汪瑞，程巍，劉漢羽，盛美群，龍水義，陳超

(1.貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

煤矸石是煤炭開采和洗選加工過程中排放量最大的固體廢棄物之一，其排放量占原煤產(chǎn)量的10%～20%.矸石山一般就近堆放于礦區(qū)，不僅占用大量的土地，而且產(chǎn)生粉塵，排放有害氣體，產(chǎn)生重金屬，嚴(yán)重污染礦區(qū)及周邊環(huán)境[1-2]，所以對(duì)煤矸石廢棄地的恢復(fù)治理迫在眉睫.

煤矸石山基質(zhì)具有顆粒較粗、孔隙性差、酸性強(qiáng)、養(yǎng)分極度缺乏等特點(diǎn)，在煤矸石山上通過自然演替的方式恢復(fù)植被需要50 a以上，有的甚至需要數(shù)百年[3].而通過人工種植植被，建立穩(wěn)定的煤矸石山植被生態(tài)系統(tǒng)，已經(jīng)成為煤矸石山治理的有效手段之一[4].煤矸石山基質(zhì)作為植物生長的載體，其理化性質(zhì)尤其是養(yǎng)分的狀況直接影響植被的生長情況和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)程度.因此，研究煤矸石山基質(zhì)在植被生長過程中理化性質(zhì)的變化，有助于了解煤矸石山植被恢復(fù)的效果和質(zhì)量.

香根草(Vetiveriazizanioides)為禾本科多年生大型草本植物，能夠在生境惡劣、寸草不生的尾礦地生長，已廣泛應(yīng)用于煤礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)[5-6].目前，關(guān)于香根草對(duì)煤矸石山的生態(tài)恢復(fù)研究主要集中在抗逆生理[7-8]、水土保持[9]和對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)[10]等方面，對(duì)于煤矸石山基質(zhì)理化特征隨植被種植時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化的研究還鮮有報(bào)道.本文以種植有不同年限香根草的煤矸石基質(zhì)為研究對(duì)象，探

討不同種植年限香根草對(duì)煤矸石山基質(zhì)理化性狀的影響，以期進(jìn)一步掌握修復(fù)年限對(duì)煤矸石理化性質(zhì)變化的影響，為煤矸石山的復(fù)墾和改良效果評(píng)價(jià)提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地位于貴州省六盤水市大河煤礦，距離六盤水市區(qū)6 km，海拔高度1 600 m，地理坐標(biāo)為E 104°33′～105°10′，N 26°26′～26°64′之間，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫12.2 ℃，年均降水量為1 234.7 mm.六盤水市是貴州主要的煤炭開發(fā)城市之一，煤矸石堆放量和排放量居全省第一[11].

大河煤礦開采年限久遠(yuǎn)，項(xiàng)目組從2000年開始在此種植香根草進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理.礦區(qū)矸石全部來源于大河煤礦，香根草種植于當(dāng)年開采并堆積起來的矸石山上.香根草種植時(shí)附帶少許客土，澆少量水，1個(gè)月后對(duì)未成活的苗進(jìn)行補(bǔ)種.待其成活后便不再對(duì)香根草和矸石山進(jìn)行管理，香根草群落均在自然狀態(tài)下生長.

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

本試驗(yàn)于2016年9月15日，對(duì)5個(gè)不同種植年限的香根草煤矸石山基質(zhì)進(jìn)行采樣，各群落基本情況詳見表1.

表1 樣地基本情況

為避免重力和雨水淋溶作用對(duì)不同深度煤矸石基質(zhì)理化性狀的影響，本研究所有取樣點(diǎn)均位于香根草群落所在煤矸石山頂部相對(duì)較平坦的區(qū)域.在每塊樣地沿“S”型分別選設(shè)5個(gè)點(diǎn)，將基質(zhì)分成3層進(jìn)行取樣，分別為0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm，然后將同一層土樣混合，獲得各層混合樣(每個(gè)樣品不低1 kg)，將取好的土樣用塑封袋裝好，做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室.樣品經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過2 mm篩之后用于化學(xué)性質(zhì)的分析，同時(shí)分別在0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm土層用環(huán)刀法測(cè)定基質(zhì)容重及含水量.0～50 cm土層的數(shù)據(jù)為不同土層(0～10 cm、10～20 cm和20～50 cm的平均值).

