高寒矿区植被恢复对渣山表层基质的响应

金立群,李希来,宋梓涵,孙华方,杨鑫光

(青海大学农牧学院，青海 西宁 810016)

煤炭作为支撑社会经济发展的重要能源之一，其开采和利用一直备受人们关注[1]。青海省木里煤田煤炭资源储量33亿t，占全省总储量的66%，而这些煤矿生产所占据的草地面积为0.3万～0.5万hm2。露天煤矿是全球范围内的主要采煤方式[2]，而因开矿在草地上堆起的一座座渣山，不仅破坏和占用大量土地资源，而且其结构性和空隙性差，无保水保肥能力，严重缺乏植物生长所需要的营养物质[3]，在高寒环境下对生态环境造成持久而严重的负面影响，依靠煤渣山自身演替的恢复需100～1 000年[4]，因此人工干预矿区渣山的生态恢复就成为十分必要的环境保护手段。植被修复是改善渣山条件最常用也是最有效的方法之一，也是矿区生态恢复的主要内容和目标[5]。

植被能影响土壤理化性质及结构，具有保水固土、改良土壤、改善生态环境的作用[6]。同时，土壤通过为植被提供养分而影响植被[7]，除土壤提供营养外，植被覆盖物同样也能提高土壤营养物质利用率，特别是N、P、K等[8]，所以在矿区渣山植被恢复过程中，渣山机械堆积方式以及渣土自身理化性质的差异会影响堆积地区植物的生长，植被在生长过程中也同样会改变渣山及周围地区的生态环境。有关研究表明，在相同的气候条件下，不同的土壤条件对植被生长影响很大[9]，渣山的环境因子直接决定着植被生长的好坏，利用植物改善渣山生态研究也有许多报道[10]。近年来，对于矿区渣山植被重建的研究基本是在低海拔平原地区，往往采取排土后混合客土来改良土壤[11]。多年冻土矿区海拔高，年积温低，对于植物的生长极为不利，目前关于多年冻土高寒矿区渣山植被恢复的研究报道较少。并且由于其特殊的地理位置，运输客土成本较大，故在机械堆积的渣山土层较薄的状况下直接种植植物具有很大难度。本研究通过研究多年冻土矿区不同渣山堆积下表层基质与植被恢复的相互关系，探讨植被恢复对渣山机械堆积表层基质的响应，旨在为今后高寒矿山废弃地的生态修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

木里煤田位于青藏高原北部祁连山区青海省刚察县，面积约400 km2，江仓矿区位于木里煤田大通河上游区。木里煤田范围内多年冻土层广泛发育，呈岛状分布，平均厚度80 m，大部分地区冻土层大于100 m。地貌上属高海拔构造断陷山间盆地，经多次勘察表明，蕴藏煤炭资源量近资源储量35.4亿t,是青海省最大的煤矿。该区地处高寒地带，海拔3 800～4 200 m，年平均气温-2.8 ℃，最低气温-35.6 ℃，最高气温19.8 ℃，年降水量477. 1 mm，多集中在夏季，年蒸发量1 049.9 mm，为中低山，气候严寒。江仓矿区东西长25 km，南北宽2.5 km，面积55 km2，其地理坐标为99°27′-99°35′ E，38°02′-38°03′ N(图1)。井田内分布大量高寒草甸、沼泽，属高寒沼泽湿地[12-13]。所研究的露天煤矿渣山区属于江仓矿区圣雄矿业，圣雄矿业处于木里煤田的江仓五井田，2003年取得探矿权，开始以露天形式探矿开挖，2010年矿区形成两座面积约130万m3的渣山，由企业大面积开采时产生的煤矸石及渣土机械堆积而成。2013年企业进行渣山稳定处理和复绿工作，削坡卸载，渣山坡度小于25°，沿渣山底部边缘砌筑围堰，增加坡面稳定性。并开始进行人工矿山复绿，人工种植的草种主要有垂穗披碱草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，分别于种植当年5月下旬将相同播种量、播种比例(2∶1∶1)的草种混合撒播于样地，播量 300 kg·hm2，播后覆盖无纺布，面积约为1.33 hm2。

