种草基质对木里矿区植被恢复效果的影响

乔千洛，杨文权，赵 帅，傅文慧，柴港宁，鱼杨华，蔺宝珺，李希来，寇建村

（1. 西北农林科技大学草业与草原学院, 陕西 杨凌 712100；2. 西北农林科技大学生命科学学院,陕西 杨凌 712100；3. 青海大学农牧学院, 青海 西宁 810016）

青海省木里煤田地处海拔较高、生态条件恶劣的高寒草甸区，采煤的矿坑、堆积的矿渣和煤场等使矿区草场成为一种极端裸地，严重威胁当地生态环境安全[1]。由于自然条件恶劣、气候寒冷、微生物活动微弱，土壤形成和植被生长均存在很大困难，致使高寒矿区生态系统不可能短期恢复或很难恢复到原有的自然状态[2-3]。而建植人工植被可通过加速矿区土壤熟化过程，增加土壤有机质和营养物质含量，改良土壤结构，提高保水、固土、保肥能力等，进而加快矿区生态环境修复[4-5]。因此，通过人工种草重建矿山废弃地植物群落，是矿区植被的有效措施之一[6]。

目前，国内外对矿区渣山植被恢复重建的研究多集中在低海拔地区，主要采用客土改良土壤作为种草基质[7]，而对高寒矿区植被恢复的研究很少[1-3]。一般高寒矿区地处偏远、土源缺乏，从外地运土成本较大，因而渣土经简单改良后直接种草是最方便实用的矿区植被恢复方法[2,8]。虽然矿渣中有机碳含量较高，但由于其难转化成植物可利用养分，造成植物很难从矿渣中获得满足其稳定生长的养分，渣土直接种植植物生长受限[1,9]。因此，探究适宜种草基质，对高寒矿区植被可持续恢复具有重要意义。

渣土添加有机肥作为种草基质是高寒矿区经济实用的方法。研究表明，有机肥不仅能为微生物提供足够底物，加速土壤有机碳矿化及有机物料腐解，改善土壤理化状况及生物特性；还可增强土壤的保肥、供肥和缓冲能力，为植物提供长效肥力[10]。因此，在矿区种草时，施用有机肥是改善渣土养分供应和土壤质量的重要途径，也可起到改善土壤物理性质，促进矿区真正土壤基质的形成。在木里矿区周边，羊板粪作为重要有机肥源，资源丰富、价格便宜，用来改良渣土经济实惠[8]；同时，商品有机肥经充分熟化，养分更全面，在改善渣土结构和肥力方面也具有重要作用。但关于渣土种草、渣土 + 羊板粪/颗粒有机肥、渣土 + 羊板粪 + 颗粒有机肥作为种草基质的比较研究尚无报道。本研究以木里矿区草地为对象，通过定量分析渣土基质种植不同年限及渣土中添加羊板粪、颗粒有机肥的植被和土壤恢复效果，探究适宜高寒矿区植被恢复的种草基质，为高寒矿区的植被恢复提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青藏高原东北端的祁连山中段南部地区的青海木里江仓矿区， 99°27′～99°35′ E，38°02′～38°03′ N。该地区年最高气温为19.8 ℃，最低气温可达-36 ℃，年平均气温-5.1～-4.2 ℃。年平均降水量约500 mm，蒸发量1 418 mm，降水主要集中在7 月-9 月，降雪集中在1 月-5 月。矿区四季多风，夏季盛行东南风，冬季盛行西北风，年平均大风日数30 d。海拔3 800～4 000 m，周边主要草地类型为高寒沼泽湿地和高寒草甸，属于多年冻土区，优势种为藏嵩草(Koeleria tibetica)、青藏薹草(Carexmoorcroftii)等。由于长时间、大规模的煤矿开采，高寒草甸和湿地遭到严重破坏，造成生态系统失衡、地下水污染等环境问题，也对当地牧民的生产生活造成了严重影响。

