金立群,李希來(lái),宋梓涵,孫華方,楊鑫光

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

煤炭作為支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源之一，其開采和利用一直備受人們關(guān)注[1]。青海省木里煤田煤炭資源儲(chǔ)量33億t，占全省總儲(chǔ)量的66%，而這些煤礦生產(chǎn)所占據(jù)的草地面積為0.3萬(wàn)～0.5萬(wàn)hm2。露天煤礦是全球范圍內(nèi)的主要采煤方式[2]，而因開礦在草地上堆起的一座座渣山，不僅破壞和占用大量土地資源，而且其結(jié)構(gòu)性和空隙性差，無(wú)保水保肥能力，嚴(yán)重缺乏植物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]，在高寒環(huán)境下對(duì)生態(tài)環(huán)境造成持久而嚴(yán)重的負(fù)面影響，依靠煤渣山自身演替的恢復(fù)需100～1 000年[4]，因此人工干預(yù)礦區(qū)渣山的生態(tài)恢復(fù)就成為十分必要的環(huán)境保護(hù)手段。植被修復(fù)是改善渣山條件最常用也是最有效的方法之一，也是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主要內(nèi)容和目標(biāo)[5]。

植被能影響土壤理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，具有保水固土、改良土壤、改善生態(tài)環(huán)境的作用[6]。同時(shí)，土壤通過(guò)為植被提供養(yǎng)分而影響植被[7]，除土壤提供營(yíng)養(yǎng)外，植被覆蓋物同樣也能提高土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率，特別是N、P、K等[8]，所以在礦區(qū)渣山植被恢復(fù)過(guò)程中，渣山機(jī)械堆積方式以及渣土自身理化性質(zhì)的差異會(huì)影響堆積地區(qū)植物的生長(zhǎng)，植被在生長(zhǎng)過(guò)程中也同樣會(huì)改變?cè)郊爸車貐^(qū)的生態(tài)環(huán)境。有關(guān)研究表明，在相同的氣候條件下，不同的土壤條件對(duì)植被生長(zhǎng)影響很大[9]，渣山的環(huán)境因子直接決定著植被生長(zhǎng)的好壞，利用植物改善渣山生態(tài)研究也有許多報(bào)道[10]。近年來(lái)，對(duì)于礦區(qū)渣山植被重建的研究基本是在低海拔平原地區(qū)，往往采取排土后混合客土來(lái)改良土壤[11]。多年凍土礦區(qū)海拔高，年積溫低，對(duì)于植物的生長(zhǎng)極為不利，目前關(guān)于多年凍土高寒礦區(qū)渣山植被恢復(fù)的研究報(bào)道較少。并且由于其特殊的地理位置，運(yùn)輸客土成本較大，故在機(jī)械堆積的渣山土層較薄的狀況下直接種植植物具有很大難度。本研究通過(guò)研究多年凍土礦區(qū)不同渣山堆積下表層基質(zhì)與植被恢復(fù)的相互關(guān)系，探討植被恢復(fù)對(duì)渣山機(jī)械堆積表層基質(zhì)的響應(yīng)，旨在為今后高寒礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

