李青峰， 郭小平?， 萬(wàn)亞俊， 薛心悅, 蘇瑞東

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京； 2.內(nèi)蒙古廣納煤業(yè)有限責(zé)任公司，016000，內(nèi)蒙古烏海)

我國(guó)煤炭資源分布廣泛但不均勻，分布呈現(xiàn)“北多南少”“西多東少”的特點(diǎn)[1]。西部干旱荒漠區(qū)對(duì)我國(guó)目前的能源供給、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)具有不可替代的作用。然而煤炭開(kāi)采堆積了許多排土場(chǎng)，造成土地占?jí)汉椭脖黄茐牡纫幌盗袊?yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，急需相應(yīng)適宜的治理方案。該區(qū)域排土場(chǎng)現(xiàn)在采用的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)大多是毯簾覆蓋、磚砌框格、植物籬、植物網(wǎng)格、生態(tài)袋排水和干砌石排水溝等。以往有學(xué)者[2-3]指出沒(méi)有哪種固定模式是普遍適用的，當(dāng)前礦山生態(tài)恢復(fù)技術(shù)模式針對(duì)性不強(qiáng)，礦山修復(fù)的可持續(xù)性較差且工程的耐久度不夠，布設(shè)規(guī)格不合理等導(dǎo)致防護(hù)效果不佳。雖然針對(duì)干旱荒漠區(qū)煤礦排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)已經(jīng)有不少研究成果，但大多針對(duì)植被重建或者土壤基質(zhì)改良等單一方面進(jìn)行研究，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及推廣應(yīng)用的研究較少；因此，對(duì)排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工程系統(tǒng)地進(jìn)行技術(shù)模式評(píng)價(jià)，篩選適宜的技術(shù)模式對(duì)干旱荒漠區(qū)排土場(chǎng)治理具有重要意義。

西北干旱荒漠區(qū)種植豆科牧草和灌木可以改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力，使生態(tài)系統(tǒng)形成良性循環(huán)[4]。前人通過(guò)研究也提煉出一些適宜干旱荒漠區(qū)排土場(chǎng)的技術(shù)模式。段新偉等[5]針對(duì)青海木里煤田提出了無(wú)紡布覆蓋-灌溉養(yǎng)護(hù)的措施，對(duì)排土場(chǎng)植被快速恢復(fù)具有較好的成效，可推廣性強(qiáng)。董玉錕[6]研究發(fā)現(xiàn)，沙柳方格圍護(hù)，搭配沙打旺可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)?？琢顐サ萚7]指出穴鋪植生袋、旱梯田、旱坡植生帶和沙柳圍護(hù)等建植技術(shù)均可滿足在無(wú)養(yǎng)護(hù)條件下的生態(tài)恢復(fù)。篩選適宜的技術(shù)模式需要選取恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，采用合適的評(píng)價(jià)方法構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。

目前排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工程效益評(píng)價(jià)方法主要集中于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法。這些方法易受人為主觀的影響，導(dǎo)致評(píng)價(jià)體系不具有普適性。有研究[8]基于準(zhǔn)格爾能源礦區(qū)8個(gè)排土場(chǎng)從土地復(fù)墾、植被恢復(fù)、水土保持效益和綜合效益4個(gè)層面，選取了10項(xiàng)指標(biāo),利用層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，系統(tǒng)反映排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)效果。李全生等[9]經(jīng)過(guò)研究重點(diǎn)集成保水保土、土壤改良重構(gòu)、植被群落構(gòu)建和景觀功能提升等方面的關(guān)鍵技術(shù)，形成露天礦排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)體系。熵權(quán)法[10-11]可以充分利用信息熵對(duì)不同的方案進(jìn)行賦權(quán)，具有良好的客觀性，可以有效避免人為因素的干擾，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確可靠；因此，筆者結(jié)合主成分分析與熵權(quán)法構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，以烏海市已治理露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象，基于立地類型，從植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面評(píng)價(jià)不同技術(shù)模式的恢復(fù)效果，篩選適宜不同立地類型的對(duì)位配置技術(shù)，以期為西北干旱荒漠區(qū)排土場(chǎng)治理提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

