高 迪, 王占義, 陳國清, 王 亮, 陳麗麗, 王明玖

(1.內蒙古農業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院, 呼和浩特 010019; 2.山東省淄博市高青縣檢驗檢測中心, 山東 淄博 256300)

草原煤礦排土場2種常用生物工程措施植被恢復效果評價

高 迪1,2, 王占義1, 陳國清1, 王 亮1, 陳麗麗1, 王明玖1

(1.內蒙古農業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院, 呼和浩特 010019; 2.山東省淄博市高青縣檢驗檢測中心, 山東 淄博 256300)

以錫林郭勒草原烏蘭圖嘎煤礦排土場為主要研究對象，通過對生物笆與沙障2種不同治理措施下的土壤狀況(溫度、濕度、有機質、pH值)和植被狀況(種類組成、密度、蓋度)的測定與分析，對其植被恢復效果進行了評價。初步分析表明，生物笆區(qū)的表土溫度比沙障區(qū)低2～5℃，生物笆具有遮陰性；生物笆區(qū)的表土濕度比沙障區(qū)增加0.60%～1%，生物笆具有增濕性。在措施實施5 a后，生物笆區(qū)的表土有機質比沙障區(qū)增加了2～5.80 g/kg。在整個植物群落中，多年生草本所占植物種類總數(shù)的比例，生物笆區(qū)比沙障區(qū)多13.84%；生物笆區(qū)以多年生植物的重要值較大并占有絕對優(yōu)勢，沙障區(qū)以一年生植物占優(yōu)勢；生物笆區(qū)的植被平均密度比沙障區(qū)多2.60株/m2，蓋度大18.50%。在錫林郭勒草原礦區(qū)目前常用的生物笆(單網格20 cm×20 cm)治理措施比沙障(行距30 cm，株距10 cm)更有利于植被恢復。

煤礦； 排土場； 生物笆； 沙障； 土壤； 植被恢復

多種治理措施已被運用于排土場坡面的治理工作中。沙障作為沙漠治理和礦山排土場治理的一種有效生物工程措施，許多學者進行了大量的研究。生物笆是近年來在錫林郭勒草原礦區(qū)使用最多的一種生物工程措施。李勝軍等人已經對其應用效果進行了初步的調查[7]，植被恢復效果良好，但是生物笆促進植被恢復的機理有待研究。為此，在錫林郭勒草原選擇典型礦區(qū)，對2種治理措施實施5 a后植被和土壤性質的變化進行了比較研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古錫林浩特烏蘭圖嘎鍺煤礦，地理坐標116°06′41″—116°14′11″E，44°02′07″—44°07′05″N。這一地區(qū)地處內蒙古高原中部，中溫帶干旱大陸性氣候特征明顯，多年平均降水量276.30 mm，平均蒸發(fā)量1 811.30 mm，平均風速3.50 m/s，多年平均氣溫1.50℃，≥10℃積溫2 802.60℃，最大凍土深度2.89 m，無霜期106 d；研究區(qū)周邊草地植被類型屬典型草原，植被蓋度50%左右，土壤類型為栗鈣土[8]。

烏蘭圖嘎鍺煤礦于1997年建成投產，露天開采，目前年產量為7.30×106t。研究試驗區(qū)設在煤礦2號排土場1平臺，該平臺建于2007年，植被恢復措施也開始于本年度。

1.2 試驗處理

試驗區(qū)設生物笆治理區(qū)和直立式沙障治理區(qū)(簡稱生物笆區(qū)和沙障區(qū))。兩個區(qū)位于同一坡面，具有相同的坡度(30°)和坡長(30 m)。植物種植時間都在2007年完成，種植的植物中，一年生及一二年生草本主要為大籽蒿(Artemisiasieversiana)、黃花草木樨(Melilotusofficinalis)、白花草木樨(Melilotusalbus)等；多年生草本主要為冰草(Agropyroncristatum)、老芒麥(Elymussibiricus)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等；灌木主要為小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、山杏(Prunusansu)等。播種方式是將所有植物種子混合后人工撒播，各植物種的混播比例系數(shù)是：沙打旺(3)，紫花苜蓿(3)，小葉錦雞兒(3)，冰草(2)，老芒麥(2)，大籽蒿(2)，黃花草木樨(1)，白花草木樨(1)，檸條錦雞兒(1)，山杏(1)。

