不同植被复垦对露天矿土壤水热环境的影响

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古准格尔旗黑岱沟露天煤矿，其属于黄土高原地区，E 111°10′ ~ 111°25′，N39°25’~ 39°59′。该矿区气候属于温带半干旱大陆性气候，年降雨量为 385.5 mm，年蒸发量为 1 907.3 mm，降雨主要集中在 7—8 月，年平均气温为 5.3 ~ 7.6℃。土壤类型为砂壤土，有机质含量低，保水保肥能力差。地型为典型的黄土沟壑区，水土流失严重，生态环境恶劣。

1.2 研究方法

黑岱沟露天煤矿排土场于 1998 年开始种植植被进行复垦，研究北排土场和东排土场不同复垦植被和复垦年限土壤水热环境变化，与不进行复垦的裸地作为对照。排土场复垦植被类型及复垦年限见表 1。土壤体积含水量：采用 TDR 仪器测定 0 ~ 1cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm 和 30 ~ 50 cm 土层土壤含水量，重复 3 次。土壤密度采用环刀法测定，测定深度与土壤水分深度一致。土壤温度在 15:00—16:00 之间采用 TDR 仪测定。2 不同植被对土壤水分及温度的影响

2.1 不同植被类型对土壤水分的影响

不同植被复垦对 0 ~ 50 cm 土层土壤水分的影响见表 2。由表 2 可知，不同植被复垦土壤水分明高于裸地，较裸地提高了 4.5% ~ 646%。不同植被中杨树、松树、山杏、苜蓿及柠条混交模式含水量最高，较对照(裸地)提高了 1.48 ~ 5.29 倍。不同土层土水分随着土层深度增加呈先增加后降低趋势，这是由于表层土壤受蒸发和植物吸收利用引起;不同植被复垦作用效果对表层土壤影响最大。不同复垦年限随着复垦年限增加呈先增加后降低趋势，以复垦12 年和 14 年的效果最佳。复垦 20 年，以灌草混模式效果最佳;复垦 16 年，以单作牧草效果最好。此可知，不同植被复垦以乔灌草模式复垦保水效果最佳，这是由于乔灌草根系分布不同，且地表覆盖度差异，降低地表蒸发，能够将有限的降雨充分保持，提高土壤水分。

不同植被复垦地土壤总贮水量变化趋势与土壤水分基本一致。不同植被以杨树、松树、山杏、苜蓿及柠条混交模式总贮水量最高，较对照(裸地)增加了1.91 倍;其次为松树、披肩草和苜蓿混交模式。说明乔灌草混交模式有利于土壤水分保持。不同复垦年限，以复垦 14 年和 16 总贮水量最高。复垦 20 年，以乔灌混交林的保水效果最好;复垦 16 年，以灌草混作效果最好，其次为单作牧草。

2.2 不同植被复垦对土壤温度的影响

不同植被复垦对 0 ~ 40 cm 土层土壤温度影响见表 3。由表 3 可知，不同植被复垦地土壤温度均低于裸地，除单作果园外。土壤温度随着土层深度增呈逐渐降低的趋势。不同植被之间在 0 ~ 30 cm 土层差异最大，30 cm 以下无明显差异。不同复垦模式中以松树、披肩草和苜蓿混作模式温度最低，较裸地降低了 8.2% ~ 20.7%;其次为杨树、松树、山杏、苜蓿和柠条混作模式，较裸地降低了 5.4% ~ 12.1%。复垦 20 年，以杨树、披肩草和苜蓿混作模式较好;复垦 16 年，以松树、披肩草和苜蓿混作模式较好。说明乔/灌与牧草混作模式通过乔灌遮阴，再加之地面牧草覆盖，可以降低地表温度。

3 研究成果分析

1)土壤水分。地表植被覆盖是矿区复垦地土壤蓄水保墒，恢复生态环境的主要方法。种植植被可有效降低地表无效蒸发，同时植被能够增加对降雨的拦蓄，增加水分入渗，提高有效降水的利用效率[4]。植被复垦不仅影响土壤温度，而且影响土壤微生物数量及其活性，同时可以改善土壤理化性状，促进植物对水分的吸收与利用。前人研究表明，地表植被以使土壤持水性能和土壤入渗性能增加，从而土壤水分增加[5]。不同植被提高了土壤水分，且不同植被间差异明显。这是由于不同植被种植模式的群落优势种在生活型(乔、灌、草)不同，其在水分利率小气候调节能力、土壤改善等方面对生态环境产生综合影响，从而导致不同植被模式复垦土壤水分差异[6]。同时乔灌牧草混作模式具有较好的保水效果，这与孙建等人[7]研究结果一致。胡振琪等人研究表明，在生态重建时，矿区排土场应以种植草本和浅根灌木相结合为主[8]。而国外相关研究表明，人工林灌植被根系垂直分布较深，且具有较强的蒸腾作用，土壤出现干层[9]。这可能是由于复垦地土壤类型以及植被种类不同，植被对土壤水分吸水利用深度不同造成的。

2)土壤温度。土壤温度对土壤水分、土壤形成、地表植被生长以及地表水热能量的再分配十分重要[10]。宋彦涛等人研究草地植被低矮稀疏化对土壤温度的影响发现，随着土壤深度的增加，不同枯落物和立枯物处理对土壤温度的影响逐渐减小，且 5 cm 土层温度比 15 cm 土层温度对植被低矮稀疏响应更敏感[11]。枯落物覆盖主要影响 0 ~ 20 cm 土层土壤温度变敏感[12]。不同植被主要影响 0 ~ 30 cm 土层土壤温度，且在 10 cm 土层处理间差异最大。本研究结果与当前研究结果一致，这是由于不同植物对地表覆盖度不同引起。以乔/灌与牧草混作模降温效果最好，这是由于乔/灌遮阴效果较好，再加牧草种植密度高，地表基本被覆盖，起到隔热的效果。这有助于减少地表因温度高而蒸发量大，影响植被水分利用效率，限制复垦土壤生态恢复。同时，有研究表明，植被覆盖的地表也可以缓解由于气温突变导致土壤温度大幅波动，对气温变化的滞后响应增强[13]。

4结 论

不同植被复垦提高了 0 ~ 50 cm 土层土壤水分，提高幅度为 4.5% ~ 646%;不同复垦年限，以复垦 12 年和 14 年的效果最佳;不同植被复垦显著影响了 30 cm 深度范围内土壤温度;不同植被种植模式以乔灌草模式复垦保水效果最佳和乔/灌与牧草混作模式土壤温度较低。