复合修复对排土场植被和土壤的影响_佘长超.pdf

北方园艺 （）：资源环境生态第一作者简介：佘长超（），男，硕士，高级工程师，现主 要 从 事 露 天 煤 矿 技 术 管 理 等 工 作。：责任作者：包玉英（），女，博士，教授，现主要从事植物菌根共生生物学及矿区生态修复等研究工作。：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）。收稿日期：复合修复对排土场植被和土壤的影响佘 长 超，包 玉 英，屈 翰 霆，黄 月 军，马 晓 丹，肖兵（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 ；内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 ）摘要：以胜利露天矿裸排土场植被修复试验区为研究对象，采用与矿外自然草原比较分析的方法，研究了不同修复模式对排土场植被、土壤因子和土壤微生物的影响，以期探究复合修复技术对露天煤矿排土场的影响，寻找适宜该地的修复模式，为排土场植被恢复提供参考依据。结果表明：）人工修复样地的盖度相对裸排土场显著提高，裸排土场自然恢复的植物，均为一年生草本植物；柠条单作样地盖度、丰富度、香农维纳指数较高；紫花苜蓿单作多度较高，而盖度、丰富度、香农维纳指数均较低。）人工修复的含水量、速效钾、碳氮比介于裸排土场和自然草原之间。、速效磷为人工修复裸排土场自然草原，铵态氮表现为人工修复裸排土场自然草原；种植紫花苜蓿会提高土壤碳氮比。）人工修复的酶活性在裸排土场和自然草原之间，人工修复有利于恢复排土场土壤酶活性。紫花苜蓿样地的碱性磷酸酶和蔗糖酶活性较高。）人工修复的真菌数量在裸排土场和自然草原之间。沙打旺单作有利于恢复排土场的可培养微生物数量。关键词：排土场；植物多样性；土壤理化性质；土壤酶活性；土壤微生物数量中图分类号：文献标识码：文章编号：（）煤炭作为主要能源之一，在内蒙古区域经济发展中有着不可取代的位置。内蒙古自治区煤炭资源丰富，累计探明储量约占全国探明储量，居全国第二位。锡林郭勒地区煤炭储量极为丰富，有大规模现代化露天煤矿和发电生产基地（锡林郭勒盟煤炭经济发展存在的问题及对策）。该地区气候干燥、降雨量低，植被覆盖度低，土壤贫瘠，草地退化严重（锡林郭勒典型草原土壤水分对降水过程的响应）。露天采煤加剧了对该区域生态的扰动，影响区域生态系统的稳定性。排土场是由煤层上的土壤、废石渣、矸石等堆积而成，经过土壤重构的重塑地貌。其土壤特点是表土层薄、坚硬颗粒多、土壤养分贫瘠且有效性差，透气性、保水性差，土壤内缺乏植物根系和种子，生态恢复困难。排土场易发生扬尘、水土流失，导致草原自然景观破碎化，加速草地退化。因此，采取各种措施加速排土场的植被建设和生态修复是极为重要的。种草、移栽树木可促进排土场植被恢复，改善植物和土壤微生物的相互作用关系；丛枝菌根真菌（）能帮助植物在矿区环境中更好地吸收养分、生长繁殖。植被复垦显著影响排土场土壤因子与植被状况，研究显示复垦后的土壤养分含量及有机碳含量显著高于未修复样地，复垦类型导致各项土壤养分含量差异显著，降低重金属污染程度，影响土壤呼吸。干旱环境下沙棘接种丛枝菌根真菌后生长和养分吸收均有促进。菌根真菌的根外菌丝有助于土壤团聚体形成。然而关于不同植物和微生物复合修复差别的研究较少，因此基于内蒙古锡林郭勒草原的地理气候与植被特征，该研究针对胜利一号露天煤矿排土场试验区，以自然恢复和矿外自然草原样地为参照系，比较分析不同样地的植被、土壤理化性质及微生物状况，评价植物和微生物联合修复的效果，以期为区域露天矿生态修复提供参考依据。材料与方法 研究区概况试验于锡林浩特市胜利一号露天煤矿矿内裸排 土 场 的 试 验 区（北 纬 ，东 经 ）及矿坑西侧的矿外围封草原（北纬 ，东经 ）进行。该研究区为干旱、半干旱大陆性气候，年平均气温，年降水量不足 。矿外草原属于典型草原，以针茅、羊草建群，伴有糙隐子草、苔草、冷蒿等。试验材料供试植物为种豆科植物，包括柠条、沙打旺、紫花苜蓿。