呼伦贝尔某煤矿区地境结构特征及其对草原生态恢复的意义

余 露，白光宇，周建伟，冯海波，袁 磊，田 磊，余 洋

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质环境监测院, 北京 100081；3.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

呼伦贝尔市拥有面积10万km2的呼伦贝尔大草原，同时也是我国主要的煤炭生产基地。20世纪70年代以来，煤炭产业迅速发展，导致草原区局部生态环境退化，出现了严重的地面塌陷、地裂缝、地下水水位下降、土地沙化等生态环境问题。自2003年起，当地政府和矿山企业对问题严重的煤矿地面塌陷区采取围封、回填、覆土、种植植被等工程技术措施进行治理，取得了一定的成效。为了在开采矿产资源的同时有效保护呼伦贝尔大草原，有必要针对前期治理工程开展效果调查评价和综合研究，以利于未来更加科学、有效地指导矿区土地复垦和生态环境保护修复工作。

近年来，国内外学者常采用遥感调查方法和实地采样调查方法开展草原矿区生态环境调查与评价[1]，其中遥感调查着重观察草原矿区的景观格局变化[2]，实地采样调查则主要关注土壤污染程度及肥力、物种多样性、植物长势情况[3]。通过上述调查可较好地对治理效果进行评价，但对矿区生态修复的复垦工程的借鉴意义有限，而利用生态地质学相关理论和技术方法研究草原矿区植被地下生境结构体系可以弥补这一空缺。

地下生境是植物在地下生活的环境，即根系的生存空间，包括必需的生活条件和其他对生物起作用的生态因素(如土壤水分、盐分、有机质等)，植物根群是具有吸收功能的细根和根毛数目最多、最密集的部位，各植物物种经过对不同土壤层条件以及其他外界环境自组织的过程，植物根群形成不同“层片”[4]。相比容易受环境影响而变化的地表，地下生境中生态因素更稳定，且与植被生长、植物群落演替情况密切相关，因此观察分析地下生境结构中植物根群的特征能清楚地揭示“层片”规律[5]，反映出不同植物的生长习性和需求，解释不同植物物种之间资源竞争、共存等生态关系，了解植物群落的稳定性、演替等特征[6]。该理论已被应用于高陡边坡覆绿效果的评价[7]，但缺少背景值进行对比。

本文以呼伦贝尔某煤矿区为研究对象，通过调查植被地下生境状况，分析植物根系发育规律及其与土壤质量之间的关系，重点探讨地面塌陷裂缝区、地面塌陷治理区和原生草原区土壤对植被生长的影响，旨在提供一种新的草原生态系统调查方式，为受损草原矿区土地复垦的覆土厚度、植物类型、回填肥分的种类等选择提供理论依据和技术参数，为草原矿区治理恢复效果调查、生物多样性保护措施的建立提供新的思路。

1 研究区概况

本次研究的某煤矿区位于呼伦贝尔市宝日希勒镇，地处呼伦贝尔大草原中部，该区地势较平坦，为半干旱大陆性季风气候，年平均气温为-2.9～1.3℃，年降水量为250～400 mm，降水集中在6～8月，年蒸发量较大，是降水量的2～7倍。该地区发育的地层为白垩系下统大磨拐河组(K1d)和第四系(Q)，含水层为第四系孔隙含水岩组和白垩系大磨拐河组裂隙-孔隙含水岩组。

该煤矿区及其周边土壤质地以细砂和粉砂为主，土壤类型主要是地带性土壤栗钙土，腐殖质丰富，厚度较大。该区的植物物种丰富，但长势严重依赖于气象水文等条件，优势物种主要为披碱草(Elymusdahuricus)，针茅(Stipacapillata)等。

在19世纪80年代到21世纪初，该矿区采煤以井工开采为主，由于开采方法和顶板管理不尽合理，导致采煤区出现大面积地面塌陷，并伴生地裂缝、植被退化、土壤沙化等环境问题[8]。截止2014年，该煤矿区开采导致的地面沉降和地面塌陷总面积达62.4 km2，形成了数千个塌陷坑[9]。当地政府和矿山企业对其中某些塌陷区域采取围封塌陷区、回填塌陷坑和裂缝、覆盖耕植土、种植适应当地的碱草、针茅等一系列措施进行治理，对破损草原区的生态恢复起到了积极的推进作用[10]。

