煤矿废弃地植被恢复对土壤质量的影响及评价

樊兰英

(山西省林业科学研究院，山西 太原 030012)

煤矸石山是煤炭开采和选洗加工过程中产生的固体废弃物堆积而成的，山上形成了一种全新的立地条件，其结构性和通透性差，保水、保肥能力差，缺乏植被生长所需的营养物质。植被恢复是改善矸石山条件最常用也是最有效的方法之一(Finkelman R B，1999)，通过植被恢复，建立稳定、高效的矸石废弃地人工植被生态系统，为动植物的生存提供良好的生态环境条件(张光灿，2003)。土壤是生态系统中诸多生态过程(如，营养物质循环、水分平衡和凋落物分解等)的载体，矸石山土壤的养分状况是衡量退化生态系统生态功能恢复与维持的关键指标之一(Augusto，2002;于君宝，2002)。研究矸石山人工植被恢复土壤养分特征，对于了解植被恢复质量和筛选适生植物有重要意义。

植被类型影响着土壤的恢复质量，笔者对山西省河东矿区煤矸石山4种植被恢复模式的土壤养分进行了分析，旨在通过比较和定量评价，对土壤恢复工作进行总结，为进一步加快矸石山修复进程、提高土壤质量提供理论依据。

1 研究区概况

河东矿区位于吕梁山脉中段东麓，晋中盆地南端，地理坐标为东经 111°46'48″，北纬 36°55'58″.该区属暖温带大陆性气候，四季交替分明，日照充裕，气候温和，年均气温10.4℃，平均降水量477.2 mm.

矸石山位于矿区南部，海拔810 m，总面积3 000 hm2，平均坡度30.6°.2009年进行覆土碾压，覆土厚度50 cm～100 cm.同时进行植被建设，目前形成了4种典型的植被类型，分别是紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)，高羊茅(Festuca elata G.)—紫花苜蓿(Medicago sativa L.)，紫穗槐—高羊茅—紫花紫花苜蓿，高羊茅—黑心菊(Rudbeckia hybirta)—波斯菊(Cosmos bipinnatus Cav.)。调查样地基本情况见表1.

表1 调查样地基本情况

2 研究方法

2.1 样地设计与样品采集

2011年8月在4种植被类型中选择样地，设置样方，在不同植被类型样地内分别设置8个样方，大小1m×1m.调查每个样方内的物种、高度、盖度和生物量。在植被调查的基础上，分别在每块样地内按对角线随机布 3个点，挖取土壤剖面，并按0 cm～10 cm取土样，混匀，带回实验室，备用。

2.2 土样测试方法

pH值采用用玻璃电极法，速效氮、速效磷、速效钾和有机质含量采用土壤四参数仪(TRF-3)进行测定。

2.3 数据处理

采用Excel2003和Spss 13.0软件进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 不同植被恢复模式土壤的养分特征

不同植被恢复类型下土壤养分特征分析，见表2.土壤养分含量分级情况，见表3.

表2 不同植被恢复类型下土壤养分特征

表3 土壤养分含量分级

表2，表3结果显示，研究区4种恢复模式的土壤速效氮含量极缺(8.73 mg/kg～15.17 mg/kg);紫穗槐对土壤速效磷的改良效果较好;土壤速效磷含量22.48 mg/kg(稍丰)，高羊茅—紫花苜蓿，高羊茅—紫花苜蓿—紫穗槐，高羊茅—黑心菊—波斯菊模式下土壤有效磷含量为18.58 mg/kg，19.62 mg/kg和17.62 mg/kg，整体处于中等级别;高羊茅—紫花苜蓿恢复土壤速效钾含量最高162.06 mg/kg(稍丰)，显著高于其他三者，整体处于中等级别;有机质含量差异性不显著，相对于养分含量分级表，有机质含量级别为缺(7.69 g/kg);4种植被恢复土壤pH值差异较小，整体呈弱碱性。

相对客土有效氮含量，高羊茅—紫花苜蓿和高羊茅—黑心菊—波斯菊植被模式土壤提高效果显著。植被恢复对土壤的速效磷、速效钾和有机质含量均显著提高，恢复前后土壤酸碱度差异较小。

3.2 不同植被恢复模式土壤的养分综合评价

3.2.1 评价指标权重的确定

在土壤养分评价中，各项指标对土壤养分的贡献不同，需要确定各指标的权重，本试验采用相关系数法确定土壤养分评价中各因子的权重(吕晓男，1999;孙海运，2008)，见第27页表4.