1.2 试验处理

试验地包括5 个种草1 年的试验处理(ZC11-平地渣土、ZC12-平地羊板粪、ZC13-有机肥、ZC14-坡地羊板粪 + 有机肥、ZC15-平地羊板粪 + 有机肥)及4 个渣土直接种草后第6 年的试验处理(BP61-路边陡坡地、BP62-路边缓坡地、ZC61-平地、ZC62-平地追氮肥) (表1)和两个天然草地(TR1 高寒草甸、TR2 高寒湿地，均为平地)。草种均为同德短芒披碱草(Elymus breviaristatus‘Tongde’)、同 德 小 花 碱 茅(Puccinellia tenuiflora‘Tongde’)、 青 海 中 华 羊 茅(Festuca sinensis‘Qinghai’ )、青海冷地早熟禾(Poa crymophila‘Qinghai’)、青海草地早熟禾(P. pratensis‘Qinghai’)，播种量混合比例(重量比)为1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1，坡地草种播种量240 kg·hm-2，平地草种播种量202.5 kg·hm-2。各试验地播种方法如表1 所列。另外，ZC62 在2019 年至2021 年的每年7 月施尿素一次，用量22.4 g·hm-2。ZC11、ZC12、ZC13 和ZC62 小区面积4 m × 5 m，3 次重复；其余处理均在矿区大面积恢复区(恢复区采用的种草技术和方法由高原生态修复创新团队提供)取样。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3 测定指标与方法

1.3.1植物样品

在2021 年8 月中旬，测定植物群落相关指标，高度为草层高度，重复20 次；每小区用样方法(1 m ×1 m)测定植物盖度、密度、生物量，3 次重复；大面积恢复区处理样方重复6 次取样；将样方内的植物齐地面刈割，带回实验室，65 ℃烘干，测地上生物量。

1.3.2土壤样品

2021 年8 月中旬，用土钻采集样方内 0-15 cm的土壤样本，每个测定植物群落的样方周围，根据植物生长均匀度情况，随机取9～12 钻混为一个土样，阴干，用于测定相关指标。对应植物群落调查，每小区3 个混合土样，其余大面积恢复区处理，6 个混合土样。有机质采用重铬酸钾-硫酸氧化法；全氮采用浓硫酸消煮-蒸馏法测定；NH4+-N 和NO3--N 采用1 mol·L-1KCl 浸提，连续流动注射分析仪测定；全磷采用HClO4-H2SO4消煮后，分光光度法测定；全钾采用HF-HClO4消煮后，火焰光度法测定；速效磷采用NaHCO3浸提后，分光光度法测定；速效钾采用NH4OAc 浸提后，火焰光度法测定；用酸度计测定pH[11]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 处理数据，SPSS 22.0 进行 oneway ANOVA 方差分析、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种草基质的植物群落结构特征

种草第1 年各处理优势草种均为当年播种的草种(表2)，施用羊板粪的处理中偶有灰绿藜(Chenopodium glaucum)出现；种草第6 年样地除了优势植物短芒披碱草、草地早熟禾外，还出现了甘肃马先蒿(Pedicularis kansuensis)，但植物种类远低于高寒草甸的，高寒湿地植物种类主要为青藏薹草(Carex moorcroftii)和双柱头藨草(Scirpus distigmaticus)。

表2 不同种草处理的植物种类和生物结皮盖度Table 2 Plant species, soil biological crust species, and coverage of grass-planting treatments

种草第1 年各样地均未出现生物结皮；种草第6 年除了路边陡坡地外，均有结皮生物发育，尤其是路边缓坡地生物结皮盖度高达25% (表2)。

种草第1 年处理除渣土直接种草处理外，其余处理草的盖度均在80%以上；种草第6 年处理中，追肥处理盖度最高达88%，其余处理低于20%，且BP61 显著低于 ZC61、BP62 (P＜ 0.05)。高寒草甸盖度为70%，高寒湿地盖度为90% (表3)。

种草第1 年处理草层高度均低于种草第6 年。种草第1 年处理中，渣土直接种草的处理植物草层高度最小，显著低于(P＜ 0.05)除ZC14 外添加羊板粪和有机肥的各处理，同时，羊板粪加有机肥处理中平地植物又高于坡地，施用有机肥处理低于羊板粪处理；种草第6 年处理中，追肥处理植物高度最高，为53.8 cm，显著高于(P＜ 0.05)其余处理；高寒草甸和高寒湿地草层高度分别为20.3、30.2 cm (表3)。