1.2 试验设计

试验地选择圣雄矿业在2013年5月人工种植的北侧渣山，地理坐标为99°28′48.7″ E，38°02′49.4″ N，坡度均小于25°，种植方法一致。由于机械随机堆积渣山，削坡卸载形成了不同坡地表层土壤基质，故在野外观察中发现北渣山3个相近阳坡的植被生长状况(高度、盖度等)有较大差异，因而选择这3个坡地作为研究样地分析渣山表层基质状况，分别为样地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。在2017年8月3个样地均以样线法随机选取12个1 m×1 m的样方，重复12次，共36个样方。每个样方测定植物盖度、高度、地上生物量、生殖枝数量、幼苗数量以及苔藓盖度等，并把采集的样品用信封袋带回室内烘干,称其干重。因渣山坡面土层较薄，故只对样方内上层(0-10 cm)土壤进行取样，每个坡地重复12次，去除大石块和植物残根后带回室内进行理化性质测定。GPS详细记录样方经纬度、海拔，罗盘仪测定坡度、坡向，三参速测仪(HW-WET-3)测定渣山基质的水分与盐分。

图1 试验区地理位置Fig. 1 The geographical position of the experiment plot

1.3 室内分析测定

全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定；全磷(TP)含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾(TK)含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定；碱解氮(AN)含量采用碱解扩散法测定；速效磷(AP)含量采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)含量采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤pH 采用电极法(水土比 2.5∶1)测定；土壤有机质(SOM)含量采用重铬酸钾容量法测定。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007进行数据整理，运用SPSS 19.0进行数据统计分析，利用R语言3.4.3使用随机森林方法，进行影响因子重要性评价。随机森林算法是一种新型高效的组合分类法，同其他模型一样，随机森林可以解释若干自变量(X1、X2、…、Xk) 对因变量Y的作用。如果因变量Y有n个观测值，有k个自变量与之相关；在构建分类树的时候，随机森林会随机地在原数据中重新选择n个观测值，其中有的观测值被选择多次，有的没有被选到。同时，随机从k个自变量选择部分变量进行分类树节点的确定。这样，每次构建的分类树都可能不一样。一般情况下，随机生成几百个至几千个分类树，然后选择重复程度最高的树作为最终结果[14]。鉴于随机森林模型易于建立，又易于解释，可用来评估本研究中变量的重要性。

2 结果与分析

2.1 对不同渣山坡地表层基质下植被恢复特征的分析

样地Ⅰ的植被高度显著高于样地Ⅱ与样地Ⅲ(P<0.05)，样地Ⅱ与样地Ⅲ差异不显著(P>0.05)(图2)。对于不同基质下植被地上生物量，样地Ⅰ和样地Ⅲ显著大于样地Ⅱ。渣山基质不同，对植被盖度影响很大，样地Ⅰ和Ⅲ显著大于样地Ⅱ，样地Ⅰ和Ⅲ差异不显著。不同基质下种子数量差异不显著。样地Ⅰ的幼苗高度、盖度显著高于样地Ⅱ与样地Ⅲ；样地Ⅰ的苔藓盖度显著大于样地Ⅲ。样地Ⅰ的生殖枝数显著高于样地Ⅱ和样地Ⅲ，平均分别比样地Ⅱ和样地Ⅲ多19.17和21.59株。样地Ⅰ、样地Ⅱ的辛普森指数显著低于样地Ⅲ。

图2 不同基质下恢复植被特征Fig. 2 Vegetation characteristics with three different substrates

不同字母不同样地间差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference between different sample site at hte 0.05 level.

