張晉英

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

山西省煤炭資源豐富，煤炭資源的開采嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，煤矸石亂堆亂放、地表塌陷、植被破壞、土壤結(jié)構(gòu)失衡等問題嚴(yán)重制約了山西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，為改變煤礦廢棄地生態(tài)失衡的現(xiàn)狀，相關(guān)部門對(duì)廢棄礦山開展了植被修復(fù)工程，逐步建立起持續(xù)穩(wěn)定、高速有效的廢棄煤礦人工植被修復(fù)系統(tǒng)。土壤是生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)節(jié)，研究廢棄礦山植被修復(fù)后的土壤結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)了解植被恢復(fù)效果和篩選優(yōu)良植被恢復(fù)類型有著重要意義。筆者對(duì)太原西山4個(gè)煤礦(杜兒坪礦、官地礦、西銘礦、白家莊礦)采空區(qū)典型立地的樹種選擇、配置模式、林木生長(zhǎng)和土壤修復(fù)效果進(jìn)行分析，旨在篩選出適宜山西地區(qū)廢棄礦山修復(fù)的植被模式，為進(jìn)一步加快山西省廢棄礦山生態(tài)修復(fù)進(jìn)程提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

太原西山地處呂梁山脈中部東麓的邊山地區(qū)，北起汾河冽石口，南至天龍山柳子峪，屬華北地區(qū)黃河流域中部。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季少雨多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季短暫涼爽，冬季寒冷干燥。年均氣溫9 ℃，年平均無霜期202 d，年均降水量460 mm.

太原西山煤礦的開采方式以巷道采煤為主，由于多年來的開采，形成了大面積采空區(qū)。近年來，越來越多的采空區(qū)域出現(xiàn)了地質(zhì)塌陷現(xiàn)象，不同程度地改變了土壤結(jié)構(gòu)。土壤是植被生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，植被的種植和生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)影響土壤的形成與發(fā)育，不同植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)的影響程度也有所差異。目前，太原西山煤礦采空區(qū)主要有6種典型的植被恢復(fù)類型，分別為護(hù)坡林(油松為主)、風(fēng)景園林(銀杏、國(guó)槐、白皮松、雪杉等園林植物)、農(nóng)林復(fù)合林(核桃、桃樹、杏樹等經(jīng)濟(jì)林樹種)、側(cè)柏林、楊樹林和紫穗槐林(主要位于煤矸石堆積區(qū))。不同植被類型的基本情況，見表1.

表1 調(diào)查樣地基本情況

2 研究方法

2016年8月至2017年12月，在6個(gè)植被類型中各設(shè)置3個(gè)樣方，喬木樣方10 m×10 m，灌木樣方5 m×5 m，草本樣方1 m×1 m，記錄樣方內(nèi)植被的名稱、數(shù)量、蓋度、胸徑、高度等信息。然后在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)位，挖取土壤剖面，按0 cm～15 cm，15 cm～30 cm，30 cm～45 cm 3個(gè)層次分別用環(huán)刀取土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相關(guān)理化指標(biāo)。用Excel 2003和SPSS 17.0軟件對(duì)不同植被類型下的土壤容重、土壤飽和持水量、土壤孔隙度、土壤含水率、氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，篩選出最優(yōu)植被恢復(fù)模式。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

不同植被恢復(fù)類型對(duì)礦山廢棄地土壤物理性質(zhì)的影響，見表 2.

表2 不同植被類型對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

由表2可以看出，0 cm～15 cm土層的土壤物理性質(zhì)在不同植被類型間均差異顯著。通過多重比較可看出，護(hù)坡林的土壤容重為1.598 g/cm3，明顯高于其它5種植被類型；楊樹林、紫穗槐林和風(fēng)景園林相差不大，農(nóng)林復(fù)合林和側(cè)柏林土壤容重明顯低于其它植被類型。農(nóng)林復(fù)合林的土壤飽和持水量最高，側(cè)柏林、紫穗槐林和楊樹林相差較小，僅次于農(nóng)林復(fù)合林；護(hù)坡林土壤飽和持水量最低，且遠(yuǎn)小于其它植被類型。土壤孔隙度大小為農(nóng)林復(fù)合林>側(cè)柏林>楊樹林>紫穗槐林>風(fēng)景園林>護(hù)坡林，農(nóng)林復(fù)合林和側(cè)柏林差異較小。紫穗槐林和農(nóng)林復(fù)合林的土壤含水率明顯高于其它植被類型，側(cè)柏林和楊樹林的土壤含水率較低。

15 cm～30 cm土層的土壤物理性質(zhì)在不同植被類型間存在顯著性差異。通過多重比較表明，不同植被類型的土壤容重相差較小，其中，側(cè)柏林和護(hù)坡林最高，均為1.399 g/cm3；楊樹林最低，為1.198 g/cm3.農(nóng)林復(fù)合林、楊樹林和風(fēng)景園林的土壤飽和持水量明顯高于其它3種植被類型；側(cè)柏林的土壤飽和持水量最低，為26.18%.各植被類型的土壤孔隙度較為接近，其中，楊樹林最高，為54.79%；護(hù)坡林最低，為47.20%.紫穗槐林、農(nóng)林復(fù)合林和風(fēng)景園林的土壤含水率明顯高于其它植被類型；楊樹林的土壤含水率最低，為8.15%.