2 调查与研究方法

2. 1 调查区域点选取

在研究的煤矿区选取4个调查区域，分别是原生草原区(背景值)、地面塌陷裂缝区、地面塌陷治理区和草原耕地区，依次标号为A、B、C、D(见图1)，其中地面塌陷治理区已治理完成两年。4个调查区域所在地的气候条件、成土母质、地形地貌、水文地质等环境因素均相近，可通过横向的对比分析研究煤炭资源开发对草原区植被生态环境的影响，并评价矿区土地复垦的实际工作效果。

图1 调查区域位置分布图Fig.1 Location map of the survey area

2. 2 植被样方调查

植被样方调查采用样地调查法，即在4个调查区域分别选取4～5个植物种类完整、长势居中、具有代表性的地点，用皮尺圈出1 m×1 m的植被区，记录每个样方中的植物名称、株数、高度、盖度等，取平均值代表该调查区域的植物长势情况。

2. 3 植被地下生境根系结构调查

在每个调查区域的采样点首先取一个垂直剖面，开挖时保证至少有一个样坑剖面垂直平整，由于中纬度地区地下生境底界不超过1 m[5]，此次调查开挖至100 cm深，并修整剖面，使植物根系完整出露；然后用尼龙线将剖面划分成10 cm×10 cm的方格(见图2)，按从左到右、从上到下的顺序逐个对剖面方格中的植物细根(直径<2 mm)[11]计数并记录。

图2 植被地下生境结构调查样坑剖面Fig.2 Sample pit profiles of plant below-ground habitat

2. 4 土壤样品采集及理化性质测定

植物根系调查完毕后，再将调查剖面从上到下每20 cm划分为一层，即划分为1、2、3、4、5层，每层均匀取1 kg土样，土样编号为样点剖面号+层号(见图2)。另外在地面塌陷治理区另一剖面80 cm深度某处发现土壤明显呈黑色，应是富含有机质的未被混合均匀的复垦回填土壤，为更好地了解复垦土壤的肥力性质，取1 kg土样，编号为C6。将所有样品自然风干，挑出石块、残根等杂物后，过100目筛。根据土壤复垦受到物理、化学、生物扰动等因素的影响程度[12],本文选取相关性较小的10个土壤肥力指标进行测定，这些指标包括土壤环境指标、土壤化学性质指标和土壤生物性质指标，能够比较全面地反映土壤的自身肥力条件、土壤给植物提供养分的能力以及土壤所处的自然环境。具体指标及测定方法为：采用1∶1的水土比酸度计测定土壤pH；采用碱解扩散法测定碱解氮；采用半微量凯氏定氮法测定全氮(TN)的含量；采用钼锑抗比色法测定速效磷、全磷(TP)的含量；采用火焰光度法测定速效钾、全钾(TK)的含量；采用乙酸铵交换法测定阳离子交换量(CEC)的含量；采用重铬酸钾-外加热法测定有机质的含量；采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶的含量。

3 结果与讨论

3. 1 植被样方调查结果

通过植被样方调查，分别统计研究区各调查区域的植物多样性、植株数量和优势物种等基本特征，由于统计期间草原耕地区的植被大多为单一农作物，故不列出，其统计结果见表1。

表1 研究区各调查区域植物群落样方调查结果

注：“-”表示此植物物种植株数量为0。

由表1可知，研究区各调查区域植物都为草本植物，但各调查区域植物物种有一定的差异，其中原生草原区优势种为雀麦和针茅，地面塌陷裂缝区的优势种为针茅和披碱草；原生草原区植被的高度为15～70 cm，盖度接近100%，植物长势明显好于地面塌陷裂缝区和地面塌陷治理区。

3. 2 植被地下生境根系调查结果

植物细根的根尖和根毛对养分和水分的吸收功能远强于粗根和中根[13]，所以本文主要研究植物细根分布与土壤质量的关系。研究区不同调查区域地下生境植物根系频率统计结果见表2。

由表2可知，研究区不同调查区域地下生境植物细根数量从上到下随着深度的加深依次减少。

3. 3 土壤肥力测定结果

本次调查共采集研究区不同调查区域21个土壤样品，对11个土壤肥力指标进行了测定，其测定结果详见表3。

表2 研究区不同调查区域地下生境植物根系频率统计结果

注：植物根系频率指植物细根频率。下同。

表3 研究区不同调查区域土壤肥力测试结果

注：相对湿度指标采用温湿度计测量垂直于剖面的内部10 cm深处的相对湿度，并记录；CEC指土壤中阳离子交换量。

3. 4 植被地下生境调查结果分析与对比

3.4.1 地下生境植物根系频率分析

根据现场的植物根系调查与统计结果计算出植物根系频率，并绘制不同调查区域地下生境植物根系频率对比图，见图3。每个波峰代表一个植物根群圈范围，最底部收敛处代表地下生境界限。

