煤矸石山不同坡面土壤营养元素与植被配置模式研究

张静雯 ，张成梁 ，宋 楠，康 璇，吴智洋，王黎黎

（1.北京林业大学水土保持学院，北京100083；2.轻工业环境保护研究所，北京100089；3.山西省林业科学研究院，山西太原030012）

山西省煤炭资源丰富，是我国最重要的煤炭生产省份[1]，而煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的主要固体废弃物[2]，约占开采量的20%[3]。目前我国煤矸石的综合利用率为30%～40%[4-5]，多数煤矸石都以就近堆放为主，形成大小不一、占压土地、破坏景观的煤矸石山，对环境为害极为严重[6]。煤矸石由于长期露天堆放，矸石内部的热量逐渐积累，当温度达到燃点时，矸石中的残煤及其他可燃物便可自燃。凡煤层含硫在3%左右，硫铁矿占40%以上的煤矸石，并有硫铁矿结核出现，都会引起自燃发火[7-8]。

田间实际情况表明：即使在土壤质地相同的区域内，同一时刻其他土壤特性在不同空间位置上也具有明显的空间变性[9]。由于煤矸石山上各个坡面上温度、风速、土壤水分等环境因子存在差异，各个坡面自燃情况也有所不同，煤矸石的自燃所产生的大量热能也造成了煤矸石山不同坡面上营养元素和土壤中的微生物存在着一定的空间变异性。土壤中的养分是土壤肥力的物质基础，是土壤的基本属性[10]，土壤肥力的高低直接影响作物的生长、发育和产量[11]；土壤中的微生物反映了土壤生态机制[12]，影响群落植被，因此，土壤中营养元素与微生物的差异性直接导致了煤矸石山不同坡面适宜的植物配置模式不同。

本研究选取山西阳泉市280煤矸石山，对其不同坡面上适宜种植的不同植物配置模式进行分析，为促进矿区植被恢复奠定基础。

1 研究区域概况

阳泉280煤矸石山位于山西省阳泉市，东经112°54′～114°04′，北纬 37°4′～38°31′，地处黄土高原东缘，属暖温带大陆性季风气候区，四季分明。多年平均气温11.3℃，全年日照时数为2 696.3～2 886.3 h；年均风速2 m/s，全年以西、北偏西风为主；年平均降水量576 mm，主要集中在7，8月。

280煤矸石山为小型煤矸石山，总面积为3.8 hm2，其中，平台面积为 0.84 hm2，斜坡面积为2.96 hm2。280煤矸石山长期堆放，经过自燃、风化等作用具有较高的酸性和盐性，且土壤中缺乏养分，尤其缺少植物生长所必需的N，P，K等营养元素。经过调查，在对280煤矸石山进行植被恢复的过程中，主要选择具有耐高温、耐盐碱、耐旱性能好的植物，包括紫穗槐、高羊茅、沙打旺、狗尾草、刺槐、柠条等。

2 研究内容及方法

2.1 取样

以山西阳泉矿区二矿、三矿280煤矸石山的土壤为研究对象，对于煤矸石山阳坡、半阳坡、阴坡、半阴坡和平台5种坡面上5种典型的配置模式（乔灌草、草本混交、灌草、灌木混交和单一草本），采用样方进行植被调查，乔木、灌木样方大小为2 m×2 m，草本样方大小为1 m×1 m，乔灌木测量其高度、冠幅；草本测量其高度、盖度等。同时在每种植物配置模式下，随机选取5个样点，取地表至地下0～30 cm的土样，将5个点的土壤混合均匀，取1 kg左右，标号，并与不同的配置模式相对应，拿回实验室进行测定。

2.2 室内测定

室内测定指标主要为土壤的有机质含量、全氮含量、速效磷含量和速效钾含量。其中，有机质含量测定采用油浴-重铬酸钾容量法，全氮测定采用开氏定氮法，速效磷测定采用碳酸氢钠法，速效钾含量测定采用火焰光度计法[13-14]。每种指标测量3组，计算其平均值。

3 结果与分析

280煤矸石山堆放年限较长，由于各个坡面上氮磷钾和有机质含量不同，坡面上植物生长状况也有所不同。本研究选择了阳坡、半阳坡、阴坡、半阴坡、平台上存在的典型配置模式各5种，测定了其盖度、株高以及其下土壤的全氮、有机质、速效钾和有效磷的含量，并对不同配置模式的效果进行了比较。

3.1 煤矸石山阳坡不同配置模式效果比较

调查发现，280煤矸石山阳坡乔木以刺槐为主，灌木以紫穗槐、荆条为主，草本稍多，主要有狗尾草、沙打旺、蓬蒿等。本研究选取阳坡上5种典型的配置模式进行比较。1号样地为刺槐、狗尾草、荆条、灰菜、鬼贞子，2号样地为草木樨，3号样地为紫穗槐、沙打旺，4号样地为荆条、紫穗槐，5号样地为蓬蒿。280煤矸石山阳坡不同配置模式效果比较列于表1。