駱駝山礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)，地理坐標(biāo)為E 106°49′37.61″～106°54′33.26″、N 39°23′08.95″～39°42′42.34″，海拔1 183～1 396 m，屬于典型干旱荒漠區(qū)，氣候類型屬溫帶干旱半干旱大陸性氣候。年均氣溫9.64 ℃，年均降雨量159.8 mm，年均蒸發(fā)量3 289 mm，降水主要集中于6—9 月，年際變化大，季節(jié)分配不均?？傮w地勢(shì)北高南低,東高西低,主要地貌類型包括山前堆積沖洪積扇、黃河上游沖積堆積階地等。土壤類型主要為棕鈣土、風(fēng)沙土，結(jié)構(gòu)松散,在水力和風(fēng)力作用下易發(fā)生水土流失。植被稀疏，多具耐旱性、抗風(fēng)性，植物群落特征主要是灌草結(jié)構(gòu)，主要植物種為四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、油蒿(Artemisiaordosica)、豬毛菜(Salsolacollina)等。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

筆者選取植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面的13項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。植被覆蓋度是植被恢復(fù)效果最直觀的表現(xiàn)，鄉(xiāng)土物種比例、植物多樣性越高，生態(tài)服務(wù)功能越好，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定，因此選取植被群落結(jié)構(gòu)、植被覆蓋度、鄉(xiāng)土物種比例和植物多樣性4項(xiàng)指標(biāo)表征植被恢復(fù)效果；土壤理化性質(zhì)的提升是土壤改良的直觀量化表現(xiàn)，參照《土壤質(zhì)量指標(biāo)與評(píng)價(jià)》[12]中的主導(dǎo)性、生產(chǎn)性和穩(wěn)定性的肥力指標(biāo)選取原則,選取土壤密度、土壤孔隙度、全氮、全磷、全鉀和有機(jī)碳含量6項(xiàng)指標(biāo)表征土壤改良效果；選取工程措施成本、建植材料成本和養(yǎng)護(hù)成本3項(xiàng)指標(biāo)表征經(jīng)濟(jì)性。

2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)調(diào)查的14座排土場(chǎng)(圖1和表1)分布于海勃灣區(qū)和海南區(qū)，治理年限介于1～5 a之間。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Layout of sample sites in the study area

表1 樣地分布

2021年7—8月對(duì)研究區(qū)排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)工程，基于不同立地類型，不同技術(shù)模式選取樣地，對(duì)其植被、土壤，經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行調(diào)查。在選取的擬調(diào)查樣地用五點(diǎn)取樣法布設(shè)5 m×5 m灌木樣方，1 m×1 m草本樣方各5個(gè)，調(diào)查樣方內(nèi)植被的種類、數(shù)量，植物多樣性用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)表征；植被覆蓋度通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)影像獲取。在選取的擬調(diào)查樣地的坡上、坡中、坡下用100 cm3環(huán)刀分層取樣0～5和5～10 cm的表層土壤樣品各1個(gè)，0～10 cm塑封袋土樣1份用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。1個(gè)樣地共計(jì)取6個(gè)表層土壤樣品，3份塑封袋土樣。土壤孔隙度通過(guò)土壤密度與土粒密度通過(guò)公式計(jì)算獲取；土壤密度通過(guò)環(huán)刀法烘干稱量測(cè)定；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷含量采用NaOH熔融鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用氫氧化鈉火焰光度法測(cè)定；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀稀釋熱法測(cè)定。土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法是依據(jù)GB15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用SPSS 24對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)合主成分分析與熵權(quán)法確定綜合權(quán)重，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各項(xiàng)技術(shù)模式的治理效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 首先將原始數(shù)據(jù)矩陣通過(guò)極差法[13]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

正向指標(biāo)：

(1)

式中：Zij為標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)據(jù)；Rij為指標(biāo)實(shí)測(cè)值；min(Rij)為指標(biāo)實(shí)測(cè)最小值；max(Rij)為指標(biāo)實(shí)測(cè)最大值。

負(fù)向指標(biāo)：

(2)

2.3.2 主成分分析法和熵權(quán)法結(jié)合確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

1)主成分權(quán)重的計(jì)算。將標(biāo)準(zhǔn)化處理之后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 24進(jìn)行主成分分析。筆者依據(jù)特征值>1進(jìn)行主成分提取，共提取6個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率≥75%,足以解釋各個(gè)指標(biāo)對(duì)恢復(fù)效果的影響[14]。利用式3計(jì)算主成分法的未歸一化權(quán)重，然后通過(guò)式4對(duì)權(quán)重進(jìn)行歸一化得到主成分權(quán)重Di。

Fi=(F1P1+F2P2+F3P3+F4P4+
F5P5+…+FiPi)/Pi。

(3)