由图3可以看出，研究区4个不同调查区域的植物根系分布具备一些共同的规律：①地面以下10 cm左右处的植物根系最为发育；②从地面以下10 cm往下，植物根系数量随着深度的加深而减少，在地面以下30 cm、70 cm处植物根系明显减少；③地面以下70 cm以下植物根系数量减少趋于平稳，植物根系频率基本都低于5%。根据徐恒力等[5]的观点，累计频率在20%～80%的植物根系的土壤空间即为植物根系的主功能区，这个区域是吸收水分和养分最有效的空间，同时也是微生物最活跃的场所，有助于植物的生长代谢过程。按照4个调查区域的植物根系数量(见表2)，除地面塌陷治理区植物根系的主功能区在0～50 cm以外，其他调查区域植物根系的主功能区在0～60 cm之间。可见，研究区植物根系的主功能区最深可达地面以下60 cm。

图3 研究区不同调查区域地下生境植物根系频率对比图Fig.3 Comparison of root frequency of the plant below-ground habitat in different survey areas of the study area

3.4.2 植被地下生境结构对比与分析

本文以调查剖面中间50 cm竖线为对称轴，绘制研究区不同调查区域左右两侧不同距离处植物根系频率分布曲线，见图4。

图4 研究区不同调查区域左右两侧不同距离处植物根系频率分布曲线Fig.4 Root frequency distribution curves at different distance between the axis of symmetry in different survey areas of the study area

由图4可见，研究区4个调查剖面不同深度处植物根系基本都是对称分布，不同的变化趋势反映出植物不同的生长特征。通过对比植被样方调查和土壤肥力测定结果可知，4个调查区域的植物根系分布与植物种类和土壤质量之间具有一定的相关性，具体分析如下：

(1) 原生草原区(A)：该区域植物根系数量在地面以下10 cm时最多，植物根系数量随着深度的加深均匀减少，说明不同植物的根系分布在不同的深度(层片)，该区域地下生境结构完整、物种丰富，其生态系统更稳定[14]。结合图3可以看出，该区域的植物根系频率出现两个较高值段：0～30 cm深度处植物根系数量分布最多，为一年生草本植物根系的根群圈；其次是40～60 cm深度处，结合植被样方调查结果，应为多年生草本植物根系的根群圈。该区域优势物种为雀麦，为一年生草本植物，证明此区域地下生境长年水肥条件稳定在其生存域内，散落在附近的种子才能在来年水分、温度条件适宜时迅速发芽生长[6]。该区域数量较多的针茅和细叶地榆为多年生草本植物，其根系更发达，形成了30～50 cm深度处的植物根系频率峰值，其他一年或多年生草本植物根系分布在不同深度，保证了该区域的生态完整，可适应环境的各种变化。注意到研究区一年生草本植物和多年生草本植物根系普遍比华北地区植物根系深度更深[7]，这与研究区土壤较干旱有关，植物根系偏向垂向生长，汲取深层土壤水分。

(2) 地面塌陷裂缝区(B)：该区域土壤贫瘠，适合生长的植物较少，物种单一，优势种为多年生草本植物，因此该区域的植物根系频率分布曲线相对平滑，没有出现多个特定层片现象。该区域在10～20 cm深度的植物根系最为发育，其由一年生草本植物的根以及埋深较浅的冷蒿的侧根和不定根组成。

(3) 地面塌陷治理区(C)：该区域植物根系频率分布曲线特征与地面塌陷裂缝区相似，在 10 cm深度处植物根系频率分布比其他深度处高很多，形成了一个明显的峰，这除了与该区域生长较多的一年生藜有关外，还与多年生草本植物生长年限不长、扎根不深有关。由前述研究可知，该区域植物根系的主功能区在地下0～50 cm，说明该区域地下生境结构暂时并没有因人工干预而恢复，其生态系统相对比较脆弱。虽然对该区域土壤施加了较多肥分，但由于植物是人工种植，自然演化程度低，植物种类依然单一，并与地面塌陷裂缝区的优势物种类似，说明对该区域物种的生长条件改善效果不大。该研究结果与Benally[15]的研究结论类似。

