青海省木里地区位于祁连山中东段大通河谷地的山地多年冻土分布区, 区内分布有木里煤矿、江仓煤矿、热水煤矿、聚乎更煤矿等大型煤矿, 是青海省煤炭资源的集中分布区之一^[16]。聚乎更矿区位于天峻县木里镇境内, 是木里煤田重要组成矿区, 原煤储量达到13.79亿t左右, 地处祁连与刚察两县交界处的大通河上游地带。试验区地理位置见图1, 区内分布大量高寒草甸, 草甸下富含冻土, 采矿带来的生态问题如永久冻土破坏、草甸退化、河流污染等, 一旦破坏难以恢复^[17]。选取木里煤田聚乎更矿区五号井周边排土场(2.84 km²)作为试验地, 地理坐标99° 08' E, 38° 06' N, 海拔4130 m, 年平均气温-5.0 ℃左右, 区内自然条件艰苦, 生态环境脆弱, 植被和土壤恢复难度大。不同恢复年限下的试验地人工建植过程中, 土壤表层均覆盖25 cm左右周边土壤, 以保持试验地土壤理化性质一致。人工种植的草种主要有垂穗披碱草(Elymus nutans)、冷地早熟禾(Poa crymophila)、星星草(Puccinellia tenuiflora), 分别于种植当年(种植时间分别为2012、2014、2016年)5月下旬将相同播种量、播种比例(2:1:1)的草种混合撒播于样地, 播量300 kg· hm^-2, 播后覆盖无纺布。

图1

Fig.1

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	图1 试验区地理位置Fig.1 The geographical position of the study area

在试验地中, 虽然不同恢复年限下的样地坡度、坡向不尽一致, 但是通过人工覆土保持了地表土壤性质的统一, 在最大程度上避免坡度、坡向造成的土壤理化性质差异。2016年7月, 选择不同恢复年限下的样地, 人工建植时间分别为2012、2014、2016年, 所对应的恢复时间分别是恢复4、2、0年(由于试验区海拔高, 气候寒冷, 人工种植草种6月左右才开始萌芽, 经过1个多月的生长, 植被对土壤质量不会造成较大影响, 基于此, 将2016年即恢复当年样地视为未人工建植下的空白样地作为对照)。每个不同恢复年限样地分别随机选择4个1 m× 1 m样方, 每个样方分别测定总盖度。同时, 在每个样方内部及周边随机取5个10 cm土层土壤, 混合一起作为1个土壤样品。土壤样品均去除杂质(石块和植物残根等), 装入封口袋带回实验室, 测定土壤养分、有机质含量及pH值。其中, 全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凯氏定氮法测定; 全磷(total phosphorus, TP)采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定; 全钾(total potassium, TK)采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定; 碱解氮(available nitrogen, AN)采用碱解扩散法测定; 速效磷(available phosphorus, AP)采用0.5 mol· L^-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定; 速效钾(available potassium, AK)采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定; 土壤pH值(pH)采用电极法(水土比2.5:1)测定; 土壤有机质(soil organic matter, SOM)采用重铬酸钾容量法测定^[18]。植被盖度(vegetation coverage, VC)测定用直接目测法, 样方内垂直投影面积占样方面积的比值。

采用Excel 2007进行数据整理, 运用SPSS 19.0进行数据分析。

土壤中的全氮含量代表着土壤氮素的总贮量和供氮潜力, 是土壤肥力的重要指标之一, 而土壤碱解氮反映土壤短期内氮素供应情况。由图2可以看出, 人工建植当年与2、4年相比, 随着植被恢复时间的延长, 土壤全氮含量呈现出先上升、后下降的变化趋势。恢复当年土壤全氮含量为(4.04± 0.04) g· kg^-1, 恢复2年后上升为(4.55± 0.06) g· kg^-1, 恢复4年后又下降为(4.00± 0.12) g· kg^-1。虽然短期内(2年内)土壤全氮含量有一定幅度的上升(P< 0.05), 但较长一段时期内(4年内)土壤全氮含量与恢复当年相比差异不显著(P> 0.05), 短期植被恢复条件下土壤全氮含量基本维持在4 g· kg^-1的水平。可见, 在高寒矿区, 植被恢复过程对土壤全氮含量的影响在短期内不会有明显的变化。

图2

Fig.2

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	图2 不同恢复年限土壤氮含量变化特征 不同小写字母表示差异显著(P< 0.05), 下同。Fig.2 Variation of soil nitrogen with different restoration years Different small letters indicate significant differences at P< 0.05, the same below.

