高寒礦區(qū)植被恢復對渣山表層基質的響應

金立群,李希來,宋梓涵,孫華方,楊鑫光

(青海大學農(nóng)牧學院，青海 西寧 810016)

煤炭作為支撐社會經(jīng)濟發(fā)展的重要能源之一，其開采和利用一直備受人們關注[1]。青海省木里煤田煤炭資源儲量33億t，占全省總儲量的66%，而這些煤礦生產(chǎn)所占據(jù)的草地面積為0.3萬～0.5萬hm2。露天煤礦是全球范圍內(nèi)的主要采煤方式[2]，而因開礦在草地上堆起的一座座渣山，不僅破壞和占用大量土地資源，而且其結構性和空隙性差，無保水保肥能力，嚴重缺乏植物生長所需要的營養(yǎng)物質[3]，在高寒環(huán)境下對生態(tài)環(huán)境造成持久而嚴重的負面影響，依靠煤渣山自身演替的恢復需100～1 000年[4]，因此人工干預礦區(qū)渣山的生態(tài)恢復就成為十分必要的環(huán)境保護手段。植被修復是改善渣山條件最常用也是最有效的方法之一，也是礦區(qū)生態(tài)恢復的主要內(nèi)容和目標[5]。

植被能影響土壤理化性質及結構，具有保水固土、改良土壤、改善生態(tài)環(huán)境的作用[6]。同時，土壤通過為植被提供養(yǎng)分而影響植被[7]，除土壤提供營養(yǎng)外，植被覆蓋物同樣也能提高土壤營養(yǎng)物質利用率，特別是N、P、K等[8]，所以在礦區(qū)渣山植被恢復過程中，渣山機械堆積方式以及渣土自身理化性質的差異會影響堆積地區(qū)植物的生長，植被在生長過程中也同樣會改變渣山及周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。有關研究表明，在相同的氣候條件下，不同的土壤條件對植被生長影響很大[9]，渣山的環(huán)境因子直接決定著植被生長的好壞，利用植物改善渣山生態(tài)研究也有許多報道[10]。近年來，對于礦區(qū)渣山植被重建的研究基本是在低海拔平原地區(qū)，往往采取排土后混合客土來改良土壤[11]。多年凍土礦區(qū)海拔高，年積溫低，對于植物的生長極為不利，目前關于多年凍土高寒礦區(qū)渣山植被恢復的研究報道較少。并且由于其特殊的地理位置，運輸客土成本較大，故在機械堆積的渣山土層較薄的狀況下直接種植植物具有很大難度。本研究通過研究多年凍土礦區(qū)不同渣山堆積下表層基質與植被恢復的相互關系，探討植被恢復對渣山機械堆積表層基質的響應，旨在為今后高寒礦山廢棄地的生態(tài)修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

木里煤田位于青藏高原北部祁連山區(qū)青海省剛察縣，面積約400 km2，江倉礦區(qū)位于木里煤田大通河上游區(qū)。木里煤田范圍內(nèi)多年凍土層廣泛發(fā)育，呈島狀分布，平均厚度80 m，大部分地區(qū)凍土層大于100 m。地貌上屬高海拔構造斷陷山間盆地，經(jīng)多次勘察表明，蘊藏煤炭資源量近資源儲量35.4億t,是青海省最大的煤礦。該區(qū)地處高寒地帶，海拔3 800～4 200 m，年平均氣溫-2.8 ℃，最低氣溫-35.6 ℃，最高氣溫19.8 ℃，年降水量477. 1 mm，多集中在夏季，年蒸發(fā)量1 049.9 mm，為中低山，氣候嚴寒。江倉礦區(qū)東西長25 km，南北寬2.5 km，面積55 km2，其地理坐標為99°27′-99°35′ E，38°02′-38°03′ N(圖1)。井田內(nèi)分布大量高寒草甸、沼澤，屬高寒沼澤濕地[12-13]。所研究的露天煤礦渣山區(qū)屬于江倉礦區(qū)圣雄礦業(yè)，圣雄礦業(yè)處于木里煤田的江倉五井田，2003年取得探礦權，開始以露天形式探礦開挖，2010年礦區(qū)形成兩座面積約130萬m3的渣山，由企業(yè)大面積開采時產(chǎn)生的煤矸石及渣土機械堆積而成。2013年企業(yè)進行渣山穩(wěn)定處理和復綠工作，削坡卸載，渣山坡度小于25°，沿渣山底部邊緣砌筑圍堰，增加坡面穩(wěn)定性。并開始進行人工礦山復綠，人工種植的草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，分別于種植當年5月下旬將相同播種量、播種比例(2∶1∶1)的草種混合撒播于樣地，播量 300 kg·hm2，播后覆蓋無紡布，面積約為1.33 hm2。

