安福元, 高志香, 李希來(lái), 王懿萱

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008;2.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 青海 西寧 810016; 3.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧810016; 4.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所 青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008)

青海省木里江倉(cāng)礦區(qū)位于青海省天峻縣和剛察縣境內(nèi)，是青海省最大的煤礦，也是優(yōu)質(zhì)焦煤和可燃冰資源整裝勘查礦區(qū)。木里江倉(cāng)礦區(qū)總面積400 km2，已探明儲(chǔ)量4.10×109t，平均海拔4 100 m，由聚乎更、江倉(cāng)、哆嗦貢瑪和弧山4個(gè)礦區(qū)組成，共有11家開(kāi)采企業(yè)，7家為國(guó)有或國(guó)有控股企業(yè)，4家為民營(yíng)企業(yè)。這些礦區(qū)的原生植被以天然高寒濕地為主，畜牧業(yè)是全縣的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，也是青海省發(fā)展牧業(yè)生產(chǎn)自然環(huán)境條件較好地區(qū)之一[1]。近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該地區(qū)地下儲(chǔ)存的煤炭資源遭到掠奪式、粗狂型開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐母吆疂竦卦獾絿?yán)重破壞，加劇惡化了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和牧民的生計(jì)，同時(shí)也讓被譽(yù)為“中華水塔”的青藏高原寶貴的濕地資源流失，這與國(guó)家這兩年來(lái)提倡的“綠水青山就是金山銀山”的國(guó)策不符。因此，近年來(lái)，國(guó)家和青海省政府加大資金和力度，對(duì)該地區(qū)的露天煤礦區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的渣山植被恢復(fù)，已經(jīng)得到了初步成效。高寒礦區(qū)海拔高，年積溫低，極端的生態(tài)環(huán)境對(duì)于植物的生長(zhǎng)極為不利，目前有關(guān)礦區(qū)渣山植被恢復(fù)的研究報(bào)道較少[2]。本研究運(yùn)用年代學(xué)、土壤營(yíng)養(yǎng)學(xué)、沉積學(xué)，對(duì)江倉(cāng)、木里礦區(qū)的高寒濕地進(jìn)行系統(tǒng)研究，探索該地區(qū)高寒濕地表層土壤的形成歷史、形成過(guò)程以及營(yíng)養(yǎng)學(xué)過(guò)程，旨在為當(dāng)?shù)氐V區(qū)與渣山植被的恢復(fù)提供借鑒和參考意義。

1 研究區(qū)概況及樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

青海木里江倉(cāng)礦區(qū)地處青藏高原東北端的祁連山中段南部地區(qū)[3]。該地區(qū)是大通河的上游盆地(圖1)，因此該地區(qū)露天煤礦的開(kāi)采嚴(yán)重影響大通河(湟水重要支流)的水質(zhì)。該地區(qū)年最高氣溫為19.8 ℃，最低氣溫可達(dá)-34 ℃，年平均氣溫為-4.2～-5.1 ℃。年平均降水量為314 mm,蒸發(fā)量為1 418 mm，降雨主要集中在7—9月，降雪集中在1—5月。礦區(qū)四季多風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)。礦區(qū)海拔高度為3 800～4 000 m左右，屬于高原草甸低位沼澤濕地，地勢(shì)起伏不大，多年凍土發(fā)育，地表凍融草沼、熱融湖沼、凍脹丘等地貌形態(tài)發(fā)育。該礦區(qū)天然高寒草甸和濕地保存完好，土壤肥沃，植被密度很大，植物種群較多，是青海省東北部較大的天然生態(tài)保障地區(qū)，也是當(dāng)?shù)啬撩裆a(chǎn)生活依托之所。由于長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模的煤礦開(kāi)采，使得祁連山腹地的高寒草甸和濕地遭到嚴(yán)重破壞，造成濕地生態(tài)系統(tǒng)失衡、地下水遭受污染等環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，也對(duì)當(dāng)?shù)啬撩竦纳a(chǎn)生活造成了極大干擾。因此，礦山廢棄地的生態(tài)植被恢復(fù)已成為一項(xiàng)緊迫而及其重要的研究課題。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)位置

