杨宇平， 许 丽， 丰 菲， 郑雯丹， 刘 莹

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院， 内蒙古 呼和浩特 010011;2.荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010018)

国家规划的14个大型煤炭基地之一的宁东矿区位于西北干旱荒漠区，为国家生态安全格局“两屏三带”的北方防沙带，是国家“一带一路”的重点建设区域[1]，该区气候干旱、降水稀少,土壤水分长期处于负平衡状态，是中国的典型生态脆弱区，潜在的水土流失和风蚀沙化严重[2]。随着煤炭资源的开采，更加剧了本矿区生态系统结构变异、生态功能退化、生态稳定性减弱，同时造成地形地貌受损、土地占压等生态环境问题。宁东矿区煤炭开采方式以井工开采为主，形成大面积煤矸石山，造成的土地占压和地表植被破坏更为严重，亟待进行植被重建，因此划分煤矸石山立地类型成为矿区生态恢复及植被重建的首要工作。

目前，国内外对立地类型划分多集中在造林地[3-7]，近年来采石场[8-9]、矿山[10-11]立地类型分类的研究也有报道，但对煤矿区矸石山立地类型划分的研究至今未见报道。划分立地可采用立地指数法[12]进行立地划分与评价，也可通过数量化理论[13-14]、主成分分析[15-16]、多元回归分析[3,9]等数理统计方法在立地因子中筛选主导因子，从而划分立地类型。煤矸石山立地类型的划分可为植被重建时适宜植物种的选择及其保育技术的制定提供依据，是矿区生态恢复的关键。本研究以宁东矿区煤矸石山为研究对象，探究影响煤矸石山立地条件的主导因子，从而划分煤矸石山立地类型，再结合不同立地类型特征进行分析，为矿区生态恢复与重建提供参考。

1 研究区概况

宁东矿区位于宁夏回族自治区中部的灵武市，地理坐标105°35′24″—106°22′12″E，37°36′0″—38°0′36″N。宁东矿区煤炭资源储量丰富，有10余个生产矿井，已探明储量达2.70×1010t，矿区煤炭年产量为5.80×107t，矸石年产量1.88×106t[17]。研究区干旱少雨，年平均气温8～9 ℃，年降水量300 mm以下，蒸发强烈，年日照时数3 000 h左右，年总太阳总辐射5 700～6 100 MJ/m2。地形以低山丘陵为主，地势大致呈东南向西北倾斜。土壤以灰钙土为主，另有风沙土、潮土和盐土，植被主要以荒漠草原和草原带沙生植被为主，荒漠草原植被包括猫头刺(Oxytropisaciphylla)、骆驼蓬(Peganumharmala)、地锦(Euphorbiahumifusa)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等，沙生植被有沙蒿(Artemisiadesertorum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等[18]。

本研究调查的煤矸石山位于羊场湾煤矿、枣泉煤矿和灵新煤矿，各煤矸石山地理位置见图1。

图1 宁东矿区煤矸石山地理位置

宁东矿区开采方式均以井工开采为主，排矸年限10 a以上，矸石堆放形成煤矸石山，有平台和边坡2种微地形。自2016年开始，各煤矿陆续对煤矸石山进行覆土及植被重建，覆土来源于矸石山周边土地，土质以砂土及砾质砂土为主，宁东矿区煤矸石山基本概况见表1。

表1 宁东矿区煤矸石山概况

2 材料与方法

2.1 立地因子筛选

根据各煤矸石山实地调查及相关研究方法，将能够反映煤矸石山立地类型特征的地形因子和土壤因子作为立地因子筛选依据[8-9]，筛选出微地形X1，海拔高度X2(m)，覆土厚度X3(cm)，土壤质地X4，土壤田间持水量(X5/%)，有机质含量X6(g/kg)，全N含量X7(g/kg)，全P含量X8(g/kg)，全K含量X9(g/kg)，坡向X10这10个立地因子。

