高志香, 李希來,2, 張 靜,2, 金立群, 周偉

(1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 青海 西寧 810016; 2.青海—廣東自然資源監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810016； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

木里煤田是青海省內(nèi)面積最大的煤礦，礦區(qū)面積159.13 km2[1]，地處高寒，氣候條件惡劣，該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱而敏感，植被破壞后很難恢復(fù)[2-5]。由于頻繁的采礦活動(dòng)和長(zhǎng)期不合理的開采利用，導(dǎo)致木里地區(qū)大面積原有地表植被遭到嚴(yán)重破壞，礦區(qū)植被覆蓋率下降，同時(shí)也降低了土壤肥力[6-7]。尤其是因露天開采而堆積起來的排土場(chǎng)，表層基質(zhì)極不穩(wěn)定，易遭到水蝕、風(fēng)蝕的侵害作用，從而加速土壤養(yǎng)分流失和土壤退化的進(jìn)程。此外，排土場(chǎng)的堆積減少了可利用天然草地的面積，不利于當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展。因此，為保護(hù)木里地區(qū)生態(tài)安全，對(duì)大面積排土場(chǎng)的治理修復(fù)不容忽視[8-11]。

土壤是植物生存的基礎(chǔ)，擁有良好的土壤母質(zhì)，是植被生長(zhǎng)和生存的關(guān)鍵[12-13]。隨著國(guó)家對(duì)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)重視度的提高，礦區(qū)土壤改良技術(shù)的研究已成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。中國(guó)在20世紀(jì)50年代末就已開展礦山恢復(fù)工作，但由于經(jīng)濟(jì)及技術(shù)限制等原因致使礦山恢復(fù)的研究和進(jìn)程極為緩慢[14]。近幾年來，有關(guān)礦山治理的方法及措施得到了大量的驗(yàn)證，其中通過采取物理、化學(xué)和生物方法來重建土壤結(jié)構(gòu)和提高肥力，達(dá)到改善和恢復(fù)土壤的目的是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中的關(guān)鍵措施。但是針對(duì)高寒礦區(qū)植被恢復(fù)的治理研究很少[5]，楊鑫光等[15]對(duì)高寒礦區(qū)煤矸石山植被和土壤恢復(fù)的研究中發(fā)現(xiàn)，種草+覆土或種草+施肥的組合方式可以有效恢復(fù)礦山植被和土壤養(yǎng)分。金立群等[16]通過研究高寒礦區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)不同年限植被和土壤特征變化，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)排土場(chǎng)植被缺乏自我更新能力，排土場(chǎng)人工建植植被有利于排土場(chǎng)表層土壤養(yǎng)分的恢復(fù)。覆土與種草或施肥等組合技術(shù)對(duì)礦山植被和土壤特征的恢復(fù)已有研究報(bào)道，在施肥等技術(shù)支撐下，進(jìn)行覆土處理是否可以使礦區(qū)植被恢復(fù)達(dá)到更佳的效果？目前這一結(jié)論尚未得到明確證實(shí)?；诖耍狙芯客ㄟ^對(duì)木里煤田5個(gè)覆土處理和3個(gè)不覆土處理的礦區(qū)排土場(chǎng)植被和土壤進(jìn)行調(diào)查分析，探討高寒礦區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)植被和土壤在不同恢復(fù)年限的變化特征，明確影響植被恢復(fù)的主要土壤養(yǎng)分因素，以評(píng)估覆土措施在露天煤礦排土場(chǎng)所達(dá)到的植被恢復(fù)效果，為高寒礦區(qū)生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

木里煤田位于青海省大通河上游盆地，橫跨海西、海北兩大自治州(海拔：3 883 m；38°20′49″N；99°28′54″E)，地勢(shì)平緩，起伏不大[17]。植被類型為高寒沼澤化草甸植被，主要建群種為藏嵩草(Kobresiatibetica)，原生土壤為沼澤草甸土[18]，地表水豐富，分布均勻，高寒草甸和濕地保存的較為完整。木里煤田東西長(zhǎng)50 km，南北寬8 km，總面積約400 km2，由于礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采，煤田周圍形成面積近1.04×106hm2的露天排土場(chǎng)，主要由腐植表土、風(fēng)化巖土、堅(jiān)硬巖石以及混合巖土、煤矸石、煤炭、凍土等組成，極易發(fā)生坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，繼而使土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，周邊生態(tài)環(huán)境亟需治理和修復(fù)[19]。

