九寨溝馬腦殼金礦礦山土壤養分空間分布格局

李武斌,何丙輝,王力＊ ,申建紅,黃治清,張興華,文基堅,代萬貴

(1.西南大學生命科學院三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400715;2.西南大學資源環境學院,重慶 400716;3.重慶地勘局205地質隊,重慶 402160;4.四川九寨溝縣馬腦殼金礦有限責任公司,四川 九寨溝623400)

隨著我國經濟的高速發展,礦產資源的開發強度不斷加大,礦山開采造成大規模土地破壞,在中國乃至世界,都是一個十分嚴重且日益受到高度重視的問題[1,2]。礦山,尤其是露天開采礦山,造成大量土體的剝離和礦渣的產生,導致礦區出現大面積的廢棄土地需要恢復。通常,礦山廢棄地土壤結構性差、土壤養分及有機質含量很低、重金屬含量較高,不利于植被生長和其他生物活動,阻礙礦山生態恢復的進程[1,3-5];土壤養分成為許多礦山生態恢復最重要的限制因子之一。

近年來的研究表明,土壤有效氮、磷、鉀是植被生長必備的養分元素,土壤有機碳(SOC)則可以增加土壤有機質含量、提高pH、提高植被生長必需的營養、提高土壤的持水能力、調節重金屬的生物可用性等改善土壤理化性質[6]。隨著土壤鹽堿濃度的增大,離體葉片持水力下降[7];土壤水分脅迫對種群和生理的影響較大,尤其是對葉片的電導率、游離脯氨酸和丙二醛含量的影響十分顯著[8];土壤中重金屬含量達到一定濃度對植物生物量的影響較大[9]。這些研究多集中在土壤鹽堿、重金屬及水分對植物生長脅迫上及土壤微生物等方面[10-16];而對礦山與同生境原生地土壤養分分布格局進行對比研究的報道較少。

本研究通過對九寨溝馬腦殼金礦挖、排坡地與其同生境的原生草地(即與挖、排坡地同屬于一個坡面和同一植被類型區域)的土壤有效氮、磷、鉀和SOC的分布格局進行對比研究,分析了解礦山排渣土(包括翻新土)養分水平和養分虧缺狀況,為九寨溝礦山及同類礦山生態恢復與重建中土壤改良和養分補給提供理論依據和基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青藏高原東南緣的四川省九寨溝縣黑河鄉馬腦殼金礦(33°38′20″～ 33°40′10″N,104°02′48″～104°05′10″E)。在長江上游嘉陵江支流白水河流域內,屬高山山岳區,海拔 2 700～3 725 m,相對高差1 000余m。剝采和排放區域位于南坡,海拔為2 900～3 500 m,礦區屬高山寒溫氣候,太陽輻射強、晝夜溫差大,9月-次年5月為霜期,降水量較為充沛,年降水量500～700 mm,但分配不均,全年75%以上降水集中在7-9月。礦區坡度大、土壤貧瘠、土壤表層干濕交替頻繁,水分涵養能力弱,氣候極端,植被生長期短,一旦破壞很難恢復。

研究區地處南坡,區內原生草本發育,大部分為牧草覆蓋,屬于亞高山草甸區;僅靠溝底東側分布有一小塊喬木(面積約有0.06 hm2);主要草本植物有:糙野青茅(Deyeuxia scabrescens)、白頂早熟禾(Poa acroleuca)、羊茅(Festucaovina)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、四川嵩草(Kobresia setchwanensis)、珠芽蓼(Polylgonum viviparum)、地榆(Sanguisorba of f icinalis)等,多數種類遍及全調查區域,高度多在0.1～1.5 m;主要灌木有:沙棘(Hippophae rhamnoides)、紅花薔薇(Rosa moyesii)、峨眉薔薇(Rosa omeiensis)、黃果懸鉤子(Rubus xanthocarpus)、金露梅(Potentilla f ruticosa)、擬五蕊柳(Salix paraplesia)、高山繡線菊(Spiraea alpina)等,礦區南坡分布較稀少,多分布在較潮濕地區,高度多為0.3～3.5 m;喬木有:水冬瓜(Alnus sibirica)、紅樺(Betula albosinensis)2種,平均高度在13 m左右。整個礦區屬于碳酸鹽土壤;原生植被區(即礦山開采邊緣植被區),土體較濕潤,結構性較好,呈堿性反應,土壤潛在肥力較高。地表凋落物蓋度主要在70%～85%,厚度為0.5～4.0 cm。挖土邊坡(海拔3 300～3 500 m)、翻新土堆放邊坡以及排渣邊坡主要分布在南坡(海拔2 900～3 300 m,2005年底停止堆排)。金礦公司在該停止排放區域開始播撒紫花苜蓿(Medicago sativa)(2005-2006年),目前長勢不好,僅零星可見;另外在臨近原生草地邊緣、溝谷和路邊出現極少幾種鄉土草本,主要有垂穗披堿草、蟹甲草(Cacalia palmatisecta)、打火草(Anemoneviti folia)、糙野青茅、羊茅及四川早熟禾等等,草本總蓋度不到5%。在春夏季雨水的沖刷下,挖、排坡體形成許多大小不等的溝槽,最大的溝槽寬近3 m,深達3.2 m。