种草第1 年处理和高寒湿地植株密度均较高。种草第1 年，渣土直接种草的处理密度为0.655 万株·m-2，羊板粪、有机肥施用的处理植株密度均在1 万株·m-2以上；种草第6 年处理植株密度大幅降低，但追肥后植物密度提高，为0.132 万株·m-2，路边陡边坡处理密度约0.003 万株·m-2，其余两个处理在0.02 万株·m-2左右(表3)。

种草第1 年处理中，添加有机肥、羊板粪的植物生物量均较高，渣土直接种草处理生物量显著低于(P＜ 0.05)各处理；种草第6 年处理中，追肥处理生物量最高，为395.1 g·m-2， ZC61、BP62 约120 g·m-2，显著高于BP61 (P＜ 0.05)；高寒草甸和高寒湿地植物生物量分别为257.0、189.9 g·m-2(表3)。

表3 植物群落特征Table 3 Vegetation characteristics of individual plots

2.2 不同种草基质土壤pH 及养分含量

所有处理中，除了路边缓坡地外，土壤pH 均偏碱性。高寒草甸pH 为8.76，高寒湿地为7.60。种草第1 年各处理中，ZC11 土壤pH 最低，显著低于其余处理(P＜ 0.05)；BP62 最低，和所有处理差异显著。换言之，种草第1 年，无论单施还是同时施用羊板粪和颗粒有机肥均使土壤pH 显著升高；渣土种草第6 年处理中，除缓坡地种草处理外，其余各处理pH 均升高(图1A)。

煤矿区土壤有机质含量普遍较高，除BP61 外，各处理均大于80 g·kg-1。TR1、TR2 、BP62 土壤有机质含量很高(＞ 149 g·kg-1)，显著高于除ZC15 外的所有处理；种草第1 年各处理中土壤有机质含量ZC15、ZC14、ZC12、ZC13 显著高于 ZC11 (P＜ 0.05)。说明种草第1 年在渣土中添加颗粒有机肥、羊板粪，可以使土壤有机质显著增加；除了路边陡坡地外，渣土随种草年限的增加，土壤有机质含量增加(图1B)。

ZC14、ZC15 处理土壤全氮含量显著高于其他处理，ZC11 全氮含量最低，且和其他各处理差异显著；种草第6 年各处理中，全氮含量BP62 显著高于各处理(P＜ 0.05)， ZC61 显著高于BP61 (P＜ 0.05)，除BP62 外，各处理均显著低于(P＜ 0.05)高寒草甸、高寒湿地全氮含量(图1C)。说明种草第1 年在渣土中添加有机肥、羊板粪，可以提高土壤全氮含量；渣土随种草年限的增加，土壤全氮含量增加，而陡坡地增加幅度较小。

图1 不同处理土壤pH、有机质、全量和速效养分含量Figure 1 Soil pH, organic matter, total and available nutrients of the treatments

TR1、ZC61 全磷含量最低，约0.20 g·kg-1，远低于其余处理；种草第1 年各处理中，ZC11 全磷含量最低，与各处理差异显著；ZC12、ZC13、ZC14、TR2全磷含量居中，相互间差异不显著(P＞ 0.05)；ZC15、BP61、BP62、ZC62 全磷含量显著高于其余处理(图1D)。说明渣土中添加羊板粪、颗粒有机肥可使土壤全磷含量显著升高，两者同时施用效果更明显；种草第6 年各处理边坡地和平地追肥处理，土壤全磷含量高；平地渣土种草第6 年全磷含量较低，接近天然高寒草甸全磷含量。

