一配置模式下不同深度的所有土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行多重比較，顯著性差異水平設(shè)定為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量變化

植被配置模式極顯著影響礦區(qū)排土場(chǎng)的土壤SOM、TN、TP、TK、NH4+-N和NO3--N含量(P<0.01)；SOM、TN和NO3--N含量在不同土壤深度之間有極顯著差異，但TP、TK和NH4+-N含量在不同土壤深度之間差異不顯著(P>0.05)；植被類型與土壤深度之間的互作效應(yīng)對(duì)土壤NO3--N含量的影響達(dá)到極顯著水平，而對(duì)其余土壤養(yǎng)分指標(biāo)沒有明顯的互作效應(yīng)(表2)。

各樣地SOM總體上隨著土壤深度的增加而逐漸降低，0-10 cm 的SOM含量最高(圖1)。樣地A、B、C、D、E、F和 G中0-50 cm平均SOM含量分別為3.1、3.4、1.6、2.2、4.2、4.5和6.6 g·kg-1。不同樣地同一層土壤相比，除撂荒地F 表層(0-20 cm)SOM含量和天然樣地G相近外，其余樣地均低于天然樣地。樣地E的SOM含量在5種人工植被配置類型中最高，A、B和E的下層土壤(30-50 cm)甚至超過(guò)了靠自然恢復(fù)的撂荒地F。說(shuō)明人工植被重建加速了SOM的形成和積累。

類似于SOM的變化，除個(gè)別土層外，7個(gè)樣地土壤TN含量總體上隨著土壤深度的增加而逐漸降低(圖1)。0-50 cm內(nèi)樣地A、B、C、D、E、F和G的平均TN含量分別為0.14、0.17、0.15、0.19、0.23、0.30和0.39 g·kg-1。5個(gè)人工植被配置中0-10 cm TN含量較高，明顯高于深層(30-50 cm)，大于10 cm深度的各層土壤間差距不大。不同樣地同一層次相比，天然植被樣地G含量最高，人工植被中樣地E含量最高，其深層(30-50 cm)土壤TN含量高于撂荒地F。

7個(gè)樣地TP含量大都在0.04%～0.05%，同一樣地不同土壤深度的含量都十分接近，且差異均不顯著(圖1)。不同樣地同一土層相比較，所有人工植被樣地均高于天然樣地F和G。其中，樣地B(0.51%)和D(0.53%)的含量較高。同一樣地不同土壤深度TK含量差異也均不顯著(圖1)，而且隨土壤深度的變化無(wú)明顯的變化規(guī)律。樣地C、D和E的TK含量較高，0-50 cm平均TK含量分別11.1、10.1和9.3 g·kg-1，樣地A、B和F含量較低且較接近，平均TK含量在6.5～7.5 g·kg-1。

雖然樣地B和D的土壤NH4+-N含量較高，但7個(gè)樣地的平均土壤NH4+-N含量之間并無(wú)明顯差異，同一樣地不同土層深度之間的含量十分接近，且差異均不顯著(圖1)。除樣地D外，其余各樣地0-10 cm 土壤中的NO3--N含量最高，并隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)(圖1)。0-50 cm內(nèi)樣地A、B、C、D、E、F和G 的NO3--N平均含量分別為0.13、0.73、0.26、0.18、0.93、1.02和0.50 mg·kg-1。

表2 土壤養(yǎng)分含量?jī)梢蜃臃讲罘治鼋Y(jié)果Fig.2 Anova analysis of soil nutrients using vegetation patterns and soil depth as two main factors

注：P×D表示植被配置模式與土壤深度之間的互作效應(yīng)。

Note: P×D mean interaction between vegetation patterns and soil depth.

圖1 不同人工植被模式與撂荒地和天然樣地的土壤養(yǎng)分比較Fig. 1 Comparison of soil nutrients of various artificial vegetation patterns with abandoned and natural site

注：不同小寫字母表示同一樣地不同土層深度之間差異顯著(P<0.05)。A、B、C、D、E、F、G表示不同的樣地，同表1。

Note: Different lower cases letters mean significant difference among different soil depths of the same site at 0.05 level. A, B, C, D, E, F and G represent different site as in Table 1.

