不同植物恢復措施對采石礦廢棄地土壤物理性質的改良效果及評價

閆燁琛，趙廷寧，張 艷，王美琪，胡 平，楊 凝，陳 童

（1.北京林業(yè)大學 水土保持學院,北京100083；2.北京林業(yè)大學 水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室，北京100083；3.北京林業(yè)大學北京市水土保持工程技術研究中心，北京100083）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，人們對砂石料需求迅猛增長，采石場數(shù)量也呈激增之勢，露天采石場的特點是規(guī)模小、數(shù)量多、距城市近、對環(huán)境影響的范圍大。眾多采石場正面臨著十分嚴重的生態(tài)環(huán)境退化問題，如環(huán)境惡化、水土流失、生物多樣性銳減等［1］；而且在開山采石的過程中造成山體破碎，巖石裸露，邊坡穩(wěn)定失衡，容易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質災害，對周邊居民正常生活產(chǎn)生嚴重威脅，對社會經(jīng)濟健康持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不良影響［2］。面對這一狀況，急需對礦山廢棄地進行治理改良。中國近年來高度重視生態(tài)文明建設，倡導綠色發(fā)展，對廢棄采石場的生態(tài)重建越來越重視［3］。國內(nèi)外對于廢棄礦山的生態(tài)恢復研究主要集中在恢復策略［4］、 工程措施［5］、 恢復演替［6］、 土壤改良［7］、 綠化基質［8］等方面，但針對采石場這種特殊的礦種類型相關恢復治理措施對土壤物理性質改良效果研究很少，并且少有提出針對采石礦生態(tài)重建的高效、適宜措施，針對不同植物措施恢復治理對土壤物理環(huán)境變化研究不夠重視，因此不同植物措施對采石場土壤物理性質的改良效果需做進一步研究。本研究以北京市周邊廢棄采石場生態(tài)重建過程中不同植被恢復措施為研究對象，通過調(diào)查分析恢復治理中不同植物恢復措施對土壤物理性質的影響，探討不同植物恢復措施與采石礦土壤物理性質改良之間的關系，旨在為采石礦這類特殊的礦區(qū)廢棄地重構選擇適宜的治理措施及對土壤物理性質快速改良提供科學依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

治理區(qū)位于北京市房山區(qū)河北鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔約為200～380 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸季風氣候區(qū)。春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫10.8℃（山區(qū)），1月平均氣溫-4.6℃，7月平均氣溫24.3℃，年溫差30.0℃左右。該地區(qū)春秋季節(jié)結霜頻繁，年平均無霜期約160.0～180.0 d，冬季地面下最大凍土深度56 cm，年平均結冰天數(shù)124 d。多年平均降水量為650～700 mm。降水多集中在夏季（6-8月），占全年降水量的80%以上，且汛期多暴雨。采石場于2015年由國土資源部投資對其實施土地復墾工程，首先進行場地平整、壓實，然后進行客土回填。客土來源于附近荒地，土壤物理性質基本一致，種植側柏Platycladus orientalis，油松Pinus tabulaeformis，黃櫨Cotinus coggygria和白楊Populus tomentosa等；研究區(qū)常見的草本植物有豬毛蒿Artemisia scoparia，狗尾草Setaria viridis，艾草Artemisia argyi，馬唐Digitaria sanguinalis，青蒿Artemisia apiacea，地黃Rehmannia glutinosa，曼陀羅Datura stramonium，黃花蒿Artemisia annua，灰菜Chenopodium album等14種植物，其中豬毛蒿、狗尾草、馬唐、青蒿、黃花蒿是調(diào)查樣地各群落的優(yōu)勢種。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗地選定 試驗于2018年7-8月在北京市房山區(qū)河北鎮(zhèn)露天采石礦生態(tài)修復治理區(qū)進行實地調(diào)查取樣，治理區(qū)的坡度為0°。調(diào)查前根據(jù)設計資料及現(xiàn)場踏查，最終選取5種植物（白楊、側柏、油松、黃櫨、油松+黃櫨）修復措施（表1），種植每種植物時每穴施加客土。每種措施設置20 m×20 m的標準樣地。（1）采樣方法。對標準地內(nèi)的喬木進行每木檢尺測量，測量樹高、胸徑、冠幅、郁閉度；在20 m×20 m的標準樣地內(nèi)設置5個1 m×1 m的草本樣方，草本植物調(diào)查其種類、數(shù)量、平均高和蓋度等基本情況；在樣地內(nèi)標準木的樹穴內(nèi)，用100 cm3體積的環(huán)刀取得原狀土，按0～20和20～40 cm分層進行取樣，每層重復3個，并用塑封袋分層采取一定的土樣，自然風干。（2）草本植物相關指標計算方法。①豐富度指數(shù)［9］：Margalef指數(shù)R的計算公式為R=（S-1）/lnN。其中：S為群落中的總種數(shù)；N為群落中的個體總數(shù)。②多樣性指數(shù)［10］：Simpson指數(shù)D的計算公式為Shannon-Wiener指數(shù)H的計算公式為其中:Pi為第i種個體數(shù)占群落中所有種個體數(shù)的比例；S為群落中總種數(shù)。③均勻度指數(shù)［10］：Pielou均勻度指數(shù)J的計算公式為J=H/Hmax=H/lnS。其中:H為實際觀察的種類多樣性，Hmax為最大的種類多樣性；S為群落中的總種數(shù)。（3）土壤物理性質測定指標與方法。采用環(huán)刀法測定土壤容重及土壤水分物理性質（土壤含水量、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、土壤孔隙度等）［11］；用篩分法測土壤粒徑，將自然風干后的土壤研碎，分別過10.00，2.00，1.00和0.25 mm篩孔，每層進行稱量，計算土壤粒徑分布占比。

