不同修復模式下排土場植被與土壤水熱肥變化

張俊嬌，胡 楊，史常青?，趙廷寧，吳 川，劉小勇，劉秉儒

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.北方民族大學生物科學與工程學院，750021，銀川；3.生態(tài)系統(tǒng)建模及應用國家民委重點實驗室，750021，銀川)

煤炭在我國經(jīng)濟發(fā)展中起重要作用，然而不合理的開發(fā)活動產(chǎn)生大量礦山廢棄地。露天煤礦排土場是露天采煤活動產(chǎn)生的典型廢棄地，其坡面裸露，養(yǎng)分流失嚴重[1]，同時我國露天煤礦排土場主要分布在西北地區(qū)，該地區(qū)的干旱氣候增加植被恢復的難度，以上因素導致干旱區(qū)露天煤礦排土場通常需要幾十年才能完成自然恢復，因此通過人工干預對其進行生態(tài)修復十分必要[2-3]。

擾動區(qū)和困難立地的常用生態(tài)修復措施包括槽穴構(gòu)筑、加固填土、鋪掛材料等[4-5]，生態(tài)袋攔擋、土工格室全鋪和植被毯覆蓋分別是其代表措施。布設生態(tài)袋通過人為制造槽穴以貯存土壤水分和養(yǎng)分[6-7]，鋪設土工格可以減少土體不穩(wěn)定帶來的土壤流失問題[8]，覆蓋植被毯能夠減少外界影響以創(chuàng)造較穩(wěn)定生境[9-10]。前人主要研究單一措施的應用效果，但根據(jù)以上措施的特點，生態(tài)袋攔擋或土工格全鋪與植被毯覆蓋結(jié)合的修復模式或可在干旱區(qū)排土場生態(tài)修復中發(fā)揮重大作用。生態(tài)修復的關(guān)鍵是植被恢復，其是植被與土壤環(huán)境相互作用的過程[11]，土壤環(huán)境包括土壤物理、化學和微生物性質(zhì)等，其中土壤水熱肥對于植被恢復的影響較為明顯。因此，研究生態(tài)修復模式對植被和土壤水熱肥的影響，對篩選適宜的生態(tài)修復模式具有指導意義。

汝箕溝礦區(qū)遺留大量排土場，極易發(fā)生水土流失。鑒于此，筆者以該區(qū)域露天煤礦排土場為研究對象，布設生態(tài)袋水平攔擋、蜂巢格室全鋪固結(jié)、秸稈植被毯覆蓋以及將不同措施結(jié)合的修復模式，對比分析不同修復模式下排土場生態(tài)修復初期植被與土壤水熱肥變化，以期為干旱區(qū)露天煤礦排土場的生態(tài)修復提供實踐和理論參考。

1 試驗區(qū)概況

汝箕溝礦區(qū)位于寧夏自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)(E 106°52′，N 38°52′)，礦區(qū)具有典型大陸性氣候特征，全年干燥少雨，年均降水量200 mm左右，蒸發(fā)量2 000 mm以上。年內(nèi)降水分布不均，多發(fā)生在6—9月。試驗區(qū)2020年總降水130.2 mm，8月降水量為46.4 mm。年內(nèi)氣溫變化強烈，最低氣溫-23.5 ℃，最高氣溫35.1 ℃。礦區(qū)內(nèi)的主要土壤類型是干旱氣候與荒漠草原植被覆蓋下共同形成的地帶性土壤灰鈣土，堿性強、養(yǎng)分低且富含碳酸鈣。礦區(qū)內(nèi)植被類型簡單，主要為耐旱、耐瘠薄灌木和草本，多為藜科(Chenopodiaceaa)、禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)和豆科(Fabaceae)[12]，植被蓋度在10%左右。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