式中：Fi為各指標(biāo)主成分未歸一化權(quán)重；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3…Fi為各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)主成分的因子；P1,P2,P3…Pi為各主成分所占方差比例；Pi為主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。

(4)

式中：Di為各指標(biāo)主成分法歸一化權(quán)重；m為指標(biāo)數(shù)量。

2)熵權(quán)法權(quán)重的計(jì)算。將標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)據(jù)通過(guò)式5和6計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的熵值與歸一化權(quán)重。

(5)

式中：Bi為各指標(biāo)的熵值；n為樣地?cái)?shù)量。

(6)

式中Ci為各指標(biāo)熵權(quán)法歸一化權(quán)重。

3)綜合權(quán)重的計(jì)算。將主成分權(quán)重和熵權(quán)法權(quán)重通過(guò)“乘法”集成綜合權(quán)重[15]，計(jì)算式為

(7)

式中Wi為各指標(biāo)的綜合權(quán)重。

2.3.3 基于立地類型對(duì)調(diào)查樣地及技術(shù)模式進(jìn)行分類 參照楊宇平等[16]在寧東礦區(qū)做的研究，本研究選取坡度、坡向、覆土厚度作為主導(dǎo)因子，主導(dǎo)因子分級(jí)參照GB/T 38360—2019《裸露坡面植被恢復(fù)技術(shù)規(guī)范》(表2)，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行立地類型劃分，共劃分為9種立地類型(表3)。

表2 立地因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.4 不同技術(shù)模式綜合得分評(píng)價(jià) 通過(guò)式8計(jì)算各項(xiàng)技術(shù)模式的綜合得分并進(jìn)行排序，評(píng)價(jià)不同模式的恢復(fù)效果，最終得到適宜不同立地類型的對(duì)位配置技術(shù)模式，本研究共總結(jié)23種技術(shù)模式(表3)。

(8)

式中S為各技術(shù)模式綜合得分。

表3 不同立地類型和生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式樣地分布

續(xù)表3

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重

將主成分權(quán)重和熵權(quán)法權(quán)重通過(guò)式7計(jì)算得到綜合權(quán)重，結(jié)果如表4所示。

表4 各項(xiàng)指標(biāo)綜合權(quán)重

3.2 綜合評(píng)分法結(jié)果分析

通過(guò)式8計(jì)算各技術(shù)模式的植被恢復(fù)、土壤改良、經(jīng)濟(jì)性和綜合得分(表5～7)，評(píng)價(jià)不同技術(shù)模式的綜合恢復(fù)效果，最終篩選出適宜不同立地類型的對(duì)位配置技術(shù)模式。土壤C/N是反映土壤質(zhì)量變化，衡量土壤碳氮營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)[17]。閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[18-20]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)理論認(rèn)為微生物生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖最適C/N為20～30之間，C/N為25時(shí)，堆肥腐熟度和養(yǎng)分含量最高。植被恢復(fù)與土壤改良是一個(gè)相互作用的過(guò)程，從植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面評(píng)價(jià)技術(shù)模式之后，再結(jié)合C/N從養(yǎng)分供給狀況及植被恢復(fù)現(xiàn)狀對(duì)其養(yǎng)護(hù)管理提出建議。

1)在厚層急陰陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和5)最好的是1號(hào)樣地的生態(tài)袋截排水+播種模式(0.554)，6號(hào)樣地的礫石壓蓋+生態(tài)袋排水+播種模式(0.533)的恢復(fù)效果次之。

1號(hào)樣地的生態(tài)袋截排水+播種的植被恢復(fù)效果(0.173)與6號(hào)樣地的礫石壓蓋+生態(tài)袋排水+播種(0.179)極為接近，但成本最低，即經(jīng)濟(jì)性最好，土壤改良效果(0.252)最差。壤C/N(15.9)顯著小于最適范圍，土壤全氮儲(chǔ)量(0.041 kg/m2)與另外2種模式非常接近，土壤碳儲(chǔ)量(0.649 kg/m2)顯著低于6號(hào)樣地的礫石壓蓋+生態(tài)袋排水+播種(0.903 kg/m2)，但是略高于2號(hào)樣地的植物籬+生態(tài)袋排水+播種(0.614 kg/m2)。原因是該技術(shù)模式缺乏相應(yīng)的坡面防護(hù)措施，表土保護(hù)及防治水土流失的效果較差，土壤養(yǎng)分損失。因此該技術(shù)模式不適宜在厚層急陰陽(yáng)坡立地類型推廣應(yīng)用。

