高寒矿区排土场不同坡向植被和土壤特征研究①

金立群，李希来，孙华方，张 静,4，周 伟

(1 青海大学农牧学院，西宁 810016；2 青海湟源县草原站，西宁 812100；3 中国地质大学土地科学技术学院，北京 100083；4 青海-广东自然资源监测与评价联合实验室，西宁 810016)

煤炭是支撑社会经济发展的主要能源之一[1]，但露天煤矿的开采造成了以水土资源为核心的生态环境破坏，使整个矿区生态系统极端恶化，且难以恢复[2-3]。相关研究表明，目前全球因采矿而破坏的土地约为670 万 hm2，中国约有140 ～ 200 万hm2，并以每年4 万hm2的速度递增且复垦率仅13.3%，与国外发达国家75% 的复垦率差距较大[4]。开采前未对草地、农田的表层土进行剥离、存储，加大了复垦难度。国内外矿区复垦主要集中在低海拔平原、盆地及黄土高原地区[5]，对青藏高原矿区的研究较少，特别是人工植被恢复。

木里煤田位于高海拔、气候寒冷、生态条件恶劣的青海省海北州，2003 年开始进行开矿生产原煤，且产量逐年递增。采煤占据了大量的天然湿地面积，尤其开采过程中形成了大量的地下冻土、岩土、岩石与煤矸石机械堆积的排土场山[6]，其无序堆放不仅破坏和占用大量湿地资源，而且其结构松散，地层层序紊乱，土量稀少，无保水保肥能力，严重缺乏植物生长所需要的营养物质，植物很难定居生长[7-8]。因此，在青藏高原进行矿区生态重建对恢复受损的土壤和植被具有重大意义，通过人工植被建植，能够有效提高草地生态系统的功能[9]。

排土场修复是通过再造土壤形成良好的土壤结构和层次，提供植物生长必备的土壤生境，而植被恢复能够改善露天煤矿区排土场表层基质结构和肥力，是排土场土壤形成的必要条件[10]，也是露天煤矿区排土场土壤重构的重要内容，不仅起着构建矿区排土场初始植被的作用，还能从而促进整个生态系统结构和功能的恢复[11]。露天煤矿排土场人工建植的植被与土壤环境相互依存又相互制约[12]，因此，研究人工建植植被特征和土壤理化特征对于煤矿区植被恢复具有重要的意义。有关研究表明，在煤矸石山人工建植植被可提高其表层有机质含量和pH[13]，可明显改善排土场基质的土壤容重、土壤持水量及孔隙度等物理性质[14]。王洪丹等[15]发现坡向与土壤有机质和有效磷之间具有线性相关性；邱莉萍等[16]分析得出草地土壤养分在不同坡向的变异性较大；Pan 等[17]研究表明由于不同坡向水热条件的差异，植被生长状况有明显差异；陈正兴等[18]通过研究不同坡向的草地植物群落，揭示了植被物种组成和多样性特征在不同坡向条件下差异显著。本文以青藏高原青海省木里煤田江仓矿区排土场为研究对象，在不覆盖客土的条件下人工建植植被，并且不同坡向条件下植被建植方法一致，研究在高海拔寒冷地区煤矿排土场不同坡面是否对植被生长与土壤基质造成差异，为高寒煤矿区排土场植被恢复与重建提供科学的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究地点位于青海省海北州木里煤田东部的江仓矿区，大通河上游南侧(图1)，距省会西宁市约450 km。木里煤田是青海省唯一的焦煤资源整装勘查区域，也是该省最大的煤矿。其地理坐标为99°27′ ～99°35′ E，38°02′ ～ 38°03′ N，海拔3 800 ～ 4 200 m，年平均气温 -2.8℃，气候严寒。矿区东西长25 km，南北宽2.5 km，面积55 km2。研究区为圣雄矿业在2010 年采煤区，矿坑深度100 ～ 200 m，两座排土场占地面积约104.33 万hm2，由开采时产生的煤矸石及渣土机械堆积而成。南部排土场占地面积73.10 hm2，最大堆高60 m(地表标高3 865 m，排土场顶部标高 3 925 m)，北部排土场占地面积31.23 hm2，最大堆高50 m(地表标高3 890 m，排土场顶部标高3 940 m)。排土场基部多年冻土夏季容易融化产生滑坡、塌方等，形成地质灾害。研究区排土场稳定处理措施包括削坡卸载，使坡度小于25°，沿排土场底部边缘砌筑围堰，以增加坡面和坡体的稳定性，恢复排土场地下冻土。为减少排土场植被恢复的成本，人工植被建植时不覆盖客土，充分利用矿坑堆积的数十米多年永久性冻土作为排土场植被恢复的表层土壤。试区种植的草种主要是垂穗披碱草(Elymus nutans)、冷地早熟禾(Poa crymophila)和星星草(Puccinellia tenuiflora)，分别于2015 年5 月下旬将相同播种量、播种比例(2∶1∶1)的草种混合撒播于样地，播种量为 300 kg/hm2，并施颗粒有机肥60 kg/hm2、复合化肥195 kg/hm2，播种施肥后覆盖20 g/m2的无纺布。

