劉 軍，黨曉宏

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

露天煤礦區(qū)已成為當(dāng)今世界陸地生物圈最為典型、退化最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)草原作為我國(guó)北方的重要生態(tài)安全屏障[2]，已探明的煤炭?jī)?chǔ)量占全國(guó)儲(chǔ)量的1/4以上[3]。許多分布在草原地區(qū)的大型露天煤礦開(kāi)采堆積固體廢棄物形成大量排土場(chǎng)，由于土層擾亂、植被破壞、土壤性質(zhì)與周?chē)匀煌寥来嬖谳^大差異，對(duì)原本脆弱的草原生態(tài)造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致了當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步退化，該問(wèn)題已引起高度關(guān)注[4-5]。

沙棘Hippophae rhamnoides為胡頹子科Elaeagnaceae沙棘屬Hippophae落葉灌木或小喬木[6]，眾多學(xué)者在露天礦區(qū)植被恢復(fù)與重建過(guò)程中對(duì)沙棘改善土壤特性做了大量研究[7-10]。目前，我國(guó)應(yīng)用沙棘改良排土場(chǎng)土壤質(zhì)量主要集中在陜晉蒙黃土丘陵區(qū)，而針對(duì)內(nèi)蒙古森林草原向典型草原過(guò)渡地帶露天煤礦區(qū)相似的研究相對(duì)較少。本研究對(duì)內(nèi)蒙古森林草原向典型草原過(guò)渡地帶的霍林河煤業(yè)南露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)栽植不同年限沙棘林下土壤進(jìn)行調(diào)查，探究排土場(chǎng)邊坡栽植不同年限沙棘對(duì)林下土壤質(zhì)量的影響，旨在為該地區(qū)土壤改良提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

霍林河煤業(yè)南露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)霍林郭勒市，45°26′42″N，119°34′14″E。煤田始建于1976年，1984年投產(chǎn)，面積3 399.63 hm2，處在大興安嶺南端北坡，地貌以山地丘陵、堆積臺(tái)地和沖積平原為主，海拔870～940 m，年平均降水量383.4 mm，年平均氣溫-0.5℃，極端最低氣溫-37.6℃，極端最高氣溫33.6℃，屬中溫帶溫涼地區(qū)半濕潤(rùn)大陸性氣候。土壤以栗鈣土為主。在植被區(qū)劃上，屬于溫帶草原區(qū)大興安嶺森林草原向典型草原過(guò)渡地帶。煤田開(kāi)墾前，該區(qū)域主要地帶性植被群落類(lèi)型是：狼針草Stipa baicalensis群落、大針茅Stipa grandis群落，線(xiàn)葉菊Filifolium sibiricum群落及羊草Leymus chinensis群落等。截止2013年，排土場(chǎng)面積為2 212.56 hm2，穩(wěn)定坡度38°，排土高度50 m，排棄物主要為表土、泥巖、高灰分劣質(zhì)煤、煤矸石和砂巖的混合物。礦區(qū)原表土厚度1～12 m不等，土壤營(yíng)養(yǎng)較為豐富，因此在復(fù)墾中采用了將原表土覆蓋（平均厚度50 cm）在排土場(chǎng)上部的方法，創(chuàng)造了較好的土壤條件。1992年開(kāi)始對(duì)煤田開(kāi)采以來(lái)形成的排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行復(fù)墾，1993年種植沙棘13.98 hm2，1994－2000年未對(duì)排土場(chǎng)邊坡復(fù)墾。由于大風(fēng)揚(yáng)塵對(duì)周邊環(huán)境影響較大，2002年與2005年分別對(duì)1993－1996年，1997－2000年未治理排土場(chǎng)邊坡復(fù)墾，分別種植沙棘面積為49.23 hm2，45.07 hm2，2007年與2010年分別對(duì)2001－2003年，2004－2009年形成的排土場(chǎng)邊坡復(fù)墾，種植沙棘面積為7.27 hm2和27.38 hm2。每期種植沙棘均為3年生苗，株距1.5 m，行距2.0 m。沙棘林管護(hù)期2a，做好防蟲(chóng)等工作的同時(shí)，每年澆水不低于3次，第1年沙棘成活率達(dá)85%以上，在管護(hù)期對(duì)未成活的進(jìn)行補(bǔ)種，以確保保存率達(dá)100%。

