邵田田，王明玖，齐 雪

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/农业农村部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/草地资源教育部重点实验室，呼和浩特 010018)

内蒙古自治区已探明的煤炭储量居全国第一，由于煤层埋藏较浅，以露天开采为主。大部分露天煤矿集中在生态脆弱的草原地区[1]，剥离的固体废弃物堆积形成排土场，不仅占压了大面积草场，还加剧了当地水土流失[2]。露天煤矿排土场生态修复是当前受到广泛关注的课题，而生态修复的首要工作是恢复或重建植被。研究表明，草原退化生态系统得到改善总是以植被恢复为前提的[3]。广义上来讲，生态恢复是指将生态系统的结构和功能恢复到最初和原来的状态，但这是个十分复杂的过程[4]。重建植被在恢复过程中，植物与土壤质量的演变相互促进和制约，并互为动力[5]。国外对矿区复垦土壤和植被演替规律研究比较早。Cosrigan等人研究发现，限制矿区植被生长的因子主要有土壤肥力和pH值[6]； Dance等人提出，植物群落的动态演替受氮(N)、磷(P)和有机质等因素的影响[7]；Frouz等在分析矿区复垦土壤与植被的演替规律及其交互影响时认为，土壤和植被在矿区生态系统演替过程中发挥着重要的作用[8]。中国从20世纪80年代初期才开始矿区土地复垦工作[9]。 植被重建是露天煤矿排土场生态恢复持续进行的关键，强调土壤基质改良、适应性强的生物种类筛选、环境因子调控措施的技术耦合[10]。本研究以锡林浩特草原胜利煤田西二露天煤矿排土场为对象，在多年生态修复工作的基础上，比较观测植物种植后第9～11年两种处理措施重建植被演替状态和土壤重要理化性质变化，分析植被演替和土壤演变之间的关系，为排土场选择生态修复植物种和恢复措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于锡林浩特市胜利煤田西二露天煤矿排土场，地理坐标为东经115.54'15″～115.58'15″、北纬为43.57'15″～44.00'00″。该矿地表东西长约4.5km，南北宽约4.0km，开采标高668～1012m，开采深度40～220m，地质资源储量305.25Mt。气候属于温带半干旱大陆性气候，冬季寒冷漫长，夏季温暖短暂。年平均降水量为293.6mm，降雨主要集中在6～8月；年蒸发量为1811.3mm。原始植被类型为典型草原。2007年在矿区排土场采用两种处理措施实施了植被重建工作，分别为植物混合播种+生物笆覆盖(A)处理措施和植物单纯混合播种(B)处理措施。将边坡坡面整理好后，把多年生草本、一二年生草本和灌木半灌木(见表1)种子按5∶3∶2的比例混合，沿等高线条播，播量20kg/hm2，行距20cm，覆土1～2cm；生物笆是用柳条编织而成的网格状笆片，规格为2.5m×2m，经条和纬条交叉构成的网眼为15cm×15cm，由锚桩固定平铺在播种后的排土场边坡上；两种处理措施试验小区面积750m2(30m×25m)，随机排列，3次重复。本研究对两种处理措施下排土场植被和土壤状况展开调查。

表1 露天煤矿排土场人工播种植物名称

1.2 研究方法

1.2.1植被调查与土壤样品采集

2016～2018年9月，对经过人工植被重建后自然演替第9年、第10年、第11年排土场继续进行植被和土壤调查工作。在每个试验小区内，随机选取9个1m×1m样方，记录并测定各样方植物名称、高度、密度、频度、分盖度、总盖度及干鲜重。土壤样品采集避开植物调查样方，同时进行。用直径为10cm土钻取0～10cm深的上层土，装入灭菌密封袋中带回实验室进行室内处理。

1.2.2植物优势度计算方法

植物优势度[11]用 如下公式计算：

式中：di为植物优势度；Ai为植物相对多度；Fi为植物相对频度；Hi为植物相对高度；Ci为植物相对盖度。Ai=种i的多度/所有种多度之和×100%；Fi=种i的频度/所有种频度之和×100%；Hi=种i的平均高度/所有种平均高度之和×100%；Ci=种i的盖度/所有种盖度之和×100%。

