不同覆土处理对青海木里煤田排土场渣山表层土壤基质特征的影响

王 锐，李希来,*，张 静，周华坤，胡夏嵩

(1. 青海大学农牧学院，青海 西宁 810016； 2. 中国科学院西北高原生物研究所，青海省寒区恢复生态学重点实验室，青海 西宁 810008； 3. 青海大学地质工程系，青海 西宁 810016)

煤矿区排土场渣山的植被恢复一直是植物生态学家关注的热点问题，采取人工覆土处理是矿区生态修复的重要措施之一[1]。煤矿区排土场渣山表层土壤基质结构、养分和水分是植物生长的基础[2]，覆土厚度决定了其保水保肥的能力[3]。因煤矿区排土场渣山表层基质层难以满足植被恢复对土壤结构和营养条件的需求，需要对排土场渣山表层基质进行土壤重构，达到在较短时间内恢复植被和改善土壤环境的目的[4]。土壤重构所采用的物料主要包括各类岩石、矸石、粉煤灰、矿渣、矿石等矿山废弃物。目前，矿山生态恢复尚未见客土覆盖结构的统一标准[5]。因此，本研究根据煤矿实际情况，探索高寒煤矿区客土覆盖厚度，以实现快速建植高寒矿区排土场渣山植被的目的。

多年来，煤矿复垦和土壤恢复研究大部分集中于低海拔平原地区[6-8]，对于高寒地区煤矿排土场渣山土壤重构研究少见报道[9]。低海拔作物种植地区土源丰富，因此较厚覆土(>50 cm)是煤矿区复垦普遍采用的措施。在青藏高原高寒矿区缺乏植被恢复的合适土源，高寒矿区客土主要来源于矿山开采时堆积的高山草甸土和多年冻土，本文通过对高寒矿区土壤重构过程开展研究，确定覆土厚度，结合覆土成本分析矿区土壤重构效果，为高寒煤矿区植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验研究区位于青海省海北州刚察县和海西州天峻县接壤处木里煤田江仓矿区圣雄煤矿北渣山东部区域，该区域为缓坡地，平均海拔为3 900 m，地理坐标为北纬38°03′34″，东经99°27′37″(图1)。年平均气温为—4.2℃，最高气温达19.8℃，最低气温可达—35.6℃，年平均降水量为477.1 mm，蒸发量为1 049.9 mm。风力最大为1-4月，最大风速大于40 m·s-1，平均风速为2.9 m·s-1。日照时间长，年太阳辐射量为610.6～721.8 kj·cm-2。2010 年开始露天煤矿产开发，由于煤矸石、冻土、岩石等废料堆积形成排土场，占用大量的天然高寒沼泽湿地，一定程度地破坏了原始植被。矿区地形以丘陵平原为主，区内具中低山、谷地和山间小盆地相间分布的地貌特征。自然植被由大小不等的鱼鳞状水坑高寒沼泽湿地构成。在山间冲积平原中发育有大通河、江仓河、娘姆吞河、上下哆嗦河和克克赛河。2013年停止煤矿产开发，企业进行排土场植被恢复，2016年建立试验小区，开展覆土试验。

覆土试验区由4个不同处理，即不覆土(NFT)、覆土5cm(FT-5)、覆土10cm(FT-10)以及覆土15 cm(FT-15)共12个小区组成，按照随机区组设计，每个处理3次重复，每个小区面积为15 m×3 m，总面积540 m2。根据适宜于高海拔地区牧草品种和种子大小，选取垂穗披碱草ElymusnutansGriseb.、中华羊茅FestucasinensisKeng ex S.L.Lu、青海冷地早熟禾PoacrymophilaKeng ‘Qinghai’、青海草地早熟禾PoapratensisL. ‘Qinghai’、星星草Puccinelliatenuiflora(Griseb.) Scribn.et Merr. 5种牧草按5∶3∶1∶2∶1比例进行混播(300 kg·hm-2)，混播草种均匀撒播在小区内，2016年5月25日建成试验小区(图1)。