1.2 剖面概況

研究區(qū)剖面主要有江倉(cāng)和木里剖面。其中江倉(cāng)剖面(JC)位于江倉(cāng)礦區(qū)圣雄煤礦礦坑?xùn)|北邊緣處，地理坐標(biāo)為38°2′52″N，99°28′8″E，海拔高度3 890 m。剖面深度為1.40 m，其中0～0.40 m為腐殖質(zhì)層，植物根系發(fā)育，有機(jī)質(zhì)和植物殘?bào)w含量較高；0.40～0.60 m為泥炭層，植物根系稍少，有機(jī)質(zhì)含量高，沉積物以碳質(zhì)黏土為主；0.60～0.95 m為黃土沉積層，以黏土，粉砂質(zhì)黏土組成，稍具水平層理，可能后期受水流改造；0.95～1.40 m為沖積扇礫石層，礫石粒徑在0.01～0.03 m之間，夾雜0.10～0.15 m的礫石，磨圓好，含大量粗砂、中砂(圖2)。木里剖面(ML)位于木里礦區(qū)東南部大通河支流河岸階地上，地理坐標(biāo)為38°7′7″N，99°7′23″E，海拔為4 040 m。該剖面沉積地層比較簡(jiǎn)單，上部0～45 cm為腐殖質(zhì)層，植物根系和殘?bào)w發(fā)育，有機(jī)質(zhì)含量較高，偶見(jiàn)黃色巖石風(fēng)化殘留物。下部0.45～1.00 m為青灰色強(qiáng)風(fēng)化基巖母質(zhì)風(fēng)化層，粒徑為1～2 cm為主，原巖為泥巖。該層中偶見(jiàn)黃色條狀黏土透鏡體(圖2)。

注：JC1-1腐殖質(zhì)； JC1-2泥炭層； JC1-3黃土； JC1-4沖積扇礫石； ML1-1腐殖質(zhì)； ML1-2基巖母質(zhì)風(fēng)化層。

圖2 江倉(cāng)、木里剖面地層劃分

1.3 樣品采集

本次研究共采集光釋光年代學(xué)樣品共6個(gè)。在江倉(cāng)剖面，由于剖面的沉積相變化較大，沉積類型多樣，因此，按照不同的沉積層位自上而下采集樣品4個(gè)(圖2)；在木里剖面沉積類型相對(duì)簡(jiǎn)單，共采集樣品2個(gè)(圖2)。同時(shí)，與年代學(xué)樣品同層位中，采集土壤營(yíng)養(yǎng)學(xué)樣品6個(gè)，進(jìn)行全氮、全P、全K、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等分析。所有樣品在中科院青海鹽湖研究所和青海大學(xué)進(jìn)行年代學(xué)及土壤營(yíng)養(yǎng)元素分析。

2 樣品的前處理

2.1 光釋光年代樣品前處理過(guò)程

樣品的前處理和制備均在暗室弱紅光下進(jìn)行，鋼管兩端厚約0.03～0.04 m的光釋光樣品可能被曝光，需要被除去，中部沒(méi)有被提取曝光的部分用于石英提取和等效劑量(equivalent dose, De)測(cè)定。樣品先后用10%的HCL和30%的H2O2除去碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)，然后對(duì)剩余樣品進(jìn)行濕篩后取38～63 um的粒徑組分。將該粒徑的樣品用35%的H2SiF6浸泡約兩周時(shí)間以除去樣品中的長(zhǎng)石礦物，然后將樣品用10%的HCL清洗以除去反應(yīng)生成的氟化物[4]。對(duì)上述提純的石英進(jìn)行紅外釋光(infrared stimulated luminescence, IRSL)檢測(cè)，如果有明顯的IRSL信號(hào)則需重新進(jìn)行H2SiF6浸泡，以盡可能除凈長(zhǎng)石，避免對(duì)De造成低估[5]。

光釋光樣品在RisoTL/光釋光-DA-20全自動(dòng)釋光儀上進(jìn)行測(cè)試。De的測(cè)定利用單片再生劑量法(single aliquot regeneration, SAR)[6]。測(cè)試石英釋光信號(hào)所用的藍(lán)光波長(zhǎng)為470±20 nm，且在130 ℃下激發(fā)40 s；檢驗(yàn)長(zhǎng)石組分所用的紅外激光波長(zhǎng)為830 nm，在光電倍增管前放置1個(gè)7.5 mm厚的U-340濾光片，人工β輻射源為90 Sr/Y90，對(duì)于粒徑38～63 μm石英的輻射劑量率為0.149 Gy/s。大部分樣品在預(yù)熱坪試驗(yàn)中表明樣品的De在240～260 ℃下有一明顯的坪區(qū)[7]。對(duì)于自然和再生劑量在220 ℃下預(yù)熱10 s。在背景值(后10 s信號(hào))去除后，選取前0.64 s的信號(hào)進(jìn)行生長(zhǎng)曲線重建，同時(shí)其衰減曲線表明都是快組分，說(shuō)明樣品比較可靠(圖3)。U，Th，K的含量通過(guò)中子活化法測(cè)定。對(duì)于38～63 μm的樣品a輻射的有效系數(shù)為0.035±0.003[8]。宇宙射線的劑量率根據(jù)每個(gè)樣品的深度、海拔和地磁緯度等參數(shù)確定[9]。樣品含水量通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矯正獲得。樣品的前處理及測(cè)試是在中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室完成。