2.2 不同渣山坡地表层基质下土壤理化性质分析

在不同基质下，全N、全K和碱解N含量差异不显著(P>0.05)(表1)；样地Ⅰ与样地Ⅱ的全P含量相较于样地Ⅲ显著增加(P<0.05)，样地Ⅰ和样地Ⅱ全P含量差异不显著；速效P含量样地Ⅲ最高，比样地Ⅰ和样地Ⅱ分别高出46%和80%(P<0.01)。速效K含量在样地Ⅰ为137.50 mg·kg-1，极显著高于其他样地，样地Ⅱ和样地Ⅲ差异不显著；有机质含量在样地Ⅰ极显著低于样地Ⅲ，样地Ⅱ含量与样地Ⅰ、Ⅲ差异不显著。渣山基质的pH都大于7，说明渣山基质基本偏碱性，样地Ⅰ和Ⅱ极显著高于样地Ⅲ，Ⅰ和Ⅱ两样地间差异不显著。样地Ⅰ和样地Ⅲ的水分含量差异不显著，比样地Ⅱ极显著高11%与19%。结果表明，不同基质对土壤理化性质有很大影响，渣山表层基质的速效养分、有机质、pH及水分具有明显差异，因此在渣山人工植被建植过程中，施肥是必要的。

表1 不同渣山坡地表层基质下土壤理化性质Table 1 The physicochemical properties of soil under different three substrates

同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05),不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level, different capitals letters indicate significant difference at the 0.01 level.

2.3 对影响渣山苔藓生长的土壤生态因子分析

野外观测时发现，渣山基质表层有苔藓出现，这说明渣山植被正在趋于自然恢复。苔藓植物的盖度与植被总盖度、植物幼苗盖度和生殖枝数量极显著正相关(P<0.01)，与土壤速效K含量显著正相关(表2、表3)，与土壤其他养分无显著相关性(P>0.05)。

表2 苔藓盖度与植被各特征之间的相关性分析Table 2 Physicochemical properties of soil with three different substrates

* *表示在0.01水平上显著相关；n=36。下表同。

* * indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1;n=36; similarly for the following tables.

表3 苔藓盖度与土壤各养分之间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between moss coverage and soil nutrients

2.4 对基于随机森林法的渣山坡地表层基质主要生态因子的分析

图3为随机森林法的两种衡量影响因子重要性的结果，对造成3个样地不同土壤理化性质以及植被恢复特征的19个建模因子进行了因子的重要性分析，可以看出，前5个因子排序完全相同，说明pH、速效P、幼苗高度、有机质和幼苗盖度是影响3个渣山坡面样地表层基质的主要因子。为了更好地分析各因子对3个样地基质的影响规律，对5个重要因子绘制了各因子影响渣山基质的作用曲线(图4)。图4中横坐标对应于因子取值，纵坐标对应于该因子对3个坡面基质差异的概率贡献值，即纵坐标值越大，该因子对3个坡面差异的影响越大。土壤pH在3个坡面基质差异的重要性影响最高，土壤pH会影响土壤物理、化学及生物学的过程，影响土壤肥力，改变土壤物理微结构[15]，间接影响植被的生长状况。在pH>8.16时，对3个样地间差异影响最大。土壤速效P在20～35 mg·kg-1内时，对3个坡面基质的差异影响最大，这是由于土壤中P的盈余对提高土壤P的供应潜力有积极意义，但土壤P的过量积累也会对环境质量造成威胁，还会影响到其他元素的生物有效性，造成营养元素供应失衡，进而引起土壤肥力退化[16]。土壤有机质是土壤的重要组成物质，对改善土壤物理、化学性质以及植物的生长起着重要作用，是评价土壤肥力和质量的重要指标[17]，本研究中，有机质大约从10.4 g·kg-1之后含量越高，对渣山表层基质的影响越小。植物幼苗阶段决定着群落的演替方向与恢复的可能性，幼苗阶段是植物生活史中对环境条件反应最脆弱的时期，幼苗生长发育过程中会一直受周围环境的各个因素影响[18]，同时植物幼苗也改变着生长的环境条件。随着幼苗高度与盖度的升高，对渣山的影响逐渐增大。

图3 影响渣山不同坡面表层基质变量重要性排序Fig. 3 Importance rank of the variables of the three different substrates

图4 基于随机森林方法的主要生态因子对不同渣山表层基质的影响Fig. 4 Influence of the main ecological factors on the different surface substrates based on the random forest method

