造林树种对大兴安岭露天煤矿废弃地土壤养分的影响1)

杨 业 张 坤 蔡体久 谷金锋

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (黑龙江辰能林业开发有限公司) (东北林业大学)

我国矿产资源十分丰富，矿产资源的开采已经成为我国经济增长的重要手段，我国95%的能源、80%以上的工业原料和70%的农业生产资料来自矿业［1］。在长期对矿产资源的开发利用过程中，改变了矿区生态系统的物质循环和能量流动，造成了严重的生态破坏和环境污染。尤其是露天煤矿的建设和发展，产生了大量的剥离岩土与矸石、尾矿等废弃物堆积场，使其原有的土壤和植被因生态环境的变化而减少，甚至消失，水土流失十分严重，引起土壤质量下降、生态系统极度退化［2］。矿区植被恢复可以提高植被覆盖率、提高土壤肥力、改善土壤结构、减少水土流失、提高生物多样性，有效改善矿区生态环境。植被恢复的主要方法有自然恢复和人工恢复两种。自然恢复就是无需人工协助，完全依靠自然演替来恢复已退化的生态系统。由于排土场土壤养分匮乏，水土流失严重，需要50～100 a，甚至数百年才能恢复到较好的植被覆盖率［3－5］。考虑到植被自然恢复所需时间以及植被恢复过程中的生态效益和经济效益，排土场废弃地植被恢复应采用人工恢复措施，尽快恢复矿区生态环境。本文通过人工恢复模式对大兴安岭古莲河露天煤矿排土场进行植被恢复研究，对造林2 a后的树种进行生长调查和土壤养分调查，探讨不同造林树种、不同造林方式对矿区废弃地的影响，为矿区植被恢复与重建提供理论依据。

1 研究区概况

试验地为古莲河露天煤矿，位于黑龙江省大兴安岭地区漠河县境内，矿区中心点坐标为:东经121°58'15″，北纬 53°04'15″。矿区位于霍拉盆地，为一典型的山间盆地，盆地略向东南倾斜，盆地中间最低处海拨514 m，盆地的四周为中低山，平均海拔720 m。该地区属大陆性气候，冬季严寒干燥，夏季短而多雨;年平均气温－4.8℃，年最高气温37℃，极端最低气温达－52.3℃;年平均降水量403 mm，年平均蒸发量885 mm。该地区属大兴安岭植被区系，植被以兴安落叶松(Larix gmelinii)为优势的北方寒温带明亮针叶林为主，此外还有樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)等。土壤以棕色针叶林土为主，另外还有草甸土、沼泽土等，并有永冻层存在。

古莲河露天煤矿于1987年开采，经过25 a的开采形成了北、西、南3个大型排土场，总排土场面积已达100 hm2。目前，西侧露天矿已经到开采尾期，已经停止剥离排土;南北两大露天矿正在开采中期，每天产生大量的剥离土。采矿作业面上剥离的地表土和开采过程中剥离出来的岩石、矸石等混合堆积而成了特殊人工地貌;其上层多是泥岩土和砂岩，原有地表植物被深埋土下，土壤结构松散、肥力贫瘠、水土流失严重，部分地表被雨水冲蚀的侵蚀沟深达1 m，地表只有少量草本植物生长，盖度不足10%，土壤种子库被严重破坏，自然植被恢复较慢。

2 试验设计

物种选择:由于排土场土壤贫瘠、保水性差、结构松散，在人工植被恢复的过程中，应首先选择生长快、适应性强、抗逆能力好、耐干旱贫瘠的乡土树种［6－7］。同时也可引进具有提高土壤养分、稳定土壤结构、减少水土流失、具有一定经济价值的外来树种，并保证不会造成生态灾难的树种。经过考察分析，本研究选用乡土树种樟子松、落叶松和引进树种沙棘(Hippophae rhamnoides)作为人工恢复的造林树种。

样地设置:根据古莲河露天煤矿提供的资料与现场实地考察情况，选择2008年停止堆置的排土场为造林地，并于2009年5月进行造林。选择地势相对平坦、有代表性的地块，设置6块造林地，面积各为10 hm2。采用客土和裸根两种方式进行造林，客土土壤选用当地林下棕色针叶林土，樟子松和落叶松造林株行距为2 m×2 m，沙棘株行距为1 m×1 m，所选苗木均为3年生实生苗。