1.2.3土壤理化性质测定

将土样在室内风干后挑出杂物、研细，过2mm筛子备用。用重铬酸钾氧化-外加热法测土壤有机质；用0.5mol/LNaHCO3浸提-钼锑抗比色法测土壤速效磷；用碱解扩散法测土壤速效氮；釆用玻璃电极法测定土壤pH值[12]。

1.3 统计方法

统计分析利用Excel 2010和SPSS21.0完成。

2 结果与分析

2.1 植物群落基本特征

排土场人工种植植物后演替到第9～11年，两种处理措施的植物数量和地上生物量都表现出一定的差异。植物数量上的差异主要表现在科数和种数上(A处理略高)，但在豆科和禾本科植物种的组成上两种处理比较相近，A处理在3年中分别为12、14和14，B处理分别为12、11和14，反映了豆科和禾本科植物较强的生存能力与适应性(见表2)。在3年中，两种处理的地上生物量却表现出明显差异，第10年生物量显著高于第9年和第11年(p<0.05)，A处理生物量显著(p<0.05)高于B处理，这种差异既表现在处理间，更表现在年度间(图1、图2)。年度间的波动主要是生长季降雨量的波动引起的(图3)。A处理豆科和禾本科植物地上生物量(g/m2)占总地上生物量的比例分别为70.24%、90.47%和90.47%(图4)；B处理相应的地上生物量占总地上生物量的比例分别为82.75%、94.20%和85.07%(图5)。B处理豆科和禾本科植物地上生物量虽显著(p<0.05)低于A处理，但比例则偏高，尤其在夏季降雨较多的干旱年份。由此说明，豆科和禾本科植物在排土场重建植被中占有重要地位。

表2 两种处理措施第9～11年排土场植物科数、种数

相同大写字母表示相同处理不同年际间含量无显著差异(p<0.05)，

相同小写字母表示相同年际不同处理间含量无显著差异(p<0.05)；下图同

图3 不同植被重建时间年降雨量、8月降雨量

图4 A处理禾本科、豆科地上生物量所占总比

图5 B处理禾本科、豆科地上生物量所占总比

2.2 植物群落物种优势度

排土场重建植物群落演替第9～11年，最初播种的9种多年生草本植物还有5种存活。其中，紫花苜蓿和披碱草在A处理优势度较高且保持稳定，在B处理则完全消失，说明这两种植物在苗期和生长过程中都需要地面覆盖保护。沙打旺在A处理优势度渐弱，以至于在第11年消失，而在B处理却保持了很高的优势度，但随时间的延续也快速降低。黄花苜蓿在两种处理中都逐渐消退，表明其在排土场条件下的自然寿命。草木樨状黄芪在A处理中消失后又重新出现，明显是后期侵入的，其稳定性需要进一步观察；B处理随降雨量增加呈现出较高的优势度，但也很快消失。可见，草木樨状黄芪对排土场环境有一定的适应性，但稳定性较差。当初种植的4种灌木和小半灌木，木地肤彻底消失，达乌里胡枝子优势度较弱且不稳定，只有小叶锦鸡儿和柠条锦鸡儿保持了旺盛的生长力，优势度都较大，年度间的变化与降雨有关，也和其他植物的消长有关。小叶锦鸡儿和柠条锦鸡儿在处理间的差别与地表覆盖有关(表3)，A处理对苗期的有效保护对后来的生长产生了长期影响。