木里煤田位于青藏高原北部祁連山區(qū)青海省剛察縣，面積約400 km2，江倉(cāng)礦區(qū)位于木里煤田大通河上游區(qū)。木里煤田范圍內(nèi)多年凍土層廣泛發(fā)育，呈島狀分布，平均厚度80 m，大部分地區(qū)凍土層大于100 m。地貌上屬高海拔構(gòu)造斷陷山間盆地，經(jīng)多次勘察表明，蘊(yùn)藏煤炭資源量近資源儲(chǔ)量35.4億t,是青海省最大的煤礦。該區(qū)地處高寒地帶，海拔3 800～4 200 m，年平均氣溫-2.8 ℃，最低氣溫-35.6 ℃，最高氣溫19.8 ℃，年降水量477. 1 mm，多集中在夏季，年蒸發(fā)量1 049.9 mm，為中低山，氣候嚴(yán)寒。江倉(cāng)礦區(qū)東西長(zhǎng)25 km，南北寬2.5 km，面積55 km2，其地理坐標(biāo)為99°27′-99°35′ E，38°02′-38°03′ N(圖1)。井田內(nèi)分布大量高寒草甸、沼澤，屬高寒沼澤濕地[12-13]。所研究的露天煤礦渣山區(qū)屬于江倉(cāng)礦區(qū)圣雄礦業(yè)，圣雄礦業(yè)處于木里煤田的江倉(cāng)五井田，2003年取得探礦權(quán)，開始以露天形式探礦開挖，2010年礦區(qū)形成兩座面積約130萬(wàn)m3的渣山，由企業(yè)大面積開采時(shí)產(chǎn)生的煤矸石及渣土機(jī)械堆積而成。2013年企業(yè)進(jìn)行渣山穩(wěn)定處理和復(fù)綠工作，削坡卸載，渣山坡度小于25°，沿渣山底部邊緣砌筑圍堰，增加坡面穩(wěn)定性。并開始進(jìn)行人工礦山復(fù)綠，人工種植的草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，分別于種植當(dāng)年5月下旬將相同播種量、播種比例(2∶1∶1)的草種混合撒播于樣地，播量 300 kg·hm2，播后覆蓋無(wú)紡布，面積約為1.33 hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選擇圣雄礦業(yè)在2013年5月人工種植的北側(cè)渣山，地理坐標(biāo)為99°28′48.7″ E，38°02′49.4″ N，坡度均小于25°，種植方法一致。由于機(jī)械隨機(jī)堆積渣山，削坡卸載形成了不同坡地表層土壤基質(zhì)，故在野外觀察中發(fā)現(xiàn)北渣山3個(gè)相近陽(yáng)坡的植被生長(zhǎng)狀況(高度、蓋度等)有較大差異，因而選擇這3個(gè)坡地作為研究樣地分析渣山表層基質(zhì)狀況，分別為樣地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。在2017年8月3個(gè)樣地均以樣線法隨機(jī)選取12個(gè)1 m×1 m的樣方，重復(fù)12次，共36個(gè)樣方。每個(gè)樣方測(cè)定植物蓋度、高度、地上生物量、生殖枝數(shù)量、幼苗數(shù)量以及苔蘚蓋度等，并把采集的樣品用信封袋帶回室內(nèi)烘干,稱其干重。因渣山坡面土層較薄，故只對(duì)樣方內(nèi)上層(0-10 cm)土壤進(jìn)行取樣，每個(gè)坡地重復(fù)12次，去除大石塊和植物殘根后帶回室內(nèi)進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定。GPS詳細(xì)記錄樣方經(jīng)緯度、海拔，羅盤儀測(cè)定坡度、坡向，三參速測(cè)儀(HW-WET-3)測(cè)定渣山基質(zhì)的水分與鹽分。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地理位置Fig. 1 The geographical position of the experiment plot

1.3 室內(nèi)分析測(cè)定

全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷(TP)含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀(TK)含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定；堿解氮(AN)含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷(AP)含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀(AK)含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤pH 采用電極法(水土比 2.5∶1)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用R語(yǔ)言3.4.3使用隨機(jī)森林方法，進(jìn)行影響因子重要性評(píng)價(jià)。隨機(jī)森林算法是一種新型高效的組合分類法，同其他模型一樣，隨機(jī)森林可以解釋若干自變量(X1、X2、…、Xk) 對(duì)因變量Y的作用。如果因變量Y有n個(gè)觀測(cè)值，有k個(gè)自變量與之相關(guān)；在構(gòu)建分類樹的時(shí)候，隨機(jī)森林會(huì)隨機(jī)地在原數(shù)據(jù)中重新選擇n個(gè)觀測(cè)值，其中有的觀測(cè)值被選擇多次，有的沒(méi)有被選到。同時(shí)，隨機(jī)從k個(gè)自變量選擇部分變量進(jìn)行分類樹節(jié)點(diǎn)的確定。這樣，每次構(gòu)建的分類樹都可能不一樣。一般情況下，隨機(jī)生成幾百個(gè)至幾千個(gè)分類樹，然后選擇重復(fù)程度最高的樹作為最終結(jié)果[14]。鑒于隨機(jī)森林模型易于建立，又易于解釋，可用來(lái)評(píng)估本研究中變量的重要性。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)不同渣山坡地表層基質(zhì)下植被恢復(fù)特征的分析

