腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应.pdf
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1、腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应程伟1,2,3,朱卓1,2,3,王文杰1,2,3,王维忠4,雷少刚1,2,3,卞正富1,2(1.中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心,江苏徐州221116;2.江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心,江苏徐州221116;3.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221116;4.准格尔旗矿区事业发展中心,内蒙古鄂尔多斯010300)摘要:随着国家煤炭开采东退西进战略推进,煤炭资源高强度开采加剧了矿区草原生态环境损伤问题,严重影响了区域煤炭资源大规模开发和环境保护的协同发展,必须通过生态修复消除资源开发带来的环境负效应。因此,针对矿区草原粉
2、尘沉降区诱发的土壤退化问题,研究腐殖质层再造技术修复退化场地的可行性,设计了植物破碎+淹水(YS)、植物破碎+淹水+覆膜(YF)、植物破碎+淹水+覆膜+激发剂(YFJ)3 种修复模式,同时结合试验数据分析。研究结果表明,退化生境修复样地土壤容重分别比对照样地降低了 8.26%、7.98%和 15.24%,孔隙率增幅为 39.42%、99.68%和 124.24%,含水率增幅为 28.16%、31.21%和 71.19%,饱和持水率增幅为 19.66%、20.66%和42.29%;土壤养分中水解氮质量分数比对照场地高出 20.77、9.73 和 54.45mg/kg;修复场地土壤速效磷质量分数依
3、次为 5.30、5.06、14.04mg/kg;修复后土壤速效钾质量分数增加 49.61%、27.31%和 236.53%;土壤水稳性团聚体质量分数修复后高于对照场地,分别增幅 13.00%、17.14%和 83.60%;YS、YF 和 YFJ 三种修复模式均可以增加退化场地土壤水酶活性,土壤蔗糖酶活性修复后分别高于对照区 23.65%、79.88%和 93.91%;3 种修复技术之间过氧化氢酶和脲酶活性无显著差异,分别高于对照 23.69%31.81%和 19.35%20.46%;土壤磷酸酶活性修复后提升了14.73%、33.28%和 39.25%,修复场地植物群落Shannon-Weine
4、r 指数比对照场地分别高 68.32%、38.61%和 45.54%;植被盖度比对照场地分别增加 12.50%、81.25%和 120.00%;修复区生物量分别比对照场地高出 39.90%、373.49%和 887.77%;YF 和 TFJ 场地植株含水率分别比对照区增加了 12.74%和 36.43%。对比分析表明 3 种修复模式均可有效改善重度粉尘沉降区退化现状;除土壤有机质与多样性指数外,其他指标测定结果均为 YFJ 修复效果最优。表明腐殖层再造技术可以有效改善土壤结构,提升土壤养分,激活土壤微生物区系及功能,修复灌丛化破坏的生境,为重度粉尘沉降区退化土壤修复提供借鉴,其中,YFJ 修复
5、模式最佳。关键词:矿山生态修复;腐殖质层再造;粉尘沉降;草原;露天煤矿中图分类号:TD88文献标志码:A文章编号:02539993(2023)07285008Ecological effects of humus layer reconstruction on the restoration of degradedsoil in western mining areasCHENGWei1,2,3,ZHUZhuo1,2,3,WANGWenjie1,2,3,WANGWeizhong4,LEIShaogang1,2,3,BIANZhengfu1,2(1.Engineering Research Ce
6、nter of Ministry of Education for Mine Ecological Restoration,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,收稿日期:20230411修回日期:20230626责任编辑:王晓珍DOI:10.13225/ki.jccs.CN23.0474基金项目:国家自然科学基金新疆联合基金重点资助项目(U1903209);鄂尔多斯科技合作重大专项资助项目(2021EEDSCXQDFZ010);矿山生态修复教育部工程研究中心开放基金资助项目(KSSTXF202103)作者简介:程伟(19
7、74),男,江苏徐州人,副教授,博士。E-mail:通讯作者:卞正富(1965),男,江苏建湖人,教授,博士生导师。E-mail:引用格式:程伟,朱卓,王文杰,等.腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应J.煤炭学报,2023,48(7):28502857.CHENGWei,ZHUZhuo,WANGWenjie,etal.Ecologicaleffectsofhumuslayerreconstructionontherestor-ationofdegradedsoilinwesternminingareasJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(7):2850
8、2857.第48卷第7期煤炭学报Vol.48No.72023年7月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJul.2023China;2.Jiangsu Key Laboratory of Resouces and Environmental Information Engineering,Xuzhou221116,China;3.School of Environment Science andSpatial Information,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China;4.Zhunger Coun