3 讨论

3.1 高寒煤矿区地貌重塑的重要性

我国露天煤矿主要分布在草原区、荒漠区和丘陵区等生态环境脆弱的地区[19]，经采煤破坏后的生态环境极度退化，无法自然恢复，必须有人工干预，矿区渣山的基质理化性质是植被能否恢复好的关键，所以改善环境的首要任务就是改良基质理化性质，而人工种植是最有效的方式[20]。目前国内已经在不同矿区开展了人工恢复植被的研究，旨在改善土壤质量、修复矿区生态环境。圣雄矿区多为沼泽湿地，草皮下0.5 m左右为泥炭层，其下2-3 m含有一定量的细粒土与砾石，下部多为15-25 m厚的冰碛砂砾石层。地表以下1-7 m深度范围多见冰层，局部地段冰层厚度可达9 m，其下是若干米厚的砂岩石膏层，在这之下的粉砂岩中含有局部可采煤层[21-22]。高寒地区煤矿的开采对多年冻土影响剧烈，使得煤矿区冻土环境非常脆弱，采煤过程中，大量的地下冻土与岩石、煤矸石一起被挖出就近露天堆放，形成大小不一、占压土地，破坏景观的渣山。我国的煤矸石山多数为锥形[23],因此斜坡较多,坡度较大,给植被的恢复带来了一定的难度，所以在进行植被恢复之前，首先要整形整地，包括平整山顶、削坡、边坡构筑、重塑地貌景观[24]。

3.2 圣雄煤矿区不同渣山坡地表层基质的形成原因

虽然矿井开采时，其周围堆起的一座座渣山基质均出自同一个矿坑，但是其渣山表面基质上的冻土、岩石、煤矸石含量、温度、风速、土壤水分等存在差异，造成不同渣山上营养元素存在着一定的空间变异性[25]。本研究结果表明，尽管3个样地的渣山坡面的坡向、坡度以及种植时间与方法基本一致，但植被生长状况之间的差异非常明显，样地Ⅰ植被高度、盖度、生物量、幼苗高度与盖度、苔藓盖度、生殖枝数量等均显著高于样地Ⅱ和样地Ⅲ，在3个样地植被恢复的5年中，样地Ⅰ的土壤速效养分均大于其他两个坡，这为植物的快速生长奠定了重要基础，从3个样地植被生物量差异上也可看出类似结果(图2)。在生态系统中，植被与土壤是一个相互作用、协同发展的统一体系，植物群落的变化总是与土壤的演化相关联[26]。由于机械堆积渣山形成了不同坡面表层基质，这种基质是由多年冻土(占比约70%)、煤矸石(约20%)和部分岩石(约10%)组成，3个样地的土壤理化性质具有明显差异。引起3个样地渣山表层差异的主要土壤因子是pH、速效磷和有机质，植被因子主要是植物幼苗高度与盖度。这说明高寒地区露天煤矿开采区生态环境治理的重点应该是地貌重塑过程，包括平整山顶、削坡、边坡构筑等。因此，针对高寒矿区渣山表层处理情况，在不覆土下尽可能堆积地表草甸土和多年冻土，多年冻土实际上是古代土壤，一旦暴露在空气之中，渣山表层基质偏弱碱或中性和较多的速效磷的表层基质环境(样地Ⅰ的速效P大于25.19 mg·kg-1；pH小于8.29)，有利于植被盖度和生物量的增加(图2)。

3.3 渣山不同坡地表层基质的主要影响因子与植被恢复

高寒矿区木里煤田种草平均成本约为覆土43.5 CNY·m-2，不覆土11.8 CNY·m-2，从经济效益上讲覆土成本比不覆土成本约高4倍，考虑经济效益和覆土土壤的来源困难，高寒矿区不建议覆土恢复植被。不同渣山表层基质从堆积初始它们的物理结构、化学反应、微生物活性以及养分有效性均具有差异[27]，渣山植物根部微生物分泌有机酸也会影响基质表层pH[28]。渣山基质pH也能直接影响一些养分的转化和有效性，同时对表层有机质的变化有很大影响[23]。基质速效P含量主要来自渣山有机质，在受基质特性、植被特征与净矿化作用以及有机质含量影响的同时，植被覆盖物能够提高速效P的利用率[8]，故渣山表面土壤P有显著差异。植物幼苗的出现在植被生态恢复中非常关键，影响植物种群的数量状态和群落的演替[29]，说明在渣山基质中形成了种子库，幼苗阶段是植物生活史中对环境条件最敏感的时期，而由于3个样地表层基质的差异，造成了植物种子成熟的差异和植物幼苗萌发后成活率不同，所以幼苗高度与盖度在3个样地具有明显差异。3个样地的辛普森指数具有一定差异，种植时主要草种为2∶1∶1的垂穗披碱草、星星草和冷地早熟禾，这可能是在种子撒播时不均匀所致，故在今后渣山复绿中应充分混合草种。