樣地Ⅰ的植被高度顯著高于樣地Ⅱ與樣地Ⅲ(P<0.05)，樣地Ⅱ與樣地Ⅲ差異不顯著(P>0.05)(圖2)。對(duì)于不同基質(zhì)下植被地上生物量，樣地Ⅰ和樣地Ⅲ顯著大于樣地Ⅱ。渣山基質(zhì)不同，對(duì)植被蓋度影響很大，樣地Ⅰ和Ⅲ顯著大于樣地Ⅱ，樣地Ⅰ和Ⅲ差異不顯著。不同基質(zhì)下種子數(shù)量差異不顯著。樣地Ⅰ的幼苗高度、蓋度顯著高于樣地Ⅱ與樣地Ⅲ；樣地Ⅰ的苔蘚蓋度顯著大于樣地Ⅲ。樣地Ⅰ的生殖枝數(shù)顯著高于樣地Ⅱ和樣地Ⅲ，平均分別比樣地Ⅱ和樣地Ⅲ多19.17和21.59株。樣地Ⅰ、樣地Ⅱ的辛普森指數(shù)顯著低于樣地Ⅲ。

圖2 不同基質(zhì)下恢復(fù)植被特征Fig. 2 Vegetation characteristics with three different substrates

不同字母不同樣地間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference between different sample site at hte 0.05 level.

2.2 不同渣山坡地表層基質(zhì)下土壤理化性質(zhì)分析

在不同基質(zhì)下，全N、全K和堿解N含量差異不顯著(P>0.05)(表1)；樣地Ⅰ與樣地Ⅱ的全P含量相較于樣地Ⅲ顯著增加(P<0.05)，樣地Ⅰ和樣地Ⅱ全P含量差異不顯著；速效P含量樣地Ⅲ最高，比樣地Ⅰ和樣地Ⅱ分別高出46%和80%(P<0.01)。速效K含量在樣地Ⅰ為137.50 mg·kg-1，極顯著高于其他樣地，樣地Ⅱ和樣地Ⅲ差異不顯著；有機(jī)質(zhì)含量在樣地Ⅰ極顯著低于樣地Ⅲ，樣地Ⅱ含量與樣地Ⅰ、Ⅲ差異不顯著。渣山基質(zhì)的pH都大于7，說(shuō)明渣山基質(zhì)基本偏堿性，樣地Ⅰ和Ⅱ極顯著高于樣地Ⅲ，Ⅰ和Ⅱ兩樣地間差異不顯著。樣地Ⅰ和樣地Ⅲ的水分含量差異不顯著，比樣地Ⅱ極顯著高11%與19%。結(jié)果表明，不同基質(zhì)對(duì)土壤理化性質(zhì)有很大影響，渣山表層基質(zhì)的速效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、pH及水分具有明顯差異，因此在渣山人工植被建植過(guò)程中，施肥是必要的。

表1 不同渣山坡地表層基質(zhì)下土壤理化性質(zhì)Table 1 The physicochemical properties of soil under different three substrates

同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level, different capitals letters indicate significant difference at the 0.01 level.

