宁煤公司羊场湾煤矿排矸场不同植物配置模式生态效益研究

张继平，郜 超，石长春，马存平，付广军，董 强，李军保，顾清敏

(1.陕西省林业科学院，西安 710082; 2.陕西榆林毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站，陕西 榆林 719000; 3. 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏 灵武 751400)

煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，排放量相当于煤炭产量的10%～15%，煤矸石山植被恢复已成为生态修复的重要阵地[1]。国家能源集团宁夏煤业有限责任公司羊场湾煤矿排矸场位于宁夏回族自治区灵武市境内宁东矿区，地处毛乌素沙地南缘，是能源富集区和生态脆弱区相互作用的典型区域。随着人类活动强度的不断增加，生态环境对采矿的响应更加敏感[2]，煤矸石山的植被恢复与重建迫在眉睫。目前国内关于煤矸石山植被恢复的研究，主要集中于半湿润区的辽宁抚顺[3]、安徽淮南[4]，半干旱区的山西阳泉、长治、灵石和陕北榆林等区域[5-7],而对干旱区沙地煤矸石山植被恢复模式研究较少。本研究通过羊场湾煤矿排矸场不同植被恢复措施的生态效益比较，分析总结经济、合理、持续、稳定和高效的植被恢复措施，为同地类矿区排矸场生态修复提供科学依据。

1 研究区概况

国家能源集团宁煤公司羊场湾煤矿排矸场，位于宁夏回族自治区灵武市宁东矿区，地理坐标： 37°59′2.5″N； 106°35′19″E。海拔1 123～1 350 m，地处毛乌素沙地边缘，属温带干旱、大陆性季风气候区，主要风向为西-西北，风力最大可达8级，一般为4～5 级，平均风速为3.1 m·s-1，最大风速20 m·s-1，春季时有沙暴；多年年平均气温8.8 ℃，年最高气温41.4 ℃(1953 年)，年最低气温-28.0 ℃(1954 年)；降水多集中在7-9月，年最大降水量352.4 mm(1964 年)，年最小降水量80.1 mm(1980 年)，而年最大蒸发量高达2 303.3 mm(1953 年)，为年最大降水量的 6 倍及最小降水量的 29 倍，年最小蒸发量1 508.8 mm(1988 年)，土壤质地为沙壤土，干旱和风蚀是该地区两个严重的自然灾害。试验区地带性植被为荒漠草原，主要植物有沙蒿、柠条、绵蓬、沙米、老瓜头、刺沙蓬、苦豆子、猫头刺、砂蓝刺头、棘豆、甘草、针茅、沙芦草等。

2 研究方法

2.1 植物配置模式设置

煤矸石场推平后覆土50 cm，选择耐干旱、耐瘠薄，抗风蚀、水蚀能力强，根系发达、易繁殖、生长快、萌蘖力强的植物作为主要试验树种[8-9]，并根据各种植物的生物生态学特性、植株高度、根系分布、花期花色、抗逆性等设计16种植物配置模式(表1)。供试苗木健壮、无病虫害，1～2 a生苗，供试植物种子为Ⅱ级种子，2018年5月上旬栽植乔灌木，2018年6月上旬种草。

表1 植物配置模式一览表

2.2 土壤温度测定

2020年7月份测量不同配置模式林内地表下5、10 、15 、20 、25 cm等五个不同深度土层的温度，林外空旷地作为对照，各配置模式及对照布设3个测量点。

2.3 土壤化学性状测定

2020年7月在不同配置模式与对照空旷地布设3个采样点，每个采样点分别采集地表下0～10 cm和10～30 cm深土层土壤，各配置模式的3个点土样分层搅匀，带回实验室风干、备用。土壤全效N采用半微量开氏法测定，碱解N采用碱解扩散法测定，全效P、全效K采用NAOH熔融-钼锑抗比色法、火焰光度法测定，速效P采用NaHCO3法测定，速效K采用NH4OAc浸提法、火焰光度法测定，有机质采用重铬酸钾容量法——外加热法测定。