1.2 試驗設計

試驗地選擇圣雄礦業(yè)在2013年5月人工種植的北側渣山，地理坐標為99°28′48.7″ E，38°02′49.4″ N，坡度均小于25°，種植方法一致。由于機械隨機堆積渣山，削坡卸載形成了不同坡地表層土壤基質，故在野外觀察中發(fā)現(xiàn)北渣山3個相近陽坡的植被生長狀況(高度、蓋度等)有較大差異，因而選擇這3個坡地作為研究樣地分析渣山表層基質狀況，分別為樣地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。在2017年8月3個樣地均以樣線法隨機選取12個1 m×1 m的樣方，重復12次，共36個樣方。每個樣方測定植物蓋度、高度、地上生物量、生殖枝數(shù)量、幼苗數(shù)量以及苔蘚蓋度等，并把采集的樣品用信封袋帶回室內(nèi)烘干,稱其干重。因渣山坡面土層較薄，故只對樣方內(nèi)上層(0-10 cm)土壤進行取樣，每個坡地重復12次，去除大石塊和植物殘根后帶回室內(nèi)進行理化性質測定。GPS詳細記錄樣方經(jīng)緯度、海拔，羅盤儀測定坡度、坡向，三參速測儀(HW-WET-3)測定渣山基質的水分與鹽分。

圖1 試驗區(qū)地理位置Fig. 1 The geographical position of the experiment plot

1.3 室內(nèi)分析測定

全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測定；全磷(TP)含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀(TK)含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；堿解氮(AN)含量采用堿解擴散法測定；速效磷(AP)含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀(AK)含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤pH 采用電極法(水土比 2.5∶1)測定；土壤有機質(SOM)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，運用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用R語言3.4.3使用隨機森林方法，進行影響因子重要性評價。隨機森林算法是一種新型高效的組合分類法，同其他模型一樣，隨機森林可以解釋若干自變量(X1、X2、…、Xk) 對因變量Y的作用。如果因變量Y有n個觀測值，有k個自變量與之相關；在構建分類樹的時候，隨機森林會隨機地在原數(shù)據(jù)中重新選擇n個觀測值，其中有的觀測值被選擇多次，有的沒有被選到。同時，隨機從k個自變量選擇部分變量進行分類樹節(jié)點的確定。這樣，每次構建的分類樹都可能不一樣。一般情況下，隨機生成幾百個至幾千個分類樹，然后選擇重復程度最高的樹作為最終結果[14]。鑒于隨機森林模型易于建立，又易于解釋，可用來評估本研究中變量的重要性。

2 結果與分析

2.1 對不同渣山坡地表層基質下植被恢復特征的分析

樣地Ⅰ的植被高度顯著高于樣地Ⅱ與樣地Ⅲ(P<0.05)，樣地Ⅱ與樣地Ⅲ差異不顯著(P>0.05)(圖2)。對于不同基質下植被地上生物量，樣地Ⅰ和樣地Ⅲ顯著大于樣地Ⅱ。渣山基質不同，對植被蓋度影響很大，樣地Ⅰ和Ⅲ顯著大于樣地Ⅱ，樣地Ⅰ和Ⅲ差異不顯著。不同基質下種子數(shù)量差異不顯著。樣地Ⅰ的幼苗高度、蓋度顯著高于樣地Ⅱ與樣地Ⅲ；樣地Ⅰ的苔蘚蓋度顯著大于樣地Ⅲ。樣地Ⅰ的生殖枝數(shù)顯著高于樣地Ⅱ和樣地Ⅲ，平均分別比樣地Ⅱ和樣地Ⅲ多19.17和21.59株。樣地Ⅰ、樣地Ⅱ的辛普森指數(shù)顯著低于樣地Ⅲ。

圖2 不同基質下恢復植被特征Fig. 2 Vegetation characteristics with three different substrates

不同字母不同樣地間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference between different sample site at hte 0.05 level.