2.3 對(duì)影響渣山苔蘚生長(zhǎng)的土壤生態(tài)因子分析

野外觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，渣山基質(zhì)表層有苔蘚出現(xiàn)，這說(shuō)明渣山植被正在趨于自然恢復(fù)。苔蘚植物的蓋度與植被總蓋度、植物幼苗蓋度和生殖枝數(shù)量極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤速效K含量顯著正相關(guān)(表2、表3)，與土壤其他養(yǎng)分無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。

表2 苔蘚蓋度與植被各特征之間的相關(guān)性分析Table 2 Physicochemical properties of soil with three different substrates

* *表示在0.01水平上顯著相關(guān)；n=36。下表同。

* * indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1;n=36; similarly for the following tables.

表3 苔蘚蓋度與土壤各養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between moss coverage and soil nutrients

2.4 對(duì)基于隨機(jī)森林法的渣山坡地表層基質(zhì)主要生態(tài)因子的分析

圖3為隨機(jī)森林法的兩種衡量影響因子重要性的結(jié)果，對(duì)造成3個(gè)樣地不同土壤理化性質(zhì)以及植被恢復(fù)特征的19個(gè)建模因子進(jìn)行了因子的重要性分析，可以看出，前5個(gè)因子排序完全相同，說(shuō)明pH、速效P、幼苗高度、有機(jī)質(zhì)和幼苗蓋度是影響3個(gè)渣山坡面樣地表層基質(zhì)的主要因子。為了更好地分析各因子對(duì)3個(gè)樣地基質(zhì)的影響規(guī)律，對(duì)5個(gè)重要因子繪制了各因子影響渣山基質(zhì)的作用曲線(圖4)。圖4中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于因子取值，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于該因子對(duì)3個(gè)坡面基質(zhì)差異的概率貢獻(xiàn)值，即縱坐標(biāo)值越大，該因子對(duì)3個(gè)坡面差異的影響越大。土壤pH在3個(gè)坡面基質(zhì)差異的重要性影響最高，土壤pH會(huì)影響土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)的過(guò)程，影響土壤肥力，改變土壤物理微結(jié)構(gòu)[15]，間接影響植被的生長(zhǎng)狀況。在pH>8.16時(shí)，對(duì)3個(gè)樣地間差異影響最大。土壤速效P在20～35 mg·kg-1內(nèi)時(shí)，對(duì)3個(gè)坡面基質(zhì)的差異影響最大，這是由于土壤中P的盈余對(duì)提高土壤P的供應(yīng)潛力有積極意義，但土壤P的過(guò)量積累也會(huì)對(duì)環(huán)境質(zhì)量造成威脅，還會(huì)影響到其他元素的生物有效性，造成營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)失衡，進(jìn)而引起土壤肥力退化[16]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成物質(zhì)，對(duì)改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)以及植物的生長(zhǎng)起著重要作用，是評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)[17]，本研究中，有機(jī)質(zhì)大約從10.4 g·kg-1之后含量越高，對(duì)渣山表層基質(zhì)的影響越小。植物幼苗階段決定著群落的演替方向與恢復(fù)的可能性，幼苗階段是植物生活史中對(duì)環(huán)境條件反應(yīng)最脆弱的時(shí)期，幼苗生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)一直受周圍環(huán)境的各個(gè)因素影響[18]，同時(shí)植物幼苗也改變著生長(zhǎng)的環(huán)境條件。隨著幼苗高度與蓋度的升高，對(duì)渣山的影響逐漸增大。

圖3 影響渣山不同坡面表層基質(zhì)變量重要性排序Fig. 3 Importance rank of the variables of the three different substrates

圖4 基于隨機(jī)森林方法的主要生態(tài)因子對(duì)不同渣山表層基質(zhì)的影響Fig. 4 Influence of the main ecological factors on the different surface substrates based on the random forest method

