汪瑞，程巍，刘汉羽，盛美群，龙水义，陈超

(1.贵州大学动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中排放量最大的固体废弃物之一，其排放量占原煤产量的10%～20%.矸石山一般就近堆放于矿区，不仅占用大量的土地，而且产生粉尘，排放有害气体，产生重金属，严重污染矿区及周边环境[1-2]，所以对煤矸石废弃地的恢复治理迫在眉睫.

煤矸石山基质具有颗粒较粗、孔隙性差、酸性强、养分极度缺乏等特点，在煤矸石山上通过自然演替的方式恢复植被需要50 a以上，有的甚至需要数百年[3].而通过人工种植植被，建立稳定的煤矸石山植被生态系统，已经成为煤矸石山治理的有效手段之一[4].煤矸石山基质作为植物生长的载体，其理化性质尤其是养分的状况直接影响植被的生长情况和生态环境的恢复程度.因此，研究煤矸石山基质在植被生长过程中理化性质的变化，有助于了解煤矸石山植被恢复的效果和质量.

香根草(Vetiveriazizanioides)为禾本科多年生大型草本植物，能够在生境恶劣、寸草不生的尾矿地生长，已广泛应用于煤矿山废弃地生态修复[5-6].目前，关于香根草对煤矸石山的生态恢复研究主要集中在抗逆生理[7-8]、水土保持[9]和对重金属胁迫的响应[10]等方面，对于煤矸石山基质理化特征随植被种植时间的动态变化的研究还鲜有报道.本文以种植有不同年限香根草的煤矸石基质为研究对象，探

讨不同种植年限香根草对煤矸石山基质理化性状的影响，以期进一步掌握修复年限对煤矸石理化性质变化的影响，为煤矸石山的复垦和改良效果评价提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于贵州省六盘水市大河煤矿，距离六盘水市区6 km，海拔高度1 600 m，地理坐标为E 104°33′～105°10′，N 26°26′～26°64′之间，属亚热带湿润季风气候，年均气温12.2 ℃，年均降水量为1 234.7 mm.六盘水市是贵州主要的煤炭开发城市之一，煤矸石堆放量和排放量居全省第一[11].

大河煤矿开采年限久远，项目组从2000年开始在此种植香根草进行生态恢复治理.矿区矸石全部来源于大河煤矿，香根草种植于当年开采并堆积起来的矸石山上.香根草种植时附带少许客土，浇少量水，1个月后对未成活的苗进行补种.待其成活后便不再对香根草和矸石山进行管理，香根草群落均在自然状态下生长.

1.2 样地设置与样品采集

本试验于2016年9月15日，对5个不同种植年限的香根草煤矸石山基质进行采样，各群落基本情况详见表1.

表1 样地基本情况

为避免重力和雨水淋溶作用对不同深度煤矸石基质理化性状的影响，本研究所有取样点均位于香根草群落所在煤矸石山顶部相对较平坦的区域.在每块样地沿“S”型分别选设5个点，将基质分成3层进行取样，分别为0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm，然后将同一层土样混合，获得各层混合样(每个样品不低1 kg)，将取好的土样用塑封袋装好，做好标记带回实验室.样品经自然风干、研磨、过2 mm筛之后用于化学性质的分析，同时分别在0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm土层用环刀法测定基质容重及含水量.0～50 cm土层的数据为不同土层(0～10 cm、10～20 cm和20～50 cm的平均值).

1.3 测定方法

基质物理指标：采用环刀法测定煤矸石基质的容重、含水率；总孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100%；化学性质测定方法：有机质采用重铬酸钾-外加热法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用0.05 mol/L HCL-0.025 mol/L(1/2 H2SO4)浸提比色法；速效钾采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法[12].

1.4 数据处理

使用Excel2016软件对所测数据进行整理，SPSS17.0进行单因素方差分析，并用Duncan分析法对相关指标进行差异性检验，显著性水平设定为

2 结果与分析

2.1 不同种植年限香根草群落下基质物理性质的变化

随着种植年限的增加，在0～50 cm土层内煤矸石山基质容重呈下降趋势，其中修复14 a的煤矸石基质容重较修复3 a的下降了17%(P<0.05)，且这种下降趋势在不同基质深度(0～10 cm、10～20 cm和20～50 cm)均保持一致.除修复9 a香根草煤矸石地外，其余各种植年限香根草煤矸石地基质容重均随土层深度的增加而降低，表现为0～10 cm<10～20 cm<20～50 cm(P<0.05).

表2 不同种植年限香根草煤矸石基质物理性质的变化

同列不同大写字母表示同一年限不同土层间差异显著(P<0.05)；同行不同小写字母表示同一土层不同年限间差异显著(P<0.05)

Different capital letters indicate significant difference among different soil layers in the same colum(P<0.05)；Different lowercase letters of the same soil layer indicate significant difference among different years(P<0.05).