2.2 養(yǎng)分恢復(fù)程度

以天然植被區(qū)為參考，經(jīng)過(guò)17年的生態(tài)恢復(fù)，各人工植被配置模式0-50 cm的SOM、TN和NO3--N含量恢復(fù)到天然樣地的23.7～64.9%、35.1～58.4%和18.6～143.2%，NO3--N的平均恢復(fù)程度(88.7%)高于SOM(43.9%)和TN(44.7%)。除個(gè)別樣地外，0-10 cm土壤SOM、TN和NO3--N含量恢復(fù)程度更高，其他層次的恢復(fù)程度因不同的土壤深度和植被配置模式而異。樣地A和B的SOM恢復(fù)程度接近或超過(guò)50%，樣地E的SOM恢復(fù)程度最高(63.2%)，與靠自然恢復(fù)的撂荒地F(64.9%)十分接近(表3)。除樣地C和D外，其他植被配置類型30-50 cm的SOM恢復(fù)程度高于靠自然恢復(fù)的撂荒地F。樣地E中0-50 cm的平均TN恢復(fù)程度(58.4%)較其余樣地接近撂荒地F(73.1%)，其30-50 cm的恢復(fù)程度甚至略高于撂荒地F。樣地B和E中0-10 cm的土壤NO3--N的恢復(fù)程度明顯高于其他3個(gè)樣地，其他土壤深度的NO3--N含量已經(jīng)與天然樣地G非常接近甚至超過(guò)了天然樣地G的NO3--N水平。人工植被樣地B、D和E中0-50 cm土壤平均NO3--N含量已完全恢復(fù)到天然植被的水平，其中0-10和40-50 cm的恢復(fù)程度更是高于其他土壤深度。以上結(jié)果說(shuō)明，相比于自然恢復(fù),人工植被的重建加速了有機(jī)質(zhì)、TN和NO3--N的積累，其中，純草本配置模式的恢復(fù)效果更佳。

表3 各植被配置的土壤SOM、TN和NO3--N與天然樣地相比的恢復(fù)程度Table 3 Recovery percentage of SOM, TN and NO3--N of each vegetation pattern from reference natural vegetation site %

3 討論

土壤的自我修復(fù)是一個(gè)非常緩慢的復(fù)雜過(guò)程[9-10]。在干旱半干旱地區(qū)表層土壤養(yǎng)分的恢復(fù)更為緩慢，有些土壤成分(如SOM、TN)靠自然恢復(fù)甚至需要50～100年的時(shí)間[10-11]。植被重建是加快表層土壤恢復(fù)的一種有效措施，因?yàn)槿斯ぶ脖粚?duì)土壤具有顯著的培肥作用，能加速土壤肥力的提升[12-13]。然而，由于不同植被在生活型、生理生態(tài)特性、養(yǎng)分利用等方面的差異，其對(duì)各土壤肥力指標(biāo)恢復(fù)的效果并不相同。因此，不同的植物配置對(duì)土壤的培肥效果也存在明顯的差異。鞏杰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在半干旱黃土丘陵區(qū)，人工栽植灌木對(duì)土壤的培肥作用高于喬木。張俊華等[12]研究認(rèn)為,草地對(duì)黃土高原SOM的恢復(fù)效果好于灌木和喬木，而幼齡喬木林地對(duì)深層土壤有機(jī)質(zhì)的培肥改良效益甚微。本研究也發(fā)現(xiàn)人工植被的建植的確促進(jìn)了土壤肥力的提升，加速了土壤養(yǎng)分的恢復(fù)。這一結(jié)果與之前的研究結(jié)果相一致[12-13]。通過(guò)5種植被配置模式的比較發(fā)現(xiàn)，混播有豆科牧草的純草本配置模式的人工植被更有利于該區(qū)排土場(chǎng)淺層(0-50 cm)土壤SOM、TN和NO3--N的恢復(fù)，而人工植被并沒有改變土壤TP、TK及NH4+-N的含量和剖面垂直分布特征。

