高寒礦區(qū)排土場(chǎng)植被恢復(fù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

高寒礦區(qū)排土場(chǎng)植被恢復(fù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

煤炭是支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源之一。木里煤田位于高海拔、氣候寒冷、生態(tài)條件惡劣的青海省海北州，2003年開始進(jìn)行開礦生產(chǎn)原煤，且產(chǎn)量逐年遞增。采煤占據(jù)了大量的天然濕地面積，尤其開采過程中形成了大量的地下凍土、巖土、巖石與煤矸石機(jī)械堆積的排土場(chǎng)山排土場(chǎng)修復(fù)是通過再造土壤形成良好的土壤結(jié)構(gòu)和層次，提供植物生長(zhǎng)必備的土壤生境，而植被恢復(fù)能夠改善露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)表層基質(zhì)結(jié)構(gòu)和肥力，是排土場(chǎng)土壤形成的必要條件1材料和方法1.1木里油田氣象概況研究地點(diǎn)位于青海省海北州木里煤田東部的江倉(cāng)礦區(qū)，大通河上游南側(cè)(圖1)，距省會(huì)西寧市約450km。木里煤田是青海省唯一的焦煤資源整裝勘查區(qū)域，也是該省最大的煤礦。其地理坐標(biāo)為99°27′～99°35′E,38°02′～38°03′N，海拔3800～4200m，年平均氣溫–2.8℃，氣候嚴(yán)寒。礦區(qū)東西長(zhǎng)25km，南北寬2.5km，面積55km1.2樣品的采集和測(cè)定試驗(yàn)地選擇為2015年種植的排土場(chǎng)山南坡、北坡、東南坡與東坡，種植方法一致。2017年8月分別以樣線法隨機(jī)選擇12個(gè)1m×1m的樣方，測(cè)定植被蓋度(人為估測(cè))、高度(鋼卷尺測(cè)定)、地上生物量、生殖枝數(shù)量、幼苗數(shù)量等，并把采集的樣品用信封袋帶回室內(nèi)，烘干稱其干重。采樣過程中，用GPS記錄經(jīng)緯度、海拔，羅盤儀測(cè)定坡度、坡向，三參速測(cè)儀(HW-WET-3)測(cè)定排土場(chǎng)基質(zhì)的水分與鹽分。樣方內(nèi)除去地面植被和地表覆蓋物，對(duì)表層(0～10cm)土壤進(jìn)行取樣，去除大石塊和植物殘根后用自封袋帶回室內(nèi)；另用消過毒的無菌鏟在每個(gè)樣方取表層樣20g裝入無菌袋，在低溫下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，放入4℃冰箱冷藏待用，且取樣過程、運(yùn)輸環(huán)節(jié)盡可能保持無菌。1.3土壤理化性質(zhì)測(cè)定土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用0.5mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤pH采用電極法(水土質(zhì)量比2.5∶1)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定1.4隨機(jī)森林算法采用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS19.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、單因素方差分析及顯著性檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)定為α=0.05。其次，基于R語言軟件的隨機(jī)森林算法進(jìn)行影響因子重要性分析。隨機(jī)森林算法是由LeoBreiman提出的一種新型高效的組合分類法，通過自助法(Bootstrap)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，由隨機(jī)向量(X,Y)構(gòu)建組合模型。鑒于隨機(jī)森林模型可處理大量數(shù)據(jù)，易于建立又易于解釋，可用來評(píng)估本文中變量的重要性，提高效率2結(jié)果與分析2.1被高度的植被高度由圖2A可以看出，種植在排土場(chǎng)南坡與東南坡的植被高度顯著高于東坡與北坡的植被(P<0.05)，而東坡的植被顯著高于北坡(P<0.05)。由圖2B可以看出，植被生物量在東南坡為115g/m2.2坡面全氮、土壤理化性質(zhì)從表1可以看出，排土場(chǎng)山南坡表層土壤全氮含量高于其他3個(gè)坡面，但是差異不顯著(P>0.05)。全磷含量在南坡最高，顯著高于北坡與東坡(P<0.05)，與東南坡差異不顯著(P>0.05)。全鉀含量在東坡最高，顯著高于南坡與北坡(P<0.05)，與東南坡差異不顯著(P>0.05)。南坡與北坡全氮含量差異也不顯著(P>0.05)。土壤堿解氮含量南坡為85.58mg/kg，比北坡、東南坡、東坡分別高53.58、43.33、54.33mg/kg，差異顯著(P<0.05)。有效磷含量在4個(gè)坡面差異不顯著(P>0.05)。速效鉀含量在東南坡含量最高，顯著高于南坡與北坡(P<0.05)，與東坡差異不顯著(P>0.05)。有機(jī)質(zhì)含量在北坡高達(dá)163.52g/kg±56.98g/kg，顯著高于其他3個(gè)坡面(P<0.05)。土壤pH在4個(gè)坡面無顯著變化(P>0.05)，均偏堿性。土壤體積含水量在北坡與東坡含量較高，平均比南坡與東南坡高66%，差異顯著(P<0.05)。