2.2 样地设置与指标测定

2018年9月，通过前期对研究区资料的整理分析，并结合野外实地调查，对宁东矿区的羊场湾煤矿、枣泉煤矿、灵新煤矿等矿区的煤矸石山进行典型样地调查，根据微地形及实地状况设置样地14个。微地形有平台和边坡2种，使用GPS对各样地进行定位，并调查海拔高度；手持罗盘仪调查边坡坡度和坡向，覆土厚度通过盒尺测得，并在平台采取“S形”取样法设土壤剖面，边坡分别在坡上、中、下部设土壤剖面，共设52个土壤剖面。在剖面表层用环刀、铝盒取样，同时取1 kg混合土样用于土壤理化性质分析，将样品带回实验室，以常规方法测定土壤质地、土壤田间持水量、土壤有机质含量、土壤全N，全P，全K含量等土壤理化性质指标[19]。

2.3 立地类型划分

采用定性与定量相结合的方法分析立地因子，对X1，X10等描述性因子进行量化处理后，采用主成分分析确定煤矸石山主导立地因子，再通过系统聚类法对主导立地因子进行分级组合，划分宁东矿区煤矸石山立地类型。

3 结果与分析

3.1 煤矸石山立地因子分析

煤矸石山立地条件较为恶劣，划分立地类型的关键在于找出主导因子，经SPSS因子分析的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin Measure)和Bartlett(Bartlett’s Test of Sphericity)球形度检验可知，KMO>0.5，sig.<0.01，检验结果均属于正常范围，因表明选用的研究数据适合做为因子分析[8-9]。据此对立地因子X1—X10进行主成分分析，从而确定煤矸石山主导立地因子。由结果可知，前4个主成分累计方差贡献率为80.624%，表明前4个主成分代表着全部因子80.624%的信息，构建这4个主成分与各因子关系式如下：

F1=0.120X1-0.213X2+0.135X3-0.260X4-0.144X5+0.209X6-X7+0.173X8+0.08X9+0.241X10

F2=-0.182X1-0.148X2+0.313X3+0.116X4+0.052X5-0.181X6-0.073X7+0.274X8+0.273X9-0.219X10

F3=-0.411X1+0.188X2-0.06X3-0.190X4+0.381X5+0.318X6-0.271X7-0.095X8+0.177X9+0.049X10

F4=-0.05X1-0.38X2-0.032X3-0.278X4+0.341X5-0.004X6+0.684X7-0.195X8+0.203X9-0.029X10

由以上关系式可知，F1关系式中，土壤质地(X4)系数最大，为0.260，在第1主成分中起主要影响作用；第2主成分代表土壤覆土厚度(X3)，其在该成分中系数最大为0.313；F3关系式中，微地形(X1)系数(0.411)最大，表明第3主成分表示地形特征；第4主成分代表土壤全氮含量。由此可见，土壤状况及地形因子等在宁东矿区煤矸石山立地类型划分过程中起关键性主导作用，实测结果表明土壤全氮含量在0.07～0.18 g/kg之间，根据全国土壤养分含量分级标准，全氮含量<0.5g/kg均属于极低水平，另外土壤养分指标的含量难以通过现场调查的方式直接测得，这些指标又受到地形和土壤特征的影响，而地形特征和土壤特征又具有稳定直观、易调查和易测量的特点[5]，故选取微地形、覆土厚度、土壤质地为划分立地的主导立地因子。

主导立地因子中，微地形分为平台和边坡，边坡根据坡度大小分为陡坡、急坡，覆土厚度根据当地实地调查分为厚层、中层、薄层，土壤质地根据国际制土壤质地分级标准确定(见表2)。

表2 主导因子分级标准

3.2 煤矸石山立地类型划分

运用SPSS软件，采用组间联接的聚类方法，以平方欧氏距离为样地度量标准，Z得分标量进行标准化，对宁东矿区煤矸石山各样地进行聚类，划分立地类型。结果见图2。

图2 宁东矿区煤矸石山地类型聚类分析树状图

本文根据聚类分析结果，并结合主导因子分级标准(见表2)，将宁东矿区煤矸石山14个研究样地划分成3个立地类型组，5个立地类型亚组，8个立地类型。

立地类型的命名以聚类分析中引起分类不同的立地划分因子为依据[9]，划分结果见表3。

表3 宁东矿区立地类型

3.3 煤矸石山立地类型特征

对煤矸石山各立地类型特征进行描述，可以更好地了解不同立地类型的土壤、植被等状况，可为植被重建提供基底数据，并对各立地类型植被重建适宜植物种的选择提出建议，宁东矿区煤矸石山立地类型特征见表4。

