不同植被类型对哈密南湖二号煤矿土壤修复研究

龙一方 王梦 黄长福 马伊琍 麻浩

摘    要：矿区的生态恢复已经受到全球各国的高度重视，大量未治理的矿区是造成水土流失，土地荒漠化的重要诱因，对人类的生存和发展产生严重影响。为探究不同植被对干旱区矿区荒漠土壤的修复情况，以新疆哈密南湖二号矿区作为对象，研究了梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、红柳、沙枣、甘草7种植被种类覆盖对土壤理化性质的影响及植被的生长状况，研究结果表明：（1）受灌溉方式和水质的影响，会造成土壤pH值增加，可能會产生盐碱化造成二次土地退化。（2）植被种植能够增加研究区内土壤中全氮、全磷、速效钾、碱解氮，但大部分会减少全钾的含量，对速效磷的含量影响并不显著。（3）苜蓿、甘草、竹柳和枸杞能够改善土壤，提高土壤有机质含量。（4）从生态恢复效益来看，较为适宜种植的作物为苜蓿、甘草和梭梭，其中甘草和苜蓿又能产生较好的经济价值，适宜种植。

关键词：土壤修复效应;干旱区;土壤特征;植物生长;生态效益;哈密南湖二号煤矿

中图分类号： X53      文献标识码： A       DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.016

Different Vegetation Types Studied the Soil Restoration of the Hami Nanhu No.2 Coal Mine

LONG Yifang1， WANG Meng2， HUANG Changfu1， MA Yili3， MA Hao1

（1. Desert Ecological Restoration and Reconstruction Innovation Collaborative Center，School of Grass and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University， Urumqi，Xinjiang 830001，China;2. State Grid Hami Coal Power Company Limited， No.2 mine of Dananhu， Hami，Xinjiang 839000，China; 3. Lanzhou Shengduo desert Protection Research Institute， Lanzhou，Gansu 730000，China）

Abstract： The ecological restoration of mining areas has been highly valued by all countries in the world. A large number of untreated mining areas are the important inducements of soil erosion and land desertification， which have a serious impact on human survival and development. Taking Nanhu No.2 Coal Pit in Hami， Xinjiang as the research object， the effects of different vegetation types such as Haloxylon ammodendron（C. A. Mey.） Bunge.， Salix hybrid， Lycium chinense Mill.， Medicago sativa， Tamarix ramosissima， Elaeagnus angustifolia Linn. and Glycyrrhiza uralensis Fisch. on soil properties were studied in this paper. The results showed that： （1） affected by irrigation methods and water quality， soil pH value would increase， which might lead to salinization and secondary land degradation. （2） Vegetation planting can increase the content of total nitrogen， total phosphorus， available potassium and alkali hydrolyzable nitrogen， but most of them will reduce the content of total potassium， and the effect on the content of available phosphorus is not significant. （3） Medicago Sativa， Glycyrrhiza uralensis， Salix hybrid and Lycium chinense could improve soil organic matter content. （4） From the perspective of ecological restoration benefits， Medicago Sativa， Glycyrrhiza uralensis and Haloxylon ammodendron are more suitable for planting， among which licorice and alfalfa can produce better economic value and are suitable for planting.

Keywords： soil remediation effect; arid area; soil characteristics; plant growth; ecological benefits; Nanhu No.2 coal mine in Hami

土壤是人类赖以生存的载体，为人类生产、生活提供主要物质来源的途径之一[1]。矿区的工业生产建设会对植被和土壤环境造成较大的破坏。哈密南湖二号煤矿属于露天煤矿，并且当地地处干旱地区生态環境脆弱，植被和土壤的破坏对环境会造成巨大影响。因此需要在兼顾发展的同时对矿区进行土壤植的修复，恢复土壤环境的系统功能，以实现土地的再利用[2-4]。