由以上分析可以看出，不同坡向立地條件對(duì)露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)表層土壤理化性質(zhì)有一定的影響，全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)與含水量等具有明顯差異。2.3細(xì)菌多樣性分析從表2中可以看出，細(xì)菌數(shù)量在東南坡最高，顯著高于其他3個(gè)坡面(P<0.05)，北坡與東坡顯著高于南坡(P<0.05)，南坡細(xì)菌數(shù)量最少，僅為(0.12±0.10)×102.4土壤理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)圖3為隨機(jī)森林方法對(duì)不同坡向表層土壤理化性質(zhì)以及植被恢復(fù)特征的22個(gè)建模因子的重要性分析。重要性指標(biāo)為平均準(zhǔn)確率降低度與基于平均基尼指數(shù)遞減度，兩個(gè)指標(biāo)數(shù)值增大，則代表對(duì)應(yīng)的影響因子越重要。從圖3中可以看出，土壤細(xì)菌數(shù)量、含水量、堿解氮、全磷、植被高度與土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響排土場(chǎng)不同坡向立地條件下植被與土壤特性的主要因子，通過隨機(jī)森林法計(jì)算平均準(zhǔn)確率降低度，土壤細(xì)菌數(shù)量的影響力為16.35，土壤含水量為12.01，土壤堿解氮為11.21，全磷為10.25，植被高度為9.39，土壤有機(jī)質(zhì)為8.60，依次降低。為了更好地分析各因子對(duì)不同坡向立地條件下植被與土壤特性的影響規(guī)律，本文對(duì)6個(gè)重要因子繪制了作用曲線(圖4)。圖4中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)因子取值，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)該因子對(duì)排土場(chǎng)植被與土壤特性影響的貢獻(xiàn)概率值，即縱坐標(biāo)值越大，該因子對(duì)排土場(chǎng)不同坡向立地條件的影響越大。細(xì)菌數(shù)量的重要性排序最高，從圖4中可以看出，隨著細(xì)菌數(shù)量的增大，對(duì)不同坡向排土場(chǎng)特性影響增大。土壤含水量是維持土壤循環(huán)系統(tǒng)不可缺少的物質(zhì)，從圖4中可以看出，隨著土壤含水量的升高，對(duì)不同坡向排土場(chǎng)表層土壤的影響逐漸增大，當(dāng)含水量為25.4%時(shí)，有略微下降。氮是植物需要量較大的營(yíng)養(yǎng)元素，從圖4中可以看出，堿解氮含量為49mg/kg時(shí)，對(duì)不同坡向排土場(chǎng)特征的影響最大，之后隨著堿解氮含量的增大影響力逐漸下降并趨于穩(wěn)定。從圖4曲線中可以看出，全磷含量大于1.6g/kg時(shí)，對(duì)4個(gè)坡向的植被與土壤特性影響最大。植被高度是對(duì)排土場(chǎng)表層基質(zhì)養(yǎng)分的響應(yīng)，從圖4中可以看出，隨著植被高度的增高，對(duì)不同坡向立地條件的影響顯著上升，當(dāng)植被高度上升至34cm時(shí)，影響最大，隨后隨著植被高度增高，影響力緩慢下降并趨于穩(wěn)定。而土壤有機(jī)質(zhì)為47g/kg時(shí)對(duì)不同坡向排土場(chǎng)特性影響最大，之后影響力下降。3討論3.1南坡立地特點(diǎn)坡向作為一個(gè)最重要的地形因子，不同坡向因光照、水分、溫度、土壤等差異，使植被特征不同。南坡受較多太陽輻射影響，具有較高的溫度，北坡則溫度較低且濕度大。同時(shí)，土壤是植物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物的生長(zhǎng)發(fā)育和分布與不同坡面的土壤特征存在著重要關(guān)系3.2不同坡度下的場(chǎng)地條件對(duì)填埋場(chǎng)土壤特性變化的影響土壤養(yǎng)分狀況在土壤質(zhì)量維持和改善中具有重要作用，也是植被恢復(fù)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要體現(xiàn)3.3不同斜向立地條件對(duì)傾倒場(chǎng)土壤微生物數(shù)量的影響土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要參與土壤養(yǎng)分與物質(zhì)的循環(huán)代謝過程，與土壤健康狀況密切相關(guān)3.4影響礦區(qū)填埋場(chǎng)不同坡度表面土壤特征的主要因素露天煤礦區(qū)排土場(chǎng)土壤與植被的交互影響作用復(fù)雜，因?yàn)樵诂F(xiàn)階段處于植被恢復(fù)初期，土壤各因子不穩(wěn)定，植被的生長(zhǎng)也處于適應(yīng)階段4排土場(chǎng)表層微生物的恢復(fù)措施1)在青海江倉(cāng)礦區(qū)排土場(chǎng)進(jìn)行不覆蓋客土利用多年凍土植被恢復(fù)中，不同坡向立地條件下，南坡與東南坡(陽坡)的植被高度、蓋度、生物量、生殖枝數(shù)量等特征均顯著高于北坡與東坡(陰坡)。說明坡向不同顯著影響植被的生長(zhǎng)，因此在高寒礦區(qū)植被恢復(fù)過程中增加陰坡(東坡與北坡)坡面的播種量并及時(shí)追施速效肥料有利于植被的快速恢復(fù)。2)在排土場(chǎng)不同坡向立地條件下，表層土壤的全磷、全鉀、速效氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)及含水量具有明顯差異，因此，在排土場(chǎng)恢復(fù)初期應(yīng)增加陰坡(