楊宇平， 許 麗， 豐 菲， 鄭雯丹， 劉 瑩

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2.荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

國(guó)家規(guī)劃的14個(gè)大型煤炭基地之一的寧東礦區(qū)位于西北干旱荒漠區(qū)，為國(guó)家生態(tài)安全格局“兩屏三帶”的北方防沙帶，是國(guó)家“一帶一路”的重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域[1]，該區(qū)氣候干旱、降水稀少,土壤水分長(zhǎng)期處于負(fù)平衡狀態(tài)，是中國(guó)的典型生態(tài)脆弱區(qū)，潛在的水土流失和風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重[2]。隨著煤炭資源的開(kāi)采，更加劇了本礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異、生態(tài)功能退化、生態(tài)穩(wěn)定性減弱，同時(shí)造成地形地貌受損、土地占?jí)旱壬鷳B(tài)環(huán)境問(wèn)題。寧東礦區(qū)煤炭開(kāi)采方式以井工開(kāi)采為主，形成大面積煤矸石山，造成的土地占?jí)汉偷乇碇脖黄茐母鼮閲?yán)重，亟待進(jìn)行植被重建，因此劃分煤矸石山立地類(lèi)型成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)及植被重建的首要工作。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)立地類(lèi)型劃分多集中在造林地[3-7]，近年來(lái)采石場(chǎng)[8-9]、礦山[10-11]立地類(lèi)型分類(lèi)的研究也有報(bào)道，但對(duì)煤礦區(qū)矸石山立地類(lèi)型劃分的研究至今未見(jiàn)報(bào)道。劃分立地可采用立地指數(shù)法[12]進(jìn)行立地劃分與評(píng)價(jià)，也可通過(guò)數(shù)量化理論[13-14]、主成分分析[15-16]、多元回歸分析[3,9]等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在立地因子中篩選主導(dǎo)因子，從而劃分立地類(lèi)型。煤矸石山立地類(lèi)型的劃分可為植被重建時(shí)適宜植物種的選擇及其保育技術(shù)的制定提供依據(jù)，是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵。本研究以寧東礦區(qū)煤矸石山為研究對(duì)象，探究影響煤矸石山立地條件的主導(dǎo)因子，從而劃分煤矸石山立地類(lèi)型，再結(jié)合不同立地類(lèi)型特征進(jìn)行分析，為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建提供參考。

1 研究區(qū)概況

寧東礦區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中部的靈武市，地理坐標(biāo)105°35′24″—106°22′12″E，37°36′0″—38°0′36″N。寧東礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，有10余個(gè)生產(chǎn)礦井，已探明儲(chǔ)量達(dá)2.70×1010t，礦區(qū)煤炭年產(chǎn)量為5.80×107t，矸石年產(chǎn)量1.88×106t[17]。研究區(qū)干旱少雨，年平均氣溫8～9 ℃，年降水量300 mm以下，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年日照時(shí)數(shù)3 000 h左右，年總太陽(yáng)總輻射5 700～6 100 MJ/m2。地形以低山丘陵為主，地勢(shì)大致呈東南向西北傾斜。土壤以灰鈣土為主，另有風(fēng)沙土、潮土和鹽土，植被主要以荒漠草原和草原帶沙生植被為主，荒漠草原植被包括貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、駱駝蓬(Peganumharmala)、地錦(Euphorbiahumifusa)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等，沙生植被有沙蒿(Artemisiadesertorum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等[18]。

本研究調(diào)查的煤矸石山位于羊場(chǎng)灣煤礦、棗泉煤礦和靈新煤礦，各煤矸石山地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 寧東礦區(qū)煤矸石山地理位置

寧東礦區(qū)開(kāi)采方式均以井工開(kāi)采為主，排矸年限10 a以上，矸石堆放形成煤矸石山，有平臺(tái)和邊坡2種微地形。自2016年開(kāi)始，各煤礦陸續(xù)對(duì)煤矸石山進(jìn)行覆土及植被重建，覆土來(lái)源于矸石山周邊土地，土質(zhì)以砂土及礫質(zhì)砂土為主，寧東礦區(qū)煤矸石山基本概況見(jiàn)表1。

