不同栽植方式下釆煤沉陷区植被恢复与土壤养分变化特征

程红刚,李 鹏,樊晓华,雷文坛,岳本江,张国财

(1.西安黄河规划设计有限公司,陕西 西安 710021;2.临潼黄河职工疗养院,陕西 西安 710021; 3.东北林业大学,黑龙江 哈尔滨 150040)

伊金霍洛旗(以下简称“伊旗”)位于毛乌素沙地东北端,黄河流域内蒙古自治区鄂尔多斯高原东南部,气候类型为干旱半干旱的温带大陆性高原气候,蒸发量大,降水少,日照时间长。土壤为黄壤土,土层薄;地貌起伏大,山体多为砒砂岩。矿采前区域内主要树种有杏树(Prunusarmeniaca)、山杨(Populusdavidiana)、榆树(Ulmuspumila)和少部分沙棘(Hippophaerhamnoides)等,采矿后地形破碎,土壤扰动和损毁严重,土壤肥力与植被覆盖度较低[1-2]。

伊旗矿产资源丰富,伴随矿产资源开发,大量土地资源与植被遭到破坏[3],产生很多的生态治理修复问题,特别是以煤炭为中心,目前已有10多家煤矿停产闭坑,采煤形成的沉陷区急需进行植被恢复[4-5]。因沉陷区土层受损严重,立地条件差,故树种选择、栽植方式和土壤改良就成为植被恢复是否成功的关键[6]。土壤改良方面,一些煤矿已在沉陷区综合治理中运用生物复合肥、生物菌剂、保水剂和化学改良等措施取得了一些成果,但当下对采煤沉陷区植被恢复的研究较少。本研究以伊旗煤矿沉陷区为研究对象,选取不同造林树种和栽植方式进行试验,探究不同栽植方式对造林树种的影响,旨在为加快伊旗采煤沉陷区生态修复、改善周边生态景观环境提供帮助。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与试验设置

试验地块在伊旗采煤沉陷区,试验造林树种乔木有油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica),灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、俄罗斯大果沙棘。栽植方式选择试验,树种选乔木油松和樟子松,栽植方式选取4种:第一种方式是在塑料营养袋中装入养分含量较高的森林土育苗后,直接栽植(营养袋栽植);第二种方式是在客土穴中使用HRC保水剂加50倍的水进行栽植(保水剂栽植);第三种方式是在加腐殖土的栽植穴中直接栽植(客土栽植);第四种方式是沉陷区原土栽植(对照)。4种栽植方式技术规格一致。造林树种选择试验,5种树种油松、樟子松、胡枝子、紫穗槐、俄罗斯大果沙棘均采用客土栽植方式进行造林。2019年春季开始造林,油松与樟子松的株行距相同,均为2 m×2 m,其他灌木为1 m×1 m。生长3 a后,2022年7月进行植物生长情况调查和土壤养分含量测定。

1.2 测定与计算方法

采用样方法进行造林树种的生长状况调查,每组树种设置样方3个,抽样面积50 m×40 m,在此区域内连续调查500株,整理数据计算成活率和冠幅、高度、盖度的平均值[7-8]。

采用3 m×3 m样方进行林下草本植物调查,每组树种设置样方5个,样方等距分布在造林树种样方内,调查草本植物种类、高度和盖度。同时进行土样采集,在每个样方内分别选取样点3个,取土样后混合,将约2 kg的混合土样置于室内阴凉通风处,阴干研磨备用[9-10]。

土壤有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷和速效钾含量按《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)测定(因测定中土壤有效磷含量非常低,数值表征不明显,故未作分析),数据处理分析与绘图釆用SPSS、Excel等软件。