于木里煤田選擇義海、慶華、興青等8個(gè)礦區(qū)進(jìn)行調(diào)查研究，且各礦區(qū)排土場(chǎng)未覆土前的基礎(chǔ)物質(zhì)組成基本一致，主要由腐植表土、風(fēng)化巖土、堅(jiān)硬巖石以及混合巖土、煤矸石、煤炭、凍土等組成。后期覆土的材料也基本上一致，覆蓋土壤都是原生草甸腐殖土。樣地經(jīng)緯度、海拔、覆土處理、植被建制年限、原表土基本性質(zhì)等情況詳見表1。

表1 木里煤田8個(gè)典型礦區(qū)概況

1.2 研究方法

1.2.1 野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)及內(nèi)容 本試驗(yàn)中，覆土前先對(duì)各個(gè)排土場(chǎng)進(jìn)行削坡整形，邊坡刷坡分級(jí)放緩邊坡、修建排水溝、修筑馬道，5個(gè)覆土樣地中的土壤是由煤礦開采時(shí)剝離的原表土層經(jīng)過二次倒運(yùn)，機(jī)械覆于排土場(chǎng)表層，覆土厚度為25 cm。覆土土壤理化性質(zhì)為：全氮1.78±0.21，全磷0.85±0.10，全鉀22.11±1.57，堿解氮16.50±1.73，速效磷1.93±0.26，速效鉀58.25±38.02，有機(jī)質(zhì)59.89±15.25，pH值8.63±0.08，容重1.75±0.22。3個(gè)不覆土礦區(qū)樣地作為對(duì)照。

調(diào)查的8個(gè)礦區(qū)樣地人工植被選用草種主要有垂穗披堿草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，這3種禾本科植物作為青藏高原地區(qū)典型植物種，近年來被廣泛用于退化高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的人工恢復(fù)，特別是高寒礦區(qū)煤矸石山的人工建植當(dāng)中。按2∶1∶1的播種比例，播量為300 kg/hm2。人工草地建成后，進(jìn)行施肥，用量為磷酸二銨275 kg/hm2+氯化鉀100 kg/hm2，往后每年都施追肥。調(diào)查的礦區(qū)樣地均選在陽坡，每個(gè)樣地的海拔高度、坡度、覆土材料等生態(tài)條件盡可能保持一致。

在2018年8月，在每個(gè)礦區(qū)排土場(chǎng)的陽坡坡面隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方進(jìn)行植被調(diào)查，每個(gè)樣方間距10 m。每個(gè)樣方內(nèi)測(cè)定植被的高度、蓋度、幼苗高度、幼苗蓋度、苔蘚蓋度(植被高度是指樣方內(nèi)草層平均高度，蓋度是指樣方內(nèi)植被投影蓋度，幼苗高度和蓋度是指當(dāng)年萌發(fā)幼苗的高度與蓋度)。由于排土場(chǎng)坡面土層較薄，故僅對(duì)每個(gè)樣方內(nèi)0—10 cm土壤進(jìn)行取樣，采用3點(diǎn)取樣法，在每個(gè)樣方內(nèi)的挖取3次重量相當(dāng)?shù)耐翗樱⒒旌虾笕サ舸蟮氖瘔K和殘枝落葉后裝入密封袋，跟植被樣方一樣重復(fù)3次，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的分析測(cè)定[19]。

1.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

(1) 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。野外采取土壤樣品先進(jìn)行風(fēng)干處理，并過2 mm篩備用，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定。各指標(biāo)測(cè)定方法為：采用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮，采用碳酸氫鈉法測(cè)定全磷，采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測(cè)定全鉀，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定速效氮，采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷，采用醋酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定速效鉀，采用電極法測(cè)定土壤pH值，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)[16]。

(2) 數(shù)據(jù)分析。植被特征包括植被高度、植被蓋度、幼苗高度、幼苗蓋度和苔蘚蓋度5個(gè)指標(biāo)；土壤理化性質(zhì)包括全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量，以及pH值和容重9個(gè)指標(biāo)，共14個(gè)分析指標(biāo)。應(yīng)用R語言3.6.1，對(duì)8個(gè)樣地24個(gè)樣方中植被特征和土壤理化性質(zhì)共14項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析和非度量多維尺度分析，N代表不覆土樣地，N1—3代表樣方號(hào)(青煤：N1，N2，N3，中澳：N4，N5，N6，圣雄：N7，N8，N9)，F(xiàn)代表覆土樣地，F(xiàn)1—5代表樣方號(hào)(義海：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，慶華：F4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，興青：F7，F(xiàn)8，F(xiàn)9，中鐵：F10，F(xiàn)11，F(xiàn)12，鹽湖：F13，F(xiàn)14，F(xiàn)15)。