表3 两种处理措施第9～11年人工种植植物种优势度

排土场重建植物群落演替第9～11年，除部分人工播种的多年生植物存活外，还有其他多年生植物种侵入，主要有冰草、大针茅、糙隐子草和羊草。这4种植物是矿区周边草地的原生种，也是优势种或常见种，这些植物的生长标志着排土场植物群落正向演替的趋势。其中，大针茅在A处理中已经定居，能进行稳定生长；在B处理中出现，但还不稳定。糙隐子草在两种处理中均形成较均匀分布，保持了稳定的优势度，说明排土场的土壤环境已逐渐适宜该植物的生存。冰草在A处理中虽有波动，但基本保持了较高的优势度；而在B处理中尚不能定居，说明地表覆盖对该植物的选择性定居非常重要。两种处理中都有羊草生长，但是否能稳定定居还有待于进一步观察(表4)。

表4 两种处理措施第9～11年主要侵入植物种优势度

除了这4种主要多年生植物以外，大量的其他多年生植物也出现在群落中，使群落的多样性逐渐丰富。其中，A处理中出现的多年生植物主要有艾蒿(Artemisiaargyi)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、黄花菜(Hemerocalliscitrina)、银灰旋花(Convolvulusammannii)、天门冬(Asparaguscochinchinensis)、赖草(Leymussecalinus)、叉分蓼(Polygonumdivaricatum)、鹅绒藤(Cynanchumchinense)；B处理中出现的多年生植物主要有艾蒿、白草、猪毛蒿(Artemisiascoparia)。与此同时，一年生植物的生长更加常见。在观察期间常见的一年生或一二年生植物有白花草木樨(Melilotusalbus)、狗尾草(Selatiraviridis)、虎尾草(Chlorisvirgata)、燕麦(Avenasativa)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、栉叶蒿(Neopallasiapetinata)、猪毛菜(Salsolacollina)、蒙古虫实(Corispermummongolicum)、灰绿藜(Chenopodiumglaucum)、刺穗藜(C.aristatum)、香青兰(Dracocephalummoldavica)、裂叶荆芥(Schizonepetatenuifolia)、益母草(Leonurusartemisia)。这些植物的生长虽然不稳定，但对于增加群落盖度、形成生物量、积累土壤有机质、为多年生植物生长创造有利环境等均非常重要(表5)。

表5 两种处理措施第9～11年主要一二年生植物种盖度、密度和地上现存量

2.3 不同植被重建时间土壤理化性质分析

排土场重建植被后演变第9～11年，在0～10cm土壤层的pH值、速效磷、速效氮和土壤有机质含量在处理间和年度间都发生了一定变化。土壤pH值在年际间和处理间具有显著(p<0.05)差异，总的趋势是土壤pH值随时间序列而降低，且B处理比A处理降低的更快(图6)。实地观察表明，其原因是B处理表土在降雨后比有生物笆覆盖的A处理流失更多，碱性物质随流失也有更多转移。土壤有机质含量在年际间和处理间具有显著性差异(p<0.05)，在群落演替第9～11年逐渐降低，A处理降低较慢，这与植物生物量积累有直接关系。表层土壤有机质来源主要是植物根系死亡积累和地上枯落物的分解。当灌木逐渐成为优势植物后，根系生物量积累主要在深层土壤，多年生植物根系分布也相对较深。一年生植物生物量逐渐降低，造成上层土壤有机质的积累减少。然而，一二年生植物的减少却是群落演替的必然结果。土壤速效磷和速效氮含量在年度间和处理间有波动，但没有显著性差异(p>0.05)，没有表现出明显的规律，这可能与取样深度浅有关(图6)。

相同大写字母表示相同处理不同年际间含量无显著差异(p<0.05)，相同小写字母表示相同年际不同处理间含量无显著差异(p<0.05)；A处理左，B处理右图6 不同植被重建时间上层土壤pH值及有机质、速效磷、速效氮含量变化