表4 宁东矿区煤矸石山立地类型特征

(1) 第Ⅰ类。矸石山平台厚层砂质壤土立地类型。该类立地类型覆土厚度95～110 cm，覆土土质为砂质壤土，土壤田间持水量32.62%，在各立地类型中其保水性最好；该立地土壤全K含量平均37.82 g/kg，属于极高水平，而有机质含量、土壤全N含量分别为0.28%，0.11 g/kg，均为极低水平，全P 含量0.34 g/kg为低水平，土壤偏碱性。该立地生长有2018年人工重建的侧柏林，其成活与生长状况较好，总体看该立地类型立地条件较好。建议植被重建时，可选择以乔木为主的乔灌型植被配置模式。

(2) 第Ⅱ类。矸石山平台中层壤质砂土立地类型。该类立地类型覆土厚度55～60 cm，覆土土质为壤质砂土，土壤田间持水量27.13%，保水性仅次于Ⅰ类立地；土壤全K含量(35.44 g/kg)属于极高水平，土壤有机质、全N含量均属于极低水平，全P含量为低水平，土壤偏碱性。现有2018年人工柠条锦鸡儿+沙拐枣+糜子灌草混交林，植被生长状况较好，总体看立地条件较好。建议植被重建时，选择以灌木为主的灌木林或灌草型配置。

(3) 第Ⅲ类。矸石山平台中层少砾质砂土立地类型。该立地类型覆土厚度33～36 cm，砾石含量1.62%，为少砺质砂土，土壤保水性能一般，土壤全K含量属于极高水平，全P为低水平，其他土壤养分含量均属于极低水平，土壤偏碱性。该立地条件一般，有2016年人工种植的柠条、沙蒿、蜀葵等，但植被成活率一般。建议植被重建时，植被配置选择以灌木为主的灌草型。

(4) 第Ⅳ类。矸石山平台薄层少砾质砂土立地类型。该类立地类型覆土厚度较薄，覆土土质为少砾质砂土，土壤持水性能一般，土壤全K含量属于极高水平，土壤全P含量为0.52 g/kg，属于中下水平，土壤有机质和全N含量分别为4.36 g/kg，0.16 g/kg，属于极低水平，一定程度上限制植被生长，土壤偏碱性。该类立地有人工条播的紫花苜蓿，生长状况较好。建议植被重建时，选择以草本为主的灌草型配置模式。

(5) 第Ⅴ类。矸石山平台薄层轻砾石土立地类型。该类立地类型覆土厚度仅0～3 cm，砾石含量38.74%，土壤粗砾化，严重限制植物种的生长，土壤田间持水量为18.35%，保水性较其他立地类型差；土壤全K含量属于极高水平，土壤全P含量在各立地类型最大，为0.59 g/kg，属于中下水平，而土壤有机质、全N含量为极低水平，土壤偏碱性。现无人工恢复措施，该立地条件较差。建议植被重建时，选择以草本为主的灌草型配置模式。

(6) 第Ⅵ类。矸石山陡坡中层壤质砂土立地类型。该类立地类型坡度大小为32.5°，为陡坡，覆土厚度55～60 cm，属于中层，覆土土质为壤质砂土，土壤田间持水量为23.95%，保水性能较好；该立地土壤全K含量36.05 g/kg，属于极高水平，全P含量0.35 g/kg为低水平，土壤有机质、全N含量为极低水平，现有2018年人工种植糜子，其生长状况较好，土壤偏碱性。总体看该立地类型立地条件较好。建议植被重建时，可选择灌木林或以灌木为主的灌草型配置。