表1 研究區(qū)樣地基本情況Table 1 Basic situation of the studied sites

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與評價方法 （1）采用Excel 2016和Origin 2018進行數(shù)據(jù)處理及圖表繪制，使用 SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析和主成分分析。（2）土壤物理性質主要采用土壤含水量、土壤容重、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙7個指標作為評價指標。采用主成分分析法建立土壤物理性質的綜合得分評價體系。計算出主成分得分后，再通過綜合得分表達式得出綜合得分。將綜合得分按照高低進行排序，通過綜合排序結果衡量其土壤理化性質情況。

2 結果與分析

2.1 草本植物物種多樣性分析

如表2所示：側柏和油松+黃櫨措施對應草本層的D，H和J的差異不顯著，表明這2種措施修復下的草本層生物多樣性相似，且這2種措施治理后林下草本生物多樣性相對于其他3種措施的值較大，說明這2種措施治理后草本恢復效果更好。白楊措施修復下的草本層R，D和H相對于側柏、黃櫨和油松+黃櫨措施顯著偏小（P＜0.05），說明白楊措施修復治理后的林下草本植被單一，群落穩(wěn)定性較差。

表2 不同植物配置下草本植物多樣性比較Table 2 Comparison of herbaceous plant diversity under different plant configurations of the quarry

2.2 土壤物理性質分析

2.2.1 不同植物恢復措施修復下的土壤粒徑分布特征 如圖1所示：在0～40 cm土層，分布在2.00～10.00 mm的土壤粒徑占比顯著大于在大于10.00和1.00～2.00 mm（P＜0.05）的土壤粒徑占比；修復后的土壤粒徑主要分布在0.25～10.00 mm。在0～20 cm土層，分布在0.25～10.0 mm的土壤粒徑占比從高到低依次為側柏、黃櫨、白楊、油松+黃櫨、油松；在20～40 cm土層，分布在0.25～10.00 mm土壤粒徑占比從高到低依次為白楊、側柏、油松、黃櫨、油松+黃櫨。可以看出，在0～20 cm土層，側柏措施修復下的0.25～10.00 mm土壤粒徑含量最高，占百分比為89%，白楊措施在20～40 cm土層0.25～10.00 mm土壤粒徑含量最高，占百分比為80%；且在0～20 cm土層0.25～10.00 mm土壤粒徑含量高于20～40 cm。