3 討論

3.1 高寒煤礦區(qū)地貌重塑的重要性

我國(guó)露天煤礦主要分布在草原區(qū)、荒漠區(qū)和丘陵區(qū)等生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)[19]，經(jīng)采煤破壞后的生態(tài)環(huán)境極度退化，無(wú)法自然恢復(fù)，必須有人工干預(yù)，礦區(qū)渣山的基質(zhì)理化性質(zhì)是植被能否恢復(fù)好的關(guān)鍵，所以改善環(huán)境的首要任務(wù)就是改良基質(zhì)理化性質(zhì)，而人工種植是最有效的方式[20]。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在不同礦區(qū)開展了人工恢復(fù)植被的研究，旨在改善土壤質(zhì)量、修復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。圣雄礦區(qū)多為沼澤濕地，草皮下0.5 m左右為泥炭層，其下2-3 m含有一定量的細(xì)粒土與礫石，下部多為15-25 m厚的冰磧砂礫石層。地表以下1-7 m深度范圍多見冰層，局部地段冰層厚度可達(dá)9 m，其下是若干米厚的砂巖石膏層，在這之下的粉砂巖中含有局部可采煤層[21-22]。高寒地區(qū)煤礦的開采對(duì)多年凍土影響劇烈，使得煤礦區(qū)凍土環(huán)境非常脆弱，采煤過(guò)程中，大量的地下凍土與巖石、煤矸石一起被挖出就近露天堆放，形成大小不一、占?jí)和恋?，破壞景觀的渣山。我國(guó)的煤矸石山多數(shù)為錐形[23],因此斜坡較多,坡度較大,給植被的恢復(fù)帶來(lái)了一定的難度，所以在進(jìn)行植被恢復(fù)之前，首先要整形整地，包括平整山頂、削坡、邊坡構(gòu)筑、重塑地貌景觀[24]。

3.2 圣雄煤礦區(qū)不同渣山坡地表層基質(zhì)的形成原因

雖然礦井開采時(shí)，其周圍堆起的一座座渣山基質(zhì)均出自同一個(gè)礦坑，但是其渣山表面基質(zhì)上的凍土、巖石、煤矸石含量、溫度、風(fēng)速、土壤水分等存在差異，造成不同渣山上營(yíng)養(yǎng)元素存在著一定的空間變異性[25]。本研究結(jié)果表明，盡管3個(gè)樣地的渣山坡面的坡向、坡度以及種植時(shí)間與方法基本一致，但植被生長(zhǎng)狀況之間的差異非常明顯，樣地Ⅰ植被高度、蓋度、生物量、幼苗高度與蓋度、苔蘚蓋度、生殖枝數(shù)量等均顯著高于樣地Ⅱ和樣地Ⅲ，在3個(gè)樣地植被恢復(fù)的5年中，樣地Ⅰ的土壤速效養(yǎng)分均大于其他兩個(gè)坡，這為植物的快速生長(zhǎng)奠定了重要基礎(chǔ)，從3個(gè)樣地植被生物量差異上也可看出類似結(jié)果(圖2)。在生態(tài)系統(tǒng)中，植被與土壤是一個(gè)相互作用、協(xié)同發(fā)展的統(tǒng)一體系，植物群落的變化總是與土壤的演化相關(guān)聯(lián)[26]。由于機(jī)械堆積渣山形成了不同坡面表層基質(zhì)，這種基質(zhì)是由多年凍土(占比約70%)、煤矸石(約20%)和部分巖石(約10%)組成，3個(gè)樣地的土壤理化性質(zhì)具有明顯差異。引起3個(gè)樣地渣山表層差異的主要土壤因子是pH、速效磷和有機(jī)質(zhì)，植被因子主要是植物幼苗高度與蓋度。這說(shuō)明高寒地區(qū)露天煤礦開采區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)應(yīng)該是地貌重塑過(guò)程，包括平整山頂、削坡、邊坡構(gòu)筑等。因此，針對(duì)高寒礦區(qū)渣山表層處理情況，在不覆土下盡可能堆積地表草甸土和多年凍土，多年凍土實(shí)際上是古代土壤，一旦暴露在空氣之中，渣山表層基質(zhì)偏弱堿或中性和較多的速效磷的表層基質(zhì)環(huán)境(樣地Ⅰ的速效P大于25.19 mg·kg-1；pH小于8.29)，有利于植被蓋度和生物量的增加(圖2)。