1.3 測(cè)定方法

基質(zhì)物理指標(biāo)：采用環(huán)刀法測(cè)定煤矸石基質(zhì)的容重、含水率；總孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100%；化學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法：有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用0.05 mol/L HCL-0.025 mol/L(1/2 H2SO4)浸提比色法；速效鉀采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法[12].

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel2016軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS17.0進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan分析法對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限香根草群落下基質(zhì)物理性質(zhì)的變化

隨著種植年限的增加，在0～50 cm土層內(nèi)煤矸石山基質(zhì)容重呈下降趨勢(shì)，其中修復(fù)14 a的煤矸石基質(zhì)容重較修復(fù)3 a的下降了17%(P<0.05)，且這種下降趨勢(shì)在不同基質(zhì)深度(0～10 cm、10～20 cm和20～50 cm)均保持一致.除修復(fù)9 a香根草煤矸石地外，其余各種植年限香根草煤矸石地基質(zhì)容重均隨土層深度的增加而降低，表現(xiàn)為0～10 cm<10～20 cm<20～50 cm(P<0.05).

表2 不同種植年限香根草煤矸石基質(zhì)物理性質(zhì)的變化

同列不同大寫字母表示同一年限不同土層間差異顯著(P<0.05)；同行不同小寫字母表示同一土層不同年限間差異顯著(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).

隨著種植年限的增加，基質(zhì)含水量和總孔隙度在0～50 cm土層內(nèi)均逐漸增加(P<0.05)，相比于修復(fù)3 a的煤矸石地基質(zhì)含水量和孔隙度，經(jīng)過14 a的修復(fù)后，二者分別提高了55%和24%(P<0.05).而在0～10 cm、10～20 cm和20～50 cm處，修復(fù)14 a的煤矸石地基質(zhì)總含水量較修復(fù)3 a的分別增加了60%、55%和49%，基質(zhì)總孔隙度分別增加了30%、36%和18%.隨著深度的增加，基質(zhì)含水量和總孔隙度逐漸減小(P<0.05).

2.2 不同種植年限香根草群落下基質(zhì)主要營養(yǎng)成分的變化

2.2.1 有機(jī)質(zhì) 隨著香根草種植年限的增加，0～50 cm香根草煤矸石地有機(jī)質(zhì)含量逐漸上升，經(jīng)過14 a修復(fù)后，煤矸石地有機(jī)質(zhì)含量比種植3 a的香根草煤矸石地增加了9%.在0～10 cm土層內(nèi)，14 a香根草煤矸石地有機(jī)質(zhì)含量與3 a、4 a、7 a和9 a煤矸石地差異達(dá)到顯著水平，3 a、4 a煤矸石地有機(jī)質(zhì)含量與7 a和9 a煤矸石地差異也達(dá)到顯著水平.在10～20 cm土層內(nèi)，除14 a與7 a和3 a香根草煤矸石地有機(jī)質(zhì)含量差異顯著外，其余年限差異均不顯著，在20～50cm土層內(nèi)，各年限間差異不顯著.隨著土層深度的增加，各年限香根草煤矸石地有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢(shì)，在0～10 cm土層內(nèi)含量最高.

不同大寫字母表示同一種植時(shí)間不同土層間差異顯著(P<0.05)，不同小寫表示同一土層不同種植年限間差異顯著(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).圖1 不同香根草種植年限煤矸石山基質(zhì)有機(jī)質(zhì)Figure 1 The organic matter of different planting years of Vetiveria zizanioides coal spoil-heaps soil

2.2.2 堿解氮 香根草煤矸石地堿解氮含量隨著種植年限的增加而增加，在0～50 cm土層內(nèi)，14 a香根草煤矸石地堿解氮含量最高，為12.95 mg/kg，比種植3 a的香根草煤矸石地高43%.在0～10 cm土層內(nèi)，煤矸石地堿解氮含量最高，且與其他年限差異顯著.在10～20 cm土層種植14 a和9 a香根草煤矸石堿解氮含量差異不顯著，但與種植3 a、4 a和7 a香根草煤矸石地差異達(dá)到顯著水平.在20～50 cm土層內(nèi)各年限間差異不顯著.在垂直分布上，各年限堿解氮含量在數(shù)值上均表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～50 cm，呈下降趨勢(shì)(P<0.05).

