不同人工恢复措施下高寒矿区煤矸石山植被和土壤恢复效果研究

杨鑫光，李希来，金立群，孙华方

(青海大学农牧学院，青海 西宁 810016)

煤矿开采业作为国民经济的支柱产业之一，对促进区域经济发展做出了贡献[1-2]。然而在开采过程当中，通常伴随着大规模土地的损毁、土壤和植被的破坏、空气和土壤水的污染等[3-5]，特别是采矿点周边堆积形成煤矸石山，不仅侵占宝贵的土地资源，而且造成土壤侵蚀等[6-7]，对区域生态环境产生了巨大的影响。煤矸石山由于土壤呈酸性、养分含量低、持水能力差等原因，植被恢复重建过程非常困难[8]，如果没有人工恢复措施会导致环境的进一步恶化[9]。

许多研究表明，在煤矸石山开展植被重建是恢复生态的有效措施[10-11]，通过人工恢复措施，形成有利于植物生长的环境条件显得尤为重要。土壤可作为植物生长的基质和物质基础，能够提供必要的支撑及水分、养分[12-13]。一方面，可通过煤矸石山土壤复垦，如表土回填或客土覆盖等方式，促进植物生长及群落演替[14-15]。另一方面，可通过施肥提供植物生长必要的营养元素，提高草地生产力及草地质量，使群落有进一步演替的基础，进而加快生态系统恢复进程[16]。近年来，对于恢复退化草地措施的效果开展了诸多研究，大部分集中于围栏封育、补播、施肥、耙地等常规处理措施[16-19]，并且多见于采取人工建植、施肥、覆土等单一措施[20-22]，对以上几种恢复措施组合下的恢复效果对比，特别是覆土、施肥措施下的对比研究少见报道。在人工建植条件下，施肥、覆土措施之间经济投入差别大，从有利于植被恢复、同时减少经济投入的角度出发选择适宜的恢复措施显得意义重大。

本研究通过在高寒矿区煤矸石山设置人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等几种恢复措施，研究不同恢复措施下的植物群落组成、植被生长和土壤性质变化特征，比较不同措施间的恢复效果，探讨最适宜的恢复措施，旨在为高寒矿区煤矸石山生态恢复提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

青海木里地区位于祁连山中东段大通河谷地，区内分布有江仓、聚乎更、哆嗦贡玛和弧山等矿区，是青海省煤炭(焦煤)资源的集中分布区[23]。本研究区位于青海省东北部天峻县江仓煤矿区，面积55 km2，其地理坐标为：东经99°27′-99°35′，北纬38°02′-38°03′，平均海拔3800 m，是我国重要的煤矿开采区之一。选取江仓煤矿区五井田周边煤矿废弃地(煤矸石山)作为试验区，海拔3917 m左右，年平均气温-5.0 ℃左右，年最低气温可达-36 ℃，年平均大风日数30 d，年平均降水量500 mm以上，大多栽培草种不适宜该区低温环境下的生长和发育。试验区周边原始群落土壤类型主要为沼泽土和高山草甸土，原始植被类型以藏嵩草(Koeleriatibetica)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)为主。

1.2 试验设计与方法

试验共设置5个处理，分别为人工建植+覆土、人工建植+施肥、人工建植、原始群落、煤矸石山。其中，在试验样地设置3个人工恢复措施处理，具体设置方法为：在试验区选取采矿点周边煤矸石山作为试验样地，于2013年春季开展播种，人工种植的草种主要有垂穗披碱草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，播种比例2∶1∶1，播量300 kg·hm-2。播种前利用大型耙机深翻样地周边煤矸石山深层底土，并覆盖于样地表层，覆土深度40～45 cm(覆土深度的选择主要依据地上植物根系延伸适宜长度测算)，作为人工建植+覆土处理(revegetation and replaced soil，R-S)；设置6个面积为4 m×4 m固定样方，在人工建植后样方内每年6月进行施肥，施用量为磷酸二铵275 kg·hm-2+氯化钾100 kg·hm-2，作为人工建植+施肥处理(revegetation and fertilization，R-F)；样方外空地人工建植后不施任何肥料，作为人工建植处理(revegetation，R)。其他2个处理设置方法为：选择试验样地周边原始群落作为恢复效果对比处理(undisturbed grassland，UG)；将未采取任何人工恢复措施的煤矸石山作为对照(CK)。