3.3 渣山不同坡地表層基質(zhì)的主要影響因子與植被恢復(fù)

高寒礦區(qū)木里煤田種草平均成本約為覆土43.5 CNY·m-2，不覆土11.8 CNY·m-2，從經(jīng)濟(jì)效益上講覆土成本比不覆土成本約高4倍，考慮經(jīng)濟(jì)效益和覆土土壤的來(lái)源困難，高寒礦區(qū)不建議覆土恢復(fù)植被。不同渣山表層基質(zhì)從堆積初始它們的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)、微生物活性以及養(yǎng)分有效性均具有差異[27]，渣山植物根部微生物分泌有機(jī)酸也會(huì)影響基質(zhì)表層pH[28]。渣山基質(zhì)pH也能直接影響一些養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有效性，同時(shí)對(duì)表層有機(jī)質(zhì)的變化有很大影響[23]?；|(zhì)速效P含量主要來(lái)自渣山有機(jī)質(zhì)，在受基質(zhì)特性、植被特征與凈礦化作用以及有機(jī)質(zhì)含量影響的同時(shí)，植被覆蓋物能夠提高速效P的利用率[8]，故渣山表面土壤P有顯著差異。植物幼苗的出現(xiàn)在植被生態(tài)恢復(fù)中非常關(guān)鍵，影響植物種群的數(shù)量狀態(tài)和群落的演替[29]，說(shuō)明在渣山基質(zhì)中形成了種子庫(kù)，幼苗階段是植物生活史中對(duì)環(huán)境條件最敏感的時(shí)期，而由于3個(gè)樣地表層基質(zhì)的差異，造成了植物種子成熟的差異和植物幼苗萌發(fā)后成活率不同，所以幼苗高度與蓋度在3個(gè)樣地具有明顯差異。3個(gè)樣地的辛普森指數(shù)具有一定差異，種植時(shí)主要草種為2∶1∶1的垂穗披堿草、星星草和冷地早熟禾，這可能是在種子撒播時(shí)不均勻所致，故在今后渣山復(fù)綠中應(yīng)充分混合草種。

植被的恢復(fù)與渣山環(huán)境因子之間的關(guān)系復(fù)雜，渣山基質(zhì)與植被的生長(zhǎng)具有復(fù)雜的交互影響。在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤養(yǎng)分不斷積累和物理性能不斷改善的過(guò)程[30]，植被的恢復(fù)會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生明顯的截存和保護(hù)效應(yīng)[31]。隨機(jī)森林法計(jì)算結(jié)果表明，pH與速效P對(duì)渣山影響力分別為23.67與21.12，是影響礦區(qū)渣山植被生長(zhǎng)的兩個(gè)重要因子，這與Venson等[32]研究表明影響礦區(qū)植被生長(zhǎng)的因子主要有土壤肥力和pH 的研究結(jié)果基本相符。在渣山不種草對(duì)照區(qū)表層基質(zhì)pH約為8.6，嚴(yán)重偏堿性不利于植物的生長(zhǎng)，種植植被后平均下降約0.64，但依然偏弱堿性，植被生長(zhǎng)對(duì)土壤pH調(diào)節(jié)緩慢。因此，在多年凍土礦區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中，可適當(dāng)調(diào)節(jié)渣山表層基質(zhì)pH使植物快速生長(zhǎng)發(fā)育，為了讓植物在吸收土壤速效養(yǎng)分時(shí)得到及時(shí)補(bǔ)充，需適時(shí)補(bǔ)充有機(jī)肥和氮、磷、鉀等速效肥料，以滿足地上植被生長(zhǎng)的需要。