图1 试验小区位置(上)和试验地覆土处理设计(下)

1.2 试验方法

1.2.1试验处理与牧草种植 种植方法：种植前对排土场渣山种植区域进行机械整平、耙平表层，将大块岩石、砾石和煤矸石移出种植区。对覆土区域进行表层覆土，平铺均匀。采用1.5 kg(按0.033 kg·m-2施入量进行施入)硫酸亚铁对基质表层进行酸碱平衡调节，每小区施入40 kg有机肥(有机质含量≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)作为底肥。将草籽均匀地播种在小区内，同时施入牧草专用肥(N-P-K比例18-12-5，总养分≥35%)1.69 kg(按0.0375 kg·m-2施入量进行施肥)。播种后对表层基质进行人工耙压，立即覆盖无纺布。

种子用量：垂穗披碱草、中华羊茅、冷地早熟禾、草地早熟禾和星星草混播比例为5:3:1:2:1，具体用量分别为12.5 g·m-2,7.5 g·m-2,2.5 g·m-2,5.0 g·m-2，2.5 g·m-2。

客土用量：分别覆土5 cm，10 cm和15 cm，土壤密度按照1.8×103kg·m-3计算，每个小区覆土重量分别为4.05×103kg、8.10×103kg和12.15×103kg，客土土壤基本特征见表1。

表1 客土土壤养分基本情况

1.2.2取样方法 2016-2018年期间每年8月上旬，在试验小区按上中下间隔5 m各设置1 m×1 m样方进行植被产量和盖度测定，并在每个样方沿对角线选取3个取样点取土壤样品，取样深度为20 cm，去除表层大块砾石和杂物，将3个样方9个取样点土壤样品混合成一个室内分析样。室内风干，过200目筛后用于土壤养分的测定。

1.2.3测定方法 土壤容重：在小区每个样方内用小铲挖取20 cm表层土壤混合基质，放于自封袋内。将挖取的土坑用塑料袋包裹，倒入纯水将土坑充满，然后将塑料袋里的纯水倒入量筒，读数记录使用的纯水体积。同时将自封袋土壤混合物称重，记录重量。

rs=g×100/v×(100+W)

式中：rs—土壤容重(gcm-3)；g—土样混合物重量(g)；V—用水体积(cm3)；W—样品含水率(%)。

养分测定：pH值使用PHB型精密pH计测定，有机质测定采用重铬酸钾-外加热法[10]，全氮采用重铬酸钾-硫酸消化法，全磷采用高氯酸-硫酸酸溶-钼锑抗比色法，全钾用火焰光度法，速效氮用碱解扩散法，速效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用醋酸铵-火焰光度计法，重金属元素测定微波消解-电感耦合等离子体质谱仪法。

微生物测定：样方内除去地面植被和地表覆盖物，用已消毒的无菌勺每样方取上层(0～10 cm)土样 3次共 20 g，装入无菌袋并迅速放入冰盒，取样过程、运输环节尽可能保持无菌，在低温条件下运回实验室[11]，立即放入4℃冰箱保存。第一时间从冰箱取出，平摊晾好过200 目筛装入自封袋放入冰箱后待测。土壤微生物数量采用混合平板计数法测定：细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用虎红培养基，放线菌采用高氏1号培养基。

2 结果与分析

2.1 不同覆土处理对土壤容重的影响

由图2可知，经过3年覆土处理，2018年对照样区的容重为1.97±0.1 g·cm-3，显著高于其它3个覆土样区。土壤容重大小受土壤结构、质地和有机质含量等影响[12]，一般情况下保持在1.0～1.7 g·cm-3，平均值为1.32±0.21 g·cm-3[13]，高寒湿地的土壤容重往往小于1 g·cm-3。本试验覆土5 cm和覆土15 cm容重分别为1.10±0.14 g·cm-3，1.69±0.23 g·cm-3，基本处于正常范围，而覆土10 cm容重为1.50±0.28 g·cm-3，相对最接近土壤容重平均值。容重能通过影响土壤的水肥气热来改变植物根系在土壤中的生长[14]。因此，通过覆土措施可有效改善土壤容重促进牧草生长，覆土10 cm是相对理想的选择。