2.2 不同渣山坡地表層基質下土壤理化性質分析

在不同基質下，全N、全K和堿解N含量差異不顯著(P>0.05)(表1)；樣地Ⅰ與樣地Ⅱ的全P含量相較于樣地Ⅲ顯著增加(P<0.05)，樣地Ⅰ和樣地Ⅱ全P含量差異不顯著；速效P含量樣地Ⅲ最高，比樣地Ⅰ和樣地Ⅱ分別高出46%和80%(P<0.01)。速效K含量在樣地Ⅰ為137.50 mg·kg-1，極顯著高于其他樣地，樣地Ⅱ和樣地Ⅲ差異不顯著；有機質含量在樣地Ⅰ極顯著低于樣地Ⅲ，樣地Ⅱ含量與樣地Ⅰ、Ⅲ差異不顯著。渣山基質的pH都大于7，說明渣山基質基本偏堿性，樣地Ⅰ和Ⅱ極顯著高于樣地Ⅲ，Ⅰ和Ⅱ兩樣地間差異不顯著。樣地Ⅰ和樣地Ⅲ的水分含量差異不顯著，比樣地Ⅱ極顯著高11%與19%。結果表明，不同基質對土壤理化性質有很大影響，渣山表層基質的速效養(yǎng)分、有機質、pH及水分具有明顯差異，因此在渣山人工植被建植過程中，施肥是必要的。

表1 不同渣山坡地表層基質下土壤理化性質Table 1 The physicochemical properties of soil under different three substrates

同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level, different capitals letters indicate significant difference at the 0.01 level.

2.3 對影響渣山苔蘚生長的土壤生態(tài)因子分析

野外觀測時發(fā)現(xiàn)，渣山基質表層有苔蘚出現(xiàn)，這說明渣山植被正在趨于自然恢復。苔蘚植物的蓋度與植被總蓋度、植物幼苗蓋度和生殖枝數(shù)量極顯著正相關(P<0.01)，與土壤速效K含量顯著正相關(表2、表3)，與土壤其他養(yǎng)分無顯著相關性(P>0.05)。

表2 苔蘚蓋度與植被各特征之間的相關性分析Table 2 Physicochemical properties of soil with three different substrates

* *表示在0.01水平上顯著相關；n=36。下表同。

* * indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1;n=36; similarly for the following tables.

表3 苔蘚蓋度與土壤各養(yǎng)分之間的相關性分析Table 3 Correlation analysis between moss coverage and soil nutrients

2.4 對基于隨機森林法的渣山坡地表層基質主要生態(tài)因子的分析

圖3為隨機森林法的兩種衡量影響因子重要性的結果，對造成3個樣地不同土壤理化性質以及植被恢復特征的19個建模因子進行了因子的重要性分析，可以看出，前5個因子排序完全相同，說明pH、速效P、幼苗高度、有機質和幼苗蓋度是影響3個渣山坡面樣地表層基質的主要因子。為了更好地分析各因子對3個樣地基質的影響規(guī)律，對5個重要因子繪制了各因子影響渣山基質的作用曲線(圖4)。圖4中橫坐標對應于因子取值，縱坐標對應于該因子對3個坡面基質差異的概率貢獻值，即縱坐標值越大，該因子對3個坡面差異的影響越大。土壤pH在3個坡面基質差異的重要性影響最高，土壤pH會影響土壤物理、化學及生物學的過程，影響土壤肥力，改變土壤物理微結構[15]，間接影響植被的生長狀況。在pH>8.16時，對3個樣地間差異影響最大。土壤速效P在20～35 mg·kg-1內(nèi)時，對3個坡面基質的差異影響最大，這是由于土壤中P的盈余對提高土壤P的供應潛力有積極意義，但土壤P的過量積累也會對環(huán)境質量造成威脅，還會影響到其他元素的生物有效性，造成營養(yǎng)元素供應失衡，進而引起土壤肥力退化[16]。土壤有機質是土壤的重要組成物質，對改善土壤物理、化學性質以及植物的生長起著重要作用，是評價土壤肥力和質量的重要指標[17]，本研究中，有機質大約從10.4 g·kg-1之后含量越高，對渣山表層基質的影響越小。植物幼苗階段決定著群落的演替方向與恢復的可能性，幼苗階段是植物生活史中對環(huán)境條件反應最脆弱的時期，幼苗生長發(fā)育過程中會一直受周圍環(huán)境的各個因素影響[18]，同時植物幼苗也改變著生長的環(huán)境條件。隨著幼苗高度與蓋度的升高，對渣山的影響逐漸增大。

圖3 影響渣山不同坡面表層基質變量重要性排序Fig. 3 Importance rank of the variables of the three different substrates

圖4 基于隨機森林方法的主要生態(tài)因子對不同渣山表層基質的影響Fig. 4 Influence of the main ecological factors on the different surface substrates based on the random forest method