運(yùn)用SPSS 20.0軟件，通過雙因素(覆土+年限)方差分析分析不同年限間覆土處理下植被特征和土壤理化性質(zhì)差異，具有顯著差異的因素進(jìn)行多重比較(LSD法)，用R語言4.0.2進(jìn)行RDA冗余分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆土處理下礦區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)植被特征和土壤理化性質(zhì)的變化

2.1.1 覆土處理礦區(qū)不同年限間樣地植被特征變化 由表2可知，幼苗高度在覆土處理下顯著高于不覆土處理下(p<0.05)，但其他植被蓋度、高度、幼苗蓋度、苔蘚蓋度等指標(biāo)并沒有達(dá)到顯著差異，這說明覆土條件下植被生長(zhǎng)狀況并沒有顯著優(yōu)于不覆土處理水平。通過多重比較，在不覆土樣地中，建植4 a樣地的植被蓋度顯著高于的3 a(p<0.05)，建植5 a樣地的幼苗蓋度和苔蘚蓋度顯著高于3 a和4年的(p<0.05，表3)。由此得知，植被建植3 a后，植被蓋度、幼苗蓋度、苔蘚蓋度都有所增加，尤其是苔蘚蓋度增加了約29.84 %，幼苗蓋度從2 %增加到4.33 %。在覆土樣地中，建植5 a樣地的苔蘚蓋度顯著高于3 a和4年的(p<0.05)。建植第3—4 a，除植被高度外，其他幾項(xiàng)植被特征的值都顯著增加，說明植被的生長(zhǎng)狀況隨年限的增長(zhǎng)趨于良好。

表2 8個(gè)樣地植被特征變化雙因素方差分析結(jié)果

表3 不同年限8個(gè)樣地植被特征的變化

2.1.2 覆土處理礦區(qū)不同年限間樣地土壤化學(xué)性質(zhì)差異 從表4可以看出，土壤全磷、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)在覆土?xí)r顯著高于不覆土(p<0.05)；全鉀、pH值在不覆土?xí)r顯著高于覆土(p<0.05)。全磷、全鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)在交互作用下達(dá)到顯著差異(p<0.05)。由此得出，在相同年限間土壤的化學(xué)性質(zhì)中除了全氮、全鉀、pH值之外，其他化學(xué)指標(biāo)覆土樣地高于不覆土樣地。

表4 8個(gè)樣地土壤理化性質(zhì)變化雙因素方差分析結(jié)果

多重比較結(jié)果顯示(表5)，在不覆土樣地中建植4 a的全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)顯著高于3 a的(p<0.05)；建植3 a的pH值顯著高于4 a和5 a(p<0.05)；全鉀、速效鉀在建植3—4 a都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，尤其是速效鉀，從83.33 g/kg增加到了202.67 g/kg。在覆土樣地中，建植3—4 a的速效氮、速效鉀都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中速效氮增加的最明顯，從76.17 g/kg增加到了171.50 g/kg；建植4 a的全磷顯著高于3 a(p<0.05)，全磷從建植第3—4 a增加了0.69 g/kg；建植5 a的pH值顯著低于第3—4 a(p<0.05)；這說明隨著人工植被建植年限的增加，土壤pH值逐漸適應(yīng)植物的生長(zhǎng)，土壤的化學(xué)性質(zhì)趨于良好，土壤的養(yǎng)分逐漸增加。

表5 不同年限8個(gè)樣地土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

2.2 覆土處理下植被和土壤生態(tài)因子的聚類分析

由圖1所示，不覆土的N4，N5，N6代表的中澳樣地的3個(gè)樣方聚在一起，說明這幾個(gè)樣地中植被特征和土壤理化性質(zhì)方面具有相似性；覆土的F10，F(xiàn)11，F(xiàn)12聚在一起，表明中鐵樣地的3個(gè)樣方的植被特征和土壤理化性質(zhì)間不存在差異性；不覆土的N1，N3，N9，N7，N8代表的青煤樣地的樣方1，樣方3和圣雄樣地的3個(gè)樣方聚在一起，代表這幾個(gè)樣方中植被特征和土壤理化性質(zhì)間不存在顯著的差異性；覆土的F15，F(xiàn)13，F(xiàn)14代表的鹽湖樣地和F8，F(xiàn)7，F(xiàn)9代表的興青樣地與不覆土的N2代表的青煤樣地的樣方2聚在一起，表明鹽湖和興青樣地的生境條件不存在差異性；覆土的F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6代表的義海和慶華樣地聚在一起，即義海和慶華樣方中的植被特征和土壤理化性質(zhì)間差異不顯著。

