露天煤矿排土场边坡不同年限沙棘对林下土壤肥力质量的影响

2017-03-14党晓宏

浙江林业科技 2017年6期

刘军，党晓宏

（内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010011）

露天煤矿区已成为当今世界陆地生物圈最为典型、退化最为严重的生态系统[1]。内蒙古自治区草原作为我国北方的重要生态安全屏障[2]，已探明的煤炭储量占全国储量的1/4以上[3]。许多分布在草原地区的大型露天煤矿开采堆积固体废弃物形成大量排土场，由于土层扰乱、植被破坏、土壤性质与周围自然土壤存在较大差异，对原本脆弱的草原生态造成严重破坏，导致了当地草原生态系统的进一步退化，该问题已引起高度关注[4-5]。

沙棘Hippophae rhamnoides为胡颓子科Elaeagnaceae沙棘属Hippophae落叶灌木或小乔木[6]，众多学者在露天矿区植被恢复与重建过程中对沙棘改善土壤特性做了大量研究[7-10]。目前，我国应用沙棘改良排土场土壤质量主要集中在陕晋蒙黄土丘陵区，而针对内蒙古森林草原向典型草原过渡地带露天煤矿区相似的研究相对较少。本研究对内蒙古森林草原向典型草原过渡地带的霍林河煤业南露天煤矿区排土场栽植不同年限沙棘林下土壤进行调查，探究排土场边坡栽植不同年限沙棘对林下土壤质量的影响，旨在为该地区土壤改良提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

霍林河煤业南露天煤矿位于内蒙古自治区霍林郭勒市，45°26′42″N，119°34′14″E。煤田始建于1976年，1984年投产，面积3 399.63 hm2，处在大兴安岭南端北坡，地貌以山地丘陵、堆积台地和冲积平原为主，海拔870～940 m，年平均降水量383.4 mm，年平均气温-0.5℃，极端最低气温-37.6℃，极端最高气温33.6℃，属中温带温凉地区半湿润大陆性气候。土壤以栗钙土为主。在植被区划上，属于温带草原区大兴安岭森林草原向典型草原过渡地带。煤田开垦前，该区域主要地带性植被群落类型是：狼针草Stipa baicalensis群落、大针茅Stipa grandis群落，线叶菊Filifolium sibiricum群落及羊草Leymus chinensis群落等。截止2013年，排土场面积为2 212.56 hm2，稳定坡度38°，排土高度50 m，排弃物主要为表土、泥岩、高灰分劣质煤、煤矸石和砂岩的混合物。矿区原表土厚度1～12 m不等，土壤营养较为丰富，因此在复垦中采用了将原表土覆盖（平均厚度50 cm）在排土场上部的方法，创造了较好的土壤条件。1992年开始对煤田开采以来形成的排土场边坡进行复垦，1993年种植沙棘13.98 hm2，1994－2000年未对排土场边坡复垦。由于大风扬尘对周边环境影响较大，2002年与2005年分别对1993－1996年，1997－2000年未治理排土场边坡复垦，分别种植沙棘面积为49.23 hm2，45.07 hm2，2007年与2010年分别对2001－2003年，2004－2009年形成的排土场边坡复垦，种植沙棘面积为7.27 hm2和27.38 hm2。每期种植沙棘均为3年生苗，株距1.5 m，行距2.0 m。沙棘林管护期2a，做好防虫等工作的同时，每年浇水不低于3次，第1年沙棘成活率达85%以上，在管护期对未成活的进行补种，以确保保存率达100%。

1.2 土壤样品的采集

2014年8 月土壤采样。选取同一年排土且沙棘种植4 a，7 a，9 a，12 a，21 a（下文中描述为恢复4 a，7 a，9 a，12 a，21 a）的排土场边坡作为试验样区；选取1992年覆土后排土场边坡中未进行过人工植被恢复、在自然作用下形成的覆土天然植被恢复区（F）及排土场周边天然草地土壤作为对照（CK）。为保证所采样品能够代表样地整体情况，每个样区随机选取3块样地，每样地设置1个10 m×10 m样方，每个样方内按三角形设置3个样点。取样前将土壤表层的残留物和杂质清理干净，直径5 cm土钻分别采集深度为0～20 cm和＞20～40 cm的样品。将每个样点不同深度采集的土样分别单独装入自封袋，做好标记，带回实验室，经自然风干后，剔除杂质和植物根系再分别过1 mm和0.25 mm筛，装袋备用。

1.3 土壤样品测定

土壤容重利用环刀法测定，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用碳酸氢钠法，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度计法，有机质采用重铬酸钾容量法，pH值采用pH计测定。