3 討論

3.1 高寒煤礦區(qū)地貌重塑的重要性

我國露天煤礦主要分布在草原區(qū)、荒漠區(qū)和丘陵區(qū)等生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)[19]，經(jīng)采煤破壞后的生態(tài)環(huán)境極度退化，無法自然恢復，必須有人工干預，礦區(qū)渣山的基質理化性質是植被能否恢復好的關鍵，所以改善環(huán)境的首要任務就是改良基質理化性質，而人工種植是最有效的方式[20]。目前國內(nèi)已經(jīng)在不同礦區(qū)開展了人工恢復植被的研究，旨在改善土壤質量、修復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。圣雄礦區(qū)多為沼澤濕地，草皮下0.5 m左右為泥炭層，其下2-3 m含有一定量的細粒土與礫石，下部多為15-25 m厚的冰磧砂礫石層。地表以下1-7 m深度范圍多見冰層，局部地段冰層厚度可達9 m，其下是若干米厚的砂巖石膏層，在這之下的粉砂巖中含有局部可采煤層[21-22]。高寒地區(qū)煤礦的開采對多年凍土影響劇烈，使得煤礦區(qū)凍土環(huán)境非常脆弱，采煤過程中，大量的地下凍土與巖石、煤矸石一起被挖出就近露天堆放，形成大小不一、占壓土地，破壞景觀的渣山。我國的煤矸石山多數(shù)為錐形[23],因此斜坡較多,坡度較大,給植被的恢復帶來了一定的難度，所以在進行植被恢復之前，首先要整形整地，包括平整山頂、削坡、邊坡構筑、重塑地貌景觀[24]。

3.2 圣雄煤礦區(qū)不同渣山坡地表層基質的形成原因

雖然礦井開采時，其周圍堆起的一座座渣山基質均出自同一個礦坑，但是其渣山表面基質上的凍土、巖石、煤矸石含量、溫度、風速、土壤水分等存在差異，造成不同渣山上營養(yǎng)元素存在著一定的空間變異性[25]。本研究結果表明，盡管3個樣地的渣山坡面的坡向、坡度以及種植時間與方法基本一致，但植被生長狀況之間的差異非常明顯，樣地Ⅰ植被高度、蓋度、生物量、幼苗高度與蓋度、苔蘚蓋度、生殖枝數(shù)量等均顯著高于樣地Ⅱ和樣地Ⅲ，在3個樣地植被恢復的5年中，樣地Ⅰ的土壤速效養(yǎng)分均大于其他兩個坡，這為植物的快速生長奠定了重要基礎，從3個樣地植被生物量差異上也可看出類似結果(圖2)。在生態(tài)系統(tǒng)中，植被與土壤是一個相互作用、協(xié)同發(fā)展的統(tǒng)一體系，植物群落的變化總是與土壤的演化相關聯(lián)[26]。由于機械堆積渣山形成了不同坡面表層基質，這種基質是由多年凍土(占比約70%)、煤矸石(約20%)和部分巖石(約10%)組成，3個樣地的土壤理化性質具有明顯差異。引起3個樣地渣山表層差異的主要土壤因子是pH、速效磷和有機質，植被因子主要是植物幼苗高度與蓋度。這說明高寒地區(qū)露天煤礦開采區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的重點應該是地貌重塑過程，包括平整山頂、削坡、邊坡構筑等。因此，針對高寒礦區(qū)渣山表層處理情況，在不覆土下盡可能堆積地表草甸土和多年凍土，多年凍土實際上是古代土壤，一旦暴露在空氣之中，渣山表層基質偏弱堿或中性和較多的速效磷的表層基質環(huán)境(樣地Ⅰ的速效P大于25.19 mg·kg-1；pH小于8.29)，有利于植被蓋度和生物量的增加(圖2)。

3.3 渣山不同坡地表層基質的主要影響因子與植被恢復

高寒礦區(qū)木里煤田種草平均成本約為覆土43.5 CNY·m-2，不覆土11.8 CNY·m-2，從經(jīng)濟效益上講覆土成本比不覆土成本約高4倍，考慮經(jīng)濟效益和覆土土壤的來源困難，高寒礦區(qū)不建議覆土恢復植被。不同渣山表層基質從堆積初始它們的物理結構、化學反應、微生物活性以及養(yǎng)分有效性均具有差異[27]，渣山植物根部微生物分泌有機酸也會影響基質表層pH[28]。渣山基質pH也能直接影響一些養(yǎng)分的轉化和有效性，同時對表層有機質的變化有很大影響[23]。基質速效P含量主要來自渣山有機質，在受基質特性、植被特征與凈礦化作用以及有機質含量影響的同時，植被覆蓋物能夠提高速效P的利用率[8]，故渣山表面土壤P有顯著差異。植物幼苗的出現(xiàn)在植被生態(tài)恢復中非常關鍵，影響植物種群的數(shù)量狀態(tài)和群落的演替[29]，說明在渣山基質中形成了種子庫，幼苗階段是植物生活史中對環(huán)境條件最敏感的時期，而由于3個樣地表層基質的差異，造成了植物種子成熟的差異和植物幼苗萌發(fā)后成活率不同，所以幼苗高度與蓋度在3個樣地具有明顯差異。3個樣地的辛普森指數(shù)具有一定差異，種植時主要草種為2∶1∶1的垂穗披堿草、星星草和冷地早熟禾，這可能是在種子撒播時不均勻所致，故在今后渣山復綠中應充分混合草種。