图1 试验区地理位置Fig. 1 Geographical position of study area

1.2 试验设计

试验地选择为2015 年种植的排土场山南坡、北坡、东南坡与东坡，种植方法一致。2017 年8 月分别以样线法随机选择12 个1 m × 1 m 的样方，测定植被盖度(人为估测)、高度(钢卷尺测定)、地上生物量、生殖枝数量、幼苗数量等，并把采集的样品用信封袋带回室内，烘干称其干重。采样过程中，用GPS 记录经纬度、海拔，罗盘仪测定坡度、坡向，三参速测仪(HW-WET-3)测定排土场基质的水分与盐分。样方内除去地面植被和地表覆盖物，对表层(0 ～ 10 cm)土壤进行取样，去除大石块和植物残根后用自封袋带回室内；另用消过毒的无菌铲在每个样方取表层样20 g 装入无菌袋，在低温下运回实验室，放入4℃冰箱冷藏待用，且取样过程、运输环节尽可能保持无菌。

1.3 样品分析测定

土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定；全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤pH 采用电极法(水土质量比 2.5∶1)测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定[19]。土壤样品委托青海省农林科学院分析测试中心测定。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[20]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007 进行数据整理，运用SPSS 19.0进行描述性统计分析、单因素方差分析及显著性检验，显著水平设定为α=0.05。其次，基于R 语言软件的随机森林算法进行影响因子重要性分析。随机森林算法是由Leo Breiman 提出的一种新型高效的组合分类法，通过自助法(Bootstrap)对样本数据进行抽样，由随机向量(X，Y)构建组合模型。鉴于随机森林模型可处理大量数据，易于建立又易于解释，可用来评估本文中变量的重要性，提高效率[21]。

2 结果与分析

2.1 不同坡向立地条件植被特征

由图2A 可以看出，种植在排土场南坡与东南坡的植被高度显著高于东坡与北坡的植被(P＜0.05)，而东坡的植被显著高于北坡(P＜0.05)。由图2B 可以看出，植被生物量在东南坡为115 g/m2，显著高于其他3 个坡向(P＜0.05)，南坡生物量显著高于北坡与东坡(P＜0.05)，北坡与东坡差异不显著(P＞0.05)。由图2C可以看出，东南坡的植被盖度显著高于南坡、北坡与东坡(P＜0.05)，南坡植被盖度显著高于东坡(P＜0.05)，北坡与南坡、东坡差异不显著(P＞0.05)。由图2D 中可以看出，南坡植被生殖枝数量显著高于北坡与东坡(P＜0.05)，东坡与其他3 个坡向差异不显著(P＞0.05)，北坡与东坡差异不显著(P＞0.05)。由图2E 可以看出，植被幼苗高度在4 个坡上差异不显著(P＞0.05)。由图2F 可以看出，东南坡的幼苗盖度显著高于其他3 个坡向(P＜0.05)，其余 3 个坡向之间差异不显著(P＞0.05)。由以上分析可知，不同的坡向种植对地上植被特征有一定的影响，东南坡与南坡相较于北坡与东坡，地上植被质量明显较好。