從圖1中可以看出，8個(gè)樣地按照相似性被分為兩大類，第一大類為不覆土的青煤、中澳、圣雄3個(gè)樣地和覆土的興青、中鐵、鹽湖3個(gè)樣地，其中不覆土的樣地占50%，覆土的樣地占50%。由此可見，覆土處理3 a之后，興青、中鐵、鹽湖3個(gè)樣地已經(jīng)失去了覆土的效果。第二大類為覆土的慶華和義海3個(gè)樣地。

注：N表示不覆土處理； F表示覆土處理。

2.3 覆土處理下植被特征和土壤理化性質(zhì)的RDA排序

圖2結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)與植被特征在第Ⅰ和Ⅱ軸的解釋量分別為54.5%和45.5%，即9種土壤理化性質(zhì)前2個(gè)排序軸累計(jì)解釋了100%的植被特征變化，說明前兩軸能夠真實(shí)地反映土壤環(huán)境因子對(duì)植被特征的影響情況，并主要由第Ⅰ軸決定。實(shí)心箭頭代表土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，虛線代表植被特征，箭頭連線長(zhǎng)度和相應(yīng)夾角余弦值代表土壤理化性質(zhì)與植被特征的相關(guān)性大小，箭頭連線越長(zhǎng)、余弦值絕對(duì)值越大，則說明某一土壤理化性質(zhì)與植被特征的相關(guān)性越大。

注：①圖中箭線為虛線表示植被特征。VH為植被高度；VC為植被蓋度；SH為幼苗高度；SC為幼苗蓋度；MC為苔蘚蓋度；②箭線為實(shí)線表示土壤理化特征。TN為全N；TP為全P；TK為全K；N為速效N；P為速效P；K為速效K；SOM為有機(jī)質(zhì)；BD為容重。

由圖2可知，pH值、全氮、速效氮、有機(jī)質(zhì)箭頭連線最長(zhǎng)，表明其是對(duì)植被特征影響最大的環(huán)境因子，全磷、速效磷、速效鉀對(duì)植被特征的影響較大。速效鉀、速效磷、全磷、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮與軸1呈正相關(guān)關(guān)系，這些指標(biāo)的含量與苔蘚蓋度呈正相關(guān)關(guān)系；pH值、容重、全鉀與軸1負(fù)相關(guān)關(guān)系，且和植被高度、植被蓋度、幼苗高度、幼苗蓋度呈正相關(guān)關(guān)系，與苔蘚蓋度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由上述結(jié)果可知，土壤環(huán)境因子對(duì)植被特征的影響是不盡相同的，由土壤環(huán)境因子解釋的重要性排序結(jié)果(表6)可知，土壤理化性質(zhì)對(duì)植被特征的重要性排序依次是pH值、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效鉀、速效磷、全磷、全鉀、容重，說明土壤pH值、全氮和有機(jī)質(zhì)是植被的生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子，但是這些環(huán)境因子對(duì)植被特征的變化的影響并不顯著(p>0.05)。

表6 土壤環(huán)境因子解釋的重要性排序和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

3 討 論

3.1 不同年限間礦區(qū)排土場(chǎng)植被特征和土壤理化性質(zhì)

在木里煤田的8個(gè)調(diào)查樣地中，幼苗蓋度和苔蘚蓋度隨著年限的增加而增大，金立群等[16]在研究不同恢復(fù)年限對(duì)高寒露天煤礦區(qū)江倉(cāng)排土場(chǎng)植被和土壤特性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)植被在種植1，3，5 a間存在顯著差異，植被高度、蓋度、幼苗蓋度隨年限的增加而增大，土壤理化性質(zhì)也隨年限的增長(zhǎng)逐步改善，這與本研究結(jié)果一致。郭李凱等[20]在研究煤矸山重構(gòu)土壤養(yǎng)分和重金屬污染狀況時(shí)，采用不同復(fù)墾年限作為處理，所得結(jié)果隨著復(fù)墾年限的增長(zhǎng)，土壤中的速效鉀、速效磷、全氮、有機(jī)質(zhì)、pH值也呈現(xiàn)顯著差異，這也和本研究中的結(jié)果一致。

