植被配置对黑岱沟露天煤矿区土壤养分恢复的影响

引用本文

胡宜刚, 张鹏, 赵洋, 黄磊, 虎瑞. 植被配置对黑岱沟露天煤矿区土壤养分恢复的影响. 草业科学, 2015,32(10):1561-1568
HU Yi-gang, ZHANG Peng, ZHAO Yang, HUANG Lei, HU Rui. Effects of various vegetation patterns on soil nutrients recovery in Heidaigou coal mine. Pratacultural Science,2015,32(10): 1561-1568 复制到剪切板

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《草业科学》编辑部

植被配置对黑岱沟露天煤矿区土壤养分恢复的影响

胡宜刚, 张鹏, 赵洋, 黄磊, 虎瑞

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠研究试验站,甘肃兰州 730000

通讯作者:张鹏(1979-),男,甘肃张掖人,助理研究员,博士,主要从事植物生态学研究。E-mail:zhangp1419@163.com

第一作者:胡宜刚(1980-),男,甘肃临夏人,助理研究员,博士,主要从事土壤生态学研究。E-mail:huyig@lzb.ac.cn

收稿日期: 2015-03-25

基金: 中科院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-13-03); 国家自然科学基金(41101081、41201086)

摘要

人工植被重建是对受损生态系统进行修复的重要手段,但不同植被配置对土壤养分恢复效果的评估研究仍非常欠缺。本研究对采用5种不同人工植被配置模式修复近20年后的黑岱沟露天煤矿区排土场的土壤养分恢复状况进行了评价,结果表明,排土场土壤养分含量受植被配置类型的影响显著。不同土壤深度的有机质(SOM)、全氮(TN)和硝态氮(NO3--N)含量差异显著( P<0.05),而总磷(TP)、总钾(TK)和铵氮(NH4+-N)差异不显著( P>0.05)。虽然SOM、TN和NO3--N均表现出明显的表聚性,但与天然植被相比,人工植被的建植改变了其剖面垂直分布特征。经过近20年的修复,混播有豆科牧草的纯草本配置在5种植被配置中的恢复效果表现最好,其0-50 cm土壤平均SOM、TN和NO3--N分别恢复到天然植被区的63.9%、57.8%和184.8%,尤其是30-50 cm的SOM、TN和NO3--N含量水平更是超过了自然恢复的撂荒地。因此,人工植被重建是促进矿区土壤养分恢复的有效措施,混播有豆科牧草的纯草本是进行土壤修复的首选植被配置模式,SOM、TN和NO3--N可作为评估矿区土壤养分修复的评价指标。

关键词: 排土场; 植被配置; 土壤养分; 生态恢复

中图分类号:S153.6 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2015)10-1561-08 doi: 10.11829\j.issn.1001-0629.2014-0547

Effects of various vegetation patterns on soil nutrients recovery in Heidaigou coal mine

HU Yi-gang, ZHANG Peng, ZHAO Yang, HUANG Lei, HU Rui

Shapotou Desert Experiment and Research Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

Corresponding author: ZHANG Peng E-mail:zhangp1419@163.com

Abstract

Artificial revegetation is a vital method of ecological recovery for damaged ecosystems. However, the assessment on the recovery effects of various vegetation patterns is still rare to date. In this study, the recovery situation of recliamed soil nutrients in Heidaigou opencast coal mine recovered for nearly 20-years was evaluated using various artificial vegetation patterns. The results showed that soil nutrients content was significantly affected by vegetation patterns. The contents of SOM, TN and NO3--N were significantly different in various soil depth while there was no significant difference for soil TP, TK and NH4+-N. Although SOM, TN and NO3--N assembled in the surface soil, artificial vegetation changed their vertical distribution properties compared with natural vegetation. Herbage vegetation with fabaceous plants was better than other vegetation patterns for soil nutrients recovery. Average SOM, TN and NO3--N within 50 cm soil depth had recovered to 63.9%, 57.8% and 184.8% of natural vegetation site after nearly 20 years recovery, the average level of SOM, TN and NO3--N within 30-50 cm soil depth even exceeded abandoned field. The results indicated that artificial revegetation was an effective measure to improve soil nutrients recovery, and herbage vegetation with fabaceous plants was the first choice to implement soil ecological recovery in the mine reclaimed land. Furthermore, SOM, TN and NO3--N could be used as an index to evaluate the effects of soil recovery in this mine region.

Keyword: reclaimed land; vegetation pattern; soil nutrients; ecological rehabilitation

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煤炭是我国能源中最主要的能源, 约占一次性能源的71%, 远高于石油、天然气等其他能源所占的比例^[1]。由于技术简单、开采成本低和安全性高等特点, 我国以大型露天煤矿的开采占主导地位, 在未来20年内, 有望把露天采煤比例由目前的4%提高到15%^[2]。但是, 由于开采过程中对矿区的规划不科学, 乱开采现象普遍, 人们对于环境保护意识的缺乏以及长期以来对开采后生态环境恢复重建的忽视等, 煤矿区及周边生态环境破坏严重, 在生态脆弱的黄土高原地区表现得尤为突出, 严重影响该地区资源利用的可持续发展。因此, 露天煤矿区生态环境的修复与重建工作已经迫在眉睫。