2.2 不同覆土处理对土壤养分含量的影响

2.2.1不同覆土处理对土壤全量养分的影响 由图3可知，2016年试验区域不同处理之间的土壤全氮含量存在极显著差异，覆土10 cm全氮含量最高为1.77±0.26 g·km-1，而对照处理全氮含量仅为0.86±0.05 g·km-1，3个覆土处理均与对照存在极显著差异(P<0.01)。这说明在试验初期覆土处理能有效提高表层土壤全氮含量。表层土壤基质全磷、全钾以及有机质含量均不存在显著差异。2017年覆土10 cm、覆土15 cm的全氮含量分别为3.03±0.16 g·km-1，3.08±0.52 g·km-1，表现出与覆土5 cm(1.5±0.16 g·km-1)、对照(2.26±0.28 g·km-1)存在显著差异(P<0.05)，对照小区的全磷含量(1.02±0.0 5 g·km-1)与3个覆土处理均存在极显著差异(P<0.01)，土壤磷素含量主要受土壤母质的影响[15]。2018年所有全量养分指标均存在显著差异(P<0.05)，覆土15 cm全氮和全磷含量最高，分别达到2.66±0.17 g·km-1和2.26±0.28 g·km-1。对照区的全钾含量最高，达到27.18±1.06 g·km-1，且自2016年开始表现出呈逐年递增的变化规律。

图2 不同覆土处理对排土场渣山表层土壤基质容重的影响

2.2.2不同覆土处理对土壤速效养分的影响 速效氮含量的高低能反映短期土壤氮素供应能力[16]。由图4可知，2016年覆土10 cm速效氮含量与其他3个处理均存在极显著差异(P<0.01)，对照处理速效氮含量17±3.46 mg·kg-1，仅为覆土10 cm的20%。各处理间速效磷、速效钾以及有机质含量均不存在显著差异。2017年覆土10 cm(192±33.6 mg·kg-1)、覆土 15 cm(168.7±17 mg·kg-1)分别与覆土5 cm(101±8.54 mg·kg-1)、对照(62±7 mg·kg-1)小区速效氮含量存在极显著差异(P<0.01)。覆土10 cm的速效磷含量(17.9±2.46 mg·kg-1)与其他3个处理均存在极显著差异(P<0.01)，对照区的速效钾含量(133±9.85 mg·kg-1)与覆土10 cm(206.7±18.15 mg·kg-1)、覆土15 cm(173.7±14.01 mg·kg-1)样区均存在极显著差异(P<0.01)。2018年所有速效养分指标均存在显著差异。覆土15 cm速效氮含量为最高，达到105.5±5.50 mg·kg-1，与其他3个处理均存在极显著差异(P<0.01)，但含量明显低于2017年同期含量。覆土5 cm速效磷(7.63±2.48 mg·kg-1)含量远高于其他3个处理，覆土5 cm(142.7±12.10 mg·kg-1)、覆土15 cm(141.5±5.50 mg·kg-1)的速效钾含量与其他两个处理存在极显著差异(P<0.01)。

