干旱区排矸场植物配置模式评价——以神华宁煤集团羊场湾煤矿排矸场为例

郜 超，张继平*，石长春，顾清敏，董 强，贾艳梅，付广军，李军保，马存平

(1.陕西省林业科学院，西安 710000；2.陕西榆林毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站，陕西 榆林 719000；3.黄土高原水土保持与生态修复国家林业和草原局重点实验室，西安 710000；4. 神华宁煤集团羊场湾煤矿，宁夏 灵武 751400；)

煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，其年排放量相当于煤炭产量的10%～15%，煤矸石山植被恢复成为生态修复的重要阵地[1]。神华宁煤集团羊场湾煤矿排矸场位于宁夏回族自治区灵武市境内宁东矿区，地处毛乌素沙地南缘，是能源富集区和生态脆弱区相互作用的典型区域。随着人类活动强度的不断增加，生态环境对采矿的响应更加敏感[2]，煤矸石山的植被恢复与重建迫在眉睫。目前国内关于煤矸石山植被恢复的研究,主要集中于半湿润区的辽宁抚顺[3]、安徽淮南[4]，半干旱区的山西阳泉、长治、灵石和陕北榆林等区域[5-7],而对干旱区沙地煤矸石山植被恢复研究较少，尤其在干旱区排矸场治理可应用的植被恢复模式几乎没有。本研究通过宁煤集团羊场湾煤矿排矸场不同植被恢复措施的比较，分析总结出经济、合理、持续、稳定和高效的植被恢复措施，提出优化植物配置模式，为同地类矿区排矸场生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在神华宁煤集团羊场湾煤矿排矸场，位于宁夏回族自治区灵武市宁东矿区，地理坐标：N37°59′2.5″；E106°35′19″。海拔1 123～1 350 m，地处毛乌素沙地边缘，属温带干旱、大陆性季风气候区，主要风向为西——西北，风力最大可达8级，一般为4～5 级，平均风速3.1 m·s-1，最大风速20 m·s-1，春季时有沙暴；年平均气温为8.8 ℃，年最高气温为41.4 ℃，年最低气温为-28.0 ℃；降水多集中在7-9月，多年降水量80.1～352.4 mm，平均255.2 mm，蒸发量最大2 303.3 mm，最小1 508.8 mm。

2018年8月2日至2020年4月22日试验点降水量328 mm，试验所覆土壤为排矸场周边质地较粗、石砾含量高的灰钙土，持水能力较差，有机质含量(22.85±14.95) g·kg-1。试验点周边自然植被有柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、冰草(Agropyroncristatum)、白茎盐生草(Halogetonarachnoideus)和针茅(Stipacapillata)等；干旱和风蚀是该地区两个严重的自然灾害。

1.2 排矸场植被恢复试验设计

排矸场平台结构松散、结持力差，极易遭受风蚀和水蚀的危害[8]，植被恢复以保土、防风蚀、水蚀为主要目的，同时考虑美化功能。植被恢复试验采取以植物措施为主，结合相关工程措施。试验示范区2018年3月中旬开始实施，4月底完成，设计了4种排矸场平台植被恢复试验，每种试验区面积0.7 hm2，共计2.8 hm2。试验区全部用黄土覆盖煤矸石，厚度50 cm，立地条件基本一致。

1.2.1 乔灌草种植 整平覆土，然后栽植榆树(Ulmuspumila)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、柠条、紫穗槐(Amorphafruticosa)、柽柳(Tamarixchinensis)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、羊柴(Hedysarumlaeve)、沙地柏(Sabinavulgaris)、蒙古扁桃(Amyadalusmongolica)、黄刺玫(Rosaxanthina)、沙蒿、蒙古莸(Caryopterismongholica)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、榆叶梅(Amygdalustriloba)、草木樨(Melilotusofficinalis)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等乔木、灌木和草本植物。株行距乔木2.0 m×2.0 m，灌木1.0 m×1.0 m，草本0.2 m×0.2 m，穴播，灌溉采用微喷灌。