人工建植当年与2、4年相比, 碱解氮含量差异显著(P< 0.05)。随着植被恢复时间的延长, 碱解氮含量逐步下降, 恢复当年为(276.75± 2.22) mg· kg^-1, 恢复2年后下降为(252.00± 3.56) mg· kg^-1, 恢复4年后进一步降低为(139.25± 21.22) mg· kg^-1。与对照相比, 恢复2年和恢复4年土壤碱解氮含量分别下降了8.94%、49.68%。由以上分析可见, 高寒矿区煤矸石山人工建植过程中, 短期内植被恢复对土壤碱解氮含量产生较大影响, 随着恢复时间的延长, 土壤碱解氮被植物根系吸收利用, 引起含量的显著下降。

磷是植物生长的重要营养元素, 全磷是指土壤磷的总贮量, 而土壤速效磷是能被植物直接吸收和利用的无机磷或者小分子有机磷。由图3可以看出, 人工建植当年与2、4年相比, 随着恢复时间的延长, 土壤全磷含量呈增加趋势。恢复当年土壤全磷含量为(1.61± 0.04) g· kg^-1, 恢复2年后为(1.64± 0.06) g· kg^-1, 与恢复当年相比, 增加趋势不太明显(P> 0.05)。恢复4年后土壤全磷含量增加为(1.89± 0.13) g· kg^-1, 与恢复当年相比增加了17.39%, 表现为显著增加(P< 0.05)。短期植被恢复能够促进土壤全磷的积累, 引起含量在一定程度上增加, 对植被的后续生长产生有利的影响。

图3

Fig.3

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	图3 不同恢复年限土壤磷含量变化特征Fig.3 Variation of soil phosphorus with different restoration years

短期植被恢复条件下, 随着恢复时间的延长, 土壤速效磷含量与全磷含量相比趋势相反, 速效磷含量显著下降(P< 0.05)。恢复当年土壤速效磷含量为(43.33± 2.45) mg· kg^-1, 恢复2年后下降为(20.95± 1.37) mg· kg^-1, 恢复4年后进一步降低为(14.70± 2.92) mg· kg^-1。与对照相比, 恢复2年和恢复4年土壤速效磷含量分别下降了51.65%、66.07%。可见, 高寒矿区煤矸石山人工建植过程中, 植物的生长对土壤速效磷含量造成了较大影响, 植物根系吸收土壤速效磷在短期内得不到补充, 短期植被恢复条件下, 土壤速效磷含量下降明显。

土壤中钾元素是植物生长3大营养元素之一, 对植物生长代谢的调节起着重要作用, 全钾是指土壤中各种形态的钾含量, 速效钾是土壤钾元素有效供应的重要指标。由图4可以看出, 随着恢复时间的延长, 土壤全钾含量逐步下降。恢复当年土壤全钾含量为(19.18± 0.51) g· kg^-1, 恢复2年后下降为(17.39± 0.08) g· kg^-1, 恢复4年后进一步降低为(16.73± 0.46) g· kg^-1。与对照相比, 恢复2年和恢复4年土壤全钾含量分别下降了9.33%、12.77%, 下降幅度不是太明显, 但差异性显著(P< 0.05)。这表明短期植被恢复条件下, 植物生长过程对全钾含量造成了一定程度影响, 但是影响幅度不是太大。

图4

Fig.4

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	图4 不同恢复年限土壤钾含量变化特征Fig.4 Variation of soil potassium with different restoration years