图3 不同覆土处理对排土场渣山土壤基质全量氮磷钾的影响

由图4可知，所有处理速效氮均出现先上升后下降的变化趋势，2016-2018年间覆土10 cm的速效氮平均含量最高，2017年度最高值可达192 mg·kg-1，2018年覆土15 cm的速效氮含量最高。对照处理的速效氮含量由2016年的17 mg·kg-1增加至2017年的62 mg·kg-1，2018年又下降至32.67 mg·kg-1，且年际间差异均为极显著(P<0.01)，速效氮含量在所有处理中表现出最低，这明显不利于植被的恢复生长。除对照速效磷含量持续下降外，覆土处理速效磷含量均出现先上升后下降的变化趋势，覆土10 cm的上升和下降幅度最大，自2016年的8 mg·kg-1上升至2017年的17.9 mg·kg-1，下降至2018年的3.83 mg·kg-1。速效钾含量的高低用于判定土壤中钾元素丰缺，对植物的营养状况有直接影响[9]。所有处理速效钾均出现先上升会下降的变化趋势，变化幅度最大的是覆土10 cm，2017年达到最大值206.7 mg·kg-1，2017年、2018年对照处理的速效钾含量在各处理中相对最低。

图4 不同覆土处理对排土场渣山土壤表层基质速效氮磷钾的影响

2.2.3不同覆土处理对土壤有机质的影响 土壤有机质增加通常被认为是土壤肥力增加的重要依据[17]。2016年4个处理的有机质含量分别为60.89±8.20 g·kg-1,75.89±11.25 g·kg-1,67.59±5.51 g·kg-1和60.36±9.15 g·kg-1，覆土5 cm含量最高，覆土15 cm含量最低，处理间差异未达到显著水平。2017年对照小区的有机质含量仅为39.6±6.00 g·kg-1，与覆土3个处理差异均为极显著(P<0.01)。2018年对照有机质含量最低(45.13±8.92 g·kg-1)，均与覆土10 cm(57.77±3.06 g·kg-1)、覆土15 cm(59.13±4.14 g·kg-1)存在极显著差异(P<0.01)。各处理年际间的有机质含量变化情况不一致，覆土10 cm、覆土15 cm变化趋势是先上升后下降，覆土5 cm的变化趋势为直线下降，对照样区呈现先下降后上升的趋势。2016-2018年对照有机质含量均在各处理中最低，因此，需要一定的覆土厚度才能维持植物生长对有机质需求。有机质含量最高值出现在2017年，覆土10 cm的有机质含量达到82.9 g·kg-1，覆土效果较好(图5)。

结合2016-2018年牧草生长情况来分析，不同覆土处理3年来的平均总盖度为覆土15 cm(74.6%)>覆土10 cm(70.8%)>覆土5 cm(64.3%)>对照(59.8%)，而产量最高的是覆土10 cm小区，达到每小区20.41±1.73 kg，比覆土15 cm和覆土5 cm分别高0.16 kg和3.38 kg，是对照的1.94倍。因此，覆土能够显著提高牧草的高度和产量，覆土10 cm和覆土15 cm两个覆土处理效果明显，这与排土场渣山表层土壤基质养分含量高结果一致。

图5 不同覆土处理对排土场渣山土壤表层基质有机质的影响

2.2.4不同覆土处理对土壤pH的影响 土壤pH能够调节植物营养有效性，影响土壤微生物活性，改变土壤可溶性养分含量[18-19]。由图6可知，排土场渣山表层土壤基质呈碱性，2016年对照处理pH达到8.41，与其他3个处理均存在显著差异(P<0.05)，在植被生长初期对照处理的pH维持在较高值，pH过高会影响土壤水、气、热，导致养分有效性降低，破坏土壤结构[20]。2017年对照pH降低至7.53±1.16，低于覆土5 cm(7.89±0.10)和覆土10 cm(7.58±0.35)，2018年对照pH表现出呈升高的特征。各覆土处理pH变化趋势亦不相同，对照和覆土10 cm年际间差异不显著，2018年覆土5 cm的pH与2016、2017年均呈现极显著差异(P<0.01)，2016年覆土15 cm的pH与2017，2018存在显著差异(P<0.05)，年际间变化也未呈现出一定规律。2017年、2018年覆土15 cm的pH分别为7.38±0.34和7.49±0.04，均为4个处理中的最低值。