1.2 土壤樣品的采集

2014年8 月土壤采樣。選取同一年排土且沙棘種植4 a，7 a，9 a，12 a，21 a（下文中描述為恢復(fù)4 a，7 a，9 a，12 a，21 a）的排土場(chǎng)邊坡作為試驗(yàn)樣區(qū)；選取1992年覆土后排土場(chǎng)邊坡中未進(jìn)行過(guò)人工植被恢復(fù)、在自然作用下形成的覆土天然植被恢復(fù)區(qū)（F）及排土場(chǎng)周邊天然草地土壤作為對(duì)照（CK）。為保證所采樣品能夠代表樣地整體情況，每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選取3塊樣地，每樣地設(shè)置1個(gè)10 m×10 m樣方，每個(gè)樣方內(nèi)按三角形設(shè)置3個(gè)樣點(diǎn)。取樣前將土壤表層的殘留物和雜質(zhì)清理干凈，直徑5 cm土鉆分別采集深度為0～20 cm和 ＞20～40 cm的樣品。將每個(gè)樣點(diǎn)不同深度采集的土樣分別單獨(dú)裝入自封袋，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后，剔除雜質(zhì)和植物根系再分別過(guò)1 mm和0.25 mm篩，裝袋備用。

1.3 土壤樣品測(cè)定

土壤容重利用環(huán)刀法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用碳酸氫鈉法，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，pH值采用pH計(jì)測(cè)定。

土壤粒級(jí)的劃分采用中國(guó)土壤粒級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（砂粒：0.05～1.00 mm；粗粉粒：0.05～0.01 mm；細(xì)粉粒：0.010～0.005 mm；粗黏粒：0.005～0.001 mm；細(xì)黏粒：＜0.001 mm），采用吸管法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SAS 9.5和Excel 2003軟件進(jìn)行處理與分析。排土場(chǎng)邊坡不同恢復(fù)年限土壤的理化性質(zhì)通過(guò)方差分析及Duncan多重比較分析檢查在P＜0.05水平下的差異顯著性；利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤各因子之間交互作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)年限土壤理化性質(zhì)分析

2.1.1 不同恢復(fù)年限土壤機(jī)械組成 0～20 cm土層的土壤粒級(jí)詳見(jiàn)表1，各樣地以砂粒含量最大，細(xì)粉粒最小。隨著恢復(fù)年限的增加，砂粒含量逐漸降低，種植沙棘7a后的樣地與F區(qū)以及CK差異顯著（P＜0.05）；粗粉粒呈逐漸增加趨勢(shì)，種植沙棘7 a與F區(qū)差異顯著（P＜0.05）；各樣本細(xì)粉粒變化不大，含量均在5.67%～6.50%，CK只有2.67%，且差異顯著（P＜0.05）；粗黏粒呈增加趨勢(shì)，高于CK，各樣地間無(wú)顯著差異；細(xì)黏粒含量，種植沙棘7 a后的樣本開(kāi)始增加，CK低于其他樣地且差異顯著（P＜0.05）。在＞20～40 cm土層，隨著恢復(fù)年限增加，土壤砂粒含量在降低過(guò)程中差異性逐漸增強(qiáng)；粗粉粒7 a增加至最大，之后逐漸降低，F(xiàn)區(qū)及4 a與其他樣地差異顯著（P＜0.05）；不同樣地土壤細(xì)粉粒、粗黏粒以及細(xì)黏粒無(wú)顯著差異（P＞0.05）。說(shuō)明種植沙棘7 a后可顯著降低砂粒含量，使黏粒含量得到提高，細(xì)粉粒含量較為穩(wěn)定，且各粒度含量在表層（0～20 cm）變化較底層（＞20～40 cm）明顯。

