不同施肥水平下高寒矿区煤矸石山植被和土壤恢复效果研究

杨鑫光，李希来，马盼盼，张静，周伟

（1.青海民族大学生态环境与资源学院，青海省特色经济植物高值化利用重点实验室，青海西宁810007；2.青海大学农牧学院，青海西宁810016；3.中国地质大学土地科学技术学院，北京100083）

青海木里地区位于青藏高原祁连山中东段大通河谷地，是青海省最大的煤炭（焦煤）资源集中分布区［1］。近年来，该地区露天开采活动造成采矿点周边堆积形成大量煤矸石山，不仅侵占土地资源，而且引起植被破坏、土壤侵蚀等，严重危害区域生态环境安全［2-3］。在煤矸石山开展植被重建是恢复生态的有效措施［4］，然而露天采矿往往伴随大量表层土壤营养元素的损失，堆积的煤矸石山土壤贫瘠，极大限制了植物的正常生长发育［5］。为此，煤矸石山的生态恢复过程需要增加土壤营养元素供给，以保证重建植物正常生长及群落的建立和发展［6］。许多研究表明，施肥可以提高土壤营养元素含量、改变微生物群落、增加生产力和地上部分生物量［7-10］。对于人工建植草地，施肥可大幅提高草地产量，增加土壤中的有机碳，有利于生态系统中植被和土壤的改善［11-12］。但是不同的施肥水平对于植物生长和土壤营养状况具有不同的影响［13］，判断施肥水平对植物生长和土壤性质的影响程度，对于合理设计恢复措施，加快高寒矿区煤矸石山植被恢复进程具有重要的指导意义。本研究通过在高寒矿区煤矸石山人工建植草地中设置不同的施肥水平梯度处理，同时与多年不施肥及原始群落样地（undisturbed grassland，UG）做比较，探讨不同施肥水平下煤矸石山植被和土壤的恢复效果，旨在通过综合比较探讨最适宜该地区生态系统恢复的施肥措施。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于青海省天峻县木里煤田江仓煤矿区，面积约55 km2，地理坐标：东经99°27′-99°35′，北纬38°02′-38°03′，平均海拔3800 m左右。年平均气温-5.0℃，最低气温可达-36.0℃，年平均降水量500 mm以上，冬季寒冷干燥，夏季冷凉湿润，属于典型的高原山地气候。选取江仓煤矿区五井田周边煤矿废弃地（煤矸石山）人工建植混播草地作为试验地，人工草地未施肥前的土壤理化性质背景值为：全氮1.78 g·kg-1、全磷0.85 g·kg-1、全钾22.11 g·kg-1、碱 解 氮16.50 mg·kg-1、速效磷1.93 mg·kg-1、速效钾70.75 mg·kg-1、土 壤 有 机质59.89 g·kg-1、土壤pH值8.63。人工建植时间2013年，种植的草种有垂穗披碱草（Elymus nutans）、冷地早熟禾（Poa crymophila）、星星草（Puccinellia tenuiflora），采取撒播方式，播种比例2∶1∶1，播量300 kg·hm-2，种植期间及种植后每年春季施用一定量磷酸二铵及氯化钾，以保持植物正常生长。试验地周边原始群落土壤类型主要为沼泽土和高山草甸土，原始植被类型以藏嵩草（Koeleria tibetica）和青藏苔草（Carex moorcroftii）为主。