图6 不同覆土处理对排土场渣山土壤表层基质pH的影响

2.3 不同覆土处理对土壤微生物数量的影响

土壤养分含量是地形、气候及生物因素等相互作用的结果[21]。如表2所示，无论是细菌、真菌、还是放线菌，同一年份不同处理均存在极显著差异(P<0.01)。2016年覆土5 cm细菌数量相对最多，达到9.44 ×106cfu·g-1，对照的细菌数量最少，仅为2.00 ×106cfu·g-1。2017年覆土5 cm细菌数量达到17.89 × 106cfu·g-1，覆土10 cm的细菌含量相对最低，仅为4.33×106cfu·g-1。2018年覆土15 cm的细菌数达到18.11×106cfu·g-1，对照处理细菌数量相对最少，为5.67 ×106cfu·g-1，为覆土15cm的31.3%。覆土10cm的细菌数量一直维持在较低水平，平均值仅为4.93×106cfu·g-1。

2016年、2017年对照处理的真菌数目均为最低，分别为7.89× 103cfu·g-1和4.11×103cfu·g-1，覆土10 cm在2016年和2018年真菌数目均为最多，2018年达到30.89 ×103cfu·g-1，2017年覆土15 cm真菌数目最多。但2018年对照处理真菌数目达到25.11 cfu·g-1，高于覆土5 cm和覆土15 cm。

2016年，对照、覆土5 cm和覆土15 cm的放线菌数目较为接近，覆土10 cm的放线菌数目最多，达到12.00×105cfu·g-1。2017年覆土5 cm的放线菌数目最多，达到25.89×105cfu·g-1。覆土10 cm的放线菌数目最少，仅为7.78×105cfu·g-1。2018年覆土10 cm的放线菌数目依然最少，仅为5.56×105cfu·g-1，低于对照(8.44 ×105cfu·g-1)。覆土10 cm不能有效维持放线菌的数量。

表2 不同覆土处理对排土场渣山矸石山土壤基质微生物数量的影响

不同处理细菌数量年度变化趋势不同，对照和覆土5 cm表现出先上升后下降的变化趋势，覆土15 cm细菌数量直线上升，由2016年的3.78×106cfu·g-1上升至2017年的9.72×106cfu·g-1再到2018年的18.11× 106cfu·g-1，覆土10 cm细菌数量则先下降后上升。2018年所有处理的细菌数量均高于2016年，对照和覆土15 cm分别是2016年细菌数量的2.83和4.79倍。不同覆土处理2016-2018年真菌数量均出现先下降后上升的趋势，2018年所有处理真菌数量超过2016年，且对照、覆土5 cm、覆土10 cm、覆土15 cm真菌数量分别是2017年的6.11，2.86，5.34和3.09倍。不同覆土处理2016-2018年放线菌数量变化趋势不一致，除覆土10 cm为直线下降以外，其余3个处理均为先上升后下降的变化趋势，且2018年放线菌数量高于2016年。覆土5cm有利于保持放线菌数量。

2.4 不同覆土不同年限土壤表层基质理化性质相关性分析

本试验对2016-2018年植被恢复期间，土壤理化性质试验指标的相关性进行了分析。由表3可知，表层土壤基质全氮含量与速效氮、速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)，与pH呈极显著负相关，因此pH增加不利于氮素供应，影响植被生长。全磷含量与速效氮、速效磷、有机质含量呈极显著正相关(P<0.01)。表层土壤基质全钾含量与速效养分、有机质含量均呈负相关，且均不显著。速效氮含量与速效磷、速效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)，与有机质含量呈显著正相关(P<0.05)，与pH呈极显著负相关，pH过高影响表层基质速效养分的提供。速效磷含量与速效钾、有机质含量呈极显著正相关(P<0.01)。pH仅与全钾含量呈正相关(r=0.01)，且不显著。因此，在植被恢复中补充氮和磷，起到有利于植被生长作用，同时控制好表层土壤基质pH。