2017年8月，在人工建植+覆土、人工建植+施肥和人工建植处理后的样地、原始植被样地、不做任何处理的煤矸石山(CK)样地中各随机设置1 m×1 m样方6个，每个样方计为1次重复，分别记录植物种类，同时测定盖度、高度、密度及地上部分生物量，每个处理6个重复。植被盖度(vegetation coverage，VC)测定用直接目测法，样方内垂直投影面积占样方面积的比值；植被密度(vegetation density，VD)，计数法，样方内的所有植物个体数及分物种个体数；植被高度(vegetation height，VH)用直尺测定，样方内植物平均高度；地上生物量(above-ground biomass，AGB)用烘干法测定[24]。

依据研究区植物种类分布特点，将重要值≥40%的物种确定为样地优势种，将重要值≥3%，<40%的物种确定为样地亚优势种，将重要值<3%的物种确定为样地偶见种。重要值=(相对盖度+相对密度+相对频度)/3。式中：相对盖度=某一植物种的盖度/样方中所有物种分盖度之和×100%；相对密度=某一植物种的个体数/样方中全部物种的个体数×100%；相对频度=某一植物种的频度/全部物种的频度之和×100%。

每个处理及对照中随机选取6个样方中的3个，在每个样方内部及周边随机选取5个0～10 cm土层土壤，混合一起作为1个土壤样品，每个处理及对照分别有3个土壤样品，为3次重复。土壤样品均去除杂质(石块和植物残根等)，装入封口袋带回实验室，风干后测定土壤养分、有机质含量及pH值。其中，全氮(total nitrogen，TN)采用半微量凯氏定氮法测定；全磷(total phosphorus，TP)采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾(total potassium，TK)采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定；碱解氮(available nitrogen，AN)采用碱解扩散法测定；速效磷(available phosphorus，AP)采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾(available potassium，AK)采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤pH值(pH)采用电极法(水土比2.5∶1)测定；土壤有机质(soil organic matter，SOM)采用重铬酸钾容量法测定[25]。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007进行数据整理，运用SPSS 19.0进行数据分析。采用单因素ANOVA分析方法检验各处理间的差异(P<0.05)，采用LSD法进行多重比较，采用Pearson相关分析法分析不同恢复措施下植被生长特性与相对应土壤全氮、全磷、全钾、有机质、pH值间的相关性(由于施用速效肥料，速效氮磷钾不包括)。数据表示平均值±标准差(mean±SD)。

2 结果与分析

2.1 不同恢复措施下的植物群落组成特征

从表1中看出，不同恢复措施下高寒矿区煤矸石山及周边原始群落样地共出现9种植物，隶属于5科9属。其中，人工建植+覆土、人工建植+施肥、人工建植、原始群落样地分别出现5、6、4、3种，由于未采取任何人工恢复措施，煤矸石山(CK)没有植物出现。从样地出现优势种来看，人工建植+覆土样地优势种为垂穗披碱草，重要值达80.54%，其次为亚优势种中华羊茅(Festucasinensis)、冷地早熟禾。人工建植+施肥、人工建植样地优势种均为冷地早熟禾，重要值分别达40.66%、71.63%，其次为亚优势种垂穗披碱草、星星草。原始群落样地优势种为藏嵩草，重要值达67.89%，其次为亚优势种青藏苔草、冷地早熟禾。人工建植+覆土、人工建植+施肥措施下，青藏苔草、甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)、高原毛茛(Ranunculustanguticus)、细叶亚菊(Ajaniatenuifolia)等偶见种零星出现，而单纯的人工建植措施下未发现上述偶见种。

表1 不同恢复措施下植物群落物种组成及优势种 Table 1 Species composition and dominant species under the different restoration measures

注：“▲”表示样地优势种；“△”表示样地亚优势种；偶见种未标注；“-”表示此物种在该样地未出现。R-S：人工建植+覆土；R-F：人工建植+施肥；R：人工建植；UG：原始群落；CK：对照，煤矸石山。下同。

Notes: “▲” indicate the specie is dominant in the plot; “△” indicate the specie is subdominant in the plot; The occasional species in the plot are unmarked; “-” indicate species disappears in the plot. R-S: Revegetation and replaced soil; R-F: Revegetation and fertilization; R: Revegetation; UG: Undisturbed grassland; CK: A control plot, coal mine spoils. The same below.