6號(hào)樣地的礫石壓蓋+生態(tài)袋排水+播種的植被恢復(fù)效果(0.179)最好，土壤改良效果(0.279)與排名第1的2號(hào)樣地的植物籬+生態(tài)袋排水+播種(0.291)相差不大，經(jīng)濟(jì)成本比另外2種模式較高，經(jīng)濟(jì)性最差。土壤碳儲(chǔ)量(0.903 kg/m2)顯著高于另外2種技術(shù)模式，可能原因是礫石壓蓋表土保護(hù)效果較好，一定程度減少了徑流對(duì)土壤的侵蝕及養(yǎng)分的運(yùn)移損失，這與薛東明[21]得出的結(jié)論一致。該技術(shù)模式C/N為20.3，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化大致處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，有利于植物吸收土壤養(yǎng)分。綜上，在厚層急陰陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是礫石壓蓋+生態(tài)袋排水+播種。

2)在厚層陡陰陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和表5)最好的是5號(hào)樣地的生態(tài)棒+生態(tài)袋排水+播種模式(0.602)，3號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+生態(tài)袋排水+播種模式(0.532)的恢復(fù)效果次之。

5號(hào)樣地的生態(tài)棒+生態(tài)袋排水+播種的土壤改良效果(0.289)以及經(jīng)濟(jì)性(0.133)最好，植被恢復(fù)效果(0.180)與3號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+生態(tài)袋排水+播種(0.187)非常接近。該技術(shù)模式的土壤碳儲(chǔ)量(0.970 kg/m2)顯著高于其他技術(shù)模式，C/N(19.6)接近20，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化大致處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，有利于植物吸收土壤養(yǎng)分。

3號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+生態(tài)袋排水+播種的植被恢復(fù)效果(0.187)最好，土壤改良效果(0.258)排名第2，經(jīng)濟(jì)性(0.087)相對(duì)較差。該技術(shù)模式的土壤全氮儲(chǔ)量(0.053 kg/m2)最高，C/N(13.4)顯著<20，但是植被恢復(fù)效果最好，說(shuō)明該技術(shù)模式可以及時(shí)供應(yīng)植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分；有利于土壤中氮素的積累，在前期布設(shè)以及初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可以考慮適當(dāng)減少氮肥投入，節(jié)約成本。綜上，在厚層陡陰陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是生態(tài)棒+生態(tài)袋排水+播種和沙柳網(wǎng)格+生態(tài)袋排水+播種。

3)在中層陡陰陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和表5)最好的是17號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式(0.642)，37號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式(0.620)排名第2，20號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式(0.609)排名第3，7號(hào)樣地的無(wú)紡布+生態(tài)袋排水+播種模式(0.530)的恢復(fù)效果排名第4。

表5 陰陽(yáng)坡立地類型組生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式評(píng)價(jià)

表6 陽(yáng)坡立地類型組生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式評(píng)價(jià)

表7 中層陡陰坡立地類型生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式評(píng)價(jià)

17號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種的植被恢復(fù)效果(0.170)以及經(jīng)濟(jì)性(0.143)排名均靠前，土壤改良效果(0.330)最好。該技術(shù)模式的土壤碳儲(chǔ)量(1.138 kg/m2)和土壤全氮儲(chǔ)量(0.034 kg/m2)均顯著高于其他技術(shù)模式，說(shuō)明植被恢復(fù)與土壤改良互作良好，有利于土壤中養(yǎng)分的積累。C/N(33.7)略高于最適范圍，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化大致處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，養(yǎng)分供應(yīng)充足。37號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式植被恢復(fù)不佳，土壤養(yǎng)分含量較高，可能的原因是前期布設(shè)施肥較多，并且植被生長(zhǎng)消耗較少；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看，該樣地鄉(xiāng)土物種比例及植物多樣性較低，說(shuō)明植被配置不太合理，導(dǎo)致植被恢復(fù)較差，植被配置時(shí)應(yīng)該注意增加適應(yīng)性強(qiáng)的鄉(xiāng)土物種。

