干旱矿区排土场边坡生态修复模式对植被—土壤有机碳密度的影响

Effects of ecological restoration models on vegetation-soil organic carbon density of dump slopes in arid mining areas

摘要

目的 探究不同生态修复技术模式对干旱矿区排土场边坡植被和土壤有机碳密度的影响，分析经过生态修复后的排土场边坡土壤有机碳变化状况，为推广生态修复技术、提升矿区碳汇能力提供理论依据。 方法 选取内蒙古乌海市示范工程蒙泰、新星、棋丰3个露天煤矿生态修复排土场边坡植被和土壤为研究对象，通过野外采样与室内试验结合，分析植被碳密度、土壤理化因子和土壤碳密度以及植被指标与土壤因子的相关性。 结果 ①随着修复年限的增加，植被有机碳密度呈递增趋势，在2~5 a间，增长率处于31.91%~45.62%，5年到8年处于11.80%~36.67%之间。土壤有机碳含量及密度也呈增长的趋势，在2~5 a间，土壤有机碳密度增长率在15.55%~91.28%之间，5~8 a增长率在0.4%~11.70%之间； ②生态棒修复技术模式在干旱矿区排土场对于改善土壤及植被有机碳积累状况效果最好，修复8 a土壤有机碳密度达到最大，为66.70 t/hm²，植被有机碳密度达到1.85 t/hm²，植物篱修复技术模式的修复效果相比最差，修复8 a土壤有机碳密度仅为37.36 t/hm²，植物有机碳密度为1.48 t/hm²，生态修复5 a时，砾石压盖和铁丝石笼的植被—土壤有机碳密度分别为45.84和44.98 t/hm²。 结论 在生态修复不超过8 a的情况下，这7种生态修复技术模式修复后的植被—土壤有机碳密度随修复年限增加而增加，在修复8 a时达到最大值，固碳效果明显。相比较之下，植物篱+生态袋截排水技术+播种+喷灌修复技术模式修复效果最差，生态棒+生态袋截排水技术+播种+喷灌、砾石压面+生态袋截排水技术+播种+喷灌、石笼水平拦挡+生态袋截排水技术+播种+喷灌这3种修复技术模式为低碳环保修复技术模式，固碳效果良好，适合推广应用，同时在修复前期，应注意土壤改良及施肥养护工作。

Abstract

Objective The effects of various ecological restoration technology models on plant and soil organic carbon density in the dump slopes in arid mining areas were investigated， and the changes in organic carbon after ecological restoration were analyzed， in order to provide theoretical basis for promoting ecological restoration technology and enhancing the carbon sequestration capacity of mining areas. Methods Vegetation and soil samples from the ecological restoration slopes of waste dumps in three open-pit coal mines （Mengtai， Xinxing， and Qifeng） in Wuhai City， Inner Mongolia Autonomous Region， were selected as research subjects. Field sampling and laboratory experiments were conducted to analyze vegetation carbon density， soil physicochemical factors， soil carbon density， and the correlation between vegetation indicators and soil factors. Results ① With the increase in restoration years， vegetation organic carbon density showed an increasing trend. The growth rate ranged from 31.91% to 45.62% from two to five years and from 11.80% to 36.67% from five to eight years. Soil organic carbon content and density also exhibited an increasing trend. The growth rate of soil organic carbon density ranged from 15.55% to 91.28% from two to five years and from 0.4% to 11.70% from five to eight years. ② The ecological rod restoration technology model showed the best results in improving the soil and vegetation organic carbon accumulation in waste dumps in arid mining areas. After eight years of restoration， the soil organic carbon density reached a maximum of 66.70 t/hm²， and the vegetation organic carbon density reached 1.85 t/hm². In contrast， the plant hedge restoration technology model performed the worst， showing soil organic carbon density of only 37.36 t/hm² and vegetation organic carbon density of 1.48 t/hm² after eight years of restoration. At five years of ecological restoration， the vegetation-soil organic carbon density for gravel cover and wire gabion were 45.84 t/hm² and 44.98 t/hm²， respectively. Conclusion Under ecological restoration for no more than eight years， the vegetation-soil organic carbon density increased with the restoration years and reached its maximum at eight years， demonstrating significant carbon sequestration effects. The plant hedge + ecological bag interception and drainage technology + sowing + sprinkler irrigation restoration model performed the worst. The ecological rod + ecological bag interception and drainage technology + sowing + sprinkler irrigation， gravel cover + ecological bag interception and drainage technology + sowing + sprinkler irrigation， and gabion-horizontal barrier + ecological bag interception and drainage technology + sowing + sprinkler irrigation models were low-carbon and environmentally friendly restoration technologies with good carbon sequestration effects， making them suitable for promotion and application. Additionally， soil improvement and the maintenance of fertilization should be emphasized during the early stages of restoration.