SOM是土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源，其對(duì)土壤的生產(chǎn)力、物理狀況和生物活性有重要的指示意義，常作為衡量土壤肥力的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。植物凋落物、植物殘?bào)w和根系、土壤動(dòng)物和微生物殘?bào)w以及動(dòng)植物和微生物的分泌物都是SOM的貢獻(xiàn)者。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期耕作造成半干旱草原SOM大量損失[14-15]，而撂荒在一定程度上能恢復(fù)土壤肥力，但恢復(fù)速度較為緩慢[13]。半干旱草原區(qū)的土壤活性有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分利用性在棄耕后的50年將會(huì)恢復(fù)，但土壤總有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)將是一個(gè)更為緩慢而漫長(zhǎng)的過(guò)程[15]。山體滑坡后的熱帶雨林需要經(jīng)過(guò)100～150年的自然恢復(fù)，其土壤有機(jī)碳和全氮才能完全恢復(fù)[16]。Li等[10]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)44年人工植被的恢復(fù)和演替，荒漠系統(tǒng)表層SOM會(huì)恢復(fù)到90%。本研究發(fā)現(xiàn)，純草本植被經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)育，SOM最高恢復(fù)到天然樣地的84.8%。然而，不同深度的SOM和全氮恢復(fù)速率并不一致，表層(0-10 cm)SOM的恢復(fù)速率最高，與其他報(bào)道一致，在土壤剖面上表現(xiàn)為表聚性的特點(diǎn)[12]。一方面是因?yàn)楦嗟闹参餁報(bào)w和凋落物很容易被表層土壤所截獲，另一方面是因?yàn)閬?lái)自于地表發(fā)育和拓殖的生物土壤結(jié)皮的碳氮固定[10]。雖然有眾多研究一致報(bào)道人工植被能明顯加速土壤肥力的恢復(fù)[11-13]，本研究卻發(fā)現(xiàn)純草本配置的人工植被類型下的SOM恢復(fù)速率最快，尤其是較深層SOM(40-50 cm)的積累明顯超過(guò)了靠自然恢復(fù)的撂荒地。其原因是相對(duì)于灌木和喬木，草本植物種子產(chǎn)量高，更容易在貧瘠的土壤中萌發(fā)并定居，往往是生態(tài)修復(fù)的先鋒植被，很大程度上加速人工生境的生態(tài)演替[17]。其次，純草本植被的草本蓋度相對(duì)均一、草本根系密集的分布在淺層土壤中、且具有更新和周轉(zhuǎn)速度快的特點(diǎn)，大量死亡的根系腐殖質(zhì)化后轉(zhuǎn)化為SOM。而喬木和灌木的根系通常較深，且分布相對(duì)分散，有明顯的肥力島嶼作用[13]，其根系的更新和周轉(zhuǎn)速率較草本緩慢。

土壤中的氮素大多為有機(jī)結(jié)合形態(tài)，無(wú)機(jī)態(tài)氮一般占全氮的1%～5%。研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原生態(tài)系統(tǒng)中的土壤氮素主要取決于生物量的積累和土壤有機(jī)質(zhì)分解的強(qiáng)度[18]。本研究所選擇的5種不同植被配置模式中，純草本配置的草本蓋度和生物量均遠(yuǎn)高于其他植被配置類型(表1)，這意味著將有更多的草本凋落物歸還到土壤中而使其生產(chǎn)力得以提高，最終導(dǎo)致生物量積累的增加。同時(shí)，生物量的累積也刺激了土壤微生物種群和數(shù)量的增加，進(jìn)而加速凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解。另外，地表的生物土壤結(jié)皮，尤其是具有固氮活性的藻類結(jié)皮[19]有利于表層(0-10 cm)土壤全氮含量的增加。其中混播的豆科植物更是能夠耐受低氮環(huán)境，在土壤中與根瘤菌形成固氮根瘤，從而進(jìn)行有效的固氮作用，使土壤中氮的積累大幅度提高[20]，補(bǔ)充了較深層的土壤全氮含量。凋落物和有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)氮通過(guò)土壤微生物的礦化轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮(NH4+-N和NO3--N)，更多的凋落物和有機(jī)質(zhì)的分解是純草本配置的人工植被和撂荒地表層(0-10 cm)土壤中的NO3--N含量明顯高于其他植被配置類型和天然植被區(qū)的主要原因。土壤無(wú)機(jī)氮對(duì)作物來(lái)說(shuō)是可直接吸收利用的礦質(zhì)態(tài)氮，主要是NH4+-N和NO3--N，反映土壤短期的供氮能力[21]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的高低直接反映土壤短期氮素供應(yīng)狀況，在美國(guó)直接用硝態(tài)氮的含量作為田間養(yǎng)分管理的指標(biāo)。本研究的結(jié)果說(shuō)明,植被配置類型對(duì)土壤NO3--N的影響大于NH4+-N，土壤NO3--N的對(duì)植被恢復(fù)的效果評(píng)價(jià)具有更重要的實(shí)用價(jià)值。然而，其中的機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

