播量和施肥及無(wú)紡布覆蓋對(duì)高寒礦區(qū)植被恢復(fù)和土壤溫濕度的影響

張玉芳，徐有學(xué)，唐俊偉，賈順斌，李長(zhǎng)慧，張 英，高志香，金立群，3，張 靜，李希來(lái)

(1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省草原總站，青海 西寧 810008；3.青海湟源縣草原站，青海 西寧 812100)

青海木里礦區(qū)由于長(zhǎng)期煤礦開(kāi)采，堆積的大面積渣山造成周邊高寒沼澤濕地和土壤的破壞[1]，使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)處于在短期內(nèi)不可能恢復(fù)原自然環(huán)境的狀態(tài)[2]，因此，木里礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)意義重大。以往研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)是影響煤礦區(qū)渣山植被恢復(fù)的重要因子[3]，礦區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)匱乏，施用有機(jī)肥能增加土壤養(yǎng)分，促進(jìn)植被生長(zhǎng)，合理的種植密度可改善土壤容重和持水力等物理性質(zhì)[4]。

高寒礦區(qū)有關(guān)植被相關(guān)研究主要集中在覆土處理對(duì)煤礦區(qū)露天排土場(chǎng)植被及土壤理化性質(zhì)的影響[5]，人工建植、人工建植+覆土、人工建植+施肥等恢復(fù)措施對(duì)煤礦區(qū)植被和土壤恢復(fù)效果研究[6]，不同恢復(fù)年限對(duì)高寒露天煤礦區(qū)渣山植被和土壤特性的影響[7]等，這些研究并未涉及有機(jī)肥和播量梯度試驗(yàn)。本試驗(yàn)通過(guò)研究不同播量及有機(jī)肥水平下植被的生長(zhǎng)狀況，來(lái)確定最適施肥量和最適播種量，通過(guò)測(cè)定土壤表層溫濕度，確定植被不同生長(zhǎng)時(shí)期下土壤溫濕度的變化，為高寒礦區(qū)植被恢復(fù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

青海木里礦區(qū)為青海省最大的煤田，位于青海省海北州與海西州交界處的大通河上游盆地中。木里礦區(qū)包括江倉(cāng)、聚乎更、弧山和哆嗦貢瑪四個(gè)區(qū)。試驗(yàn)研究地位于木里礦區(qū)江倉(cāng)圣雄礦(江倉(cāng)5號(hào)井)，地理坐標(biāo)為：99°27′E～99°35′E，38°02′N～ 38°03′N，年平均氣溫-4.2 ℃，年最低氣溫-35.6 ℃，日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0 ℃的積溫482.3 ℃，年平均大風(fēng)日數(shù)30 d，年平均降水量477.1 mm，多集中在5～9月間，約占全年的90%。無(wú)明顯四季之分，冬春寒冷而漫長(zhǎng)，夏秋涼爽而短促，冷季長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)≥45%、水分≤30%、總養(yǎng)分(N+P2O5+KO≥5.0%)施肥量設(shè)置4個(gè)水平，梯度為0 kg/m2(M0)、1 kg/m2(M1)、2 kg/m2(M2)和3 kg/m2(M3)；播量梯度3個(gè)，分別為10 g/m2(S1)、20 g /m2(S2)、30 g/m2(S3)。其中，播種草種為50%的同德短芒披堿草(ElymusbreviaristatusKeng cv.Tongde)、12.5%的青海中華羊茅(FestucasinensisKengcv.Qinghai)、12.5%的青海冷地早熟禾(Poacrymophilacv.Qinghai)、10%的同德小花堿茅(Puccinelliatenuifloracv.Tongde)和15%的青海扁莖早熟禾(Poapratensisvar.ancepsGaudcv.Qinghai)。每個(gè)區(qū)組內(nèi)設(shè)有12個(gè)間距0.5 m，面積為3 m×2 m的小區(qū)，小區(qū)隔離帶為1 m，共計(jì)36個(gè)小區(qū)。