Graphical abstract

关键词

有机碳密度 / 固碳研究 / 排土场 / 生态修复技术模式 / 干旱矿区

Key words

organic carbon density / carbon sequestration research / dumps / ecological restoration technology model / arid mining areas

文献参数： 吴禹希， 潘嘉琛， 张伟， 等.干旱矿区排土场边坡生态修复模式对植被—土壤有机碳密度的影响［J］.水土保持通报，2025，45（3）：278-285. Citation:Wu Yuxi， Pan Jiachen， Zhang Wei， et al. Effects of ecological restoration models on vegetation-soil organic carbon density of dump slopes in arid mining areas ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（3）：278-285.

中国西部干旱荒漠区蕴藏着丰富的煤炭资源，近年来已成为中国煤炭生产的重要基地^［1］。煤炭开采在促进经济发展的同时，也会造成排土场土地占压、植被破坏和荒漠化等一系列问题，对生态环境造成了挑战^［2-4］。当前，生态修复作为改善或恢复现有生态系统的结构和功能的一种综合的修复环境的技术，能够充分发挥土壤的固碳增汇作用，是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径^［5-7］。过去关于干旱矿区排土场生态修复已经有不少研究成果，但主要针对土体重构、植被重建等方面进行研究^［8］，考虑矿山生态修复技术模式的研究较少。因此，研究排土场边坡生态修复模式对植被和土壤碳密度的影响，筛选适宜的技术模式对实现西部干旱矿区排土场治理固碳增汇具有重要意义。

植被和土壤在全球碳循环中扮演着关键角色，植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，将其固定在植被和土壤中，在微生物的作用下，分解的植物残留物的剩余部分，以微生物残体的形式固定在土壤中，形成土壤碳汇^［9-10］。不同生态修复技术模式通过影响植被的生产力、土壤理化性质、微生物活性进而影响土壤的有机碳密度。董玉锟研究表明，采用沙柳方格修复措施，并搭配沙打旺种植，能够提升土壤孔隙度，优化土壤结构，增加土壤有机碳^［11］。在青海木里煤田采用无纺布覆盖—灌溉养护的生态修复措施，能够快速恢复排土场植被，加速植被和土壤有机碳累积^［12］。目前，矿区排土场边坡生态修复技术模式十分广泛，包括毯帘覆盖、砖砌框格、植物篱扦插、生态棒覆盖等固坡措施，生态袋截排水等截排水措施、种子撒播或植苗等植被恢复措施^［13-14］。以往有研究^［15］从经济成本的角度，对排土场生态恢复工程系统地进行技术模式评价，筛选出毯帘覆盖+生态袋排水+播种技术模式综合恢复效果都比较好，适宜推广应用。在绿色矿山的发展建设过程中，很少有学者从碳汇的角度研究排土场生态恢复技术模式对植被和土壤有机碳的影响，因此亟待开展排土场生态修复植被恢复和重建过程中有机碳累积及影响因素的研究。