生长指标测定:在各造林地内设置调查样地，样地面积为20 m×20 m，每一树种设置3个样地。于2011年秋季对各造林树种生长指标测定，主要测定因子有:树高、基径、生物量。生物量测定是在各样地中随机选取5株样株，完整取出后用水冲净表面土壤，并在烘箱中85℃烘干48 h后称质量，记为生物量。同时计算各造林树种的成活率。

土壤样品采集:由于研究区土壤厚度仅为20 cm左右，并且本实验造林所用苗木较小，而植物生长对土壤的改善也主要集中在表层，因此土壤样品采集深度选在0～20 cm的根际区。每一样地随机选取3株植物采集根际土，分为0～10 cm和＞10～20 cm采集土壤样品，并将3个采集点采集的土壤样品进行混合;同时选择相同条件的无造林地段做对照，采集土壤样品。带回实验室，在通风阴凉处风干后研磨，过200目筛，装入封口袋中待用。

测定方法:依据LY/T 1210～1275—1999《森林土壤分析方法》，对土壤全氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾及有机质进行测定。

3 结果与分析

3.1 不同造林树种生长调查

由表1可以看出，各造林树种3 a后的成活率均在80%以上，尤其是沙棘，客土和裸根造林成活率均达90%以上，且裸根造林和客土造林成活率差异较小。客土与裸根造林对樟子松高生长和基径生长影响较小，株高在26～27 cm，基径在0.9～1.0 cm;但对生物量影响较大，客土造林生物量是裸根造林的1.33倍，差异达显著水平(P＜0.05)。客土造林与裸根造林对落叶松高生长和基径生长影响也较小，落叶松客土造林高生长是裸根造林的1.07倍，基径在1.1～1.2 cm;但对生物量影响较大，客土造林是裸根造林生物量的1.27倍，差异达显著水平(P＜0.05)。沙棘客土造林和裸根造林对株高和基径生长影响较小(P＞0.05)，对生物量影响较大(P＜0.05)。分析表明:客土与裸根造林对樟子松、落叶松和沙棘的成活率、高生长、基生长影响较小，但对生物量影响显著，客土造林生物量高于裸根造林，其中樟子松和沙棘客土造林与裸根造林生物量差异达到极显著水平(P＜0.01)。在采矿废弃地植被恢复的过程中，在客土造林与裸根造林差异较小的情况下，考虑到造林成本等问题，采用裸根造林即可。

表1 造林树种生长指标

3.2 不同造林树种对土壤有机质的影响

由表2可知，矿区废弃地造林3 a后，对土壤有机质的影响较大，其中，沙棘对土壤有机质的影响最为显著，其次是落叶松和樟子松。

沙棘:0～10 cm土层，客土造林土壤有机质质量分数为0.161 g/kg，裸根造林土壤有机质质量分数为 0.118 g/kg，两者分别是对照样地的 3.45、2.54倍;＞10～20 cm土层，客土造林土壤有机质质量分数为0.138 g/kg，裸根造林土壤有机质质量分数为0.111 g/kg，两者分别比对照土壤提高310.09%、229.11%。

落叶松:0～10 cm土层，客土造林土壤有机质质量分数为0.122 g/kg，裸根造林土壤有机质质量分数为0.104 g/kg，两者分别为对照地的 2.62、2.24 倍;＞10～20 cm土层，客土造林土壤有机质质量分数为0.114 g/kg，裸根造林土壤有机质质量分数为0.102 g/kg，两者分别比对照地提高了239.60%、203.26%。

樟子松:0～10 cm土层，客土造林土壤有机质质量分数为0.093 g/kg，裸根造林土壤有机质质量分数为0.072g/kg，两者分别比对照地提高了100.57%、56.01%;＞10 ～20 cm 土层，客土造林土壤有机质质量分数为0.086 g/kg，裸根造林土壤有机质质量分数为0.064 g/kg，两者分别比对照地提高了 133.52%、88.61%。

3树种客土造林和裸根造林，0～10 cm土层有机质质量分数均高于＞10～20 cm土层的。其中:沙棘客土造林0～10 cm和＞10～20 cm土层有机质质量分数达到极显著性差异(P＜0.01)，樟子松和落叶松客土造林各土层间有机质质量分数差异显著(P＜0.05);樟子松、落叶松、沙棘造林，0～10 cm土层有机质质量分数均高于＞10～20 cm土层的，但差异不显著。樟子松、落叶松、沙棘客土造林各土层有机质质量分数极显著(P＜0.01)，并且高于裸根造林各土层有机质质量分数。由此可见，3个树种中沙棘对土壤有机质质量分数的影响最大，客土造林对土壤有机质的影响较显著。这可能是因为，客土所选择的土壤为山地林下土壤，其土壤中植物的枯枝落叶质量分数较大，因此增加了有机质的质量分数，单从樟子松、落叶松和沙棘对土壤有机质的改善看，在植被恢复过程中应选用沙棘作为植被恢复的先锋种进行造林。