2020年6月25日，對(duì)樣地進(jìn)行清除石塊整治，將氮肥(尿素)40 g/m2、磷肥(磷酸二銨)30 g/m2撒施于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。將不同水平梯度有機(jī)肥和草種撒施到試驗(yàn)小區(qū)，進(jìn)行人工耙地，確保草種和有機(jī)肥均勻分布于試驗(yàn)小區(qū)，控制草種入土深度2～3 cm。播后每個(gè)小區(qū)覆蓋無(wú)紡布，并在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)埋入土壤溫濕度儀(型號(hào)HOBO)，深度為10～15 cm，試驗(yàn)小區(qū)之外埋入三臺(tái)溫濕度儀，作為不覆蓋無(wú)紡布處理。2020年8月28日，進(jìn)行植被生長(zhǎng)狀況調(diào)查，同時(shí)清除地面破損的無(wú)紡布。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 植被生長(zhǎng)狀況調(diào)查 2020年8月28日，用50 cm×50 cm的樣方對(duì)36個(gè)小區(qū)內(nèi)植被分蘗數(shù)、高度、蓋度和地上生物量進(jìn)行測(cè)定，每試驗(yàn)小區(qū)做3個(gè)重復(fù)。

(1)植物分蘗數(shù)：測(cè)定樣方內(nèi)同一物種的分枝數(shù)。

(2)植被高度：用鋼尺測(cè)定每個(gè)樣方內(nèi)植被高度，每個(gè)物種至少測(cè)定五次。

(3)植被蓋度：目測(cè)樣方內(nèi)植被總蓋度。

(4)地上生物量：剪取樣方內(nèi)的所有植被，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定植被鮮重并記錄。

1.3.2 土樣溫濕度調(diào)查 利用HOBO溫濕度傳感器記錄儀，連續(xù)監(jiān)測(cè)2020年6月、7月、8月渣山表層土壤溫濕度(深度10～15 cm)，其中土壤濕度用體積含水率表示，即土體中水的體積與土體的總體積的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2009完成數(shù)據(jù)整理及作圖，SPSS 26.0完成統(tǒng)計(jì)分析。方差分析檢驗(yàn)播量、有機(jī)肥對(duì)礦區(qū)改良土植被生長(zhǎng)的影響，并用One-way ANOVA對(duì)各試驗(yàn)處理小區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播量及有機(jī)肥對(duì)植被生長(zhǎng)的影響

表1結(jié)果顯示，植被蓋度在有機(jī)肥和播量處理下發(fā)生了顯著變化(P<0.05)，植被高度、地上生物量及分蘗數(shù)在各處理下未發(fā)生顯著變化(P>0.05)。如圖1(A)所示，在不考慮有機(jī)肥施用情況下播種量S2處理水平的植被高度和蓋度最大，分別比S1高出8.2%、45.3%；地上生物量及分蘗數(shù)在不同播量處理下表現(xiàn)為S1>S3>S2。植被高度、蓋度、地上生物量及分蘗數(shù)分別在交互M1S3、M3S3、M2S3、M2S3處理下最大，比M1S1分別高出69.1%、53.7%、113.4%、18.9%，但植被高度、地上生物量、分蘗數(shù)在各處理間差異不顯著(P>0.05)。從植被地上生物量和植物分蘗數(shù)角度看，播量與有機(jī)肥的交互作用對(duì)植被生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用，其中M2S3處理下植被生長(zhǎng)較好。

表1 有機(jī)肥和播量對(duì)植被生長(zhǎng)特征影響的雙因素方差分析

圖1 不同水平有機(jī)肥及播量對(duì)植被高度(A)、蓋度(B)、地上生物量(C)、植被分蘗數(shù)(D)的影響

2.2 不同月份間渣山表土溫濕度的比較

表2結(jié)果顯示，6月份到8月份，各試驗(yàn)處理下土壤溫度呈先增加后減少趨勢(shì)，與不覆蓋無(wú)紡布處理下土壤溫度變化趨勢(shì)一致，但各處理在6、7、8月份的土壤溫度均高于不覆蓋無(wú)紡布處理下土壤溫度(P>0.05)，說(shuō)明植被覆蓋及無(wú)紡布覆蓋對(duì)渣山表層土壤起到了一定的保溫作用。

