張俊嬌，胡 楊，史常青?，趙廷寧，吳 川，劉小勇，劉秉儒

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，750021，銀川；3.生態(tài)系統(tǒng)建模及應(yīng)用國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，750021，銀川)

煤炭在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起重要作用，然而不合理的開(kāi)發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生大量礦山廢棄地。露天煤礦排土場(chǎng)是露天采煤活動(dòng)產(chǎn)生的典型廢棄地，其坡面裸露，養(yǎng)分流失嚴(yán)重[1]，同時(shí)我國(guó)露天煤礦排土場(chǎng)主要分布在西北地區(qū)，該地區(qū)的干旱氣候增加植被恢復(fù)的難度，以上因素導(dǎo)致干旱區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)通常需要幾十年才能完成自然恢復(fù)，因此通過(guò)人工干預(yù)對(duì)其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)十分必要[2-3]。

擾動(dòng)區(qū)和困難立地的常用生態(tài)修復(fù)措施包括槽穴構(gòu)筑、加固填土、鋪掛材料等[4-5]，生態(tài)袋攔擋、土工格室全鋪和植被毯覆蓋分別是其代表措施。布設(shè)生態(tài)袋通過(guò)人為制造槽穴以貯存土壤水分和養(yǎng)分[6-7]，鋪設(shè)土工格可以減少土體不穩(wěn)定帶來(lái)的土壤流失問(wèn)題[8]，覆蓋植被毯能夠減少外界影響以創(chuàng)造較穩(wěn)定生境[9-10]。前人主要研究單一措施的應(yīng)用效果，但根據(jù)以上措施的特點(diǎn)，生態(tài)袋攔擋或土工格全鋪與植被毯覆蓋結(jié)合的修復(fù)模式或可在干旱區(qū)排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮重大作用。生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是植被恢復(fù)，其是植被與土壤環(huán)境相互作用的過(guò)程[11]，土壤環(huán)境包括土壤物理、化學(xué)和微生物性質(zhì)等，其中土壤水熱肥對(duì)于植被恢復(fù)的影響較為明顯。因此，研究生態(tài)修復(fù)模式對(duì)植被和土壤水熱肥的影響，對(duì)篩選適宜的生態(tài)修復(fù)模式具有指導(dǎo)意義。

汝箕溝礦區(qū)遺留大量排土場(chǎng)，極易發(fā)生水土流失。鑒于此，筆者以該區(qū)域露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，布設(shè)生態(tài)袋水平攔擋、蜂巢格室全鋪固結(jié)、秸稈植被毯覆蓋以及將不同措施結(jié)合的修復(fù)模式，對(duì)比分析不同修復(fù)模式下排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)初期植被與土壤水熱肥變化，以期為干旱區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)提供實(shí)踐和理論參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

汝箕溝礦區(qū)位于寧夏自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)(E 106°52′，N 38°52′)，礦區(qū)具有典型大陸性氣候特征，全年干燥少雨，年均降水量200 mm左右，蒸發(fā)量2 000 mm以上。年內(nèi)降水分布不均，多發(fā)生在6—9月。試驗(yàn)區(qū)2020年總降水130.2 mm，8月降水量為46.4 mm。年內(nèi)氣溫變化強(qiáng)烈，最低氣溫-23.5 ℃，最高氣溫35.1 ℃。礦區(qū)內(nèi)的主要土壤類(lèi)型是干旱氣候與荒漠草原植被覆蓋下共同形成的地帶性土壤灰鈣土，堿性強(qiáng)、養(yǎng)分低且富含碳酸鈣。礦區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型簡(jiǎn)單，主要為耐旱、耐瘠薄灌木和草本，多為藜科(Chenopodiaceaa)、禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)和豆科(Fabaceae)[12]，植被蓋度在10%左右。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)排土場(chǎng)位于汝箕溝礦區(qū)大峰露天煤礦東外排土場(chǎng)東北部，為平臺(tái)、邊坡相間的階梯式地貌，每級(jí)臺(tái)階坡面高度約為10 m，臺(tái)階坡面為煤矸石與土混排后覆土形成，坡度33°～35°，坡向NW 15°～20°。筆者在試驗(yàn)排土場(chǎng)設(shè)置5種修復(fù)模式和對(duì)照，各處理的措施組成和使用材料如表1所示。其中對(duì)照(CK)除撒草籽外無(wú)其他措施。每個(gè)處理重復(fù)3次，即共設(shè)置18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(10 m×3 m)。各小區(qū)均撒播蒺藜科的鹽生草(Halogetonglomeratus)、禾本科的沙生冰草(Agropyrondesertorum)、菊科的沙蒿(Artemisiadesertorum)和豆科的胡枝子(Lespedezabicolor)種子，種子比例為4∶2∶2∶1，播種密度為30 g/m2，種子凈度和發(fā)芽率均在98%以上，由寧夏遠(yuǎn)聲綠陽(yáng)林草生態(tài)工程有限公司提供。試驗(yàn)區(qū)于2019年9月下旬完工，未進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)修復(fù)模式的基本信息Tab.1 Basic information of designed remediationmode in the experiment