1.2 试验设计

2018年返青季节（6月初），在试验地选择地势平整的1块人工建植草地作为样地，样地面积为20 m×20 m，同时，将样地划分为16个4 m×4 m的样方，共设4个施肥处理，各处理之间均相隔1 m左右，施用肥料为磷酸二铵。施肥处理的设定依据“先确定中施肥水平、后确定轻施肥和重施肥水平”的原则，将该矿区不同恢复措施对比试验中设定的施肥量水平确定为中施肥水平［14］，该施肥量下植物基本能够保持正常生长，在此基础上，将中施肥量分别减少和增加3倍作为轻施肥和重施肥水平处理。处理1：轻施肥（light fertilization，LF），施肥量0.0125 kg·m-（2折纯量：0.008 kg·m-2）；处理2：中施肥（moderate fertilization，MF），施肥量0.0375 kg·m-（2折纯量：0.024 kg·m-2）；处理3：重施肥（heavy fertilization，HF），施肥量0.1125 kg·m-（2折纯量：0.072 kg·m-2）；处理4：1年不施肥作为对照（no fertilization within one year，CK）。此外，将试验地外围多年未施肥人工草地作为多年（5年）不施肥对比处理（处理5，no fertilization within 5 years，NF5），将人工草地周边自然生长的原始群落作为恢复效果对比处理（处理6，undisturbed grassland，UG）。

1.3 调查项目和方法

1.3.1 植被指标的选取和测定 2018年8月植物生长旺盛期，在每个处理中随机设置4个1 m×1 m样方（4次重复），6个处理共计24个样方。每个样方中分别记录植被种类，测定盖度、高度、密度及地上部分生物量，同时计算植物群落结构特征指标。采用直接目测法测定植被盖度（vegetation coverage，VC），即样方内垂直投影面积占样方面积的比值；采用计数法测定植被密度（vegetation density，VD），即样方内的所有植物个体数及分物种个体数；采用直尺测定植被高度（vegetation height，VH）；采用烘干法测定地上生物量（above-ground biomass，AGB）。

重要值（important value，IV）=（相对盖度+相对密度+相对频度）/3。式中：相对盖度=（某一植物种的盖度/样方中所有物种分盖度之和）×100%；相对密度=（某一植物种的个体数/样方中全部物种的个体数）×100%；相对频度=（某一植物种的频度/全部物种的频度之和）×100%。选择具有代表性的5个指标表示群落多样性：

式中：S为样方中物种总数；Pi为样方中物种i的相对密度，Pi=Ni/N，N i为样方中第i物种的个体数，N为样方中物种总个体数。

1.3.2 土壤指标的选取和测定 从每个处理中的4个样方中各取土壤样品1份，为4个重复，6个处理共计取土壤样品24份。具体为：每个样方中间及四周共取5个0~10 cm土层土壤，混合一起作为1个土壤样品，土壤样品均去除杂质（石块和植物残根等），装入封口袋带回实验室，过0.2 mm筛风干后测定土壤养分、有机质含量及pH值。其中，采用半微量凯氏定氮法测定全氮（total nitrogen，TN）含量；采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定全磷（total phosphorus，TP）含量；采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定全钾（total potassium，TK）含量；采用碱解扩散法测定碱解氮（available nitrogen，AN）含量；采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷（available phosphorus，AP）含量；采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾（available potassium，AK）含量；采用电极法（水土比2.5∶1）测定土壤pH值；采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质（soil organic matter，SOM）含量［15］。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据整理，运用SPSS 19.0进行数据分析。采用单因素分析方法（One-way ANOVA）检验各处理间的差异，采用LSD法（least-significant difference）进行多重比较，用Pearson相关分析法分析植被生长特性与土壤化学性状间的相关性（相关性分析中不包括原始群落），用Canoco 4.5软件进行冗余分析（redundancy analysis，RDA），结果用平均值±标准差（mean±SD）表示。

2 结果与分析

2.1 不同施肥水平下草地群落物种组成

整个试验地（包括UG）共出现7种植物，隶属于4科7属（表1）。不同施肥水平的样地物种组成未发生明显变化，均由垂穗披碱草、冷地早熟禾、星星草、甘肃马先蒿4种植物组成，其中，LF、MF、HF、CK样地重要值最大的均为垂穗披碱草，其次为冷地早熟禾、星星草，甘肃马先蒿重要值最低；5年不施肥以后，重要值最大的为冷地早熟禾，其次为垂穗披碱草、甘肃马先蒿，而星星草逐步退化，重要值仅为2.67。从各植物种的重要值变化趋势来看，随着施肥年限和施肥量的增加，垂穗披碱草重要值逐步增大，冷地早熟禾重要值逐步下降，星星草重要值先增加后下降，甘肃马先蒿重要值变化不大。

