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，柠条沙打旺以及单作紫花苜蓿降低。土壤可培养微生物数量由图可知，的可培养微生物数量显著高于。人为种植和接菌后仍远低于原生草原。由图可知，不接菌下，可培养细菌数量表现为：，、显著低于，表明只种植草本豆科植物的样地中可培养细菌数量低于无人为处理的自然恢复区。接菌后，表现为：。、样地分别提高 、，其中样地达到显著水平，样地下降 。表明沙打旺紫花苜蓿的可培养细菌在接菌后提高。由图可知，不接菌下，试验区中可培养真菌菌数量表现为：，但无显著差异。接菌后，表现为：。所有样地均增加，分别增加 、，其中、达到显著水平，且使、显著高于。说明柠条沙打旺、单作沙打旺、沙打旺紫花苜蓿的可培养真菌在接菌后提高，并且对种植草本豆科植物的样地接菌会使其可培养真菌数量高于无人为处理的 样地。由图可知，不接菌时，可培养放线菌数量表现为：，显著低于。表明未种植紫花苜蓿的样地的放线菌数量低于。接菌后，表现为：。除样地无变化外，、样地均提高，分别为 、，其中、图土壤可培养微生物数量 达到显著水平。植物微生物修复模式下植被、微生物与土壤因子的相互作用关系由表可知，含水量与丰富度、多度呈极显著正相关，与香农维纳指数呈显著正相关，、速效磷为与含水量与丰富度、多度呈极显著负相关，与香农维纳指数呈显著负相关，铵态氮与多度呈显著正相关，速效钾与香农维纳指数呈显著正相关，碳氮比与丰富度极呈显著负相关，与多度、香农维纳指数呈显著负相关，种磷酸酶与丰富度、多度极显著正相关，蔗糖酶与多度呈极显著正相关。第第 期期 北方园艺表植物多样性与土壤性质的相关性分析 土壤因子 植物盖度 植物丰富度 植物多度 植物香农维纳指数 注：在 级别（双尾），相关性显著；在 级别（双尾），相关性显著。下同。：（），；（），由表可知，含水量与细菌、真菌呈极显著正相关，与放线菌呈显著正相关，与细菌、真菌呈极显著负相关，与放线菌呈显著负相关，铵态氮与细菌呈显著正相关，与真菌呈极显著正相关，速效磷与种可培养微生物均呈极显著负相关，碳氮比与细菌呈显著正相关，与真菌呈极显著正相关，酸性磷酸酶、中性磷酸酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶与种可培养微生物数量均呈极显著正相关。表微生物数量与土壤性质的相关性分析 土壤因子 可培养细菌数量 可培养真菌数量 可培养放线菌数量 讨论与结论 植物微生物复合修复对植被的影响排土场土壤为采矿剥离物、灰渣、采矿废料等机械压实后的重构土壤，不适合植物生长，形成的植被质量低劣，植被自然恢复难度大。人工修复样地的盖度相对 显著提高，。的自然恢复的植物，均为一年生草本植物。的盖度、丰富度、多度、香农维纳指数均与差异显著。矿区修复需要人工种植来加速恢复进程排土场植物在丰富度、多度、香农维纳指数与差距较大。排土场通过大量播种，可以达到较高的植被盖度，但由于种植草籽种类单一，形成的植物群落种类单一，结构简单，多样性低。几种试验区中，盖度、丰富度、香农维纳指数较高，这与之前的研究结果相同。种植初期，盖度低，柠条植株间有大量裸露土地，有利于排土场原有植物恢复，而其它样地植物密集，盖度较高，不利于排土场原有植物的种子随风到此定植。多度较高，盖度、丰富度、香农维纳指数均较低。这可能是因为紫花苜蓿植株体积小。种植初期，植物密集，但在年后，植物盖度降低后，未像样地一样发生排土场原有植物的恢复，可能与该样地的土壤理化性质发生改变有关。植物微生物复合修复对土壤性质的影响人工修复的含水量、速效钾、碳氮比介于 和。、速效磷为人工修复，铵态氮表现为人工修复。含水量是影响地上植被、地 下 微 生 物 群 落 结 构 的 重 要 指 标 之一。