煤矿区土壤—植被恢复过程及模式研究进展

刘 爽，郭晋丽

（1.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原030031；2.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006）

煤矿区土壤—植被恢复过程及模式研究进展

刘 爽1,2，郭晋丽1

（1.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原030031；2.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006）

人类活动的开采导致煤矿区及周边生态环境十分脆弱，因此，开展矿区生态恢复成为实现区域生态系统结构和功能恢复及社会经济可持续发展的主要途径之一。阐述了国内外矿区土壤生态恢复、植被生态恢复以及生态恢复技术模式这3个方面的研究进展以及存在的问题，并对今后矿区生态系统恢复研究提出了几点建议。

煤矿区；土壤恢复；植被恢复；恢复模式

人类开采活动造成工矿区周边区域生态环境恶化，特别是煤炭作为我国最主要的能源，其消耗量占一次性能源消耗量的74%，且其中的96%是井下开采[1]。井下开采产生的大量采空区，已造成大范围的地表变形。到目前为止，我国煤炭开采塌陷所造成的土地破坏面积已超过400万hm2，且仍以每年3.3万～4.7万hm2的速度增加。煤田的不断开采在带来更为严重的地表变形的同时，受水蚀等因素影响，矿区生态环境问题进一步恶化，如植被退化、地表沉陷、矸石堆积、河川径流量减少、地下水资源枯竭，严重破坏了原有的生态系统[2]。这对区域社会经济发展和人类生存产生了严重影响。因此，开展矿区生态修复已成为实现区域生态系统结构和功能恢复及社会经济可持续发展的主要途径之一。

矿区植被生长的气候条件和土壤性质是影响矿区生态修复的重要因素；在干旱区，土壤水分和养分是制约植物生长与植被恢复的主要限制因子。因此，综合考虑植被、土壤、微生物间的相互作用机制，开展行之有效的干旱半干旱矿区生态修复基础理论研究和技术研发，对于拓宽矿区生态修复的理论和方法研究范畴，解决我国矿区生态环境日趋恶化问题、确保土地资源可持续利用，有着十分重要的理论意义。同时，也对干旱区矿区生态重建技术与示范，有效治理和改善其恶劣环境，保证国家生态安全具有重要的现实意义。

1 国内外矿区生态恢复的研究现状和发展动态

矿区生态恢复一直是国内外研究中关注的热点问题，尤其是发达国家对矿区生态恢复非常重视，19世纪末期，欧美等国家就已经开始了对矿区土地进行生态恢复的研究[3]。我国因矿区开采造成生态环境破坏十分严重，因采矿累计占用土地面积约586万hm2，矿山破坏土地面积累计达288万hm2[4]。直到20世纪80年代，我国矿区生态恢复与植被重建工作才逐渐得到重视，规模化恢复工作走上正轨[5]。20世纪90年代以来，随着各国对生态环境问题日益关注，矿区植被恢复及其环境的响应研究，尤其对土壤水分、养分、微生物的互馈机制已成为矿区生态恢复研究的核心问题[6-7]。矿区生态恢复研究从内容上主要围绕恢复植被与土壤、水分等非生物环境进行，从矿区土壤生态恢复、植被生态恢复和矿区生态恢复技术模式三方面综述国内外研究现状，并总结目前存在的问题和研究方向。

1.1 矿区土壤生态恢复研究现状

土壤为植物的生长发育提供必要的水分和养分，是矿区生态系统的基质和载体，在干旱地区，矿区因开采导致土壤贫瘠、水分降低，土壤结构遭到破坏，影响植被恢复[8-10]。针对矿区土壤的修复，国内外众多学者分别从物理、化学、微生物及添加有机矿质肥料等方面改良矿区土壤恢复土壤质量。如我国学者采用保水剂改良矿区土壤，提高土壤持水性，降低土壤表面蒸发[11]；国外学者SORT等[12]采用污泥对土壤基质进行改良，结果发现，污泥可显著提高表层土壤氮量，并使深层植物吸收氮含量增加，提高矿区土壤中微生物的活性和数量。莫测辉等[13]也对此进行了探讨。倪含斌等[8]研究表明，长期少量多次施入速效肥，可有效改善矿区土壤养分条件；LI等[14]在平朔安太堡煤矿对不同肥料组合方式对土壤质量的提升效果进行了研究，结果表明，施用污泥和氮肥，4种样地的生物量均显著增加。国内外学者也利用固氮微生物、菌根真菌等生物方法改善矿区土壤理化性质，收到了明显的效果。吴秀琼[15]通过科学施用微生物复合肥料，利用植物根际微生物活动提高矿区土壤肥力。以上学者对于矿区土壤在物理、化学和生物方面进行了改良，并且取得了一定研究成果，但是多数只侧重于研究一种方法，对于植物—微生物联合修复的研究较少。王艳丽等[16]在煤矿区废弃地对6种植被模式下施加不同量的微生物菌剂进行研究，结果表明，10 g植被结合菌剂效果较佳，但并未针对植物筛选优势的微生物，缺乏对优势微生物—植物联合修复过程中微生物对环境响应机制的深入研究。虽然苏成西[17]提出了大红山铁矿的“土壤—微生物—植被系统”构想，综合考虑了植物、微生物与土壤环境，但并未从三者间相互作用机理上进行深入的研究。