表1 寧東礦區(qū)煤矸石山概況

2 材料與方法

2.1 立地因子篩選

根據(jù)各煤矸石山實(shí)地調(diào)查及相關(guān)研究方法，將能夠反映煤矸石山立地類(lèi)型特征的地形因子和土壤因子作為立地因子篩選依據(jù)[8-9]，篩選出微地形X1，海拔高度X2(m)，覆土厚度X3(cm)，土壤質(zhì)地X4，土壤田間持水量(X5/%)，有機(jī)質(zhì)含量X6(g/kg)，全N含量X7(g/kg)，全P含量X8(g/kg)，全K含量X9(g/kg)，坡向X10這10個(gè)立地因子。

2.2 樣地設(shè)置與指標(biāo)測(cè)定

2018年9月，通過(guò)前期對(duì)研究區(qū)資料的整理分析，并結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，對(duì)寧東礦區(qū)的羊場(chǎng)灣煤礦、棗泉煤礦、靈新煤礦等礦區(qū)的煤矸石山進(jìn)行典型樣地調(diào)查，根據(jù)微地形及實(shí)地狀況設(shè)置樣地14個(gè)。微地形有平臺(tái)和邊坡2種，使用GPS對(duì)各樣地進(jìn)行定位，并調(diào)查海拔高度；手持羅盤(pán)儀調(diào)查邊坡坡度和坡向，覆土厚度通過(guò)盒尺測(cè)得，并在平臺(tái)采取“S形”取樣法設(shè)土壤剖面，邊坡分別在坡上、中、下部設(shè)土壤剖面，共設(shè)52個(gè)土壤剖面。在剖面表層用環(huán)刀、鋁盒取樣，同時(shí)取1 kg混合土樣用于土壤理化性質(zhì)分析，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，以常規(guī)方法測(cè)定土壤質(zhì)地、土壤田間持水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全N，全P，全K含量等土壤理化性質(zhì)指標(biāo)[19]。

2.3 立地類(lèi)型劃分

采用定性與定量相結(jié)合的方法分析立地因子，對(duì)X1，X10等描述性因子進(jìn)行量化處理后，采用主成分分析確定煤矸石山主導(dǎo)立地因子，再通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)法對(duì)主導(dǎo)立地因子進(jìn)行分級(jí)組合，劃分寧東礦區(qū)煤矸石山立地類(lèi)型。

3 結(jié)果與分析

3.1 煤矸石山立地因子分析

煤矸石山立地條件較為惡劣，劃分立地類(lèi)型的關(guān)鍵在于找出主導(dǎo)因子，經(jīng)SPSS因子分析的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin Measure)和Bartlett(Bartlett’s Test of Sphericity)球形度檢驗(yàn)可知，KMO>0.5，sig.<0.01，檢驗(yàn)結(jié)果均屬于正常范圍，因表明選用的研究數(shù)據(jù)適合做為因子分析[8-9]。據(jù)此對(duì)立地因子X(jué)1—X10進(jìn)行主成分分析，從而確定煤矸石山主導(dǎo)立地因子。由結(jié)果可知，前4個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為80.624%，表明前4個(gè)主成分代表著全部因子80.624%的信息，構(gòu)建這4個(gè)主成分與各因子關(guān)系式如下：