随着种植年限的增加，基质含水量和总孔隙度在0～50 cm土层内均逐渐增加(P<0.05)，相比于修复3 a的煤矸石地基质含水量和孔隙度，经过14 a的修复后，二者分别提高了55%和24%(P<0.05).而在0～10 cm、10～20 cm和20～50 cm处，修复14 a的煤矸石地基质总含水量较修复3 a的分别增加了60%、55%和49%，基质总孔隙度分别增加了30%、36%和18%.随着深度的增加，基质含水量和总孔隙度逐渐减小(P<0.05).

2.2 不同种植年限香根草群落下基质主要营养成分的变化

2.2.1 有机质 随着香根草种植年限的增加，0～50 cm香根草煤矸石地有机质含量逐渐上升，经过14 a修复后，煤矸石地有机质含量比种植3 a的香根草煤矸石地增加了9%.在0～10 cm土层内，14 a香根草煤矸石地有机质含量与3 a、4 a、7 a和9 a煤矸石地差异达到显著水平，3 a、4 a煤矸石地有机质含量与7 a和9 a煤矸石地差异也达到显著水平.在10～20 cm土层内，除14 a与7 a和3 a香根草煤矸石地有机质含量差异显著外，其余年限差异均不显著，在20～50cm土层内，各年限间差异不显著.随着土层深度的增加，各年限香根草煤矸石地有机质含量呈下降趋势，在0～10 cm土层内含量最高.

不同大写字母表示同一种植时间不同土层间差异显著(P<0.05)，不同小写表示同一土层不同种植年限间差异显著(P<0.05).Different capital letters mean significant difference among the same planting of different soil layer (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences between different planting years under the same soil layer (P<0.05).图1 不同香根草种植年限煤矸石山基质有机质Figure 1 The organic matter of different planting years of Vetiveria zizanioides coal spoil-heaps soil

2.2.2 碱解氮 香根草煤矸石地碱解氮含量随着种植年限的增加而增加，在0～50 cm土层内，14 a香根草煤矸石地碱解氮含量最高，为12.95 mg/kg，比种植3 a的香根草煤矸石地高43%.在0～10 cm土层内，煤矸石地碱解氮含量最高，且与其他年限差异显著.在10～20 cm土层种植14 a和9 a香根草煤矸石碱解氮含量差异不显著，但与种植3 a、4 a和7 a香根草煤矸石地差异达到显著水平.在20～50 cm土层内各年限间差异不显著.在垂直分布上，各年限碱解氮含量在数值上均表现为0～10 cm>10～20 cm>20～50 cm，呈下降趋势(P<0.05).

2.2.3 速效磷 由图3可知，随着种植年限的增加，各香根草群落下基质速效磷含量呈递增趋势，种植14 a后达到1.3 mg/kg，比种植3 a的香根草群落基质速效磷含量高26%，且不同土层深度速效磷含量随种植年限增加的变化趋势一致.随着土层的加深，在0～10 cm土层内，各生长年限香根草煤矸石地速效磷含量高于10～20 cm和20～50 cm土层.

不同大写字母表示同一种植时间不同土层间差异显著(P<0.05)，不同小写表示同一土层下不同种植时间差异显著(P<0.05).Different capital letters mean significant difference between the same planting of different soil layer (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences between different planting years under the same soil layer (P<0.05).图2 不同香根草种植年限煤矸石山有机质碱解氮Figure 2 The alkaline hydrolysis nitrogen of different planting years of Vetiveria zizanioides coal spoil-heaps soil

不同大写字母表示同一种植时间不同土层间差异显著(P<0.05)，不同小写表示同一土层不同种植年限间差异显著(P<0.05).Different capital letters mean significant difference among the same planting of different soil layer (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences between different planting years under the same soil layer (P<0.05).图3 不同香根草种植年限煤矸石山基质速效磷Figure 3 The available P of different planting years of Vetiveria zizanioides coal spoil-heaps soil

2.2.4 速效钾 由图4可知，香根草煤矸石地的速效钾含量随着种植年限的增加呈上升趋势.在0～50 cm土层内，均是种植14 a香根草煤矸石地速效钾含量最高，与种植3 a香根草煤矸石地相比增加了55%.同一种植年限内，随着土层深度的加深，速效钾含量均表现为0～10 cm>10～20 cm>20～50 cm.

2.3 煤矸石基质理化性质相关性分析

煤矸石山基质理化指标间存在不同程度的相关性(表3).基质容重与含水率、总孔隙度、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著负相关，有机质与含水率、总孔隙度、碱解氮、速效磷、速效钾呈显著正相关；碱解氮、速效磷和速效钾两两之间存在显著正相关.