与土壤全钾含量相比, 土壤速效钾含量下降幅度在恢复2年后就表现的比较明显(P< 0.05), 恢复当年土壤速效钾含量为(143.25± 9.14) mg· kg^-1, 恢复2年和恢复4年后分别下降为(114.50± 8.81) mg· kg^-1、(116.50± 18.28) mg· kg^-1, 与对照相比, 恢复2年和恢复4年土壤速效钾含量分别下降了20.07%、18.67%。可以看出, 恢复2年后土壤速效钾含量基本维持在一定水平, 变化幅度不是太明显。总体上来看, 高寒矿区煤矸石山人工建植过程中, 在短期植被恢复条件下, 随着恢复时间的延长, 土壤全钾、速效钾含量均表现为一定程度下降。

土壤有机质含量大小是判断土壤质量的重要指标之一, 是土壤肥力的物质基础和有效保障。由图5可以看出, 随着人工建植时间的延长, 土壤有机质含量呈显著增加趋势(P< 0.05)。恢复当年土壤有机质含量为(191.56± 4.73) g· kg^-1, 恢复2年后增加为(206.73± 4.22) g· kg^-1, 恢复4年后进一步增加为(273.97± 10.88) g· kg^-1。与恢复当年相比, 恢复2和4年后土壤有机质含量分别提高了7.92%、43.02%, 特别是恢复4年后土壤有机质含量大幅度上升, 这与植物的连续生长能够富集更多的土壤有机物质关系密切。

图5

Fig.5

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	图5 不同恢复年限土壤有机质含量和pH值变化特征Fig.5 Variation of soil organic matter and soil pH value with different restoration years

土壤pH值主要反映土壤的酸碱程度。本研究中, 随着人工建植时间的延长, 土壤pH值增加趋势明显(P< 0.05)。恢复当年土壤pH值为(6.21± 0.03), 恢复2年后增加为(6.50± 0.07), 恢复4年后增加为(7.15± 0.01), 土壤由酸性逐步向中性过渡, 高寒矿区煤矸石山土壤性质得到逐步改良。

盖度是反映植被群落结构的一个重要数量指标, 盖度的大小与土壤、气候等诸多环境因子密切相关, 同时也受到人为因素、动物活动干扰等影响。在测定不同恢复年限下土壤化学性质变化特征的同时, 测定了相应地上部分植被的总盖度。从图6中可以看出, 随着植被恢复时间的延长, 地上部分植被总盖度略有下降, 但是这一过程差异不显著。人工建植2、4年后盖度与恢复当年盖度相比变化不大, 基本维持在76%左右水平。在环境因子基本相同以及没有受到人为因素、动物活动干扰的背景下, 高寒矿区煤矸石山人工建植混播群落数量短期内能够保持稳定。

图6

Fig.6

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	图6 不同恢复年限植被盖度变化特征Fig.6 Variation of vegetation coverage with different restoration years

对不同恢复年限下土壤中的氮、磷、钾及有机质、pH值以及地上部分植物总盖度之间进行相关性分析(表1)。从结果中可以看出, 全氮含量与各指标之间均无显著相关(P> 0.05), 全氮含量的变化没有受到其他土壤指标的影响。碱解氮含量与速效磷、全钾含量呈极显著正相关(P< 0.01), 与全磷、有机质含量及pH值呈极显著负相关(P< 0.01)。全磷含量与有机质含量、pH值呈极显著正相关(P< 0.01), 与速效磷、全钾含量呈显著负相关(P< 0.05), 与碱解氮含量呈极显著负相关(P< 0.01)。速效磷含量与碱解氮、全钾含量呈极显著正相关(P< 0.01), 与速效钾含量呈显著正相关(P< 0.05), 与有机质、pH值呈极显著负相关(P< 0.01)。全钾含量与碱解氮、速效磷、速效钾含量呈极显著正相关(P< 0.01), 与全磷含量呈显著负相关(P< 0.05), 与有机质、pH值呈极显著负相关(P< 0.01)。速效钾含量与速效磷含量呈显著正相关(P< 0.05), 与全钾含量呈极显著正相关(P< 0.01)。有机质含量与全磷含量、pH值呈极显著正相关(P< 0.01), 与碱解氮、速效磷、全钾含量呈极显著负相关(P< 0.01)。pH值与全磷、有机质含量呈极显著正相关(P< 0.01), 与碱解氮、速效磷、全钾含量呈极显著负相关(P< 0.01)。植被总盖度仅与pH值之间呈显著负相关(P< 0.05), 与其他指标之间均无显著相关(P> 0.05)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同恢复年限土壤各养分和盖度之间的相关性分析 Table 1 Correlation analysis between different soil nutrients and vegetation coverage with different restoration years 项目Item 全氮TN 碱解氮AN 全磷TP 速效磷AP 全钾TK 速效钾AK 有机质SOM pH 碱解氮 AN 0.430 全磷 TP -0.401 -0.829* * 速效磷 AP -0.256 0.741* * -0.634* 全钾 TK -0.113 0.798* * -0.640* 0.921* * 速效钾 AK -0.250 0.528 -0.282 0.641* 0.739* * 有机质 SOM -0.422 -0.996* * 0.831* * -0.753* * -0.813* * -0.494 pH值 pH -0.259 -0.969* * 0.823* * -0.854* * -0.830* * -0.506 0.972* * 盖度 VC 0.184 0.525 -0.246 0.510 0.373 0.181 -0.531 -0.579* * * indicates the correlation is significant at the 0.01 level; * indicates the correlation is significant at the 0.05 level, n=12. * * 表示P< 0.01水平上显著相关, * 表示P< 0.05水平上显著相关, n=12。