表2 不同造林地上、下土层土壤养分质量分数 g·kg－1

3.3 不同造林树种对土壤全氮的影响

樟子松、落叶松和沙棘在矿区废弃地造林3 a后，对土壤全氮质量分数的影响较大(如表2)。沙棘和落叶松客土造林与裸根造林土壤全氮质量分数均高于对照地，樟子松客土与裸根造林全氮质量分数低于对照地。

沙棘对土壤全氮质量分数影响最为显著。其中:0～10 cm土层，客土造林全氮质量分数为0.258 g/kg，裸根造林土壤全氮质量分数为0.149 g/kg，两者分别为对照地的1.93、1.11倍;客土造林0～10 cm土层与对照地全氮质量分数差异极显著(P＜0.01)，裸根造林0～10 cm土层与对照地全氮质量分数无显著差异。＞10～20 cm土层，客土造林土壤全氮质量分数为0.197 g/kg，裸根造林土壤全氮质量分数为0.145 g/kg，两者分别较对照提高 98.99%、46.77%，与对照地土壤全氮质量分数达极显著差异(P＜0.01)。0～10 cm土层，沙棘客土造林土壤全氮质量分数为裸根造林的1.73倍，达到极显著差异(P＜0.01);＞10～20 cm土层，客土造林土壤全氮质量分数为裸根造林的1.27倍，达到极显著水平(P＜0.01)。

落叶松客土造林0～10 cm土层全氮质量分数为0.165 g/kg，裸根造林土壤全氮质量分数为0.136 g/kg，两者分别为对照地的1.23、1.01 倍;客土造林＞10～20 cm土层全氮质量分数为0.138 g/kg，裸根造林土壤全氮质量分数为0.130 g/kg，两者分别比对照地提高了 39.4% 、31.1% 。

樟子松客土造林与裸根造林，各土层全氮质量分数均低于对照地，其中:客土造林，0～10 cm土层全氮质量分数，比对照地低了8.2%，比＞10～20 cm土层低了7.1%;裸根造林，0～10 cm和＞10～2 0 cm土层全氮质量分数分别比对照地降低35.52%、27.98%。

3树种客土造林、裸根造林，0～10 cm土层和＞10～20 cm土层全氮质量分数规律相同，全氮质量分数由高到低为沙棘、落叶松、樟子松;客土造林各土层全氮质量分数均高于裸根造林，除落叶松造林地＞10～20 cm土层，全氮质量分数差异达到显著水平外，其它各造林树种差异达到极显著水平(P＜0.01)。由此可见，3树种客土造林对土壤全氮质量分数影响强于裸根造林，沙棘对土壤全氮质量分数影响最大。这是因为，沙棘是具有固氮能力的木本植物，虽然不是豆科植物，但某些固氮菌能在沙棘根系上生长形成根瘤，因此沙棘造林地土壤全氮质量分数最高。樟子松对土壤全氮质量分数起到了负增长的作用，因此在矿区植被恢复过程中，应选择能快速改善土壤养分的沙棘和落叶松。

3.4 不同造林树种对土壤磷质量分数的影响

植物生长养分中的磷元素供应不足时，将会导致幼苗生长不良继而死亡［8］。土壤全磷质量分数是衡量土壤养分元素潜在供应状况的重要指标［9］，而有效磷则反映了土壤近期可被植物吸收利用的有效养分状况。

由表2可知，矿区废弃地造林3 a后，土壤全磷质量分数都有所提高，其中，沙棘对土壤全磷的影响最为显著，其次是落叶松和樟子松。

沙棘:0～10 cm土层，客土造林土壤全磷质量分数为0.280 g/kg，裸根造林土层全磷质量分数为0.294g/kg，两者分别比对照地提高48.54%、53.8%;＞10～20 cm土层，客土造林土壤全磷质量分数为0.266 g/kg，裸根造林土壤全磷质量分数为0.213 g/kg，两者分别为对照地的1.5、1.2 倍。