圖3 JC1-3樣品的光釋光(OSL)生長(zhǎng)和衰減曲線

2.2 土壤營(yíng)養(yǎng)學(xué)樣品前處理過(guò)程

①全氮。在強(qiáng)堿條件下(pH>11)，用納氏試劑使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成較穩(wěn)定的黃色絡(luò)合物(ONH2I)，進(jìn)行光電比色后即可測(cè)出土壤的含氮量。②全磷。用濃硫酸—高氯酸(或H2O2)強(qiáng)氧化劑氧化，土壤中的難溶性有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)變?yōu)檎姿猁}而進(jìn)入溶液，在0.55～0.75 N酸度范圍內(nèi)，用鉬銻抗色劑，可使形成的黃色鉬銻雜多酸絡(luò)合物還原為相當(dāng)穩(wěn)定的磷鉬蘭(MoO2·4MoO3)H3PO·4H2O，然后進(jìn)行光電比色。③全鉀。定容前，在土壤待測(cè)液中加入適量的氯化鈉溶液，使鈉離子濃度為1 000 mg/L。用系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中鉀濃度為零的溶液調(diào)節(jié)儀器零點(diǎn)。從校準(zhǔn)曲線查出或從直線回歸方程計(jì)算出待測(cè)液中鉀的濃度。④堿解氮。用堿液處理土壤，使易水解的有機(jī)氮及銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨，硝態(tài)氮?jiǎng)t先經(jīng)硫酸亞鐵還原為銨，以硼酸溶液吸收氨，再用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定，計(jì)算出堿解氮含量。⑤速效鉀。以中性1 mol/L乙酸銨溶液為浸提劑，銨離子與土壤膠體表面的鉀離子進(jìn)行交換，連同水溶性鉀離子一起進(jìn)入溶液。浸出液中的鉀含量可以直接用火焰光度測(cè)定。⑥速效磷。用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液提取到溶液中進(jìn)行測(cè)定。⑦土壤有機(jī)質(zhì)。用過(guò)量的重鉻酸鉀、濃硫酸溶液氧化，剩余的重鉻酸鉀溶液用硫酸亞鐵還原滴定，由實(shí)際氧化所用去的重鉻酸鉀的量折算出土壤有機(jī)碳的含量，乘以相關(guān)系數(shù)可獲得土壤有機(jī)質(zhì)含量。

3 結(jié) 果

3.1 光釋光測(cè)年結(jié)果

兩個(gè)剖面的年代學(xué)環(huán)境參數(shù)和測(cè)年結(jié)果數(shù)據(jù)如表1和圖2所示。從測(cè)年結(jié)果可以看出,沖積扇礫石層具有較老的年代，為123.5±11.4 ka，沖積扇礫石層之上是黃土層，年代是26.8±2 ka，處在深含氧同位素三階段晚期(MIS3a)；黃土層之上的泥炭層沉積年代是早全新世，年代為8.2±0.7 ka；上覆的腐殖質(zhì)層年代為1.7±0.1 ka。由此發(fā)現(xiàn)，不同地層間存在沉積間斷，而腐殖質(zhì)層的年代較年輕，屬于晚全新世晚期以來(lái)的沉積物質(zhì)。在木里剖面中，基巖母質(zhì)分化層具有較年輕的年代，為2.7±0.2 ka，上覆層為腐殖質(zhì)層，測(cè)定年代為2.0±0.2 ka。表中數(shù)據(jù)顯示，在江倉(cāng)和木里剖面的腐殖質(zhì)層具有相近的年代，表明腐殖質(zhì)層的沉積年代較為年輕，大致處于近2 000 a以來(lái)的時(shí)段?？v觀兩個(gè)剖面，底部沖積扇的沉積年代較老，黃土沉積于末次冰期的暖期，可能與良好的植被發(fā)育情況有關(guān)，泥炭層沉積在早全新世氣候適宜期。腐殖質(zhì)層最為年輕，為晚全新世相對(duì)較干冷氣候條件下沉積形成。