表1 不同施肥水平下植物群落物种组成及其重要值Table 1 Species composition and important value of vegetation community under the different levels of fertilization

UG物种与不同施肥水平下人工草地物种种类差异巨大，UG主要由藏嵩草、青藏苔草、冷地早熟禾、火绒草（Leontopodium leontopodioides）4种植物组成，隶属于3科4属，重要值最大的为藏嵩草，其次为青藏苔草、冷地早熟禾，火绒草重要值最低，在UG中零星出现。

2.2 不同施肥水平下草地群落结构变化特征

与CK比较，LF、MF、HF措施下草地群落丰富度指数（R，Ma）并没有发生显著变化（P>0.05），施肥量的增加并没有改变群落的丰富度，而NF5可造成群落丰富度指数显著下降（P<0.05）。UG物种数少且冷地早熟禾、火绒草在群落中较少出现，其丰富度指数也比较低（表2）。

表2 不同施肥水平下植物群落结构变化特征Table 2 Variation of vegetation community structure under the different levels of fertilization

与CK比较，LF和MF措施下，草地群落多样性指数（H'，D）差异不显著（P>0.05），而HF和NF5措施下群落多样性指数显著下降（P<0.05）。UG多样性指数相对较低，与NF5样地比较差异不显著（P>0.05）。

HF不利于群落均匀度的提高，与对照相比其均匀度指数（JP）显著下降（P<0.05），而LF、MF、CK、NF5措施下的均匀度指数为0.72~0.83，各处理间差异不显著（P>0.05）。UG均匀度指数显著低于CK、NF5措施（P<0.05），而与其他处理相比差异不显著（P>0.05）。

除UG以外，将不同施肥水平下草地群落结构特征指标由大到小排序。Patrick和Margarlef丰富度指数为：LF=CK>MF>HF>NF5；Shannon-Wiener和Simpson多样性指数为：CK>LF>MF>HF>NF5；Pielou均匀度指数为：NF5>CK>LF>MF>HF。

2.3 不同施肥水平下草地植被生长变化特征

不同施肥水平对植被盖度、密度、高度及地上部分生物量的影响均较大（图1）。与CK比较，LF和MF均能显著提高植被盖度（P<0.05），而LF与MF措施相比，MF措施对植被盖度的增加效果更大（P<0.05）。HF措施下植被盖度与对照相比差异不显著（P>0.05），表明施肥太多会抑制植被盖度的增加。NF5植被盖度仅为11.50%，与其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。UG植被盖度显著高于其他处理（P<0.05），达到了94.25%。

图1 不同施肥水平下植物生长变化特征Fig.1 Variation of plant growth under the different levels of fertilization

与CK比较，仅有MF措施显著提高了植被密度（P<0.05），而LF、HF措施与对照相比差异不显著（P>0.05）。NF5植被密度仅为158.50株·m-2，与其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。施肥量太大或者太小均不能有效促进植被密度的增加。UG优势种藏嵩草、青藏苔草相比人工种植草种植株生长更小更密，因此其密度显著高于其他处理（P<0.05）。

与CK比较，LF、MF和HF措施均能显著提高植被高度（P<0.05），其中HF、MF措施对植被高度的增加效果显著高于LF措施（P<0.05）。NF5植被高度仅为11.25 cm，与其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。由于群落中的物种差别，UG植被高度显著低于LF、MF、HF及CK措施（P<0.05），但是仍然显著高于NF5措施（P<0.05）。