3 讨论与结论

容重是反映基质紧实程度最直接的指标，随着香根草群落种植年限增加，煤矸石山基质容重逐渐减小，且同一种植时间在剖面上均表现为0～10 cm<10～20 cm<20～50 cm，这与薛燕琴等[13]研究结果类似.这是由于修复过程中随着香根草群落的持续生长，根系大量扩散和繁殖加剧了对基质的穿透能力，改善了基质结构和物理性质，增加了基质孔隙度，使得容重降低[14].而由于表层基质中香根草凋落物和根系比下层多，经微生物分解和合成的有机质集中在基质表层，使其疏松多孔，造成基质容重比下层的低.随着香根草种植年限的增加，基质孔隙度则逐渐增大，表现与容重相反，这与王丽[15]和彭东海[16]的研究结果一致.

不同大写字母表示同一种植时间不同土层间差异显著(P<0.05)，不同小写表示同一土层下不同种植时间差异显著(P<0.05).Different capital letters mean significant difference between the same planting of different soil layer (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant differences between different planting years under the same soil layer (P<0.05).图4 不同香根草种植年限煤矸石山基质速效钾Figure 4 The available K of different planting years of Vetiveria zizanioides L coal spoil-heaps soil

理化指标BD含水量Water content 总孔隙度Total porosityOMANAPAKBD1.000含水量Water content-0.924∗∗1.000总孔隙度Total porosity-0.976∗∗0.945∗∗1.000OM-0.890∗∗0.900∗∗0.945∗∗1.000AN-0.943∗∗0.937∗∗0.935∗∗0.875∗∗1.000AP-0.659∗∗0.619∗0.623∗0.516∗0.641∗1.000AK-0.938∗∗0.975∗∗0.983∗∗0.948∗∗0.928∗∗0.61∗1.000

BD：基质容重；OM：有机质；AN：碱解氮；AP：速效磷；AK：速效钾

BD：Soil density;OM:Organic matter;AN:Alkaline hydrolysis nitrogen；AP:Available P；AK:available K.

随种植年限的增加，基质含水量逐渐增加.这主要是因为凋落物逐年积累覆盖于地表，减少了地表的水分蒸发，起到保水作用[17].在垂直剖面上自然含水量随基质深度的增加而降低，这是由于植物根系生长所致，随着香根草根系的生长，根系分布层以下土层的水分由于毛细作用逐渐上移至根系分布层为植物利用，表现为上层基质含水量高于下层[18].

土壤有机质是评价土壤肥力的一项重要指标[19].同时，有机质对基质修复过程中的响应也较快，可以作为恢复阶段和恢复效果的评价指标[20].煤矸石山基质有机质的积累主要受植被类型、煤矸石山质地、归还量等多种因素的影响，本研究区主要以植物对基质归还量为主，归还量大能促进基质积累较多的有机质[21].有研究表明，在煤矸石地区种植植被后，基质有机质含量显著增加，并随种植时间的延长而逐渐增大[22-23].本试验中，煤矸石基质有机质含量随香根草种植年限的增加呈不断上升的趋势.这主要由于植被修复增加了地表的植被覆盖，减少了养分的流失；另一方面，植物残体、根系以及根系分泌物的存在增加了向基质输入的有机质.另外随着土层深度的增加，基质有机质呈降低趋势，这与王丽艳等[24]研究结果一致，这可能是由于表层枯枝落叶的积累和根系残留物逐渐分解，转化成有机质，这一部分有机质首先进入0～10 cm土层，为该层提供丰富的营养物质来源，使有机质含量高于较深土层.相关分析表明，有机质与碱解氮、速效磷、速效钾均呈极显著正相关，说明有机质在改善煤矸石山基质结构与提高基质肥力方面具有重要作用.

煤矸石基质中速效养分能够比较准确地反映营养元素的供应水平，对植物的生长发育更为重要，可作为煤矸石山推荐施肥的根据.本研究中，碱解氮、速效磷、速效钾随种植年限的增加和土层剖面的变化趋势与有机质一致，这与李楠[25]和郭楠[26]的研究结果相同.张洋等[27]认为，在没有外源营养物质补充的情况下，氮、磷、钾主要来源于有机质，反映了养分之间内在的平衡与耦合基质.本研究中，经过14 a的修复，基质碱解氮、速效磷仅从初期的7.32 mg/kg和0.43 mg/kg增加至17 mg/kg和1.76 mg/kg，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[27]，两者在基质中处于严重缺失状态，建议适当地增施氮肥和磷肥以满足植物需求.

综上所述，通过对不同种植年限下煤矸石地基质理化性质的分析，发现随着香根草种植年限的增加，煤矸石基质理化性质得到显著改善，其中种植14 a香根草煤矸石山基质有机质、碱解氮、速效磷、速效钾分别比种植3 a香根草煤矸石山基质增加9%、43%、26%、55%.且各理化指标随种植年限延长而增加的效果随着基质深度的增加而降低.