高寒矿区排土场植被恢复与土壤养分的关系

高寒矿区排土场植被恢复与土壤养分的关系

煤炭是支持社会经济发展的主要能源之一。木里煤田位于高海拔、气候寒冷、生态条件恶劣的青海省海北州，2003年开始进行开矿生产原煤，且产量逐年递增。采煤占据了大量的天然湿地面积，尤其开采过程中形成了大量的地下冻土、岩土、岩石与煤矸石机械堆积的排土场山排土场修复是通过再造土壤形成良好的土壤结构和层次，提供植物生长必备的土壤生境，而植被恢复能够改善露天煤矿区排土场表层基质结构和肥力，是排土场土壤形成的必要条件1材料和方法1.1木里油田气象概况研究地点位于青海省海北州木里煤田东部的江仓矿区，大通河上游南侧(图1)，距省会西宁市约450km。木里煤田是青海省唯一的焦煤资源整装勘查区域，也是该省最大的煤矿。其地理坐标为99°27′～99°35′E,38°02′～38°03′N，海拔3800～4200m，年平均气温–2.8℃，气候严寒。矿区东西长25km，南北宽2.5km，面积55km1.2样品的采集和测定试验地选择为2015年种植的排土场山南坡、北坡、东南坡与东坡，种植方法一致。2017年8月分别以样线法随机选择12个1m×1m的样方，测定植被盖度(人为估测)、高度(钢卷尺测定)、地上生物量、生殖枝数量、幼苗数量等，并把采集的样品用信封袋带回室内，烘干称其干重。采样过程中，用GPS记录经纬度、海拔，罗盘仪测定坡度、坡向，三参速测仪(HW-WET-3)测定排土场基质的水分与盐分。样方内除去地面植被和地表覆盖物，对表层(0～10cm)土壤进行取样，去除大石块和植物残根后用自封袋带回室内；另用消过毒的无菌铲在每个样方取表层样20g装入无菌袋，在低温下运回实验室，放入4℃冰箱冷藏待用，且取样过程、运输环节尽可能保持无菌。1.3土壤理化性质测定土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定；全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤pH采用电极法(水土质量比2.5∶1)测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定1.4随机森林算法采用Excel2007进行数据整理，运用SPSS19.0进行描述性统计分析、单因素方差分析及显著性检验，显著水平设定为α=0.05。其次，基于R语言软件的随机森林算法进行影响因子重要性分析。随机森林算法是由LeoBreiman提出的一种新型高效的组合分类法，通过自助法(Bootstrap)对样本数据进行抽样，由随机向量(X,Y)构建组合模型。鉴于随机森林模型可处理大量数据，易于建立又易于解释，可用来评估本文中变量的重要性，提高效率2结果与分析2.1被高度的植被高度由图2A可以看出，种植在排土场南坡与东南坡的植被高度显著高于东坡与北坡的植被(P<0.05)，而东坡的植被显著高于北坡(P<0.05)。由图2B可以看出，植被生物量在东南坡为115g/m2.2坡面全氮、土壤理化性质从表1可以看出，排土场山南坡表层土壤全氮含量高于其他3个坡面，但是差异不显著(P>0.05)。全磷含量在南坡最高，显著高于北坡与东坡(P<0.05)，与东南坡差异不显著(P>0.05)。全钾含量在东坡最高，显著高于南坡与北坡(P<0.05)，与东南坡差异不显著(P>0.05)。南坡与北坡全氮含量差异也不显著(P>0.05)。土壤碱解氮含量南坡为85.58mg/kg，比北坡、东南坡、东坡分别高53.58、43.33、54.33mg/kg，差异显著(P<0.05)。有效磷含量在4个坡面差异不显著(P>0.05)。速效钾含量在东南坡含量最高，显著高于南坡与北坡(P<0.05)，与东坡差异不显著(P>0.05)。有机质含量在北坡高达163.52g/kg±56.98g/kg，显著高于其他3个坡面(P<0.05)。