表3 各试验指标间相关性分析

注：**表示P<0.01水平上极显著相关，*表示P<0.05水平上显著相关，n=27

Note：** indicates the correlation is significant at the 0.01 leve1；* indicates the correlation is significant at the 0.05 leve1，n=27

3 讨论

3.1 覆土处理对排土场渣山表层基质物理化学性质的影响

植物与土壤相互作用研究是生态学家研究的热点问题[22-23]。土壤重构是露天煤矿开采矿区生态环境恢复的重要内容[24-25]，土壤理化性质特征是判断土壤质量的重要依据[26]。就生态恢复过程中土壤和植被组分的改变而言，恢复年限大小往往是主要的驱动因素[23].。已有研究结果表明，随着植被恢复时间延长，土壤有机质、氮、含水量等均增加，pH减少，土壤得到逐步改良[23]。也有研究表明，不同恢复时间下地上植被、土壤养分含量、微生物功能多样性，以及物理结构均有显著变化[27-28]。本文连续3年观测排土场渣山表层土壤基质的变化，发现即使是同一处理，不同养分指标的变化规律亦不相同，恢复后的第二年表层土壤基质养分水平较高，至第三年绝大部分养分会出现下降趋势。由于高寒环境下腐殖质层形成相对缓慢，须通过机械、化学、生物等综合措施来加快土壤重构的进程。

有关高寒矿区植被恢复对土壤速效氮含量影响方面，杨鑫光等[29]认为，高寒矿区短期内植被恢复对土壤速效氮含量产生较大影响。本试验所有处理速效氮含量均表现出先上升后下降的变化趋势，与杨鑫光等研究结果基本一致。速效氮含量减少与土壤侵蚀造成养分流失、植被生长吸收养分、以及土壤的生物化学过程有关。短期植被恢复能促进土壤全磷的积累，对植被的后续生长产生有利的影响。刘双等[30]研究发现土壤中的磷元素含量变化与季节变化、粒径分布等因素有关。但本研究至植被恢复第3年时，各处理土壤全磷含量表现出不及植被恢复初期的水平，速效磷含量也是同样的变化趋势。因此，植被恢复的第3年需对表层土壤基质进行磷素补充。速效钾的含量往往占全钾含量的1%～2%，从本试验结果可知，绝大多数处理速效钾含量尚不及全钾含量的0.5%的水平。因此，矿山表层土壤基质作为一种“特殊土壤”，其提供速效钾的能力不及一般土壤，全钾含量在第3年仍保持在较高水平，而速效钾含量却在第3年出现下降趋势，说明植被恢复进程中速效钾的供应能力明显不足。有研究认为，植物生长过程中对钾的需求量较大[15]，短期内植被生长状况的改善并未促进土壤中全钾含量的增加，全钾含量有所降低。这与本文研究结果不一致，还需要进一步深入探讨。植物根系吸收利用造成速效氮、速效磷、速效钾含量下降，由于高寒矿区气温低，有机质分解缓慢，速效养分得不到及时补充。因此在建植后至第3年，需适时补充氮、磷、钾等速效肥料，以满足地上植被生长需要。

研究结果还表明，覆土措施对土壤养分含量影响随时间推移表现得愈来愈明显，2018年几乎所有养分指标均受到覆土措施的影响。但全氮和速效氮两个指标，连续3年各个处理均出现极显著差异，含量最低的均为对照处理，覆土15 cm的全氮和速效氮含量变化幅度更为明显，因此覆土15 cm更有利于氮含量的维持，且利于牧草持久生长。值得关注的是，对照处理全钾含量逐年提高，2018年已超越全部覆土区域，其原因机理尚不明确。另外，有研究认为矿区复垦土壤改良中最主要的限制因子是磷元素[31]。基质速效磷含量主要来自渣山有机质，在受基质特性、植被特征与净矿化作用以及有机质含量影响的同时，植被覆盖物能提高速效磷的利用率[32]。Richards等研究结果表明，植物在生长过程中缺磷将会导致幼苗不能正常生长而死亡[33]。由研究结果可知，本试验各小区速效磷含量高于或接近于原始湿地的速效磷含量，磷元素不作为牧草生长的限制因子。