表1 280煤矸石山阳坡不同配置模式效果比较

由表1可知，不同配置模式下，土壤有机质 含量、速效钾、有效磷的大小顺序都为：1＞3＞2＞4＞5（乔灌草＞灌草＞草本混交＞灌木混交＞单一草本）。这主要是由于不同的配置模式下，产生的生物量和植物根系数量不同。1号样地为乔灌草结合的配置模式，拥有的物种多样，其产生的生物量最多，大量植被残落物是土壤有机质的主要来源，加之林下土壤中存在大量的植物根系和微生物，加速了对含磷、钾矿物质的分解，增加了1号样地中有效磷和速效钾的含量；相比之下，2，3，4，5号样地所产生的生物量都较小。

土壤全氮含量的大小顺序为：1＞4＞3＞2＞5（乔灌草＞灌草＞灌木混交＞草本混交＞单一草本），由于土壤全氮含量的多少取决于是否有固氮植物的存在，豆科植物的根系具有很强的固氮能力，将氮还原为氨，进而通过分解形成土壤中的全氮[15]。从表1可以看出，1，3，4号样地都有固氮植物刺槐和紫穗槐，因此其含氮量较高。

从表1还可以看出，阳坡上物种越多的样地，植物的生长情况越好，1号样地中乔灌草3类植物形成了较为完整、稳定的小型群落，符合物种多样性的原则，各种植物之间互利共生，进而促进了植物的生长；而在5号样地中，只有蓬蒿1种植物，缺乏合理的竞争机制，影响了植物的生长。

3.2 煤矸石山半阳坡不同配置模式效果比较

试验选取了半阳坡上存在的较为典型的物种配置模式，分别是：1号样地为蒺藜，2号样地为刺槐、狗尾草、灰菜，3号样地为紫穗槐、蒺藜、狗尾草，4号样地为刺槐、紫穗槐、狗尾草、蒺藜，5号样地为披碱草、蒺藜。测量不同配置模式下的有机质、全氮、有效磷、速效钾的含量结果如表2所示。半阳坡上的各种配置模式下土壤营养元素的变化规律一致（速效钾除外），大小顺序均为4＞3＞2＞5＞1（乔灌草＞灌草＞乔草＞草本混交＞单一草本）。

植物生长过程中的植物残体是土壤中有机质的主要来源，在4号样地中，刺槐、紫穗槐、狗尾草、蒺藜互利共生，形成了层次分明的稳定小型群落，产生了较多的生物量，为土壤提供了大量的有机质，丰富的有机质又促进了植物的生长，使该配置模式进入一个良性的循环。而在1号和5号样地中，只存在草本，所以减缓了整个循环过程。

半阳坡上乔灌草的配置模式中丰富的物种也是各种微生物聚集的基本条件，在4号样地的土壤中，存在较多的土壤微生物，微生物体内分解的酶、蛋白质等物质可以加速土壤中氮磷的转化，增加有效磷和速效钾的含量。1，5号样地均为草本植物，根系较少，且其下土壤中微生物活动很少，因而，有效磷的含量较小。

表2 280煤矸石山半阳坡不同配置模式效果比较

从土壤中全氮含量可以得出，土壤中的固氮植物可以增加土壤中全氮的含量，对比2，3号样地可以看出，草本都没有固氮的功能，而含有紫穗槐的样地（3号）比含有刺槐的样地（2号）含氮量稍高，说明在280煤矸石山半阳坡上，紫穗槐的固氮效果比刺槐好。因为在280煤矸石山半阳坡上，虽然阳光充足，但是降雨量和营养元素较少，在有限的条件下，紫穗槐（灌木）的生长状况要优于刺槐（乔木），因此，生长旺盛的紫穗槐具有更好的固氮效果。

3.3 煤矸石山阴坡不同配置模式效果比较

经调查发现，280煤矸石山阴坡上由于常年日照量小，植物种类较少，多为草本植物，灌木只生长有紫穗槐，生长状况较差。本试验选取阴坡上存在的较为典型的物种配置模式，分别是：1号样地为紫穗槐、柠条，2号样地为高羊茅，3号样地为狗尾草、升马唐，4号样地为紫穗槐、高羊茅，5号样地为紫穗槐、狗尾草、百脉根、高羊茅。

由表3可知，物种不同配置模式下，土壤有机质含量相差不大，且与不进行植被恢复的土壤有机质含量（2.4%）相近，主要是由于阴坡上接受太阳光较少，植物生长极为缓慢，植物残体为土壤提供的有机物质很少，土壤中的有机质主要来自所覆黄土本身含有的有机质，因此，几种不同配置模式对土壤有机质含量改变作用十分微弱。

不同配置模式下土壤全氮、速效钾、有效磷含量的大小顺序为：3＞2＞4＞1＞5，在纯草本狗尾草和升马唐混交的模式下，各营养元素的含量最高，均高于不进行植被恢复的土壤。而在样地1，4中，混入了紫穗槐，林下土壤中各元素含量降低，主要原因是由于紫穗槐的加入夺去了半阴破上有限的阳光和水分，影响了草本的生长，虽然紫穗槐具有固氮的功能，但是由于阴坡上阳光较少，再加上降雨较少，紫穗槐生长极为缓慢，固氮作用明显减弱。样地5中，由于草本种类较多，在有限的环境条件下，不同物种之间的竞争较为激烈，导致样地中各个植物生长减缓，生物量远远小于阳坡上相同配置的植物所产生的生物量。