土壤粒级的划分采用中国土壤粒级分级标准（砂粒：0.05～1.00 mm；粗粉粒：0.05～0.01 mm；细粉粒：0.010～0.005 mm；粗黏粒：0.005～0.001 mm；细黏粒：＜0.001 mm），采用吸管法测定。

1.4 数据分析与处理

采用SAS 9.5和Excel 2003软件进行处理与分析。排土场边坡不同恢复年限土壤的理化性质通过方差分析及Duncan多重比较分析检查在P＜0.05水平下的差异显著性；利用Pearson相关系数分析土壤各因子之间交互作用。

2 结果与分析

2.1 不同恢复年限土壤理化性质分析

2.1.1 不同恢复年限土壤机械组成 0～20 cm土层的土壤粒级详见表1，各样地以砂粒含量最大，细粉粒最小。随着恢复年限的增加，砂粒含量逐渐降低，种植沙棘7a后的样地与F区以及CK差异显著（P＜0.05）；粗粉粒呈逐渐增加趋势，种植沙棘7 a与F区差异显著（P＜0.05）；各样本细粉粒变化不大，含量均在5.67%～6.50%，CK只有2.67%，且差异显著（P＜0.05）；粗黏粒呈增加趋势，高于CK，各样地间无显著差异；细黏粒含量，种植沙棘7 a后的样本开始增加，CK低于其他样地且差异显著（P＜0.05）。在＞20～40 cm土层，随着恢复年限增加，土壤砂粒含量在降低过程中差异性逐渐增强；粗粉粒7 a增加至最大，之后逐渐降低，F区及4 a与其他样地差异显著（P＜0.05）；不同样地土壤细粉粒、粗黏粒以及细黏粒无显著差异（P＞0.05）。说明种植沙棘7 a后可显著降低砂粒含量，使黏粒含量得到提高，细粉粒含量较为稳定，且各粒度含量在表层（0～20 cm）变化较底层（＞20～40 cm）明显。

表1 不同样地土壤机械组成（平均值+标准误差，%）Table 1 Mechanical composition of soilfrom different sample plots（mean+SD，%）

2.1.2 不同恢复年限土壤养分特征从图1，图2可知，随恢复年限增加，土壤有机质含量逐渐增加，pH逐渐降低。在0～20 cm土层，种植沙棘21 a土壤有机质含量显著（P＜0.05）高于各样地，为F区的6.75倍；pH值逐渐由碱性趋于中性，其中，种植沙棘12 a与F区差异显著（P＜0.05），种植21 a与F区差异显著（P＜0.05），CK介于12 a与21 a之间。在＞20～40 cm土层，土壤有机质含量呈缓慢增加趋势，低于CK；pH随恢复年限的增加差异性逐渐显著，不同样本与CK差异显著（P＜0.05）。在不同土层，土壤有机质表层高于底层，pH底层高于表层。说明沙棘对排土场土壤有机质、pH值改良效果明显，且表层变化大于底层。

图1 不同土壤样本有机质含量 Figure 1 Soil organic matter content in different sample plots

图2 不同土壤样本pH值Figure 2 Soil pH in different sample plots

碱解氮、速效磷、速效钾能够灵敏地反映土壤养分供应的动态与水平。由图3可知，土壤碱解氮含量在土壤恢复过程中逐渐增加，其中，在0～20 cm土层，种植12 a与F区差异显著（P＜0.05），种植21 a高于CK，且与其他样本差异显著（P＜0.05）。在＞20～40 cm土层，种植12 a，21 a分别与F区以及CK差异显著，种植21 a碱解氮含量显著高于F区，低于CK；对于不同深度土层，除F区与4 a外，种植7～21 a表层均高于底层。说明沙棘种植12 a后可显著改善排土场边坡土壤碱解氮状况，且表层优于底层。

图3 不同土壤样本碱解氮含量Figure3 Soilalkali-hydrolyzablenitrogencontentindifferentsampleplots

图4 不同样本土壤速效磷含量Figure4 Soilavailablephosphoruscontentindifferentsampleplots

图5 不同土壤样本速效钾含量Figure5 Soilavailablepotassiumcontentindifferentsampleplots

图4为不同土壤样本速效磷含量变化情况，速效磷含量在表层与底层呈先增加后降低趋势，在种植7～9 a达到最高，与其他样本差异显著，其中，21 a和CK与F区略有差异。不同深度速效磷含量变化，F区上层与底层无明显差别，其他样本不同深度以种植4 a差异最大。说明沙棘在恢复初期可快速补充与释放植被生长所需磷素。土壤速效钾含量变化情况如图5所示。在0～20 cm土层，随着恢复年限增加而增加，种植7 a与F区有一定差异；种植21 a高于CK，为未恢复区的2.68倍。在＞20～40 cm土层，种植7 a和9 a速效钾含量最高，其他样本之间无明显变化规律；不同深度速效钾含量变化，除F区与种植4 a外，其他样本表层均高于底层，并且恢复年限越长，上层与底层差距越大。说明种植沙棘在7～9 a对排土场边坡土壤速效钾含量产生明显变化，且表层变化更为显著。