我国露天煤矿大多集中在干旱或半干旱的生态脆弱区^[2]。黄土高原地区是大型或特大型煤矿的主要集中区。该区已初步探明的煤炭储量5.8× 10¹¹ t, 约占全国已探明储量的2/3。据预测, 21世纪前期, 全国煤炭年产量将达到4.0× 10⁹ t, 其中60%~70%的煤炭来自黄土高原。黑岱沟露天煤矿是我国自行设计、自行施工的特大型露天煤矿, 设计开采范围为42.36 km²。其上部黄土层平均厚49 m, 中间岩石层平均厚56 m, 下部煤层平均厚28.8 m。采矿时将原有的深层土回填到下部, 再在其上覆以剥离出去的原有表土。尽管如此, 还是对土壤的结构和理化性质造成了极大破坏, 且矿区处在生态非常脆弱的黄土高原地区, 生态重建问题引起了各方面的高度重视^[3]。植被恢复与重建是生态恢复的关键, 而根据气候带的特点选择合适的人工植被类型是决定生态修复成败和效果好坏的重点。生态修复效果的评价不能只关注于地上植被的恢复, 更应该重视其土壤理化性质的修复。黑岱沟露天煤矿自1995年以来, 采用不同人工植被配置模式开展矿区排土场的生态恢复与重建^[4]。然而, 经过近20年的恢复, 排土场土壤养分状况的改善程度如何尚不清楚。为此, 本研究选择1995年开始恢复的北排土场, 通过对不同人工植被配置模式下的土壤主要养分含量的分析, 评价不同人工植被配置模式对土壤养分的恢复与改善效果, 为我国黄土高原地区矿区生态修复中的植被重建提供基础参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部。地处黄河西岸, 地理位置位于晋、陕、蒙接壤的黄土地区, 海拔在1 025~1 302 m。面积达52.11 km²。地理坐标为111° 13'-111° 20' E, 39° 43'-39° 49' N。矿区气候属于中温带半干旱大陆性气候, 冬季严寒而漫长, 夏季温热而短暂, 昼夜温差较大, 日照时数3 119.3 h, 年平均气温7 ℃。年均降水量为408 mm, 多集中在7-9月, 占全年降水量的60%~70%, 年蒸发量为2 082 mm。地貌类型为典型的黄土丘陵沟壑区, 地带性土壤不明显, 非地带性土壤— — 黄绵土广泛分布。矿区有捣蒜沟排土场、东排土场、北排土场、西排土场、内排土场和东沿帮排土场共6个排土场。排土场土壤均为开采时从原表层剥离的复填土, 复填过程中用深层土、浅层土、表层土从下层往上层开始逐层复填, 以尽量保证原始土壤层次与结构, 然后通过人工种植不同的植被进行恢复。1995年以来, 采用人工植被重建的措施进行过生态修复, 主要的人工植被配置模式可分为乔木型、乔-灌型、乔-草型、乔-灌-草型和草本型共5种类型。

1.2 样品采集与分析

以1995年开始恢复与重建的北排土场为代表, 选择5种不同配置模式的人工植被和人工耕作后弃耕撂荒15年的撂荒地为试验样地, 撂荒地距北排土场约150 m, 未进行过煤矿开采。以未经破坏的天然植被区为对照, 共7块样地。2012年9月调查其物种组成、植被盖度、高度和草本地上生物量, 每个样地设置3个10 m× 10 m的大样方作为调查乔木或灌木的样方, 大样方内设置3个1 m× 1 m的草本样方, 选择5株有代表性的乔木和灌木测量其冠幅, 乔木和灌木的盖度按C=π × (D/2)²× N× 100%计算, 式中, C、D和N分别代表乔木和灌木的盖度、冠幅和株数, 具体内容如表1所示。

表1 各人工植被配置的植被组成 Table 1 Vegetation composition of all sampling sites

用直径为7 cm的土钻采集0-50 cm的土壤样品, 每10 cm采集一份, 共采集5层, 每块样地3个重复, 土壤样品带回实验室后过2 mm筛备用。用2 mol· L^-1 KCl浸提鲜土中的无机氮, 在连续流动注射仪(FIAstar 5000 Analyzer, FOSS, 瑞典)上测定浸提液中的铵态氮(N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N)和硝态氮(N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N); 用外加热-重铬酸钾容量法、凯氏定氮法(KDN-2, Thermo Fisher, 德国)、钼锑抗比色法(UV-2012PC, 上海元析仪器有限公司, 中国)和火焰光度法测定风干土中的总有机质(SOM)、总氮(TN)、总磷(TP)和总钾(TK)含量, 具体操作方法详见《中华人民共和国国家标准》中的GB 9834-88^[5]、GB/T 11894-89^[6]、GB 8937-88^[7]和GB 9836-88^[8]。

1.3 数据处理

采用SPSS 16.0中的一般线性模型中的多因子分析方法, 以植被配置模式和土壤深度为主要因子, 对土壤中的SOM、TN、TP、TK、N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N进行双因子方差分析。采用最小显著差异法(LSD)对不同配置模式和同一配置模式下不同深度的所有土壤养分含量进行多重比较, 显著性差异水平设定为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量变化

植被配置模式极显著影响矿区排土场的土壤SOM、TN、TP、TK、N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量(P< 0.01); SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量在不同土壤深度之间有极显著差异, 但TP、TK和N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N含量在不同土壤深度之间差异不显著(P> 0.05); 植被类型与土壤深度之间的互作效应对土壤N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量的影响达到极显著水平, 而对其余土壤养分指标没有明显的互作效应(表2)。

表2 土壤养分含量两因子方差分析结果 Tab.2 Anova analysis of soil nutrients using vegetation patterns and soil depth as two main factors

因子 Factor	SOM		TN		TP		TK		N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N		N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N
因子 Factor	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
配置模式Pattern model(P)	17.40	< 0.01	25.29	< 0.01	8.44	< 0.01	30.359	< 0.01	19.19	< 0.01	16.50	< 0.01
土壤深度Soil depth(D)	14.26	< 0.01	11.24	< 0.01	0.21	0.93	1.906	0.119	0.71	0.59	69.72	< 0.01
P× D互作 Interaction	1.25	0.23	1.41	0.14	0.90	0.60	0.875	0.633	0.57	0.94	7.28	< 0.01

Note:P× D mean interaction between vegetation patterns and soil depth.

注:P× D表示植被配置模式与土壤深度之间的互作效应。

表2 土壤养分含量两因子方差分析结果 Tab.2 Anova analysis of soil nutrients using vegetation patterns and soil depth as two main factors

各样地SOM总体上随着土壤深度的增加而逐渐降低, 0-10 cm 的SOM含量最高(图1)。样地A、B、C、D、E、F和 G中0-50 cm平均SOM含量分别为3.1、3.4、1.6、2.2、4.2、4.5和6.6 g· kg^-1。不同样地同一层土壤相比, 除撂荒地F 表层(0-20 cm)SOM含量和天然样地G相近外, 其余样地均低于天然样地。样地E的SOM含量在5种人工植被配置类型中最高, A、B和E的下层土壤(30-50 cm)甚至超过了靠自然恢复的撂荒地F。说明人工植被重建加速了SOM的形成和积累。

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图1 不同人工植被模式与撂荒地和天然样地的土壤养分比较
注:不同小写字母表示同一样地不同土层深度之间差异显著(P< 0.05)。A、B、C、D、E、F、G表示不同的样地, 同表1。Fig. 1 Comparison of soil nutrients of various artificial vegetation patterns with abandoned and natural site
Note: Different lower cases letters mean significant difference among different soil depths of the same site at 0.05 level. A, B, C, D, E, F and G represent different site as in Table 1.