表3 280煤矸石山阴坡不同配置模式效果比较

3.4 煤矸石山半阴坡不同配置模式效果比较

试验选取了半阴坡上存在的较为典型的物种配置模式，分别是：1号样地为紫穗槐，2号样地为紫穗槐、拧条、高羊茅，3号样地为狗尾草、升马唐，4号样地为沙打旺、臭蒿、高羊茅，5号样地为沙打旺，测量结果如表4所示。

表4 280煤矸石山半阴坡不同配置模式效果比较

从表4可以看出，3号样地的有机质、速效钾和有效磷的含量最多，其次是5号样地、4号样地、2号样地和 1号样地（3＞5＞4＞2＞1）。280煤矸石山半阴坡上常年日照量较小，且有不同程度的自燃现象，因此，植被种类稀少，多为草本，灌木仅存在紫穗槐1种植物且长势较差。对比3，4，5号样地可以看出，沙打旺、狗尾草较适宜在半阴坡上生长，它们能够产生较大的植物量，为土壤提供丰富的N，P，K等营养元素。与土壤有机质、速效钾、有效磷含量多少顺序不同，土壤中全氮量的大小顺序为3＞2＞5＞1＞4，豆科植物紫穗槐具有固氮的功能，因此，含有紫穗槐的样地含氮量较高，但是由于在含有紫穗槐的样地内，紫穗槐会占据大量的营养元素、阳光和水分，严重影响了其他植物的生长，因此，该样地内有机质、速效钾和有效磷的含量较小。综上所述，280煤矸石山半阴坡上并不适宜种植过多的植物，因为半阴坡上的环境条件有限，仅能供给1～2种草本的生长。

3.5 煤矸石山平台不同配置模式效果比较

280煤矸石山平台上的煤矸石有比较严重的自燃现象，植物较稀疏，多为草本植物，灌木偶见紫穗槐和荆条，且生长状况较差。本试验选取了平台上存在的较为典型的物种配置模式，分别是：1号样地为紫穗槐、高羊茅、升马唐、百脉根、狗尾草，2号样地为紫穗槐、披碱草，3号样地为荆条、高羊茅，4号样地为升马唐，5号样地为马齿苋。测量结果如表5所示。

表5 280煤矸石山平台不同配置模式效果比较

由表5可知，不同配置模式下土壤有机质的大小顺序为2＞3＞4＞5＞1，全氮含量大小顺序为2＞3＞4＞1＞5，速效钾的大小顺序为2＞3（4）＞5（1），速效磷大小顺序为 2＞3＞4＞1＞5，在 2，3，4 号样地中，有机质、全氮、速效钾、速效磷含量相对较大。分析原因，平台上的煤矸石有不同程度的自燃现象，只有一些耐高温的植物能够存活，其他坡面上的大多数植物如刺槐、灰菜、蒿类都很难在其上生长并保存，因此，平台上的配置模式相对较少，主要植物为紫穗槐和升马唐。

对比1号和5号样地可以看出，煤矸石山平台上不适宜采用物种较为多样的配置模式，因为自燃导致煤矸石山平台上营养元素含量较少，土壤条件很难供给2种以上的植物同时生存，而由于植物覆盖度较少，又直接导致了煤矸石山平台上相对其他坡面的水蚀情况较为严重，有限的覆土随侵蚀不断减少，使植物更加难以生存。通过5号样地可以看出，280煤矸石山上并不适宜种植马齿苋，马齿苋属耐旱植物，对高温的抗性并不强，导致其在煤矸石山平台上长势并不好，在土壤中积累的N，P，K含量也较少。

通过2，3，4号样地可以看出，280煤矸石山较宜种植紫穗槐和荆条，它们的耐高温性能较强，且紫穗槐具有固氮的功能，能够提升土壤中全氮的含量，而升马唐和高羊茅是比较适宜在平台上种植的草本植物，能够具有较高的植被覆盖度，对土壤各营养元素的改良效果也较好。

4 结论

由于煤矸石山体不同坡面上水分、温度等环境因子不同，不同坡面上的土壤营养元素含量也不同，导致不同坡面应适宜不同的植物配置模式。其中，阳坡和半阳坡阳光、水分条件较为充足，植物在其上生长状况良好，适宜种植以乔灌草为主的搭配模式，同时也有利于改良土壤中N，P，K及有机质的含量，能够获得较好的绿化效果；由于阴坡与半阴坡上自然条件有限，较适宜种植以草本为主的搭配模式，且草本的种类控制在2种左右，具有较好的矿山恢复效果；在平台上适宜种植以紫穗槐和披碱草为主的灌草结合的配置模式。另外，各个坡面中应尽量加入具有固氮功能的植物，阳坡应加入刺槐、紫穗槐等，平台应加入紫穗槐，能够有效地增加土壤中的全氮含量。

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