2.2 不同恢复措施下的植物生长变化特征

与未经恢复的煤矸石山相比，3种人工恢复措施均能快速形成人工植被群落，并且引起植物生长特征发生较大变化(图1)。对人工恢复措施的效果进行对比，植被盖度方面，人工建植+覆土为(89.00±8.34)%，已接近原始群落植被盖度(95.83±1.72)%水平，显著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。植被密度方面，人工建植+施肥显著高于人工建植+覆土和人工建植(P<0.05)。植被高度方面，人工建植+覆土显著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。地上生物量方面，人工建植+覆土显著高于人工建植+施肥和人工建植(P<0.05)。与人工建植+覆土、人工建植+施肥比较，人工建植措施下植被盖度、密度、高度和地上生物量均最小(P<0.05)。3种恢复措施对植物生长的恢复效果由高到低顺序为：人工建植+覆土>人工建植+施肥>人工建植。与人工恢复措施相比原始群落样地物种组成差别较大，植被密度相对更高(P<0.05)，而植被高度和地上生物量显著低于人工建植+覆土措施(P<0.05)。由于未采取任何人工恢复措施，煤矸石山样地(CK)未观测到植物生长，植被盖度、植被密度、植被高度及地上生物量均为0。

2.3 不同恢复措施下的土壤氮磷钾含量变化特征

从图2中看出，与煤矸石山样地相比，不同人工恢复措施没有显著提高土壤氮含量，各处理间差异不显著(P>0.05)。原始群落样地全氮、碱解氮含量显著高于不同恢复措施样地及对照(P<0.05)，经过5年时间的短期恢复，3种煤矸石山人工恢复样地土壤氮含量仍然处于较低水平。

与煤矸石山样地相比，短期恢复措施下土壤全磷含量没有显著变化(P>0.05)。而不同恢复措施之间相比，土壤全磷含量有较大变化，其中人工建植+覆土显著高于人工建植(P<0.05)。不同恢复措施下的土壤全磷含量显著低于原始群落样地(P<0.05)，整体处于较低水平。与煤矸石山样地相比，人工建植+覆土、人工建植没有显著提高土壤速效磷含量(P>0.05)，而人工建植+施肥显著提高了土壤速效磷含量(P<0.05)，同时也高于原始群落样地水平(P<0.05)。

与煤矸石山样地相比，人工建植+覆土没有显著增加土壤全钾含量(P>0.05)，人工建植+施肥、人工建植显著提高了土壤全钾含量(P<0.05)。人工建植+覆土、人工建植与煤矸石山样地相比，速效钾含量差异不大(P>0.05)，人工建植+施肥能够显著提高土壤速效钾含量(P<0.05)。与不同恢复措施及对照相比，原始群落样地土壤全钾含量相对较低，而速效钾含量相对较高(P<0.05)。

鉴于3种恢复措施对土壤氮含量影响差异不显著，对土壤磷、钾含量影响总体上表现为人工建植+施肥>人工建植+覆土、人工建植。3种恢复措施对土壤氮磷钾恢复效果由高到低顺序为：人工建植+施肥>人工建植+覆土>人工建植。

2.4 不同恢复措施下的土壤有机质及pH值变化特征

从图3中看出，与煤矸石山样地相比，不同恢复措施均能显著提高土壤有机质含量(P<0.05)，而各恢复措施之间差异不显著(P>0.05)。原始群落样地土壤有机质含量显著高于不同恢复措施及对照(P<0.05)，与原始群落样地相比，3种恢复措施下土壤有机质含量依然很低。短期内3种恢复措施对土壤pH值的改善作用依然有限，与煤矸石山样地相比差异不显著(P>0.05)，但3种恢复措施土壤pH值为(8.21±0.20)～(8.34±0.07)，与煤矸石山样地土壤pH值(8.59±0.04)相比，依然有降低土壤pH值，土壤性质朝中性发展的趋势。

2.5 不同恢复措施下的植物和土壤指标相关性分析

由于施用速效肥料能够促进土壤中速效养分含量的增加，为此，仅分析土壤全氮、全磷、全钾、有机质、pH值与植被盖度、植被密度、植被高度及地上生物量的相关性(表2)。植被盖度、密度、高度及地上生物量均与土壤全磷呈显著或极显著正相关(P<0.05，P<0.01)，植被高度与土壤全钾呈显著负相关(P<0.05)。植被生长各指标与土壤全氮、土壤有机质含量呈弱正相关关系，与土壤全钾、pH值呈弱负相关关系，指标之间相关性不显著(P>0.05)。

表2 不同恢复措施下植物生长与土壤指标之间的相关性分析 Table 2 Correlation analysis between different soil properties and vegetation characteristics under the different restoration measures

注：* * 表示P<0.01水平上极显著相关；* 表示P<0.05水平上显著相关，n=9。

Note：* * indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1；* indicates the correlation is significant at the 0.05 leve1，n=9.

