郜 超，張繼平*，石長春，顧清敏，董 強(qiáng)，賈艷梅，付廣軍，李軍保，馬存平

(1.陜西省林業(yè)科學(xué)院，西安 710000；2.陜西榆林毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，陜西 榆林 719000；3.黃土高原水土保持與生態(tài)修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室，西安 710000；4. 神華寧煤集團(tuán)羊場灣煤礦，寧夏 靈武 751400；)

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其年排放量相當(dāng)于煤炭產(chǎn)量的10%～15%，煤矸石山植被恢復(fù)成為生態(tài)修復(fù)的重要陣地[1]。神華寧煤集團(tuán)羊場灣煤礦排矸場位于寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)寧東礦區(qū)，地處毛烏素沙地南緣，是能源富集區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)相互作用的典型區(qū)域。隨著人類活動強(qiáng)度的不斷增加，生態(tài)環(huán)境對采礦的響應(yīng)更加敏感[2]，煤矸石山的植被恢復(fù)與重建迫在眉睫。目前國內(nèi)關(guān)于煤矸石山植被恢復(fù)的研究,主要集中于半濕潤區(qū)的遼寧撫順[3]、安徽淮南[4]，半干旱區(qū)的山西陽泉、長治、靈石和陜北榆林等區(qū)域[5-7],而對干旱區(qū)沙地煤矸石山植被恢復(fù)研究較少，尤其在干旱區(qū)排矸場治理可應(yīng)用的植被恢復(fù)模式幾乎沒有。本研究通過寧煤集團(tuán)羊場灣煤礦排矸場不同植被恢復(fù)措施的比較，分析總結(jié)出經(jīng)濟(jì)、合理、持續(xù)、穩(wěn)定和高效的植被恢復(fù)措施，提出優(yōu)化植物配置模式，為同地類礦區(qū)排矸場生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選擇在神華寧煤集團(tuán)羊場灣煤礦排矸場，位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東礦區(qū)，地理坐標(biāo)：N37°59′2.5″；E106°35′19″。海拔1 123～1 350 m，地處毛烏素沙地邊緣，屬溫帶干旱、大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，主要風(fēng)向為西——西北，風(fēng)力最大可達(dá)8級，一般為4～5 級，平均風(fēng)速3.1 m·s-1，最大風(fēng)速20 m·s-1，春季時有沙暴；年平均氣溫為8.8 ℃，年最高氣溫為41.4 ℃，年最低氣溫為-28.0 ℃；降水多集中在7-9月，多年降水量80.1～352.4 mm，平均255.2 mm，蒸發(fā)量最大2 303.3 mm，最小1 508.8 mm。

2018年8月2日至2020年4月22日試驗點降水量328 mm，試驗所覆土壤為排矸場周邊質(zhì)地較粗、石礫含量高的灰鈣土，持水能力較差，有機(jī)質(zhì)含量(22.85±14.95) g·kg-1。試驗點周邊自然植被有檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、冰草(Agropyroncristatum)、白莖鹽生草(Halogetonarachnoideus)和針茅(Stipacapillata)等；干旱和風(fēng)蝕是該地區(qū)兩個嚴(yán)重的自然災(zāi)害。

1.2 排矸場植被恢復(fù)試驗設(shè)計

排矸場平臺結(jié)構(gòu)松散、結(jié)持力差，極易遭受風(fēng)蝕和水蝕的危害[8]，植被恢復(fù)以保土、防風(fēng)蝕、水蝕為主要目的，同時考慮美化功能。植被恢復(fù)試驗采取以植物措施為主，結(jié)合相關(guān)工程措施。試驗示范區(qū)2018年3月中旬開始實施，4月底完成，設(shè)計了4種排矸場平臺植被恢復(fù)試驗，每種試驗區(qū)面積0.7 hm2，共計2.8 hm2。試驗區(qū)全部用黃土覆蓋煤矸石，厚度50 cm，立地條件基本一致。

1.2.1 喬灌草種植 整平覆土，然后栽植榆樹(Ulmuspumila)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、檸條、紫穗槐(Amorphafruticosa)、檉柳(Tamarixchinensis)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、羊柴(Hedysarumlaeve)、沙地柏(Sabinavulgaris)、蒙古扁桃(Amyadalusmongolica)、黃刺玫(Rosaxanthina)、沙蒿、蒙古蕕(Caryopterismongholica)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、草木樨(Melilotusofficinalis)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等喬木、灌木和草本植物。株行距喬木2.0 m×2.0 m，灌木1.0 m×1.0 m，草本0.2 m×0.2 m，穴播，灌溉采用微噴灌。