表1 江倉(cāng)、木里剖面環(huán)境信息和光釋光年代結(jié)果

3.2 土壤營(yíng)養(yǎng)元素分析結(jié)果

從圖4可以看出，在江倉(cāng)剖面內(nèi)，全氮在沖積扇礫石層中含量最少，為0.4 g/kg，在黃土層中次之，到泥炭層，再到腐殖質(zhì)層，全氮含量一直在緩慢增加；全氮在黃土層中含量為0.7 g/kg，泥炭層的含量比黃土層多5.5 g/kg，在腐殖質(zhì)層中達(dá)到了最大值，為3.7 g/kg，可能是由植物的固氮作用造成。全P的含量在沖積扇礫石層和黃土層的含量相近，為1.2 g/kg，在腐殖質(zhì)層和泥炭層的含量分別為1.7，1.5 g/kg。全K在腐殖質(zhì)層中的含量最少，為24.6 g/kg，而在黃土層中的含量最多，達(dá)到了30.1 g/kg。從黃土層到腐殖質(zhì)層，堿解氮含量持續(xù)下降，在腐殖質(zhì)層中的含量最大，為540 g/kg。速效磷在腐殖質(zhì)層中最少，含量為5.5 g/kg，在沖積扇礫石層含量最多，達(dá)到了6.0 g/kg，在泥炭層和黃土層含量較接近，分別為5.5，5.4 g/kg。有機(jī)質(zhì)在各個(gè)地層中的含量分為兩個(gè)階段：第一階段從腐殖質(zhì)層中的192 g/kg到泥炭層中的118 g/kg，減少74 g/kg；第二階段中有機(jī)質(zhì)含量基本不變，從黃土層的4.4 g/kg到?jīng)_積扇礫石層中的4.3 g/kg。在木里剖面中，全氮在基巖母質(zhì)風(fēng)化層中的含量比在腐殖質(zhì)層的含量低；全P2O3在基巖母質(zhì)風(fēng)化層中的含量為2.0 g/kg，在腐殖質(zhì)層中的含量為1.9 g/kg，兩地層間的含量相差較小；全K在基巖母質(zhì)風(fēng)化層中的含量為24.6 g/kg，比腐殖質(zhì)層多1.0 g/kg；堿解氮的含量在不同層位間變化最明顯，從腐殖質(zhì)層中的312 g/kg，降低到基巖母質(zhì)風(fēng)化層中的198 g/kg；速效鉀的變化幅度僅次于堿解氮，隨地層厚度的增加呈遞減趨勢(shì)，從175 g/kg減少到了74 g/kg；速效磷在腐殖質(zhì)層中的含量為6.7 g/kg，比基巖母質(zhì)風(fēng)化層中的含量稍高；相較于速效鉀和速效磷，有機(jī)質(zhì)含量變化較小，從腐殖質(zhì)層中的97 g/kg減小到基巖母質(zhì)風(fēng)化層中的74 g/kg。