磷和鉀是植物生長(zhǎng)不可缺少的生命元素。土壤中絕大多數(shù)的磷和鉀來(lái)自于土壤母質(zhì)中的礦質(zhì)成分，生物因素對(duì)其雖有作用，但影響不大[22]。全磷和全鉀含量只能反映土壤中磷和鉀的總儲(chǔ)量，而速效鉀和速效磷更能指示土壤的養(yǎng)分可利用性。礦區(qū)排土場(chǎng)土壤是由深層土壤回填而形成的，由于黃土高原母質(zhì)土壤較為均勻一致，全磷和全鉀的分層現(xiàn)象也不明顯，這與鞏杰等[22]和馬建軍[23]的研究結(jié)果相一致。同時(shí)也說(shuō)明土壤全磷和全鉀含量不能真實(shí)地反映該地區(qū)土壤生態(tài)修復(fù)的程度和效果。土壤中速效磷和速效鉀的供給對(duì)植物來(lái)說(shuō)有重要的營(yíng)養(yǎng)作用，對(duì)土壤的生態(tài)恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)具有更重要的指示意義。所以，今后在黃土高原區(qū)土壤鉀和磷的恢復(fù)研究中，更應(yīng)該關(guān)注土壤速效磷和速效鉀的含量變化。

4 結(jié)論

人工植被的重建的確促進(jìn)了礦區(qū)排土場(chǎng)土壤中SOM、TN和N3O--N含量的增加。經(jīng)過(guò)近20年的修復(fù)，黑岱溝煤礦區(qū)排土場(chǎng)50 cm內(nèi)的平均SOM、TN和NO3--N恢復(fù)到天然植被區(qū)的18.6%～143.2%。含有豆科草本的純草本配置模式的人工植被對(duì)淺層土壤的恢復(fù)效果最好，其對(duì)0-50 cm土壤中SOM、TN和NO3--N的恢復(fù)程度是其他4種配置模式(喬木型、喬灌型、喬-草型和喬-灌-草型)的1.1～2.5、1.2～1.7和1.3～7.4倍。因此，今后對(duì)黃土高原晉陜蒙礦區(qū)生態(tài)進(jìn)行恢復(fù)時(shí)，可以將純草本配置作為早期土壤恢復(fù)的首選植被配置模式，而SOM、TN和NO3--N可以考慮作為評(píng)價(jià)土壤生態(tài)修復(fù)程度的參考標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 武承厚.2008年煤炭市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析[J].中國(guó)煤炭,2008,34(1):14-17.

[2] 白中科,趙景逵,李晉川,王文英,盧崇恩,丁新啟,柴書杰,陳建軍.大型露天煤礦生態(tài)系統(tǒng)受損研究——以平朔露天煤礦為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1999,19(6):870-875.

[3] 常英,包俊江.黑岱溝煤礦排土場(chǎng)土壤微生物分布特征研究[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,31(2):27-33.

[4] 姚敏娟.黑岱溝露天礦排土場(chǎng)不同植被配置對(duì)土壤養(yǎng)分和土壤水分影響研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文，2007.

[5] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 9834-88 土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[6] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 7173-87土壤全氮測(cè)定法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.

[7] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 8937-88土壤全磷測(cè)定法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[8] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 9836-88土壤全鉀測(cè)定法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[9] Burke I,Yonker C M,Parton W J.Texture,climate,and cultivation effects on soil organic matter content in US grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal,1989,53:800-805.

[10] Li X,He M,Duan Z,Xiao H,Jia X.Recovery of topsoil physicochemical properties in revegetated sites in the sand-burial ecosystems of the Tengger Desert,northern China[J].Geomorphology,2007,88:254-265.

[11] DeRose R,Trustrum N,Thomson N,Roberts A.Effect of landslide erosion on Taranaki hill pasture production and composition[J].New Zealand Journal of Agricultural Research,1995,38:457-471.

[12] 張俊華,常慶瑞,賈科利.黃土高原植被恢復(fù)對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(4):38-41.

[13] 鞏杰,陳利頂,傅伯杰,李延梅,黃志霖,黃奕龍,彭鴻嘉.黃土丘陵區(qū)小流域土地利用和植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(12):2292-2296.

[14] Aguilar R,Kelly E,Heil R.Effects of cultivation on soils in northern Great Plains rangeland[J].Soil Science Society of America Journal,1988,52:1081-1085.

[15] Burke I C,Lauenroth W K,Coffin D P.Soil organic matter recovery in semiarid grasslands:implications for the conservation reserve program[J].Ecological Applications,1995,5:793-801.