生物笆單個網格規(guī)格是20 cm×20 cm，由黃柳(Salixgordejevii)枝條編織而成，其結構包括經條和緯條，鋪蓋在坡面上之后用綁絲連接在一起，并用20 cm長的枝條插在每2塊生物笆的連接處加以固定。沙障是用相同長度的黃柳枝條插入土壤形成行列式網格，本試驗中使用的沙障以行距30 cm，株距10 cm垂直插入坡面土壤，所用柳條長度40 cm，入土深度15 cm(圖1 A，B)。

“誰是球王”是傳統(tǒng)體育賽事組織的升級創(chuàng)意，迎合了現(xiàn)代社會發(fā)展的需求，將草根賽事搬上熒屏，貼近群眾的生活，同時，設計草根選手與高水平選手的互動、對決、博弈等，為廣大健身參與者提供了展示的舞臺。例如，乒乓球、羽毛球、足球爭霸賽、誰是舞王等，參賽人員都是草根群眾，使比賽更具觀賞性和群眾性。

(A) (B)

圖1生物笆(A)和沙障(B)實物圖

1.3采樣與測定方法

1.3.1 土壤樣品采集和有機質測定 2011年8月在2個治理區(qū)的坡上、坡中、坡下3個位置挖土壤剖面，每個位置3次重復，共挖9個剖面?？紤]到枯枝落葉對土壤結皮層的影響更大，因此按0—3 cm和3—6 cm分層采樣。采樣后混合，四分法取樣裝入袋中并標記。

土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法，利用濃硫酸和重鉻酸鉀氧化，硫酸亞鐵滴定測定[9]。pH值采用電位法，水土比為5∶1，用PHS-3C型酸度計測定。

1.3.2 土壤溫度和地表濕度測定 土壤溫度采用便攜式土壤溫度計(AXBP—B1，北京)測定，測定在氣溫最冷(6：00)和最熱(14：00)2個時段進行。在2個治理區(qū)的坡上、坡中、坡下3個位置挖土壤剖面，每個位置3次重復，共挖9個剖面。各剖面按0—5，5—10，10—15，15—20 cm分層測定。地表濕度采用手持氣象站(NK4 000，美國)貼近地面測定[10]。

1.3.3 植被調查方法 對生物笆區(qū)和沙障區(qū)的坡面同時在2011年8月進行調查，在坡上、坡中、坡下3個位置分別取樣，樣方面積1 m×1 m，每個位置3次重復。對植物的種屬、投影蓋度、平均密度進行統(tǒng)計[11]，采用(相對密度+相對蓋度+相對頻度)/3來計算各物種的重要值。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Microsoft Excel 2003和SAS 9.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析。為了分析影響不同治理區(qū)植被生長差異的原因，用SAS 9.0軟件對不同治理區(qū)的土壤溫度、濕度、有機質含量、pH值及植被的平均密度、蓋度進行單因素方差(one-way ANOVA)分析。

2 結果與分析

2.1 不同治理區(qū)土壤性質的變化

(1) 土壤溫度。土壤溫度反映了土壤的熱量狀況，其高低對于土壤水分及土壤生物具有重要影響。一日內，氣溫最高時段，2個治理區(qū)的土壤溫度分別在0—5 cm和5—10 cm土層有顯著性差異(P<0.05)。生物笆區(qū)比沙障區(qū)在0—5 cm土層低5℃，在5—10 cm土層低2.43℃；在10 cm以下土層無顯著性差異(P>0.05)。氣溫最低時段，2個治理區(qū)的土壤溫度在各個土層均無顯著性差異(P>0.05)(表1)。

(2) 地表濕度。地表濕度反映了表層土壤的水分狀況。土壤水分是土壤肥力諸多因素中最活躍、最重要的指標。一日內，氣溫最低時段，沙障治理區(qū)地表濕度平均為43.73%±0.03%，生物笆治理區(qū)地表濕度平均為44.37%±0.07%，生物笆區(qū)比沙障區(qū)高0.63%；氣溫最高時段，沙障治理區(qū)地表濕度平均為15.57%±0.26%，生物笆治理區(qū)地表濕度平均為16.57%±0.60%。

表1 不同治理區(qū)1日氣溫最高、最低時段土壤溫度差異(平均值±標準誤)