圖4 江倉(cāng)和木里剖面土壤營(yíng)養(yǎng)元素隨深度變化過(guò)程

4 討 論

4.1 木里江倉(cāng)地區(qū)濕地演化歷史

濕地的形成、發(fā)育與演化是濕地理論研究的核心問(wèn)題[10]，而青藏高原由于特殊的地理位置，獨(dú)特的生態(tài)作用，其高寒草甸、高寒濕地的形成歷史是當(dāng)前第四紀(jì)研究、生態(tài)研究的熱點(diǎn)[11-12]。江倉(cāng)木里地區(qū)位于青藏高原北部的祁連山脈腹地，同時(shí)該地區(qū)是季風(fēng)、西風(fēng)共同作用的交匯區(qū)，其草原濕地的形成過(guò)程與地區(qū)氣候變化和地貌過(guò)程的聯(lián)系十分密切[13-14]。從江倉(cāng)剖面可以看出，作為高寒濕地承載基座的沖積扇形成于123.5±11.4 ka，屬于深海氧同位素5e (MIS5e)初期。這個(gè)階段，青藏高原上出現(xiàn)了末次間冰期以來(lái)最濕潤(rùn)的氣候時(shí)期[15-16]。因此，充足的降水導(dǎo)致高原東北部山前沖積扇、谷溝填充等地貌過(guò)程的發(fā)育[17]，形成了高原濕地的基座載體。沖積扇沉積層之上為黃土沉積，其年代為26.8±2.0 ka，表明兩層不同類型沉積物中間有將近10萬(wàn)年的沉積間斷。同時(shí)黃土沉積的年代表明該層風(fēng)成堆積形成MIS 3a階段，該階段在末次冰期里面是一個(gè)短暫的氣候適宜期[18]。這一時(shí)期，青藏高原東北部普遍存在黃土沉積[19-20]。這種現(xiàn)象意味著氣候條件的好轉(zhuǎn)使得地表植被茂盛，起到了固定黃土的作用，從而堆積了厚度達(dá)35 cm的黃土沉積。進(jìn)入全新世早期，江倉(cāng)地區(qū)氣候條件極大改觀，降雨充沛，水草豐茂，濕地面積進(jìn)一步擴(kuò)大，大量植物殘?bào)w沉積下來(lái)，碳化壓實(shí)，形成了近20 cm的泥炭層(圖2a)，其光釋光年代為8.2±0.7 ka。全新世早中期(約10～6 ka)，青藏高原上的氣候進(jìn)入一個(gè)雨熱同期的最佳適宜期[21]。這個(gè)時(shí)期的氣候特點(diǎn)是降水出現(xiàn)全新世以來(lái)的最大值，氣溫同樣也出現(xiàn)峰值[22-23]。這種雨熱同期對(duì)青藏高原環(huán)境的影響表現(xiàn)為：湖泊水位升高，湖面擴(kuò)大[24]；山地冰川退縮[25]；古土壤發(fā)育[26]；草原濕地面積擴(kuò)大等[27]。在這種氣候背景下，江倉(cāng)地區(qū)的高寒濕地大面積發(fā)育，濕地的成熟度和規(guī)模擴(kuò)大，其發(fā)育程度超過(guò)了現(xiàn)在的水平。同樣的濕地大規(guī)模發(fā)育出現(xiàn)在青海湖流域，劉德梅[27]研究了青海湖地區(qū)的全新世土壤沉積地層，發(fā)現(xiàn)華扁穗草沼澤濕地出現(xiàn)在8.4±0.6 ka，表明這一時(shí)期氣候變化過(guò)程與青藏高原東北部是一致的。然而，青海南部三江源地區(qū)的高寒濕地主要發(fā)育在14.3～13.2 ka的末次冰消期，在早中全新世發(fā)育停滯[27]，表明在更大的空間尺度上，濕地的發(fā)育存在差異性，這種現(xiàn)象可能與不同的大氣環(huán)流主導(dǎo)及當(dāng)?shù)氐匦蔚孛灿嘘P(guān)。

江倉(cāng)剖面的腐殖質(zhì)層發(fā)育年代為1.7±0.1 ka，表明這些表層濕地草甸主要形成于晚全新世，這與木里剖面腐殖質(zhì)層年代一致(2.0±0.2 ka)。木里剖面腐殖層下部基巖母質(zhì)風(fēng)化層的風(fēng)化碎屑具有較年輕的光釋光年代，為2.7±0.2 ka，表明這些腐殖層直接發(fā)育在風(fēng)化巖石之上，其光釋光年代即為風(fēng)化形成的年代。研究表明，青藏高原東北部土壤腐殖質(zhì)層形成的年代較為集中，皆為晚全新世以來(lái)發(fā)育形成(圖5)。在青海湖地區(qū)，草甸土的年代可最早追溯到中晚全新世。鄂崇毅等[28]測(cè)定了青海湖流域橡皮山頂(XPSD2)和日月山(RYS1)兩個(gè)剖面的草甸土年代，其腐殖層開(kāi)始發(fā)育的年代分別為3.2 ka和2.5 ka，持續(xù)了約2 000～3 000 a。常秋芳等對(duì)青海湖流域夏拉(XL)水庫(kù)剖面測(cè)定發(fā)現(xiàn)其腐殖層發(fā)育開(kāi)始于3.4至1.1 ka之間[29]。劉德梅[27]測(cè)定得出青海湖藏嵩草沼澤濕地和鹽地鳳毛菊沼澤濕地的發(fā)育年代為2.1至1.1 ka之間。綜上所述，青藏高原東北部的高寒濕地和草甸形成年代開(kāi)始于3 000 a前，大部分濕地形成于最近2000 a以來(lái)，且在形成過(guò)程、形成時(shí)間上具有地域一致性的特點(diǎn)。