30 cm～45 cm土層的土壤物理性質(zhì)在不同植被類型間存在顯著性差異。通過多重比較表明，護(hù)坡林和楊樹林的土壤容重明顯高于其它植被類型；紫穗槐林最低，為1.062 g/cm3.紫穗槐林、農(nóng)林復(fù)合林和側(cè)柏林的土壤飽和持水量遠(yuǎn)高于風(fēng)景園林、護(hù)坡林和楊樹林。紫穗槐林的土壤孔隙度最大，為59.91%；護(hù)坡林的土壤孔隙度最小，為36.36%.各植被類型的土壤含水率差異明顯，從大到小依次為農(nóng)林復(fù)合林>紫穗槐林>風(fēng)景園林>護(hù)坡林>楊樹林>側(cè)柏林。

3.2 不同植被類型對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同植被恢復(fù)類型對(duì)礦山廢棄地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，見表3.

表3 不同植被類型對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表3可以看出，0 cm～15 cm土層處，側(cè)柏林土壤全氮含量明顯高于其它植被類型，紫穗槐林和護(hù)坡林的土壤全氮含量與其它植被類型相比明顯偏低。速效鉀含量的排序?yàn)檗r(nóng)林復(fù)合林>楊樹林>風(fēng)景園林>側(cè)柏林>護(hù)坡林>紫穗槐林；側(cè)柏林的有機(jī)質(zhì)含量最高，為84.4 g/kg，遠(yuǎn)高于其它植被類型；其次為楊樹林和護(hù)坡林，有機(jī)質(zhì)含量均為21.5 g/kg.pH值大小排序?yàn)樽o(hù)坡林>紫穗槐林>側(cè)柏林>楊樹林>農(nóng)林復(fù)合林>風(fēng)景園林。側(cè)柏林和農(nóng)林復(fù)合林的有效磷含量遠(yuǎn)高于其它植被類型。

15 cm～30 cm土層處，側(cè)柏林的土壤全氮含量最高，且遠(yuǎn)高于其它植被類型；紫穗槐林、護(hù)坡林和風(fēng)景園林的土壤全氮含量偏低。側(cè)柏林的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)91.4 g/kg；紫穗槐林最低，為6.6 g/kg.土壤有效磷含量從大到小依次為側(cè)柏林>楊樹林>護(hù)坡林>農(nóng)林復(fù)合林>紫穗槐林>風(fēng)景園林。各植被類型土壤pH值差異較小，均在8.39～8.72之間。農(nóng)林復(fù)合林的速效鉀含量明顯高于其它植被類型。

30 cm～45 cm土層處，土壤全氮含量從大到小排序?yàn)閭?cè)柏林>農(nóng)林復(fù)合林>風(fēng)景園林>楊樹林>護(hù)坡林>紫穗槐林。護(hù)坡林、側(cè)柏林和楊樹林的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其它3種植被類型。護(hù)坡林、側(cè)柏林、楊樹林和紫穗槐林的土壤有效磷含量相差較小，且明顯高于農(nóng)林復(fù)合林和風(fēng)景園林。護(hù)坡林的pH值最高，可達(dá)8.89；側(cè)柏林最低，為7.92.側(cè)柏林的土壤速效鉀含量最高，為115.0 mg/kg，明顯高于其它植被類型。

3.3 綜合分析

將不同土層土壤的物理和化學(xué)指標(biāo)作為主成分，對(duì)不同植被類型的土壤特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4.

表4 不同植被土壤特征的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率

由表4可知，前5個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到96.866%，表明前5個(gè)主成分已經(jīng)可以代表不同植被類型下土壤的大部分信息。因此，選取前5個(gè)主成分作為植被對(duì)土壤影響的重要成分。以5個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計(jì)算主成分模型：

式中：Y——表示綜合主成分值；

λi——各主成分的貢獻(xiàn)率；

Yi——各主成分的特征值。

根據(jù)主成分綜合模型得出6個(gè)植被類型相對(duì)應(yīng)的綜合主成分值，并按綜合主成分值對(duì)其進(jìn)行排序，結(jié)果見表5.

表5 不同植被類型的綜合排序

通過分析表明，側(cè)柏林對(duì)土壤的改良效果最佳，其次是農(nóng)林復(fù)合林、護(hù)坡林、楊樹林、風(fēng)景園林；紫穗槐林對(duì)土壤的改良效果最差。

4 結(jié)論與討論

由于煤礦廢棄地特殊的立地條件，對(duì)其植被恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)，主要考慮因子為植被對(duì)土壤容重、持水量和孔隙度的改善上。大密度側(cè)柏林對(duì)土壤的改良效果最佳，原因是側(cè)柏耐旱能力強(qiáng)，對(duì)肥力和灌溉的要求低，成活率高，可有效改善立地的水土流失情況，加大了外界漂移樹種的成活率，使植被覆蓋度不斷增大，枯枝落葉層也不斷增多，從而有效改善林地養(yǎng)分，形成良性循環(huán)。不同植被修復(fù)類型模式下，土壤養(yǎng)分增加存在顯著差異，側(cè)柏林、農(nóng)林復(fù)合林、護(hù)坡林、楊樹林的土壤養(yǎng)分增加效果較好。在上述4種模式中，農(nóng)林復(fù)合林和楊樹林由于其特殊原因，澆水、施肥等人為干擾措施較多。因此，側(cè)柏林和護(hù)坡林的修復(fù)模式更加適合礦山土壤修復(fù)。