与CK比较，LF、MF、HF措施均能显著提高地上部分生物量（P<0.05），MF措施地上部分生物量最大，达64.10 g·m-2，并且显著高于LF、HF措施（P<0.05）。NF5地上部分生物量仅为6.13 g·m-2，较其他施肥措施相比大幅度下降（P<0.05）。UG虽然具有更高的盖度、密度，但是地上部分生物量仍显著低于LF、MF、HF和CK措施（P<0.05）。

除UG以外，将不同施肥水平下草地植被生长特征指标由大到小排序。植被盖度为：MF>LF>HF>CK>NF5；植被密度为：MF>HF>LF>CK>NF5；植被高度为：HF>MF>LF>CK>NF5；地上部分生物量为：MF>HF>LF>CK>NF5。

2.4 不同施肥水平下土壤氮磷钾含量变化特征

不同施肥水平对土壤全氮含量没有影响，各处理间差异不显著（P>0.05）。与CK比较，HF措施能够显著提高土壤碱解氮含量（P<0.05），而其他施肥措施土壤碱解氮含量差异不显著（P>0.05）。不同施肥水平下人工草地土壤全氮、碱解氮含量与UG相比依然很低（P<0.05），人工草地土壤氮含量恢复至UG水平依然需要较长时间（图2）。

图2 不同施肥水平下土壤氮、磷、钾含量变化特征Fig.2 Variation of soil nitrogen，phosphorus and potassium under the different levels of fertilization

与CK比较，除了HF以外，其他施肥措施对人工草地土壤磷含量水平影响不显著（P>0.05）。HF措施能够显著提高土壤全磷、速效磷含量（P<0.05），与对照相比，分别提高了73.91%、1432.73%。UG土壤全磷含量显著高于不同施肥水平人工草地（P<0.05），而速效磷含量除与HF措施相比差异显著外（P<0.05），与其他各处理相比差异均不显著（P>0.05）（图2）。

与CK比较，除了NF5土壤全钾含量较低以外，其他施肥措施对人工草地土壤钾含量水平影响不显著（P>0.05）。与不同施肥水平下的人工草地相比，UG土壤全钾含量较低（P<0.05），而速效钾含量较高（P<0.05）（图2）。

2.5 不同施肥水平下土壤有机质含量和pH值变化特征

与CK比较，MF措施显著提高了土壤有机质含量（P<0.05），而其他施肥措施下土壤有机质含量变化不显著（P>0.05）。NF5土壤有机质含量呈下降趋势，与LF、MF措施相比显著下降（P<0.05）。UG土壤有机质含量显著高于人工草地（P<0.05）（图3）。

图3 不同施肥水平下土壤有机质含量和p H值变化特征Fig.3 Variation of soil organic matter content and p H value under the different levels of fertilization

与CK比较，不同施肥水平措施并没有显著改变土壤pH值（P>0.05），人工草地土壤pH值介于8.18~8.54，土壤性质呈碱性。UG土壤p H值为6.88，显著低于人工草地（P<0.05），土壤基本呈中性（图3）。

2.6 不同施肥水平下植物生长和土壤指标的关系

原始群落和人工草地物种差别大，不同植物的生长状况差异明显，为此仅对不同施肥水平下人工草地植被生长指标与相应土壤指标进行相关性分析。植被盖度、密度、高度、地上部分生物量均与土壤全钾、有机质呈极显著正相关（P<0.01）。除此之外，植被高度与土壤碱解氮、速效磷分别呈显著正相关（P<0.05）、极显著正相关（P<0.01），与土壤pH值呈显著负相关（P<0.05）。其余指标之间相关性不显著（表3）。

表3 不同施肥水平下植物生长与土壤指标之间的相关性分析Table 3 Cor r elation analysis between differ ent soil pr oper ties and vegetation gr owth parameter s under the differ ent levels of fertilization（n=20）

RDA分析中，正的余弦值表示正相关，反之表示负相关。进一步通过RDA分析可以看出（图4），除了土壤p H值以外，所有的植物生长指标（盖度、密度、高度和地上部分生物量）与土壤指标（全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有机质）聚合效果好，植被与土壤指标之间存在正相关关系，反映出土壤有机质、营养元素与植物生长之间相互影响、相互促进，特别是土壤钾、有机质含量与植物生长指标之间相互促进作用明显。