(4) 草原耕地区(D)：该区域植物根系频率分布曲线有3个明显的峰值，分别出现在0～30 cm、30～60 cm以及90 cm深度处，应分别对应的植物物种为小麦、多年生杂草以及离样坑2 m处的一排杨树。该区域物种单一且不同种植物根系有各自不同的根群圈，各自在特定“层片”吸收水肥，有效避免了种间冲突[16]，也是造成该区域每层植物根系频率差异较大的原因。

3.4.3 地下生境土壤肥力条件分析

水肥条件是土壤的基本性质，分析地下生境结构中各层片水肥分布特征有利于了解植被生长、微生物活动等的变化情况[17]。

图5 研究区不同调查区域不同深度处土壤碱解氮、速效 磷、速效钾含量的变化曲线Fig.5 Variation of available nitrogen(a),rapid available phosphorus(b) and rapidly available potassium(c) at different depths in different survey areas of the study area

(1) 氮、磷、钾是植物生长不可缺少的营养元素，也是常用肥料的元素。图5为研究区不同调查区域不同深度处土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量的曲线。由图5可见，研究区不同调查区域氮、磷、钾的含量变化总体趋势是随着深度的增加而降低。其中原生草原区土壤中磷、钾的含量峰值所处深度都大于地面塌陷裂缝区和地面塌陷治理区；地面塌陷裂缝区土壤中氮含量最低，其表面含量不足地面塌陷治理区的60%；地面塌陷治理区土壤中总氮含量在100 cm深度处有一个较大的提升，与剖面编录的土壤类型为回填土相符，证明通过回填含有较高肥力的土壤，使该区域土壤中氮元素的恢复效果较好。采煤塌陷影响速效磷在土壤层片中的分布，研究区地面塌陷治理区、地面塌陷裂缝区、原生草原区土壤分别在40 cm、60 cm、80 cm左右深度处出现了速效磷含量峰值，与3个调查区域植物根系主功能区深度基本对应，而主功能区根系的植物返还能力使该层片磷含量升高[18]，因此地面塌陷裂缝区土壤中磷含量峰值深度最浅。采矿活动和农业活动都会破坏土壤原有植被，导致钾盐含量流失，因此钾是土壤复垦修复的限制因子。 根据《全国第二次土壤普查分类标准》，研究区4个调查区域土壤中钾元素都相对缺乏，属于三级或四级土壤，钾含量趋势大致为原生草原区>地面塌陷裂缝区>地面塌陷治理区>草原耕地区。

(2) 有机质在土壤演化中起着主导作用，其含量与微生物量、土壤酶活性之间具有相关性[19]。地面塌陷裂缝区表面土壤中有机质含量很低，这是由于裂缝区雨水冲刷淋滤作用严重，使表层土壤有机质流失，这也是裂缝区植物长势一般的原因。

(3) 过氧化氢酶主要来源于植物根系分泌物和微生物，其含量峰值在一定程度上代表该层片中根系最发达[15]。由表3可以看出，研究区不同调查区域表层土壤中过氧化氢酶含量均较高，且4个调查区域在层片中均有对应的过氧化氢含量峰值，其中原生草原区表层土壤中过氧化氢含量的峰值在0～20 cm深度处，次峰值深度为≥100 cm；另外3个调查区域表层土壤中过氧化氢酶含量的峰值分别出现在60～80 cm、60～80 cm、≥100 cm深度处。说明地面塌陷裂缝区的土壤结构发生了变化，通过治理没有恢复到原土状态，深层土壤生物活性不足，会影响多年生草本植物的生长和演化。

图6 研究区不同调查区域不同深度处土壤pH值的 变化曲线Fig.6 Variation of pH at different depths in different survey areas of the study area

(4) 研究区不同调查区域土壤pH值在6.42～8.48之间(见图6)，且随着深度的加深，土壤pH值逐渐升高，土壤pH值在适宜范围内呈现出由微酸性或中性至弱碱性过渡的趋势，表层土壤的pH值在适合草本植物生长的范围内[20]。研究区地面塌陷治理区和地面塌陷裂缝区土壤pH值相对较高，而原生草原区和草原耕地区土壤pH值最低，分析认为这是由于植物根系以及微生物的新陈代谢促进了土壤中CO2、腐殖酸和有机酸含量的增加，从而导致土壤pH值的下降[21-22]；也说明植物对于改良土壤酸碱度具有很显著的效果。结合表1可知，研究区地面塌陷裂缝区和地面塌陷治理区土壤中植物种类更相近，同属于相对更耐碱的植物，如披碱草、石竹等，而野艾蒿等不耐盐碱的植物则只出现在原生草原地区，这反映了土壤酸碱度的改变影响了植物群落的演化。