类似于SOM的变化, 除个别土层外, 7个样地土壤TN含量总体上随着土壤深度的增加而逐渐降低(图1)。0-50 cm内样地A、B、C、D、E、F和G的平均TN含量分别为0.14、0.17、0.15、0.19、0.23、0.30和0.39 g· kg^-1。5个人工植被配置中0-10 cm TN含量较高, 明显高于深层(30-50 cm), 大于10 cm深度的各层土壤间差距不大。不同样地同一层次相比, 天然植被样地G含量最高, 人工植被中样地E含量最高, 其深层(30-50 cm)土壤TN含量高于撂荒地F。

7个样地TP含量大都在0.04%~0.05%, 同一样地不同土壤深度的含量都十分接近, 且差异均不显著(图1)。不同样地同一土层相比较, 所有人工植被样地均高于天然样地F和G。其中, 样地B(0.51%)和D(0.53%)的含量较高。同一样地不同土壤深度TK含量差异也均不显著(图1), 而且随土壤深度的变化无明显的变化规律。样地C、D和E的TK含量较高, 0-50 cm平均TK含量分别11.1、10.1和9.3 g· kg^-1, 样地A、B和F含量较低且较接近, 平均TK含量在6.5~7.5 g· kg^-1。

虽然样地B和D的土壤N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N含量较高, 但7个样地的平均土壤N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N含量之间并无明显差异, 同一样地不同土层深度之间的含量十分接近, 且差异均不显著(图1)。除样地D外, 其余各样地0-10 cm 土壤中的N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量最高, 并随着土壤深度的增加呈现出逐渐降低的趋势(图1)。0-50 cm内样地A、B、C、D、E、F和G 的N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N平均含量分别为0.13、0.73、0.26、0.18、0.93、1.02和0.50 mg· kg^-1。

2.2 养分恢复程度

以天然植被区为参考, 经过17年的生态恢复, 各人工植被配置模式0-50 cm的SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量恢复到天然样地的23.7~64.9%、35.1~58.4%和18.6~143.2%, N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的平均恢复程度(88.7%)高于SOM(43.9%)和TN(44.7%)。除个别样地外, 0-10 cm土壤SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量恢复程度更高, 其他层次的恢复程度因不同的土壤深度和植被配置模式而异。样地A和B的SOM恢复程度接近或超过50%, 样地E的SOM恢复程度最高(63.2%), 与靠自然恢复的撂荒地F(64.9%)十分接近(表3)。除样地C和D外, 其他植被配置类型30-50 cm的SOM恢复程度高于靠自然恢复的撂荒地F。样地E中0-50 cm的平均TN恢复程度(58.4%)较其余样地接近撂荒地F(73.1%), 其30-50 cm的恢复程度甚至略高于撂荒地F。样地B和E中0-10 cm的土壤N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的恢复程度明显高于其他3个样地, 其他土壤深度的N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量已经与天然样地G非常接近甚至超过了天然样地G的N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N水平。人工植被样地B、D和E中0-50 cm土壤平均N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量已完全恢复到天然植被的水平, 其中0-10和40-50 cm的恢复程度更是高于其他土壤深度。以上结果说明, 相比于自然恢复, 人工植被的重建加速了有机质、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的积累, 其中, 纯草本配置模式的恢复效果更佳。

表3 各植被配置的土壤SOM、TN和N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N与天然样地相比的恢复程度 Table 3 Recovery percentage of SOM, TN and N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N of each vegetation pattern from reference natural vegetation site%

养分 Nutrient	土壤深度 Soil depth	样地Site
养分 Nutrient	土壤深度 Soil depth	A	B	C	D	E	F
SOM	0―10 cm	49.9	65.9	42.3	34.8	84.8	101.2
	10―20 cm	50.1	58.0	27.2	32.0	54.1	97.0
	20―30 cm	38.4	44.2	8.3	41.6	43.2	59.2
	30―40 cm	43.3	42.2	20.7	42.3	55.0	40.8
	40―50 cm	56.0	45.7	20.1	18.3	78.7	26.3
	平均 Average	47.5	51.2	23.7	33.8	63.2	64.9
TN	0―10 cm	38.8	52.3	61.1	57.1	78.3	103.0
	10―20 cm	31.0	36.8	26.8	38.4	43.2	71.1
	20―30 cm	30.2	36.4	21.4	44.5	47.4	90.8
	30―40 cm	36.4	39.6	36.4	49.7	58.2	54.2
	40―50 cm	38.9	47.2	49.5	52.8	65.0	46.4
	平均Average	35.1	42.5	39.0	48.5	58.4	73.1
N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N	0―10 cm	42.1	193.3	69.0	12.0	272.0	239.0
	10―20 cm	7.2	103.3	36.4	11.7	108.0	204.2
	20―30 cm	2.5	71.8	16.6	29.6	63.6	91.7
	30―40 cm	4.1	72.4	59.8	93.6	129.2	225.1
	40―50 cm	36.9	191.0	65.4	381.4	143.4	116.6
	平均Average	18.6	126.4	49.4	105.7	143.2	175.3

表3 各植被配置的土壤SOM、TN和N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N与天然样地相比的恢复程度 Table 3 Recovery percentage of SOM, TN and N

\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}

-N of each vegetation pattern from reference natural vegetation site%

3 讨论

土壤的自我修复是一个非常缓慢的复杂过程^{[9, 10]}。在干旱半干旱地区表层土壤养分的恢复更为缓慢, 有些土壤成分(如SOM、TN)靠自然恢复甚至需要50~100年的时间^{[10, 11]}。植被重建是加快表层土壤恢复的一种有效措施, 因为人工植被对土壤具有显著的培肥作用, 能加速土壤肥力的提升^{[12, 13]}。然而, 由于不同植被在生活型、生理生态特性、养分利用等方面的差异, 其对各土壤肥力指标恢复的效果并不相同。因此, 不同的植物配置对土壤的培肥效果也存在明显的差异。巩杰等^[13]研究发现, 在半干旱黄土丘陵区, 人工栽植灌木对土壤的培肥作用高于乔木。张俊华等^[12]研究认为, 草地对黄土高原SOM的恢复效果好于灌木和乔木, 而幼龄乔木林地对深层土壤有机质的培肥改良效益甚微。本研究也发现人工植被的建植的确促进了土壤肥力的提升, 加速了土壤养分的恢复。这一结果与之前的研究结果相一致^{[12, 13]}。通过5种植被配置模式的比较发现, 混播有豆科牧草的纯草本配置模式的人工植被更有利于该区排土场浅层(0-50 cm)土壤SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的恢复, 而人工植被并没有改变土壤TP、TK及N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N的含量和剖面垂直分布特征。