2 结果与分析

2.1 不同栽植方式对造林树种生长的影响

不同栽植方式下造林树种(乔木)3 a后生长指标测定结果见表1。由表1知:对油松来说,保水剂栽植成活率最高,为82.3%,其次是营养袋栽植,成活率为79.5%,客土栽植成活率为65.7%,对照成活率仅40.2%;不同栽植方式按油松高度排序是保水剂栽植>营养袋栽植>客土栽植>对照,保水剂栽植油松高度达到53.6 cm,较对照高11.7 cm,营养袋栽植油松高度和对照比差异也较大,为8.3 cm;不同栽植方式按油松冠幅排序为营养袋栽植>保水剂栽植>客土栽植>对照,营养袋与保水剂栽植油松冠幅分别增加了37.3%和15.9%。综上可知,使用保水剂和营养袋栽植方式油松成活率明显提高,并促进了幼林生长。

表1 不同栽植方式下造林树种3 a后生长指标

由表1知,保水剂与营养袋栽植对樟子松幼苗的生长和成活均有较大促进作用。不同栽植方式中,营养袋栽植樟子松成活率最高,为86.2%,其次是保水剂栽植,成活率为80.1%,客土栽植成活率为68.1%,对照成活率最低,仅为39.4%;不同栽植方式樟子松的高度与冠幅排序均为保水剂栽植>营养袋栽植>客土栽植>对照,在保水剂和营养袋栽植方式下二者相差较小,均明显高于对照。根据以上3项指标得出,樟子松在营养袋栽植方式下生长较好且成活率最高,可应用于伊旗采煤沉陷区植被恢复建设,保水剂栽植也明显促进了樟子松生长并提高了其成活率。

2.2 同一栽植方式下不同造林树种的生长状况

客土栽植方式下5种造林树种(乔灌木)3 a后生长状况见表2。由表2可知,俄罗斯大果沙棘的成活率、盖度、高度和冠幅等指标均优于其他树种。俄罗斯大果沙棘抗逆性强,耐贫瘠,生长快,发芽萌蘖能力强,水平根系发达,且含根瘤菌,与豆科植物一样能改良土壤、有效固氮,短时间内可形成稳定的沙棘群落,不仅改善生境,而且增加经济效益。樟子松和油松的成活率分别是68.1%、65.7%,樟子松的高度、冠幅和盖度明显优于油松,所以客土造林方式下樟子松比油松好。胡枝子成活率仅为51.7%,低于油松,但冠幅、盖度、高度均高于油松,生长状况良好,若采取有效措施提高其造林成活率,也是造林树种的选择之一。各项生长指标最低的是紫穗槐,但客土携带的羊柴(Corethrodendronfruticosum)生长状况较好,统计结果显示,其冠幅34.5 cm、平均高度92.6 cm、覆盖度21.7%,已逐渐替代紫穗槐形成羊柴群落。在采煤沉降区羊柴不但长势好、具有良好的水土保持效果,而且景观价值和经济价值也高。综上表明,采煤沉陷区选择造林树种时,应首选俄罗斯大果沙棘、樟子松、羊柴、胡枝子等树种,避免栽植紫穗槐。

表2 不同造林树种客土栽植方式下林木3 a后生长状况

2.3 不同栽植方式、不同造林树种对沉陷区土壤养分的影响

采煤沉陷区植被恢复3 a后不同栽植方式土壤养分含量测定结果见表3。由表3可知:不同栽植方式油松林下土壤有机质、全氮、全磷、水解氮、速效钾含量均为保水剂栽植>营养袋栽植>客土栽植>对照,对土壤养分影响较大的是保水剂栽植,在此方式下油松及其林下草本生长状况良好,成活率高,积累的凋落物分解还原为土壤养分,为植物根系的生长发育和土壤微生物的活动提供了能量;不同栽植方式樟子松林下土壤有机质、全氮、全磷、水解氮和速效钾含量均是营养袋栽植>保水剂栽植>客土栽植>对照,这是因为樟子松在营养袋栽植方式下成活率最高,林下草本盖度最大,使土壤有机质等养分含量明显增加;不同栽植方式油松和樟子松林下土壤全钾含量排序一致,均为保水剂栽植>客土栽植>营养袋栽植>对照,这是因为土壤中全钾含量与土壤类型有关,采煤沉陷区土壤大部分由粗骨土和固定风沙土组成,全钾含量较高,植物生长对其影响作用较小。综上,通过保水剂和营养袋栽植方式造林,沉陷区土壤养分条件得到较大改善。