试验所用丛枝菌根真菌（）为摩西管柄囊霉（），由中国矿业大学（北京）微生物复垦实验室提供，含真菌孢子、菌丝及植物根段。试验方法试验设计包括 处矿外围封草原（）和位于矿内裸排土场的 个处理。为矿坑西侧 处网围栏内的自然草原。矿内裸排土场试验区于 年月建成（图）。设置个无人为处理的排土场区域为自然恢复样地（），长宽 为 。每 个 植 物 样 地 长 宽 为 ，中间南北方向的主路宽，其余的小区间隔均为。试验区植物处理模式包括种单作，柠条（）、沙打旺（）、紫花苜蓿（），种混作，柠条沙打旺（）、沙打旺紫花苜蓿（）。柠条 选 择 左 右 高 的 幼 苗，种 植 密 度 为；紫花苜蓿、沙打旺选用草籽，播种密度为。接菌的模式包括不接菌和接菌。受试菌株 ，灌木栽植时每穴；草籽的菌剂用量为，与草籽拌匀后播种。通过滴灌第 年浇水 次，第、年浇水次。不施肥，不除草。年月 进 行 植 被 调 查 和 土 样 采 集。每个样地随机设定处小样方，共计 个 小 样 方。调 查 统 计 小 样 方 内 植 物，包 括种类、数量和盖度，随后按照五点取样法采集 表层土，混匀后装于塑封袋，共计 份土壤样品，带回实验室用于土壤因子和可培养微生物数量的测定。项目测定植 物 多 样 性 香 农 维 纳 指 数 计 算 公 式 为：（）（）。土壤含水量使用烘干法测定；土壤 使用图试验区设计 北方园艺月月（上上）计测定；土壤铵态氮、速效磷、速效钾、磷酸酶、蔗糖酶均参照鲍士旦、赵兰坡等 的方法测定；土壤碳氮比用 元素分析仪测定土壤总氮、总碳，后计算比值。土壤可培养微生物数量采用平板稀释法 测定，牛肉膏蛋白胨、孟加拉红、高氏一号培养基分别用于培养细菌、真菌、放线菌。数据分析使用 软件进行初步统计分析，采用 （，）软 件 的 单 因 素 方 差 分 析（）进行显著性分析，差异水平为 ；进行相关性分析，差异水平为 。使用 软件进行绘图。结果与分析 研究区植物物种多样性 植物种类及区别由表可知，胜利一号煤矿外原生草原和矿内排土场试验区的植物群落状况间存在明显差异。矿外草原群落以针茅、羊草建群，伴有隐子草、苔草、猪毛菜、葱、冷蒿等植物。矿内排土场的试验区发现科 属 种植物，除种植的柠条、沙打旺和紫花苜蓿外，自然恢复的植物有草木樨、虎尾草、猪毛菜、画眉草、藜、沙蓬、针茅、天仙子和狗尾草，主要为一年生和二年生植物。豆科、禾本科和藜科植物占总物种数的 。在不种植、不接菌的 样地，自然恢复的植物有虎尾草、猪毛菜、画眉草种植物。种试验区中，样地中自然恢复的植物种类数最多，共有 种。除 样地外，其余矿内试验区均出现草木犀。植物多样性由图 可知，不接菌下，盖度表现为：，样地盖度显著高于其它样地，样地显著低于其它矿内植物的试验区。自然恢复区盖度显著低于矿外原生草原和试验区的人工处理样地。表明在试验区中，草灌混合有利于提高植物盖度，而紫花苜蓿单作则降低盖度。接菌后，表现为：。、盖度分别提高 、，它们均没有种植紫花苜蓿，而有紫花苜蓿的、盖度降低 、。由图可知，不接菌下，丰富度表现为：，、样地显著高于其它样地。除外的矿内试验区平均只有种植物，丰富度较差，主要为虎尾草、猪毛菜、画眉草种植物，而在人为处理样地，主要由人工种植植物和少量自然生长植物组成。矿内人工恢复的排土场除 样地外，在植物丰富度与矿外原生草表研究区植物类别 科名 属名 植物 生活型 学名 出现样地 锦鸡儿属柠条多年生灌木 ，豆科黄耆属沙打旺多年生草本植物 ，苜蓿属紫花苜蓿多年生草本植物 ，草木樨属草木樨二年生草本植物 （），虎尾草属虎尾草一年生草本植物 ，画眉草属画眉草一年生草本植物 （），禾本科针茅属针茅多年生草本植物 ，狗尾草属狗尾草一年生草本植物 （），隐子草属糙隐子草多年生草本植物 （）赖草属羊草多年生草本植物 （）菊科 蒿属冷蒿多年生草本植物 猪毛菜属猪毛菜一年生草本植物 ，藜科 藜属藜一年生草本植物 沙蓬属沙蓬一年生草本植物 （），茄科 天仙子属天仙子二年生草本植物 ，莎草科 薹草属苔草多年生草本植物 百合科 葱属葱多年生草本植物 第第 期期 北方园艺注：数据后有相同字母表示种处理之间没有显著差异（），反之显著（），下同。