矿区土壤由于其独特的形成方式及不同于普通土壤的物质组成，加之特定的气候特征，如干旱缺水等，决定了其土壤水热条件、养分及微生物活动的复杂性和特殊性。目前，对农田、林地、丘陵、沙地等的土壤水分时空变化规律研究较多，而对干旱矿区植被恢复这一特定环境的土壤水分研究却相对较少。近几年来，有学者逐渐认识到土壤水分对半干旱工矿区植被恢复的重要性，王尚义等[18]研究了矿区和非矿区不同植被下土壤水分特征，结果表明，矿区土壤平均含水量小于非矿区土壤，小叶杨土壤干层最深；潘德成等[10]采用变异系数法对复垦区土壤水分时空分布对植被恢复的影响进行研究，结果表明，在煤矿排土场应以草本和浅根灌木为主；孙建等[19]研究了不同植被类型矿区复垦土壤水分变化特征，结果表明，复合模式种植的土壤水分含量高于单植。目前，对矿区土壤养分的研究主要集中于对不同植被恢复类型或不同恢复方式下土壤养分含量的时空变化方面[20]，孟广涛等[21]研究揭示了晋宁矿区不同植被恢复措施林地土壤养分存在一定差异，旱冬瓜（尼泊尔桤木）林地的速效氮、磷、钾以及有机质含量最高；邢慧等[22]研究了安太堡露天矿排土场植被恢复模式与土壤因子的相关性，结果表明，植被恢复可提高土壤有机质、全氮和速效钾含量。目前，对于矿区土壤水分和养分的研究，多侧重于水分和养分含量在一定土层内变化，未能深入研究水分和养分双因素耦合运移规律和特征。

土壤养分和热量因子作为土壤水分的重要影响因素常耦合在一起影响和控制植被的生长，而植被的生长又会影响土壤水热和养分环境状况[23]，不同植被类型和生长年限对土壤水热养分环境效应的影响不同，它可改变土壤水热条件和养分状况及其运移特征，其运移过程和规律的研究对不同植被生态系统中物质迁移和能量转换的机理等方面具有重要意义。目前，国内外对于矿区土壤热量状况的研究鲜见报道，对矿区生态恢复过程中土壤水热条件和养分耦合运移特征和过程的研究更加匮乏。

1.2 矿区植被生态恢复研究现状

矿区的生态恢复有赖于植被的恢复，植被恢复过程的实质是植被与环境相互影响和相互作用的过程。目前，国内外关于矿区植被恢复的研究主要集中在耐性植物的选育、植被恢复和配置对地上地下生态系统的影响，包括对土壤理化及生物特性变化、植物物种和多样性等方面的研究[24]。在干旱矿区耐性植物选育方面，所选树种要具有耐寒、抗旱、耐贫瘠、生长快和有一定的土壤改良作用等特性[25-26]。大量研究表明，采用固氮树种作为先锋树种可有效提高土壤肥力，显著增加土壤中氮素含量[27-31]。GOOD等[32]对矿区贫瘠土壤中生长的桦木和柳树进行了选择，所选树种在条件越恶劣的矿区种植效果越好。也有学者从养分平衡角度选择适宜的树种，DUTTA等[33]研究表明，桉树叶片积累与分解速度适中，更容易使废弃地养分循环保持平衡状态。以上的研究结果对矿区植被恢复有一定的作用，但目前适宜性植物筛选多是从传统成活率和形态学2个方面进行研究，存在周期长、成本高、后期存活率低的问题，缺乏从分子水平上进行筛选并从机理上深入研究植物对环境的适应性机制。

矿区植被恢复对地上生态系统影响的研究主要集中于植被恢复过程中植物物种和多样性方面，重点考虑种群的结构与动态。多数研究表明，随矿区植被恢复过程的加长，植被群落多样性指数升高，群落结构和功能得到改善[34-36]。但HUANG等[37]在黑岱沟矿区研究结果表明，草本植被年限增加，多样性、盖度及生物量大幅度提升，但灌丛表现为降低趋势。近年来，更多关注于生物多样性方面的研究，郝容等[38]通过对安太堡矿区多年的植被恢复动态研究表明，人工植被可由单一物种发展为复杂物种组成并逐渐趋于动态平衡，生态系统结构和功能得以逐步协调。在植被配置的研究中，多数学者研究表明，合理配置乔、灌、草等植物有利于提高土壤的水分和养分含量、增加植被覆盖率。但目前不同区域不同植被配置模式对比研究较少，研究深度不够。