7號(hào)樣地的無(wú)紡布+生態(tài)袋排水+播種的植被恢復(fù)效果(0.198)及經(jīng)濟(jì)性(0.179)都最好，土壤改良效果較差(0.153)。該技術(shù)模式的土壤碳儲(chǔ)量(0.828 kg/m2)和全氮儲(chǔ)量(0.013 kg/m2)都比較低，可能的原因是無(wú)紡布局部降解，蓄水減沙效益減弱，導(dǎo)致水土流失，養(yǎng)分損失。同時(shí)植被恢復(fù)最好，養(yǎng)分處于高度消耗狀態(tài)。C/N(62.2)顯著>最適范圍，在前期布設(shè)以及初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中要注意合理增施氮肥和有機(jī)肥，植被配置適當(dāng)增加豆科植物比例，增強(qiáng)生物固氮效應(yīng)，提升植被恢復(fù)效果。綜上，在中層陡陰陽(yáng)坡立地類型下，適宜推廣的技術(shù)模式是毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種和無(wú)紡布+生態(tài)袋排水+播種。

4)在薄層陡陰陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和5)最好的是10號(hào)樣地的磚砌拱形骨架+密目網(wǎng)覆蓋+播種模式(0.610)，39號(hào)樣地的磚砌方形骨架+播種模式(0.556)恢復(fù)效果次之。

10號(hào)樣地的磚砌拱形骨架+密目網(wǎng)覆蓋+播種的土壤改良效果(0.309)最好，經(jīng)濟(jì)性(0.095)相對(duì)較差，植被恢復(fù)效果(0.206)與排名第1的39號(hào)樣地的磚砌方形骨架+播種模式(0.216)相差不大。該技術(shù)模式表土保護(hù)及減弱水土流失的效果較好；土壤碳儲(chǔ)量(1.821 kg/m2)和全氮儲(chǔ)量(0.053 kg/m2)均顯著高于其他技術(shù)模式，有利于土壤中養(yǎng)分積累。C/N(34.2)略高于最適范圍，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化大致處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因此在植被配置時(shí)可以適當(dāng)增加豆科牧草的比例，增強(qiáng)生物固氮效應(yīng)，無(wú)需額外施加氮肥。

39號(hào)樣地的磚砌方形骨架+播種3個(gè)層面表現(xiàn)都較好。土壤碳儲(chǔ)量(1.486 kg/m2)與土壤全氮儲(chǔ)量(0.033 kg/m2)處于中等水平，顯著小于10號(hào)樣地的磚砌拱形骨架+密目網(wǎng)覆蓋+播種。原因是僅有骨架護(hù)坡，沒(méi)有相應(yīng)的表土苫蓋措施，易發(fā)生水土流失導(dǎo)致養(yǎng)分損失。C/N(45.2)顯著>最適范圍，但是植被恢復(fù)效果(0.216)最好，說(shuō)明該技術(shù)模式可以及時(shí)供應(yīng)植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，對(duì)氮素消耗較快。因此在植被配置時(shí)可以適當(dāng)增加豆科牧草的比例，增強(qiáng)生物固氮效應(yīng)，無(wú)需額外施加氮肥。同時(shí)要保證工程措施的布設(shè)規(guī)格合理。綜上，在薄層陡陰陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是磚砌拱形骨架+密目網(wǎng)覆蓋+播種和磚砌方形骨架+播種。

5)在中層急陰陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和5)最好的是26號(hào)樣地的毯簾覆蓋+波紋管/生態(tài)袋排水+播種(0.525)，23號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種(0.503)綜合恢復(fù)效果次之，32號(hào)樣地的磚砌方形骨架+毯簾覆蓋+播種(0.490)的綜合恢復(fù)效果排名第3。

26號(hào)毯簾覆蓋+波紋管/生態(tài)袋排水+播種的土壤改良效果(0.316)最好，植被恢復(fù)效果(0.136)不佳，經(jīng)濟(jì)性(0.074)相對(duì)較差。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看，該樣地植被覆蓋度及植物多樣性很低，植被配置不太合理導(dǎo)致植被恢復(fù)效果不好。土壤改良效果(0.316)明顯優(yōu)于23號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種(0.207)，可能的原因是前期布設(shè)施肥較多，排水管耐久度高，封閉管道，無(wú)論雨強(qiáng)大小，都可以穩(wěn)定地發(fā)揮表排水功能，減弱水土流失和養(yǎng)分運(yùn)移損失。而生態(tài)袋在布設(shè)初期容易風(fēng)化破損，雨強(qiáng)較大時(shí)，排水效果明顯下降。土壤碳儲(chǔ)量(1.298 kg/m2)和全氮儲(chǔ)量(0.035 kg/m2)均排名前3，C/N(36.6)>最適范圍，植被配置應(yīng)適當(dāng)增加豆科植物比例，增強(qiáng)生物固氮效應(yīng)，提升植被恢復(fù)效果。