土壤有机质包括土壤微生物和土壤动物及其分泌物，以及土体中植物残体和植物分泌物[34]，是土壤养分的储备库和微生物能量的来源[35-36]，在植物生长中扮演重要角色[37]，可间接地视为植被盖度和生物量的指示[38]。诸多研究表明，随着植被重建时间的延长，土壤有机质含量能显著增加[39-40,7,17]。从理论层面推断，由于气候严寒，地上枯落物不断积累，土壤有机质分解缓慢，会引起有机质增加。在本试验中，各处理有机质含量并未表现出相同的变化规律。总体来看，覆土处理有机质含量高于对照处理，覆土对于有机质提升至关重要，这与Lubos等在露天煤矿废弃地的研究结果相一致[41]。有机质含量是动态变化的，3个覆土处理在建植后至第3年有机质含量均处于低水平，在高寒环境植被恢复过程中，覆土并未显著增加有机质含量，仍需补充有机质。

相关研究表明，土壤pH通过调节植物营养有效性，改变土壤微生物活性大小和土壤速效养分含量[19,25]。对表层有机质变化产生影响[42-43]。矿区植被恢复过程中，土壤pH表现出上升[37]、下降[44]、未显著变化[42]和无规律变化[45]等趋势，有研究认为，土壤pH随植被恢复年限的增加而增大，土壤由酸性逐步向中性过渡，以更好适应植被恢复生长。亦有相关研究认为，土壤pH随复垦时间延长而降低[46]。虽然不同类型的植被恢复pH变化差别较大[29；42]，但总体上向有利于地上植被生长的趋势变化。本试验中，pH并未表现出一定的变化规律，3年后对照、覆土5 cm和覆土15 cm的pH均明显低于恢复初期，排土场渣山表层的碱性在减弱，但覆土10 cm表现出先下降后上升的趋势，有关机理还需进一步研究探讨。

矿区治理中覆土对提高各类微生物数量及其活性强度有深远影响[47]。微生物数量均是覆土区大于未覆土区[48-49]。而且随年限的增长均呈增加一降低一增加的趋势[50]。金立群等[51]发现，土壤微生物数量随恢复时间的增长而增加，但细菌数量在5年恢复中差异不明显。由试验结果可推断，在不覆土情况下，植被恢复有利于细菌数量的增加，覆土厚的区域细菌数量能保持长时间稳定。总体来说，覆土厚的处理在真菌数量方面体现了优势，覆土有助于真菌数量增长。矿区渣山表层土壤稀少、结构性差且气候严寒，短暂时间植被恢复对渣山表层土壤质量的改良缓慢，土壤团聚体胶结以及碱性pH环境没有明显改善，均会影响微生物的数量。

此外，相关研究亦表明容重是矸石山土地复垦中最具判断力的土壤质量动态指标[52]。诸多研究结果表明，高容重、低渗透、物理结构差是矸石表层土壤基质的显著特征[53-57]。张轩通过研究山西古交煤矿覆土效果时发现，撂荒区土壤容重值为1.11～1.62 g·cm-3之间，种植区的土壤容重为1.10～1.59 g·cm-3之间波动，增加覆土厚度能有效降低撂荒区的土壤容重[47]。本试验对照处理的容重明显超出正常范围，说明高寒煤矿区渣山表层基质的物理结构较差。覆土虽然不能使表层基质达到土壤容重水平，但却有效改善了物理结构，减低了土壤容重，使之更加接近理想范围。容重下降可能是由于根系穿透、土壤破裂和孔隙数量增加造成的[55]，本试验结果与多数文献是一致的。有研究认为，运用铲运机复垦土壤的容重值大于普通农田[58]，本试验采用铲车进行覆土处理，一定程度上增加了表层基质容重。因此，机械措施对容重的影响也应该考虑。