图2 不同坡向立地条件下植被特征变化Fig. 2 Vegetation characteristics under different aspects

2.2 不同坡向立地条件表层土壤理化性质

从表1 可以看出，排土场山南坡表层土壤全氮含量高于其他3 个坡面，但是差异不显著(P＞0.05)。全磷含量在南坡最高，显著高于北坡与东坡(P＜0.05)，与东南坡差异不显著(P＞0.05)。全钾含量在东坡最高，显著高于南坡与北坡(P＜0.05)，与东南坡差异不显著(P＞0.05)。南坡与北坡全氮含量差异也不显著(P＞0.05)。土壤碱解氮含量南坡为85.58 mg/kg，比北坡、东南坡、东坡分别高53.58、43.33、54.33 mg/kg，差异显著(P＜0.05)。有效磷含量在4 个坡面差异不显著(P＞0.05)。速效钾含量在东南坡含量最高，显著高于南坡与北坡(P＜0.05)，与东坡差异不显著(P＞0.05)。有机质含量在北坡高达163.52 g/kg ± 56.98 g/kg，显著高于其他3 个坡面(P＜0.05)。土壤pH 在4 个坡面无显著变化(P＞0.05)，均偏碱性。土壤体积含水量在北坡与东坡含量较高，平均比南坡与东南坡高66%，差异显著(P＜0.05)。由以上分析可以看出，不同坡向立地条件对露天煤矿区排土场表层土壤理化性质有一定的影响，全磷、全钾、碱解氮、速效钾、有机质与含水量等具有明显差异。

表1 不同坡向条件下表层土壤理化性质Table 1 Soil physiochemical properties under different aspects

2.3 不同坡向立地条件表层土壤微生物数量

从表2 中可以看出，细菌数量在东南坡最高，显著高于其他3 个坡面(P＜0.05)，北坡与东坡显著高于南坡(P＜0.05)，南坡细菌数量最少，仅为(0.12 ±0.10)×102cfu/g。放线菌数量在不同坡向条件下无显著差异(P＞0.05)。真菌数量在东南坡数量为(3.14 ±1.99)×106cfu/g，显著高于其他3 个坡向(P＜0.05)。

表2 不同坡向条件下表层土壤微生物数量Table 2 Soil microbial populations under different aspects

2.4 矿区排土场表层土壤的主要影响因子

图3 为随机森林方法对不同坡向表层土壤理化性质以及植被恢复特征的22 个建模因子的重要性分析。重要性指标为平均准确率降低度与基于平均基尼指数递减度，两个指标数值增大，则代表对应的影响因子越重要。从图3 中可以看出，土壤细菌数量、含水量、碱解氮、全磷、植被高度与土壤有机质含量是影响排土场不同坡向立地条件下植被与土壤特性的主要因子，通过随机森林法计算平均准确率降低度，土壤细菌数量的影响力为 16.35，土壤含水量为12.01，土壤碱解氮为11.21，全磷为10.25，植被高度为9.39，土壤有机质为8.60，依次降低。为了更好地分析各因子对不同坡向立地条件下植被与土壤特性的影响规律，本文对6 个重要因子绘制了作用曲线(图4)。图4 中横坐标对应因子取值，纵坐标对应该因子对排土场植被与土壤特性影响的贡献概率值，即纵坐标值越大，该因子对排土场不同坡向立地条件的影响越大。细菌数量的重要性排序最高，从图4 中可以看出，随着细菌数量的增大，对不同坡向排土场特性影响增大。土壤含水量是维持土壤循环系统不可缺少的物质，从图4 中可以看出，随着土壤含水量的升高，对不同坡向排土场表层土壤的影响逐渐增大，当含水量为25.4% 时，有略微下降。氮是植物需要量较大的营养元素，从图4 中可以看出，碱解氮含量为49 mg/kg 时，对不同坡向排土场特征的影响最大，之后随着碱解氮含量的增大影响力逐渐下降并趋于稳定。从图4 曲线中可以看出，全磷含量大于1.6 g/kg时，对4 个坡向的植被与土壤特性影响最大。植被高度是对排土场表层基质养分的响应，从图4 中可以看出，随着植被高度的增高，对不同坡向立地条件的影响显著上升，当植被高度上升至34 cm 时，影响最大，随后随着植被高度增高，影响力缓慢下降并趋于稳定。而土壤有机质为47 g/kg 时对不同坡向排土场特性影响最大，之后影响力下降。

