榆林沙区煤矸石平台植被恢复优化模式研究

李军保，赵国平，董 强，郜 超，张继平，赵晓彬

(陕西省林业科学院；黄土高原水土保持与生态修复国家林业局重点实验室，西安 710082)

煤矸石是目前我国排放量最大的工业固体废弃物之一，约为煤炭开采量的10%～20%[1]，煤矸石山是煤矿采选过程中产生的含炭岩石及其他岩石等固体废弃物的集中排放和处置场所。榆林位于毛乌素沙地东南缘，处于多层次生态过渡带，生态环境十分脆弱，是全国唯一的国家能源化工基地陕北能源化工基地的重要组成部分。近年来，随着陕北能源化工基地建设，煤炭开采量快速增加，榆林矿区煤矸石排放量每年不低于600万吨，且每年仍以10%～15%速度在增加[2]，已形成10 hm2以上矸石山达400多个[3]，大量煤矸石长期堆放，不仅侵占大量林地资源，而且经过自燃、风化及淋溶，对大气、土壤、地下水资源等生态环境造成严重污染，直接威胁到矿区及周边居民生活和农牧业生产。煤矸石植被恢复是煤矸石山治理最有效、最经济、最持久的措施。长期以来，专家学者对煤矸石山人工促进植被恢复与重建技术进行了大量的研究，主要集中在黄土区[4-6]、黑土区[7-8]，对半干旱风沙区煤矸石山植被恢复研究较少，以往的研究多为对自然条件或人工干预条件下植被恢复的单一方面研究[9-11]。为了探求煤矸石山植被恢复的综合效益，本研究从树种、保水剂、穴底处理3个影响植被恢复的因素设计正交试验，拟筛选出煤矸石山植被恢复的最佳方式，进而提高煤矸石山植被重建造林质量，以期为半干旱风沙区煤矸石山的人工植被恢复与重建提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地南缘的陕西省神木市大柳塔镇，地貌类型为风沙草滩区，属中温带半干旱大陆性季风气候，该区四季分明，昼夜温差大，最高气温38.9 ℃，最低气温-24.0 ℃，年均气温8.1 ℃，年均降水量414.1 mm，降水主要集中在7-9月份，年均蒸发量1 199.2 mm，无霜期150 d左右，海拔1 085～1 105 m，平均风速2.3 m·s-1，冬春季节盛行西北风，夏秋两季以东南风为主，土壤主要为风沙土。

2 研究方法

2.1 试验材料

结合当地自然条件，选用榆树(Ulmuspumila)3 a生裸根苗，沙地柏(Sabinavulgaris)2 a生营养袋苗，火炬树(Rhustyphina)2 a生裸根苗，紫穗槐(Amorphafruticosa)1 a生裸根苗。保水剂选用唐山某公司生产的吸水倍率为400倍农林抗旱保水剂，液态地膜选用陕西某公司生产的绿野地膜(按1∶8兑水稀释)，地膜选用普通塑料薄膜。

2.2 试验方法

供试煤矸石山平整后覆沙土厚50 cm，并搭设2.0 m×2.0 m的低立式沙柳沙障。针对树种、保水剂用量和穴底处理方式3个因素及相应4个水平，选用L16(45)正交试验表安排试验(表1)，共16个处理，每重复10株，每个处理重复3次。栽植穴底部处理后施入保水剂。造林两个月后调查造林成活率，翌年5月调查保存率，生长指标测定树高、地径、冠幅等指标。

表1 正交试验各因素及水平

2.3 数据处理

生长率是林木生长速度的一个相对度量指标，本试验的各试验地相互独立，同一试验地的时间间隔均可看作单位1，因此树高、地径、冠幅生长率计算采用普雷斯勒公式[12]。

Ph=[(h2-h1)×200]/[(h2+h1)×n]

式中Ph表示树高生长率(%)，h1为第1年生长季末树高，h2为第2年生长季末树高；n为2次测定的时间间隔，因每处理前后2次测定的时间间隔相同，故n可以看作单位时间1。

试验数据采用SPSS18.0和Excel2003进行分析处理。

3 结果与分析

3.1 不同因素及水平对造林成活率的影响

不同处理下的造林成活率、保存率有明显差异(表1)，处理4的造林成活率最高，与其他大部分处理间差异显著(P<0.05)，处理7的最小。影响造林成活率的3个因素主次顺序为A(树种)>(C)穴底处理>(B)保水剂，由于偏Eta平方值大小表示主效应的大小，各因素的最优水平为A4、C1、B2，最优理论组合为A4C1B2，即紫穗槐保水剂9 g穴底15 cm黄土，实际处理造林成活率最高组合为A4B3C1，即紫穗槐保水剂12 g穴底15 cm黄土，与理论最优组合基本一致。树种和穴底处理2个因素对造林成活率的影响均达到极显著水平(P<0.01)，A2与A4成活率较高，两者间无显著差异，但2个水平与A1和A3间差异达到极显著水平，C1与其他3个水平均达到极显著水平。保水剂对造林成活率的影响达到显著水平(P<0.05)，B1、B2、B3间无显著差异(P>0.05)，多重比较结果表明A2(A4)、B1(B2B3)、C1组合造林成活率均较高，即沙地柏(紫穗槐)+(保水剂)+穴底垫15 cm黄土组合均可显著提高煤矸石山植被恢复造林成活率(表3和表6)。