注：同一行平均數(shù)后有相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。

(3) 土壤有機質含量。土壤有機質是植物礦物營養(yǎng)的源泉，主要來源于地上植物的凋落物及地下根系，其積累是一個緩慢的過程。通過幾年的處理，生物笆治理區(qū)有機質含量平均為25.20 g/kg，沙障治理區(qū)有機質含量平均為19.40 g/kg，2個治理區(qū)的土壤有機質含量在0—3 cm土層發(fā)生了顯著性變化(P<0.05)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)高5.80g/kg；在3—6 cm土層無顯著性差異(P>0.05)。

(4) 土壤pH值。pH值是土壤的基本性質，直接反映土壤酸堿度狀況及決定土壤元素和養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉化和有效性。排土場土壤pH值往往較高，是植物生長的主要限制因素之一。生物笆區(qū)的土壤pH值在0—3 cm和3—6 cm土層為8.55和8.61；沙障區(qū)在相同土層為8.53和8.64，均無顯著差異(P>0.05)。

2.2 不同治理區(qū)植被生長情況

2.2.1 群落植物組成 在植被樣方調查中，生物笆區(qū)共有8科，14屬，15種不同的植物(表2)。其中，禾本科4種，豆科4種，菊科2種，其余各科均為1種。占物種總數(shù)的比例，一年生及一二年生草本為26.67%，多年生草本為60%，灌木及半灌木為13.30%。

在沙障區(qū)共有6科，10屬，13種植物(表2)。其中，豆科8種，其余各科均為1種。占物種總數(shù)的比例，一年生及一二年生草本為30.77%，多年生草本為46.16%，灌木及半灌木為23.08%。

在重要值方面，生物笆治理區(qū)的多年生植物紫花苜蓿、小葉錦雞兒、冰草的重要值較大，均在0.15以上。沙障治理區(qū)的一年生草本大籽蒿、蒙古豬毛菜的重要值較大，均在0.19以上(表2)。

表2 不同治理區(qū)植物組成

注：“—”表示沒有。

2.2.2 植被生長狀況 治理區(qū)恢復效果是通過植被的平均密度和蓋度來反映的。2個治理區(qū)植被的平均密度有顯著性差異(P<0.05)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)多2.60株/m2；2個治理區(qū)植被的蓋度也表現(xiàn)出了顯著性差異(P<0.05)，生物笆區(qū)比沙障區(qū)大18.50%。生物笆區(qū)植被平均密度和蓋度明顯高于沙障區(qū)，說明生物笆的使用在一定程度上促進了植物的生長，提高了植物的成活率(表3和圖2)。

表3 不同治理區(qū)植物平均密度和蓋度(平均值±標準誤)

注：同一列平均數(shù)后有相同字母表示差異不顯著 (P>0.05)。

(A) (B)

圖2生物笆區(qū)(A)和沙障區(qū)(B)植被恢復后效果圖

3 討 論

礦山開采對生態(tài)造成的不利影響越來越受到社會各界的關注。植被恢復是礦山廢棄地生態(tài)治理的重要目標，正確選擇植被恢復措施是改善土壤理化性質，實現(xiàn)植被恢復的重要手段。

通過對試驗區(qū)植物種屬、平均密度、蓋度的初步統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)生物笆區(qū)植被恢復效果好于沙障區(qū)(表2，3)。從測定結果看，2種治理措施都能改善土壤溫度、濕度、有機質含量以及土壤pH值等，使土壤向有利于植物生長的環(huán)境轉化[12]。在土壤溫度方面，1日內氣溫最高時，生物笆區(qū)比沙障區(qū)低，說明生物笆在氣溫最高時候的遮陰效果明顯，對表土起降溫作用，可以防止溫度過高造成土壤水分的快速蒸發(fā)，保護植物的出苗及生長；氣溫最低時，2個治理區(qū)的地表溫度沒有明顯差異。地表濕度可能受高溫的影響更為顯著，1日內氣溫最高時，2個治理區(qū)地表水分都在加速蒸發(fā)，生物笆的遮陰作用雖可以降低地表溫度，但降低的溫度對蒸發(fā)速率的影響有限。而1日內氣溫最低時，由于生物笆區(qū)的溫度高于沙障區(qū)，土壤中的水分活度較大，地表以上的微環(huán)境內空氣能夠容納的水分子量較大，加之生物笆下面氣流穩(wěn)定，所以地表濕度也較大，因此，生物笆區(qū)土壤水熱條件優(yōu)于沙障區(qū)，導致生物笆區(qū)的植物種屬都多于沙障區(qū)，生物笆區(qū)的多年生草本與灌木、半灌木在整個植物群落中所占的比例明顯大于沙障區(qū)(表2)。隨著時間的推移，一二年生的先鋒植物(蒙古豬毛菜、大籽蒿等)慢慢衰退后退出植物群落，多年生草本(冰草、披堿草等)形成目標群落，在無人工養(yǎng)護條件下仍能健康茁壯生長[13]。生物笆區(qū)的土壤有機質含量高于沙障區(qū)，可能與生物笆措施坡面枯枝落葉的保留能力強及生物笆原材料長期放置后部分地脫落降解到了土壤里有關，也與植物生長相對旺盛有關。由于治理時間較短，2種措施下相同深度土壤pH值差異不顯著，這與王金滿等在研究對草原露天煤礦排土場土壤質量時得出的結論相符[14]。但是2個治理區(qū)表層土壤的pH值都小于下層土壤，可能是因為表層土壤中的微生物、動物及生物殘體較下層土壤多，微生物、動物及生物殘體會引起有機酸的積累，也可能與降雨的淋溶遷移有關[15]。