表1 不同樣地土壤機(jī)械組成（平均值+標(biāo)準(zhǔn)誤差，%）Table 1 Mechanical composition of soilfrom different sample plots（mean+SD，%）

2.1.2 不同恢復(fù)年限土壤養(yǎng)分特征 從圖1，圖2可知，隨恢復(fù)年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加，pH逐漸降低。在0～20 cm土層，種植沙棘21 a土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著（P＜0.05）高于各樣地，為F區(qū)的6.75倍；pH值逐漸由堿性趨于中性，其中，種植沙棘12 a與F區(qū)差異顯著（P＜0.05），種植21 a與F區(qū)差異顯著（P＜0.05），CK介于12 a與21 a之間。在＞20～40 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈緩慢增加趨勢(shì)，低于CK；pH隨恢復(fù)年限的增加差異性逐漸顯著，不同樣本與CK差異顯著（P＜0.05）。在不同土層，土壤有機(jī)質(zhì)表層高于底層，pH底層高于表層。說(shuō)明沙棘對(duì)排土場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)、pH值改良效果明顯，且表層變化大于底層。

圖1 不同土壤樣本有機(jī)質(zhì)含量 Figure 1 Soil organic matter content in different sample plots

圖2 不同土壤樣本pH值Figure 2 Soil pH in different sample plots

堿解氮、速效磷、速效鉀能夠靈敏地反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)的動(dòng)態(tài)與水平。由圖3可知，土壤堿解氮含量在土壤恢復(fù)過(guò)程中逐漸增加，其中，在0～20 cm土層，種植12 a與F區(qū)差異顯著（P＜0.05），種植21 a高于CK，且與其他樣本差異顯著（P＜0.05）。在＞20～40 cm土層，種植12 a，21 a分別與F區(qū)以及CK差異顯著，種植21 a堿解氮含量顯著高于F區(qū)，低于CK；對(duì)于不同深度土層，除F區(qū)與4 a外，種植7～21 a表層均高于底層。說(shuō)明沙棘種植12 a后可顯著改善排土場(chǎng)邊坡土壤堿解氮狀況，且表層優(yōu)于底層。

圖3 不同土壤樣本堿解氮含量Figure3 Soilalkali-hydrolyzablenitrogencontentindifferentsampleplots

圖4 不同樣本土壤速效磷含量Figure4 Soilavailablephosphoruscontentindifferentsampleplots

圖5 不同土壤樣本速效鉀含量Figure5 Soilavailablepotassiumcontentindifferentsampleplots

圖4為不同土壤樣本速效磷含量變化情況，速效磷含量在表層與底層呈先增加后降低趨勢(shì)，在種植7～9 a達(dá)到最高，與其他樣本差異顯著，其中，21 a和CK與F區(qū)略有差異。不同深度速效磷含量變化，F(xiàn)區(qū)上層與底層無(wú)明顯差別，其他樣本不同深度以種植4 a差異最大。說(shuō)明沙棘在恢復(fù)初期可快速補(bǔ)充與釋放植被生長(zhǎng)所需磷素。土壤速效鉀含量變化情況如圖5所示。在0～20 cm土層，隨著恢復(fù)年限增加而增加，種植7 a與F區(qū)有一定差異；種植21 a高于CK，為未恢復(fù)區(qū)的2.68倍。在＞20～40 cm土層，種植7 a和9 a速效鉀含量最高，其他樣本之間無(wú)明顯變化規(guī)律；不同深度速效鉀含量變化，除F區(qū)與種植4 a外，其他樣本表層均高于底層，并且恢復(fù)年限越長(zhǎng)，上層與底層差距越大。說(shuō)明種植沙棘在7～9 a對(duì)排土場(chǎng)邊坡土壤速效鉀含量產(chǎn)生明顯變化，且表層變化更為顯著。

