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      不同植物恢復(fù)措施對采石礦廢棄地土壤物理性質(zhì)的改良效果及評價

      2019-11-13 02:54:40閆燁琛趙廷寧王美琪
      關(guān)鍵詞:黃櫨物理性質(zhì)側(cè)柏

      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(xué) 水土保持學(xué)院,北京100083;2.北京林業(yè)大學(xué) 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(xué)北京市水土保持工程技術(shù)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(zhì)災(zāi)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(shè),倡導(dǎo)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(fù)研究主要集中在恢復(fù)策略[4]、 工程措施[5]、 恢復(fù)演替[6]、 土壤改良[7]、 綠化基質(zhì)[8]等方面,但針對采石場這種特殊的礦種類型相關(guān)恢復(fù)治理措施對土壤物理性質(zhì)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(fù)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(zhì)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(fù)措施為研究對象,通過調(diào)查分析恢復(fù)治理中不同植物恢復(fù)措施對土壤物理性質(zhì)的影響,探討不同植物恢復(fù)措施與采石礦土壤物理性質(zhì)改良之間的關(guān)系,旨在為采石礦這類特殊的礦區(qū)廢棄地重構(gòu)選擇適宜的治理措施及對土壤物理性質(zhì)快速改良提供科學(xué)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(fēng)氣候區(qū)。春季干旱多風(fēng),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(jié)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(jié)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(fù)墾工程,首先進行場地平整、壓實,然后進行客土回填??屯羴碓从诟浇牡兀寥牢锢硇再|(zhì)基本一致,種植側(cè)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(fù)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(shè)計資料及現(xiàn)場踏查,最終選取5種植物(白楊、側(cè)柏、油松、黃櫨、油松+黃櫨)修復(fù)措施(表1),種植每種植物時每穴施加客土。每種措施設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。(1)采樣方法。對標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)3個,并用塑封袋分層采取一定的土樣,自然風(fēng)干。(2)草本植物相關(guān)指標(biāo)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(zhì)測定指標(biāo)與方法。采用環(huán)刀法測定土壤容重及土壤水分物理性質(zhì)(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(fēng)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(zhì)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(biāo)作為評價指標(biāo)。采用主成分分析法建立土壤物理性質(zhì)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(jié)果衡量其土壤理化性質(zhì)情況。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 草本植物物種多樣性分析

      如表2所示:側(cè)柏和油松+黃櫨措施對應(yīng)草本層的D,H和J的差異不顯著,表明這2種措施修復(fù)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(fù)效果更好。白楊措施修復(fù)下的草本層R,D和H相對于側(cè)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(fù)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(zhì)分析

      2.2.1 不同植物恢復(fù)措施修復(fù)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(fù)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(cè)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(cè)柏、油松、黃櫨、油松+黃櫨??梢钥闯?,在0~20 cm土層,側(cè)柏措施修復(fù)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(fù)措施修復(fù)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(jié)構(gòu)的土壤容重小,反之,緊實板結(jié)的容重大[12]。如圖2所示:在0~20和20~40 cm土壤中,側(cè)柏措施修復(fù)作用下的土壤容重都顯著小于(P<0.05)其他幾種措施修復(fù)下的土壤容重;側(cè)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(fù)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(jié)。在20~40 cm土層白楊、油松2種措施修復(fù)作用下的土壤容重大于其他幾種措施修復(fù)的土壤容重,其值都大于1.5 g·cm-3,說明這2種措施修復(fù)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(fù)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(fù)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(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)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(cè)柏措施治理恢復(fù)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(cè)柏措施治理恢復(fù)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(cè)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(cè)柏、油松、油松+黃櫨、白楊、黃櫨。

      圖2 不同植物恢復(fù)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(fù)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(fù)措施修復(fù)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(fù)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(cè)柏、黃櫨、油松+黃櫨、白楊、油松。說明礦區(qū)復(fù)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(cè)柏治理措施恢復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)改良土壤物理性質(zhì)效果進行綜合分析[13]。根據(jù)特征值和相應(yīng)的方差貢獻率,將7個指標(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化的土壤含水量;x2為標(biāo)準(zhǔn)化土壤容重;x3為標(biāo)準(zhǔn)化飽和持水量;x4為標(biāo)準(zhǔn)化毛管持水量;x5為標(biāo)準(zhǔn)化田間持水量;x6為標(biāo)準(zhǔn)化毛管孔隙;x7為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(zhì)質(zhì)量從高到低依次為側(cè)柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、白楊(表3)??梢园l(fā)現(xiàn)側(cè)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(fù)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(zhì)是反映土壤潛在生產(chǎn)力的重要指標(biāo),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(jié)果表明:5種不同植被措施恢復(fù)下的土壤粒徑主要分布在0.25~10.00 mm,土壤有機質(zhì)是形成土壤顆粒的重要膠結(jié)物質(zhì),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(zhì)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(biāo),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(fù)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(fù)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(yīng)的樹種在幼林齡期以主根生長為主,側(cè)根較少,對深層土壤的修復(fù)效果欠佳;側(cè)柏、黃櫨、油松+黃櫨措施恢復(fù)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(jié)構(gòu)重組,土壤發(fā)生板結(jié)、致密,這也就出現(xiàn)了本次研究出現(xiàn)的結(jié)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(jié)果一致。由于深層土壤已經(jīng)與該地原有的巖石風(fēng)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(biāo);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(zhì)較好的趨勢。利用主成分分析法可知:5種不同恢復(fù)措施治理后,土壤物理性質(zhì)質(zhì)量從高到低依次為側(cè)柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、白楊。這與不同措施恢復(fù)治理后的礦區(qū)土壤物理性質(zhì)單因素分析結(jié)果一致,也與5種不同植物措施恢復(fù)治理后的林下草本多樣性指標(biāo)調(diào)查分析結(jié)果相對應(yīng)。

      4 小結(jié)

      不同植物恢復(fù)措施對采石礦生態(tài)修復(fù)后,土壤粒徑主要集中分布在0.25~10.00 mm;側(cè)柏相對于其他4種植物恢復(fù)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(fù)措施恢復(fù)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(fù)措施下土壤土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度等指標(biāo),運用主成分分析法得出礦區(qū)土壤物理性質(zhì)質(zhì)量從高到低依次為側(cè)柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、毛白楊。

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