1.2 研究材料及方法

1.2.1 樣地選擇 本試驗樣地選擇礦區南坡最大的堆、排渣土區(2005年底停止堆排)及剝采區(原翻新土與排渣土混合排放在開采區下面,翻新土覆蓋在礦渣土上面與開采區形成一個自下而上的連續區域,該區域簡稱“挖、排坡”)和同生境的原生草坡;樣地基本情況如表1所示。

1.2.2 土壤取樣 為防止邊緣效應干擾取樣分析結果,從坡底距離主溝谷40～50 m處開始取樣,即從海拔2 900 m開始,按海拔每隔100 m的水平樣帶,原生草地按坡脊和坡谷分別取樣,各樣帶靠近中間位置等距取5個點,以避免邊緣效應;原生草地每個點挖取剖面分3層:0～20(first layer,FL),20～40(second layer,SL),40～60 cm(third layer,T L);挖、排坡地由于其表層60 cm范圍以內均為翻新土,土壤層次間無明顯差異,因此,挖、排坡地土壤僅取草本植物生長根系分布最集中的0～20 cm土層;用干凈棉布袋取土樣,土樣鮮重不少于1 kg;記錄取樣點植被狀況、干擾類型及強度、坡度(坡度變化僅分為坡脊和坡谷2種情況)、各土層有機質厚度、土壤顏色、植物根系分布及其他環境因子等。

1.2.3 樣品分析 土壤有效N(水解N)采用堿解擴散法測定;有效P(速效P)采用NaHCO3法測定;有效K(速效K)采用醋酸銨-火焰光度計法測定;SOC采用常規容量法測定[17],土壤pH值采用電位法測定[18]。

取樣時間選定在礦山草本植物成熟期,即2008年8月中下旬,室內試驗在2008年9-12月。

1.3 統計分析

每個樣帶各土壤層分析數據先求平均值,然后使用SPSS 12.0、Excel 2003等軟件進行數據整理、制圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 礦山氮素分布格局

原生草地土壤有效氮,除FL和SL兩層土壤在3 200 m略低外,整體上各層土壤有效氮表現為隨海拔的升高呈減小的趨勢(圖1)。

原生草地同海拔土壤各層次有效氮量均因坡脊、坡谷的不同其大小不一致(圖1),除海拔3 200 m土壤40～60 cm坡脊土壤有效氮略大于坡谷外(圖1C),其余樣點各層次土壤有效氮含量關系為:坡脊<坡谷。

同一位置土壤各層有效氮由淺入深也呈減小的趨勢;各土層有效氮大小關系是:FL>SL>T L。

挖、排坡有效氮隨海拔變化非常微小;各海拔土壤有效氮(平均值為110.35 mg/kg)含量都非常低,僅為對應原生草坡地(坡脊和坡谷)FL層土壤有效氮含量的28.2%和19.8%。

表1 九寨溝馬腦殼金礦礦區樣地基本情況表Table 1 The fundamental parameters of sampled stands in Manaoke Mine

2.2 礦山磷素分布格局

原生草地FL和SL兩層土壤有效磷量隨海拔的升高先減小后略增加(圖2A、B),T L有效磷隨海拔的升高變化起伏,總體呈減小的趨勢(圖2C);同海拔土壤各層次有效磷因坡脊、坡谷的不同而不同:同海拔FL、SL兩層坡脊土壤有效磷含量均比坡谷的低(圖2A、B);T L層土壤有效磷含量總體上在各海拔表現為坡脊土壤有效磷(0.609 mg/kg)較坡谷(0.660 mg/kg)低(圖 2C),但在高海拔區域(3 400～3 500 m)差異不大。