2.2.2 不同植物恢復措施修復下的土壤容重特征 土壤容重可以判斷土壤的松緊程度，疏松、有團粒結構的土壤容重小，反之，緊實板結的容重大［12］。如圖2所示：在0～20和20～40 cm土壤中，側柏措施修復作用下的土壤容重都顯著小于（P＜0.05）其他幾種措施修復下的土壤容重；側柏、黃櫨、油松+黃櫨措施在0～20 cm的土壤容重都大于20～40 cm的土壤容重。這主要是由于長期植被恢復過程中，主要通過澆灌措施來補充植被所需水分，致使地表土壤板結。在20～40 cm土層白楊、油松2種措施修復作用下的土壤容重大于其他幾種措施修復的土壤容重，其值都大于1.5 g·cm-3，說明這2種措施修復下的土壤在20～40 cm深處土壤孔隙數(shù)量少，土壤的水分、空氣、熱量狀況較差。

圖1 不同植物恢復措施治理后的土壤粒徑分布Figure 1 Distribution of soil particle size after different vegetation restoration measures

2.2.3 不同植物恢復措施下的土壤孔隙度特征 如圖3所示：土壤孔隙度包括土壤毛管孔隙和土壤非毛管孔隙。土壤孔隙是儲存土壤水分的場所，也是土壤微生物等遷移的通道，其大小取決于土壤質地、土壤結構等條件。不同治理措施的總孔隙度在土層深度0～20 cm內(nèi)變化范圍為42.75%～52.10%；在20～40 cm為40.65%～53.60%。側柏措施治理恢復的礦區(qū)土壤在0～20 cm及20～40 cm的土壤空隙度均大于其他幾種措施，說明側柏措施治理恢復的土壤儲存水分的能力更好，能更好地為植被生長提供水分條件。同時可以看出：5種不同治理措施下在0～20 cm土層的土壤孔隙度從大到小依次為側柏、油松、白楊、油松+黃櫨、黃櫨，在20～40 cm土層土壤孔隙度從大到小依次為側柏、油松、油松+黃櫨、白楊、黃櫨。

圖2 不同植物恢復措施治理后的土壤容重Figure 2 Soil bulk densities after different vegetation restoration measures

圖3 不同植物恢復措施治理后的土壤空隙度Figure 3 Soil porosities after different vegetation restoration measures

2.2.4 不同植物恢復措施修復下的土壤田間持水量的特征 如圖4所示：5種不同植物修復措施下，土壤在0～20 cm土層的田間持水量均比20～40 cm土層的田間持水量高，且5種不同治理措施下的土壤田間持水量在0～20 cm和20～40 cm土層的大小規(guī)律呈現(xiàn)一致性，從大到小依次為側柏、黃櫨、油松+黃櫨、白楊、油松。說明礦區(qū)復墾地土壤保水、供水能力改良效果在淺層優(yōu)于深層。土壤田間持水量的分布特征在不同措施間存在一定的差異，側柏治理措施恢復下的礦區(qū)各層土壤田間持水量都大于其他4種措施，油松治理措施治理后的土壤田間持水量顯著小于其他幾種措施。

圖4 不同植物恢復措施治理后的土壤田間持水量Figure 4 Soil field water-holding capacities after different vegetation restoration measures

2.3 不同植物恢復措施的綜合評價

運用主成分分析法，針對采石場5種不同植物措施修復改良土壤物理性質效果進行綜合分析［13］。根據(jù)特征值和相應的方差貢獻率，將7個指標分為2個主成分，其中第1主成分以土壤含水量、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙為主的指標貢獻較大，第2主成分中土壤容重的貢獻較大。最終確定主成分得分和綜合得分表達式如下：F1=-0.47x1-1.45x2+0.92x3+0.52x4+0.47x5+1.33x6-0.897x7;F2=1.95x1+0.11x2-0.33x3-0.31x4-0.39x5+0.28x6-1.32x7。其中：F1為第1主成分；F2為第2主成分；x1為標準化的土壤含水量；x2為標準化土壤容重；x3為標準化飽和持水量；x4為標準化毛管持水量；x5為標準化田間持水量；x6為標準化毛管孔隙；x7為標準化非毛管孔隙。 綜合得分=87.18×F1/100+8.85×F2/100。