9、tys Mining Area Development Center,Ordos010300,China)Abstract:Withthenationalstrategyofretreatingfromtheeasttothewestincoalmining,thehighintensityminingofcoalresourceshasexacerbatedtheproblemofecologicalenvironmentdamageinminingareas,seriouslyaffectingtheco-ordinateddevelopmentoflarge-scaledevelopme
10、ntofregionalcoalresourcesandenvironmentalprotectioninthewesternregion.Itisnecessarytoeliminatethenegativeenvironmentaleffectsbroughtaboutbyresourcedevelopmentthrougheco-logicalrestoration.Therefore,thesefeasibilitystudieshavebeensubjectedtohumuslayerreconstructiontechnologytore-pairthedegradedsoilsi
11、tesinthegrasslanddustdepositionareaoftheminingarea,designthreerestorationmodesofplantbreakage+waterlogging(YS),plantbreakage+waterlogging+filmmulching(YF),andplantbreakage+waterlogging+filmmulching+activator(YFJ)andanalyzetheexperimentaldata.Theresearchresultsshowedthatthesoilbulkdensityinthedegrade
12、dhabitatrestorationareadecreasedby8.26%,7.98%,and15.24%,respectively,comparedtothecontrolarea.Theporosityincreasedby39.42%,99.68%,and124.24%,andthewatercontentincreasedby28.16%,31.21%,and71.19%.Thesaturatedwaterholdingcapacityincreasedby19.66%,20.66%,and42.29%,respectively,comparedtothecontrolarea.I
13、ntermsofsoilnutrients,thecontentofhydrolyzednitrogenwas20.77,9.73,and54.45mg/kghigherthanthatofthecontrolsite.Thecontentofavailablephosphoruswas5.30,5.06,and14.04mg/kg,respectively.Afterremedi-ation,thesoilavailablepotassiumcontentincreasedby49.61%,27.31%,and236.53%.Thecontentofsoilwater-stableaggre
14、gatesafterremediationwas13.00%,17.14%,and83.60%higherthanthatofthecontrolsite,respectively.YS,YF,andYFJremediationmodescouldallincreasesoilwaterenzymeactivityindegradedsites.Afterremediation,soilsucraseactivityis23.65%,79.88%,and93.91%higherthanthatinthecontrolarea,respectively.Therewasnosignificant
15、differ-enceincatalaseactivityandureaseactivityamongthethreeremediationtechniques.Theywere23.69%31.81%and19.35%20.46%higherthanthecontrolsite,respectively.Thesoilphosphataseactivityincreasedby14.73%,33.28%,and39.25%afterremediation.TheShannon-Weinerindexofplantcommunityintherestorationsitewas68.32%,3
16、8.61%and45.54%higherthanthatinthecontrolsite.Thevegetationcoverageincreasedby12.50%,81.25%,and120.00%com-paredtothecontrolsite,respectively.Thebiomassoftherestorationareawas39.90%,373.49%,and887.77%higherthanthatofthecontrolsite,respectively.Theplantmoisturecontentincreasedby12.74%and36.43%comparedt
17、othecontrolarea.Thecomparativeanalysisrevealedthethreerestorationmodescouldeffectivelyimprovethedegradationstatusofheavydustsettlingarea.Exceptsoilorganicmatteranddiversityindex,YFJhadthebestrestorationeffectintheotherin-dexes.Theseindicatedthehumuslayerreconstructiontechnologycouldeffectivelyimprov