同一位置各土壤層有效磷由淺及深均呈減小的趨勢;FL、SL和T L各土層有效磷總平均值分別為:2.607,1.566,0.634 mg/kg(圖 2A 、B、C)。

挖、排坡地土壤有效磷隨海拔變化微小(圖2D),其含量(平均值為1.919 mg/kg)并不很低,僅低于對應原生草地坡谷表層FL平均水平(3.717 mg/kg),而略高于原生草地坡脊淺層FL平均水平(1.497 mg/kg);這與礦區地質背景磷含量較高(礦區有效磷背景值為2.340 mg/kg)有關。

2.3 礦山鉀素分布格局

原生草地土壤有效鉀隨海拔分布,除在海拔3 200 m處有異常低值外,整體上隨海拔升高而減小。

與氮、磷一樣,同海拔土壤各層次有效鉀含量隨坡脊、坡谷的不同有一定的變化,均為:坡脊<坡谷(圖3)。

各點土壤有效鉀均隨土壤深度的增加而減小(圖3);各土層有效鉀平均含量大小關系是:FL(坡脊、坡谷分別為52.91,68.87 mg/kg)>SL(坡脊、坡谷分別為27.90,39.91 mg/kg)>TL(坡脊、坡谷分別為12.77,23.82 mg/kg)。

圖1 礦山土壤氮素水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.1 Soil nitrogen changed with altitude and slope-gradient in Mine

圖2 土壤磷素水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.2 Soil phosphorus changed with altitude and slope-gradient

挖、排坡地有效鉀隨海拔變化不大(圖3D)。挖、排坡地有效鉀含量較低,其最大值僅為12.93 mg/kg,比原生草地同層次(包括坡脊和坡谷FL層)的最小值(即3 200 m坡脊FL層有效鉀:20.67 mg/kg)(圖3A)還低。其平均值(10.83 mg/kg)分別為對應原生草地坡脊和坡谷有效鉀平均值的20.47%和15.73%。

2.4 礦山SOC分布格局

原生草地SOC隨海拔分布(圖4)變化較為復雜:在3 200 m以下和3 300 m以上,隨海拔的升高,各層SOC均呈減小趨勢,而從3 200 m到3 300 m時,土壤SOC隨海拔的升高而升高。

同海拔各層次SOC隨坡度變化規律總體上與氮、磷、鉀基本一致,即坡脊<坡谷。

同一位置SOC由淺入深呈減小的趨勢;各土層SOC平均含量大小關系是:FL(61.80 g/kg)>SL(42.76 g/kg)>TL(26.24 g/kg)。

挖、排坡地土體由翻新土和排渣土組成,各海拔土壤有機質含量極少,其 SOC平均值僅為 1.28 g/kg(0.22%),遠低于原生草地表層SOC含量的平均值61.80 g/kg(10.65%)。

圖3 土壤鉀素水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.3 Soil kalium changed with altitude and slope-gradient

2.5 礦山土壤養分及環境因子間的相關性

相關分析表明(表2),坡脊、坡谷之間各養分含量均呈極顯著正相關(P<0.01);除坡谷土壤有效磷外,土壤有效氮、磷、鉀與海拔呈極顯著負相關(P<0.01),SOC隨海拔變化僅SL與T L之間呈顯著正相關關系(P<0.05);土壤有效氮、磷、鉀在土壤各層之間也多具正相關關系,尤其是FL、SL之間氮、磷、鉀呈顯著相關(P<0.05)。土壤各層有效氮、磷、鉀及SOC之間多呈顯著正相關(P<0.05)。

挖、排坡地土壤的pH值較原生草地表層土壤高(表3),這主要是由于礦區處于碳酸鹽區域。

圖4 土壤有機碳水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.4 Soil organic carbon changed with altitude and slope-gradient

表2 礦山草地土壤養分及各因子之間的相關系數Table 2 Correlationsbetween soil nutrients and its environmental factors in Mineral grassland