表4 不同土壤特性的权重

3.2.2 S型隶属函数隶属度的确定

S型隶属函数表达的是在一定范围内评价因素指标值与土壤功能之间呈正相关，低于或高于此范围评价指标值的变化对土壤功能的影响很小。属于这类函数的评价因素包括土壤化学性质的有机质、速效氮、速效磷、速效钾及土壤生物学性质的过氧化氢酶等。其相应的隶属函数表达式为:

其中，f(x)——表示隶属函数;

x ——评价指标的实际测定值;

x1，x2——分别为指标阈值的下限和上限。

根据前人的研究结果(周连碧，2007;白中科，1998)，结合该区实际的土壤性质情况，确定各指标的临界值。具体方法是把各指标的最小值作为x1，最大值作为x2，见表5.

表5 S型隶属函数中土壤评价因素的上下临界值

3.2.3 土壤养分质量评价

根据各指标的隶属度和权重，计算各个复垦土壤的养分质量指数值(Nutrient Quality Index)，

式中，Wi——第i个指标的权重;

Ni——第i个指标的隶属度。

应用加权和法指数评价模型对研究区复垦土壤和原状土壤质量的综合评价结果，见表6.

表6 不同恢复模式土壤养分质量指数值

4 结论与讨论

加速土壤熟化过程，改良土壤结构，增加有机质和营养物质含量，是煤矸石山植被恢复与生态重建的关键之一。经过2a植被恢复的河东矿区矸石山土壤速效磷19.58 mg/kg和速效钾135.82 mg/kg的改良效果较好，均达到中等水平，土壤速效氮含量为11.94 mg/kg;阳煤集团有关矿区复垦土壤的结果显示(王丽艳，2011)，7a植被恢复的矸石山土壤平均速效氮含量为26.61 mg/kg.按第二次全国土壤普查技术规程标准，两者均处于极缺水平。阳煤集团、安太堡矿区和河东矿区复垦土壤有机质含量分别为6.08 g/kg，7.35 g/kg 和 7.69 g/kg，可见，植被恢复对土壤速效氮和有机质的改良效果较差。

借鉴孙海运和马建军等人对复垦土壤质量进行综合评价的研究方法(孙海运和马建军，2007)，采用相关系数法确定指标权重，以隶属函数对指标进行标准化处理，结合河东矿区土壤实际情况，采用指数和法评价土壤养分，并对安太堡和阳煤集团恢复土壤养分状况进行评价。评价结果显示，阳煤集团7a植被恢复矸石山以6种植被恢复模式下土壤的养分指数最高(1.342)，高羊茅—紫花苜蓿混交模式土壤养分综合指数为1.235，高于紫穗槐纯林恢复模式1.172.安太堡矿区6a复垦土壤13个典型复垦样地土壤养分指数为0.991(樊文华，2011)。按该养分评价系统，河东矿区植被恢复对土壤养分改良效果与多年土壤改良效果差异不显著，这与人工植被恢复模式和方向有关。煤矸石山属于原生裸地，植物群落演替为原生演替，直接植树造林往往有较大困难，干旱瘠薄的环境，致使苗木成活率低，生长缓慢，很难成林，对此应根据植物群落草本—灌木—乔木的演替规律，采取以草开路，走草、灌、乔相结合的道路，先种草，使生态环境条件有了改善，再根据实际情况种植灌木和乔木(王正周，1990)。

高羊茅—紫花苜蓿—紫穗槐混交模式土壤养分综合指数为0.958，高羊茅—紫花苜蓿的模式中紫穗槐的植入并不利于土壤养分质量的修复，说明人工栽培时应注重群落演替规律，不可随意搭配。风景型配置模式中黑心菊和波斯菊的引入具有美化环境的优势，丰富了煤矸石山植物恢复种的种类，对土壤养分的改良效果一般。

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