1.2.2 柴草網(wǎng)格障蔽+直播灌草植物種 整平排矸場平臺覆土，搭設(shè)半隱蔽式柴草(以稻草為主)網(wǎng)格障蔽，規(guī)格1.0 m×1.0 m，障蔽網(wǎng)格內(nèi)條播檸條、花棒(H.scoparium)、羊柴、紫花苜蓿、草木樨、蒙古冰草和沙蒿等耐旱型鄉(xiāng)土灌草種子，依靠天然降水恢復(fù)植被。

1.2.3 直播灌草植物種 整平覆土，然后條播檸條、花棒、羊柴、紫花苜蓿、草木樨、蒙古冰草和沙蒿等耐旱型鄉(xiāng)土灌草種子，依靠天然降水恢復(fù)植被。

1.2.4 黃土覆蓋自然恢復(fù) 依靠土壤種子庫和天然降水恢復(fù)植被。

1.3 排矸場喬灌草植物配置模式試驗

根據(jù)各植物種生物生態(tài)學(xué)特性、植株高矮、根系深淺、花期花色以及抗逆性等特性設(shè)計了20種植物配置模式試驗(表1)。選擇耐干旱、耐瘠薄、抗風(fēng)蝕、水蝕能力強(qiáng)、枝葉茂密、根系發(fā)達(dá)、易繁殖、生長快、萌蘗力強(qiáng)、低矮的灌草植物為主要防護(hù)樹種[9、10]。供試苗木要求健壯、無病蟲害，1～2年生苗。供試植物種子為當(dāng)年采收的Ⅱ級種子，栽植時間3月下旬至4月中旬。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對喬灌草植物配置20種模式，選用第二年喬灌植物高度、冠幅、地徑、保存率等4個指標(biāo)進(jìn)行TOPSIS法建模，即在同趨化和歸一化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造規(guī)范化的決策方案矩陣，在現(xiàn)有的決策方案中找出最優(yōu)方案和最差方案，并以最優(yōu)向量和最劣向量來表示。計算評價對象所形成的可行決策方案與最優(yōu)方案和最差方案的距離，最后用相對接近程度作為評價的依據(jù)進(jìn)行比較排序[3]。

1.5 調(diào)查時間與方法

調(diào)查時間 ：2018年8月底；2019年8月底。

調(diào)查方法：植物高度指植物自然狀態(tài)下最高點到地面的垂直距離；冠幅指苗木南北和東西兩個方向?qū)挾戎e；高度、高生長、冠幅使用鋼卷尺測量。地徑指苗干靠近地表處的直徑，使用電子游標(biāo)卡尺測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 排矸場不同植被恢復(fù)措施效果比較

2.1.1 喬灌草種植恢復(fù)措施 由圖1可知，梭梭、檸條、紫穗槐、沙棗、羊柴、蒙古蕕、檉柳2019年冠幅比2018年分別增長了18.33、5.53、3.09、1.40、1.66、1.28、0.83倍，黃刺玫與沙拐棗增長幅度最小，分別為0.17、0.19倍。

圖1 植物當(dāng)年與次年冠幅對比情況

由圖2可知，梭梭、檸條、羊柴、紫穗槐、沙棗2019年高度比2018年分別增長了1.02、0.85、0.73、0.52、0.35倍，其它植物增長幅度不大。

圖2 植物當(dāng)年與次年高度對比情況

由圖3可知，梭梭、羊柴、檸條、沙拐棗、紫穗槐2019年分別比2018年地徑增長了2.80、1.23、1.07、0.78、0.56倍，榆樹、沙地柏增長不明顯。

圖3 植物當(dāng)年與次年地徑對比情況

2.1.2 柴草網(wǎng)格障蔽+直播灌草植物種 由圖4可知，網(wǎng)格障蔽內(nèi)直播的灌草植物生長高度2018年6.0～17.1 cm，2019年27.8～39.6 cm，沙蒿、羊柴、檸條增長幅度分別為21.7、1.57、1.32倍。柴草網(wǎng)格障蔽造價低，保水保溫，在植物生長前期發(fā)揮防護(hù)功能，后期柴草腐化，有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)和植物生長。

2.1.3 直播灌草植物種 由圖4可知，直播灌草植物2018年生長高度9.7～15.8 cm，2019年18.9～26.2 cm ，沙蒿、羊柴、檸條增長幅度分別為1.92、0.9、0.66倍。

圖4 灌草播種當(dāng)年與次年生長情況

2.1.4 黃土覆蓋自然恢復(fù) 排矸場平臺覆土后，依靠土壤種子庫種子自然恢復(fù)植被。2 a后，試驗區(qū)已有白莖鹽生草、檉柳、甘草、沙蒿、五星蒿、畫眉草、苦豆子等先鋒植物種繁衍生長，植被覆蓋度達(dá)15%以上。通過樣線法(10條樣線，每條樣線10 m)對其植被群落結(jié)構(gòu)特征分析，白莖鹽生草是該群落絕對優(yōu)勢種(圖5)。白莖鹽生草具有較強(qiáng)的吸收聚鹽作用，從而降低土壤鹽堿度，達(dá)到改良土壤的作用。

