海州露天矿排土场不同林分土壤理化性质对植被生物量的影响

高英旭 ，刘红民 ，刘 阳 ，刘 畅 ，汪成成 ，于世河 ，王玉涛

（1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032; 2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110161）

海州露天矿排土场不同林分土壤理化性质对植被生物量的影响

高英旭1，刘红民1，刘 阳1，刘 畅1，汪成成1，于世河1，王玉涛2

（1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032; 2.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110161）

对海州露天矿排土场9种不同林分林下土壤理化性质、地上植被生物量进行了测定分析，结果表明：白榆纯林在不同的林龄阶段林下土壤的机质含量、全N、全P分别达到了0.05的显著水平，在速效N、P、K之间已达到了0.01的极显著水平；在物理性质方面，最大持水量、土壤密度、非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙度也分别到了0.05和0.01的显著和极显著水平，表明白榆纯林对林下土壤的养分含量有明显的促进作用；生物量方面，白榆纯林在各个林龄区间内也分别达到了最大值，相对于白榆刺槐混交林和刺槐纯林的生物量分别达到了显著和极显著水平；地上植被的生物量和林下土壤的理化性质都呈正相关关系，且相关系数随着林型、林龄的不同也发生相应的变化。

露天矿排土场；不同林分；土壤理化性质；生物量；相关系数

我国煤炭资源丰富，为世界第一产煤大国，而煤炭开采分为井工和露天两大方式，对土地资源的破坏严重。井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。露天矿排土场是煤炭开采过程中剥离的岩土堆积形成的人工地貌，具有不同于区域原有生态环境的地表形态特征、物质组成、物质运动规律[1]。矸石排出之后，在光照、降水、风力、生物等生态因子的作用下不断风化，在风化过程中产生自燃现象，同时释放出一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体，污染大气和水土，给工农业生产和人民生活带来不同程度的影响，所以改善矸石山的自然条件，维护其生态稳定，对其进行复垦，尤其以恢复植被为主要目的的植树种草则具有重要的意义[2]。

我国对对矿区土地复垦和环境整治的重视较晚，目前土地复垦率仅2%左右，与世界先进国家矿区土地复垦率达65%以上相比，差距很大。张彩霞等[3]、陈建平等[4]先后研究了阜新矿区煤矸石山的植被恢复治理与评价、煤矸石山对环境污染的防治技术等，为煤矸石山植被恢复提供了一种方法和思路。

1 研究区概况

辽西北煤矸石地主要分布在辽宁省阜新市境内，该地区自然降水量少，年际变率大，时空分布不均匀。多年平均降水量为480 mm，最少年份为338.2 mm，最多年份为824.7 mm，其中大的排土场主要分为海州露天排土场、新邱排土场、高德矸石山和孙家湾矸石山。海州露天排土场位于太平区境内，系河南岸，排土场东西长3.9 km，南北宽1.8 km；地表海拔标高为165～200 m，平均175 m；地势东南高，西北低，排土场面积约为13 km2，是阜新境内煤矸石地最典型也是最大的代表地块。

2 研究方法

2.1 样地划分

阜新市海州露天矿排土场区域内目前主要林型包括白榆纯林、白榆刺槐混交林、刺槐纯林等林型，对乔木、灌木、草本进行全面调查。调查中便于方便直观对不同林分用字母数字代替分别记为，白榆纯林5～8 a（A1）、白榆纯林8～13 a（A2）、白榆纯林13 a以上（A3），白榆刺槐混交林5～8 a（B1）、白榆刺槐混交林8～13 a（B2）、白榆刺槐混交林13 a以上（B3），刺槐纯林5～8 a（C1）、刺槐纯林8～13 a（C2）、刺槐纯林13 a以上（C3）。

2.2 调查内容

选择林相整齐、相对均一的地块设置样地，面积为20 m×30 m。测定样地内每棵树木的坐标、树高、胸径、冠幅等指标。在乔木样地内设置6个5 m×5 m的灌木样地，调查灌木树种种类、高度、主根长度、地径、丛幅等指标。在灌木样地内设置6个1 m×1 m的草本样地，调查草本植物种类、最大高度、平均高、多度、盖度等指标，对各种林型林下土壤的理化性质进行对比分析。