为此，本研究选取内蒙古自治区乌海市蒙泰、新星、棋丰3个露天煤矿生态修复排土场边坡植被和土壤为研究对象，通过野外采样与室内试验结合，分析植被碳密度、土壤理化因子和土壤碳密度，以及植被指标与土壤因子的相关性。探讨干旱荒漠区排土场边坡生态恢复技术模式对植被和土壤有机碳密度的影响，旨在为国家生态文明建设与可持续发展推广低碳和环保生态修复技术，提升矿区碳汇能力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区处于内蒙古自治区境乌海市（39°15′—39°52′N，106°36′—107°05′E），属于典型的大陆性气候；昼夜温差大，多年平均气温9.64 ℃；多年平均日照时间数为3 138.6 h；多年平均降水量159.8 mm；降水主要集中在7—9月。平均全年无霜期为156~165 d；山地丘陵约占总面积的2/3； 乌海市基本地形地貌特征是“三山两谷一条河”，东部是绵延百里的桌子山，中部为甘德尔山，西部为五虎山，三山成南北走向平行排列，中间形成两条平坦的谷地。黄河沿岗德尔山西谷流经市区，阻断乌兰布和沙漠进入河套地区。区域土壤以灰漠土、棕钙土和风沙土为主。该市属于国家规划矿区，其中矿区内现有煤矿整合区16个，资源整合煤矿19处，矿区面积883.33 km²，其中：大型煤矿12处，产能1.94×10⁷ t/a，占全市产能的43.32%，中型煤矿16处，产能1.55×10⁷ t/a，占全市产能的34.50%。小型煤矿18处，产能9.93×10⁶ t/a，占全市产能的22.18%。

1.2 样地调查及样品采集处理

选取乌海市已经修复的煤矿排土场边坡作为研究对象，3个示范区工程共有7种技术模式（表1—2），生态修复2 a和5 a的包括CK（采煤损毁土地），网毯修复，生态棒修复，植物篱修复，框格修复，铁丝石笼修复，土壤改良修复和砾石压盖修复。生态修复8 a的包括CK（采煤损毁土地），网毯修复，生态棒修复，植物篱修复，框格修复。2023年9月，在3个煤矿排土场不同修复技术模式处理的边坡设置1 m×1 m样方，分别选取坡上、坡中、坡下3个样点作为重复，采用随机取样的方法进行土壤样品的采集，采集土层深度为15 cm，采集土壤样品约1 kg，去除石块根系等，磨碎过筛，进行土壤有机碳的测定。同时采用100 cm³取土壤容重土。采用收获法测量地上生物量，利用工具齐根部将地上部分植物样品刈割，带回实验室于烘箱中85 ℃烘干至恒重，称量记为地上生物量；地下生物量采用全挖法，在样地内收集0—15 cm土层的根系样品，带回实验室清洗后在烘箱内65 ℃下烘干48 h后称重，记为地下生物量。所有采样均重复3次。

1.3 测定方法与数据分析

土壤pH值采用pH计测定，通过将风干土壤与蒸馏水按1∶2.5比例混合，静置后测量其酸碱度；土壤容重采用环刀法测定，使用体积为100 cm³的环刀采样，干燥称重后计算土壤容重；土壤有机碳使用重铬酸钾氧化—外加热法进行测定，通过重铬酸钾氧化土壤有机碳，在外加热条件下促进反应，根据氧化还原反应中消耗的重铬酸钾量计算有机碳含量；全氮测定使用微量凯氏定氮法，样品经凯氏消化后，将有机氮转化为铵态氮，通过比色法或滴定法测定氮含量；全磷测定采用硫酸—高氯酸消煮法，利用硫酸和高氯酸消解土壤样品，溶解磷后通过比色法测定其浓度；植被有机碳采用重铬酸钾—硫酸氧化法（湿热法）对样品进行含碳率测定^［16］，通过湿热条件下的氧化反应，计算样品的有机碳含量。植被有机碳密度采用公式计算^［17］，计算公式为：

C_p=B_{\mathrm{1}}·C_f+B_{\mathrm{2}}·C_f（1）

式中：C_p 为植被有机碳密度（kg/m²）； C_f 为测定所得各植被含碳率（%）； B₁为测定各地上植被生物量（g/m²）； B₂为测定各地下根系生物量（g/m²）。

土壤有机碳密度采用公式计算^［18］，计算公式为：

\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{D}={\displaystyle \sum _i^m}SO{C}_i·B{\mathrm{D}}_i·D_i（2）