圖5 植被自然恢復(fù)中植株數(shù)量變化

2.2 排矸場喬灌草植物配置模式評價分析

表2 配置模式調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)綜合評價值排序(表3)可知前9種配置模式各植物長勢良好，與實際情況相符，尤其是排序前4種配置模式2019年冠幅增幅明顯，由圖6可知，模式十四檸條、檉柳分別比2018年增長了4.16、1.53倍，模式六紫穗槐、檸條、檉柳分別比2018年增長了3.50、4.43、0.64倍，模式二紫穗槐、檸條分別比2018年增長了3.88、4.05倍，模式七沙棗、紫穗槐分別比2018年增長了2.79、4.32倍，冠幅顯著的增幅，縮短了植被恢復(fù)周期，提高了防護(hù)效益。

表3 配置模式綜合評價排序

圖6 四種配置模式冠幅對比

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

神華寧煤集團(tuán)羊場灣煤礦排矸場植被恢復(fù)重建試驗研究表明，植被恢復(fù)與重建是干旱區(qū)排矸場生態(tài)修復(fù)的主要技術(shù)措施，經(jīng)濟(jì)實用，可操作性強(qiáng)，可以在同類地區(qū)推廣應(yīng)用。黃土覆蓋+喬灌草種植措施是排矸場植被恢復(fù)的最佳技術(shù)措施，適當(dāng)輔助一定面積的自然恢復(fù)措施效果更好；黃土覆蓋+柴草網(wǎng)格障蔽+播種耐旱型灌草植物種措施可在風(fēng)蝕較嚴(yán)重的排矸場平臺上應(yīng)用；黃土覆蓋+直播耐旱型灌草植物種措施可在排矸場平臺缺水、少水的條件下應(yīng)用。篩選出干旱區(qū)排矸場四種喬灌草優(yōu)化植物配置模式：檉柳+檸條、紫穗槐+檸條+檉柳、沙棗+紫穗槐+紫花苜蓿+蒙古冰草、紫穗槐+檸條，配置模式中的植物種源豐富、種苗價格便宜、育苗造林技術(shù)簡單、有的還具有固氮和殺蟲能力等優(yōu)點[11]，快速的生長對排矸場平臺的植被恢復(fù)起到了促進(jìn)作用。

3.2 討論

煤矸石山綜合治理技術(shù)模式與實踐，安永興[12]等通過對山西某礦務(wù)局煤矸石山綜合治理工程案例進(jìn)行分析探討驗證，表明淺層噴射注漿滅火與客土噴播恢復(fù)植被是煤矸石山綜合治理的有效模式。本研究對干旱區(qū)平臺綜合治理提出喬灌草綜合治理措施，并分析得出優(yōu)化植物配置模式。我國煤矸石山治理現(xiàn)狀及發(fā)展，李斌[13]等針對煤矸石山一般采取覆蓋綠化和直接綠化。直接綠化將植物直接栽種于矸石山表面，對矸石的成分、風(fēng)化程度和植物種類要求較高。覆蓋綠化則在矸石山表面覆蓋土層、粉煤灰等，優(yōu)點是改善植物生長環(huán)境，成活率較高。本研究首先對煤矸石山進(jìn)行覆土，然后采取喬灌草治理等措施，進(jìn)行植物優(yōu)化配置田間試驗，達(dá)到低成本、高成效的治理效果。陜西北部生產(chǎn)建設(shè)項目擾動區(qū)植被配置，張維靜[14]搜集北方常見水土保持植物種對半干旱區(qū)(陜北礦區(qū))煤矸石山平臺進(jìn)行了喬灌草配置設(shè)計研究，沒有進(jìn)行田間試驗。本研究針對干旱區(qū)煤矸石山平臺綜合治理技術(shù)模式進(jìn)行了田間試驗研究，并總結(jié)提出最優(yōu)植物配置模式。

從排矸場平臺植物防護(hù)效益來看：較小的株行距，能夠很快起到防護(hù)作用。植物配置模式選用的檸條、檉柳、羊柴等根系分布較深，紫穗槐、蒙古蕕、沙地柏等根系分布較淺。深根植物與淺根植物混交，可形成不同層次的地上地下結(jié)構(gòu)，這樣既保證了配置模式有較好防護(hù)作用，又提供了植物較多的營養(yǎng)面積，實現(xiàn)半灌木與灌木、淺根與深根相結(jié)合，減少水分及養(yǎng)分競爭，植物之間相互補充，保證了人工植被的穩(wěn)定性。同時，配置模式中植物的花色、花期、葉色、高矮各異[15]，相間搭配，起到了防護(hù)、美化的雙重效果。