土壤是植物生长的基础，土壤中植物主要需要的养分主要包括有机质、全钾、全磷、全氮等，并且土壤水分、土壤质地等也会对植物生长产生影响。同时植被对土壤中的营养物质具有富集作用，因此通过植被种植对贫瘠的土壤具有一定的修复作用。王梦等[1]通过对本研究区土壤进行理化性质分析，认为植被的种植会改善土壤的贫瘠状况;李艺锋[5]对葫芦岛周边废弃矿区种植植被后的土壤理化性质研究发现，植被对于土壤中的碱解氮的增加影响显著;王璐[6]对太原市西山煤矿进行了不同树种修复对土壤理化性质影响的研究，发现植被的种植对当地的土壤理化性质改良显著[7-9]。综上所述，植被对于土壤修复具有一定的作用，但由于环境和植被类型的差异，湿润地区通常选用乔木来进行土壤的改良，而干旱地区则选取当地具有优势的草本或灌木。目前对于新疆地区优势植被对土壤理化性质影响的研究还较少[5，10，11]。

哈密南湖二号煤矿地处内陆干旱的荒漠区域，土壤贫瘠，保水保肥能力差。因此，本文选取适宜当地的优势植被及耐旱植被，包括梭梭（Haloxylon ammodendron（C. A. Mey.）Bunge.）、竹柳（Salix hybrid）、枸杞（Lycium chinense Mill.）、苜蓿（Medicago sativa）、红柳（Tamarix ramosissima）、沙枣（Elaeagnus angustifolia Linn.）、甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）7种植物种类[9]，对研究区的土壤修复状况和植物的生长状况进行研究，以期选取能够改良当地土壤性质，并且最适宜种植的植被种类，对当地矿区的生态恢复和环境保护工作提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

南湖二号露天煤矿位于E93°6′，N42°23′，地处新疆省维吾尔族自治区哈密市伊州区残丘台地区，地表被残积、坡积的岩屑层所覆盖，通称戈壁（南湖戈壁）。矿区及其周边50 km范围内无地表水系，地形高差最大155.71 m，坡度15%～30%[12]，属低山丘陵区。该地区属于典型的大陆性气候，多年平均气温为9.8 ℃，全年干旱少雨，潜在蒸发量大[13]。

实验地0～80 cm的平均土壤容重为1.4 g·cm-3，主要为砂土，自然状态下土壤含水量和营养物质含量较低。为改良研究区土壤，2018年春季进行植被种植，其中乔木种植面积1 400 m2，灌木10 500 m2，草本2 100 m2，实行人工滴灌，灌溉方式为每月灌溉3次，每次灌溉1～2 h，灌溉量为600 m3·hm-2，每年的灌溉时间为植物的生长阶段4—11月份。

1.2 采样分析方法

本研究在2018年进行土壤本底值的调查，2019年和2020年的6月份对植被种植后，梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、红柳、沙枣和甘草7种植物的土壤进行采样，每种植被地块中随机采集3次，测定土壤中0～20 cm的全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质。2019年和2020年8月，在植物生长旺季对植被的生理形态状况进行调查，测定的指标为植被盖度、叶片叶绿素和氮含量。其中叶片的采集选取每种植被中生长状态较为平均的3棵植株进行，叶片采集后冷冻保存，烘干后测得其叶绿素和氮含量。

土壤样品经过处理后进行各项指标的测定，测定标准与方法参考《土壤农业化学分析方法》进行，具体指标、测量方法和仪器型号见表1[14]。

1.3 数据处理方法

各项土壤理化指标经分析测试后，结果分析采用Excel进行数据统计和表格制作，使用Matlab进行方差分析和作图。

2 结果与分析

为了研究植被的种植对土壤的改良作用和程度，寻找最适合研究区种植的植被，需要对植被种植前后土壤的理化性质和植被的生长适应状况进行研究。因此本研究选取适宜荒漠地区中种植的草本灌木植被，梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、红柳、沙枣和甘草7种植物，并对种植前后土壤中全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的变化情况进行分析，结合植物的生长状况，以期选取其中对当地土壤改良和生态效益影响最优的品种。