(5) 土壤水分对植物的生长和分布起着决定性作用。地面塌陷治理区土壤经过治理后其相对湿度基本与原生草原区无异；地面塌陷裂缝区土壤具有多个耗散面，水汽条件交换频繁，水分散失速度快[23]，相对湿度较低，因此该区域多生长耐旱物种，比如裂缝区独有的石竹就是典型耐旱多年生草本植物。

综上分析可知，地面塌陷裂缝区和地面塌陷治理区地下生境结构简单，植物根系的主功能区变浅，主要原因是地面塌陷造成环境因子发生变化，比如土壤水分降低、pH值升高，植被为了适应新的环境因子，植物种群数量被迫减少，群落发生演替，新的种群在适应环境的过程中，植物根系会逐渐扎深，地下生境结构逐渐完整，表明该区域植物群落具有一定的抗逆性。

4 地下生境结构分析对于植被恢复的生态意义

4. 1 关于复垦时覆土厚度问题

目前，矿区复垦有关覆土厚度大多是根据相关规范、结合农事经验总结来确定，缺少定量研究和生态学理论支撑。德国、美国现有规范规定复垦厚度在1 m左右[21]。地下生境结构理论结合了生态地质学的调查方法和基础，为确定覆土厚度提供了新思路。

研究区原生草原区、地面塌陷裂缝区、地面塌陷治理区和草原耕地区土壤的植物根系分布具有近似的规律性，植物根系主功能区在0～60 cm深度处。需要特别指出的是，虽然研究区少数植物根系深度超过覆土厚度，但是由于植物根系可以在生长过程中通过代谢过程和生化作用反作用于植物根际周围土壤，促使土壤熟化，改变土壤环境，因此，为了在开采矿产资源的同时有效保护呼伦贝尔大草原，做好土地复垦和植被恢复工作，应尽可能保证所种植植物的根系结构完整、群落的正向演替，覆土厚度应至少达到60 cm，这与该地政府、企业完成的复垦工程中采取的覆土厚度(30～50 cm)基本吻合。而上述覆土厚度标准在工程上是可以保证的。

4. 2 关于土壤肥力与植物物种的调控问题

根据研究区地下生境结构和土壤质量的分析，研究区在土地复垦工作时，施肥区域深度应达到60 cm，并在原来基础上加大钾肥含量，才能使土壤肥力含量与原生草原区持平，从而有利于多种植物的生长。

复垦物种应考虑种植多种生长速度快、耐旱耐碱植物，涵盖一年生和多年生草本植物，如针茅、披碱草、藜等，以便植物能迅速生长繁殖，为后继植物的入侵定居提供条件，从而达到复垦效果。由于不同植物有不同的主功能区，只在特定层片上吸收营养，不产生竞争关系，这样可保证生态系统的稳定，加快土壤演化速度，尽快形成完整的地下生境结构，增强系统的自我调节功能。化学、生物指标成分在地下生境结构中分布不同的问题可随植物群落演替和地下生境结构的完整化自然恢复到原生草原状态，而演化过程中，当多种植物形成一定规模时，可根据植物群落中优势种植物的变化来衡量草地状况[6]，若观察到复垦区优势物种与原生草原区相同或类似，则表明该地生态系统恢复效果良好。

5 结论与建议

本文通过调查呼伦贝尔某煤矿区植被地下生境中不同层片的土壤结构、养分运移、植物根群结构和植物群落特征，将不同层片的土壤肥力测定结果与植物根系生长情况进行对比，得出如下结论：

(1) 研究区地面塌陷裂缝区和地面塌陷治理区植物类似，虽然植物长势较好，但种类较单一，植物群落相较于原生草原区发生了演替，且生态系统稳定性较差，现存植物更耐旱耐碱。

(2) 研究区原生草原区地下生境结构完整，植物根系主功能区在地下0～60 cm；地面塌陷治理区地下生境结构与地面塌陷裂缝区结构类似，地下生境结构被破坏，10 cm左右深度处的植物根系最为发育。

(3) 采煤塌陷对土壤的相对湿度及pH值有一定的影响。通过采用一定的复垦治理措施，地下生境结构中除钾外的各项指标含量能基本复原，但土壤肥力在各层片中的分布规律未能复原。

(4) 复垦土壤厚度应达到60 cm，并根据植物根系不同的主功能区合理选择和搭配植物类型，同时增加复垦土壤中钾肥的含量，这样可避免相似物种之间形成竞争关系，从而保证植物有充足营养，尽快形成结构完整的地下生境环境，加快土壤演替过程。