1.2.2 柴草网格障蔽+直播灌草植物种 整平排矸场平台覆土，搭设半隐蔽式柴草(以稻草为主)网格障蔽，规格1.0 m×1.0 m，障蔽网格内条播柠条、花棒(H.scoparium)、羊柴、紫花苜蓿、草木樨、蒙古冰草和沙蒿等耐旱型乡土灌草种子，依靠天然降水恢复植被。

1.2.3 直播灌草植物种 整平覆土，然后条播柠条、花棒、羊柴、紫花苜蓿、草木樨、蒙古冰草和沙蒿等耐旱型乡土灌草种子，依靠天然降水恢复植被。

1.2.4 黄土覆盖自然恢复 依靠土壤种子库和天然降水恢复植被。

1.3 排矸场乔灌草植物配置模式试验

根据各植物种生物生态学特性、植株高矮、根系深浅、花期花色以及抗逆性等特性设计了20种植物配置模式试验(表1)。选择耐干旱、耐瘠薄、抗风蚀、水蚀能力强、枝叶茂密、根系发达、易繁殖、生长快、萌蘖力强、低矮的灌草植物为主要防护树种[9、10]。供试苗木要求健壮、无病虫害，1～2年生苗。供试植物种子为当年采收的Ⅱ级种子，栽植时间3月下旬至4月中旬。

1.4 数据处理

对乔灌草植物配置20种模式，选用第二年乔灌植物高度、冠幅、地径、保存率等4个指标进行TOPSIS法建模，即在同趋化和归一化数据的基础上，构造规范化的决策方案矩阵，在现有的决策方案中找出最优方案和最差方案，并以最优向量和最劣向量来表示。计算评价对象所形成的可行决策方案与最优方案和最差方案的距离，最后用相对接近程度作为评价的依据进行比较排序[3]。

1.5 调查时间与方法

调查时间 ：2018年8月底；2019年8月底。

调查方法：植物高度指植物自然状态下最高点到地面的垂直距离；冠幅指苗木南北和东西两个方向宽度之积；高度、高生长、冠幅使用钢卷尺测量。地径指苗干靠近地表处的直径，使用电子游标卡尺测量。

2 结果与分析

2.1 排矸场不同植被恢复措施效果比较

2.1.1 乔灌草种植恢复措施 由图1可知，梭梭、柠条、紫穗槐、沙枣、羊柴、蒙古莸、柽柳2019年冠幅比2018年分别增长了18.33、5.53、3.09、1.40、1.66、1.28、0.83倍，黄刺玫与沙拐枣增长幅度最小，分别为0.17、0.19倍。

图1 植物当年与次年冠幅对比情况

由图2可知，梭梭、柠条、羊柴、紫穗槐、沙枣2019年高度比2018年分别增长了1.02、0.85、0.73、0.52、0.35倍，其它植物增长幅度不大。

图2 植物当年与次年高度对比情况

由图3可知，梭梭、羊柴、柠条、沙拐枣、紫穗槐2019年分别比2018年地径增长了2.80、1.23、1.07、0.78、0.56倍，榆树、沙地柏增长不明显。

图3 植物当年与次年地径对比情况

2.1.2 柴草网格障蔽+直播灌草植物种 由图4可知，网格障蔽内直播的灌草植物生长高度2018年6.0～17.1 cm，2019年27.8～39.6 cm，沙蒿、羊柴、柠条增长幅度分别为21.7、1.57、1.32倍。柴草网格障蔽造价低，保水保温，在植物生长前期发挥防护功能，后期柴草腐化，有利于增加土壤有机质和植物生长。

2.1.3 直播灌草植物种 由图4可知，直播灌草植物2018年生长高度9.7～15.8 cm，2019年18.9～26.2 cm ，沙蒿、羊柴、柠条增长幅度分别为1.92、0.9、0.66倍。

图4 灌草播种当年与次年生长情况

2.1.4 黄土覆盖自然恢复 排矸场平台覆土后，依靠土壤种子库种子自然恢复植被。2 a后，试验区已有白茎盐生草、柽柳、甘草、沙蒿、五星蒿、画眉草、苦豆子等先锋植物种繁衍生长，植被覆盖度达15%以上。通过样线法(10条样线，每条样线10 m)对其植被群落结构特征分析，白茎盐生草是该群落绝对优势种(图5)。白茎盐生草具有较强的吸收聚盐作用，从而降低土壤盐碱度，达到改良土壤的作用。

