露天煤矿排土场干草转移对坡面草本层重建与土壤改良研究

刘丹，杨兆青，荣正阳，梅静，陆兆华

(中国矿业大学(北京)恢复生态学研究所，北京 10083)

我国的资源特点是富煤、贫油、少气，煤炭资源长期处于我国能源结构的主体地位[1]。随着东部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭资源开发主阵地逐渐“西移”。西部是我国重要的生态功能区，对水源涵养和水土保持等有重要的意义[2]。而煤炭资源的开采，特别是露天煤矿的开采，将土壤层层剥离，不仅损毁地貌、破坏土壤结构，而且加剧水土流失、生物多样性丧失和生态系统退化等问题[3-4]。因此，对排土场进行生态恢复至关重要，也是实现可持续发展的必要手段。

现在采取的生态恢复措施主要有地貌重塑、土地复垦和植被恢复等[5]。植被恢复一直被认为是实现生态恢复的重要手段，在复垦的土地上种植不同的植物，通过土壤—植物的相互作用改善生境条件，促进植被、土壤微生物和动物的恢复，最终实现可自我维持的生态系统的恢复[6-7]。珊丹等[8]对草原区排土场不同植被类型恢复的研究发现，相较于乔灌群落、灌木群落、草本群落的单一配置模式，采用灌草结合恢复方式的生物多样性指数、土壤的营养条件最好；王丽丽[9]对排土场恢复长达19年的研究发现，随着复垦年限的增加，植被恢复能在一定程度上改善生境条件，其中灌草混合对土壤改良效果最明显，但仍很难恢复至自然水平。

生态恢复是一个漫长的过程，现有的研究大多是关于排土场的恢复效果，已采取的恢复措施常受制于当时的认识、技术条件和环境因素等，普遍存在重视乔木或灌木的恢复而忽视草本层的恢复，导致群落结构单一、土壤三相结构失衡(特别是表层土壤)，使得排土场极易在雨水冲刷时引发严重的水土流失、侵蚀沟纵横等问题。本研究以已经恢复的排土场为研究对象，拟采用一种新的辅助解决方案，提高露天煤矿区排土场群落稳定性并控制水土流失态势。

本研究以北电胜利1号露天煤矿北排土场为研究对象。现场调研发现，该排土场平台草本植物茂盛，坡面灌木长势良好，但在缺乏草本植物的坡面侵蚀沟现象严重，这可能是由于缺乏草本层植物对坡面径流的阻滞作用和根系对表层土壤的固定作用造成的。Agnes-Júlia Albert等[10-11]对草原群落恢复的研究发现，在种子成熟期对草本植物进行刈割，通过转移草本植物能有效促进种子的传播；Agata Klimkowska等[12]还发现干草转移带来的繁殖体可有效促进草本群落的恢复。本文拟收获排土场平台上草本植物生物量，通过干草转移技术重建坡面草本层，并试图通过草本层片地下根系对土壤的固持作用及根际效应等，改善排土场坡面土壤理化特征，提高坡面群落结构及植被覆盖率，进而提升露天排土场坡面生态稳定性。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

胜利一号露天煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市北郊5千米处，属半干旱草原气候，风沙大，年平均降水量小于300 mm，主要集中在夏季，年均蒸发量大，约1800 mm。年平均温度1.7 ℃，最高温度近40 ℃，最低温度可达零下40 ℃，无霜期仅为110天～130天。土壤类型为栗钙土，且土壤有机质含量低、肥力差，沙化严重。矿区植被类型为典型草原，主要建群植物为针茅(Stipabreviflora)、羊草(Leymuschinensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)等。胜利一号北排土场坡面安息角为30°～33°，属于陡坡，占地面积107万平方米，2006—2009年进行复垦，采用人工种植小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)，播种黄花苜蓿(Medicagofalcata)和披碱草(Elymusdahuricus)等进行植被恢复。

