不同修复模式下排土场植被与土壤水热肥变化

2022-06-29张俊娇史常青赵廷宁刘小勇刘秉儒

中国水土保持科学 2022年3期

张俊娇，胡杨，史常青†，赵廷宁，吴川，刘小勇，刘秉儒

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.北方民族大学生物科学与工程学院，750021，银川；3.生态系统建模及应用国家民委重点实验室，750021，银川)

煤炭在我国经济发展中起重要作用，然而不合理的开发活动产生大量矿山废弃地。露天煤矿排土场是露天采煤活动产生的典型废弃地，其坡面裸露，养分流失严重[1]，同时我国露天煤矿排土场主要分布在西北地区，该地区的干旱气候增加植被恢复的难度，以上因素导致干旱区露天煤矿排土场通常需要几十年才能完成自然恢复，因此通过人工干预对其进行生态修复十分必要[2-3]。

扰动区和困难立地的常用生态修复措施包括槽穴构筑、加固填土、铺挂材料等[4-5]，生态袋拦挡、土工格室全铺和植被毯覆盖分别是其代表措施。布设生态袋通过人为制造槽穴以贮存土壤水分和养分[6-7]，铺设土工格可以减少土体不稳定带来的土壤流失问题[8]，覆盖植被毯能够减少外界影响以创造较稳定生境[9-10]。前人主要研究单一措施的应用效果，但根据以上措施的特点，生态袋拦挡或土工格全铺与植被毯覆盖结合的修复模式或可在干旱区排土场生态修复中发挥重大作用。生态修复的关键是植被恢复，其是植被与土壤环境相互作用的过程[11]，土壤环境包括土壤物理、化学和微生物性质等，其中土壤水热肥对于植被恢复的影响较为明显。因此，研究生态修复模式对植被和土壤水热肥的影响，对筛选适宜的生态修复模式具有指导意义。

汝箕沟矿区遗留大量排土场，极易发生水土流失。鉴于此，笔者以该区域露天煤矿排土场为研究对象，布设生态袋水平拦挡、蜂巢格室全铺固结、秸秆植被毯覆盖以及将不同措施结合的修复模式，对比分析不同修复模式下排土场生态修复初期植被与土壤水热肥变化，以期为干旱区露天煤矿排土场的生态修复提供实践和理论参考。

1 试验区概况

汝箕沟矿区位于宁夏自治区石嘴山市大武口区(E 106°52′，N 38°52′)，矿区具有典型大陆性气候特征，全年干燥少雨，年均降水量200 mm左右，蒸发量2 000 mm以上。年内降水分布不均，多发生在6—9月。试验区2020年总降水130.2 mm，8月降水量为46.4 mm。年内气温变化强烈，最低气温-23.5 ℃，最高气温35.1 ℃。矿区内的主要土壤类型是干旱气候与荒漠草原植被覆盖下共同形成的地带性土壤灰钙土，碱性强、养分低且富含碳酸钙。矿区内植被类型简单，主要为耐旱、耐瘠薄灌木和草本，多为藜科(Chenopodiaceaa)、禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)和豆科(Fabaceae)[12]，植被盖度在10%左右。

2 材料与方法

2.1 试验设计

试验排土场位于汝箕沟矿区大峰露天煤矿东外排土场东北部，为平台、边坡相间的阶梯式地貌，每级台阶坡面高度约为10 m，台阶坡面为煤矸石与土混排后覆土形成，坡度33°～35°，坡向NW 15°～20°。笔者在试验排土场设置5种修复模式和对照，各处理的措施组成和使用材料如表1所示。其中对照(CK)除撒草籽外无其他措施。每个处理重复3次，即共设置18个试验小区，小区面积为30 m2(10 m×3 m)。各小区均撒播蒺藜科的盐生草(Halogetonglomeratus)、禾本科的沙生冰草(Agropyrondesertorum)、菊科的沙蒿(Artemisiadesertorum)和豆科的胡枝子(Lespedezabicolor)种子，种子比例为4∶2∶2∶1，播种密度为30 g/m2，种子净度和发芽率均在98%以上，由宁夏远声绿阳林草生态工程有限公司提供。试验区于2019年9月下旬完工，未进行养护工作。

表1 试验设计修复模式的基本信息Tab.1 Basic information of designed remediationmode in the experiment

2.2 植被调查

2020年8月下旬按照分层取样法，在各小区上、中、下坡位各选取3个1 m×1 m草本样方进行植被调查[13]，记录每个样方内植物种、植株高度、生长状况(将枯萎或缺叶认为是生长状况不良好)、总植被盖度，在覆盖植被毯的小区中只对高于植被毯表面的植株进行观测。

2.3 土壤取样及指标测定

植被调查后取各样方表层土壤(0～10 cm)，测定土壤pH、有机质、全氮、水解性氮、有效磷和速效钾质量分数[14]。使用土壤温湿度记录仪测定土壤温度和含水量。

2.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件通过单因素方差分析(One-way ANOVA)对不同修复模式下的植株高度、植被盖度、土壤指标进行显著性检验，并在差异显著性时进行多重比较(P<0.05，LSD，t检验)。