F1=0.120X1-0.213X2+0.135X3-0.260X4-0.144X5+0.209X6-X7+0.173X8+0.08X9+0.241X10

F2=-0.182X1-0.148X2+0.313X3+0.116X4+0.052X5-0.181X6-0.073X7+0.274X8+0.273X9-0.219X10

F3=-0.411X1+0.188X2-0.06X3-0.190X4+0.381X5+0.318X6-0.271X7-0.095X8+0.177X9+0.049X10

F4=-0.05X1-0.38X2-0.032X3-0.278X4+0.341X5-0.004X6+0.684X7-0.195X8+0.203X9-0.029X10

由以上關(guān)系式可知，F(xiàn)1關(guān)系式中，土壤質(zhì)地(X4)系數(shù)最大，為0.260，在第1主成分中起主要影響作用；第2主成分代表土壤覆土厚度(X3)，其在該成分中系數(shù)最大為0.313；F3關(guān)系式中，微地形(X1)系數(shù)(0.411)最大，表明第3主成分表示地形特征；第4主成分代表土壤全氮含量。由此可見(jiàn)，土壤狀況及地形因子等在寧東礦區(qū)煤矸石山立地類(lèi)型劃分過(guò)程中起關(guān)鍵性主導(dǎo)作用，實(shí)測(cè)結(jié)果表明土壤全氮含量在0.07～0.18 g/kg之間，根據(jù)全國(guó)土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，全氮含量<0.5g/kg均屬于極低水平，另外土壤養(yǎng)分指標(biāo)的含量難以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方式直接測(cè)得，這些指標(biāo)又受到地形和土壤特征的影響，而地形特征和土壤特征又具有穩(wěn)定直觀、易調(diào)查和易測(cè)量的特點(diǎn)[5]，故選取微地形、覆土厚度、土壤質(zhì)地為劃分立地的主導(dǎo)立地因子。

主導(dǎo)立地因子中，微地形分為平臺(tái)和邊坡，邊坡根據(jù)坡度大小分為陡坡、急坡，覆土厚度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)地調(diào)查分為厚層、中層、薄層，土壤質(zhì)地根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定(見(jiàn)表2)。

表2 主導(dǎo)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 煤矸石山立地類(lèi)型劃分

運(yùn)用SPSS軟件，采用組間聯(lián)接的聚類(lèi)方法，以平方歐氏距離為樣地度量標(biāo)準(zhǔn)，Z得分標(biāo)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)寧東礦區(qū)煤矸石山各樣地進(jìn)行聚類(lèi)，劃分立地類(lèi)型。結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 寧東礦區(qū)煤矸石山地類(lèi)型聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖

本文根據(jù)聚類(lèi)分析結(jié)果，并結(jié)合主導(dǎo)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)，將寧東礦區(qū)煤矸石山14個(gè)研究樣地劃分成3個(gè)立地類(lèi)型組，5個(gè)立地類(lèi)型亞組，8個(gè)立地類(lèi)型。

立地類(lèi)型的命名以聚類(lèi)分析中引起分類(lèi)不同的立地劃分因子為依據(jù)[9]，劃分結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 寧東礦區(qū)立地類(lèi)型

3.3 煤矸石山立地類(lèi)型特征

對(duì)煤矸石山各立地類(lèi)型特征進(jìn)行描述，可以更好地了解不同立地類(lèi)型的土壤、植被等狀況，可為植被重建提供基底數(shù)據(jù)，并對(duì)各立地類(lèi)型植被重建適宜植物種的選擇提出建議，寧東礦區(qū)煤矸石山立地類(lèi)型特征見(jiàn)表4。

表4 寧東礦區(qū)煤矸石山立地類(lèi)型特征

(1) 第Ⅰ類(lèi)。矸石山平臺(tái)厚層砂質(zhì)壤土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地類(lèi)型覆土厚度95～110 cm，覆土土質(zhì)為砂質(zhì)壤土，土壤田間持水量32.62%，在各立地類(lèi)型中其保水性最好；該立地土壤全K含量平均37.82 g/kg，屬于極高水平，而有機(jī)質(zhì)含量、土壤全N含量分別為0.28%，0.11 g/kg，均為極低水平，全P 含量0.34 g/kg為低水平，土壤偏堿性。該立地生長(zhǎng)有2018年人工重建的側(cè)柏林，其成活與生長(zhǎng)狀況較好，總體看該立地類(lèi)型立地條件較好。建議植被重建時(shí)，可選擇以喬木為主的喬灌型植被配置模式。

(2) 第Ⅱ類(lèi)。矸石山平臺(tái)中層壤質(zhì)砂土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地類(lèi)型覆土厚度55～60 cm，覆土土質(zhì)為壤質(zhì)砂土，土壤田間持水量27.13%，保水性?xún)H次于Ⅰ類(lèi)立地；土壤全K含量(35.44 g/kg)屬于極高水平，土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量均屬于極低水平，全P含量為低水平，土壤偏堿性?，F(xiàn)有2018年人工檸條錦雞兒+沙拐棗+糜子灌草混交林，植被生長(zhǎng)狀況較好，總體看立地條件較好。建議植被重建時(shí)，選擇以灌木為主的灌木林或灌草型配置。