2.2 植被調(diào)查

2020年8月下旬按照分層取樣法，在各小區(qū)上、中、下坡位各選取3個(gè)1 m×1 m草本樣方進(jìn)行植被調(diào)查[13]，記錄每個(gè)樣方內(nèi)植物種、植株高度、生長(zhǎng)狀況(將枯萎或缺葉認(rèn)為是生長(zhǎng)狀況不良好)、總植被蓋度，在覆蓋植被毯的小區(qū)中只對(duì)高于植被毯表面的植株進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

2.3 土壤取樣及指標(biāo)測(cè)定

植被調(diào)查后取各樣方表層土壤(0～10 cm)，測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]。使用土壤溫濕度記錄儀測(cè)定土壤溫度和含水量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件通過(guò)單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)不同修復(fù)模式下的植株高度、植被蓋度、土壤指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并在差異顯著性時(shí)進(jìn)行多重比較(P<0.05，LSD，t檢驗(yàn))。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被恢復(fù)的變化

由表2可知，鹽生草主要集中在19.2～21.2 cm，沙生冰草的植株高度差異較小，主要集中在3.0～4.0 cm，胡枝子的植株高度基本在4.0 cm左右。鹽生草和胡枝子的生長(zhǎng)狀況良好，沙生冰草的生長(zhǎng)狀況不良。CK、C-S和C-F下無(wú)植物生長(zhǎng)，相較于CK，J-C、J-S和J-F下植被蓋度分別顯著增加10.00%、19.67%和16.33%，其中J-S下植被蓋度顯著高于其余模式(P<0.05)。根據(jù)SL190—2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，各模式下植被蓋度均為低覆蓋(植被蓋度<30%)。

3.2 土壤水熱肥的變化

由表3可知，各模式下土壤含水量范圍為13.11%～19.77%，與CK相比，C-S、C-F、J-C、J-S和J-F下土壤含水量分別顯著增加3.12%、3.86%、5.88%、6.66%和5.98%(P<0.05)。根據(jù)土壤水分干旱程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，CK下土壤水分屬于輕度干旱(土壤含水量為12%～15%)，5種修復(fù)模式下屬于適宜水分(15%～20%)。

由表4可知，在觀(guān)測(cè)期間，不同模式下土壤平均溫度20.21～22.89 ℃，溫差5.67～7.54 ℃。相較于CK，C-S和C-F下土壤平均溫度和日溫差變化較小，J-C、J-S和J-F下土壤平均溫度分別顯著降低2.10、2.68和1.95 ℃(P<0.05)，土壤日溫差分別顯著降低1.64、1.37、1.54 ℃(P<0.05)。

表2 不同修復(fù)模式下植被恢復(fù)狀況Tab.2 Vegetation restoration status under different remediation modes

表3 不同修復(fù)模式下土壤含水量Tab.3 Soil water content under different remediation modes

表4 不同修復(fù)模式下土壤平均溫度和日溫差Tab.4 Average temperature and daily temperature differenceof soil under different remediation modes

