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不同植被恢复模式对煤矸石堆土壤理化性质的影响
刘 军 张武文 蓝登明 杨 光
（内蒙古农业大学生态环境学院, 呼和浩特 010011）
摘 要： 对大杨树煤矿区种植乔木模式与自然恢复模式恢复下,矸石堆不同坡位土壤理化性质进行了比较研究.结果表明：（1）种植乔木模式与自然恢复模式对煤矸石堆土壤物理性质进行改善,后者自矸石堆底部向坡顶发展,有壤土发展为砂壤的变化趋势,而前者不同坡位土壤结构更优.（2）种植乔木模式较自然恢复模式碱解氮、有机质含量高,pH值更接近对照区,但速效磷含量较低,在电导率方面,自然恢复模式的坡底、种植乔木模式的坡顶和坡中与对照区相近.
关键词： 植被恢复； 煤矸石堆； 土壤理化性质； 大杨树煤矿
中图分类号： S 731. 6
文献标识码： A
矿业生产过程是一个破坏生态环境的过程,例如会出现地貌变迁、土壤侵蚀、土壤质量下降等一系列问题,这就造成矿产资源开采对矿区的土地资源损毁十分严重.在煤炭开采过程中,大量煤矸石产生,并长期堆积在地表,不仅占用大量土地,而且自燃时会排出大量有害气体,在雨水等淋溶作用下,还会释放出大量重金属[ 1 - 2 ].大杨树煤矿地处内蒙古大兴安岭林区东南部,已有100多年的开采历史,由于生产技术条件有限以及当地采矿工艺落后,造成煤炭资源浪费的同时,严重破坏了当地的生态环境,其中大量矸石山无序堆放是当地主要的地质环境问题.本文以鄂伦春自治旗大杨树煤矿为例,分析在工程措施处理后,在人工种植乔木以及在草本自然恢复条件下,不同植被恢复类型对该区域土壤理化性质的修复效果与改善程度,为矿产开发过程中矿区煤矸石堆生态修复提供依据.
1 材料与方法
1. 1 研究区概况
大杨树煤矿行政区划隶属鄂伦春自治旗大杨树镇管辖,地理坐标为124° 32′36″～124°33′52″Ｅ, 49°38′40″～ 49°40′12″N,南临嫩江平原,北靠大兴安岭林区,属寒温带大陆性湿润气候,年降水量429.8～576.0 mm,年蒸发量1 135.4～1 251.6 mm,年平均气温-2～3℃.地处大兴安岭东南低山丘陵区,总体地势北高南低,西高东低,地形起伏较大.主要河流为甘河,属嫩江水系,由北向南流经矿区东侧.乔木以松、柞、桦、杨为主的乔木阔叶次生林为主；灌木以沼柳、胡枝子、榛、笃斯等组成的灌丛为主；草本是杂草草甸和苔草草甸,矿区内还有大量人工种植的农作物,以大豆、玉米为主,土壤类型为黑土和暗色草甸土.
1. 2 治理措施
2006年内蒙古自治区国土厅设立专项,对大杨树煤矿的煤矸石堆进行治理,内容包括：（1）采取工程措施对煤矸石堆进行整形,然后人工进行边坡平整、碾压,使其呈缓坡状,边坡坡度小于25°.整形平整碾压后的煤矸石堆表面均匀覆盖煤矸石堆放前所剥离的表土,覆土厚度为0.5 m；（2）采用种植乔木模式和自然恢复模式对煤矸石堆进行植被恢复.其中,种植乔木模式中乔木为山杨（Pobulus didiana）,受当地气候等自然因素影响,林地内草本植物生长情况较好,主要物种有小花鬼针草（Bidens parviflora）、独行菜（Lepidium apetalum）、天蓝苜蓿（Medicago lupulina）、毛连菜（Picris hieracioides）；自然恢复模式中草本主要物种有大籽蒿（Artemisia sievrsiana）、狗尾草（Setaria viridis）、老芒麦（Elymus sibiricus）、飞蓬（Erigeron speciosus）、黄花蒿（Artemisia annua）.