1.2 实验设计

为在自然条件下开展实验，避开道路、灌溉等干扰，本研究具体选择北排土场南坡、北坡的第四阶坡面作为实验区。在北排土场南坡、北坡设置5m×5m的样地作为实验组和对照组，并设置三个平行，对应的平台设置1个，共设置14个样方。每个样地间隔0.5m～1m。2017年9月，草本植物成熟期在平台进行干草刈割。首先在平台选取5m×5m的样方进行刈割、称重，随后进行条带收割。将收割的干草自然风干后按300%的比例均匀覆盖至对应坡面，厚度约为3cm，480g/m2，并用尼龙网固定。在第二年夏季对所有样方群落进行调查和土壤样品采集。

1.3 测定方法与数据分析

1.3.1 植物群落学特征调查

于2018年8月植物生长旺盛期对植物进行群落学特征调查，记录每个样方内的植物种类、数量、盖度和高度。

1.3.2 土壤样品采集与测定

采用S形五点采样法，同期随机在每个样方内分0～5cm和5cm～10cm两层进行土样采集，经自然风干后，过2mm土壤分析筛；pH值采用电位法，通过酸度计直接测定；土壤温度(ST)和含水率(MC)用顺科达TR-6D土壤温湿度仪直接测定；土壤全氮(TN)采用元素分析仪测定；有机质(OM)、全磷(TP)、全钾(TK)含量的测定分别采用重铬酸钾—油浴法、碱熔—钼锑抗分光光度法和氢氧化钠火焰光度法；速效钾(AK)的测定采用醋酸铵浸提—火焰光度法[8]；速效磷(AP)和碱解氮(AN)选用碳酸氢钠法和氢氧化钠消解法[14]。由于AP和AN含量极低，不做参考和数据分析处理。

数据分析在SPSS 17.0中进行，采用方差分析和LSD比较不同处理、不同土层土壤的差异性，显著性水平设定为α=0.05，相关图表制作在Origin中完成。

1.3.3 物种多样性统计分析

α物种多样性选用3类指数，即Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数和Shannon-wiener多样性指数，计算公式如下：

Margalef丰富度指数：D=(S-1)/lnN

Pielou均匀度指数：E=H/Hmax(Hmax=lnS)

Shannon-wiener多样性指数：H’=-ΣPilnPi(Pi=Ni/N)

式中，S为样方内物种的总数目，N为样方内观察到的个体总数，Pi为种的个体数占群落中总个体数的比例，H为实际调查的物种多样性指数，Hmax为最大的物种多样性指数。

2 研究结果

2.1 坡面样地植物群落组成及物种多样性

样地内出现的植物种类共有20种，分属7科17属，以一、二年生植物为主。平台的草本植物密度、盖度显著高于坡面；坡面草本植物盖度占比远低于灌木。经干草转移后，各实验样地的草本植物盖度均有所提高；南坡实验样地的草本植物密度显著提高，北坡实验样地的草本植物密度虽高于对照组，但未达到显著水平(图1)。

图1 不同样地植被变化

样地植物多样性指数均存在显著性差异(P<0.01)；实验样地的Pielou指数和Shannon指数均高于对照组和对应的平台样地，北坡的Margalef指数显著高于对照组；北坡的物种丰富度和多样性指数普遍高于南坡(表1)。

表1 物种多样性指数方差分析

2.2 干草转移对坡面样地土壤理化性质的影响

研究表明，干草转移样地0～5cm表层土壤pH值、地表温度显著低于对照样地和平台样地；土壤含水率显著高于空白样地，但低于平台样地(P<0.05)；土壤有机质、全氮含量与对照组和平台样地有显著差异；全钾、全磷、速效钾含量在南坡样地的差异性达到显著性水平，其中速效钾增幅最大，达到13.91%(图2)。