2.3 土壤理化性质的测定

土壤物理性质的测定方法主要参照“中华人民共和国林业行业标准LY/T1210～1275-1999”。土壤全氮用高氯酸-浓硫酸消化-半微量蒸馏法；全磷用高氯酸-浓硫酸消化-钼蓝比色法；全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度法；有机质用重铬酸钾外加热法；碱解氮用碱解扩散法；有效磷用M3浸提-钼蓝比色法；有效钾用M3浸提-火焰光度法。

2.4 生物量的测定

按林木的径阶分级，选取标准木并伐倒。对伐倒的标准木进行分段/分层切割，地上部分以1 m为区间段，测定标准木的树干、干皮、枝、叶鲜质量，地下部分则分为根桩（＞100 mm）、粗根（20～100 mm）、中根（2～20 mm）和细根（＜2 mm）后分别测定其鲜质量，取样烘干至恒质量，计算出各器官干物质质量，根据林分密度推算单位面积乔木层各器官生物量和乔木层总生物量[5]。

采用收获法，将所有的灌木和草本连根挖出，现场称质量，然后各取30%枝、叶和根的混合样，用电子秤称完鲜质量后，装进已标号的封口袋内，带回实验室，在105 ℃下烘至恒质量，测量干质量，计算含水率，换算生物量[6]。

2.5 数据处理与分析

应用EXCEL、DPS 软件包对数据进行统计分析与处理。

3 结果与分析

3.1 不同林分土壤养分含量的差异分析

土壤是植物生长的基质，其理化特性决定着植物群落类型的分布，同时植物群落又反作用于土壤，改善其生境条件，使群落得以发展[7-9]。土壤有机质、氮素和磷素等是土壤主要的养分指标，同时有机质还是形成土壤结构的重要因素，直接影响土壤肥力、持水能力、土壤抗侵蚀能力和土壤容重等，是土壤特性的重要指标之一[10-13]。不同林分土壤养分测定结果见表1。结果表明，林下土壤的养分含量随着林木年龄的增长在同种林型、不同林龄之间的养分含量没有明显的差异；不同林型之间，随着林木的逐年增长，林下土壤的养分含量存在着明显的差异性。A1、A2、A3和B1、B2、B3林下土壤有机质含量、全N、全P分别达到了0.05的显著水平，速效N、P、K之间已达到了0.01的极显著水平，只有全K的含量变化不显著。A1、A2、A3和 C1、C2、C3林下土壤的养分含量没有明显的差异。B1、B2、B3和C1、C2、C3林下土壤有机质含量、全N、速效P分别达到了0.05的显著水平和0.01的极显著水平，而速效P、速效K变化的差异不明显。A1、A2、A3和C1、C2、C3之间林下土壤养分含量虽然没有明显的差异，但是测定数值A1、A2、A3分别大于C1、C2、C3。从表1的各种林型、林龄林下土壤的养分分析看出，随着林龄的增长在矸石山上营造白榆纯林、刺槐纯林比营造白榆刺槐混交林更能起到改良林下土壤养分含量的作用。

表1 不同林分土壤养分含量†Table 1 Soil nutrient contents of different forest stands

3.2 不同林分土壤物理性质的差异分析

土壤物理性质是衡量林地质量的一个重要指标，对土壤的蓄水保肥能力以及林木对土壤养的吸收和利用有重要影响[14]。从表2可以看出，A1、A2、A3相对于 B1、B2、B3最大持水量、土壤密度达到了0.05的显著水平，非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙度都达到了0.01极显著水平；而C1、C2、C3相对于 B1、B2、B3最大持水量和田间持水量达到了0.05显著水平，非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙度都达到了0.01极显著水平。毛管持水量和田间持水量3种林型下土壤都没有明显的差异，A1、A2、A3对 C1、C2、C3各个指标差异不明显。最大持水量和孔隙度分别代表了土壤的蓄水和呼吸能力，说明在矸石山营造白榆纯林和刺槐纯林对于改善矸石山土壤物理性质能力要强于营造白榆刺槐混交林。

