矿区煤矸石渣土基质配比和密度对植被生长和养分平衡的影响

刘万杰，李正鹏，马利利，蒋福祯

(青海大学农林科学院，青海 西宁 810016)

“十四五”实施重要生态保护和修复重大工程，加快推进青藏高原生态屏障区建设[4]，因此，加快修复位于青藏高原祁连山的木里矿区生态环境刻不容缓。矿区生态恢复的主要进程有地貌重塑、土壤重构和植被重建。无论是土壤重构还是植被重建，最主要的问题为煤渣山表层基质的改良。煤渣山基质改良的方法主要有物理法、化学法、生物法。物理法主要包括将粒径较大的煤矸石经过机械手段破碎，改善基质结构，添加土壤或者有机改良物质(泥炭、有机肥、污水污泥等)，提高煤渣山表层基质养分[5-6]；化学法主要是通过添加化学物质调节基质pH，改善土壤化学组分；生物法主要是有植物改良法、微生物改良法、植物—微生物联合改良法[7]，物理法和化学法在基质改良上具有见效快的优点，但化学法若操作不当，易造成二次污染，而生物法需要较长的时间才能发挥作用。目前常用的煤渣山基质改良的方法主要有物理法，但存在粒径和施肥量配比不明确的问题。

植被重建的最终目的是使植物形成较为稳定的植被群落，密度过大会影响蒸散过程[8]；合适的密度有利于植物充分利用光能；密度和植物的生长息息相关[9]；同时为使矿区达到良好的生态效益与经济效益，因此需要控制植被密度[10]。

本试验以不同粒径配比混合添加有机肥和化肥，结合播种量，通过植被的生长状况、土壤的养分变化以及植物的养分吸收，以期得到不同粒径、有机肥、化肥、密度的合理配比，对矿区生态恢复具有重要的意义。

1 材料和方法

1.1 试验区概述

试验地位于青海省西宁市城北区青海大学农林科学院试验园(101°45′E，36°43′N)。高原大陆性气候，海拔2202-2285m。年平均温度6.2℃，最高温度34.6℃，最低温度-18.9℃，年日照时间为2618.3h。年平均降水量380mm，蒸发量1363.6mm，年平均相对湿度56%，无霜期150d，土壤类型为栗钙土[11]。

1.2 试验材料

1.2.1基质材料 煤矸石取自木里矿区的煤渣山，煤矸石基质化学性质见表1。

表1 煤渣山表层基质基础化学性质Table.1 Basic chemical properties of the slag hill surface matrix

1.2.2肥料 羊粪来自青海开泰农牧开发有限公司；商品有机肥来自青海三夫农牧科技有限公司；缓释尿素来自山东茂施生态肥料有限公司。

1.3 试验方法

本试验以<7mm粒径占比、有机肥(羊板粪和商品有机肥)、缓释尿素、播量共4个因素，各个因素3个水平，采用L9(34)正交试验，各因素水平见表2，试验各个处理见表3。

在“课前学习案”中设计“课前练习”模块，目的是评测学生课前预习效果.本节课的课前练习，安排了如下题目：

表2 L9(34)正交试验因素水平表Table.2 Table of factor levels for L9(34) orthogonal test

表3 正交试验处理Table.3 Experimental treatments for orthogonal tests

试验于2021年4月8日进行，在试验地中挖取100cm×100cm×15cm坑，将纱布铺于其中，然后将不同比例粒径的煤矸石填入其中，将有机肥和缓释尿素混合进入矿渣表层5cm左右，重复3次，以粒径<7mm占比25%、不施有机肥和缓释肥、播量120kg/hm2为对照CK，供试草种青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾、中华羊茅和同德小花碱茅，按1∶1∶1∶1混播，4月15日播种。

1.3.1 测定的指标及方法

植被生长指标的测定：

地上生物量：2021年9月16日进行采样，每小区随机选0.5m×0.5m的样方，齐地面刈割，分别将地上部分装入纸袋，105℃下杀青30min，75℃下烘干。

盖度：采用方格法，将10cm×8cm的方格架置于植物上方，每个方格内植被面积超过50%记为1，统计其占总方格的比例。

植被高度：采用直尺测量地面到植物顶部的自然高度。

密度：将0.2m×0.2m样方内的植株带土挖出，数出全部株数。

煤渣山表层基质养分和pH的测定：采集每个小区土样去除石块、根系采回，土壤养分和有机质参照鲍士旦[12]的方法测定。pH值采用酸度计(雷磁pHS-2F)测定。

植株养分的测定：氮磷钾测定参照鲍士旦[12]的方法。

养分盈余=施入土壤总养分-支出养分

氮(磷、钾)肥利用率=[施氮(磷、钾)区植株(磷、钾)吸氮量一不施氮(磷、钾)区植株(磷、钾)吸氮量]/氮(磷、钾)区肥料养分氮(磷、钾)施入量×100%

1.4 数据统计

通过Excel 2010进行数据整理，SPSS 23.0进行多因素方差分析、主成分分析、LSD进行多重比较，使用SPSSAU分析软件进行指标的权重分析和TOPSIS综合分析。

2 结果与分析

2.1 不同基质配比和密度对植被生长的影响

表4 正交设计L9(34)极差分析Table.4 Results of the analysis of extreme differences for orthogonal design L9(34)

续表

对植被生长指标进行极差分析(表5)，R值越大，该因素对某一指标影响程度越大。结果表明，对植被高度影响最大的为缓释尿素，其次为粒径<7mm占比；对密度影响最大的为播量，其次为有机肥；对分蘖影响最大的为有机肥，其次为粒径<7mm占比；对盖度影响最大的为缓释尿素，其次为粒径<7mm占比；对地上生物量影响最大的为缓释尿素，其次为播量。