3 讨论

3.1 不同恢复措施对人工群落物种组成的影响

在煤矿开采过程中，原始群落生物多样性在很大程度上被破坏[26]，通过采取有利于植被群落构成和演替的人工恢复措施，能够加快受损矿区生态系统的恢复。有研究表明，不同的人工恢复措施，能够对草地群落物种组成和结构产生不同的影响[27-28]。土壤厚度影响植物群落物种组成和丰富度[29]，与单纯的人工建植措施相比，人工建植+覆土措施在一定程度引起群落丰富度的增加。人工建植+覆土措施下，演替形成了以垂穗披碱草为主的单优势种群落，和中华羊茅、冷地早熟禾等物种相比，垂穗披碱草具有更大的种间竞争优势[30-31]，在厚覆土条件下利于垂穗披碱草根系发育，从而吸收更多营养元素，使其逐步在群落中占据优势。仁青吉等[16]对青藏高原典型高寒草甸退化草地的恢复研究中发现，施肥措施简化了植物群落结构。而本研究结果表明，施肥有利于人工植物群落物种数量的增加，群落组成相对更复杂，丰富度更大。人工建植+施肥措施下，演替形成了以冷地早熟禾为优势种，以垂穗披碱草、星星草为亚优势种的混播群落，由于施肥措施能够在煤矸石山基质环境差的表层形成均匀的土壤营养环境，使得人工栽培的各物种均能充分吸收利用，使得3种草种不同程度上得到发展。单纯的人工建植措施形成了以冷地早熟禾为优势种、以垂穗披碱草为亚优势种的混播群落，群落物种数量少，结构相对更加单一，不利于人工草地群落的稳定发展。仅从植物群落物种数量及组成上判断，3种人工恢复措施的恢复效果由高到低的顺序为人工建植+施肥>人工建植+覆土>人工建植。此外，人工恢复措施下的植物群落组成与原始群落相比差异较大，一方面受到繁殖体的限制，缺乏目标群落入侵物种，导致新的植物群落出现[26]。也有研究表明土壤种子库中缺乏当地多年生植物种，加之地上植物仅有极少部分本地多年生植物种，这将在很大程度上导致人工植被群落恢复至原始群落需要一个长期的过程[32]。

3.2 不同恢复措施对植物生长特征的影响

煤矿露天开采及煤矸石山的堆积造成了植被的严重破坏，通过植被重建恢复矿山脆弱的生态系统是一项关键措施[33]。植被生长是区域生态环境状况的综合反映[34]，不同的恢复措施均趋向增加群落的高度、盖度及生物量，但是不同的恢复措施产生的恢复效果是不同的[35-36]。本研究中，通过人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等措施，均在煤矸石山形成了人工植物群落，但是不同措施下的植物群落生长状况差异显著。与单独的人工建植措施相比，施肥增加了土壤肥力，改善了人工植被营养供给环境，促进了植物生长；而覆土提供了植物生长的土壤环境，有利于植物根系延伸生长，从而吸收更多的养分和水分，促进了植物更好生长。单纯的人工建植措施下，植被盖度、高度、密度及地上生物量均很低，在煤矸石山极端的土壤条件及缺乏营养元素的情况下[37]，在恢复初期，如果不采取施肥、覆土等额外增加土壤营养元素的措施，仅依靠植物自我生长及繁衍达不到生态恢复的良好效果，甚至会导致恢复失败。通过植被生长特征判断，3种人工恢复措施的恢复效果由高到低的顺序为人工建植+覆土>人工建植+施肥>人工建植。未经恢复的煤矸石山没有任何植物出现，表明该地区如果不采取人工恢复措施，依靠自然演替恢复植被几乎不可能实现。