根據(jù)綜合得分信息可知：側柏、油松+黃櫨、油松最后綜合得分分別為11.29，11.19和11.07，因此，施行不同治理措施后，土壤物理性質質量從高到低依次為側柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、白楊（表3）。可以發(fā)現(xiàn)側柏、油松+黃櫨、油松這3種植物措施的最后得分相差不大，即在采石礦的生態(tài)恢復中優(yōu)先依次推薦。

表3 主成分分析評價Table 3 Evaluation of principal component analysis

3 討論

土壤物理性質是反映土壤潛在生產(chǎn)力的重要指標，它能影響土壤水分含量、熱特性、通氣性、土體穩(wěn)定性等，進而影響作物的生長發(fā)育［14］。土壤顆粒是土壤最基本的組成單元，土壤顆粒的粒徑分布對土壤孔隙、土壤水分和土壤團聚體都有著巨大的影響［15-16］。本研究結果表明：5種不同植被措施恢復下的土壤粒徑主要分布在0.25～10.00 mm，土壤有機質是形成土壤顆粒的重要膠結物質，在土壤大粒徑的形成過程中發(fā)揮著重要作用［17］。由于表層土壤受植被的枯枝落葉和土壤微生物分解作用，使得表層土壤有機質高于深層土壤，因此出現(xiàn)表層土壤的大粒徑含量高于深層。土壤容重是反映土壤緊密程度的一個重要指標，直接影響著土壤的孔隙狀況［18］。研究發(fā)現(xiàn)：白楊、油松2種植被措施恢復治理后的土壤容重在20～40 cm土層值都大于1.5 g·cm-3，這表明這2種植被措施對礦區(qū)恢復治理后的土壤容重普遍偏大，空隙度較小，儲存土壤水分能力較弱，不利于植物根系生長，這與張志玲等［19］的研究基本一致。這主要是因為白楊、油松2種措施對應的樹種在幼林齡期以主根生長為主，側根較少，對深層土壤的修復效果欠佳；側柏、黃櫨、油松+黃櫨措施恢復治理后的表層土壤容重大于深層土壤容重，這主要是因為礦區(qū)植被的水分主要靠后期養(yǎng)護灌溉，由于灌溉水的瞬時量大，水壓力強，對表層土壤造成嚴重擾動和結構重組，土壤發(fā)生板結、致密，這也就出現(xiàn)了本次研究出現(xiàn)的結果。本研究得出不同措施土壤田間持水量范圍為18.18%～26.89%，5種治理措施在深層土壤中的田間持水量都低于表層。這一研究規(guī)律與陳曉燕等［20］研究結果一致。由于深層土壤已經(jīng)與該地原有的巖石風化物充分混合，其機械組成已經(jīng)發(fā)生了變化，使其呈現(xiàn)出較低的田間持水量指標；另外，由于植物生長，其枯枝落葉對表層土壤的改良效果也優(yōu)于深層，所以呈現(xiàn)出上層土壤的理化性質較好的趨勢。利用主成分分析法可知：5種不同恢復措施治理后，土壤物理性質質量從高到低依次為側柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、白楊。這與不同措施恢復治理后的礦區(qū)土壤物理性質單因素分析結果一致，也與5種不同植物措施恢復治理后的林下草本多樣性指標調(diào)查分析結果相對應。

4 小結

不同植物恢復措施對采石礦生態(tài)修復后，土壤粒徑主要集中分布在0.25～10.00 mm；側柏相對于其他4種植物恢復措施降低土壤容重，增大土壤孔隙度，提高土壤的持水能力更優(yōu)；5種不同植物恢復措施恢復治理后的表層土壤田間持水量高于深層；根據(jù)5種不同植被恢復措施下土壤土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度等指標，運用主成分分析法得出礦區(qū)土壤物理性質質量從高到低依次為側柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、毛白楊。