式中：SOCD为土壤有机碳密度（kg/m²）； SOC_i为第i层的土壤有机碳含量（g/kg）； BD _i 为第i层的土壤容重（g/cm³）； D_i 是第i层土层厚度（m）； m是土层的数量。

本研究利用SPSS 11.5单因素方差分析（one-way ANOVA），各处理之间显著性差异分析均设p=0.05水平，对不同指标间采用Pearson相关性分析，采用Origin 2022绘图。

2 结果与分析

2.1 不同生态修复技术模式对植被有机碳密度的影响

如图1所示，经过生态修复后的植被有机碳密度均显著高于CK，在这7种不同生态修复技术下，随着修复年限的增加，植被有机碳密度呈递增趋势。3个修复年限下，生态棒修复技术模式表现最好，其植被有机碳密度均高于其他修复技术模式，依次为1.05，1.47和1.85 t/hm²。生态修复2 a情况下，砾石压盖修复技术模式的植被有机碳密度最低，为0.92 t/hm²，仅为生态棒修复的88.04%，土壤改良修复技术模式的植被有机碳密度仅高于砾石压盖，为0.96 t/hm²。生态修复5 a情况下，网毯修复技术模式的植被有机碳密度最低，为1.33 t/hm²，与生态棒修复技术模式间有显著差异，植被有机碳密度大小排序为：铁丝石笼>框格>土壤改良>植物篱>砾石压盖。在生态修复8 a情况下，生态棒修复技术模式的植被有机碳显著高于网毯修复和植物篱修复这2种修复技术模式，框格修复仅次于生态棒，其植被有机碳密度为1.70 t/hm²。植物篱修复与网毯修复2种技术模式接近，分别为1.50和1.49 t/hm²。

2.2 不同生态修复技术模式对土壤有机碳的影响

2.2.1 不同生态修复技术模式下土壤有机碳含量变化

如图2所示，随着修复年限的增加，土壤有机碳含量呈现递增的趋势。除修复2 a中的植物篱修复技术模式外，其他修复技术模式相比于CK，均显著提升土壤有机碳含量，而生态棒修复技术模式对于土壤有机碳含量的提升效果最好，植物篱修复技术模式对于提升土壤有机碳含量的效果最差。生态修复2 a中，植物篱修复技术模式下土壤有机碳含量最低，为4.37 g/kg，仅比CK高出3%，而生态棒修复技术模式的土壤有机碳含量为10.77 g/kg，是CK的2.53倍，其余5种修复技术模式土壤有机碳含量大小依次为：网毯修复>铁丝石笼修复>框格修复>砾石压盖修复>土壤改良修复。生态修复5 a中，生态棒修复下土壤有机碳含量最高，为13.89 g/kg，其在修复8 a时，达到最高值15.80 g/kg，同样植物篱修复技术模式下的土壤有机碳含量最低，修复5 a和修复8 a的有机碳含量分别为8.22，9.75 g/kg。修复5 a时其他5种修复技术模式土壤有机碳含量大小依次为：铁丝石笼修复>框格修复>网毯修复>土壤改良修复>植物篱修复。修复8 a时，网毯修复>植物篱修复，分别为9.99，9.75 g/kg。

2.2.2 不同生态修复技术模式下土壤有机碳密度变化

由图3可知，不同修复技术模式的土壤有机碳密度在3个年份间的变化较大，除修复2 a中的植物篱修复技术模式外，其他几种修复技术模式在3个修复年限中，均表现为显著提升土壤有机碳密度。植物篱修复技术模式的土壤有机碳密度随着修复年限的增加呈现先增加后减小的趋势，而其他几种生态修复技术模式土壤有机碳密度随着修复年限增加而持续增加。生态棒修复技术模式在3个修复年限中，其土壤有机碳密度均显著高于其他修复技术模式，其在修复8 a时达到最大值66.70 t/hm²，修复5 a相比于修复2 a间增长较快，具有显著差异，增长率为40.77%。植物篱修复技术模式在3个修复年限中表现最差，其土壤有机碳密度最低，3个年份的土壤有机碳密度分别为19.77，37.81和37.36 t/hm²，在修复5 a时达到峰值。生态修复2 a中，除植物篱外，土壤改良修复技术模式的有机碳密度最低，为29.46 t/hm²，其他4种修复技术模式间的土壤有机碳密度无显著差异，表现为：铁丝石笼修复（35.61 t/hm²）>网毯修复（35.33 t/hm²）>框格修复（33.95 t/hm²）>砾石压盖修复（33.42 t/hm²），修复5 a中，这5种修复技术模式间无显著差异，大小顺序依次为：砾石压盖修复>铁丝石笼修复>框格修复>网毯修复>土壤改良修复>植物篱修复。