表2 不同月份間土壤溫度的變化 單位：℃

表3結(jié)果顯示，從6月份到8月份，各試驗(yàn)處理以及不覆蓋無(wú)紡布處理下土壤濕度變化差異不顯著(P>0.05)，幅度范圍為0.13～0.19 m3/m3。這說(shuō)明短期內(nèi)種草復(fù)綠及無(wú)紡布覆蓋對(duì)渣山表層土壤濕度影響不大，也說(shuō)明渣山表層土壤的保水性較好，木里礦區(qū)降水量不是限制植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。

表3 不同月份間土壤濕度的變化 單位：m3/m3

2.3 覆蓋無(wú)紡布處理對(duì)土壤溫濕度的影響

表4結(jié)果顯示，覆蓋無(wú)紡布處理下渣山表層土壤溫度達(dá)到12.96 ℃，比對(duì)照土壤溫度高1.69 ℃(P<0.05)，但覆蓋無(wú)紡布處理對(duì)土壤濕度影響不顯著(P>0.05)。

表4 覆蓋無(wú)紡布處理對(duì)渣山表土溫濕度的影響

3 討論

3.1 有機(jī)肥對(duì)植被生長(zhǎng)的影響

植被恢復(fù)措施不僅促進(jìn)礦區(qū)地上植被的恢復(fù)，還可改善地下土壤質(zhì)量，是渣山植被穩(wěn)定恢復(fù)的常見(jiàn)方法[8]。牛羊有機(jī)肥含有有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫和微量元素等各種植物所需的養(yǎng)分[9]，經(jīng)腐殖化過(guò)程能形成部分腐殖質(zhì)，可改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤保水保肥的能力[10]，在礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)中較為常見(jiàn)。

本研究結(jié)果顯示，有機(jī)肥處理可顯著提高植被蓋度，對(duì)植物分蘗數(shù)、高度、地上生物量等無(wú)顯著影響。金立群等[11]在高寒礦區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，植被建植3 a及5 a時(shí)的植物高度、蓋度及地上生物量顯著大于恢復(fù)1 a的。由于本研究時(shí)間較短，有機(jī)肥在高寒礦區(qū)緩釋養(yǎng)分速度較低，促進(jìn)植被生長(zhǎng)效果不明顯，這說(shuō)明恢復(fù)年限是促進(jìn)植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵，有機(jī)肥對(duì)植物生長(zhǎng)特征的影響，需后續(xù)進(jìn)一步觀測(cè)。

3.2 覆蓋無(wú)紡布對(duì)土壤溫濕度的影響

無(wú)紡布是一種由聚丙烯、聚乙烯、聚酯等原料經(jīng)加工而成的土工合成材料，具有保溫、保濕、透氣、耐用等特點(diǎn)[12]。無(wú)紡布對(duì)土壤溫度的影響，主要通過(guò)影響太陽(yáng)輻射的吸收轉(zhuǎn)化和地面熱量的傳導(dǎo)來(lái)完成[12]。本研究結(jié)果顯示，覆蓋無(wú)紡布可顯著提高土壤溫度，這與程建萍等[13]的研究結(jié)果一致。覆蓋無(wú)紡布對(duì)渣山土壤濕度沒(méi)有顯著的影響，產(chǎn)生這一結(jié)果可能與溫濕度測(cè)定的位置10～15 cm較深有關(guān)，這一深度渣山土壤保濕效果較好，因此，覆蓋無(wú)紡布沒(méi)有效果。如果監(jiān)測(cè)0～5 cm的渣山表層土壤溫濕度，無(wú)紡布覆蓋的增溫增濕效果會(huì)顯著增加。所以，建議高寒木里礦區(qū)未來(lái)研究，重點(diǎn)觀測(cè)渣山表層土壤0～5 cm溫濕度的變化。

4 結(jié)論

(1)增加施用有機(jī)肥能明顯增加植被蓋度(P<0.05)和高度(P<0.05)，對(duì)植被地上生物量和分蘗節(jié)影響不顯著。綜合來(lái)看，2 kg/m2的有機(jī)肥+30 g/m2的播量試驗(yàn)處理下，當(dāng)年植被生長(zhǎng)最好。

(2)無(wú)紡布覆蓋對(duì)渣山表層土壤具有明顯的保溫作用，但其保濕作用不明顯。