2.2 土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

從表2可知，在土壤理化性質(zhì)間，堿解氮與砂粒、粗黏粒、細(xì)黏粒、有機(jī)質(zhì)含量及pH值變化分別呈極顯著負(fù)相關(guān)、顯著正相關(guān)、極顯著正相關(guān)、極顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)；速效磷與粗粉粒含量變化呈顯著正相關(guān)；速效鉀與砂粒、有機(jī)質(zhì)含量及pH值變化分別呈顯著負(fù)相關(guān)、顯著正相關(guān)、極顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明土壤砂粒、有機(jī)質(zhì)含量及pH值變化是土壤堿解氮與速效鉀含量變化的主要因素，而土壤粗粉粒含量影響速效磷含量。

3 討論與結(jié)論

露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)土壤層次紊亂、結(jié)構(gòu)性差，土壤機(jī)械組成作為構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元，對(duì)植物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件及養(yǎng)分供給關(guān)系十分密切。齊雁冰等[11]研究認(rèn)為植被恢復(fù)過(guò)程中黏粒和粉粒含量增多，砂粒含量減少。本研究與齊雁冰等的研究有不盡相同之處，可能由于土壤機(jī)械組成分類(lèi)細(xì)化程度的不同，同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)粉粒在不同恢復(fù)年限變化不大，土壤粗粉粒呈先升高后降低趨勢(shì)。其原因主要因?yàn)樯臣蛋l(fā)達(dá)，隨著恢復(fù)年限增加，根系網(wǎng)絡(luò)在近地表形成，土壤黏化作用、抗蝕性及抗沖性增加，改善土壤物理性質(zhì)的同時(shí)，發(fā)揮了良好的水土保持作用。土壤有機(jī)質(zhì)作為指示土壤肥力與健康的關(guān)鍵指標(biāo)，主要受制于地上植物及其地下根系有機(jī)質(zhì)的輸入與分解[12-13]。土壤pH值決定和影響著土壤元素和養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性[7，14]。本研究表明，隨種植年限的增長(zhǎng)，沙棘林下土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮逐漸增加，pH值趨于中性，這與他人[15-16]研究結(jié)果基本一致。其原因主要是由于沙棘生長(zhǎng)迅速，地上生長(zhǎng)量大，大量枯枝落葉能夠歸還土壤，大部分根系密集于表層，殘?bào)w及分泌物較多，在腐殖化作用下，有機(jī)質(zhì)及速效營(yíng)養(yǎng)元素含量能夠不斷增加，而對(duì)于底層土壤，枯枝落葉、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及腐殖化后的根系較表層少，使得有機(jī)質(zhì)及速效營(yíng)養(yǎng)元素含量較低。其次，淺層土壤中存在大量的沙棘根系，這些根系固著的根瘤菌可以吸收大氣中的氮素，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成能被沙棘吸收的氮肥，從而使土壤中的含氮量不斷增加。同時(shí)，在植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤微環(huán)境不斷得到改善，土壤微生物數(shù)量增加，其中，微生物中的真菌數(shù)量在增加過(guò)程中會(huì)使得土壤pH值下降；另一方面，還可能是其根系分泌出大量的有機(jī)酸、生物酶等物質(zhì)對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行了改善，使土壤pH值有所下降。李鵬飛等[8]認(rèn)為沙棘對(duì)提高土壤速效磷、速效鉀含量有良好效果，劉振花[17]在研究中發(fā)現(xiàn)隨沙棘林齡的增加，速效磷含量增加、速效鉀含量減少，與本研究結(jié)果不完全一致。本研究表明隨沙棘林下土壤恢復(fù)年限增加，速效磷先升高，種植9 a后降低；速效鉀在表層增加，種植9 a后底層開(kāi)始下降。究其原因，首先，研究時(shí)段以及地區(qū)的不同造成了一定差異；其次，本研究認(rèn)為速效磷因固定在母質(zhì)中的磷素不易釋放，有機(jī)質(zhì)返還磷素小于吸收量，導(dǎo)致土壤速效磷含量逐漸減低，速效鉀在母質(zhì)釋放與植物枯落物和有機(jī)質(zhì)返還共同作用下含量不斷升高，該結(jié)果在相關(guān)性分析中也得到了驗(yàn)證。