2.3 不同生态修复技术模式对植被—土壤有机碳密度的影响

由图4可知，植物篱修复技术模式下，植被—土壤总有机碳密度呈先增加后减少的趋势，其他生态修复技术模式在不同修复年限下，其植被—土壤总有机碳密度随修复年限的增加，呈现递增的趋势。生态修复3个年限下，生态棒修复技术模式生态系统有机碳密度最高，随着修复年限增加，依次为47.34，66.63和68.55 t/hm²，与其他几种修复技术模式及CK间存在显著差异。生态修复8 a时，大小顺序依次为：生态棒修复>框格修复>网毯修复>植物篱修复>CK。

2.4 植被与土壤有机碳密度及理化因子相关性分析

由图5可知，土壤有机碳含量与土壤有机碳密度呈极显著正相关（p<0.001）地上生物量与地下生物量分别和植被有机碳密度呈显著正相关（p<0.001）。土壤全氮和土壤全磷均与土壤有机碳密度、植被有机碳密度呈显著正相关（p<0.001， F>0.7）。地上生物量、地下生物量分别与土壤有机碳含量、植被有机碳密度间呈显著正相关关系（p<0.001）。

3 讨 论

3.1 不同修复年限对植被及土壤有机碳密度的影响

露天排土场初始的土壤水分、养分、结构等条件较差，通过施加物理工程措施和生物措施后，增加了地上、地下和总生物量，提高了植物覆盖率，促进植物生长发育，这与此前的研究一致^［19］。植物通过光合作用吸收大气中的CO₂，并以有机质的形式储存起来^［6］。随着修复年限的增加，植被呈现灌丛化，提高了植被的碳吸收率，直接促进植被碳密度提升^［20-21］。本研究结果表明，植被有机碳密度均随着修复年限的增加而增加，金立群等^［22］、李衍青等^［23］对高寒露天煤矿植被建植发现随着种植年限的增长，植被高度、盖度、地上生物量均显著增加，这与本研究结果一致。土壤有机碳含量取决于凋落物、根系分泌物等碳输入和土壤呼吸、淋溶等碳输出的平衡^［24］。本研究中施加生态修复措施后，土壤有机碳含量与密度显著增加。相关性分析发现，有机碳密度与植被生物量呈显著正相关关系（图5）。一方面，植被下层凋落物、根系生物量和分泌物能够促进土壤颗粒的团聚，提高土壤稳定性^［25］；另一方面，植被恢复提升了微生物活性，分解植物凋落物与微生物残体，提高土壤有机碳密度^［26］。

3.2 不同修复技术模式对植被及土壤有机碳密度的影响

在生态修复的前两年，植被碳密度没有显著差异，但相比之下砾石压盖修复后植被有机碳密度最低，同时结果中表明地下生物量与土壤含水率间呈显著负相关（p<0.001），原因可能是砾石压盖修复下，可供植被生长空间缩小，砾石前期影响植物幼苗光照，导致其植被恢复状况相对较差；或是其减流减沙效果相对较差，最终导致植被有机碳密度相对较低^［27］。生态棒修复的鳍形布设结构对于拦截径流具有显著效果，减小坡面径流的汇水面积，有效防止土壤有机质流失，因此其对于土壤有机碳积累效果较好，土壤有机碳密度最大。同时有研究表明，植物篱在布设初期到真正形成具有良好水土保持作用时间较长，导致修复前期其土壤有机碳积累速度较慢，土壤有机碳密度最低^［28］。