SOM是土壤养分的主要来源, 其对土壤的生产力、物理状况和生物活性有重要的指示意义, 常作为衡量土壤肥力的一项综合性指标。植物凋落物、植物残体和根系、土壤动物和微生物残体以及动植物和微生物的分泌物都是SOM的贡献者。研究发现, 长期耕作造成半干旱草原SOM大量损失^{[14, 15]}, 而撂荒在一定程度上能恢复土壤肥力, 但恢复速度较为缓慢^[13]。半干旱草原区的土壤活性有机质和养分利用性在弃耕后的50年将会恢复, 但土壤总有机质的恢复将是一个更为缓慢而漫长的过程^[15]。山体滑坡后的热带雨林需要经过100~150年的自然恢复, 其土壤有机碳和全氮才能完全恢复^[16]。Li等^[10]研究发现, 经过44年人工植被的恢复和演替, 荒漠系统表层SOM会恢复到90%。本研究发现, 纯草本植被经过近20年的发育, SOM最高恢复到天然样地的84.8%。然而, 不同深度的SOM和全氮恢复速率并不一致, 表层(0-10 cm)SOM的恢复速率最高, 与其他报道一致, 在土壤剖面上表现为表聚性的特点^[12]。一方面是因为更多的植物残体和凋落物很容易被表层土壤所截获, 另一方面是因为来自于地表发育和拓殖的生物土壤结皮的碳氮固定^[10]。虽然有众多研究一致报道人工植被能明显加速土壤肥力的恢复^{[11, 12, 13]}, 本研究却发现纯草本配置的人工植被类型下的SOM恢复速率最快, 尤其是较深层SOM(40-50 cm)的积累明显超过了靠自然恢复的撂荒地。其原因是相对于灌木和乔木, 草本植物种子产量高, 更容易在贫瘠的土壤中萌发并定居, 往往是生态修复的先锋植被, 很大程度上加速人工生境的生态演替^[17]。其次, 纯草本植被的草本盖度相对均一、草本根系密集的分布在浅层土壤中、且具有更新和周转速度快的特点, 大量死亡的根系腐殖质化后转化为SOM。而乔木和灌木的根系通常较深, 且分布相对分散, 有明显的肥力岛屿作用^[13], 其根系的更新和周转速率较草本缓慢。

土壤中的氮素大多为有机结合形态, 无机态氮一般占全氮的1%~5%。研究发现, 黄土高原生态系统中的土壤氮素主要取决于生物量的积累和土壤有机质分解的强度^[18]。本研究所选择的5种不同植被配置模式中, 纯草本配置的草本盖度和生物量均远高于其他植被配置类型(表1), 这意味着将有更多的草本凋落物归还到土壤中而使其生产力得以提高, 最终导致生物量积累的增加。同时, 生物量的累积也刺激了土壤微生物种群和数量的增加, 进而加速凋落物和土壤有机质的分解。另外, 地表的生物土壤结皮, 尤其是具有固氮活性的藻类结皮^[19]有利于表层(0-10 cm)土壤全氮含量的增加。其中混播的豆科植物更是能够耐受低氮环境, 在土壤中与根瘤菌形成固氮根瘤, 从而进行有效的固氮作用, 使土壤中氮的积累大幅度提高^[20], 补充了较深层的土壤全氮含量。凋落物和有机质中的有机氮通过土壤微生物的矿化转化为无机氮(N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N), 更多的凋落物和有机质的分解是纯草本配置的人工植被和撂荒地表层(0-10 cm)土壤中的N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N含量明显高于其他植被配置类型和天然植被区的主要原因。土壤无机氮对作物来说是可直接吸收利用的矿质态氮, 主要是N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N, 反映土壤短期的供氮能力^[21]。硝态氮和铵态氮的高低直接反映土壤短期氮素供应状况, 在美国直接用硝态氮的含量作为田间养分管理的指标。本研究的结果说明, 植被配置类型对土壤N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的影响大于N $\begin{matrix} {H_{4}}^{+} \end{matrix}$ -N, 土壤N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的对植被恢复的效果评价具有更重要的实用价值。然而, 其中的机理还需要进一步的研究。

磷和钾是植物生长不可缺少的生命元素。土壤中绝大多数的磷和钾来自于土壤母质中的矿质成分, 生物因素对其虽有作用, 但影响不大^[22]。全磷和全钾含量只能反映土壤中磷和钾的总储量, 而速效钾和速效磷更能指示土壤的养分可利用性。矿区排土场土壤是由深层土壤回填而形成的, 由于黄土高原母质土壤较为均匀一致, 全磷和全钾的分层现象也不明显, 这与巩杰等^[22]和马建军^[23]的研究结果相一致。同时也说明土壤全磷和全钾含量不能真实地反映该地区土壤生态修复的程度和效果。土壤中速效磷和速效钾的供给对植物来说有重要的营养作用, 对土壤的生态恢复效果的评价具有更重要的指示意义。所以, 今后在黄土高原区土壤钾和磷的恢复研究中, 更应该关注土壤速效磷和速效钾的含量变化。

4 结论

人工植被的重建的确促进了矿区排土场土壤中SOM、TN和N₃O^--N含量的增加。经过近20年的修复, 黑岱沟煤矿区排土场50 cm内的平均SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N恢复到天然植被区的18.6%~143.2%。含有豆科草本的纯草本配置模式的人工植被对浅层土壤的恢复效果最好, 其对0-50 cm土壤中SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N的恢复程度是其他4种配置模式(乔木型、乔灌型、乔-草型和乔-灌-草型)的1.1~2.5、1.2~1.7和1.3~7.4倍。因此, 今后对黄土高原晋陕蒙矿区生态进行恢复时, 可以将纯草本配置作为早期土壤恢复的首选植被配置模式, 而SOM、TN和N $\begin{matrix} {O_{3}}^{-} \end{matrix}$ -N可以考虑作为评价土壤生态修复程度的参考标准。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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[3]	常英, 包俊江. 黑岱沟煤矿排土场土壤微生物分布特征研究[J]. 内蒙古工业大学学报: 自然科学版, 2012, 31(2): 27-33. [本文引用:1]
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[23]	马建军. 黄土高原丘陵沟壑区露天煤矿生态修复及其生态效应研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学博士论文, 2007. [本文引用:1]

2008

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武承厚. 2008年煤炭市场发展趋势分析[J]. 中国煤炭, 2008, 34(1): 14-17.