3 讨论

3.1 不同坡向立地条件对排土场植被特征变化的影响

坡向作为一个最重要的地形因子，不同坡向因光照、水分、温度、土壤等差异，使植被特征不同。南坡受较多太阳辐射影响，具有较高的温度，北坡则温度较低且湿度大。同时，土壤是植物生长的物质基础，植物的生长发育和分布与不同坡面的土壤特征存在着重要关系[22]。植被生长与生存环境之间是一种相互协同进化和适应的关系，植物在不同坡向立地条件下长势不同，也会因生境的不同而出现一些可塑性反应[23]。从本文研究结果可以看出，植被高度在南坡和东南坡高于东坡和北坡，北坡植被高度最低，这说明植被高度与日照时数关系密切，日照时数会影响热量与水分的平衡[24]，从而影响植被的生长高度。植被盖度与产量按东南坡、南坡、东坡、北坡的顺序下降，南坡与东南坡相比较低，这可能是由于南坡温度更高，光照更强，蒸散作用大，土壤中水分可利用性低，使植被盖度与产量低于东南坡。正是由于以上原因，使得北坡与东坡的植被生长状况稍差。植被生殖枝数量在南坡和东南坡高于其他2 个坡，这是因为坡向的不同造成了植被生长期的差异，温度缩短了北坡与东坡的生长周期，减缓了生殖枝的发育。幼苗的出现，证明在排土场山植被恢复中，有成熟种子脱落并发芽，说明植被恢复呈稳定演替方向发展。一般情况下幼苗时期是对环境最敏感的时期，坡向的差异使种子发芽率与幼苗成活率表现出明显的差异，所以幼苗盖度在不同坡向有显著差异。鉴于不同坡向对排土场人工植被建植有一定的影响，在今后露天煤矿区排土场植被恢复初期应增加东坡与北坡(阴坡)的播种量以及恢复过程中及时补播和追施氮肥，减小不同坡向对植被生长造成的差异。

图3 不同坡面变量的重要性排序Fig. 3 Importance rank of variables under different aspects

图4 基于随机森林方法的主要生态因子对不同坡面表层基质的影响Fig. 4 Effects of main ecological factors on topsoil substrate under different aspects based on random forest method

3.2 不同坡向立地条件对排土场土壤特征变化的影响

土壤养分状况在土壤质量维持和改善中具有重要作用，也是植被恢复生态环境效应的重要体现[16]。在同一区域成土条件一致的情况下，土壤养分会因为坡向不同存在差异[18,25]。在不同坡向立地条件下，排土场表层土壤全量氮、钾含量与速效氮、磷含量均在东南坡与南坡最高，而其有机质含量显著低于北坡与东坡，这是因为在植被生长过程中需要吸收大量的速效氮、磷、钾，而植物生长所需的养分是由土壤中有机质转化而来，南坡与东南坡的植物由于地形原因，生长速率快，促进了土壤中物质循环，加快了土壤中物质的输入和输出速率。同时，南坡与东南坡的植被盖度高，提高了土壤氮、磷、钾的利用率[26]。而北坡与东坡土壤含水量高，土壤空隙由水分充塞，通气受阻使有机质矿化率低，有利于有机质的积累[27]。排土场坡面的不同立地条件对土壤pH 的影响略微，这是由于在植被恢复3 a 的时间下，植物根系与凋落物并不多，与有机质结合分解、转化的过程中，产生有机酸含量少，不足以降低矿区排土场表层土壤pH[10,28]。坡向通过调节太阳辐射状况来影响水分的平衡，在排土场南坡与东南坡光照强，蒸散作用大，表层基质含水量低[24]。因此，在今后高寒矿区恢复中，排土场东坡与北坡(阴坡)播种时应覆盖至少为50 g/m2的加厚无纺布，保温效果更好，有利于种子发芽及出苗生长。