土壤pH在4个坡面无显著变化(P>0.05)，均偏碱性。土壤体积含水量在北坡与东坡含量较高，平均比南坡与东南坡高66%，差异显著(P<0.05)。由以上分析可以看出，不同坡向立地条件对露天煤矿区排土场表层土壤理化性质有一定的影响，全磷、全钾、碱解氮、速效钾、有机质与含水量等具有明显差异。2.3细菌多样性分析从表2中可以看出，细菌数量在东南坡最高，显著高于其他3个坡面(P<0.05)，北坡与东坡显著高于南坡(P<0.05)，南坡细菌数量最少，仅为(0.12±0.10)×102.4土壤理化性质与结构图3为随机森林方法对不同坡向表层土壤理化性质以及植被恢复特征的22个建模因子的重要性分析。重要性指标为平均准确率降低度与基于平均基尼指数递减度，两个指标数值增大，则代表对应的影响因子越重要。从图3中可以看出，土壤细菌数量、含水量、碱解氮、全磷、植被高度与土壤有机质含量是影响排土场不同坡向立地条件下植被与土壤特性的主要因子，通过随机森林法计算平均准确率降低度，土壤细菌数量的影响力为16.35，土壤含水量为12.01，土壤碱解氮为11.21，全磷为10.25，植被高度为9.39，土壤有机质为8.60，依次降低。为了更好地分析各因子对不同坡向立地条件下植被与土壤特性的影响规律，本文对6个重要因子绘制了作用曲线(图4)。图4中横坐标对应因子取值，纵坐标对应该因子对排土场植被与土壤特性影响的贡献概率值，即纵坐标值越大，该因子对排土场不同坡向立地条件的影响越大。细菌数量的重要性排序最高，从图4中可以看出，随着细菌数量的增大，对不同坡向排土场特性影响增大。土壤含水量是维持土壤循环系统不可缺少的物质，从图4中可以看出，随着土壤含水量的升高，对不同坡向排土场表层土壤的影响逐渐增大，当含水量为25.4%时，有略微下降。氮是植物需要量较大的营养元素，从图4中可以看出，碱解氮含量为49mg/kg时，对不同坡向排土场特征的影响最大，之后随着碱解氮含量的增大影响力逐渐下降并趋于稳定。从图4曲线中可以看出，全磷含量大于1.6g/kg时，对4个坡向的植被与土壤特性影响最大。植被高度是对排土场表层基质养分的响应，从图4中可以看出，随着植被高度的增高，对不同坡向立地条件的影响显著上升，当植被高度上升至34cm时，影响最大，随后随着植被高度增高，影响力缓慢下降并趋于稳定。而土壤有机质为47g/kg时对不同坡向排土场特性影响最大，之后影响力下降。3讨论3.1南坡立地特点坡向作为一个最重要的地形因子，不同坡向因光照、水分、温度、土壤等差异，使植被特征不同。南坡受较多太阳辐射影响，具有较高的温度，北坡则温度较低且湿度大。同时，土壤是植物生长的物质基础，植物的生长发育和分布与不同坡面的土壤特征存在着重要关系3.2不同坡度下的场地条件对填埋场土壤特性变化的影响土壤养分状况在土壤质量维持和改善中具有重要作用，也是植被恢复生态环境效应的重要体现3.3不同斜向立地条件对倾倒场土壤微生物数量的影响土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，主要参与土壤养分与物质的循环代谢过程，与土壤健康状况密切相关3.4影响矿区填埋场不同坡度表面土壤特征的主要因素露天煤矿区排土场土壤与植被的交互影响作用复杂，因为在现阶段处于植被恢复初期，土壤各因子不稳定，植被的生长也处于适应阶段4排土场表层微生物的恢复措施1)在青海江仓矿区排土场进行不覆盖客土利用多年冻土植被恢复中，不同坡向立地条件下，南坡与东南坡(阳坡)的植被高度、盖度、生物量、生殖枝数量等特征均显著高于北坡与东坡(阴坡)。说明坡向不同显著影响植被的生长，因此在高寒矿区植被恢复过程中增加阴坡(东坡与北坡)坡面的播种量并及时追施速效肥料有利于植被的快速恢复。2)在排土场不同坡向立地条件下，表层土壤的全磷、全钾、速效氮磷钾、有机质及含水量具有明显差异，因此，在排土场恢复初期应增加阴坡(