表3 土壤pH值分布狀況Table 3 Soil pH values contribute in Mine

3 討論與結論

3.1 礦山土壤養分總體分布格局

礦山原生草地土壤有效養分的空間分布格局是:土壤有效氮、磷、鉀及SOC由淺入深呈減小趨勢,隨海拔的升高,各層次土壤有效養分總體上也呈減小的趨勢;坡谷有效養分總體上大于坡脊。產生這一分布格局的主要原因可能是:第一,土壤有機質(SOC)越多,為植被生長提供的養分也就越多[19,20],草本根系及凋落物絕大部分集中在土壤表層,因此,土壤由淺入深其養分呈遞減趨勢,與成文競等[21]的研究結論基本一致;第二,由于有效養分易溶于水,在降水和重力的作用下,坡脊(高海拔)土壤有效養分容易向坡谷(即低海拔)轉移[22]。

礦山挖、排坡地表面由平均厚度超過1 m的翻新土均勻覆蓋,土壤熟化程度極低;因此,挖、排坡土壤有效氮、磷、鉀及SOC含量均很低,且各海拔分布較均勻,養分水平隨海拔無明顯變化。

與丁青坡等[23]的研究不同的是,九寨溝礦山草地土壤pH值隨土壤深度的增加而增加,這主要是與礦山土壤基質為碳酸鹽巖,礦山土壤pH背景值較高有關,表層土壤在多年的植被分泌物、植被有機質分解物、土壤微生物和大氣降水等多種因素的共同作用下使其pH值降低。

另外,SOC對土壤養分的影響顯著[24],礦山SOC與有效氮、磷、鉀含量之間顯著相關。

3.2 礦山土壤養分分布格局的影響因素

3.2.1 海拔、深度及坡脊坡谷對礦山原生草地土壤養分分布影響顯著 礦山草地由于海拔的改變,土壤微氣候(包括溫度、光照、水分、風力等)隨之改變,其對應的植被類型和優勢種發生相應的變化;植被的不同,其固定的養分含量也不同,有機殘留物量也不同,在土壤中所形成的土壤養分也會不同[17,18]。坡脊與坡谷之間的差異主要表現為坡度的差異,坡度的差異改變了土壤水分、養分狀況,也就改變了植被的生長狀況,二者相互作用共同影響土壤養分的含量。越接近地表的土壤根系量越多,由根系固定的養分越多,根系的新陳代謝產物及地上凋落物進一步增加了表層土壤養分和有機質含量;因此,礦山草本根系隨土壤深度的增加其根系呈指數減少,孫鐵軍和劉素軍[25]研究表明,草本根系主要分布在0～20 cm土層內,也印證了這一點。由上述可知,海拔、坡度和土壤深度的變化是影響礦山草地土壤養分分布格局的重要因子。

3.2.2 干擾對礦山草地土壤養分分布格局的影響 過去研究認為,SOC含量隨海拔的升高而升高[26]。研究區原生草地SOC隨海拔變化則不具這一規律;在海拔3 200和3 300 m間土壤養分及SOC出現異常低值,該區域靠近礦區住宅生活區,受人為干擾嚴重,干擾存在的主要形式有:表土搬遷剝離(如種菜等)、踐踏(散步、采藥等)、生活廢水傾倒等,這些干擾活動導致該區域草地土壤有機質加速分解而減少、土壤有效養分易隨過量而頻繁的生活用水淋失[27-29],由于人為頻繁過度的踐踏使草本蓋度相對降低、個別地方出現植被全部被破壞,土壤直接裸露現象;這可能是導致礦山土壤養分及SOC含量在某些地方出現異常的原因之一。

3.3 礦山挖、排坡地

相對于原生草地土壤養分,礦山挖、排坡地缺乏的主要養分為氮、鉀,其次為磷,土壤有效氮是在礦山挖、排坡生態恢復中植被生長最主要的限制因子;因此,在恢復過程中,對土壤有效氮和有效鉀補充尤為重要。

Bradshaw和Chadwick[30]早在1980年就指出礦山土壤酸堿狀況對土壤其他各種化學性質會產生影響,其中,pH值高會降低土壤鉀的有效性。對于馬腦殼礦山挖、排坡地有效鉀含量低有可能是由于其pH高背景值引起;因此,對土壤有效鉀直接采用施肥方法補充應該謹慎,可以通過使用有機肥等方式改變土壤pH值來提高土壤鉀的有效性達到植物生長對鉀素需求。

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