1. 3 样地调查与取样方法
为全面了解不同植被恢复模式对煤矸石堆土壤理化性质的影响,依据不同恢复类型,在不同坡位下,各布置3块样地,每块样地取样3次,取样深度为0～20 cm,对照区选择在原始灌木林地内（表1）.土样送实验室测定,土壤pH值采用pH计测定法,碱解氮采用碱解扩散法[ 3 ],电导率采用电导率仪测定,速效磷采用碳酸氢钠法[ 4 ] ,速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法测定,土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定.土壤容重用环刀法测定、土壤颗粒分级采用大量筒法测定.
2 结果与分析
2. 1 土壤理化性质特征分析
2. 1. 1 土壤物理性质特征分析
据图1、图2分析可知,自然恢复模式中不同土壤粒级间呈现以下特征：粗砂与细砂为主体,呈相反的变化方向,与对照区相比,粗砂小于对照,细砂大于对照.粗粉砂在坡顶、坡中部均小于对照,而坡底比对照大3.93%；细粉砂在各部位均大于对照,而且坡底比对照高约4倍；粗黏粒在坡中部、坡底大于对照；黏粒在各个部位均大于对照.自坡顶到坡底,土壤容重逐渐减小,与对照相比,坡底稍低,其他位置稍大于对照.草本模式下自坡顶到坡底,土壤中粗砂比例逐渐减少,且变化明显,其他粒级均呈增加趋势,粗黏粒与黏粒变化明显.
种植乔木模式中不同土壤粒级间呈现以下特征：粗砂在坡中部最高,比对照区高4.17%；细砂在坡中部最小,较对照区低6.86%；在粗粉砂向黏粒发展过程中,在中部粗粉砂低于对照区,细粉砂、粗黏粒高于对照区；黏粒在顶部低于对照区.土壤容重呈现逐渐升高趋势,整体稍低于对照区.在总体上,种植乔木模式下,自坡顶到坡底,粗砂先增加后减少,细砂-细粉砂先减少后增加,粗黏粒与黏粒处于增加趋势.
通过自然恢复模式与种植乔木模式对比发现,在机械组成方面,两种植被恢复模式下土壤颗粒均以粗砂与细砂为主,同一样地内,土壤机械组成自粗砂-细粉砂-黏粒呈现先减小后增加的分布趋势.不同的是种植乔木模式中土壤黏粒在坡顶与坡中部高于自然恢复模式,而自然恢复模式在矸石堆底部较林草模式高.在容重方面,自然恢复模式较种植乔木模式高.
黏粒粒径较小,比表面积巨大,导致其吸附能力较强,保水保肥力强,对于颗粒组成较粗的煤矸石堆来说,黏粒含量的增加对提高土壤肥力意义重大.土壤容重反映了土壤的松紧度和对地表水的蓄积能力.由此可以发现,在矸石堆坡底,自然恢复模式比较有优势,种植乔木模式在坡顶与坡中部发挥作用更加明显,且种植乔木模式对土壤疏松度的改善优于自然恢复模式.
2. 1. 2 土壤化学性质特征分析
据图3分析可知,在pH值方面,对照区呈中性,对于自然恢复模式,坡顶呈现弱碱性,坡中部与坡底偏弱酸性,且从坡顶至坡底pH值在不断减小；种植乔木模式均呈现弱酸性,坡底较接近于中性.对比两种模式可知,在坡底,种植乔木模式pH值较自然恢复模式更接近对照区.
在电导率方面,自然恢复模式中坡顶最高,坡底与对照区比较相近；种植乔木模式不同部位间电导率变化相对较小,其中坡底大于对照区.对比两种模式可知,种植乔木模式更加接近于原始土壤电导率.
在碱解氮含量方面,自然恢复模式自坡顶向坡底升高,坡中部与坡底略高于对照区；种植乔木模式坡中部低于对照区.对比种植乔木模式与自然恢复模式发现,碱解氮主要富集于坡底,且种植乔木模式总体上比自然恢复模式碱解氮含量高.
在速效磷含量方面,自然恢复模式自坡顶向坡底逐渐增加,坡顶比对照区高31.47 mg/kg；种植乔木模式在不同坡位变化较小,较对照区含量高.通过对比种植乔木模式与自然恢复模式发现,自然恢复模式速效磷含量明显高于林草模式,二者最高值均出现在坡底.
在速效钾含量方面,自然恢复模式自坡顶向坡底逐渐减少,且变化量较大,坡底低于对照区；林草模式坡底与坡顶变化不大,坡中部小于对照区.通过对比种植乔木模式与自然恢复模式发现,最高值均出现在坡顶,自然恢复模式对于速效钾含量在不同坡位变化明显,种植乔木模式相对较小,二者不同坡位总和含量相近.