表1 不同恢复年限土壤各养分和盖度之间的相关性分析 Table 1 Correlation analysis between different soil nutrients and vegetation coverage with different restoration years

总体上来看, 高寒矿区煤矸石山短期植被恢复条件下, 随着恢复时间的延长, 除全氮含量以外, 土壤各元素含量之间均具有一定的相关性; 短期内地上部分植被总盖度仅与土壤pH值之间具有一定的负相关性, 而暂时没有受到其他土壤化学指标的影响。在混播群落中, 由于土壤各元素含量大小与各物种间的盖度不是相互独立的, 对于土壤养分含量与群落中各物种盖度的相关性分析需要进一步深入研究。

土壤作为植物生长的基质, 其养分含量是地形、气候及生物因素等相互作用的结果^[19]。在其他因素相对稳定, 特别是人工覆土后表层土壤性质保持一致情况下, 生物因素将作为主导因素影响土壤性质的改变。在煤矿开采区开展人工建植能够有效改善土壤性质^[10], 并且随着恢复时间的延长, 土壤营养元素含量会发生不同的变化规律。对内蒙古地区露天煤矿人工建植20年后的土壤养分含量开展研究, 相比于自然恢复, 人工植被的重建加速了全氮、硝态氮的积累, 但是并没有改变土壤全磷、全钾和铵态氮的含量^[20]。在黄土高原区不同恢复年限下的露天煤矿土壤性质研究中表明, 不同土地利用类型土壤性质变化不同, 在耕地中恢复时间和全氮、全磷、速效磷含量呈正相关; 在林地中全氮含量表现为相反的趋势; 在草地中全磷和恢复时间呈正相关, 全钾和速效钾含量下降^[9], 相似地区做进一步研究发现, 随着恢复时间的延长, 碱解氮含量显著增加^[13]。从本研究中可以看出, 在高寒煤矿区, 煤矸石山经过4年多的短期恢复, 土壤中的全氮含量变化不明显, 全磷含量略有增加, 而全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量均有不同程度的下降。土壤全氮含量未发生明显改变, 主要可能由于恢复时间较短, 植被盖度没有明显增加造成。土壤磷素含量主要受土壤母质的影响, 生物因素影响不大^[21], 因此, 土壤全磷含量虽有所增加, 但是增幅不大。钾在土壤中的流动性强, 植物对钾的需求量也较大^[22], 因此土壤全钾含量逐步下降。碱解氮、速效磷、速效钾含量的下降主要由于地上植物根系的吸收利用造成, 高寒矿区温度低, 有机质分解速度缓慢, 地上植物对土壤速效养分的吸收利用得不到及时补充, 导致土壤速效营养成分下降明显。为此, 在高寒矿区人工建植过程中, 需适时补充氮、磷、钾等速效肥料, 以满足地上植被生长的需要。