TR1、BP62 土壤全钾含量最低，两处理无显著差异(P＞ 0.05)，但均显著低于其余各处理(P＜0.05)；TR2 全钾含量居中，和多数处理差异显著；种草处理中，BP62 全钾含量最低，显著低于其余各处理，其余处理全钾含量无显著差异。说明除了缓坡地种草第6 年处理外，其余各处理全钾含量均显著高于天然高寒草甸和高寒湿地；在种草第1 年各处理中，渣土中添加有机肥、羊板粪对土壤中全钾含量无影响；缓坡地种草后第6 年，与周围高寒草甸土壤全钾含量无显著差异(图1E)。

所有处理中，BP62 速效氮含量最高(19.4 mg·kg-1)，远高于其余各处理。在种草第1 年各处理中，速效氮含量ZC14 ＞ ZC15 ＞ ZC12、ZC13 ＞ ZC11，差异显著(P＜ 0.05)；种草第6 年各处理间速效氮含量BP62 ＞ZC62 ＞ BP61、ZC61，差异显著(P＜ 0.05)；天然草地TR1 和TR2 速效氮含量较低，与种草第1 年的ZC12、ZC13 间无显著差异(图1F)。说明在种草第1 年，渣土中添加有机肥、羊板粪可显著提高土壤中速效氮含量，同时施用效果更好；陡坡地和平地种草后第6 年，与周围高寒草甸土壤速效氮含量无显著差异；平地种草后追施氮肥使土壤速效氮含量增加。

ZC62 速效磷含量最高(56.7 mg·kg-1)，远高于其余处理。在种草第1 年各处理速效磷含量ZC15 最高，显著高于其余处理(P＜ 0.05)， ZC12、ZC13 和ZC14 之间差异不显著(P＞ 0.05)，但显著高于ZC11(P＜ 0.05)；种草第6 年各处理间速效磷含量差异达显著水平(P＜ 0.05)，呈ZC62 ＞ BP61 ＞ BP62 ＞ ZC61；天然草地TR1 和TR2 速效磷含量较低，分别为2.4 和1.8 mg·kg-1(图1G)。说明在种草第1 年，渣土添加有机肥、羊板粪种草较渣土直接种草处理速效磷含量高；种草第6 年，陡坡地土壤速效磷含量高，缓坡地和平地速效磷含量低，而平地种草后追施氮肥会使土壤速效磷含量大幅增加。

速效钾含量以ZC15 最高(736.2 mg·kg-1)，显著高于其余各处理(P＜ 0.05)。在种草第1 年处理中，速效钾含量ZC15 ＞ ZC14 ＞ ZC12 ＞ ZC13 ＞ ZC11，各处理间差异显著(P＜ 0.05)；种草第6 年各处理间速效 钾 含 量 差 异 显 著(P＜ 0.05)，呈ZC62 ＞ BP62 ＞BP61 ＞ ZC61；天然草地TR1 和TR2 速效钾含量分别 为68.2 和129.3 mg·kg-1(图1H)。说 明 在 种 草 第1 年，渣土添加颗粒有机肥、羊板粪较渣土直接种草处理速效钾含量大幅提高，两者同时施用效果更好；种草第6 年，陡坡地较缓坡地土壤速效钾含量低，平地种草追施氮肥使土壤速效钾含量大幅增加。

2.3 植物群落特征和土壤肥力指标的相关性

植物群落特征和土壤肥力指标的相关性分析(表4)表明，土壤全氮、速效钾含量分别与植物密度、地上生物量显著正相关(P＜ 0.05)，而其他指标之间无显著相关性(P＞ 0.05)。

表4 植物群落特征和土壤肥力指标的相关性Table 4 Correlation between plant community characteristics and soil fertility index

3 讨论

3.1 渣土种草对矿区植被恢复的影响

本研究表明，渣土直接种草第1 年植物盖度为50%，而在渣土直接种草第6 年，植物盖度下降至20%以下，植物密度和生物量也都大幅下降。这是因为高寒矿区渣土可供给植物生长的养分缺乏，土壤中虽然有机物质含量较高[12]，但是由于气温低、微生物活动弱，有机物质矿化速度慢，速效养分含量低[3,13]，随着种草年限的增加，人工建植的植物群落，由于养分不足，退化严重[14]。但值得注意的是植株高度增加，究其原因，第1 年草的生长时间较短(7 月初发芽，8 月中旬测量时只生长了1 个半月)，植株低矮，没有形成生殖枝，而在种草多年后，植物形成较多的生殖枝，这也是虽然植物群落盖度急剧下降，但生物量下降幅度相对较慢的重要原因。在平地渣土上直接种草第1 年和第6 年相比，随着种草年限的增加，土壤有机质、全氮含量增加，这可能是因为渣土种草后，植物根系分泌物、枯落物输入土壤，增加了有机质和全氮含量[15]，但速效养分并没有得到改善，导致了植物群落严重退化。