表5 正交试验设计结果和分析Table.5 Results and analysis of orthogonal experimental design

2.2 不同基质配比和密度对养分平衡的影响

不同处理的氮肥收支平衡和氮肥利用率(表6)发现，各处理(除CK)均处于氮素盈余状态，其中氮素盈余最多的为T9，氮素盈余达到77.27g/m2；植株吸氮量最大的为T5，达到6.97g/m2，最小的为CK，仅1.53g/m2；氮肥利用率最高的为处理T7，达到16.92%，最低的为处理T9，仅为4.16%。

表6 不同处理的氮素平衡以及肥料利用率Table.6 Nitrogen balance of the different treatments and fertiliser utilisation

根据磷素的输入量和支出(表7)比较，施有机肥的处理磷素均处于盈余状态，磷素施入量越多，磷素盈余越多，植株吸磷量范围为0.32-1.35g/m2；根据养分平衡的方法，磷素盈余最多的为T6，磷素盈余达到36.35g/m2，磷素盈余最少的为T7，达到11.32g/m2；磷肥利用率最高的处理为T7，达到6.43%。

表7 不同处理的磷素平衡以及肥料利用率Table.7 Phosphorus balance and fertiliser utilisation in different treatments

不同处理的钾肥收支平衡和钾肥利用率(表8)，不同处理的植株对钾素的吸收量高于氮素和磷素，磷素吸收量最小。钾盈余最多的处理为T6和T9，盈余均为65.29g/m2；植株吸钾量最大处理为T3，达到9.94g/m2，钾素吸收量最小的为CK，植株吸钾量为2.37g/m2；钾肥利用率最高的处理T7，达到26.63%。

表8 不同处理的钾素平衡以及肥料利用率Table.8 Potassium balance and fertiliser utilisation in different treatments

2.3 植被生长和养分平衡的综合评价

地上生物量和盖度是评价植被重建的重要指标，以地上生物量、盖度、氮肥利用率、磷肥利用率、钾肥利用率为评价指标进行综合分析(表9)，处理T7的相对接近度最高为0.674，其次为T4，相对接近度0.606。即当前处理中B3M1C3P2的综合效果最好，即<7mm粒径占比50%，有机肥(羊板粪15m3/hm2+商品有机肥7.5t/hm2)、缓释尿素90kg/hm2、播量120kg/hm2。

表9 不同处理的地上生物量、盖度和肥料利用率的综合评价结果Table.9 Results of the combined evaluation of above-ground biomass，cover and fertiliser utilisation of the different treatments

3 讨论与结论

3.1 讨论

基质改良是矿区生态恢复的重要环节，基质作为植物养分吸收的主要场所，直接影响生态恢复的成败[13]。基质改良主要包括改良基质的粒径组成和营养状况，改良基质的粒径组成是指对粒径较大的煤矸石进行粉碎，从而促进煤矸石的保水性能，煤矸石粒径越大，保水性能越差，对植被生长越不利；本文通过试验发现粒径<7mm占比对密度、分蘖、盖度、地上生物量和植被盖度无显著影响，这可能是因为煤矸石粒径对植物生长的影响需要一段时间的沉降过程，由于观察年限仅为一年，结果差异不显著；孙永康等[14]通过研究不同粒径石灰岩弃渣客土改良效果分析发现，第1年和第2年的植株生长情况已经有明显的差异；增加基质持久养分最直接有效的方法是采用客土法，但成本太高，目前提高基质养分非客土的方法为添加有机肥和化肥。有机肥和化肥能快速增加基质中的速效养分，促进植被生长。

极差分析表明：对植被高度、盖度和地上生物量影响最大的均为缓释尿素，这与杨阳[15]、于立芝等[16]人的研究结果一致，这可能是因为氮素是植物生长需要的大量元素，缓释尿素缓慢向基质中释放氮素，为植物生长提供了合适的养分环境[17]，有机肥对植被生长影响小于缓释尿素，主要是因为缓释尿素属于化肥，有机肥释放养分更慢，可能需要在第二年表现出对植被生长的影响；对分蘖影响最大的为有机肥，可能是因为有机肥在施入土壤中，产生一些活性物质和酚类，促进根系的生长[18]；施肥处理的氮、磷和钾均处于盈余状态，且盈余量较多，氮素盈余范围22.66-77.27g/m2，肥料利用率均<20%，这主要是因为高寒矿区人烟稀少，播种后再次施肥较为困难，只能采用一次性施入有机肥和化肥的方法，但可能会造成养分盈余较多，有机肥施入过多是否会造成二次污染需要进一步探究。目前，试验仅有一年数据，生态恢复完成所需有机肥和化肥的量仍然需要多年的研究，土壤微生物与土壤碳、氮、磷、钾的循环密切相关，是土壤养分循环不可或缺的环节[19-21]，但当前基质微生物变化情况和微生物如何参与养分循环仍尚不明确，需要进一步的研究。

3.2 结论

极差分析表明，对植被高度影响最大的为缓释尿素，对密度影响最大的为播量，对分蘖影响最大的为有机肥，对盖度影响最大的为缓释尿素，对地上生物量影响最大的为缓释尿素；各处理(除CK)的氮磷钾均处于盈余状态，且植株对钾素的吸收量比氮和磷高；对以地上生物量、盖度、肥料利用率进行综合分析，当前所有处理中B3M1C3P2的综合效果最好，相对接近度最高为0.674，即<7mm粒径占比50%，有机肥(羊板粪15m3/hm2+商品有机肥7.5t/hm2)、缓释尿素90kg/hm2、播量 120kg/hm2。