2.4 植物生长状况观察

不同模式植物栽植或播种生长后第三年即2020年9月，对各配置模式栽植的乔灌木生长状况进行观察测定，测定时采用隔株机械法抽样，每种模式的每种植物选择300株(3次重复，每重复100株)调查植株保存率，选择30株测定地径、高度、冠幅等。

2.5 不同模式比较排序

3 结果与分析

3.1 不同配置模式生长状况

从表2看出，试验16种配置模式的植物保存率平均93.0%，乔灌木平均高度74.94 cm，平均冠幅6 855.69 cm2，平均地径10.84 mm，除模式9外，其他模式乔灌木保存率都在85%以上，可保障林地基本不缺苗，同时乔灌木高度除模式11外都在50 cm以上，甚至超过100 cm,能够对排矸场起到良好的防护效果。

3.2 不同配置模式夏季地温变化

从图1、表3可看出：不同配置模式可以有效降低夏季地面温度，从平均值来看，不同深度降温幅度差异非常显著(P<0.01)，5、10、15、20、25 cm分别比对照降低2.84、1.38、1.66、1.44、0.66 ℃。

表3、图1显示，试验所有植物配置模式对夏季林地土壤温度都有降低的作用，不同配置模式夏季地温变化变化不同，其中模式3变化最大， 其次为模式4，地温变化最小的是模式1，模式14的变化幅度也较小；由于不同植物种冠幅及枝条生长紧密度不同，调节地表温度的幅度也不相同，沙枣+柠条+冰草+草木樨模式调节幅度最大，榆树+柠条+冰草+草木樨模式调节幅度最小。

图1 不同配置模式下的土层温度

3.3 不同配置模式土壤化学性状特征

测定结果表明(表4)，全P、全K两层次差异不显著(P>0.05)，全N、碱解N、速效P、速效K、有机质、pH值、电导率两层次差异非常显著(P<0.01)，除少数模式外，全N、碱解N、速效N、速效K、有机质、电导率0～10 cm明显高于10～30 cm，而pH值0～10 cm平均值7.20明显低于10～30 cm平均值7.98。

表4 不同配置模式化学性状特征综合评价排序

不同配置模式土壤化学性状特征变化从大到小顺序为M7>M5>M15>M8>M4>M2>M16>M13>M10>M11>M1>M6>M12>M9>M3>M14；不同植物配置模式都能改良林地土壤化学性状特征，但是不同的植物配置模式对林地土壤化学性状的改良效果不同，紫穗槐+柠条+柽柳+草木樨模式效果最好，模式中豆科植物，能够有效改良林地土壤化学性状特征。

3.4 不同配置模式综合生态效益排序

不同配置模式生态效益综合排序从大到小顺序为M7>M8>M5>M15>M4>M3>M2>M10>M1>M12>M11>M16>M9>M13>M6>M14；综合地表粗糙度变化、夏季地温变化、土壤化学性状特征指标进行综合排序，紫穗槐+柠条+柽柳+草木樨模式效果最好，沙拐枣+柠条、紫穗槐+草木樨+苜蓿+冰草模式次之，这三种模式可在同类地区推广应用。

4 结论与讨论

本研究对宁夏毛乌素沙地排矸场综合治理技术模式进行的生态效益测定比较结果为，紫穗槐+柠条+柽柳+草木樨，沙拐枣+柠条，紫穗槐+草木樨+苜蓿+冰草等3种模式效果最好，适宜推广。总体看相对较小的株行距，能够很快起到防护作用；柠条、柽柳、羊柴等根系分布较深，紫穗槐、蒙古莸、沙地柏等根系分布较浅，深根植物与浅根植物混交，可形成不同层次的地上地下层次结构，有利于植物充分利用地上、地下空间和土壤养分；不同配置模式都能改良林地土壤化学性状，但不同模式的效果存有差异，灌木与草本配置或有豆科植物的配置一般可增强效果，减少水分及养分竞争，植物之间相互补充，又可促进人工植被的结构稳定。今后研究与实践中，还应在植物空间配置、豆科与其它科植物组合等方面加大力度。