表2 不同林分土壤物理性质Table 2 Soil physical property of different forest stands

3.3 不同林分的生物量特征

土壤作为植物生长的重要物质基础，其理化性质的不同，可能影响植物的生长，使包括物种多样性、生物量和群落盖度等在内的一些植被特征发生变化。植物地下生物量的总量和垂直分布格局，在一定程度上反映了土壤满足植物根系生长发育需要的 程 度[15-16]。 通 过 对 A1、A2、A3，B1、B2、B3和C1、C2、C3生物量（见表3）调查发现，A1、A2、A3乔木的生物量在整个林龄区间内生物量都为最大值，和B1、B2、B3和C1、C2、C3相比都达到了0.05和0.01的显著和极显著水平。A1、A2、A3林下草本根系、灌木根系的生物量达到了0.05的显著差异，说明A1、A2、A3林型下林下土壤有效地满足了地上植被根系对养分的吸收。林下植被茎叶部分的生物量差异不显著，但是生物量值依然最高。在A1、A2、A3林型下草本灌木得到了充分的养分吸收，达到了地上茎叶、地下根系生物量的最大值。而总生物 量 A1、A2、A3与 B1、B2、B3，C1、C2、C3对比都达到了0.05显著水平。通过不同林型下乔木、草本根茎叶、灌木根茎叶以及总生物量的对比（见图1～6）可以看出，在矸石山困难立地条件下，营造白榆纯林更有利于地上植被的生长，可以作为海州露天矿排土场植被恢复的优先树种。

表3 不同林分生物量Table 3 Biomass of different forest stands t·hm-2

图1 不同林型乔木生物量Fig.1 Comparison of tree biomass of different forest type

图3 不同林型草本茎叶生物量对比Fig. 3 Comparison of herbal stem-leaf biomass of different forest type

3.4 总生物量与土壤养分含量的相关性分析

图2 不同林型草本根系生物量对比Fig.2 Comparison of herbal root biomass of different forest type

图4 不同林型灌木根系生物量对比Fig. 4 Comparison of shrub root biomass of different forest type

图5 不同林型灌木茎叶生物量对比Fig. 5 Comparison of shrub stem-leaf biomass of different forest type

通过表4可以看出，各种林分林龄条件下，地上植被的生物量和土壤的养分含量都呈正相关，说明了土壤的各个养分含量对于地上植被的生长都有促进作用。A1、B1、C1乔木生物量与有机质和全N的养分含量密切相关，有机质、全N的相关系数分别达到了0.01和0.05的极显著和显著水平，有机质相关系数的大小分别为A1(0.592 9**)＞ C1(0.505 8**)＞ B1(0.432 5*)，全N相关系数A1(0.527 6**)＞C1（0.436 6*）＞B1（0.410 9*），说明在矸石山立地环境下林木生长初期，林木自身以及林下灌草所需要的养分主要来自林下土壤有机质和全N，而在A2、B2、C2阶段，相关系数达到极显著的仍然为有机质，大小顺序为A2（0.817 9**）＞B2（0.598 7**）＞C2（0.523 5**），B2、C2与全N的相关系数达到了0.05显著水平，A2与全N的相关系数不显著，而在A2、B2、C2阶段速效N的相关系数都达到了0.05的显著水平，说明在此阶段，除了有机质和全N养分外，速效N也促进了植被的生长，特别是占据优势生物量的乔木。在A3、B3、C3阶段影响生物量的最大土壤元素为速效N，相关系数分别为 A3（0.628 4**）＞ B3（0.523 6**）＞ C3（0.431 2*），其余营养元素都没有达到显著水平，表明A3、B3、C3总生物量与土壤中速效N养分含量紧密相关。

图6 不同林型总生物量对比Fig.6 Comparison of total biomass of different forest type

表4 不同林分总生物量与土壤养分含量相关性†Table 4 Correlation between total biomass and soil nutrient contents

3.5 总生物量与土壤物理性质的相关性分析

从表5可以看出，在A1、B1、C1生物量与土壤物理性质的各个指标相关性都不明显，说明在此阶段，生物量大小受土壤物理性质各指标影响小。在A2、B2、C2阶段各个林型林龄下生物总量与土壤密度、土壤孔隙度相关系数达到了0.01极显著水平，生物量大小受土壤密度、土壤孔隙度影响较大，而在A3、B3、C3阶段，生物量与毛管持水量的相关系数达到了0.01极显著水平，说明在成熟林阶段，植被总生物量受土壤毛管持水量的影响较大。