在有机质含量方面,自然恢复模式自坡顶到坡底不断增加,但是低于对照区；林草模式排序为坡顶>坡底 >坡中部,各坡位均高于对照区.对比种植乔木模式与自然恢复模式发现,种植乔木模式有机质含量远高于自然恢复模式,自然恢复模式有机质主要积累于坡底,而种植乔木模式对有机质的积累在不同坡位均较好,并且主要出现在坡顶.
通过以上分析可知,种植乔木模式下的土壤pH值、电导率较自然恢复模式更加接近原始土壤,碱解氮与有机质含量较高,不同坡位速效钾含量总和相近.因此种植乔木模式较自然恢复模式更有利于煤矸石堆向成土发育.
2. 2 土壤理化性质影响因素分析
2 .2. 1 所处地理位置对土壤的影响
矿区内地势处于平缓山坡地带,地势较低,坡度一般在15°～30°,煤矸石堆在工程治理过程中表面均匀的覆盖了一层煤矸石堆放前剥离的土壤,覆土厚度0.5 m.所以,该区域内水分条件较好、地势相对平缓,有利于治理后的煤矸石堆表层土壤的发育.
2. 2. 2 不同植被恢复类型对煤矸石堆土壤物理性质的影响
对于退化的土地生态系统的恢复,合理的植被恢复模式的配置,可以加速土壤熟化过程,改良土壤结构,这样可以有效地加快土壤理化性质的恢复进程[ 5 - 6 ].研究区土壤在机械组成方面,种植乔木模式变化幅度明显小于自然恢复模式,而且容重小于自然恢复模式,表明在种植乔木模式与自然恢复模式中,植被恢复过程减少了煤矸石中粒径较大部分的矸石的比例,其中乔木根系对矸石堆土壤结构改变有较大作用,从而使种植乔木模式对煤矸石堆植被恢复效果较好.这与孙海运等[ 7 ]对复垦 5年的马家塔矿区土壤研究结果一致,复垦种植不同植被土壤质量差异较大,种植杨树较牧草好.
2. 2. 3 不同植被恢复类型对煤矸石堆土壤化学性质的影响
相关研究表明,合理植被模式的配置可以增加有机质和营养物质的含量[ 8 ].水土流失是土壤养分流失的重要途径,养分的流失直接影响不同坡位植物的生长.同时较陡的坡度造成矸石堆难于进行水土保持,覆土极易被冲刷,坡度越大,植被恢复效果越差[ 9 ] ,而乔木林能使土壤疏松,结构得到改善.大杨树煤矿矸石堆坡度设计最大值不超过25°,呈缓坡状,自坡顶到坡底,水分致使土壤养分流失,最后积累于坡底及周边区域,从而造成种植乔木模式与自然恢复模式土壤间pH值、有机质和有效养分含量存在显著差异,并且种植乔木模式土壤养分较高.这与种植乔木模式水土保持效果明显,山杨林下土壤持水能力强,土壤侵蚀减少,养分流失小有关.
3 结 论
3. 1 种植乔木模式较自然恢复模式对煤矸石堆土壤物理性质改善更有优势.在地表不同粒级机械组成形成过程中,种植乔木模式与自然恢复模式均以粗砂与细砂为主要粒级.自然恢复模式自矸石堆坡顶向底部发展,有砂壤发展为壤土的变化趋势,而种植乔木模式不同坡位土壤结构较自然恢复模式更优.在矸石堆坡底,自然恢复模式比较有优势,种植乔木模式在坡顶发挥作用更加明显.
3. 2 种植乔木模式较自然恢复模式土壤养分含量高,pH值更接近对照区,碱解氮含量高,速效钾含量在不同坡位变化相对较小,但速效磷含量较低.在有机质方面,种植乔木模式高于自然恢复模式,自然恢复模式主要积累于坡底,而种植乔木模式在不同坡位均较好.在电导率方面,自然恢复模式的坡底、种植乔木模式的坡顶和坡中与对照区相近.
参考文献
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第1作者简介： 刘军（1984-）, 男, 硕士, 实验师,主要从事土地利用与保护、 土地利用/覆盖变化和3S技术应用等方面研究.
收稿日期： 2015 - 12 - 19
（责任编辑： 张亚楠）
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