由表5可知，各模式下土壤pH為8.36～8.51，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.13～50.40 g/kg，不同模式間差異不顯著。各模式下土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71～0.82 g/kg，其中J-C、J-S和J-F分別較CK顯著提高8.11%、10.81%和8.11%(P<0.05)。各模式下土壤水解性氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.60～30.43 mg/kg，其中CK顯著高于其余5種修復(fù)模式(P<0.05)。各模式下土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.43～2.53 mg/kg，其中CK顯著高于其余5種修復(fù)模式(P<0.05)。各模式下土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)123.67～215.00 mg/kg，其中J-C、J-S和J-F分別較CK顯著提高54.22%、38.36%和64.97%(P<0.05)。根據(jù)全國(guó)第2次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不同修復(fù)模式下土壤有機(jī)質(zhì)屬于1級(jí)，全氮屬于4～5級(jí)，水解性氮和有效磷屬于6級(jí)，速效鉀屬于1～2級(jí)。

4 討論

植被蓋度是生態(tài)修復(fù)效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)排土場(chǎng)基礎(chǔ)水肥狀況過(guò)差導(dǎo)致各模式下植被蓋度均較低，但僅有包含植被毯覆蓋的模式下有植物生長(zhǎng)，這說(shuō)明其是當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)的重要措施。同時(shí)，生態(tài)袋攔擋+植被毯覆蓋、蜂巢格室全面固結(jié)+植被毯覆蓋模式下植被蓋度相較于單一措施顯著增加，這證實(shí)了以上措施的結(jié)合可更有效地促進(jìn)植被恢復(fù)[16-17]。雖然不同模式下植被蓋度存在差異，但同種植物的植株高度基本一致。此外，本試驗(yàn)使用的植物中僅有沙生冰草出現(xiàn)了生長(zhǎng)不良的狀況，這是因?yàn)楹瘫究浦参飳?duì)于土壤養(yǎng)分的需求量較蒺藜科和豆科高[18]。綜上，在本研究設(shè)計(jì)的修復(fù)模式中，組合模式下植被蓋度增加明顯，但植株高度和植物生長(zhǎng)情況變化不大。

表5 不同修復(fù)模式下土壤pH和養(yǎng)分含量Tab.5 Soil pH and nutrient contents under different remediation modes

修復(fù)模式對(duì)土壤水熱肥的影響可能會(huì)根據(jù)地區(qū)不同而存在差異。首先，生態(tài)袋、蜂巢格室和植被毯等材料會(huì)吸收部分水分，但不同模式下土壤水分含量相較于空白對(duì)照均顯著增加，這說(shuō)明在干旱區(qū)布設(shè)以上措施仍能有效增加土壤水分[8,19]。其次，植被毯覆蓋可以通過(guò)減少土壤散熱以增溫或減少陽(yáng)光直射以降溫，在本研究中植被毯覆蓋主要起到降溫作用，結(jié)合當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射情況，推測(cè)其促進(jìn)當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)的原因包括減少太陽(yáng)輻射以提高植物幼苗成活率[20-21]。最后，修復(fù)模式主要通過(guò)減少水土流失以保持土壤養(yǎng)分[7,17]，但本研究中土壤水解性氮和有效磷含量卻有所下降。這是因?yàn)椴荚O(shè)措施會(huì)擾動(dòng)土壤，由此造成的土壤結(jié)構(gòu)破壞使得溶解態(tài)氮以氨氮形式揮發(fā)、溶解態(tài)磷轉(zhuǎn)變成沉淀閉蓄態(tài)，一般需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間修復(fù)后氮磷元素才能呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[22]。此外，不同模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量均偏高，但不能說(shuō)明土壤肥力高，因?yàn)槊喉肥偷V區(qū)內(nèi)煤粉降塵等非營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)增加其數(shù)值[23]。整體來(lái)看，不同修復(fù)模式下土壤水溫變化明顯，而土壤養(yǎng)分的變化則需進(jìn)一步觀(guān)測(cè)。

5 結(jié)論

不同修復(fù)模式下植被蓋度、土壤水分、溫度和養(yǎng)分存在差異。植被毯覆蓋、植被毯覆蓋+生態(tài)袋攔擋、植被毯覆蓋+蜂巢格室全鋪模式下植被蓋度、土壤含水量、全氮和速效鉀含量均顯著增加，在本研究設(shè)計(jì)的修復(fù)模式中植被毯覆蓋+生態(tài)袋攔擋下植被蓋度增量最大。