4 结论与建议

阜新市海州露天矿排土场困难立地的条件下，改善其生态环境快速的方法是提高地上植被覆盖率，增加地上植被生物量，通过对A1、A2、A3和B1、B2、B3及 C1、C2、C3生物量对比，发现 A1、A2、A3模式地上植被生物量为最大，所以白榆纯林模式是改善矸石山立地条件的首选模式。

在矸石山立地条件下，地上生物量在5～8 a的林地内，影响最为明显的土壤养分主要为土壤有机质和全N，所以在造林初期林地内，有效地提高有机质含量和全N能促进地上植被的快速生长。在造林8～13 a区间的林地内，有机质含量依然是促进地上植被生长的关键因子，而全N和速效N同时也影响着地上植被的生长，所以在此阶段增加土壤有机质含量，提高土壤全N、速效N养分含量是促进地上植被生长的关键。在大于13 a的林地内，提高有机质含量对于地上植被生物量的影响很小，而增加速效N含量是提高地上植被生物量的最好办法，最为有效的办法就是施用N肥。

表5 不同林分总生物量与土壤物理性质相关性Table 5 Correlation between total biomass and soil physical property

地上植被的生物量不仅受土壤养分含量的影响，同时也受土壤物理性质的影响，通过以上分析结果表明，地上植被在5～8 a的阶段，土壤的物理性质各个指标对植被生物量的影响不明显，而在8～13 a的林地内土壤密度和孔隙度对地上植被的生物量影响最为密切，在此区间段，适当地提高土壤的通透性能提高地上植被的快速生长。在大于13 a的成熟林地内，毛管持水量是影响地上植被生长的关键因子，土壤密度和孔隙度对地上植被的生长影响不明显。

在阜新市海州露天矿排土场困难立地的条件下，改善其恶劣的生态条件应首选白榆纯林的造林模式，在造林5～8 a的区间内适量地增加土壤的有机质和全N含量，能促进林木的快速生长；在8～13 a的区间内，提高林地内土壤密度、孔隙度和土壤通透性的基础上，增加土壤有机质、全N、速效N养分含量是促进地上植被生长的关键，在13 a以上的林地内改善土壤的毛管持水量，提高速效N养分含量对林地内地上植被生长能起到明显的促进作用。

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Effects of different forest soil physicochemical properties on vegetation biomass at refuse dump of Haizhou open-pit mine

GAO Ying-xu1, LIU Hong-min1, LIU Yang1, LIU Chang1, WANG Cheng-cheng1, YU Shi-he1, WANG Yu-tao2
(1. Liaoning Provincial Academy of Forestry Science, Shenyang 110032, Liaoning, China; 2. Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161, Liaoning, China)

The soil physicochemical property and above-ground vegetation biomass of 9 different forest stands of Haizhou open-pit mine were analyzed. The results show that the soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus of white elm pure-stand in different age phases had differences at 0.05 signif i cance level, the rapidly available nitrogen, rapidly available phosphorus and rapidly available potassium had significantly differences at 0.01 significance level;the physical properties such as maximum water-holding capacity,soil density, noncapillary porosity, capillary porosity and total porosity had differences or signif i cantly differences at 0.05 signif i cance level or 0.01 signif i cance level;these meant that white elm pure-stand had apparent improvement on the forest soil nutrient contents.The biomass of white elm pure-stand, mixed forest of white elm and robinia pure-stand had differences or signif i cantly differences,the biomass of white elm was the highest among 3 stands. Soil physicochemical property was positively correlated with above-ground vegetation biomass, the correlation index varied along with different forest type and forest age.

open-pit mine dump; different stands;soil physicochemical property;biomass; correlation coeff i cient

S718.55+6；S714.2

A

1673-923X(2014)01-0078-06

2013-05-27

辽宁省农业攻关计划项目（2011207004）

高英旭（1981-），男，辽宁锦州人，硕士研究生，主要从事森林生态研究；E-mail：yingxugao@126.com

王玉涛（1978-），女，辽宁沈阳人，讲师，主要从事森林培育研究；E-mail：ytw730@sina.com

[本文编校：谢荣秀]