本研究表明，高寒矿区种草后，土壤全氮、速效钾含量分别与植物密度、地上生物量显著正相关，而其他指标间均无显著差异。而金立群等[9]研究表明，速效氮与植物生物量、高度、盖度，土壤有机质含量与生物量均显著正相关。这可能和本研究中大部分试验处理为种草第1 年，种草基质中添加了较多的有机质(如颗粒有机肥、羊板粪)，以及播种时种肥(牧草专用肥)的加入，影响了土壤指标与指标植被之间的真实相关性。

随着种草时间的推移，人工种植的植物群落发生退化，甘肃马先蒿、生物结皮出现。甘肃马先蒿是玄参科一年或二年生草本植物，具有强大的种子繁殖能力和集群分布形式，是高寒地区栽培草地退化出现的先锋植物[16]。生物结皮由土壤中的真菌、细菌、藻类和苔藓等将土壤颗粒与细丝或根状结构缠绕在一起，与多糖渗出物粘合，形成固结的表面结皮，可稳定土壤免受侵蚀[17]。生物结皮后可改善土壤条件，影响土壤水文、生物化学(碳和氮固定)、养分循环、理化性质、维管植物的萌发和生长过程，有利于生态系统的发育和养分循环，可为植物的恢复和存活提供良好条件[18]。本研究中，缓坡地种草第6 年的样地中生物结皮盖度高达25%，可能也是该样地中土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效钾含量显著(P＜ 0.05)高于平地种草第6 年样地的重要原因；另外，种草6 年平地样地中也有生物结皮明显发育，也说明生物结皮是高寒矿区生态修复的重要过程，应重视其在土壤修复和生态系统恢复中发挥的重要作用[9]。

3.2 坡度对矿区植被恢复的影响

陡坡地种草植物群落退化严重，土壤肥力低，没有生物结皮出现，植物生长的表层基质稳定性很差；而缓坡地则相反，随着种草年限增加，土壤肥力增加，甚至高于平地，地衣、苔藓等盖度达25%，加上其他植物15%的盖度，植物群落整体盖度高达40%，植物生长环境表层稳定性大大提高。因为矿区种草植物群落的稳定性与种草的地势密切相关，坡度太大，种床稳定性差，加上矿区风大、降水量较集中，土壤侵蚀严重[12]，土壤肥力有限，植物群落快速退化[19]。本研究中为了减少坡面侵蚀对植物群落的影响，在建植栽培草地群落时，坡面上每隔一定距离设排水沟；同时，加大颗粒有机肥和种子的用量，即较平地多施用了颗粒有机肥3 750 kg·hm-2，多播种子37.5 kg·hm-2。即使这样，坡地的植物生长情况、土壤肥力仍和平地持平或较差。

值得注意的是，本研究中缓坡地处理植物群落和土壤肥力优势明显，甚至优于平地种草处理。究其原因，第一，可能是在废弃渣土塑形，准备种草的过程中，形成的此缓坡养分条件较好；第二，此路边坡的上方是大面积被平整后种草的区域，在江仓经常下雨造成水土流失[1]，此坡地形刚好是平地地表水流过的地方，因此，在降雨过程中，从平地雨水冲刷带来的土质较细渣土、速效养分等在此缓坡滞留；第三，盖度高达25%的生物结皮在土壤养分供应和保持方面起到了重要作用。