植被恢复对地下生态系统影响的研究主要集中于2个方面，一是植被恢复过程中土壤物理、化学及生物特性的变化研究[39]。在植被恢复过程中，随着演替时间的推移，植被群落多样性指数逐渐上升[34，36]，通过植被枯枝落叶层和根系固氮作用，对地表生物种类、丰度和组成产生影响，土壤质地细化，团聚力增强，土壤有机质和N含量增加[40]，土壤微生物生物量增加[41]，土壤酶活性提高[42]，土壤质量得到改善。二是植被恢复过程中土壤水分的变化研究，水分是干旱、半干旱地区植被重建中最主要的生态限制因子[43-44]。

以上对于矿区植被恢复主要从植物物种多样性、种群结构变化特征以及植被配置模式等对地上地下生态系统的影响进行研究，对矿区植被恢复和多样性保护起到重要作用，但生态系统地上地下生物多样性是相互影响的，目前多数研究主要以不同恢复方式对植物胁迫生长的生理性描述为主，而没有讨论植物—土壤的耦合机制，更没有从演化的角度，利用比较的手段探讨二者的协同演化规律。

1.3 矿区生态恢复技术模式研究现状

矿区生态恢复主要研究矿区生态系统综合能力的恢复和管理过程，具有综合性和技术性强的特点，已成为国内当前研究的热点问题。目前，针对矿区生态恢复模式的研究主要是根据不同的矿区种类、矿区的破坏程度及由开采技术的不同对土地所造成的破坏，选择开发适宜的生态恢复技术和模式[26]。

根据矿区所在地的气候条件、地形地貌、土壤质地等特点，有学者归类了不同的生态恢复模式[26]：在地下水丰富的平原地带，建成以当地优势农作物为主的集约化农业生态恢复模式；在丘陵和山区地带，以构建乔灌草复合生态系统为主，主要目标是防治水土流失、改善生态环境。白中科等[45]对山西平朔安太堡露天煤矿的水土保持布局模式进行了研究，并确定了矿区土地复垦与生态重建规划的方法。吴秀琼[15]研发出剥离—采矿—复垦联合工艺系统。宫正[46]对辽西矿区废弃地水土保持技术进行研究，结果发现，“牧草+灌木”模式对于改良土壤、减少地表径流和土壤侵蚀的效果最佳。此外，还可根据矿区自然条件，将废弃矿山开发建设成各种主题公园，如“生态恢复展示园区”、“采矿体验园”。

目前，矿区生态恢复技术主要以生物技术和工程技术为主，也有学者开始关注工程技术与生物技术相结合的景观恢复技术。尽管目前国内矿区生态恢复采用各种技术措施，但截至目前，并未形成一套完整的技术体系[47]，尤其是在水土流失区域，缺乏从土壤、植被和水分三方面综合考虑的、系统完善的技术体系。

2 问题和展望

从国内外矿区生态修复相关问题的研究看，矿区生态修复取得了长足发展，主要关注矿区土壤改良、生态修复耐性植物筛选以及修复进程中的植物配置及其群落结构的变化等方面。就目前研究中存在的问题提出今后矿区生态系统恢复研究的建议。

从目前的研究来看，主要存在的问题是：缺乏将土壤水热条件与养分耦合运移来研究其对生态系统恢复的影响；在适宜性植物筛选方面，多是从形态学、生理学等方面进行，存在周期长、成本高的问题，尚未从分子水平深入研究植物对环境的适应性机制并开发新技术进行耐性植物筛选；在植物—微生物联合修复技术中则缺乏优势菌的筛选，以及优势微生物与矿区植被生长相互作用机制的研究；对于矿区生态恢复过程中植物群落结构和功能变化，更多的是从物种多样性、结构变化等对地上生态功能的影响进行研究，而对于作为反映生态功能变化的土壤微生物、植物根系等相互作用的地下生态过程却研究较少。

针对目前研究中存在的问题，一方面，应该对土壤、植被、水分进行更深入的研究，发掘在每个因素中对生态修复所起到的关键性作用；另一方面，应该从系统的整体性考虑，将三者结合起来建立完善的土壤—水分—植被耦合机制技术模式，使今后的矿区生态系统恢复得到更有效长远的发展。

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Research Progress of Soil-Vegetation Restoration Process and Mode in Coal Mining Area

LIU Shuang1，2，GUO Jinli1
（1.Institute of Agricultural Environment and Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province，Taiyuan 030031，China；2.Institute of Loess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Human activities leads to the fragile nature ecological environment of the coal mining area and the surrounding.Therefore,the ecological restoration of the mine is one of the main ways to realize the ecosystem structure and function recovery and the sustainable development of the society and economy.In this article,the research progress and problems about the restoration of soil,vegetation ecosystem and technical model were reviewed,and some suggestions were put forward for future research on ecosystem restoration in miningarea.

coal miningarea;soil restoration;revegetation;recovery mode

TD88

A

1002-2481（2017）10-1710-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.33

2017-05-20

山西省自然科学基金项目（201601D021117）；土壤环境与养分资源山西省重点实验室开放基金项目（2015004）

刘 爽（1983-），女，黑龙江绥化人，副教授，博士，主要从事土壤生态过程、生态系统模型模拟研究工作。