图4 植被和土壤指标参数之间的冗余分析二维排序Fig.4 The ordination diagram of RDA analysis of vegetation and soil parameters

3 讨论

3.1 群落物种组成及结构变化

受草地类型、施肥种类、配比情况等多种因素影响，施肥对草地群落结构的影响结果不尽相同［16］。如对半天然草地的恢复试验研究发现，采取施肥措施不会对草地植物种类及生物多样性造成影响［17］；对高寒草甸退化草地的试验研究表明，施肥能够引起群落物种数的降低，施肥量大反而不利于草地群落结构的稳定［18］；对荒漠草原的研究表明，施肥能够显著增加群落多样性，并且施用速效肥的效果大于有机肥［16］。本研究中不同施肥水平对植物物种数没有造成影响，这与人工草地不同施肥处理样地中播种相同的3种植物，加之甘肃马先蒿入侵能力强，在不同施肥处理样地中均出现有关。从各植物种的重要值来看，施肥量的增加促进了垂穗披碱草的生长繁衍，由于其具有更加发达的根系［19］，能够吸收更多土壤营养物质供其生长，垂穗披碱草重要值逐步增加，在群落中的优势地位变大，由于种间竞争关系，其他植物种的群落优势地位也相应变小。HF措施能够引起群落多样性、均匀度显著降低，这与仁青吉等［18］的研究结果类似，造成这一结果的原因主要是施肥增加了喜肥植物的快速生长，使杂类草等其他物种生长受到抑制［20］。同样在NF5，也会造成群落丰富度、多样性的大幅降低，这应该与星星草的大幅度退化有关。可见，在高寒矿区煤矸石山人工建植过程中，HF和NF5更加容易形成以垂穗披碱草或冷地早熟禾为主要优势种的单一群落，群落稳定性降低，而LF、MF措施是维持草地群落多样性的有效方式。与对照相比，UG结构特征指标相对较低，反映出UG物种数少，以及主要优势种为藏嵩草和青藏苔草的特点。

3.2 植物生长变化

施肥量不同造成土壤营养元素供给状况不同，从而会对植物的生长发育造成影响。许多研究表明，在草地恢复过程中，施肥能够有效增加植被盖度、高度及生物量等，从而提高草地生产力［21-23］，但是这种促进作用应该是在一定范围的施肥量之内，施肥过多会对植物造成伤害，反而不利于植物生长［24］。本研究发现，与CK比较，LF、MF和HF措施均不同程度增加了人工草地植被盖度、密度、高度和地上部分生物量，这也在一定程度上反映了煤矸石山土壤营养元素缺乏的特征，即使短期1年内不施肥也会影响植物生长。除植被高度之外，MF措施对植被盖度、密度和地上部分生物量的增加效果最好，施肥量太大或太小均不利于植物生长，造成草地退化。此外施肥量过多增加了经济成本，而适宜的施肥量能产生更大经济效益，有利于人工草地的持续健康发展［25］。NF5植被盖度仅为11.50%，同时高度、密度、生物量大幅降低，大面积秃斑地产生，人工草地严重退化。可见，煤矸石山由于土壤贫瘠，在植被恢复初期，如果不采取施肥（覆土）等额外增加土壤营养元素的措施，最终可能会导致恢复失败［14］。从有利于植物生长的角度出发，江仓矿区煤矸石山人工草地适宜施肥量为MF：磷酸二铵0.0375 kg·m-2。UG由于物种不同，与人工草地相比，具有更高的盖度，更大的密度，而高度和地上生物量相对较低。