3 结果与分析

3.1 植被恢复的变化

由表2可知，盐生草主要集中在19.2～21.2 cm，沙生冰草的植株高度差异较小，主要集中在3.0～4.0 cm，胡枝子的植株高度基本在4.0 cm左右。盐生草和胡枝子的生长状况良好，沙生冰草的生长状况不良。CK、C-S和C-F下无植物生长，相较于CK，J-C、J-S和J-F下植被盖度分别显著增加10.00%、19.67%和16.33%，其中J-S下植被盖度显著高于其余模式(P<0.05)。根据SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》，各模式下植被盖度均为低覆盖(植被盖度<30%)。

3.2 土壤水热肥的变化

由表3可知，各模式下土壤含水量范围为13.11%～19.77%，与CK相比，C-S、C-F、J-C、J-S和J-F下土壤含水量分别显著增加3.12%、3.86%、5.88%、6.66%和5.98%(P<0.05)。根据土壤水分干旱程度分级标准[15]，CK下土壤水分属于轻度干旱(土壤含水量为12%～15%)，5种修复模式下属于适宜水分(15%～20%)。

由表4可知，在观测期间，不同模式下土壤平均温度20.21～22.89 ℃，温差5.67～7.54 ℃。相较于CK，C-S和C-F下土壤平均温度和日温差变化较小，J-C、J-S和J-F下土壤平均温度分别显著降低2.10、2.68和1.95 ℃(P<0.05)，土壤日温差分别显著降低1.64、1.37、1.54 ℃(P<0.05)。

表2 不同修复模式下植被恢复状况Tab.2 Vegetation restoration status under different remediation modes

表3 不同修复模式下土壤含水量Tab.3 Soil water content under different remediation modes

表4 不同修复模式下土壤平均温度和日温差Tab.4 Average temperature and daily temperature differenceof soil under different remediation modes

由表5可知，各模式下土壤pH为8.36～8.51，土壤有机质质量分数为41.13～50.40 g/kg，不同模式间差异不显著。各模式下土壤全氮质量分数为0.71～0.82 g/kg，其中J-C、J-S和J-F分别较CK显著提高8.11%、10.81%和8.11%(P<0.05)。各模式下土壤水解性氮质量分数为19.60～30.43 mg/kg，其中CK显著高于其余5种修复模式(P<0.05)。各模式下土壤有效磷质量分数为1.43～2.53 mg/kg，其中CK显著高于其余5种修复模式(P<0.05)。各模式下土壤速效钾质量分数123.67～215.00 mg/kg，其中J-C、J-S和J-F分别较CK显著提高54.22%、38.36%和64.97%(P<0.05)。根据全国第2次土壤养分分级标准，不同修复模式下土壤有机质属于1级，全氮属于4～5级，水解性氮和有效磷属于6级，速效钾属于1～2级。

4 讨论

植被盖度是生态修复效果的重要评价指标，试验排土场基础水肥状况过差导致各模式下植被盖度均较低，但仅有包含植被毯覆盖的模式下有植物生长，这说明其是当地植被恢复的重要措施。同时，生态袋拦挡+植被毯覆盖、蜂巢格室全面固结+植被毯覆盖模式下植被盖度相较于单一措施显著增加，这证实了以上措施的结合可更有效地促进植被恢复[16-17]。虽然不同模式下植被盖度存在差异，但同种植物的植株高度基本一致。此外，本试验使用的植物中仅有沙生冰草出现了生长不良的状况，这是因为禾本科植物对于土壤养分的需求量较蒺藜科和豆科高[18]。综上，在本研究设计的修复模式中，组合模式下植被盖度增加明显，但植株高度和植物生长情况变化不大。

表5 不同修复模式下土壤pH和养分含量Tab.5 Soil pH and nutrient contents under different remediation modes

修复模式对土壤水热肥的影响可能会根据地区不同而存在差异。首先，生态袋、蜂巢格室和植被毯等材料会吸收部分水分，但不同模式下土壤水分含量相较于空白对照均显著增加，这说明在干旱区布设以上措施仍能有效增加土壤水分[8,19]。其次，植被毯覆盖可以通过减少土壤散热以增温或减少阳光直射以降温，在本研究中植被毯覆盖主要起到降温作用，结合当地太阳辐射情况，推测其促进当地植被恢复的原因包括减少太阳辐射以提高植物幼苗成活率[20-21]。最后，修复模式主要通过减少水土流失以保持土壤养分[7,17]，但本研究中土壤水解性氮和有效磷含量却有所下降。这是因为布设措施会扰动土壤，由此造成的土壤结构破坏使得溶解态氮以氨氮形式挥发、溶解态磷转变成沉淀闭蓄态，一般需要经过长时间修复后氮磷元素才能呈增长趋势[22]。此外，不同模式下土壤有机质含量均偏高，但不能说明土壤肥力高，因为煤矸石和矿区内煤粉降尘等非营养物质会增加其数值[23]。整体来看，不同修复模式下土壤水温变化明显，而土壤养分的变化则需进一步观测。