圖5 青藏高原東北部不同濕地剖面地層對(duì)比

4.2 木里江倉(cāng)地區(qū)剖面土壤營(yíng)養(yǎng)成分變化特征

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是氮素和磷素等各種養(yǎng)分的主要儲(chǔ)積庫(kù)。土壤中的有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮總稱為全氮。土壤中的氮素絕大部分來(lái)自于有機(jī)質(zhì)，故有機(jī)質(zhì)的含量與全氮含量成正相關(guān)。土壤全氮是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一[30]?？偭资菨竦刂参锷L(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一,其在土壤中的含量直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,也是導(dǎo)致濕地及其相連水系發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素,因此研究濕地土壤磷對(duì)評(píng)估濕地生態(tài)涵養(yǎng)能力和控制濕地水域富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義[31]。土壤中的全鉀包括無(wú)效態(tài)或礦物態(tài)鉀、緩效性鉀、速效性鉀，其含量取決于成土母質(zhì)、風(fēng)化程度、土壤形成條件、土壤質(zhì)地和耕作施肥措施，可反映土壤鉀素的貯量狀況[32]。堿解氮又叫水解氮，包括無(wú)機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮，它可供作物近期吸收利用，故又稱速效氮。堿解氮含量取決于有機(jī)質(zhì)含量的高低和質(zhì)量的好壞，它能反映近期土壤氮素供應(yīng)能力[33]。速效磷和鉀，是指土壤中較容易被植物吸收利用的磷和鉀，速效磷和鉀是土壤有效磷儲(chǔ)庫(kù)中對(duì)作物最為有效的部分，也是評(píng)價(jià)土壤供磷水平的重要指標(biāo)[34]。有機(jī)質(zhì)是土壤中來(lái)源于生命的物質(zhì)，包括土壤微生物和土壤動(dòng)物及其分泌物以及土體中植物殘?bào)w和植物分泌物。有機(jī)質(zhì)含量的多少取決于當(dāng)時(shí)的植被狀況，因此有機(jī)質(zhì)的含量可以間接地視為植被蓋度和生物量的指示[35]，而植被蓋度和生物量的變化可以反映氣候冷暖干濕變化。一般而言，溫暖濕潤(rùn)的氣候有利于植物茂盛生長(zhǎng)，泥炭的有機(jī)質(zhì)含量高，反之，冷干的環(huán)境泥炭有機(jī)質(zhì)含量較低。

如圖4所示，總體上江倉(cāng)、木里剖面的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和全P含量呈現(xiàn)從底部到頂部逐漸升高的趨勢(shì)，而速效磷、全K含量則出現(xiàn)波動(dòng)。這些變化規(guī)律基本和剖面沉積相和沉積類型的變化一致。具體來(lái)講，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮以及全P含量在江倉(cāng)剖面下部沖積扇礫石層中含量極低，隨著深度的變淺，其含量逐漸升高，表現(xiàn)出非常好的正相關(guān)性，表明土壤中全氮、堿解氮和全磷和地層中有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)藏密切相關(guān)。劉世全等[36]對(duì)西藏地區(qū)土壤中的全氮與有機(jī)質(zhì)的研究表明兩者呈非常明顯的線性正相關(guān)，而堿解氮?jiǎng)t呈非線性正相關(guān)。王艷杰和付華[37]對(duì)華北靈霧山地區(qū)的土壤研究表明其有機(jī)質(zhì)、全氮及堿解氮均隨著深度的增加而減少，且土壤腐殖質(zhì)層的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各層。這與江倉(cāng)剖面的變化規(guī)律十分相似。在靈霧山地區(qū)，由于表層殘枝落葉的覆蓋，在降水豐富的情況下，這些有機(jī)質(zhì)進(jìn)行腐解，造成了地表層中有機(jī)質(zhì)含量的豐富。隨著雨水的下滲，部分有機(jī)質(zhì)被淋溶到深層，形成了有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)元素隨深度逐漸降低的變化特征。在江倉(cāng)、木里地區(qū)，地表植被主要以高原藏嵩草、矮嵩草等禾本科植物為主，其有機(jī)質(zhì)的來(lái)源主要是植物根系和植物殘?bào)w腐解。而腐殖質(zhì)層以下的泥碳層中，由于經(jīng)過(guò)八千多年的壓實(shí)變質(zhì)，其所含營(yíng)養(yǎng)元素有所降低。而在黃土層中，由于其無(wú)機(jī)粉砂黏土礦物的屬性，營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)一步降低。雖然有機(jī)質(zhì)反映了地層地質(zhì)歷史時(shí)期植被蓋度和植物豐度，但這種規(guī)律在江倉(cāng)剖面并不明顯，可能是由于八千多年的全新世適宜期沉積下的大量有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已被降解，所以與過(guò)去的氣候變化相關(guān)性較弱。在木里剖面中，同樣表現(xiàn)為上部的腐殖質(zhì)層中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等營(yíng)養(yǎng)元素含量最高，而全P則為下部層位含量高，上部層位低，可能與下伏基巖風(fēng)化產(chǎn)物中含有大量磷灰石礦物且向上遷移有關(guān)。在兩剖面中，速效磷和速效鉀的變化比較復(fù)雜：江倉(cāng)剖面中，速效磷含量在泥炭中含量最高，黃土中次之；速效鉀在黃土層含量最高、腐殖質(zhì)層中次之。劉雙等[38]研究北京地區(qū)濕地時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤中的磷元素含量變化與季節(jié)變化、粒徑分布等因素有關(guān)。另外，江倉(cāng)剖面中全K含量在黃土中含量最高。這些結(jié)果表明江倉(cāng)剖面中的磷和鉀元素含量與土壤母質(zhì)層礦物含量、風(fēng)化程度、降解程度、元素遷移等因素有關(guān)，呈現(xiàn)比較復(fù)雜的相關(guān)性。在木里剖面中，由于上下沉積地層形成年代很接近(2.0～2.7 ka)，層位之間整合接觸，無(wú)沉積間斷，故各營(yíng)養(yǎng)元素含量呈簡(jiǎn)單的遞增規(guī)律(除全P含量)，在腐殖質(zhì)層含量達(dá)到最高。