由于成矿母质不同，不同渣山表层基质自堆积初始其物理结构、化学反应、微生物活性，以及养分有效性均具有差异[59]。植物生长有利于改良土壤，而土壤有机质、全氮、全磷含量的提高促进了植物生长。刘世全等[60]对西藏地区土壤中的全氮与有机质的研究表明，两者呈非常显著的线性正相关，而碱解氮则呈非线性正相关，与本试验存在不一致。杨鑫光等[29]对于短期恢复土壤性质指标相关性的研究亦与本文存在不一致的地方，这说明不同高寒矿区排土场渣山养分变化的个体差异很大，需要具体分析。

3.2 排土场渣山覆土厚度和效果分析

江仓矿剖面的腐殖质层形成于1.7±0.1 ka以来[61]，青藏高原东北部成熟的高寒草甸、高寒湿地形成时间至少在两千年以上，形成过程十分缓慢，沉积速率非常低。由天然高寒湿地腐殖质层形成的年代和过程可知，煤矿区排土场渣山人工种草恢复还需要增加表层土壤基质的覆土厚度，有效补充肥力，从而加快矿区土壤结构和植被多样性的恢复进程。

关于在复垦地土壤质量研究方面，主要是对土壤物理、化学、生物活性方面开展了不同程度地研究，且多数集中于土壤的某个特性方面[62]。有研究认为[63]，随着覆土厚度的增大，更多的土壤细颗粒填满了煤矸石风化物中大孔隙，从而改善了煤矸石原来的孔隙结构使混合基质土壤的孔隙度增大。当土壤条件相同时，覆土厚度的多少决定了其保水保肥的能力。郭友红等认为，覆土厚度更多的要考虑植物生长的要求,70 cm左右的覆土厚度经济合理[2]。杨鑫光[1]认为排土场渣山由于冻融造成堆体不稳定，在覆土的25 cm基础上因水土流失形成新的覆土厚度，从有利于植物生长的角度出发，木里煤田植被恢复土壤厚度需保持在40～45 cm之间，这与本文研究结果不一致。由于种植牧草的根系长度一般小于15 cm，本试验在设计覆土厚度上未超过15 cm；同时，试验中各小区四周采用岩石碎块圈围，一定程度上减小了水土流失影响，至于冻融造成的沉降对于植被恢复的影响还需深入研究。现实中排土场渣山覆土不但需要满足植被生长要求，还应考虑经济性和施工难度。

通过本项研究表明，对于高寒矿区植被恢复，覆土>20cm不必要且不现实，从本试验分析得到覆土10 cm和15 cm是比较好的覆土措施，从土壤来源和覆土成本考虑，覆土10 cm是推荐的措施，能满足植被恢复的实际需要。从高寒地区普遍缺土源情况考虑，不覆土不利于高寒矿区的土壤重构，但能够通过机械平整、施肥和种植等措施，仍可满足不覆土条件下植被的生长。

4 结论

高寒矿区覆土可调节土壤酸碱度，调节表层土壤基质的容重，有利于形成适宜植被生长的土壤物理结构；覆土对高寒矿区排土场渣山表层土壤基质养分的影响显著，显著增加了基质土壤中的全氮和速效氮含量；覆土处理的速效养分出现先上升后下降的总体趋势，植被建植至第2年速效养分达到最大值；覆土能为表层土壤基质提供良好的有机质条件，改善表层基质土壤微生物环境。覆土10 cm左右是本研究推荐的高寒矿区覆土厚度。