樟子松裸根造林和落叶松客土造林，0～10 cm土层全磷质量分数低于对照地，两者分别低于对照8.2%、2.1%;而＞10 ～20 cm 土层全磷质量分数却高于对照地，两者分别较对照地提高7.5%、9.2%。樟子松客土造林和落叶松裸根造林，0～10 cm土层全磷质量分数分别为0.257、0.26 g/kg，两者分别为对照地的1.36、1.37 倍;＞10 ～20 cm 土层全磷质量分数分别为0.199、0.23 g/kg，两者分别为对照地的1.14、1.32 倍。

除樟子松裸根造林和落叶松客土造林外，樟子松客土、落叶松裸根、沙棘客土和裸根造林，0～10 cm土层全磷质量分数都高于＞10～20 cm土层的，但只有樟子松客土两土层差异显著(P＜0.05)，沙棘裸根造林两土层差异极显著(P＜0.01)。

由表2可知，樟子松、落叶松和沙棘造林，0～10 cm土层有效磷质量分数由高到低的顺序为:对照地、落叶松裸根造林、沙棘裸根造林、樟子松客土造林、落叶松客土造林、沙棘客土造林、樟子松裸根造林;＞10～20 cm土层有效磷质量分数由高到低的顺序为:对照地、沙棘裸根造林、落叶松裸根造林、落叶松客土造林、樟子松客土造林、樟子松裸根造林、沙棘客土造林。0～10 cm土层和＞10～20 cm土层，有效磷质量分数都低于对照地。这是因为，有效磷是植物生长的必须元素，植物生长大量吸收有效磷，从而使有效磷质量分数降低。落叶松裸根造林和沙棘裸根造林有效磷质量分数与对照地有效磷质量分数无显著性差异(P＞0.05)，这可能是因为，土壤中的磷是以多种化合物的形式存在，各形态的磷转换为有效磷来补充植物生长吸收的有效磷，从而使有效磷水平保持与对照地基本一致的状态。

3树种造林，0～10 cm土层有效磷质量分数均高于＞10～20 cm土层的，其中:落叶松裸根造林影响最为显著，0～10 cm土层有效磷质量分数为＞10～20 cm土层的1.17倍;其次，樟子松客土和沙棘客土造林，0～10 cm土层有效磷质量分数是＞10～20 cm土层的1.14、1.12倍;落叶松客土造林和沙棘裸根造林，0～10 cm土层有效磷质量分数是＞10～20 cm土层的1.08倍;樟子松裸根造林最低，0～10 cm土层有效磷质量分数是＞10～20 cm土层的1.000 4倍。沙棘和落叶松裸根造林各层土壤有效磷质量分数均高于客土造林，而樟子松裸根造林土壤有效磷质量分数却低于客土造林，但差异不显著。由此可见，在考虑3树种对全磷和有效磷共同影响的前提下，应选择落叶松和沙棘作为矿区废弃地植被恢复造林树种，可以较短时间内改善土壤养分。

3.5 不同造林树种对土壤钾质量分数的影响

钾元素能促进植物茎秆生长，增强植物抗寒能力;钾元素供应不足时，碳水化合物代谢受到干扰，光合作用受到抑制，造成植物抗逆能力减弱。

由图1可知，造林3 a后，除樟子松造林土壤全钾质量分数低于对照地外，落叶松和沙棘造林均高于对照地，尤其是沙棘影响最为显著。

图1 不同造林方式上、下层土壤全钾比较

沙棘客土造林0～10 cm土层全钾质量分数为36.13 g/kg，裸根造林土壤全钾质量分数为35.07 g/kg，两者分别为对照的1.22、1.19 倍;客土造林＞10 ～20 cm土层全钾质量分数为33.55 g/kg，裸根造林土壤全钾质量分数为32.97 g/kg，两者分别为对照的1.15、1.13 倍。

落叶松客土造林0～10 cm土层全钾质量分数为33.43 g/kg，裸根造林土壤全钾质量分数为31.07 g/kg，两者分别为对照的1.13、1.05 倍;客土造林＞10 ～20 cm土层全钾质量分数为32.39 g/kg，裸根造林土壤全钾质量分数为32.49 g/kg，两者分别为对照的1.11、1.11 倍。

樟子松客土造林0～10 cm土层全钾质量分数为29.47 g/kg，裸根造林土壤全钾质量分数为27.57 g/kg，两者分别比对照地降低0.1%和6.6%;客土造林＞10～20 cm土层全钾质量分数为28.31 g/kg，裸根造林土壤全钾质量分数为25.98 g/kg，两者分别比对照地降低2.9%和10.9%。