(3) 第Ⅲ類(lèi)。矸石山平臺(tái)中層少礫質(zhì)砂土立地類(lèi)型。該立地類(lèi)型覆土厚度33～36 cm，礫石含量1.62%，為少礪質(zhì)砂土，土壤保水性能一般，土壤全K含量屬于極高水平，全P為低水平，其他土壤養(yǎng)分含量均屬于極低水平，土壤偏堿性。該立地條件一般，有2016年人工種植的檸條、沙蒿、蜀葵等，但植被成活率一般。建議植被重建時(shí)，植被配置選擇以灌木為主的灌草型。

(4) 第Ⅳ類(lèi)。矸石山平臺(tái)薄層少礫質(zhì)砂土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地類(lèi)型覆土厚度較薄，覆土土質(zhì)為少礫質(zhì)砂土，土壤持水性能一般，土壤全K含量屬于極高水平，土壤全P含量為0.52 g/kg，屬于中下水平，土壤有機(jī)質(zhì)和全N含量分別為4.36 g/kg，0.16 g/kg，屬于極低水平，一定程度上限制植被生長(zhǎng)，土壤偏堿性。該類(lèi)立地有人工條播的紫花苜蓿，生長(zhǎng)狀況較好。建議植被重建時(shí)，選擇以草本為主的灌草型配置模式。

(5) 第Ⅴ類(lèi)。矸石山平臺(tái)薄層輕礫石土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地類(lèi)型覆土厚度僅0～3 cm，礫石含量38.74%，土壤粗礫化，嚴(yán)重限制植物種的生長(zhǎng)，土壤田間持水量為18.35%，保水性較其他立地類(lèi)型差；土壤全K含量屬于極高水平，土壤全P含量在各立地類(lèi)型最大，為0.59 g/kg，屬于中下水平，而土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量為極低水平，土壤偏堿性?，F(xiàn)無(wú)人工恢復(fù)措施，該立地條件較差。建議植被重建時(shí)，選擇以草本為主的灌草型配置模式。

(6) 第Ⅵ類(lèi)。矸石山陡坡中層壤質(zhì)砂土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地類(lèi)型坡度大小為32.5°，為陡坡，覆土厚度55～60 cm，屬于中層，覆土土質(zhì)為壤質(zhì)砂土，土壤田間持水量為23.95%，保水性能較好；該立地土壤全K含量36.05 g/kg，屬于極高水平，全P含量0.35 g/kg為低水平，土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量為極低水平，現(xiàn)有2018年人工種植糜子，其生長(zhǎng)狀況較好，土壤偏堿性。總體看該立地類(lèi)型立地條件較好。建議植被重建時(shí)，可選擇灌木林或以灌木為主的灌草型配置。

(7) 第Ⅶ類(lèi)。矸石山陡坡中層中礫質(zhì)砂土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地為坡度33.7°的陡坡，覆土厚度35～40 cm，覆土土質(zhì)為中礫質(zhì)砂土，土壤持水性差，土壤全K含量為極高水平，其他養(yǎng)分含量低，土壤偏堿性。現(xiàn)有2018年人工種植的沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等草本植物，總體看立地條件一般。建議植被重建時(shí)，植被配置模式選擇以草本為主的灌草型。

(8) 第Ⅷ類(lèi)。矸石山急坡薄層輕礫石土立地類(lèi)型。該類(lèi)立地為急坡，其坡度為39.5°，覆土厚度小(0～2 cm)，覆土土壤的礫石含量較高，為輕礫石土，土壤粗礫化現(xiàn)象嚴(yán)重限制喬、灌木植物種生長(zhǎng)，土壤田間持水量18.88%，其持水性較其他立地類(lèi)型差；土壤全K含量屬于極高水平，全P含量屬于低水平，其均值0.40 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)、全N含量為極低水平，土壤偏堿性。該立地類(lèi)型現(xiàn)無(wú)人工植被恢復(fù)，立地條件差。建議植被重建時(shí)，選擇以草本為主的灌草型配置。