此外，種植沙棘7 a后排土場(chǎng)邊坡砂粒含量顯著降低（P＜0.05），黏粒含量明顯提高，細(xì)粉粒含量較為穩(wěn)定，且各粒度含量在表層變化較底層顯著；隨恢復(fù)年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量增加，土壤pH值逐漸降低

基于以上分析，本研究認(rèn)為在森林草原向典型草原過(guò)渡地帶露天煤礦排土場(chǎng)邊坡栽植人工沙棘林對(duì)土壤肥力改良效果顯著，在該地區(qū)土地復(fù)墾中引種沙棘，對(duì)改善排土場(chǎng)土壤環(huán)境有實(shí)際意義。

[1]范英宏，陸兆華，程建龍，等.中國(guó)煤礦區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及生態(tài)重建技術(shù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（10）：2144－2152.

[2]白淑英，吳奇，沈渭?jí)?，?內(nèi)蒙古草原礦區(qū)土地退化特征[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，32（2）：178－186.

[3]劉艷，趙欣.內(nèi)蒙古資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民利益關(guān)系研究[J].中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2016，43（5）：56－61.

[4]楊勇，劉愛(ài)軍，朝魯孟其其格，等.錫林郭勒露天煤礦礦區(qū)草原土壤重金屬分布特征[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（5）：885－892.

[5]文月榮，黨廷輝，唐駿.不同林地恢復(fù)模式下露天煤礦排土場(chǎng)土壤有機(jī)碳分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，27（1）：83－90.

[6]黨曉宏，汪季，王巧利，等.準(zhǔn)格爾旗露天煤礦礦區(qū)沙棘生長(zhǎng)狀況調(diào)查研究[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2010，36（3）：23－26.

[7]樊文華，李慧峰，白中科.黃土區(qū)大型露天煤礦不同復(fù)墾模式和年限下土壤肥力的變化[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（4）：313－316.

[8]李鵬飛，張興昌，朱首軍，等.植被恢復(fù)對(duì)黑岱溝礦區(qū)排土場(chǎng)土壤性質(zhì)的影響[J].水土保持通報(bào)，2015，35（5）：64－70.

[9]王曉明，高德武.大果沙棘在露天煤礦植被恢復(fù)中的應(yīng)用試驗(yàn)[J].國(guó)際沙棘研究與開(kāi)發(fā)，2007，5（3）：15－17.

[10]賀堯，蘇芳莉，郭成久，等.基于主成分分析法的煤矸石山植被水土保持功能評(píng)價(jià)[J].水土保持研究，2009，16（1）：74－77.

[11]齊雁冰，常慶瑞.高寒地區(qū)人工植被恢復(fù)對(duì)風(fēng)沙土區(qū)土壤效應(yīng)影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（6）：40－43.

[12]安淵，徐柱，閆志堅(jiān).不同退化梯度草地植物和土壤差異[J].中國(guó)草地，1999（4）：31－36.

[13]王巖，李玉靈，石娟華，等.不同植被恢復(fù)模式對(duì)鐵尾礦物種多樣性及土壤理化性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（3）：112－117，183.

[14]王金滿(mǎn)，楊睿璇，白中科.草原區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾土壤質(zhì)量演替規(guī)律與模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（14）：229－235.

[15]王曉琳，王麗梅，張曉媛，等.不同植被對(duì)晉陜蒙礦區(qū)排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分16 a恢復(fù)程度的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（9）：198－203.

[16]趙韻美，樊金拴，蘇銳，等.阜新礦區(qū)不同植被恢復(fù)模式下煤礦廢棄地土壤養(yǎng)分特征[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23（8）：210－216.

[17]劉振花.阜新地區(qū)沙棘林地土壤理化性質(zhì)研究[J].防護(hù)林科技，2016，5：25－26，71.