3 讨论

排土场重建植物群落演替与土壤理化性质演变是个相关联的过程。两种处理措施植物群落和土壤养分均有改善且相互关联，生物笆覆盖措施比未覆盖措施更有利于植物定居和土壤改善。本试验排土场在植被重建自然演替第9～11年，两种处理豆科、禾本科植物适应性更强，受降雨影响植物生物量表现较高、优势度较大。地上生物量主要来源于种植的几种灌木，在第10年年降雨仅为168.60mm的干旱年份，8月份的及时降雨使得土壤水分得到了补充，生物量表现较高，这与张永生[13]的结论一致。人工种植的小叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿及糙隐子草可以稳定生长在排土场坡面，其他植物种均有消长现象出现，植物的消长一方面可能由于对排土场土壤适应性有差别，另一方面可能由于植物生长具有随机性，或试验样方调查数量不够。A处理(植物混合播种+生物笆覆盖)稳定生长的种数较多，更有利于植物的定居。植物在恢复过程中不断适应土壤的变化，排土场会出现物种更替现象，植物群落组成在自然演替过程中会发生较大变化[14]。冰草、大针茅、糙隐子草和羊草的出现，标志着排土场植物群落正向演替的趋势。植物种可以适应并且定居在排土场土壤中，多年生植物较多，占群落的主要地位，物种的顺利定居恰恰是植被恢复的开始[15]。徐志果等人于2010、2011年在安太堡露天煤矿进行植物调查时发现同样结果[16]。张磊等人研究发现，植物在演替的20年中，15～20年的时间间隔表现出最高的物种更替速率，群落结构要素中物种组成和结构层变化最大[17]。在0～10cm土层，土壤有机质、速效磷、速效氮含量仍然较低，pH呈碱性，这与李丹的研究结果一致[18]。土壤各有效养分含量受植物生长和pH影响[19]。有机质含量出现逐年下降趋势，由于表层其含量大多来源于草本植物枯落物分解和浅根系植物生物量积累，随着群落演替一二年生植物减少是必然结果，也可能由于土壤过碱会影响有机质含量的积累[20]，煤矿开采扰动影响较大[21]。土壤有机质含量下降，并不代表土壤肥力降低，土壤速效氮、速效磷含量虽有变化，但没有明显规律，这可能由于土壤取样深度较浅所致。土壤速效氮、速效磷含量的增加，侧面反映了土壤含量变化受植物影响，两种处理可以对排土场植被恢复起到一定作用，但仅通过植物恢复可能是一个比较缓慢的过程。A处理地上生物量较多，有机质含量、速效氮含量高于B处理，植物地上生物量的增加促进了土壤理化性质的改变，植物的定植可以改善土壤。邢慧等人对安太堡排土场植被恢复进行的研究表明，植被恢复对土壤具有改善作用[22]。李鹏飞对黑岱沟煤矿排土场进行植被恢复的研究表明，通过种植不同种植物可以起到恢复和改善土壤效果；尤其豆科树种可以有效地重建系统的养分循环过程，恢复退化土地[23]。植被在年龄序列上影响碳氮库组成，陆地碳氮库组成土壤、林下植被、地上生物量、根系碳氮呈现“S”型变化趋势[24]，Soukova等人也报告了类似的趋势[25]。由于本试验仅探讨植被重建后第9～11年植被演替和土壤演变状况，存在局限性，所以排土场恢复到哪个阶段还有待讨论探究。

4 结论

两种处理措施植物群落组成和土壤理化性质在年际间和处理间均发生了改变。在重建植被后第9～11年，(1)豆科和禾本科植物适应性较强，处理A植物种数较多，地上生物量较大。(2)在植物群落演替过程中，部分人工种植的植物仍然存活，并且出现本地植物种定居生长现象，表明植物群落处于正向演替。(3)人工种植的小叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿两种处理均可生长，长势处理A较好；人工种植的紫花苜蓿、披碱草、大针茅、羊草、糙隐子草处理A生长稳定，而沙打旺和糙隐子草处理B生长稳定；处理A更有利于人工种植植物苗期的生长。(4)土壤0～10cm层pH呈碱性，两种处理年际间土壤有机质含量下降，速效磷、速效氮含量在年际间未呈现规律变化，有机质、速效氮含量处理A比处理B高，表明生物笆覆盖更有利于植物定居和土壤改善。