认为2007年煤炭产能尚未过剩,供需总体平衡.2008年煤炭市场发展趋势是:随国际油价上涨,煤价上涨动力强劲;国内煤炭需求增长增幅回落;资源价值回归助推煤价上行,运力与需求矛盾依然突出;安全整治力度加大,供应总量受到影响.

... 煤炭是我国能源中最主要的能源,约占一次性能源的71%,远高于石油、天然气等其他能源所占的比例^[1] ...

1999

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白中科, 赵景逵, 李晋川, 王文英, 卢崇恩, 丁新启, 柴书杰, 陈建军. 大型露天煤矿生态系统受损研究——以平朔露天煤矿为例[J]. 生态学报, 1999, 19(6): 870-875.

The restoration and rehabilitation for damaged ecosystems in mined areas is regarded as a key project. A study on the degraded ecosystem in the Pingshuo Surface Coal Mine for 13 years shows that development of this degradation can be divided into 3 stages and 4 types.The factors causing ecosystem damage include improper excavation,cover occupation and pollution of the land As a result an area of 160 km 2 has been destroyed,at a stripped rate of about 7800×10 4m 3·a -1 to rock and loess during the ...

矿区受损生态系统的恢复与重建是脆弱生态环境综合整治的重点和难点。１３ａ的平朔露天煤矿受损生态系统定点研究表明，大型露天煤矿生态系统演变过程为３个阶段、４个类型。生态受损引发因子包括挖损、压占、占用和污染。生态受损特征表现为原生境在１００ａ左右的时间尺度下，以每年７８００万ｍ３左右的岩土搬运速度，累计消失１６０ｋｍ２左右。而新形成的生境与原生境相比，虽沟壑消失使地貌形态趋于简单，但重新组合堆置的固相岩土结构松散、地层层序紊乱、地表物质更趋复杂、土壤性质更趋恶化，加之区域性气候干旱，天然植被恢复无法使受损生态系统发生顺向演替，新的侵蚀地貌会加速形成。

... 由于技术简单、开采成本低和安全性高等特点,我国以大型露天煤矿的开采占主导地位,在未来20年内,有望把露天采煤比例由目前的4%提高到15%^[2] ...

... 我国露天煤矿大多集中在干旱或半干旱的生态脆弱区^[2] ...

2012

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常英, 包俊江. 黑岱沟煤矿排土场土壤微生物分布特征研究[J]. 内蒙古工业大学学报: 自然科学版, 2012, 31(2): 27-33.

利用稀释平板法对黑岱沟煤矿排土场不同恢复植被下的土壤微生物群落的数量、组成和分布进行了研究。结果表明:(1)各恢复地土壤中微生物总数均低于未破坏土壤(原土),最高仅为原土的 52.9%。(2)在0～30 cm范围内,原土微生物总数变化为:10～20 cm0～10 cm20～30cm,而各恢复地中微生物总数在0～30 cm范围内,随土壤垂直深度的加深而降低。(3)各样地土壤微生物数均是细菌放线菌真菌。(4)不同植被恢复土壤中细菌数量变化趋势与微生物总数变化趋势基本相同,即原土沙棘+山杏+沙枣恢复地果树恢复地火炬树恢复地沙棘恢复地,不同植被各垂直深度土样放线菌和真菌无一致的变化趋势。(5)不同垂直深度土壤微生物数量分布与植物群落类型等有关。

... 尽管如此,还是对土壤的结构和理化性质造成了极大破坏,且矿区处在生态非常脆弱的黄土高原地区,生态重建问题引起了各方面的高度重视^[3] ...

2007

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姚敏娟. 黑岱沟露天矿排土场不同植被配置对土壤养分和土壤水分影响研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学硕士论文, 2007.

本文通过黑岱沟露天煤矿排土场不同植被配置土壤养分和上壤水分研究，阐述了不同植被配置类型对土壤养分、土壤含水量、土壤水分有效性和土壤贮水量的影响。结果显示：不同植被配置的土壤养分指标中除全P含量较排土场土壤背景值变化不显著外，土壤有机质、全N、全K和速效N、P、K含量显著提高：油松+沙棘+草混交配置的土壤肥力明显高于其它配置类型。9种植被配置类型的土壤含水量随土层深度的增加而减小，但变化幅度有差异；原生植被处的土壤水分利用层厚度大于人工植被。本研究中9种植被配置的土壤水分季节动态具有明显的相似性，可将生长季划分为三个阶段：土...

... 黑岱沟露天煤矿自1995年以来,采用不同人工植被配置模式开展矿区排土场的生态恢复与重建^[4] ...

1988

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... 用外加热-重铬酸钾容量法、凯氏定氮法(KDN-2,Thermo Fisher,德国)、钼锑抗比色法(UV-2012PC,上海元析仪器有限公司,中国)和火焰光度法测定风干土中的总有机质(SOM)、总氮(TN)、总磷(TP)和总钾(TK)含量,具体操作方法详见《中华人民共和国国家标准》中的GB 9834-88^[5]、GB/T 11894-89^[6]、GB 8937-88^[7]和GB 9836-88^[8] ...

1987

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1988

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1988

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1989

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... 3 讨论土壤的自我修复是一个非常缓慢的复杂过程^[9,10] ...

2007

0.0

... 3 讨论土壤的自我修复是一个非常缓慢的复杂过程^[9,10] ...

... 在干旱半干旱地区表层土壤养分的恢复更为缓慢,有些土壤成分(如SOM、TN)靠自然恢复甚至需要50~100年的时间^[10,11] ...

... Li等^[10]研究发现,经过44年人工植被的恢复和演替,荒漠系统表层SOM会恢复到90% ...

... 一方面是因为更多的植物残体和凋落物很容易被表层土壤所截获,另一方面是因为来自于地表发育和拓殖的生物土壤结皮的碳氮固定^[10] ...