18、esoilstructure,enhancesoilnutrients,activatesoilmicrofloraandfunction,andrepairthebrokenhabitatofshrubs,andprovidereferencefortheres-torationofdegradedsoilintheheavydustsettlementarea,amongthem,YFJrestorationmodelwasthebest.Key words:mineecologicalrestoration;humuslayerreconstruction;coaldustsettlin
19、g;grassland;open-pitcoalmine煤炭是我国能源安全的“压舱石”。2022年我国原煤产量为 45.6 亿 t,煤炭在一次能源消费结构中占比 56.2%(中华人民共和国 2022 年国民经济和社会发展统计公报)1。随着中国煤炭开发战略的转移,西部地区煤炭产量占比由 54.4%上升到 60.7%,其中作为煤炭主产区的内蒙古年原煤产量 12.2 亿 t2-3。西部煤矿大部分位于西部干旱半干旱生态脆弱地区,年均降雨量小于 400mm 且季节性明显。煤炭资源的开采扰动必然诱发矿区脆弱生态环境退化,如地下水资源流失、粉尘污染、土壤退化、生物多样性减少等,资源开发与环境保护间矛盾尤为突
20、出4-6。草原生态系统是世界上分布最广泛的生态系统之一,是维护区域生态平衡调节全球碳循环和气候变化关键组分7。由于受到大规模、高强度矿业活动的影响,中国西部干旱半干旱矿区草原生态系统经历着不同程度的退化困扰8,其主要表征为土壤肥力下降、植物群落中禾本科物种优势度降低,灌木逐渐取代草本植物,甚至出现了“灌丛化草原”类型9-10。在科技部基础专项“西部重点煤矿区土地退化因素”(20142019)和重点研发计划“东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范”支持下的调查研究表明,西部矿区周边部分草原粉尘沉降较多,重第7期程伟等:腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应2851度沉降区表层土壤
21、粉尘厚度0.5cm,粉尘在土壤表面形成类似结皮状物质,破坏草原土壤结构和功能。与周边未扰动区相比,粉尘沉降区植物群落退化严重11,多以多年生小灌木或木质化草本为主,样地调查表明植物凋落物难以通过粉尘层进入土壤且分解缓慢,腐殖质层难以为继导致土壤肥力下降。研究推测草原矿区煤炭资源开发引起的粉尘沉降、土壤肥力不足等环境变化可能是导致矿区草原生态系统退化原因之一12-14。土壤肥力状态主要通过土壤有机质的含量和质量来衡量,腐殖质被认为是有机碳的主要承载体,农业上常采用秸秆还田的方式增加土壤有机碳,其中,秸秆粉碎深埋还田充分与微生物接触,加快腐熟过程,更有利于改善土壤结构,提高土壤肥力。鉴于此,笔者以
22、矿区草原因煤电基地粉尘沉降引起的退化生态系统进行修复,开展利用入侵灌木去除与土壤腐殖质层再造并举,结合场地试验分析修复技术对植物群落、土壤功能的影响,丰富干旱半干旱生态脆弱草原矿区退化生态系统修复理论和技术,为保障国家能源与区域生态安全提供重要支撑。1材料与方法1.1研究区概况研究区选取地处鄂尔多斯市的干旱半干旱矿区草原为研究区域。鄂尔多斯市地势东高西低、起伏不平,地貌类型复杂多样,黄土丘陵沟壑、沙漠、沙地、平原兼而有之,东、北、西 3 面被黄河环绕,平均海拔10001500m,气候类型为温带半干旱大陆性气候,年均气温 6.2 左右,年均降水量约 400mm。土壤类型主要以栗钙土、棕钙土、灰钙
23、土及灰漠土为主,土壤质地松散,易风化易受雨水冲刷剥蚀,本土植被主要以旱生植物为主,覆盖率较低15。鄂尔多斯草原面积 652.35 亿 m2,约占全市国土总面积的 75.3%,是区域主要的生态系统。同时鄂尔多斯也是典型的草煤复合区。作为内蒙古最主要的煤炭基地之一,2022 年原煤产量为 7.22 亿 t,总产能占内蒙古的 66.95%,占全国比例为 15.83%。鄂尔多斯草原作为我国黄河流域重要的生态保护生态安全屏障区,生态保护意义重大,而大规模资源开发使其环境容量变小、抗干扰能力降低、区域生态环境敏感、生态系统脆弱且可恢复性难等特点。部分草煤复合区域的草原出现了灌木入侵,资源开采与生态系统保护
24、与恢复矛盾尖锐。1.2试验设计与采样1.2.1试验设计试验区位于某大型煤矿露天采坑周边草原,该区粉尘沉降严重,植被主要为自然草、灌。试验于2018年7月植物生长季进行,本试验设置4 种样地,分别为对照(CK)、植物破碎+淹水(YS)、植物破碎+淹水+覆膜(YF)、植物破碎+淹水+覆膜+激发剂(YFJ),每个样地3次重复。YS、YF 和 YFJ 样地处理具体如下:植物(灌丛和草木)粉碎,破碎后长度5cm,其后将 015cm 的土壤、破碎植被、粉尘混合形成植土粉混合物(A);分层剥离研究区植土粉混合物(015cm)和 1530cm 土壤层(B);将植土粉混合物铺设到底土层,深度 1535cm,其中
25、 YFJ 样地植土粉混合物中加入 20g/m2土的外源小分子激发剂,外源小分子激发剂的成分包括葡萄糖(Glu)、丙氨酸(Ala)、乙酸(Aceticacid)和乙二酸(Oxalicacid);将剥离的土壤层(B)铺设在植土粉混合物上方;构筑网格状土垄将研究区样地分隔成若干矩形斑块,平整斑块内土壤;对平整后斑块内的土壤进行灌溉,使土壤含水量达到最大田间持水量,其中 YF 和 YFJ 灌溉后进行覆膜处理,覆膜时间为 20d。去除土壤表层覆膜,所有样地之后不做任何人工干预处理,且进行长期定位观察。1.2.2群落调查及土壤采样2020年 8月在每个处理样地内随机设置 5 个1m1m 的样方,调查地上植
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