3.4 渣山植被恢復(fù)苔蘚的生長(zhǎng)與土壤的形成發(fā)育

苔蘚植物作為演替過(guò)程中的先鋒植物，具有特殊的構(gòu)造和生理功能，能很好地生長(zhǎng)在嚴(yán)酷的環(huán)境中[33]，大面積生長(zhǎng)的苔蘚植物可以有效截獲降水、攔蓄徑流，從而積累風(fēng)塵物質(zhì)包括植物的一些必需元素，減少土壤水分中礦質(zhì)養(yǎng)分的流失，增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保留，有助于水土和土壤肥力的保持。在多年凍土礦區(qū)渣山恢復(fù)植被過(guò)程中，苔蘚蓋度與地上植物特征和土壤營(yíng)養(yǎng)元素具有一定的相關(guān)性，說(shuō)明苔蘚植物在地上植被與渣山表層之間養(yǎng)分循環(huán)關(guān)系中起一定作用，研究證實(shí)苔蘚生物結(jié)皮的存在能夠改變土壤理化性質(zhì)，增加表層土壤養(yǎng)分含量[34]，通過(guò)自身活動(dòng)影響植物生長(zhǎng)狀況。水分對(duì)苔蘚的生長(zhǎng)影響顯著[35]，所以本研究試驗(yàn)地苔蘚與植物蓋度顯著相關(guān)，地上植被蓋度越大，基質(zhì)表層水分含量越高。由于高寒礦區(qū)渣山坡面難以固土以及缺乏營(yíng)養(yǎng)，并有一定的坡度，種子萌發(fā)生長(zhǎng)困難，有學(xué)者認(rèn)為，在苔蘚植物生長(zhǎng)初期，由于其特殊形態(tài)與生物成分的特殊功能增強(qiáng)了地上植物種子的繁殖與生存能力，可促進(jìn)幼苗萌發(fā)、定居[36]。苔蘚植物的出現(xiàn)對(duì)高寒礦區(qū)渣山表層基質(zhì)的土壤形成發(fā)育具有積極的意義，是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)正向演替至穩(wěn)定的重要階段。

4 結(jié)論

1)在青海木里煤田圣雄礦區(qū)，機(jī)械堆積的渣山經(jīng)過(guò)不覆土植被恢復(fù)，同一礦坑同一坡向3個(gè)不同表層基質(zhì)坡面植被高度、蓋度、生物量、幼苗高度與蓋度、生殖枝數(shù)量、苔蘚植物蓋度及物種多樣性具有明顯差異，其中樣地Ⅰ由于表層基質(zhì)偏弱堿性和較多的速效磷含量植被恢復(fù)效果明顯好于其他兩個(gè)樣地。

2)試驗(yàn)渣山坡面3個(gè)不同表層基質(zhì)理化性質(zhì)具有一定差異性，其影響因子主要有pH、速效磷、有機(jī)質(zhì)、以及植物幼苗的高度與蓋度。

3)多年凍土礦區(qū)渣山不覆土植被恢復(fù)與渣山表層基質(zhì)理化性質(zhì)具有顯著相關(guān)性，渣山表層基質(zhì)較低的pH和較高的速效氮磷鉀是影響植被生長(zhǎng)的主要限制因子，因此高寒礦區(qū)渣山植被恢復(fù)過(guò)程中調(diào)節(jié)pH和補(bǔ)充速效養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)可快速恢復(fù)渣山植被。

4)渣山苔蘚的生長(zhǎng)意味著渣山地表環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，苔蘚蓋度與土壤速效鉀、植被恢復(fù)蓋度和幼苗蓋度極顯著相關(guān)，因此苔蘚的生長(zhǎng)有利于恢復(fù)植被幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育。