1995

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... 在干旱半干旱地区表层土壤养分的恢复更为缓慢,有些土壤成分(如SOM、TN)靠自然恢复甚至需要50~100年的时间^[10,11] ...

... 虽然有众多研究一致报道人工植被能明显加速土壤肥力的恢复^[11,12,13],本研究却发现纯草本配置的人工植被类型下的SOM恢复速率最快,尤其是较深层SOM(40-50 cm)的积累明显超过了靠自然恢复的撂荒地 ...

2003

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张俊华, 常庆瑞, 贾科利. 黄土高原植被恢复对土壤肥力质量的影响研究[J]. 水土保持学报, 2003, 17(4): 38-41.

Based on the investigation and analysis in the field, it was measured the soil organic matter and the rapidly available nutrients of young Hippophae rhamnoides,Rosa xanthina Lindl,Pinus tabulaeformis,grassland and farmland,used DUNCAN method to check the difference of organic matter. The results showed that: (1)Plant restoration could increase the content of the soil organic matter remarkably, and the effect was: grassland>Hippophae rhamnoides>Rosa xanthina Lindl>Pinus tabulaeformis; (2) With the deeper of the soil, the benefit that plant restoration the degree of development was decreased obviously, soil organic matter had the feature of gathering on the surface, it was significant in plant of grassland and bush; (3)Soil rapidly available nitrogen had great develop in different plant types; soil rapidly available phosphorus increased slightly; soil rapidly available potash of Hippophae rhamnoides and Pinus tabulaeformis were all droped sharply expect grassland and Rosa xanthina Lindl's were higher than farmland's.

在野外调查分析的基础上,测定了沙棘、黄刺玫、油松以及草地和农田的土壤有机质和速效养分,采用新负极差法检验了有机质含量的差异性,结果表明:(1)黄土高原半湿润地区恢复植被能够显著提高土壤的有机质含量,且草地>沙棘>黄刺玫>油松;(2)植被恢复对土壤有机质的提高效益随深度增加而明显减小,土壤有机质有一定表聚性,草地和灌木林植被下更为显著;(3)不同植被类型土壤速效氮均有大幅度增加,土壤速效磷增幅较小;土壤速效钾在草地、黄刺玫植被下有少量增加,沙棘、油松林地却有所下降。

... 植被重建是加快表层土壤恢复的一种有效措施,因为人工植被对土壤具有显著的培肥作用,能加速土壤肥力的提升^[12,13] ...

... 张俊华等^[12]研究认为,草地对黄土高原SOM的恢复效果好于灌木和乔木,而幼龄乔木林地对深层土壤有机质的培肥改良效益甚微 ...

... 这一结果与之前的研究结果相一致^[12,13] ...

... 然而,不同深度的SOM和全氮恢复速率并不一致,表层(0-10 cm)SOM的恢复速率最高,与其他报道一致,在土壤剖面上表现为表聚性的特点^[12] ...

2004

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巩杰, 陈利顶, 傅伯杰, 李延梅, 黄志霖, 黄奕龙, 彭鸿嘉. 黄土丘陵区小流域土地利用和植被恢复对土壤质量的影响[J]. 应用生态学报, 2004, 15(12): 2292-2296.

Soil quality improvement plays an important role in sustaining global biosphere.This paper studied the changes of soil quality after 25 years' land use and vegetation restoration at the Anjiapo catchment of western Loess Plateau.The analyses of soil characteristics of wasteland,almond land,farmland,pineland,shrub land and fallow land showed that different land use and vegetation restoration had different effects on soil integrated fertility index.Soil organic matter content was increased due to planting shrubs and forests.Both vegetation restoration and fallow could improve soil quality.Cultivation practice could decrease soil nutrient levels,and cropland soil was degraded.Shrub soil formed “fertile island” in the semi-arid region.Fallow could improve soil fertility to some extent.Human activities and vegetation restoration could affect soil nutrient contents after land use pattern was changed.With the launch out into the “Grand development of Western China”,“Grain for Green Project” and ecological restoration,both shrub planting and fallow(natural restoration)should be the optional choices to restore soil fertility,as they could decrease soil erosion and improve soil condition at catchment scale,especially in the hilly and gully loess area.Integrative control of small catchment may be the best way for the sustainable development of the semi-arid hilly area of Loess Plateau.

土壤质量的维护和提高是全球生物圈可持续发展的重要因素之一.对黄土丘陵小流域持续利用25年后的荒草地、山杏林地、农地、油松林地、灌木林地和撂荒地土壤性状的研究结果表明,不同土地利用方式和植被恢复类型对土壤质量有很大影响;植被恢复重建和农地撂荒将增加土壤有机质含量,提高土壤质量;粗放的农业耕作措施将降低土壤质量并引起土壤退化;灌丛有明显的肥力岛屿作用;撂荒在一定程度上可以培肥土壤.随着“西部大开发”、“退耕还林还草”和生态重建工程的开展,在半干旱黄土丘陵沟壑区,建植灌木、种植牧草、农地撂荒和自然恢复是较好的生态重建和植被恢复方式.

... 植被重建是加快表层土壤恢复的一种有效措施,因为人工植被对土壤具有显著的培肥作用,能加速土壤肥力的提升^[12,13] ...

... 巩杰等^[13]研究发现,在半干旱黄土丘陵区,人工栽植灌木对土壤的培肥作用高于乔木 ...

... 这一结果与之前的研究结果相一致^[12,13] ...

... 研究发现,长期耕作造成半干旱草原SOM大量损失^[14,15],而撂荒在一定程度上能恢复土壤肥力,但恢复速度较为缓慢^[13] ...

... 而乔木和灌木的根系通常较深,且分布相对分散,有明显的肥力岛屿作用^[13],其根系的更新和周转速率较草本缓慢 ...

1988

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... 研究发现,长期耕作造成半干旱草原SOM大量损失^[14,15],而撂荒在一定程度上能恢复土壤肥力,但恢复速度较为缓慢^[13] ...

1995

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... 研究发现,长期耕作造成半干旱草原SOM大量损失^[14,15],而撂荒在一定程度上能恢复土壤肥力,但恢复速度较为缓慢^[13] ...

... 半干旱草原区的土壤活性有机质和养分利用性在弃耕后的50年将会恢复,但土壤总有机质的恢复将是一个更为缓慢而漫长的过程^[15] ...