(7) 第Ⅶ类。矸石山陡坡中层中砾质砂土立地类型。该类立地为坡度33.7°的陡坡，覆土厚度35～40 cm，覆土土质为中砾质砂土，土壤持水性差，土壤全K含量为极高水平，其他养分含量低，土壤偏碱性。现有2018年人工种植的沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等草本植物，总体看立地条件一般。建议植被重建时，植被配置模式选择以草本为主的灌草型。

(8) 第Ⅷ类。矸石山急坡薄层轻砾石土立地类型。该类立地为急坡，其坡度为39.5°，覆土厚度小(0～2 cm)，覆土土壤的砾石含量较高，为轻砾石土，土壤粗砾化现象严重限制乔、灌木植物种生长，土壤田间持水量18.88%，其持水性较其他立地类型差；土壤全K含量属于极高水平，全P含量属于低水平，其均值0.40 g/kg，土壤有机质、全N含量为极低水平，土壤偏碱性。该立地类型现无人工植被恢复，立地条件差。建议植被重建时，选择以草本为主的灌草型配置。

4 讨论与结论

通过对微地形(X1)，海拔高度(X2)，覆土厚度(X3)，土壤质地(X4)，土壤田间持水量(X5)，有机质含量(X6)，全N含量(X7)，全P含量(X8)，全K含量(X9)，坡向(X10)这10个立地因子进行调查测定，采用主成分分析法，在各主成分关系式中选取系数最大的因子，结合煤矸石山实地调查情况，同时考虑到主导因子的直观易测的特点，选取微地形、覆土厚度、土壤质地为划分立地类型的主导立地因子。进行立地类型划分牵涉的因素有很多，对于不同的研究区，所选的主导因子会有所不同，本研究选择地形、土壤等因子作为煤矸石山立地类型划分的主导因子，这与赖文豪[3]，李丹雄等[8]，张灵等[20]研究一致。

依据主导立地因子，通过聚类分析法将煤矸石山划分成3个立地类型组，5个立地类型亚组，8个立地类型，分别为矸石山平台厚层砂质壤土立地类型、矸石山平台中层壤质砂土立地类型、矸石山平台中层少砾质砂土立地类型、矸石山平台薄层少砾质砂土立地类型、矸石山平台薄层轻砾石土立地类型、矸石山陡坡中层壤质砂土立地类型、矸石山陡坡中层中砾质砂土立地类型、矸石山急坡薄层轻砾石土立地类型。本研究对立地因子采用主成分分析法确定主导因子，再通过对主导因子进行聚类分析划分立地类型，这与有关学者对于立地类型划分的方法相一致[9,15-16]。

通过对煤矸石山各立地类型特征分析，总体来说，煤矸石山平台较平坦，面积较大，边坡坡度32°～40°之间；煤矸石山覆土土源为其周边土地土壤，覆土厚度多在30 cm以上，覆土土质有砂质壤土、壤质砂土及砺质砂性土，特殊立地类型砾石含量>30%，其土质为轻砾石土，此类立地条件较差；煤矸石山覆土土壤透水性强，保水保肥性差，土壤田间持水量18.35%～32.62%；土壤养分贫瘠，有机质含量在0.26%～0.44%、全N含量0.10～0.16 g/kg，全P含量0.33～0.59 g/kg，属于低至中下水平，全K含量较高，在35.44～44.16 g/kg之间，为极高水平，煤矸石山土壤偏碱性。

煤矸石山各立地类型特征结合现有人工植被类型分析，可为煤矸石山植被重建工作提出建议。对于煤矸石山平台，覆土厚度>60 cm，覆土土质以砂土为主，可选择以乔木为主的乔灌型混交模式；覆土厚度20～60 cm，当覆土土质为砂土或砾石含量较少时，可选择以灌木为主的灌木林或灌草型配置；覆土厚度<20 cm，覆土土质砾石含量较多，可选择以草本为主的灌草型配置；而对于煤矸石山边坡，覆土厚度20～60 cm，覆土土质中砾石含量较少，可选择灌木林或以灌木为主的灌草型配置；若砾石含量过多，则以撒播草籽为主。