：（）（），图研究区植物多样性 原在仍有差距。接菌后，表现为：。单作样地、分别提高 、，混作样地、无变化。由图可知，不接菌时，多度表现为：，样地显著高于所有矿内试验区。试验区中，有紫花苜蓿的、样地略高于其它样地。接菌后，表现为：。、多 度 分 别 提 高 、，、分别降低 、。由图 可知，不接菌下，香农维纳指数为：，显著高于除 外的其它人工恢复。而在试验区中，样地显著高于。这表明在排土场单作柠条，有利于恢复植物多样性，但依然与原生草原有差距。接菌后，表现为：。、香农分别提高 、，、分别降低 、。研究区土壤理化和微生物性质 土壤理化性质由图可知，不接菌的含水量为：，显著高于其它样地；试验区内，显著高于除 外的所有样地，且、显著高于，而 则较低。这表明排土场含水量与原生草原有明显差距，单作柠条或沙打旺有利于提高土壤 含 水量。接菌后，表现为：。除 增加 ，、分 别 下 降 、，种单作的下降幅度均较大，其中、达到显著水平。表明接菌的单作柠条或沙打旺会降低土壤含水量。由图可知，的 显著低于其它样地。在试验区中，不接菌下，表现为：；显著低于其它样地，、北方园艺月月（上上）显著高于其它样地。表明柠条单作有利于降低土壤，而种植草本类豆科植物，会提高土壤。接菌后表现为：。、升高，其中 达到显著水平，而其它样地均表现为 降低。表明接菌后柠条单作下的土壤 显著提高。由图可知，不接菌下，铵态氮表现为：，显著高于其它样地，样地显著低于其它样地。表明矿内试验区的铵态氮含量远低于原生草原，而柠条单作会进一步降低土壤铵态氮含量。接菌后，表现为：。单作样地、的铵 态 氮 含 量 分 别 提 高 、，样地的变化达到显著水平；而混作样地、的铵态氮含量分别降低 、。表明接菌提高柠条单作样地的铵态氮含量。由图 可 知，不 接 菌 时，速 效 磷 为：，显著低于其它样地。表明矿外原生草原的速效磷含量低于排土场。接菌后，表现为：。种植沙打旺的样地、速效磷含量提高 、，未种植沙打旺的、样地分别降低图土壤理化性质 第第 期期 北方园艺 、。由图可知，不接菌时，速效钾含量表现为：，显著高于除 样地外其余样地；试验区内，、显著高于 。表明排土场的速效钾含量与原生草原存在差距，沙打旺单作、沙打旺紫花苜蓿混作可以提高土壤速效钾含量。接菌后，表现为：。种植柠条的、分别提高 、，未 种 植 柠 条 的、分 别 降 低 、，其中、达到显著水平。表明接菌后显著降低沙打旺或紫花苜蓿单作样地的土壤速效钾含量。由图可知，不接菌时，碳氮比表现为：，所有样地间均达到显著水平。表明种植植物会明显降低排土场的碳氮比，但未能降低到原生草原的水平，种植紫花苜蓿的样地的碳氮比高于未种植的。接菌后，表现为：。、均升高，其中、显著，分别 提 高 、，降低 ，达到显著水平。表明接菌在未种植紫花苜蓿的样地中，会提高土壤碳氮比，而在紫花苜蓿单作的样地中，降低土壤碳氮比。土壤酶活性由图可知，的种酶活性显著高于排土场，表明无论是否有人为修复，矿内的排土场的土壤酶活性状况远差于原生草原。由图可知，不接菌时，：。接菌后，表现为：。、分别提高 、，其中样地达到显著，表明单作沙打旺接菌能提高土壤酸性磷酸酶；降低 。由图 可知，不接菌时，：，显著高于。表明紫花苜蓿单作会提高土壤中性磷酸酶活性。接菌后，表现为：。、分别提高 、，、分 别 降 低 、，达到显著水平。表明种植紫花苜蓿的样地接菌后土壤中性磷酸酶活性降低。由图可知，不接菌下，：，样地显著高于，表明沙打旺紫花图土壤酶活性 北方园艺月月（上上）苜蓿混作会显著提高土壤的碱性磷酸酶。接菌后，表现为：。、分别提高 、，其中、达到显著水平，、分别降低 、，表明接菌后柠条或沙打旺单作样地的碱性磷酸酶活性提高。由图可知，不接菌时，为 ，、均显著高于。表明试验区中，除柠条单作，其它的人工种植方式均会提高土壤的蔗糖酶活性。接菌后，表现为：。、分 别 提 高 、，其中 达到显著水平，、分别降低 、，其中、达到显著水平。表明沙打旺紫花苜蓿接菌后蔗糖酶活性提高，柠条