綜上所述，江倉(cāng)、木里地區(qū)的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和全磷含量土壤營(yíng)養(yǎng)元素主要儲(chǔ)存在腐殖質(zhì)層中，其次為泥炭層中。而鉀元素主要儲(chǔ)存在黃土等土壤母質(zhì)層中，這種含量跟它的原巖礦物組成有關(guān)(如鉀長(zhǎng)石等)。營(yíng)養(yǎng)元素在垂向上的變化表明其與地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候變化過(guò)程相關(guān)性不大，這可能與地層屬性、地層壓實(shí)、元素降解等因素有關(guān)。

4.3 江倉(cāng)、木里地區(qū)剖面腐殖質(zhì)層的沉積年代與土壤營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)含量對(duì)礦山植被恢復(fù)的意義

通過(guò)對(duì)比江倉(cāng)、木里草原濕地剖面(JC，ML)和青海湖地區(qū)高寒草原剖面(XL，XPSD2和RYS1)(圖5)，我們發(fā)現(xiàn)青藏高原東北部的草原和濕地腐殖質(zhì)層最早是3.4 ka以來(lái)形成的，大部分形成于2 ka左右，說(shuō)明這些自然生長(zhǎng)形成的高寒草甸和高寒濕地腐殖質(zhì)層在經(jīng)歷了近2.0～3.0 ka的時(shí)間才發(fā)育到目前的成熟度。劉德梅[27]對(duì)青海湖沼澤濕地的測(cè)定年代為2.1～1.1 ka之間，也進(jìn)一步佐證了這種長(zhǎng)期的形成歷史。腐殖質(zhì)層主要是歷史植物殘?bào)w堆積腐化形成的。按照平均兩千年的時(shí)間來(lái)算，要形成厚度40 cm左右的腐殖質(zhì)層，其年平均沉積速率為0.2 mm，形成的過(guò)程十分緩慢且不易。因?yàn)榍嗖馗咴瓙毫拥臍夂颦h(huán)境和短暫的春夏季節(jié)，植被的生長(zhǎng)短暫緩慢，其單位面積的生物量較低，平均為500 g/m2左右。目前對(duì)于江倉(cāng)、木里地區(qū)煤礦礦山的植被恢復(fù)主要采用人工種植的方法。由于礦區(qū)開(kāi)采出來(lái)的礦渣基本由粗砂、礫石、塊石以及多年凍土組成，含土量和肥力極低，礦山植被恢復(fù)時(shí)間短(2015—2018年)，加之礦渣山體滑坡、坍塌等影響，其人工種草后植被恢復(fù)狀況遠(yuǎn)不及天然草原濕地植被蓋度和成熟度，主要表現(xiàn)為人工種植形成的土壤層很薄，植被單一且稀疏，植物類型并不是區(qū)域草原優(yōu)勢(shì)種，其土壤穩(wěn)定性、植被抗旱/寒性和生態(tài)環(huán)境相當(dāng)脆弱(圖6)。從該地區(qū)天然草原腐殖質(zhì)層形成的地質(zhì)歷史時(shí)間看，要使已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞的高寒濕地恢復(fù)到原有狀態(tài)，還需要進(jìn)行更科學(xué)的植被恢復(fù)方法研究；要使礦山生態(tài)環(huán)境在有限的時(shí)間里采用人工種植技術(shù)得到最大程度的恢復(fù)，就要借鑒自然界表層腐殖質(zhì)層的形成機(jī)制和土壤營(yíng)養(yǎng)學(xué)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。影響土壤形成的因素主要有母質(zhì)、氣候、生物、地形和時(shí)間，礦山恢復(fù)的關(guān)鍵就是要縮短人工表層腐殖質(zhì)層的形成時(shí)間，使其在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的腐殖質(zhì)化，穩(wěn)定化和植物種群結(jié)構(gòu)的合理化，從而徹底使礦山礦渣表層植被恢復(fù)到較高水平。因此，今后的研究工作需要更深入地探究礦區(qū)高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成過(guò)程和機(jī)理，并加大礦區(qū)渣山人工干預(yù)，選取科學(xué)的方案，通過(guò)優(yōu)化組合的方法縮短植被腐殖層形成時(shí)間。比如對(duì)一些礦山礦渣地表礫石含量高，植物不易生長(zhǎng)的區(qū)塊，進(jìn)行腐殖質(zhì)土的客土覆蓋或噴播技術(shù)，采用人工干預(yù)的方式增加土壤厚度和有機(jī)含量，這對(duì)于植被根系發(fā)育、植被蓋度提高和植被物種多樣性合理化具有重要意義。通過(guò)提高煤矸石表層植被覆蓋度和植物根系對(duì)土壤水分的吸附力，可有效增強(qiáng)煤矸石表層土壤的水源涵養(yǎng)功能，其中，要重視改善渣山表層土壤物理性質(zhì)，選擇增施畜圈牛羊糞或者牛羊顆粒有機(jī)肥(工廠熟化)等措施；同時(shí)，根據(jù)高寒濕地土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素的變化規(guī)律，增施人工土壤中的N，P，K等植物所需元素肥料，提高土壤養(yǎng)分，改善土壤化學(xué)性狀，加快成土速度，使煤矸石表層土壤環(huán)境得到快速改善，為恢復(fù)區(qū)植被生長(zhǎng)和其它先鋒植物的入侵創(chuàng)造良好的立地條件，縮短恢復(fù)時(shí)間，加快礦區(qū)植被恢復(fù)演替進(jìn)程。