3.3 肥料类型对矿区植被恢复的影响

种草第1 年渣土添加颗粒有机肥和羊板粪，各处理pH 升高。这是因为有机肥添加可显著提高氮的利用率，从而降低土壤 NO3-含量，增加土壤 pH。有机碳也是调控土壤 pH 的关键因子，添加有机肥后有机碳的有效性增加，刺激了还原性硝酸盐的反硝化过程及有机质中高碱度灰分的中和作用，这均使土壤 pH 增加[20]。

施用颗粒有机肥、羊板粪均使基质中有机质、全氮、全磷、速效氮磷钾含量提高，植物高度、密度、生物量、盖度均大幅度提高。因为有机肥添加可增加土壤微生物的可利用碳源，促进它们的新陈代谢和繁殖，从而促进土壤酶活性的增加，可显著提高土壤 β-1,4-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和L-亮氨酸氨基态酶等碳氮转移酶活性，从而提高土壤碳、氮养分利用率，促进植物生长[10]；施用有机肥有助于改善土壤结构，提高土壤的保水、保肥能力，改善土壤的理化性质，为土壤微生物和动物群体的生长提供了更好的环境，进而加速了它们对有机物的分解[21]，而有机肥中的有机物矿化过程缓慢，损失小，容易在土壤中存留，从而提高土壤有机质和养分含量[10]。

有机肥的施用量和效果与施用方式密切相关。通常单独施用与本研究相同量的羊板粪或颗粒有机肥即可取得很好的效果[10]，两种有机肥同时施用会导致严重烧苗(前期青海大学试验地预试验结果表明)。但是在本研究所在的江仓矿区，无论是单独施用，还是和颗粒有机肥一起配施，都促进了植物的生长，尤其是羊板粪和颗粒有机肥一起施用对促进植物生长和改善土壤肥力方面优势明显。这可能与矿渣不是真正意义上的土壤，微生物数量有限[22]，加上气候寒冷、微生物活动微弱、养分释放缓慢有关[13]，具体原因还需进一步研究。这也说明为了延缓人工建植植物群落的退化，尽快促进真正土壤的发育和形成，施用双有机肥是构建高寒矿区种草基质行之有效的方法，可为植物群落提供相对稳定的养分，2021 年使用该方法也成功修复了近3 万hm2木里矿区。

此外，本研究中，施用尿素提高土壤氮素养分含量，促进植物生长。这是因为：第一，尿素能在水中解离出正负离子的盐，如碳酸氢铵、碳酸铵、铵态氮、硝态氮等，可提供植物吸收的速效氮养分，促进植物细胞的分裂和生长，加快植物生长发育，也在一定程度上促进根系代谢，增加根系分泌物，促使微生物繁殖[23]；第二，土壤微生物活动需要一定的碳氮比[13]，矿区渣土直接种草其基质中有机碳含量较高[12]，而氮素的加入改善了植物生长环境中的碳氮比，更有利于微生物的活动，加快土壤有机物质的矿化，改善土壤养分供应[24]；第三，施氮增加了地上植物生物量，使土壤有机碳的输入量增加，可补偿由施氮引起的地下碳矿化引起的土壤有机质减少, 最终表现为使土壤有机质增加[25]。在本研究中，平地渣土直接种草，每年追施一次尿素处理土壤有机质、速效氮磷钾含量均高于不追肥样地，可为植物提供更多速效养分，从而增加了植物群落盖度、高度、密度和生物量，而渣土直接种草植物群落退化严重。因此，在木里矿区渣土含有一定的有机碳而矿化速度慢的情况下，适当添加氮肥可能会促进有机物质矿化，有利于人工建植植被的稳定和土壤肥力的提高。

4 结论

渣土 + 颗粒有机肥/羊板粪种草，可提高矿区土壤养分含量，促进矿区植物群落生长；颗粒有机肥和羊板粪同施效果优于单施；虽然种草可改善渣土性质，但随种草年限增加，渣土直接种草群落逐渐退化；追肥、羊板粪和颗粒有机肥，可改善种草基质肥力状况，提高植被恢复效果；种草前将渣山改造成较低坡地，可明显提高矿区植被恢复效果。渣土/渣山塑形(坡度 ＜ 30°) + 有机肥/羊板粪，是研究区较适宜的植被恢复基质。