3.2 覆土下植被特征和土壤理化性質(zhì)的聚類分析

覆土作為土壤重構(gòu)的技術(shù)之一，對(duì)植被生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。一些研究礦山植被恢復(fù)的學(xué)者都運(yùn)用覆土的方法來達(dá)到恢復(fù)礦山的目的，谷金鋒等[21]研究的覆土對(duì)象是坡度較小的矸石山，且覆土區(qū)域面積小，對(duì)這類表層無土的矸石山進(jìn)行覆土來調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)是必要的，而本研究中，研究區(qū)處在環(huán)境條件惡劣、氣候寒冷較為獨(dú)特的木里煤礦，且礦區(qū)面積較大，為此木里煤田大部分礦區(qū)進(jìn)行了覆土處理，小部分礦區(qū)沒有覆土直接建植人工草地。我們對(duì)木里煤田覆土和不覆土8個(gè)樣地進(jìn)行了聚類分析，得到覆土處理的3個(gè)樣地和不覆土處理的3個(gè)樣地聚到一起，這說明它們沒有顯著差異，這個(gè)結(jié)果與覆土和不覆土處理中植被特征和土壤理化性質(zhì)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致，這表明在恢復(fù)3 a之后由于水蝕、風(fēng)蝕等作用使得覆土處理的優(yōu)勢(shì)不明顯。楊鑫光等[15]在研究木里煤田江倉(cāng)礦區(qū)不同覆土深度對(duì)高寒礦區(qū)植被和土壤性質(zhì)的影響時(shí)，更說明了這個(gè)問題。由于本試驗(yàn)樣地屬于缺土地區(qū)，交通不便利，覆土成本更是達(dá)到了43.5元/m2[4]。另外，木里煤田高寒礦區(qū)排土場(chǎng)沒有重金屬污染，因此不覆土進(jìn)行人工建植，不會(huì)在牧草中造成重金屬沉積而影響當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)。

3.3 覆土處理中植被特征和土壤理化性質(zhì)RDA排序

由植被特征和土壤理化性質(zhì)的RDA排序結(jié)果知，pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮含量與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)，這和劉育紅等[22]在探討高寒草甸植被特征和土壤因子的關(guān)系時(shí)得到的結(jié)果一致。土壤pH值控制著土壤Eh值，對(duì)植被根域內(nèi)外養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和移動(dòng)起著關(guān)鍵作用，速效氮、速效磷、速效鉀與植被的生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝有著十分密切的關(guān)系[23]，土壤中的全氮是衡量當(dāng)前土壤肥力的重要指標(biāo)之一[24]，有機(jī)質(zhì)的含量可以用來衡量當(dāng)前區(qū)域植被的生長(zhǎng)狀況[25]。由本試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，義海和慶華礦區(qū)兩個(gè)樣地的速效氮和速效鉀以及其他土壤指標(biāo)都是較其他幾個(gè)礦區(qū)樣地為最高，所以導(dǎo)致了聚類結(jié)果中義海和慶華聚在一起。有研究表明[19]，本研究區(qū)排土場(chǎng)的持水能力較弱，但是其表層基質(zhì)中富含氮和磷，而由本試驗(yàn)結(jié)果得到該地區(qū)全氮含量較低，因此在對(duì)礦山植被和土壤恢復(fù)的后期治理研究中，建議考慮采用施用有機(jī)肥和追施化肥(尿素)等措施，需要研究最適合的施肥組合以及施肥量，這是目前還未解決的科學(xué)問題。

4 結(jié) 論

(1) 覆土和不覆土樣地植被特征和土壤理化性質(zhì)隨著植被恢復(fù)年限的增長(zhǎng)而得到改善，植被蓋度和苔蘚蓋度的變化最明顯；覆土和不覆土樣地植被特征和土壤理化性質(zhì)綜合指標(biāo)差異不顯著；

(2) 非度量多維尺度分析結(jié)果顯示，影響覆土處理的主要土壤因子是速效氮、速效鉀、全氮和有機(jī)質(zhì)。因此，為減少植被恢復(fù)成本高寒礦區(qū)木里煤田的植被恢復(fù)，可以采用不覆土加施有機(jī)肥結(jié)合追施化肥等措施。