2.2.3 速效磷 由圖3可知，隨著種植年限的增加，各香根草群落下基質(zhì)速效磷含量呈遞增趨勢(shì)，種植14 a后達(dá)到1.3 mg/kg，比種植3 a的香根草群落基質(zhì)速效磷含量高26%，且不同土層深度速效磷含量隨種植年限增加的變化趨勢(shì)一致.隨著土層的加深，在0～10 cm土層內(nèi)，各生長年限香根草煤矸石地速效磷含量高于10～20 cm和20～50 cm土層.

不同大寫字母表示同一種植時(shí)間不同土層間差異顯著(P<0.05)，不同小寫表示同一土層下不同種植時(shí)間差異顯著(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).圖2 不同香根草種植年限煤矸石山有機(jī)質(zhì)堿解氮Figure 2 The alkaline hydrolysis nitrogen of different planting years of Vetiveria zizanioides coal spoil-heaps soil

不同大寫字母表示同一種植時(shí)間不同土層間差異顯著(P<0.05)，不同小寫表示同一土層不同種植年限間差異顯著(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).圖3 不同香根草種植年限煤矸石山基質(zhì)速效磷Figure 3 The available P of different planting years of Vetiveria zizanioides coal spoil-heaps soil

2.2.4 速效鉀 由圖4可知，香根草煤矸石地的速效鉀含量隨著種植年限的增加呈上升趨勢(shì).在0～50 cm土層內(nèi)，均是種植14 a香根草煤矸石地速效鉀含量最高，與種植3 a香根草煤矸石地相比增加了55%.同一種植年限內(nèi)，隨著土層深度的加深，速效鉀含量均表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～50 cm.

2.3 煤矸石基質(zhì)理化性質(zhì)相關(guān)性分析

煤矸石山基質(zhì)理化指標(biāo)間存在不同程度的相關(guān)性(表3).基質(zhì)容重與含水率、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與含水率、總孔隙度、堿解氮、速效磷、速效鉀呈顯著正相關(guān)；堿解氮、速效磷和速效鉀兩兩之間存在顯著正相關(guān).

3 討論與結(jié)論

容重是反映基質(zhì)緊實(shí)程度最直接的指標(biāo)，隨著香根草群落種植年限增加，煤矸石山基質(zhì)容重逐漸減小，且同一種植時(shí)間在剖面上均表現(xiàn)為0～10 cm<10～20 cm<20～50 cm，這與薛燕琴等[13]研究結(jié)果類似.這是由于修復(fù)過程中隨著香根草群落的持續(xù)生長，根系大量擴(kuò)散和繁殖加劇了對(duì)基質(zhì)的穿透能力，改善了基質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，增加了基質(zhì)孔隙度，使得容重降低[14].而由于表層基質(zhì)中香根草凋落物和根系比下層多，經(jīng)微生物分解和合成的有機(jī)質(zhì)集中在基質(zhì)表層，使其疏松多孔，造成基質(zhì)容重比下層的低.隨著香根草種植年限的增加，基質(zhì)孔隙度則逐漸增大，表現(xiàn)與容重相反，這與王麗[15]和彭東海[16]的研究結(jié)果一致.