32號(hào)樣地的磚砌方形骨架+毯簾覆蓋+播種的植被恢復(fù)效果(0.151)和土壤改良效果(0.249)均排名第3，經(jīng)濟(jì)性(0.091)相對(duì)較差。該模式缺乏排水設(shè)施，減弱水土流失的效果一般。土壤碳儲(chǔ)量(1.610 kg/m2)和全氮儲(chǔ)量(0.032 kg/m2)均顯著高于其他技術(shù)模式，C/N(50.3)顯著>最適范圍，說(shuō)明該技術(shù)模式有利于土壤養(yǎng)分的積累，尤其是土壤有機(jī)碳的積累。植被恢復(fù)效果有待提升，結(jié)合實(shí)地調(diào)查來(lái)看，該樣地鄉(xiāng)土物種比例較低。因此植被配置應(yīng)該優(yōu)先鄉(xiāng)土物種，適當(dāng)減少有機(jī)肥投入。綜上，在中層急陰陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是毯簾覆蓋+波紋管/生態(tài)袋排水+播種和磚砌方形骨架+毯簾覆蓋+播種。

6)在薄層急陰陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和5)最好的是22號(hào)樣地的磚砌拱形骨架+生態(tài)袋排水+播種(0.500)，該技術(shù)模式植被恢復(fù)效果(0.136)比29號(hào)樣地的礫石壓蓋+密目網(wǎng)覆蓋+干砌石截水溝+播種(0.169)差，土壤改良(0.221)及經(jīng)濟(jì)性(0.143)優(yōu)于后者，土壤碳儲(chǔ)量(1.640 kg/m2)與土壤全氮儲(chǔ)量(0.034 kg/m2)顯著高于后者，有利于土壤中養(yǎng)分積累。C/N(48.4)顯著>最適范圍，植被恢復(fù)效果有待提升，結(jié)合實(shí)地調(diào)查來(lái)看，該樣地鄉(xiāng)土物種比例較低，因此植被配置應(yīng)該優(yōu)先鄉(xiāng)土物種，適當(dāng)減少有機(jī)肥投入。綜上，在薄層急陰陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是磚砌拱形骨架+生態(tài)袋排水+播種。

7)在薄層陡陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和6)最好的是11號(hào)樣地的生態(tài)袋截排水+播種(0.503)，30號(hào)樣地的礫石壓蓋+密目網(wǎng)覆蓋+干砌石截水溝+播種模式(0.425)恢復(fù)效果次之。

11號(hào)樣地的生態(tài)袋截排水+播種的植被恢復(fù)效果(0.176)和經(jīng)濟(jì)性(0.128)顯著優(yōu)于另外2種技術(shù)模式，土壤改良效果(0.199)與排名第1的30號(hào)樣地的礫石壓蓋+密目網(wǎng)覆蓋+干砌石截水溝+播種(0.204)極為接近。該技術(shù)模式的土壤全氮儲(chǔ)量(0.028 kg/m2)顯著高于另外2種技術(shù)模式，C/N(22.3)處于最適范圍內(nèi)，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，有利于植物吸收土壤養(yǎng)分，后期養(yǎng)護(hù)無(wú)需額外施肥。

30號(hào)樣地的礫石壓蓋+密目網(wǎng)覆蓋+干砌石截水溝+播種的土壤改良效果(0.204)最好，植被恢復(fù)效果(0.134)位居第2，經(jīng)濟(jì)性(0.087)略遜于11號(hào)樣地的生態(tài)袋截排水+播種(0.128)。土壤碳儲(chǔ)量(0.474 kg/m2)與土壤全氮儲(chǔ)量(0.017 kg/m2)表現(xiàn)一般，C/N(28.2)處于最適范圍內(nèi)，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因此在前期布設(shè)及初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可以考慮增施有機(jī)肥和氮肥，植被配置增加豆科植物比例，增強(qiáng)生物固氮效應(yīng)，進(jìn)一步提升植被恢復(fù)效果。綜上，在薄層陡陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是生態(tài)袋截排水+播種和礫石壓蓋+密目網(wǎng)覆蓋+干砌石截水溝+播種。