2001

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... 山体滑坡后的热带雨林需要经过100~150年的自然恢复,其土壤有机碳和全氮才能完全恢复^[16] ...

2003

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黄铭洪, 骆永明. 矿区土地修复与生态恢复[J]. 土壤学报, 2003, 40(2): 161-169.

This paper reviews research and management of remediation and restoration of mined land in China aiming at promotion of theoretical innovation and technological development in this research field of China. The review is made mainly in view of soil science and ecology in mined land, including the following seven sections: (1) the development background during last 50 years;(2) the limitation factors for remediation and restoration;(3) physical and chemical remediation of degraded soil;(4) phytostabilisation and phytoextraction of metal polluted soil;(5) microbial animal enhanced remediation of polluted and degraded soil;(6) the technological requirements for utilization and management of remediated mined land;and (7) future research and development in field of mined land remediation and eco restorat ion in China.

本文在回顾中国矿区土地修复与恢复重建研究工作的历史基础上,着重从土壤科学与生态学的角度综述(1)矿区土地修复与生态恢复的限制因素;(2)矿区退化土壤的物理和化学修复;(3)矿区金属污染土壤的植物稳定和提取修复;(4)矿区污染土壤的植物-微生物及动物协同修复;(5)矿区土地修复的技术要求与管理;(6)矿区土地修复与生态恢复的未来研究与发展.旨在推动中国矿区土地资源修复与生态环境恢复的理论研究和技术发展.

... 其原因是相对于灌木和乔木,草本植物种子产量高,更容易在贫瘠的土壤中萌发并定居,往往是生态修复的先锋植被,很大程度上加速人工生境的生态演替^[17] ...

1999

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王百群, 刘国彬. 黄土丘陵区地形对坡地土壤养分流失的影响[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报, 1999, 5(2): 18-22.

摘　要：根据黄土丘陵区坡地径流小区试验，研究了次降雨条件下，坡地地形因素中的坡长及坡度与土壤养分流失的关系和土壤可溶性养分离子随径流液而流失的状况，初步结果表明，坡地土壤有机质及速效氮，磷，钾，养分的流失强度与坡长呈指数函数关系（ＮＬ＝α１.exp(b1x),a1>0,b1>0),养分流失强度随坡长的增加呈指增加趋势，坡地土壤有机质的流失强度与坡度呈指数函数关系（Ｎs=a2.exp(b2x),a2>0,b2>0),径流液中的养分离子流失强度大小顺序为：钙离子＞钾离子＞无机氮（ＮＯ^- 13-N+NH^+4-N).

... 研究发现,黄土高原生态系统中的土壤氮素主要取决于生物量的积累和土壤有机质分解的强度^[18] ...

2011

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张鹏, 李新荣, 贾荣亮, 胡宜刚, 黄磊. 沙坡头地区生物土壤结皮的固氮活性及其对水热因子的响应[J]. 植物生态学报, 2011, 35(9): 906-913.

Aims In arid and semi-arid environments such as deserts, nitrogen is often the most limiting nutrient for biological activity. Biological soil crusts (BSCs) are an important component of vegetation in the Shapotou region in the Tengger Desert, northern China. However, their importance as contributors to soil fertility such as nitrogen fixation is relatively unknown. This study was conducted to quantify the potential nitrogenase activity (NA) of different types of BSCs in artificial vegetation areas, as well as their responses to variation in moisture and temperature. Methods Algae crust, lichen crust and moss crust were collected from an artificial vegetation area in the Shapotou region, and were incubated under three gradients of moisture (3, 5 and 10 mm simulated rainfall) and temperature in open-top growth chambers from June to October. The NA was measured using acetylene reduction assay. One-way ANOVA and general linear models (GLM) procedure were applied to compare NA between treatments and interactions between type of BSCs, water and temperature. Important findings NA for each type of BSC was highly variable, ranging from 2.5 × 10 3 to 6.2 × 10 4 nmol C 2 H 4 ·m –2 ·h –1 . The NA of algae crust was higher than that of lichen crust and moss crust (2.8 vs. 2.4 and 1.4 × 10 4 nmol C 2 H 4 ·m –2 ·h –1 , respectively). The three types of BSCs under the 3 mm simulated rainfall reached the maximum rate of nitrogen fixation, but > 3 mm did not affect NA. Significant negative correlation was observed between NA of all three types of BSCs and temperature. The optimal temperature for NA in algae crust, moss crust and lichen crust were 25–30 °C, 25–30 °C and 20–30 °C, respectively.

氮是除水分之外影响干旱区生态系统生物活性的关键因子。生物土壤结皮是干旱半干旱荒漠地表景观的重要组成部分, 也是荒漠生态系统氮素的主要贡献者。通过野外调查采样, 利用开顶式生长室, 模拟不同降水梯度, 采用乙炔还原法连续测定了沙坡头地区典型生物土壤结皮(藻类结皮、地衣结皮和藓类结皮)在其主要固氮活跃期(6–10月, 湿润期)的固氮活性, 及其对水热因子的响应特征。结果表明, 试验期三类生物土壤结皮的固氮活性介于2.5 × 10 3 –6.2 × 10 4 nmol C 2 H 4 ·m –2 ·h –1 之间, 其中藻类结皮的最高(平均达2.8 × 104 nmol C 2 H 4 ·m –2 ·h –1 ), 地衣结皮的次之(2.4 × 104 nmol C 2 H 4 ·m –2 ·h –1 ), 藓类结皮的最低(1.4 × 104 nmol C 2 H 4 ·m –2 ·h –1 ), 差异显著( p 3 mm的降水事件时, 它们的固氮速率无显著增加; 不同结皮的固氮活性与温度均呈显著的负相关关系( r 藻类结皮 = –0.711, r 地衣结皮 = –0.732, r 藓类结皮 = –0.755, p

... 另外,地表的生物土壤结皮,尤其是具有固氮活性的藻类结皮^[19]有利于表层(0-10 cm)土壤全氮含量的增加 ...

1997

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... 其中混播的豆科植物更是能够耐受低氮环境,在土壤中与根瘤菌形成固氮根瘤,从而进行有效的固氮作用,使土壤中氮的积累大幅度提高^[20],补充了较深层的土壤全氮含量 ...

2003

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巨晓棠, 张福锁. 中国北方土壤硝态氮的累积及其对环境的影响[J]. 生态环境, 2003, 12(1): 24-28.