不同大寫字母表示同一種植時(shí)間不同土層間差異顯著(P<0.05)，不同小寫表示同一土層下不同種植時(shí)間差異顯著(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).圖4 不同香根草種植年限煤矸石山基質(zhì)速效鉀Figure 4 The available K of different planting years of Vetiveria zizanioides L coal spoil-heaps soil

理化指標(biāo)BD含水量Water content 總孔隙度Total porosityOMANAPAKBD1.000含水量Water content-0.924??1.000總孔隙度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：基質(zhì)容重；OM：有機(jī)質(zhì)；AN：堿解氮；AP：速效磷；AK：速效鉀

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

隨種植年限的增加，基質(zhì)含水量逐漸增加.這主要是因?yàn)榈蚵湮镏鹉攴e累覆蓋于地表，減少了地表的水分蒸發(fā)，起到保水作用[17].在垂直剖面上自然含水量隨基質(zhì)深度的增加而降低，這是由于植物根系生長所致，隨著香根草根系的生長，根系分布層以下土層的水分由于毛細(xì)作用逐漸上移至根系分布層為植物利用，表現(xiàn)為上層基質(zhì)含水量高于下層[18].

土壤有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[19].同時(shí)，有機(jī)質(zhì)對(duì)基質(zhì)修復(fù)過程中的響應(yīng)也較快，可以作為恢復(fù)階段和恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[20].煤矸石山基質(zhì)有機(jī)質(zhì)的積累主要受植被類型、煤矸石山質(zhì)地、歸還量等多種因素的影響，本研究區(qū)主要以植物對(duì)基質(zhì)歸還量為主，歸還量大能促進(jìn)基質(zhì)積累較多的有機(jī)質(zhì)[21].有研究表明，在煤矸石地區(qū)種植植被后，基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，并隨種植時(shí)間的延長而逐漸增大[22-23].本試驗(yàn)中，煤矸石基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量隨香根草種植年限的增加呈不斷上升的趨勢(shì).這主要由于植被修復(fù)增加了地表的植被覆蓋，減少了養(yǎng)分的流失；另一方面，植物殘?bào)w、根系以及根系分泌物的存在增加了向基質(zhì)輸入的有機(jī)質(zhì).另外隨著土層深度的增加，基質(zhì)有機(jī)質(zhì)呈降低趨勢(shì)，這與王麗艷等[24]研究結(jié)果一致，這可能是由于表層枯枝落葉的積累和根系殘留物逐漸分解，轉(zhuǎn)化成有機(jī)質(zhì)，這一部分有機(jī)質(zhì)首先進(jìn)入0～10 cm土層，為該層提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)來源，使有機(jī)質(zhì)含量高于較深土層.相關(guān)分析表明，有機(jī)質(zhì)與堿解氮、速效磷、速效鉀均呈極顯著正相關(guān)，說明有機(jī)質(zhì)在改善煤矸石山基質(zhì)結(jié)構(gòu)與提高基質(zhì)肥力方面具有重要作用.

煤矸石基質(zhì)中速效養(yǎng)分能夠比較準(zhǔn)確地反映營養(yǎng)元素的供應(yīng)水平，對(duì)植物的生長發(fā)育更為重要，可作為煤矸石山推薦施肥的根據(jù).本研究中，堿解氮、速效磷、速效鉀隨種植年限的增加和土層剖面的變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)一致，這與李楠[25]和郭楠[26]的研究結(jié)果相同.張洋等[27]認(rèn)為，在沒有外源營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充的情況下，氮、磷、鉀主要來源于有機(jī)質(zhì)，反映了養(yǎng)分之間內(nèi)在的平衡與耦合基質(zhì).本研究中，經(jīng)過14 a的修復(fù)，基質(zhì)堿解氮、速效磷僅從初期的7.32 mg/kg和0.43 mg/kg增加至17 mg/kg和1.76 mg/kg，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，兩者在基質(zhì)中處于嚴(yán)重缺失狀態(tài)，建議適當(dāng)?shù)卦鍪┑屎土追室詽M足植物需求.

綜上所述，通過對(duì)不同種植年限下煤矸石地基質(zhì)理化性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著香根草種植年限的增加，煤矸石基質(zhì)理化性質(zhì)得到顯著改善，其中種植14 a香根草煤矸石山基質(zhì)有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀分別比種植3 a香根草煤矸石山基質(zhì)增加9%、43%、26%、55%.且各理化指標(biāo)隨種植年限延長而增加的效果隨著基質(zhì)深度的增加而降低.