实验样地5cm～10cm层土壤的pH值、土壤温度与对照样地及平台样地无显著差异；北坡实验区土壤含水率显著高于对照样地和平台样地；南坡实验样地土壤含水率高于对照区，但无显著性差异(P<0.05)；有机质和速效钾含量与对照组差异达到显著性水平，其中有机质增幅达16.43%以上；全钾和全氮含量在南坡样地有显著差异；速效钾在北坡样地差异性达到显著性水平。

图2 不同样地土壤理化性质

2.3 土壤理化性质相关性分析

采用Pearson相关系数描述土壤理化性质之间的相关性。土壤含水率与温度和全氮含量呈极显著负相关关系；土壤pH值与有机质、总磷和总氮呈极显著负相关关系；有机质与总磷和全氮呈极显著正相关关系；总磷与总钾呈显著正相关关系，与总氮呈极显著正相关关系；速效钾与总钾呈极显著正相关关系(表2)。

2.4 物种多样性指数与土壤理化性质分析

由表3可知，Margalef指数与土壤含水率和速效钾含量呈显著负相关关系，与有机质呈极显著负相关关系；Pielou指数与总磷含量呈极显著正相关关系；Shannon指数与总磷呈显著正相关关系。

表2 土壤理化特性相关系数矩阵

表3 物种多样性指数与理化特性相关性系数矩阵

3 结论与讨论

排土场主要由采矿剥离的煤矸石、废渣等废弃物堆积经覆土而成，其土层结构混杂，土壤肥力较弱，很难在短时间内自我恢复成一个可以自我维持的稳定生态系统[13]。植被恢复是实现露天排土场生态重建的重要手段。半干旱区露天排土场边坡生态恢复是一个漫长的过程。有研究发现，排土场的生境条件在长达10年甚至近20年时间仍难恢复至自然水平[9，14]。本研究设计的露天排土场边坡干草生物量转移实验可为典型半干旱草原区排土场水土流失控制、植被恢复与重建提供可借鉴的技术支持。

干草转移有效改善了排土场边坡土壤水分和土壤温度条件，本研究区位于半干旱的草原区，土壤水分是该区植物生长的重要限制因子。土壤水分低和高温是影响坡面种子萌发和生长发育的关键因素，特别是在排土场的南坡即阳面，对照组平均土壤温度高达40℃以上。样地中出现的20种植物中大部分物种的最适萌发温度为20℃～25℃，35℃以上的高温会影响种子的萌发[15-21]。干草转移显著降低了土壤温度，提高了土壤含水率，这可能是南坡实验区草本植物密度显著提高的原因。干草转移实验设计在草本植物成熟期对平台植物进行刈割，干草转移的同时促进了种子的传播；此外还可提供一定的繁殖体，有助于群落的植物多样性，这也可能是导致干草转移样地表征样地均匀度和多样性的指标——Pielou指数和Shannon指数均高于对照组的原因。

干草转移促进了露天煤矿排土场坡面草本层的重建，改善了边坡表层(0～5cm)土壤及浅层(5cm～10cm)土壤的固持能力和养分条件。植物根系通过淋溶、根际效应等反作用于土壤，土壤有机质含量得到显著提高，促进了边坡土壤养分条件循环，其中草本层植物根系主要分布的0～5cm表层，这一表层的土壤养分条件的改善大于5cm～10cm浅层土壤。

干草转移对土壤理化性质的改善亦有助于边坡植被群落的物种多样性。相关性分析表明，土壤有机质与土壤氮和总磷呈显著正相关关系；土壤总磷与Pielou指数和Shannon指数呈显著正相关关系。由此表明，生境条件的改善是通过植物—土壤的相互作用过程积累而成的。

综上所述，典型半干旱草原区露天煤矿开发排土场干草转移技术可有效改善边坡土壤的生境条件，提高土壤的养分条件，促进了植被草本层的恢复，对控制排土场边坡表层水土流失、提升群落稳定性具有重要的示范意义。