[16] Singh K,Mandal T,Tripathi S.Patterns of restoration of soil physciochemical properties and microbial biomass in different landslide sites in the salt forest ecosystem of Nepal Himalaya[J].Ecological Engineering,2001,17:385-401.

[17] 黃銘洪,駱永明.礦區(qū)土地修復(fù)與生態(tài)恢復(fù)[J].土壤學(xué)報(bào),2003,40(2):161-169.

[18] 王百群,劉國(guó)彬.黃土丘陵區(qū)地形對(duì)坡地土壤養(yǎng)分流失的影響[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1999,5(2):18-22.

[19] 張鵬,李新榮,賈榮亮,胡宜剛,黃磊.沙坡頭地區(qū)生物土壤結(jié)皮的固氮活性及其對(duì)水熱因子的響應(yīng)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2011,35(9):906-913.

[20] Ashton P,Samarasinghe S,Gunatilleke I,Gunatilleke C.Role of legumes in release of successionally arrested grasslands in the central hills of Sri Lanka[J].Restoration Ecology,1997,5:36-43.

[21] 巨曉棠,張福鎖.中國(guó)北方土壤硝態(tài)氮的累積及其對(duì)環(huán)境的影響[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12(1):24-28.

[22] 鞏杰,陳利頂,傅伯杰,虎陳霞,衛(wèi)偉.黃土丘陵區(qū)小流域植被恢復(fù)的土壤養(yǎng)分效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005，19(1):93-96.

[23] 馬建軍.黃土高原丘陵溝壑區(qū)露天煤礦生態(tài)修復(fù)及其生態(tài)效應(yīng)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士論文，2007.

(責(zé)任編輯 王芳)

Effects of various vegetation patterns on soil nutrients recovery in Heidaigou coal mine

HU Yi-gang, ZHANG Peng, ZHAO Yang, HUANG Lei, HU Rui

(Shapotou Desert Experiment and Research Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Artificial revegetation is a vital method of ecological recovery for damaged ecosystems. However, the assessment on the recovery effects of various vegetation patterns is still rare to date. In this study, the recovery situation of recliamed soil nutrients in Heidaigou opencast coal mine recovered for nearly 20-years was evaluated using various artificial vegetation patterns. The results showed that soil nutrients content was significantly affected by vegetation patterns. The contents of SOM, TN and NO3--N were significantly different in various soil depth while there was no significant difference for soil TP, TK and NH4+-N. Although SOM, TN and NO3--N assembled in the surface soil, artificial vegetation changed their vertical distribution properties compared with natural vegetation. Herbage vegetation with fabaceous plants was better than other vegetation patterns for soil nutrients recovery. Average SOM, TN and NO3--N within 50 cm soil depth had recovered to 63.9%, 57.8% and 184.8% of natural vegetation site after nearly 20 years recovery, the average level of SOM, TN and NO3--N within 30-50 cm soil depth even exceeded abandoned field. The results indicated that artificial revegetation was an effective measure to improve soil nutrients recovery, and herbage vegetation with fabaceous plants was the first choice to implement soil ecological recovery in the mine reclaimed land. Furthermore, SOM, TN and NO3--N could be used as an index to evaluate the effects of soil recovery in this mine region.

reclaimed land; vegetation pattern; soil nutrients; ecological rehabilitation

ZHANG Peng E-mail: zhangp1419@163.com

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0547

2014-12-08 接受日期：2015-03-25

中科院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3-13-03)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41101081、41201086)

胡宜剛(1980-)，男，甘肅臨夏人，助理研究員，博士，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail：huyig@lzb.ac.cn

張鵬(1979-)，男，甘肅張掖人，助理研究員，博士，主要從事植物生態(tài)學(xué)研究。E-mail：zhangp1419@163.com

S153.6

A

1001-0629(2015)10-1561-08*

胡宜剛，張鵬，趙洋，黃磊，虎瑞.植被配置對(duì)黑岱溝露天煤礦區(qū)土壤養(yǎng)分恢復(fù)的影響[J].草業(yè)科學(xué),2015,32(10):1561-1568.

HU Yi-gang,ZHANG Peng,ZHAO Yang,HUANG Lei,HU Rui.Effects of various vegetation patterns on soil nutrients recovery in Heidaigou coal mine[J].Pratacultural Science，2015,32(10)：1561-1568.