2.1 不同植被对土壤理化性质的影响

表2为2018—2020年不同植被土壤中测定的pH、全氮、全磷、全钾和有机质值，表中显示了土壤中不同年份各指标的平均值、标准差和显著性。从表中可以看出，相对于2018年，2020年植被的种植均增加了土壤的pH值，除了沙枣在2019—2020年间降低了土壤的pH，植被的种植下土壤pH均呈显著增加趋势。土壤pH的增加可能是由于灌溉水源的影响，造成了土壤盐碱化的加剧。在全氮、全磷和全钾方面，全氮和全钾分别呈现略微上升和下降的趋势。其中，相对于2018年，2020年除红柳外，其他植物土壤全氮上升均较为显著。而全钾除梭梭和苜蓿对土壤的影响不显著外，其他均呈显著下降趋势。总体上，对土壤中全氮增加最多的植被为苜蓿，增加量的为0.11 g·kg-1，对土壤中全钾影响最小的植物为梭梭;植被的种植对土壤全磷的影响比较显著，经过两年的种植，所有植物均增加了土壤中的全磷含量，并且都为显著增加。在不同年份中，竹柳和苜蓿土壤中的全磷是呈现逐年显著增加的趋势，对全磷增加量最大的为竹柳，增加量为0.18 g·kg-1。对土壤中的有机质含量的影响方面，经过两年的种植，竹柳、枸杞、甘草和苜蓿会增加有机质含量，而梭梭、沙枣和红柳会降低土壤中的有机质，但梭梭、枸杞、竹柳和甘草的影响并不显著，对土壤中有机质增加最多的为苜蓿，增加量为1.54 g·kg-1。从2018—2020年整体上看，不同植物对有机质影响的过程也不同，梭梭、苜蓿、红柳和沙枣是先增加再减少，竹柳和枸杞是逐渐增加的趋势，而甘草是减少后再增加的趋势。总之，植被的种植对土壤的理化性质会产生一定的影响，有助于土壤中全氮、全磷的增加，但大部分会减少全钾，不同类型的植物对土壤有机质的含量影响不同。

表3为7种植被种类在种植前后对土壤中速效磷、速效钾和碱解氮的影响。从表3中可以看出，在2018—2019年，种植植被的第一年，竹柳、枸杞、苜蓿增加了土壤中的速效磷含量。其中增加最多的为枸杞，增加量为0.27 mg·kg-1。其他的植被均减少了土壤中的速效磷。减少最多的为红柳，减少量为0.15 mg·kg-1。在2020年，植被种植后的第二年，相对于2019年梭梭、红柳、沙枣增加了土壤中的速效磷含量，其他植被均为减少趋势，其中增加最多的植被为沙枣，增加量为0.14 mg·kg-1。总体上，经过两年的种植梭梭、竹柳、枸杞、苜蓿、甘草和红柳会降低土壤中速效磷的含量，但影响并不显著。沙枣虽然对土壤中的速效磷略有提高，但影响同样提高趋势也不显著。这说明植被的种植对研究区域速效磷并不会产生明显的影响。

土壤中速效钾含量方面，相对于2018年，在植被种植两年后，均显著提高了土壤中的速效钾含量。其中增加量最大的植被为苜蓿，增加量为0.51 g·kg-1。在不同年份中，2018—2019年，7种植被均增加了土壤中的速效钾含量，除了梭梭外，其他均呈显著增加的趋势，其中增加最多的为红柳，最少的为梭梭增加量分别为0.25 g·kg-1和0.02 g·kg-1。在2020年，植被种植后的第二年，相对于2019年竹柳、红柳、沙枣减少了土壤中的速效钾含量，并且沙枣呈显著减少趋势;其他植被均为增加趋势，且增加趋势显著，其中红柳和沙枣的减少量相近约为0.03 g·kg-1，增加最多的为苜蓿，增加量为0.29 g·kg-1。总体上，研究区域内植被的种植对于土壤中速效钾的含量影响较为明显，增加趋势显著。

从表中可以看出，2018—2020年土壤中碱解氮含量的变化，相对于种植之前，7种植物均增加了土壤中碱解氮的含量。2018—2019年，植被种植后苜蓿土壤的氮含量呈现显著增加，增加量为4.1 mg·kg-1，其他植物土壤碱解氮含量虽然增加但不显著。2019—2020年，植物种植后第二年，土壤中的碱解氮含量除甘草上升外，都有一定程度的下降，但下降趋势都不显著。整体上，苜蓿和甘草的种植能显著增加土壤中的碱解氮含量，其他植被虽然有增加但增加趋势都不显著。

综上所述，植被种植对研究区内土壤的理化性质有一定的改良作用，选取合适的品种能够提高土壤中营养物质的含量。从各种植被对土壤的综合影响程度来看，比较适合研究区种植的植物为苜蓿、甘草、枸杞和竹柳。这4种植物能够提高土壤中的有机质和全磷含量，但甘草、枸杞和竹柳会降低土壤中的全钾含量，并且枸杞和甘草会略微降低土壤中的全氮含量，因此对土壤改良效果的排序为：苜蓿>甘草>枸杞>竹柳。