由此可见，客土造林对土壤全钾质量分数的影响最为显著，但与裸根造林差异未达到显著水平(P＞0.05)。0～10 cm土层全钾质量分数除落叶松裸根造林外都高于＞10～20 cm土层的，但全钾质量分数差异未达到显著水平(P＞0.05)。沙棘造林土壤全钾质量分数最高，其次是落叶松造林;沙棘造林与对照地比达到极显著水平(P＜0.01);落叶松造林与对照地比达到显著水平(P＜0.05)。因此，在矿区废弃地植被恢复中，单从对土壤全钾的影响来考虑，应选择对土壤全钾影响最为显著的沙棘和落叶松进行造林，配合以客土方式造林，能够快速提高土壤全钾质量分数，改善土壤养分。

由图2可知，矿区废弃地造林3 a后，对土壤速效钾的影响较大，其中，沙棘对土壤速效钾的影响最为显著。

图2 不同造林方式上、下层土壤速效钾比较

沙棘客土造林0～10 cm土层速效钾质量分数为0.22 g/kg，裸根造林土层速效钾质量分数为0.18 g/kg，两者分别是对照样地的 1.36、1.15 倍;客土造林＞10～20 cm土层速效钾质量分数为0.21 g/kg，裸根造林土层速效钾质量分数为0.18 g/kg，两者分别为对照地的 1.47、1.28 倍。

樟子松客土造林0～10 cm土层速效钾质量分数为0.22g/kg，裸根造林土层速效钾质量分数为0.17 g/kg，两者分别为对照地的1.40、1.07 倍;客土造林＞10～20 cm土层速效钾质量分数为0.21 g/kg，裸根造林土层速效钾质量分数为0.16 g/kg，两者分别为对照地的1.47、1.12 倍。

落叶松客土造林0～10 cm土层速效钾质量分数为0.17g/kg，裸根造林土层速效钾质量分数为0.16 g/kg，两者分别为对照地的1.08、1.01 倍;＞10 ～20 cm土层客土造林土层速效钾质量分数为0.16 g/kg，裸根造林土层速效钾质量分数为0.16 g/kg，两者分别为对照地的 1.14、1.10 倍。

由此可见，造林3 a后，土壤速效钾质量分数都高于对照，并且0～10 cm土层速效钾质量分数除沙棘裸根造林外，都高于＞10～20 cm土层的，但差异不显著(P＞0.05)。3树种客土造林土壤速效钾质量分数均高于裸根造林，并且樟子松、沙棘客土造林与裸根造林土壤速效钾质量分数差异达到极显著水平(P＜0.01)。3树种土壤速效钾质量分数由大到小的顺序为:樟子松、沙棘、落叶松。因此，在矿区废弃地植被恢复中应选择客土的方式进行造林，并且选择对速效钾质量分数影响较显著的樟子松和沙棘来进行造林。

4 结论与讨论

在进行人工植被恢复的实验过程中，客土造林与裸根造林，对樟子松、落叶松、沙棘的成活率、平均株高、平均基径有一定的提高作用，但效果不显著;对于生物量则有显著的差异，客土造林较裸根造林樟子松、落叶松、沙棘生物量分别提高了33.37%、26.82%、15.06%。沙棘成活率比樟子松、落叶松高，说明在本地区植被恢复工作中，应选择生长快、适应性强、抗逆能力好、耐贫瘠土壤的沙棘，既可以保证造林成活率，又可以降低造林成本。

客土和裸根造林均能提高土壤养分质量分数，但客土造林提高效果高于裸根造林。这是因为客土所选择的土壤为山地林下土壤，养分极为丰富，但造林3 a后，客土造林地土壤养分与裸根造林地无明显差异，因此，在进行植被恢复时，考虑到造林成本等经济因素，选择裸根造林即可。

从以上不同树种对煤矿排土场废弃地土壤养分改良效果看，樟子松、落叶松和沙棘造林除速效钾质量分数低于对照地外，其余均高于对照地，尤其以有机质质量分数最显著，平均提高了172.22%;全氮、全磷、全钾和速效钾质量分数分别提高了22.01%、25.60%、7.52% 和 22.03%;都能有效地提高土壤养分的质量分数，说明植被恢复有利于土壤养分的增加。在试验中，沙棘对土壤养分的提高作用最明显，应加大沙棘造林的力度。从种群生态学考虑，可以在废弃地种植沙棘，使其成为先锋种群，由于其对土壤的改善能力较强，可以采取沙棘与落叶松、或沙棘和樟子松等乡土树种混交造林的方式，增加种群内物种数量，加快矿区废弃地植被恢复进程。

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