运用统计资料和调查研究资料,揭示中国氮肥用量在地区之间和作物之间分配的不平衡现象.经济发达的东南部地区和城郊地区氮肥施用量远高于西北部地区,经济作物远高于粮食作物,氮肥短缺和过量施用并存.中国北方某些地区土壤剖面硝态氮的大量累积对水体环境构成了某种程度的威胁.由于大田作物获得较高产量的"平均适宜施氮量(N 150~180 kg/hm2)"与氮素环境安全指标尚有一定距离,中国完全可以实现水体环境安全和农业高产优质的双重目标.氮肥对水体环境的影响主要是由不合理大量施用氮肥造成的.因此,中国应制定施肥技术标准和法规,鼓励农民降低氮肥用量.

... 土壤无机氮对作物来说是可直接吸收利用的矿质态氮,主要是N H4+-N和N O3--N,反映土壤短期的供氮能力^[21] ...

2005

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巩杰, 陈利顶, 傅伯杰, 虎陈霞, 卫伟. 黄土丘陵区小流域植被恢复的土壤养分效应研究[J]. 水土保持学报, 2005, 19(1): 93-96.

This paper selects the Anjiapo small catchment to study the characteristic of soil nutrient under different vegetation-land types including wasteland, almondland, cropland, pineland, shrubland and abandoned land. The results are as below: the plant communities had obvious effect on the soil nutrient by vegetation accumulation on the top of the soil with various effects of different plant, significant differences among six land use types were found on soil properties including soil organic matter, available P, available K, nitrate N and ammonia N in the 0~20 cm and 20~40 cm soil layers, the artificial shrub had a better soil fertility than that of the artificial arbor, abandonment of cropland can improve soil fertility to some degree, during the developing of Chinese "Grain for Green Project", it is better to replace cultivated land with shrubs and grassesand plant some arbor when the soil condition is adapt to it, and the abandonment of cultivated land is a win-win way to improve the soil conditions in the hilly and severe soil and water erosion area in the Loess Plateau of China.

研究了安家坡小流域荒草地、山杏林地、农地、油松林地、灌木林地、弃耕地等地类的土壤养分特征。结果表明,植被系统具有较强的养分表层富集功能;不同植被恢复类型对土壤养分含量有明显的影响,主要表现在不同土层土壤有机质、速效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量在不同植被类型间存在显著的差异性;人工灌木植被对土壤的培肥作用高于乔木植被;农地弃耕(撂荒)有一定的土壤培肥作用;对水土流失极为严重的黄土丘陵沟壑区来说,在退耕还林还草时应优先考虑恢复灌木和草本等先锋植被;在土壤质量改善到一定程度时,再进行乔木的间植;农地弃耕是一种节省人力物力而其生态环境效应又很好的双赢途径。

... 土壤中绝大多数的磷和钾来自于土壤母质中的矿质成分,生物因素对其虽有作用,但影响不大^[22] ...

... 矿区排土场土壤是由深层土壤回填而形成的,由于黄土高原母质土壤较为均匀一致,全磷和全钾的分层现象也不明显,这与巩杰等^[22]和马建军^[23]的研究结果相一致 ...

2007

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马建军. 黄土高原丘陵沟壑区露天煤矿生态修复及其生态效应研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学博士论文, 2007.

受损生态系统的修复成为我国当前面临的特别紧迫的任务,其中矿业废弃地的生态修复又是首先应该给予重视的。本文以地处黄土高原丘陵沟壑区的黑岱沟露天煤矿复垦地为研究对象,在1992～2005年期间的土地复垦与生态修复工程实践的基础上,采用野外调查、室内分析、统计分析相结合的方法,对其生态修复的效应进行了研究。重点探讨了修复区生态系统的生境变化;选出典型样地,分别对各样地植物群落、土壤理化性质和土壤微生物群落进行调查、分析和研究,从而揭示修复地“植物群落—土壤—土壤微生物群落”生态系统的特征,在此基础上探讨修复区生态环境质量变化和生态修复效应。对黑岱沟露天煤矿复垦的排土场野生植物入侵的种类进行了调查。结果表明:从1992～2005年,在近15年中有115种野生植物自然侵入到排土场里,分属24个科,80个属。群落中以一年生植物占优势,但多年生植物比复垦初期已经增加了很多,在组成上约占总种数的弱1/2,多度高的植物已有多年生植物, 分布于植物群落中。应用灰色关联度法对露天煤矿排土场土壤质量进行综合评价。结果表明:黑岱沟露天煤矿复垦区土壤质量以三等居多,二等次之,无一、五等; 研究区不同生态修复模式的恢复效果依次为:沙棘+甘草油松+柳+沙棘沙棘林各种果树锦鸡儿拂子茅羊草对照2(原生境)苜蓿山杏+苜蓿纯杨林(人工) 沙打旺杨林(原生)赖草油松林杨树+沙棘对照1(未复垦);复垦地的土壤质量相对于原生境对照区及未复垦对照区已经处于逐步改善、良性循环中,土壤质量总体处于中等偏上水平。以遥感(RS)和地理信息系统(GIS)、Map-GIS为主要技术手段,运用景观生态学原理,对黑岱沟露天煤矿生态系统景观动态变化过程、特征及景观类型的划分进行了研究。黑岱沟露天煤矿景观生态划分为6种一级景观要素类型,斑块总数达323个,自然景观基本消失,生态系统处于不稳定状态;工矿用地面积增加到23.368%,林地及人工草地面积增加到67.891%,相对总体景观(52.11km2)占有较大的比例。在了解研究区景观格局的基础上,进一步对研究区生态修复的水土减蚀量进行了初步估算,研究区不同生态修复模式下土壤保持功能为乔灌混交林 (11731.364t/km2.a) 人工牧草(11641.637t/km2.a)灌木(11331.044t/km2.a)林地(11296.534t/km2.a)荒草地 (9709.049t/km2.a)。本文从生物群落及环境监测方面来评价环境质量和预测生态修复的环境效应。通过土壤养分测定、植物群落调查、土壤微生物群落和景观格局分析来反映黑岱沟露天煤矿生态修复区生态环境效应及其变化趋势,为黄土高原丘陵沟壑区生态修复工程实施及景观生态建设提供科学依据,并为黑岱沟露天煤矿生态修复提出指导性建议,这是本文的宗旨所在。