图5 植被自然恢复中植株数量变化

2.2 排矸场乔灌草植物配置模式评价分析

表2 配置模式调查数据统计表

根据综合评价值排序(表3)可知前9种配置模式各植物长势良好，与实际情况相符，尤其是排序前4种配置模式2019年冠幅增幅明显，由图6可知，模式十四柠条、柽柳分别比2018年增长了4.16、1.53倍，模式六紫穗槐、柠条、柽柳分别比2018年增长了3.50、4.43、0.64倍，模式二紫穗槐、柠条分别比2018年增长了3.88、4.05倍，模式七沙枣、紫穗槐分别比2018年增长了2.79、4.32倍，冠幅显著的增幅，缩短了植被恢复周期，提高了防护效益。

表3 配置模式综合评价排序

图6 四种配置模式冠幅对比

3 结论与讨论

3.1 结论

神华宁煤集团羊场湾煤矿排矸场植被恢复重建试验研究表明，植被恢复与重建是干旱区排矸场生态修复的主要技术措施，经济实用，可操作性强，可以在同类地区推广应用。黄土覆盖+乔灌草种植措施是排矸场植被恢复的最佳技术措施，适当辅助一定面积的自然恢复措施效果更好；黄土覆盖+柴草网格障蔽+播种耐旱型灌草植物种措施可在风蚀较严重的排矸场平台上应用；黄土覆盖+直播耐旱型灌草植物种措施可在排矸场平台缺水、少水的条件下应用。筛选出干旱区排矸场四种乔灌草优化植物配置模式：柽柳+柠条、紫穗槐+柠条+柽柳、沙枣+紫穗槐+紫花苜蓿+蒙古冰草、紫穗槐+柠条，配置模式中的植物种源丰富、种苗价格便宜、育苗造林技术简单、有的还具有固氮和杀虫能力等优点[11]，快速的生长对排矸场平台的植被恢复起到了促进作用。

3.2 讨论

煤矸石山综合治理技术模式与实践，安永兴[12]等通过对山西某矿务局煤矸石山综合治理工程案例进行分析探讨验证，表明浅层喷射注浆灭火与客土喷播恢复植被是煤矸石山综合治理的有效模式。本研究对干旱区平台综合治理提出乔灌草综合治理措施，并分析得出优化植物配置模式。我国煤矸石山治理现状及发展，李斌[13]等针对煤矸石山一般采取覆盖绿化和直接绿化。直接绿化将植物直接栽种于矸石山表面，对矸石的成分、风化程度和植物种类要求较高。覆盖绿化则在矸石山表面覆盖土层、粉煤灰等，优点是改善植物生长环境，成活率较高。本研究首先对煤矸石山进行覆土，然后采取乔灌草治理等措施，进行植物优化配置田间试验，达到低成本、高成效的治理效果。陕西北部生产建设项目扰动区植被配置，张维静[14]搜集北方常见水土保持植物种对半干旱区(陕北矿区)煤矸石山平台进行了乔灌草配置设计研究，没有进行田间试验。本研究针对干旱区煤矸石山平台综合治理技术模式进行了田间试验研究，并总结提出最优植物配置模式。

从排矸场平台植物防护效益来看：较小的株行距，能够很快起到防护作用。植物配置模式选用的柠条、柽柳、羊柴等根系分布较深，紫穗槐、蒙古莸、沙地柏等根系分布较浅。深根植物与浅根植物混交，可形成不同层次的地上地下结构，这样既保证了配置模式有较好防护作用，又提供了植物较多的营养面积，实现半灌木与灌木、浅根与深根相结合，减少水分及养分竞争，植物之间相互补充，保证了人工植被的稳定性。同时，配置模式中植物的花色、花期、叶色、高矮各异[15]，相间搭配，起到了防护、美化的双重效果。