植被的恢復與渣山環(huán)境因子之間的關系復雜，渣山基質與植被的生長具有復雜的交互影響。在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤養(yǎng)分不斷積累和物理性能不斷改善的過程[30]，植被的恢復會對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生明顯的截存和保護效應[31]。隨機森林法計算結果表明，pH與速效P對渣山影響力分別為23.67與21.12，是影響礦區(qū)渣山植被生長的兩個重要因子，這與Venson等[32]研究表明影響礦區(qū)植被生長的因子主要有土壤肥力和pH 的研究結果基本相符。在渣山不種草對照區(qū)表層基質pH約為8.6，嚴重偏堿性不利于植物的生長，種植植被后平均下降約0.64，但依然偏弱堿性，植被生長對土壤pH調(diào)節(jié)緩慢。因此，在多年凍土礦區(qū)植被恢復過程中，可適當調(diào)節(jié)渣山表層基質pH使植物快速生長發(fā)育，為了讓植物在吸收土壤速效養(yǎng)分時得到及時補充，需適時補充有機肥和氮、磷、鉀等速效肥料，以滿足地上植被生長的需要。

3.4 渣山植被恢復苔蘚的生長與土壤的形成發(fā)育

苔蘚植物作為演替過程中的先鋒植物，具有特殊的構造和生理功能，能很好地生長在嚴酷的環(huán)境中[33]，大面積生長的苔蘚植物可以有效截獲降水、攔蓄徑流，從而積累風塵物質包括植物的一些必需元素，減少土壤水分中礦質養(yǎng)分的流失，增加營養(yǎng)物質的保留，有助于水土和土壤肥力的保持。在多年凍土礦區(qū)渣山恢復植被過程中，苔蘚蓋度與地上植物特征和土壤營養(yǎng)元素具有一定的相關性，說明苔蘚植物在地上植被與渣山表層之間養(yǎng)分循環(huán)關系中起一定作用，研究證實苔蘚生物結皮的存在能夠改變土壤理化性質，增加表層土壤養(yǎng)分含量[34]，通過自身活動影響植物生長狀況。水分對苔蘚的生長影響顯著[35]，所以本研究試驗地苔蘚與植物蓋度顯著相關，地上植被蓋度越大，基質表層水分含量越高。由于高寒礦區(qū)渣山坡面難以固土以及缺乏營養(yǎng)，并有一定的坡度，種子萌發(fā)生長困難，有學者認為，在苔蘚植物生長初期，由于其特殊形態(tài)與生物成分的特殊功能增強了地上植物種子的繁殖與生存能力，可促進幼苗萌發(fā)、定居[36]。苔蘚植物的出現(xiàn)對高寒礦區(qū)渣山表層基質的土壤形成發(fā)育具有積極的意義，是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)正向演替至穩(wěn)定的重要階段。

4 結論

1)在青海木里煤田圣雄礦區(qū)，機械堆積的渣山經(jīng)過不覆土植被恢復，同一礦坑同一坡向3個不同表層基質坡面植被高度、蓋度、生物量、幼苗高度與蓋度、生殖枝數(shù)量、苔蘚植物蓋度及物種多樣性具有明顯差異，其中樣地Ⅰ由于表層基質偏弱堿性和較多的速效磷含量植被恢復效果明顯好于其他兩個樣地。

2)試驗渣山坡面3個不同表層基質理化性質具有一定差異性，其影響因子主要有pH、速效磷、有機質、以及植物幼苗的高度與蓋度。

3)多年凍土礦區(qū)渣山不覆土植被恢復與渣山表層基質理化性質具有顯著相關性，渣山表層基質較低的pH和較高的速效氮磷鉀是影響植被生長的主要限制因子，因此高寒礦區(qū)渣山植被恢復過程中調(diào)節(jié)pH和補充速效養(yǎng)分與有機質可快速恢復渣山植被。

4)渣山苔蘚的生長意味著渣山地表環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，苔蘚蓋度與土壤速效鉀、植被恢復蓋度和幼苗蓋度極顯著相關，因此苔蘚的生長有利于恢復植被幼苗的生長發(fā)育。