表3 试验因数水平对造林成活率影响的方差分析

3.2 不同因素及水平对造林保存率的影响

由表2可知，处理4的造林保存率最高，与其他大部分处理间差异性显著(P<0.05)，处理7的最小；处理3保存率与成活率相差最大达48.89%；影响造林保存率的3个因素主次顺序为A(树种)>(B)保水剂>(C)穴底处理，各因素的最优水平为A4、B1、C1，最优理论组合为A4B1C1，即紫穗槐保水剂6 g穴底15 cm黄土，实际处理造林成活率最高组合为A4B3C1，即紫穗槐保水剂12 g穴底15 cm黄土，与理论最优组合基本一致。方差分析结果表明，3个因素对造林成活率的影响均达到极显著水平(P<0.01)，A2与A4保存率较高，两者间无显著差异，但2个水平与A1和A3间差异达到极显著水平，A3保存率最小，B1、B3保存率较大，两者间无显著差异，C1与其他3个水平均达到极显著水平。多重比较结果表明A2(A4)、B1(B3)、C1组合造林成活率均较高，即沙地柏(紫穗槐)+(保水剂6、12 g)+穴底垫15 cm黄土组合均可显著提高煤矸石山植被恢复保存率。A3平均保存率与成活率相比减少幅度最大，为31.11%，A2、A4变化幅度较小，说明火炬树越冬保存率较小，紫穗槐、沙地柏和榆树保存率较大，对煤矸石山的生态适应性较强(表4和表6)。

表2 正交造林试验结果

表4 试验因数水平对造林保存率影响的方差分析

3.3 不同因素及水平对植物高生长率的影响

不同因素及水平处理对煤矸石山植物高生长率的影响比较明显(表2)，处理2的高生长率最大，为37.12%，处理7的最小；通过方差分析(表5)和直观分析(表6)结果表明，影响植物高生长率的3个因素主次顺序为A(树种)>(C)穴底处理>(B)保水剂，各因素的最优水平为A4、B1、C1，最优理论组合为A4B1C1，即紫穗槐保水剂6 g穴底15 cm黄土，试验处理中无此组合，实际处理造林成活率最高组合为A2B4C1，即沙地柏保水剂0 g穴底15 cm黄土，与理论最优处理组合不一致。方差分析结果表明，树种和穴底处理2个因素对植物高生长率的影响均达到极显著水平(P<0.01)，保水剂对植物高生长率的影响不显著，A2高生长率最大，A3高生长率最小，A因素各水平间差异达到极显著水平， A因素各水平间无显著差异，C1高生长率最大，与其他水平间差异均达到极显著水平，B因素各水平间无显著差异，保水剂对高生长率影响较小，多重比较结果表明A2(A4)、C1(C2)组合植物高生长率均较高，即沙地柏(紫穗槐)+穴底垫15 cm黄土(液态膜)组合均可显著提高煤矸石山植被高生长率(表5、表6)。

表5 试验因数水平对当年高生长率影响的方差分析

表6 苗木成活率、保存率及高生长率比较

4 讨论与结论

树种选择是煤矸石山植被恢复的关键，树种是影响造林成活率、保存率和高生长率的最大因素，A4(紫穗槐)、A2(沙地柏)成活率和保存率较大，均在90%以上，A1(榆树)次之，A3(火炬树)成活率最低，保存率变化幅度最大，是成活率的53.3%，这与孙翠玲等[13]的研究结果有相同之处。同时树种对高生长率的影响是A2>A4>A1>A3，榆树、火炬树由于春季干梢现象，高生长率较低。

穴底处理对造林成活率、保存率和高生长率影响差异显著，C1(穴底15 cm黄土)显著高于其它3个水平处理。说明基质是改良沙地煤矸石山植被恢复的重要保障，穴底垫黄土改良基质，可有效地提高土壤的蓄水和持水性能[14]，有利于提高造林成活率和促进植物生长发育。保水剂因素对造林保存率影响较大，对成活率和高生长率影响较小。

毛乌素沙地煤矸石山植被恢复初期采用紫穗槐(沙地柏)、保水剂(6～9 g)、穴底15 cm黄土的植被恢复措施，可取得较高的生态效益。