注：a天然高寒草甸；b天然高寒濕地；c礦山人工建植草地；d天然高寒濕地和人工建植草地對(duì)比(近處為人工草地，遠(yuǎn)處為天然濕地)。

圖6 木里江倉(cāng)礦區(qū)天然高寒濕地和人工草地對(duì)比

5 結(jié) 論

(1) 江倉(cāng)和木里地區(qū)存在著大面積的優(yōu)質(zhì)濕地資源，其中江倉(cāng)地區(qū)濕地剖面地層變化較大，從底層的沖積扇礫石層、黃土層、泥炭層發(fā)育到頂部的腐殖質(zhì)層；而木里濕地剖面較為簡(jiǎn)單，下部為基巖母質(zhì)風(fēng)化層，上部為腐殖質(zhì)層。光釋光年代學(xué)研究表明，江倉(cāng)剖面的腐殖質(zhì)層形成于1.7±0.1 ka以來(lái)；木里剖面的腐殖質(zhì)層形成于2.0±0.2 ka以來(lái)。該結(jié)果與青海湖地區(qū)草原表層腐殖質(zhì)層的形成年代基本一致。

(2) 江倉(cāng)、木里剖面的土壤營(yíng)養(yǎng)學(xué)表明，腐殖質(zhì)層中有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷等含量最高，其中氮、磷元素的含量跟有機(jī)質(zhì)含量成正比，說(shuō)明草原植被生長(zhǎng)需要較高的土壤肥力；全鉀含量在土壤母質(zhì)層中最高；速效磷和速效鉀含量在各地層中變化波動(dòng)較大。

(3) 青藏高原東北部高寒草甸、高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成年代表明其形成時(shí)間至少在兩千年以上，形成過(guò)程十分緩慢，沉積速率非常低，這對(duì)于江倉(cāng)、木里地區(qū)礦區(qū)和渣山的植被恢復(fù)工作具有指導(dǎo)意義。根據(jù)天然高寒濕地腐殖質(zhì)層的形成年代和形成過(guò)程，采用人工種草方式恢復(fù)礦區(qū)生活區(qū)和排土場(chǎng)渣山的植被生態(tài)，還需要增加礦山礦渣表面土壤厚度和肥力，從而加快礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和植被多樣性的恢復(fù)進(jìn)程。