8)在中層急陽(yáng)坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和6)最好的是38號(hào)樣地的生態(tài)袋排水+截水盤(pán)植苗/播種模式，各個(gè)層面都明顯好于13號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+播種模式。該技術(shù)模式的土壤碳儲(chǔ)量(1.016 kg/m2)和土壤全氮儲(chǔ)量(0.026 kg/m2)均顯著高于13號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+播種模式。它是當(dāng)年治理，土壤養(yǎng)分充足，植被生長(zhǎng)茂盛，并且布設(shè)有排水措施，一定程度減弱徑流對(duì)土壤的侵蝕，減少土壤養(yǎng)分的損失。C/N(39.5)>最適范圍，因此在前期布設(shè)及初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中可以考慮適當(dāng)減少有機(jī)肥投入，節(jié)約成本。綜上，在中層急陽(yáng)坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是生態(tài)袋排水+截水盤(pán)植苗/播種。

9)在中層陡陰坡立地類型下，植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面綜合效果(表3和7)最好的是18號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式(0.660)，16號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式(0.572)排名第2，14號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+播種模式(0.544)的綜合恢復(fù)效果位居第3。

18號(hào)樣地的毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種模式的植被恢復(fù)效果(0.179)排名第3，土壤改良效果(0.338)及經(jīng)濟(jì)性(0.143)顯著優(yōu)于其他技術(shù)模式。該技術(shù)模式表土保護(hù)及減少水土流失的效果較好，土壤碳儲(chǔ)量(1.332 kg/m2)和土壤全氮儲(chǔ)量(0.055 kg/m2)均表現(xiàn)良好，有利于土壤中養(yǎng)分的積累。C/N(24.1)處于最適范圍，土壤碳氮養(yǎng)分礦化與同化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，有利于植物吸收養(yǎng)分。

14號(hào)樣地的沙柳網(wǎng)格+播種植被恢復(fù)效果(0.212)最好，土壤改良效果(0.217)以及經(jīng)濟(jì)性(0.116)一般。該技術(shù)模式缺乏配套的截排水措施，易發(fā)生水土流失和養(yǎng)分損失，土壤碳儲(chǔ)量(0.745 kg/m2)與全氮儲(chǔ)量(0.020 kg/m2)均相對(duì)較低，植被生長(zhǎng)旺盛，土壤養(yǎng)分處于高度消耗的狀態(tài)。C/N(36.5)>最適范圍，因此在前期布設(shè)及初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，植被配置增加豆科植物比例，增強(qiáng)生物固氮效應(yīng)，提升植被恢復(fù)效果，無(wú)需額外施加氮肥。綜上，在中層陡陰坡立地類型下適宜推廣的技術(shù)模式是毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種和沙柳網(wǎng)格+播種。

在9種立地類型下，共調(diào)查到23種技術(shù)模式，篩選出14種效果好低成本易推廣的技術(shù)模式，并且結(jié)合土壤碳儲(chǔ)量、土壤全氮儲(chǔ)量及C/N針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)模式提出應(yīng)用建議(表8)。

表8 不同立地類型對(duì)位配置生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式及應(yīng)用建議

續(xù)表8

4 討論

1)陰坡立地條件下各項(xiàng)技術(shù)模式綜合得分為0.44～0.66(表7)，植被恢復(fù)得分為0.11～0.21(表7)，土壤改良得分為0.18～0.34(表7)；陽(yáng)坡立地條件下各項(xiàng)技術(shù)模式綜合得分為0.31～0.53(表6)之間，植被恢復(fù)得分為0.09～0.18，土壤改良得分為0.12～0.24(表6)，造成差異的原因是陰坡立地類型下，土壤水分消耗及植被蒸騰作用較弱，養(yǎng)分含量較高，在干旱條件下更加有利于植被生長(zhǎng)，這與張倩等[22]研究結(jié)果一致。

2)同一立地類型下，相同的技術(shù)模式綜合恢復(fù)效果略有差別，是由于調(diào)查樣地位于不同的排土場(chǎng)，植被配置及土壤環(huán)境略有差異，還受到施工質(zhì)量及措施維護(hù)的影響，因此恢復(fù)效果略有差別。

3)某些技術(shù)模式綜合恢復(fù)效果較好，土壤養(yǎng)分含量也充足，但是植被恢復(fù)一般，可能是植被種配置不合理或者生長(zhǎng)季養(yǎng)護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的，前期施肥較多，植被生長(zhǎng)對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗較少，養(yǎng)分含量偏高。若植被恢復(fù)效果較好，土壤改良效果一般，可能是因?yàn)榕磐翀?chǎng)治理年限較短，植被建植初期，土壤中的養(yǎng)分供給植物生長(zhǎng)，處于高度消耗狀態(tài)，或者排水效果不好，水土流失導(dǎo)致養(yǎng)分含量偏低。