2.2 不同植被的生長状况

图1为研究区2018—2019年植被叶片氮含量、叶绿素含量和植被盖度变化图。从图中可以看出，2018—2019年7种植被叶片的氮含量除枸杞呈现显著下降趋势，竹柳呈显著上升趋势以外，其他植被的叶片氮含量均没有显著变化。其中，2019年叶片氮含量最高的为枸杞，氮含量为12.1 mg·kg-1，2020年为沙枣，氮含量为11.03 mg·kg-1，其中红柳和梭梭的氮含量较低。在叶片叶绿素含量方面，与氮含量相似，红柳和梭梭较低，竹柳、枸杞、苜蓿和沙枣较高。在植被盖度方面，苜蓿、梭梭和甘草具有优势，能够起到一定的防风固沙效果。

综上所述，不同植被对研究区环境的适应状况不同，生理生态上具有一定的差异。其中红柳和梭梭叶片氮含量较低，竹柳、枸杞、红柳和沙枣植被盖度在种植的两年中均相对其他植物较低，说明其在生态效益上表现较差。因此，根据植被对当地环境的适应性和对当地带来的生态效益综合来看，较为适宜当地种植的植被排序为：苜蓿>甘草>沙枣>枸杞。

3 结论与讨论

通过研究7种植被对哈密南湖二号煤矿土壤理化性质的影响以及对植被的生长状况进行了监测，笔者发现不同植被对研究区的土壤理化性质均有一定程度的影响，这与前人研究相似，说明植被的种植对土壤环境的修复具有一定的作用[6-8]。由于研究区域处于荒漠地带，土壤中保肥保水能力差，本身营养物质含量较低。植被的种植对土壤中的营养物质具有一定的富集作用，其根系的微生物活动也能够增加土壤中钾和氮元素的含量，尤其其中苜蓿和甘草为豆科植物其根系的固氮菌的固氮作用相对于其他植被生长具有优势，对于土壤的改良效果也更加明显，其他研究也说明豆科植物具有更强的固氮作用更适宜于贫瘠土壤的改良[15-16]。由于本研究区域气候干旱，在对矿区土壤修复时，植被选取主要以灌木和草本为主，并且通过本研究发现适宜当地生长的草本植物对土壤修复能力要优于乔木，这与其他研究主要选取乔木为主有一定的差异[17-18]。在植被的生长方面，由于不同植被的生理生态有一定的差别，在叶片叶绿素和氮含量上差异也十分明显，但年际差别相对较小，部分植物的盖度随着生长年限的增加而增加，而苜蓿甘草相对年际变化较小，部分植物在种植时还要注重土壤的肥力情况。由于本文在研究中受到时长影响，可能一些植被对土壤的改良作用会在更长的时段内显现。对土壤的采样期主要在植物的集中生长阶段，因此植物对部分营养物质的富集作用可能产生一定的影响，并且荒漠中的其他种类的优势植被较多，所以还需要进一步对植被修复土壤的作用进行研究。

本研究通过分析2018—2020年，7种植被种植前后研究区内土壤理化性质的变化，以及不同植被在研究区域内的生长情况，探讨了最适宜当地种植的植物，以达到最佳的生态环境效益，结果发现：

（1）由于研究区地处干旱区，因此植被的种植需要依靠人工灌溉，但受到灌溉方式和水质的影响，会增加土壤的pH值，可能会产生盐碱化。因此需要在植被种植和生态恢复的同时注重次生盐碱化，防止土壤性质恶化[19-22]。

（2）植被的种植能够增加研究区内土壤中全氮、全磷、速效钾、碱解氮含量，但大部分会减少全钾的含量。植被种植对土壤中的速效磷影响并不显著。其中最能够改善土壤，提高土壤中营养物质含量的植被为苜蓿、甘草、竹柳和枸杞。

（3）根据的叶片氮含量和叶绿素含量，最适宜研究区生长的植被为竹柳、枸杞、苜蓿、甘草和沙枣。根据植被盖度所能产生防风固沙作用的生态效益来看，研究区较为适宜种植的作物为苜蓿、甘草和梭梭，其中甘草和苜蓿又能产生较好的经济价值，因此最适宜种植[23-25]。

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