排土场由于土壤结构受破坏，含水量远低于原生草原排土场土壤均偏碱性。部分土壤北方园艺月月（上上）碱性继续增强。排土场养分贫瘠，豆科植物可以通过根际固氮菌固定氮素 ，丛枝菌根真菌有利于助植物吸收土壤中的磷。表明人工修复有利于排土场的含水量、速效钾、碳氮比向原生草原恢复，但会进一步提高土壤、速效磷，进一步降低铵态氮。样地含水量较高。、样地的土壤碳氮比显著高于其它样地，表明种植紫花苜蓿会提高土壤碳氮比。碳氮比过高不利于植物生长，所以稀疏的紫花苜蓿样地依然不利于矿区原有植物的恢复。土壤酶是反映土壤代谢活性的重要指示指标，与植被、土壤微生物均密切相关。土壤酶活性直接影响土壤中微量元素的有效性，可间接反映出植物和土壤微生物的生长状况。人工修复的酶活性介于 和 之间，表明人工修复有利于排土场土壤酶活性修复。、样地的碱性磷酸酶和蔗糖酶活性较高，表明种植沙打旺有利于恢复排土场酶活性。土壤微生物数量可以反映土壤质量以及修复效果。该研究表明矿区不同植微生物修复模式下土壤细菌是土壤中的优势类群 。露天开采严重扰动土壤微生物群落，自然草原可培养微生物数量显著高于排土场（）。细菌和放线菌数量表现为人工修复，人工修复的真菌数量介于 和 之间。表明人工修复进一步降低土壤可培养细菌和放线菌的数量，但会有利于土壤可培养真菌的恢复。样地的土壤可培养细菌和放线菌数量较多，表明沙打旺有利于恢复排土场的可培养微生物。参考文献 ，：，：，（）：于华远 矿山开发的地质灾害及环境保护土地复垦研究 科技创新与应用，（）：刘艳，顾新，刘晓雷关于矿山土地复垦与生态恢复治理方法的研究 能源与节能，（）：，范冰艳，程俊飞，李雪萍矿区生态环境的修复节能与环保，（）：，（），（）：毕银丽 西部干旱半干旱煤矿区微生物修复机理与应用研究西安科技大学学报，（）：王海娟，包玉英，牛天心，等 菌剂与肥料配施对露天矿排土场苜蓿生长及土壤养分含量的影响华北农学报，（）：王杨扬，赵中秋，原野，等 安太堡露天煤矿种刺槐复垦模式土壤质量评价中国煤炭，（）：李叶鑫，吕刚，王道涵，等 用种测定方法分析排土场复垦区的表层土壤的饱和导水率中国水土保持科学，（）：杨业，蔡体久，谷金锋古莲河煤矿不同造林树种对土壤养分及重金属含量的影响与评价 水土保持学报，（）：张鹏，胡宜刚，黄磊，等 露天煤矿排土场植被重建对土壤呼吸的影响生态科学，（）：张延旭西部煤炭开采对土壤环境影响及微生物修复研究北京：中国矿业大学，鲍士旦土壤农化分析北京：中国农业出版社，赵兰坡，姜岩土壤磷酸酶活性测定方法的探讨土壤通报，（）：沈萍，范秀容，李广斌微生物学实验 版北京：高等教育出版社，李青丰，曹江营准格尔煤田露天矿植被恢复的研究：排土场植被自然恢复的观察研究中国草地，（）：，牛星，蒙仲举，高永，等伊敏露天煤矿排土场自然恢复植被群落特征研究水土保持通报，（）：毕银丽，胡晶晶，刘京煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性煤炭学报，（）：许丽，樊金栓，周心澄，等阜新市海州露天煤矿排土场植被自然恢复过程中物种多样性研究干旱区资源与环境，（）：张燕乐，甄庆，张兴昌，等露天煤矿排土场不同植被土壤水分特 征 及 其 时 间 稳 定 性 水 土 保 持 学 报，（）：莫莉 露天煤矿开采对典型草原土壤环境及生态系统稳定性的影响 内蒙古：内蒙古大学，孙金华，毕银丽，王建文，等接种菌对西部黄土区采煤沉陷地柠条生长和土壤的修复效应 生态学报，（）：张延旭，毕银丽，王瑾接种菌根对采煤沉陷区苜蓿生长及土壤改良影响研究煤炭科学技术，（）：毕银丽，刘京，尚建选，等陕北采煤沉陷区土壤水分入渗和蒸发特 征 研 究 中 国 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