植被的恢复与渣山环境因子之间的关系复杂，渣山基质与植被的生长具有复杂的交互影响。在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤养分不断积累和物理性能不断改善的过程[30]，植被的恢复会对土壤养分产生明显的截存和保护效应[31]。随机森林法计算结果表明，pH与速效P对渣山影响力分别为23.67与21.12，是影响矿区渣山植被生长的两个重要因子，这与Venson等[32]研究表明影响矿区植被生长的因子主要有土壤肥力和pH 的研究结果基本相符。在渣山不种草对照区表层基质pH约为8.6，严重偏碱性不利于植物的生长，种植植被后平均下降约0.64，但依然偏弱碱性，植被生长对土壤pH调节缓慢。因此，在多年冻土矿区植被恢复过程中，可适当调节渣山表层基质pH使植物快速生长发育，为了让植物在吸收土壤速效养分时得到及时补充，需适时补充有机肥和氮、磷、钾等速效肥料，以满足地上植被生长的需要。

3.4 渣山植被恢复苔藓的生长与土壤的形成发育

苔藓植物作为演替过程中的先锋植物，具有特殊的构造和生理功能，能很好地生长在严酷的环境中[33]，大面积生长的苔藓植物可以有效截获降水、拦蓄径流，从而积累风尘物质包括植物的一些必需元素，减少土壤水分中矿质养分的流失，增加营养物质的保留，有助于水土和土壤肥力的保持。在多年冻土矿区渣山恢复植被过程中，苔藓盖度与地上植物特征和土壤营养元素具有一定的相关性，说明苔藓植物在地上植被与渣山表层之间养分循环关系中起一定作用，研究证实苔藓生物结皮的存在能够改变土壤理化性质，增加表层土壤养分含量[34]，通过自身活动影响植物生长状况。水分对苔藓的生长影响显著[35]，所以本研究试验地苔藓与植物盖度显著相关，地上植被盖度越大，基质表层水分含量越高。由于高寒矿区渣山坡面难以固土以及缺乏营养，并有一定的坡度，种子萌发生长困难，有学者认为，在苔藓植物生长初期，由于其特殊形态与生物成分的特殊功能增强了地上植物种子的繁殖与生存能力，可促进幼苗萌发、定居[36]。苔藓植物的出现对高寒矿区渣山表层基质的土壤形成发育具有积极的意义，是矿区生态系统正向演替至稳定的重要阶段。

4 结论

1)在青海木里煤田圣雄矿区，机械堆积的渣山经过不覆土植被恢复，同一矿坑同一坡向3个不同表层基质坡面植被高度、盖度、生物量、幼苗高度与盖度、生殖枝数量、苔藓植物盖度及物种多样性具有明显差异，其中样地Ⅰ由于表层基质偏弱碱性和较多的速效磷含量植被恢复效果明显好于其他两个样地。

2)试验渣山坡面3个不同表层基质理化性质具有一定差异性，其影响因子主要有pH、速效磷、有机质、以及植物幼苗的高度与盖度。

3)多年冻土矿区渣山不覆土植被恢复与渣山表层基质理化性质具有显著相关性，渣山表层基质较低的pH和较高的速效氮磷钾是影响植被生长的主要限制因子，因此高寒矿区渣山植被恢复过程中调节pH和补充速效养分与有机质可快速恢复渣山植被。

4)渣山苔藓的生长意味着渣山地表环境逐渐趋于稳定，苔藓盖度与土壤速效钾、植被恢复盖度和幼苗盖度极显著相关，因此苔藓的生长有利于恢复植被幼苗的生长发育。