表3 采煤沉陷区植被恢复3 a后不同栽植方式土壤养分含量

采煤沉陷区植被恢复3 a后客土栽植方式下不同造林树种林下土壤养分含量测定结果见表4。由表4可知:不同造林树种土壤改良作用差异较大,按土壤有机质含量排序是紫穗槐(+羊柴)>俄罗斯大果沙棘>胡枝子>油松>樟子松,按全氮和水解氮含量排序是俄罗斯大果沙棘>胡枝子>紫穗槐(+羊柴)>油松>樟子松,按速效钾含量排序是胡枝子>紫穗槐(+羊柴)>俄罗斯大果沙棘>樟子松>油松。综上,俄罗斯大果沙棘、胡枝子、紫穗槐等固氮植物的土壤有机质、全氮、水解氮和速效钾含量显著高于松科植物。

表4 采煤沉陷区客土造林3 a后不同造林树种林下土壤养分含量

2.4 不同栽植方式对林下草本植物生长状况的影响

不同栽植方式3 a后林下草本植物生长状况见表5。由表5及现场调查可知:油松林下草本植物种类最多的是营养袋栽植方式,为10种,分别是沙蒿(Artemisiadesertorum)、狼毒(Stellerachamaejasme)、蒙古黄芪(Astragalusmembranaceusvar.mongholicus)、中华苦荬菜(Ixerischinensis)、乳浆大戟(Euphorbiaesula)、沙打旺(Astragaluslaxmannii)、草木樨(Melilotussuaveolens)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、苜蓿(Medicagosativa)和披碱草(Elymusdahuricus);保水剂栽植方式次之,林下草本植物有7种,分别是拂子茅(Calamagrostisepigeios)、沙蒿、猪毛蒿、蒙古黄芪、羊柴、中华苦荬菜、胡枝子;植物种类最少的是对照,仅4种,分别是沙蒿、狼毒、猪毛蒿和沙打旺。保水剂栽植油松林下草本植物平均高度和盖度最大,为36.9 cm与30.4%,营养袋栽植油松林下草本植物平均高度仅次于保水剂栽植,但盖度低于保水剂和客土栽植。

表5 不同栽植方式3 a后林下草本植物生长状况

樟子松林下草本植物种类最多的为保水剂与营养袋栽植,均有6种,最少的是客土栽植,仅4种,4种栽植方式樟子松林下草本植物均以沙蒿、猪毛蒿、蒙古黄芪、狼毒等为主;林下草本植物平均高度最高的是保水剂栽植(23.7 cm),其次是营养袋栽植(19.4 cm),最低为对照(14.8 cm);林下草本植物盖度最大的是营养袋栽植(27.4%),其次是保水剂栽植(23.9%),最小的是客土栽植(12.8%)。

3 结论与讨论

1)4种栽植方式中,保水剂与营养袋栽植均能有效增加油松和樟子松成活率,并促进幼林生长。紫穗槐的成活率和生长高度最低,应避免栽植。

2)不同栽植方式油松林下土壤有机质、全氮、全磷、水解氮、速效钾的含量均是保水剂栽植最高,樟子松林下土壤有机质、全氮、全磷、水解氮、速效钾的含量均是营养袋栽植最高。客土栽植时俄罗斯大果沙棘对土壤的改良作用最强,其次是胡枝子与羊柴,土壤养分含量较低的是油松与樟子松。

3)不同栽植方式中,油松林下草本植物种类最多的是营养袋栽植,其次是保水剂栽植,樟子松林下草本植物种类最多的是保水剂和营养袋栽植,同时保水剂和营养袋栽植林下草本植物平均高度与盖度均明显高于对照,所以采用保水剂与营养袋栽植可有效增加采煤沉陷区植被恢复速度。

4)虽然不同栽植方式的结果存在差异,但营养袋和保水剂栽植方式都对沉陷区的植被生长及成活提供了物质保障,使植被盖度增加,草本植物种类和平均高度也保持相对较高水平。另外选择豆科植物有利于土壤中氮素的积累。