試驗排土場位于汝箕溝礦區(qū)大峰露天煤礦東外排土場東北部，為平臺、邊坡相間的階梯式地貌，每級臺階坡面高度約為10 m，臺階坡面為煤矸石與土混排后覆土形成，坡度33°～35°，坡向NW 15°～20°。筆者在試驗排土場設置5種修復模式和對照，各處理的措施組成和使用材料如表1所示。其中對照(CK)除撒草籽外無其他措施。每個處理重復3次，即共設置18個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(10 m×3 m)。各小區(qū)均撒播蒺藜科的鹽生草(Halogetonglomeratus)、禾本科的沙生冰草(Agropyrondesertorum)、菊科的沙蒿(Artemisiadesertorum)和豆科的胡枝子(Lespedezabicolor)種子，種子比例為4∶2∶2∶1，播種密度為30 g/m2，種子凈度和發(fā)芽率均在98%以上，由寧夏遠聲綠陽林草生態(tài)工程有限公司提供。試驗區(qū)于2019年9月下旬完工，未進行養(yǎng)護工作。

表1 試驗設計修復模式的基本信息Tab.1 Basic information of designed remediationmode in the experiment

2.2 植被調(diào)查

2020年8月下旬按照分層取樣法，在各小區(qū)上、中、下坡位各選取3個1 m×1 m草本樣方進行植被調(diào)查[13]，記錄每個樣方內(nèi)植物種、植株高度、生長狀況(將枯萎或缺葉認為是生長狀況不良好)、總植被蓋度，在覆蓋植被毯的小區(qū)中只對高于植被毯表面的植株進行觀測。

2.3 土壤取樣及指標測定

植被調(diào)查后取各樣方表層土壤(0～10 cm)，測定土壤pH、有機質(zhì)、全氮、水解性氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分數(shù)[14]。使用土壤溫濕度記錄儀測定土壤溫度和含水量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件通過單因素方差分析(One-way ANOVA)對不同修復模式下的植株高度、植被蓋度、土壤指標進行顯著性檢驗，并在差異顯著性時進行多重比較(P<0.05，LSD，t檢驗)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被恢復的變化

由表2可知，鹽生草主要集中在19.2～21.2 cm，沙生冰草的植株高度差異較小，主要集中在3.0～4.0 cm，胡枝子的植株高度基本在4.0 cm左右。鹽生草和胡枝子的生長狀況良好，沙生冰草的生長狀況不良。CK、C-S和C-F下無植物生長，相較于CK，J-C、J-S和J-F下植被蓋度分別顯著增加10.00%、19.67%和16.33%，其中J-S下植被蓋度顯著高于其余模式(P<0.05)。根據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》，各模式下植被蓋度均為低覆蓋(植被蓋度<30%)。

3.2 土壤水熱肥的變化

由表3可知，各模式下土壤含水量范圍為13.11%～19.77%，與CK相比，C-S、C-F、J-C、J-S和J-F下土壤含水量分別顯著增加3.12%、3.86%、5.88%、6.66%和5.98%(P<0.05)。根據(jù)土壤水分干旱程度分級標準[15]，CK下土壤水分屬于輕度干旱(土壤含水量為12%～15%)，5種修復模式下屬于適宜水分(15%～20%)。

由表4可知，在觀測期間，不同模式下土壤平均溫度20.21～22.89 ℃，溫差5.67～7.54 ℃。相較于CK，C-S和C-F下土壤平均溫度和日溫差變化較小，J-C、J-S和J-F下土壤平均溫度分別顯著降低2.10、2.68和1.95 ℃(P<0.05)，土壤日溫差分別顯著降低1.64、1.37、1.54 ℃(P<0.05)。

表2 不同修復模式下植被恢復狀況Tab.2 Vegetation restoration status under different remediation modes

表3 不同修復模式下土壤含水量Tab.3 Soil water content under different remediation modes

表4 不同修復模式下土壤平均溫度和日溫差Tab.4 Average temperature and daily temperature differenceof soil under different remediation modes