4 討論與結(jié)論

通過(guò)對(duì)微地形(X1)，海拔高度(X2)，覆土厚度(X3)，土壤質(zhì)地(X4)，土壤田間持水量(X5)，有機(jī)質(zhì)含量(X6)，全N含量(X7)，全P含量(X8)，全K含量(X9)，坡向(X10)這10個(gè)立地因子進(jìn)行調(diào)查測(cè)定，采用主成分分析法，在各主成分關(guān)系式中選取系數(shù)最大的因子，結(jié)合煤矸石山實(shí)地調(diào)查情況，同時(shí)考慮到主導(dǎo)因子的直觀易測(cè)的特點(diǎn)，選取微地形、覆土厚度、土壤質(zhì)地為劃分立地類(lèi)型的主導(dǎo)立地因子。進(jìn)行立地類(lèi)型劃分牽涉的因素有很多，對(duì)于不同的研究區(qū)，所選的主導(dǎo)因子會(huì)有所不同，本研究選擇地形、土壤等因子作為煤矸石山立地類(lèi)型劃分的主導(dǎo)因子，這與賴(lài)文豪[3]，李丹雄等[8]，張靈等[20]研究一致。

依據(jù)主導(dǎo)立地因子，通過(guò)聚類(lèi)分析法將煤矸石山劃分成3個(gè)立地類(lèi)型組，5個(gè)立地類(lèi)型亞組，8個(gè)立地類(lèi)型，分別為矸石山平臺(tái)厚層砂質(zhì)壤土立地類(lèi)型、矸石山平臺(tái)中層壤質(zhì)砂土立地類(lèi)型、矸石山平臺(tái)中層少礫質(zhì)砂土立地類(lèi)型、矸石山平臺(tái)薄層少礫質(zhì)砂土立地類(lèi)型、矸石山平臺(tái)薄層輕礫石土立地類(lèi)型、矸石山陡坡中層壤質(zhì)砂土立地類(lèi)型、矸石山陡坡中層中礫質(zhì)砂土立地類(lèi)型、矸石山急坡薄層輕礫石土立地類(lèi)型。本研究對(duì)立地因子采用主成分分析法確定主導(dǎo)因子，再通過(guò)對(duì)主導(dǎo)因子進(jìn)行聚類(lèi)分析劃分立地類(lèi)型，這與有關(guān)學(xué)者對(duì)于立地類(lèi)型劃分的方法相一致[9,15-16]。

通過(guò)對(duì)煤矸石山各立地類(lèi)型特征分析，總體來(lái)說(shuō)，煤矸石山平臺(tái)較平坦，面積較大，邊坡坡度32°～40°之間；煤矸石山覆土土源為其周邊土地土壤，覆土厚度多在30 cm以上，覆土土質(zhì)有砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土及礪質(zhì)砂性土，特殊立地類(lèi)型礫石含量>30%，其土質(zhì)為輕礫石土，此類(lèi)立地條件較差；煤矸石山覆土土壤透水性強(qiáng)，保水保肥性差，土壤田間持水量18.35%～32.62%；土壤養(yǎng)分貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量在0.26%～0.44%、全N含量0.10～0.16 g/kg，全P含量0.33～0.59 g/kg，屬于低至中下水平，全K含量較高，在35.44～44.16 g/kg之間，為極高水平，煤矸石山土壤偏堿性。

煤矸石山各立地類(lèi)型特征結(jié)合現(xiàn)有人工植被類(lèi)型分析，可為煤矸石山植被重建工作提出建議。對(duì)于煤矸石山平臺(tái)，覆土厚度>60 cm，覆土土質(zhì)以砂土為主，可選擇以喬木為主的喬灌型混交模式；覆土厚度20～60 cm，當(dāng)覆土土質(zhì)為砂土或礫石含量較少時(shí)，可選擇以灌木為主的灌木林或灌草型配置；覆土厚度<20 cm，覆土土質(zhì)礫石含量較多，可選擇以草本為主的灌草型配置；而對(duì)于煤矸石山邊坡，覆土厚度20～60 cm，覆土土質(zhì)中礫石含量較少，可選擇灌木林或以灌木為主的灌草型配置；若礫石含量過(guò)多，則以撒播草籽為主。