在生态修复的中期，矿山旱区植被呈现灌丛化，降低了土壤水分蒸发，有效保持了土壤水分^［29］，同时促进植被和土壤固碳能力的提升。框格修复通过对坡面进行支撑加固来达到生态修复的目的，具有高强度的结构稳定性。铁丝石笼修复主要通过加固边坡来拦截和减缓地表径流速度，可以有效防止土壤养分流失，其抗冲刷力强，透水性好，同时具有一定的柔性，其石笼间隙也可以很好地允许植物生长。网毯修复通过覆盖稳定表土的方式达到生态修复的目的，网毯对于地形变化具有较高的适应性，同时网毯的覆盖可以有效地减少雨水对表土的冲刷，防止水土流失。框格、铁丝石笼、网毯3种修复技术模式均通过修复基材与植被共同构成护坡主体结构，能够有效减缓土壤侵蚀与水土流失，提高土壤稳定性。由于修复基材特性较为相似，它们在改善土壤水分和促进植被—土壤养分循环方面修复效果接近。植物篱修复技术模式下土壤有机碳密度低于其他修复技术模式，原因可能是植物篱修复技术模式下，植物篱的覆盖影响植物幼苗的光照，导致植物幼苗及其根系不发达，无法在带中缠绕，固土能力弱，阻拦地表径流能力弱，使土壤养分及土壤颗粒流失^［30］。

在生态修复进行到第8 a，4种修复措施在植被和土壤碳密度表现出显著差异。植物篱修复的植物有机碳密度相比最低原因可能是随着修复时间增加，雨季突发降水会对土壤造成冲刷侵蚀，植物篱过滤带的径流阻拦作用下降或丧失，影响根系呼吸，植被生长，导致植被有机碳密度较低^［31］。砾石压盖措施植被—土壤碳密度有所提升，干旱区昼夜温差较大，夜间石头表面温度下降到露点以下，空气中的水蒸气遇冷液化形成小水滴，为植被—土壤提供丰富的水源，促进有机碳形成。生态棒修复下植被有机碳密度最高，原因可能是生态棒对于截流固土效果较好，植被生长状况良好，植物有机碳密度较高^［32］。但生态棒修复技术模式修复5 a到修复8 a间土壤有机碳密度增长缓慢，原因可能是生态棒修复技术模式下，初期生态棒未老化分解，具有截流保水等作用，而随着修复年限的增加，生态棒经过老化分解，其土壤水分保持及截流作用降低，水土流失可能破坏土壤结构，导致土壤容重降低，从而使土壤有机碳积累受到影响^［33］。

4 结 论

（1） 经过这7种生态修复技术模式生态修复后，在修复年限不超过8 a时，其植被—土壤有机碳密度随着修复年限的增加而增加，到修复8 a时达到最大值，固碳效果明显。

（2） 与采煤损毁区相比，采取不同生态修复技术模式可提高植被有机碳积累，在2~5 a间显著增加，5~8 a间缓慢增长，生态棒+生态袋截排水技术+播种+喷灌修复效果最好，修复8 a时最高，其植被有机碳密度为1.85 t/hm²。

（3） 生态修复技术模式在干旱矿区对于土壤碳积累和植被恢复均有积极作用，生态棒修复技术模式对于改善土壤及植被有机碳积累状况效果最好。植物篱修复措施由于截流固土能力较差，后期水土流失严重，土壤有机碳密度最低。框格、铁丝石笼、网毯3种修复技术模式，通过修复基材与植被共同构成护坡主体结构，能够有效减缓土壤侵蚀与水土流失，修复效果相近。

（4） 综合各修复技术模式的植被—土壤固碳差异，可推广生态棒+生态袋截排水技术+播种+喷灌、砾石压面+生态袋截排水技术+播种+喷灌，石笼水平拦挡+生态袋截排水技术+播种+喷灌这3种修复技术模式为绿色低碳的生态修复技术模式。

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基金资助

国家重点研发计划项目”矿区生态修复与生态安全保障技术集成示范研究”(2017YFC0504406)

内蒙古自治区科技重大专项”内蒙古典型矿区差异化修复治理模式与解决方案研究”(2020ZD0021)