由表5可知，各模式下土壤pH為8.36～8.51，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為41.13～50.40 g/kg，不同模式間差異不顯著。各模式下土壤全氮質(zhì)量分數(shù)為0.71～0.82 g/kg，其中J-C、J-S和J-F分別較CK顯著提高8.11%、10.81%和8.11%(P<0.05)。各模式下土壤水解性氮質(zhì)量分數(shù)為19.60～30.43 mg/kg，其中CK顯著高于其余5種修復模式(P<0.05)。各模式下土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)為1.43～2.53 mg/kg，其中CK顯著高于其余5種修復模式(P<0.05)。各模式下土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)123.67～215.00 mg/kg，其中J-C、J-S和J-F分別較CK顯著提高54.22%、38.36%和64.97%(P<0.05)。根據(jù)全國第2次土壤養(yǎng)分分級標準，不同修復模式下土壤有機質(zhì)屬于1級，全氮屬于4～5級，水解性氮和有效磷屬于6級，速效鉀屬于1～2級。

4 討論

植被蓋度是生態(tài)修復效果的重要評價指標，試驗排土場基礎水肥狀況過差導致各模式下植被蓋度均較低，但僅有包含植被毯覆蓋的模式下有植物生長，這說明其是當?shù)刂脖换謴偷闹匾胧?。同時，生態(tài)袋攔擋+植被毯覆蓋、蜂巢格室全面固結(jié)+植被毯覆蓋模式下植被蓋度相較于單一措施顯著增加，這證實了以上措施的結(jié)合可更有效地促進植被恢復[16-17]。雖然不同模式下植被蓋度存在差異，但同種植物的植株高度基本一致。此外，本試驗使用的植物中僅有沙生冰草出現(xiàn)了生長不良的狀況，這是因為禾本科植物對于土壤養(yǎng)分的需求量較蒺藜科和豆科高[18]。綜上，在本研究設計的修復模式中，組合模式下植被蓋度增加明顯，但植株高度和植物生長情況變化不大。

表5 不同修復模式下土壤pH和養(yǎng)分含量Tab.5 Soil pH and nutrient contents under different remediation modes

修復模式對土壤水熱肥的影響可能會根據(jù)地區(qū)不同而存在差異。首先，生態(tài)袋、蜂巢格室和植被毯等材料會吸收部分水分，但不同模式下土壤水分含量相較于空白對照均顯著增加，這說明在干旱區(qū)布設以上措施仍能有效增加土壤水分[8,19]。其次，植被毯覆蓋可以通過減少土壤散熱以增溫或減少陽光直射以降溫，在本研究中植被毯覆蓋主要起到降溫作用，結(jié)合當?shù)靥栞椛淝闆r，推測其促進當?shù)刂脖换謴偷脑虬p少太陽輻射以提高植物幼苗成活率[20-21]。最后，修復模式主要通過減少水土流失以保持土壤養(yǎng)分[7,17]，但本研究中土壤水解性氮和有效磷含量卻有所下降。這是因為布設措施會擾動土壤，由此造成的土壤結(jié)構(gòu)破壞使得溶解態(tài)氮以氨氮形式揮發(fā)、溶解態(tài)磷轉(zhuǎn)變成沉淀閉蓄態(tài)，一般需要經(jīng)過長時間修復后氮磷元素才能呈增長趨勢[22]。此外，不同模式下土壤有機質(zhì)含量均偏高，但不能說明土壤肥力高，因為煤矸石和礦區(qū)內(nèi)煤粉降塵等非營養(yǎng)物質(zhì)會增加其數(shù)值[23]。整體來看，不同修復模式下土壤水溫變化明顯，而土壤養(yǎng)分的變化則需進一步觀測。

5 結(jié)論

不同修復模式下植被蓋度、土壤水分、溫度和養(yǎng)分存在差異。植被毯覆蓋、植被毯覆蓋+生態(tài)袋攔擋、植被毯覆蓋+蜂巢格室全鋪模式下植被蓋度、土壤含水量、全氮和速效鉀含量均顯著增加，在本研究設計的修復模式中植被毯覆蓋+生態(tài)袋攔擋下植被蓋度增量最大。