3.3 不同坡向立地条件对排土场土壤微生物数量的影响

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，主要参与土壤养分与物质的循环代谢过程，与土壤健康状况密切相关[29]。煤矿区排土场的特殊结构和地形特点使表层基质肥力差，而地形会通过光照分布影响土壤水热条件[30]。不同坡向由于其水热条件的差异，影响土壤中微生物的数量，土壤温度与水分对微生物代谢活动有很大影响[31-32]。在本文中，细菌与真菌在东南坡的数量最多，而南坡含量仅有0.12×102cfu/g，这是因为东南坡的光照、水分及植被生长状况均良好，光照强度使土壤干湿交替与昼夜温差不大，并且植被的旺盛使枯枝落叶增多，增加腐殖质，影响着土壤养分的保持与土壤结构的形成[33]，相对于其他3个坡面，有利于细菌代谢生长。不同坡面对土壤放线菌的影响不大，这可能是因为排土场恢复初期，选择人工建植的植物种只有3 种，并且排土场恢复时间较短，每个坡面的植物种类基本无差异，植物产生的枯枝落叶基本相同，使土壤放线菌数量无差异[34]。

3.4 矿区排土场不同坡向表层土壤特征的主要影响因子

露天煤矿区排土场土壤与植被的交互影响作用复杂，因为在现阶段处于植被恢复初期，土壤各因子不稳定，植被的生长也处于适应阶段[35]。随机森林法得出结果表明，细菌、含水量、碱解氮、全磷、植被高度与有机质是影响排土场表层土壤特征的主要影响因子。细菌是土壤微生物中重要的组成部分，含氮量高，含碳量低，可促进土壤养分的形成与分解[36]，不同坡向植被恢复后土壤细菌的环境影响因子主要为含水量、有机质及全磷含量[37]，这说明土壤微生物在植被恢复过程中起着重要的作用。土壤含水量对植被的生长与土壤养分循环及土壤微生物的活动均有不可或缺的作用，在不同坡面立地条件下，由于不同的光照强度与时间导致了土壤含水量的差异。土壤中氮素是植物生长发育所需的大量元素，是调节生态系统生产力、结构与功能的重要元素，在氮循环中至关重要，而氮含量的高低与植被特征密切相关[38]，故而在不同坡向条件下有一定差异。不同坡向含水量的差异影响了植被可吸收的无机磷含量，排土场较低的含磷量限制了植被的生长。土壤中有机质的含量影响着土壤的肥力，进而影响了土壤质量与结构功能[39]，排土场北坡表层土壤含水量高，温度低，有利于有机质的积累与保存。通过分析排土场不同坡向表层土壤的主要影响因子，建议在排土场恢复中及时补充氮肥以利于加速植被恢复进程。

4 结论

1) 在青海江仓矿区排土场进行不覆盖客土利用多年冻土植被恢复中，不同坡向立地条件下，南坡与东南坡(阳坡)的植被高度、盖度、生物量、生殖枝数量等特征均显著高于北坡与东坡(阴坡)。说明坡向不同显著影响植被的生长，因此在高寒矿区植被恢复过程中增加阴坡(东坡与北坡)坡面的播种量并及时追施速效肥料有利于植被的快速恢复。

2) 在排土场不同坡向立地条件下，表层土壤的全磷、全钾、速效氮磷钾、有机质及含水量具有明显差异，因此，在排土场恢复初期应增加阴坡(北坡与东坡)种植时所用无纺布厚度，减小坡向不同对植被生长带来的影响。

3) 坡向的不同对排土场表层微生物数量有一定影响，东南坡(阳坡)的土壤细菌和真菌数量显著高于其他3 个坡面。

4) 在高寒矿区排土场植被恢复过程中，排土场表层细菌数量、含水量、碱解氮、全磷与植被高度是影响植被生长的主要影响因子。因此，及时补充氮肥有利于加速矿区排土场植被恢复进程。