4)對(duì)于植被恢復(fù)效果較好，土壤中養(yǎng)分含量較低，C/N明顯偏離最適范圍的情況，需要結(jié)合該立地類型下周邊未擾動(dòng)自然區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況，進(jìn)一步?jīng)Q定是否應(yīng)該在布設(shè)前期及初期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中適當(dāng)追肥，促使植被恢復(fù)效果更好，或者減少肥料投入，節(jié)約成本。對(duì)于植被恢復(fù)效果有待提升，C/N明顯偏離最適范圍或者土壤碳儲(chǔ)量、土壤全氮儲(chǔ)量明顯偏低的情況，需要識(shí)別影響植被恢復(fù)效果的限制因子，如果養(yǎng)分不是主要的限制因子，則不考慮補(bǔ)充施肥。如果養(yǎng)分是主要的限制因子，則考慮補(bǔ)充施肥，但是會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本增加，該建議是否可行，若可行，具體的施肥量有待進(jìn)一步研究。

5)毯簾覆蓋在干旱條件下有利于植被生長(zhǎng)，原因是增大了地表粗糙度和和土壤入滲能力，降低徑流對(duì)土壤的沖刷以及養(yǎng)分損失，這與珊丹等[23]和蔡旭東等[24]的研究結(jié)果一致。植物籬根系具有穿插和纏繞作用，可以顯著提升土壤的抗侵蝕能力，減少?gòu)搅髁?，具有良好的水蝕防控作用。但是為了更好地發(fā)揮植物籬固持表土，減流減沙作用，扦插植物需要具備較高的抗侵蝕能力以及改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和滲透性的能力[25]。如果經(jīng)濟(jì)條件允許，可以考慮選擇根系發(fā)達(dá)的活體植物扦插，布設(shè)規(guī)格要合理，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量。

6)結(jié)合主成分分析與熵權(quán)法，用“乘法”集成二者權(quán)重，減少了單一方法賦權(quán)的影響。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)地調(diào)查結(jié)果基本一致，符合各項(xiàng)技術(shù)模式的恢復(fù)現(xiàn)狀。在干旱荒漠區(qū)，速效養(yǎng)分較少，全量養(yǎng)分可以更好地反映生態(tài)恢復(fù)效果的后期潛力，土壤密度、土壤孔隙度、氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量是土壤主要的理化指標(biāo)；植被覆蓋度是植被恢復(fù)最直觀的表現(xiàn)，鄉(xiāng)土物種比例及植物多樣性可以反映植被配置的適宜性；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)則很大程度上決定了該項(xiàng)技術(shù)模式能否大范圍推廣應(yīng)用。因此從植被恢復(fù)、土壤改良和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)層面選取13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以系統(tǒng)全面地反映各項(xiàng)技術(shù)模式的優(yōu)劣。

5 結(jié)論

1)毯簾覆蓋+生態(tài)袋排水+播種技術(shù)模式在中層陡陰陽(yáng)坡立地類型、中層陡陰坡立地類型、中層急陰陽(yáng)坡立地類型下綜合恢復(fù)效果都比較好，適宜推廣應(yīng)用。

2)其他配套措施相同的條件下，磚砌方形/拱形骨架相比于毯簾覆蓋，更有利于土壤中有機(jī)碳和氮素的積累。原因是磚砌方形/拱形骨架表土保護(hù)、減少水土流失的效果更好，工程耐久度更高。磚砌方形骨架和磚砌拱形骨架的護(hù)坡效果差異與布設(shè)規(guī)格及施工質(zhì)量有關(guān)，應(yīng)用過(guò)程中需要注意選定合適的規(guī)格，保證施工質(zhì)量。

3)在西北干旱荒漠區(qū)陰坡立地類型下，土壤水分消耗及植被蒸騰作用較弱，養(yǎng)分含量較高，更加有利于植被恢復(fù)。

4)植被恢復(fù)與土壤改良是一個(gè)相互作用的過(guò)程，植被配置以及生長(zhǎng)狀況會(huì)影響土壤中養(yǎng)分積累，同時(shí)土壤養(yǎng)分含量及其比例又會(huì)影響生長(zhǎng)期的養(yǎng)分供給，進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)狀況。因此可以結(jié)合C/N從養(yǎng)分供給狀態(tài)及植被恢復(fù)現(xiàn)狀對(duì)技術(shù)模式養(yǎng)護(hù)管理提出建議。