3.3 土壤性状变化

矿山开采过程中堆积的煤矸石山立地条件差，土壤中营养元素缺乏［26］，通过施肥特别是施用速效肥料，快速增加土壤中的氮磷钾等营养元素含量，是加快矿山生态恢复的有效手段。一般情况下，通过施用速效氮磷钾肥料，土壤中的速效营养元素含量可以得到有效提升［27］，而对土壤全氮、全磷等含量的影响不大［28］。本研究表明，与对照相比，只有HF措施能够显著增加土壤碱解氮、全磷及速效磷含量，其他处理变化不明显。短期适度的施肥过程并没有显著增加土壤肥力，这可能由于速效肥中的营养元素基本被植物吸收利用，并没有在土壤中得到富集。随着施肥量的进一步增加，部分速效营养元素不能完全被植物所利用，因此引起土壤中氮、磷含量的增加，特别是HF措施下土壤速效磷含量已经远高于UG，过量的磷肥会对植物生长造成危害［29］，这可能是HF措施下植物生长发育受限的其中一方面原因。

施肥能够加快植物生长，生物量更多的积累和分解增加了土壤中的有机质（有机碳）含量［11］。与其他施肥措施相比，MF措施能够产生更大的生物量，为此土壤有机质含量相对更高，而施肥量过大或过小、不施肥等都不利于土壤有机质含量的增加。土壤有机质含量增加是土壤肥力增加的重要依据［30］，MF措施更有利于土壤性质的改善，长期来看，对于煤矸石山极端贫瘠的土壤条件下生态系统的成功恢复具有重大作用。江仓矿区煤矸石山土壤呈碱性，短期内施肥并没有明显促进土壤p H值向中性转变。通过对青藏高原高寒草甸进行围栏，经过10年的施肥处理后发现，随着施肥量的增加，土壤p H值下降程度显著［31］，可见施肥引起土壤p H值的变化应该通过较长一段时期的观察来判断。

与不同施肥水平下的煤矸石山人工草地相比，UG具有更高的土壤全氮、碱解氮、全磷、速效钾和有机质含量，土壤p H值呈中性。人工草地要想恢复至UG土壤营养及酸碱水平仍需要较长时间的恢复过程。

3.4 植物和土壤的相互作用

土壤是植物养分供给的基础，土壤营养元素可供植物生长，植物生长后通过生物量积累和腐化进行反馈，从而改善土壤营养状况，植物和土壤能够相互作用、相互促进，这一现象在许多研究中均有报道［32-33］，然而这种相互作用关系在煤矸石山复垦地中少有研究［34］。本研究发现，除土壤pH值之外，植被生长指标与土壤氮磷钾及有机质含量存在正相关关系，特别是与土壤全钾和有机质相互促进作用明显，这种相互促进关系对于实现煤矸石山人工草地的稳定发展具有重要作用［35］。土壤p H值与植物生长指标呈弱负相关关系，表明随着煤矸石山地表植被生长状况的改善，土壤性质具有由碱性向中性发展的潜势。在高寒矿区煤矸石山恢复初期，由于土壤营养元素严重缺乏，需要通过施肥等措施提供植物生长的必要条件，当恢复至一定水平后，可减少施肥投入甚至不施肥，利用植物-土壤相互促进作用，逐步实现煤矸石山人工草地生态系统的稳定发展。

4 结论

不同施肥水平的样地物种组成未发生明显变化，而HF和NF5均能够引起群落物种多样性的降低，不利于人工草地群落稳定。LF、MF和HF措施均不同程度增加了人工草地植被盖度、密度、高度和地上部分生物量，MF措施更有利于植物生长。HF措施能够显著增加土壤碱解氮、全磷及速效磷含量，MF措施更有利于土壤有机质含量的积累。综合判断，江仓矿区煤矸石山人工草地适宜施肥量为MF：磷酸二铵0.0375 kg·m-（2折纯N和纯P量共计：0.024 kg·m-2）。除土壤pH值之外，植被生长指标与土壤指标之间相互促进，这种作用对于煤矸石山人工草地生态系统的稳定将发挥重要作用。