4 結 論

生物笆措施在煤礦排土場植被恢復方面優(yōu)于沙障措施。生物笆治理措施的使用，對于地表的土壤具有一定的改良作用，對植被的發(fā)育具有良好的促進作用，更有利于了植物的生長。

在氣溫最高時，生物笆措施具有明顯的遮陰降溫作用；在氣溫最低時，生物笆區(qū)表土濕度比沙障區(qū)高0.63%，在干旱區(qū)草原，增加地表濕度有助于植物的生長發(fā)育和植被恢復；0—3 cm土層和3—6 cm土層，生物笆區(qū)的土壤有機質均高于沙障區(qū)。

在整個植物群落中各植物種所占植物種類總數(shù)的比例，生物笆區(qū)的多年生草本比沙障區(qū)多，一年生及一二年生草本比沙障區(qū)少。生物笆區(qū)多年生草本植物的重要值較大，沙障區(qū)一年生植物的重要值較大。生物笆區(qū)的植物種屬、平均密度、蓋度都多于沙障區(qū)。

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EvaluationforEffectivenessofVegetationRestorationofTwoKindsofBio-engineeringMeasurescommonlyUsedinMineDumpinGrassland

GAO Di1,2, WANG Zhan-yi1, CHEN Guo-qing1, WANG Liang1, CHEN Li-li1, WANG Ming-jiu1

(1.CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China; 2.InspectionandTestingCenterofGaoqingCounty,Zibo,Sandong256300,China)

The dump of Wulantuga coal mine in Xilin Gol Grassland was taken as the research site, the vegetation restoration effectiveness of bio-fence and sand barrier fence was evaluated by analyzing the soil properties (temperature, humidity, organic matter, and pH value) and vegetation parameters (plant species, density, and coverage). Preliminary analysis indicated that top soil temperature in the biological fence areas was 2～5℃ which was lower than in the sand barrier zone. Bio-fence could protect the plants by shading. Topsoil moisture in bio-fence areas increased by 0.6%～1% compared with the sand barrier areas. Bio-fence could help increase the humidity. Organic matter of topsoil in bio-fence areas increased by 2～5.80 g/kg compared with the sand barrier areas after 5 years of measures implementation. In the plant communities, the proportion of perennial herbaceous plant species was 13.84% more than that in the sand barrier fence zone. The average density of plant and total cover of vegetation in bio-fence areas were 2.60 m2and 18.50% higher than those in the sand barrier areas, respectively. The effectiverness of vegetation restoration for bio-fence (with a single grid of 20 cm×20 cm) currently used in the coal mine of Xilin Gol Grassland was better than for the sand barrier (line space of 30 cm×10 cm).

coal mine; dump; bio-fence; sand-barrier fence; soil properties; vegetation restoration

2014-01-08

：2014-03-10

內蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導獎勵資金計劃“煤礦開采區(qū)生態(tài)修復技術研究與示范——錫林郭勒草原煤礦區(qū)植被重建、生態(tài)修復關鍵技術研究與示范”(20121604)；內蒙古農業(yè)大學博士科研啟動項目(BJ2013C-3)

高迪(1988—),女,山東德州人,在讀碩士,主要從事草地生態(tài)學研究。E-mail:gdnmgnydx@163.com

王明玖(1961—),男,內蒙古赤峰人,教授,主要從事草地生態(tài)學研究。E-mail:wangmj_0540@163.com

X171.4

：A

：1005-3409(2014)06-0260-05