2.2 土壤理化性质的相关性分析

从表2可知，在土壤理化性质间，碱解氮与砂粒、粗黏粒、细黏粒、有机质含量及pH值变化分别呈极显著负相关、显著正相关、极显著正相关、极显著正相关、显著负相关；速效磷与粗粉粒含量变化呈显著正相关；速效钾与砂粒、有机质含量及pH值变化分别呈显著负相关、显著正相关、极显著负相关。说明土壤砂粒、有机质含量及pH值变化是土壤碱解氮与速效钾含量变化的主要因素，而土壤粗粉粒含量影响速效磷含量。

3 讨论与结论

露天煤矿区排土场土壤层次紊乱、结构性差，土壤机械组成作为构成土壤结构体的基本单元，对植物生长所需的环境条件及养分供给关系十分密切。齐雁冰等[11]研究认为植被恢复过程中黏粒和粉粒含量增多，砂粒含量减少。本研究与齐雁冰等的研究有不尽相同之处，可能由于土壤机械组成分类细化程度的不同，同时，本研究发现，土壤细粉粒在不同恢复年限变化不大，土壤粗粉粒呈先升高后降低趋势。其原因主要因为沙棘根系发达，随着恢复年限增加，根系网络在近地表形成，土壤黏化作用、抗蚀性及抗冲性增加，改善土壤物理性质的同时，发挥了良好的水土保持作用。土壤有机质作为指示土壤肥力与健康的关键指标，主要受制于地上植物及其地下根系有机质的输入与分解[12-13]。土壤pH值决定和影响着土壤元素和养分的存在状态、转化和有效性[7，14]。本研究表明，随种植年限的增长，沙棘林下土壤有机质、碱解氮逐渐增加，pH值趋于中性，这与他人[15-16]研究结果基本一致。其原因主要是由于沙棘生长迅速，地上生长量大，大量枯枝落叶能够归还土壤，大部分根系密集于表层，残体及分泌物较多，在腐殖化作用下，有机质及速效营养元素含量能够不断增加，而对于底层土壤，枯枝落叶、营养物质以及腐殖化后的根系较表层少，使得有机质及速效营养元素含量较低。其次，浅层土壤中存在大量的沙棘根系，这些根系固着的根瘤菌可以吸收大气中的氮素，进而转化成能被沙棘吸收的氮肥，从而使土壤中的含氮量不断增加。同时，在植被恢复过程中，土壤微环境不断得到改善，土壤微生物数量增加，其中，微生物中的真菌数量在增加过程中会使得土壤pH值下降；另一方面，还可能是其根系分泌出大量的有机酸、生物酶等物质对土壤环境进行了改善，使土壤pH值有所下降。李鹏飞等[8]认为沙棘对提高土壤速效磷、速效钾含量有良好效果，刘振花[17]在研究中发现随沙棘林龄的增加，速效磷含量增加、速效钾含量减少，与本研究结果不完全一致。本研究表明随沙棘林下土壤恢复年限增加，速效磷先升高，种植9 a后降低；速效钾在表层增加，种植9 a后底层开始下降。究其原因，首先，研究时段以及地区的不同造成了一定差异；其次，本研究认为速效磷因固定在母质中的磷素不易释放，有机质返还磷素小于吸收量，导致土壤速效磷含量逐渐减低，速效钾在母质释放与植物枯落物和有机质返还共同作用下含量不断升高，该结果在相关性分析中也得到了验证。

此外，种植沙棘7 a后排土场边坡砂粒含量显著降低（P＜0.05），黏粒含量明显提高，细粉粒含量较为稳定，且各粒度含量在表层变化较底层显著；随恢复年限增加，土壤有机质、碱解氮、速效钾含量增加，土壤pH值逐渐降低

基于以上分析，本研究认为在森林草原向典型草原过渡地带露天煤矿排土场边坡栽植人工沙棘林对土壤肥力改良效果显著，在该地区土地复垦中引种沙棘，对改善排土场土壤环境有实际意义。

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