土壤有机质、pH值等指标是影响土壤质量的关键因素^[23]。煤矿开采过程造成的植被破坏、土壤环境的改变等显著地影响生态系统碳循环过程。许多研究表明, 随着植被重建时间的延长, 土壤有机质(土壤有机碳)含量能够显著增加^{[6, 13, 24, 25]}。从本研究结果可以看出同样的趋势, 并且恢复4年后土壤有机质含量增加幅度明显, 与恢复当年相比增加了43.02%。土壤有机质是植物矿质营养和有机营养的源泉, 是形成土壤结构的重要因素之一, 直接影响土壤的耐肥、保墒和缓冲性等^[24], 土壤有机质增加通常被认为是土壤肥力增加的一个重要判断依据。在高寒矿区煤矸石山人工建植后, 由于气候严寒, 地上植被枯落物不断积累, 土壤有机质分解缓慢, 在短期内引起了土壤有机质的较大增加, 提高了土壤肥力。虽然高寒矿区土壤有机质被分解转化的过程较为缓慢, 地上植被难以吸收有效成分并快速利用, 但是减少土壤有机质的损失、增强其储存积累仍然被认为是矿山生态恢复成功的一个重要标志^[26]。土壤 pH 值在生态恢复过程中扮演重要角色, 通过调节植物营养有效性, 影响土壤微生物活性, 改变土壤可溶性养分含量, 引起土壤性质的变化^{[9, 27]}, 煤矿区植被恢复过程中, 土壤 pH 值表现出上升^[23]、下降^{[2, 10]}、没有显著变化^[6]和无规律变化^[28]等趋势, 在本研究中, 土壤 pH 值随着植被恢复年限的增加而增加, 土壤由酸性逐步向中性过渡, 以更好适应植被恢复生长。煤矿区植被恢复引起土壤 pH 值的变化, 不同的植被类型往往差别很大^{[9, 28]}, 但是, 总体上朝有利于地上植被良好生长的趋势变化。

植被盖度受自然条件、人类活动、动物采食等多种因素干扰发生变化。在其他因素相对稳定情况下, 随着植被恢复时间的延长盖度逐步增加^{[29, 30]}, 本研究结果与此不尽相同。青海木里煤田高寒矿区人工建植的地表是由大型机械耙机进行处理, 加大植被恢复播量(退化人工草地播量的10倍), 同时覆盖无纺布以利于种子萌发和幼苗的生长, 植被恢复当年盖度能够达到81.25%, 经过4年多的短期恢复, 植被盖度并没有明显的增加。主要原因可能有2个方面, 一方面由于人工建植时间较短, 加之后续未开展播种、施肥及覆盖无纺布等人工干预措施, 使得植被盖度没有增加。同时, 高寒矿区人工复绿植被自然更新过程困难, 由于高寒低温, 人工复绿植被种子不能够完全成熟, 野外观察结果来看, 种子大部分不饱满, 同时, 恢复4年植被中很少有植物幼苗存在, 人工植被的自疏现象同样不利于植被盖度的增加。鉴于恢复植被自然成活率低的现状, 应从植被恢复的翌年开始进行补播、施肥及覆盖无纺布等处理, 改善土壤、温度等环境条件, 以加大高寒矿区人工复绿植被自我更新及恢复进程。

随着高寒矿区煤矸石山植被恢复时间的延长, 土壤除全氮含量以外, 各元素含量之间均具有一定的相关性, 表明高寒矿区植被恢复过程中, 土壤各营养元素之间的复杂关系。由于未考虑植被吸收而对土壤质量进行研究, 存在一定局限性^[31], 下一步应该从高寒矿区植物、土壤养分含量的交互协同作用等方面开展研究。植被总盖度与土壤 pH 值之间负相关, 表明植被对土壤 pH 值的调节作用在加强。

高寒矿区植被恢复过程复杂, 短期内土壤变化特征研究具有一定局限性。而较长时间尺度下的土壤改良状况、土壤和植物之间的营养成分转变过程、地上群落结构变化特征等需进一步深入研究。