3.3 不同恢复措施对土壤性状的影响

露天煤矿开采使土壤自然状况和性质遭到改变和破坏，土壤质量的提高和恢复是恢复矿山生态系统功能的重要方面[38-39]，在此过程中，土壤理化性质是判断土壤质量和健康程度的重要依据[40]。通过采取不同植被恢复措施，均能不同程度地改善土壤理化性质[41-42]，而恢复的时间越长，恢复的效果越显著[43]。本研究中，由于恢复时间较短，通过人工建植措施、人工建植+覆土措施对土壤肥力增加的效果不明显。与其他恢复措施相比，人工建植+施肥措施提高了土壤肥力，特别是显著增加了土壤中的速效磷、钾成分，而碱解氮在土壤中不够稳定，易受土壤水热条件和生物活动的影响而发生变化，短期施肥并没有增加土壤中碱解氮的含量。较长恢复时间下，不同恢复措施对土壤性状的影响需进一步深入研究。

土壤有机质含量作为判断土壤质量状况的重要指标，在植物生长中扮演重要的角色[44]。与煤矸石山样地相比，不同恢复措施均能显著提高土壤有机质含量，在高寒矿区煤矸石山人工建植后，由于气候严寒，地上植被枯落物不断积累，土壤有机质分解缓慢，引起了土壤有机质的较大增加，提高了土壤肥力。3种恢复措施之间土壤有机质含量并没有发生显著变化，由于随着恢复时间的延长，不同恢复措施在不同期间产生的恢复效果不同[45]，较长恢复时间下不同恢复措施对土壤有机质含量的增加比较分析有待进一步研究。土壤 pH 值在生态恢复过程中扮演重要角色，通过调节植物营养有效性，改变土壤微生物活性大小和土壤速效养分含量，引起土壤理化性质发生变化[39，46]。本研究中不同恢复措施对土壤pH值的影响作用不大，与煤矸石山样地相比差异不显著，但从趋势上来看，一定程度上改善了土壤性质，使土壤朝中性向好趋势发展。

与原始群落样地相比，短期内3种恢复措施下土壤全氮、碱解氮、全磷、速效钾、土壤有机质含量依然较低，对土壤pH值的改善作用依然有限，人工植被要想恢复至原始群落土壤营养含量水平仍需要很长时间的恢复过程。综合对土壤各元素含量影响水平的判断，3种人工恢复措施的恢复效果由高到低的顺序为人工建植+施肥>人工建植+覆土>人工建植。

3.4 土壤和植物的相互作用

植物-土壤的相互作用研究是生态恢复学研究的一个热点问题。在植被恢复过程中，植被与土壤相互作用，能够形成显著的相关关系[42,47]。本研究中得出类似的结果，植被生长与土壤全氮、土壤有机质特别是土壤全磷之间相互促进。由于植物生长过程中对钾的需求量较大[48]，短期内植被生长状况的改善并没有促进土壤中全钾含量的增加，全钾含量有所降低。植被生长状况与土壤pH值之间呈弱负相关，表明植被对土壤 pH值的调节作用在加强。从以上分析看出，植物生长有利于改良土壤，而土壤有机质、全氮、全磷含量的提高促进了植物生长。由于植被重建过程当中采取覆土方式，经济投入相对更高，基于受损矿区的经济投入和所产生的生态效益两个方面的考虑[29]，人工建植+施肥措施更符合该地区受损矿区生态恢复实际。从有利于植被恢复、同时减少经济投入的角度出发，可通过大量施肥特别是施用有机肥替代人工覆土，通过植物-土壤相互促进，逐步实现煤矸石山人工草地生态系统的稳定发展。

4 结论

通过研究人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥3种恢复措施对植物和土壤5年时间的恢复效果发现，单纯的人工建植方式不利于高寒矿区生态恢复，采取人工建植+覆土或人工建植+施肥的组合方式，是恢复高寒矿区煤矸石山的有效途径。为减少经济投入，可考虑通过施肥替代人工覆土，实现煤矸石山人工草地生态系统的稳定发展。以下几个方面需进一步深入研究：长期恢复下，不同措施间的恢复效果对比；植物生长与土壤性质的动态变化及土壤-植物相互作用机理；人工建植条件下多种施肥、覆土梯度效果比较，进一步探讨施肥代替覆土的可行性及施肥水平。

致谢：在野外的调查中得到了木里煤田管理局、青海圣雄矿业有限公司等单位领导和工作人员的大力支持，一并致谢。