半干旱礦區(qū)排土場苜?；謴?fù)過程中土壤顆粒分形的演變特征

王東麗, 劉 陽, 郭瑩瑩, 謝 偉, 郭建軍, 湯國水, 趙曉亮, 連 昭, 于百和

1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,阜新 123000 2 神東天隆集團(tuán)有限責(zé)任公司生態(tài)研究院,鄂爾多斯 017000 3 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,阜新 123000

半干旱礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,立地條件惡劣,生態(tài)重建與植被恢復(fù)困難。苜蓿作為主要的生態(tài)恢復(fù)物種,具有較強(qiáng)的適生性,其龐大的根系不僅能夠改良土壤孔隙結(jié)構(gòu),其根系分泌物、代謝物還可增加土壤有機(jī)質(zhì),改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1]。另外,苜蓿作為豆科植物,具有很強(qiáng)的根瘤固氮作用,能夠增加土壤碳氮養(yǎng)分水平,而且苜蓿作為綠肥,還可為土壤改良提供充足的有機(jī)質(zhì)來源[2-3]。目前,苜蓿成為我國北方半干旱礦區(qū)生態(tài)重建中的先鋒種與優(yōu)勢種,在礦區(qū)植被恢復(fù)中占據(jù)重要地位,對區(qū)域的脆弱生態(tài)環(huán)境修復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤肥力提高起著極為重要的作用[4]。然而,苜蓿在惡劣生境下壽命縮短,限制其改良土壤效應(yīng),其在條件嚴(yán)苛的礦區(qū)的演變規(guī)律亟需明確。

土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質(zhì),作為土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元,土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),并間接影響了土壤的水分特性、肥力狀況等理化性質(zhì)[5-6]。 Tyler[7]、楊培嶺[8]等提出土壤顆粒粒徑分布的質(zhì)量分形計算公式,吳承禎等[9]研究表明分形維數(shù)可以很好地反映土壤的肥力特征。隨著激光衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,土壤顆粒體積分布特征更容易且精確得到,王國梁等[10]在前人的公式和模型的基礎(chǔ)上,采用土壤顆粒體積分形維數(shù)的概念,被越來越多的學(xué)者應(yīng)用于土壤分形特征的研究中。大量研究表明土壤顆粒的分形特征與土壤理化特性具有一定的關(guān)系,對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有一定的指示作用[11-13]。目前針對礦區(qū)土壤分形特征的研究主要側(cè)重不同區(qū)域、不同廢棄地類型或植被類型下土壤顆粒分形特征的研究,以及土壤分形維數(shù)與土壤類型、水分、養(yǎng)分狀況、土壤機(jī)械組成、土壤侵蝕等關(guān)系[14-17]。王金滿等[18]研究表明半干旱黃土區(qū)露天煤礦排土場重構(gòu)土壤顆粒組成具有明顯的多重分形特征,但對于廣泛種植的苜蓿地隨植被恢復(fù)過程的相關(guān)研究未見報道。

因此本研究針對半干旱露天礦排土場不同恢復(fù)年限的苜蓿草地,分析種植苜?；謴?fù)過程中土壤顆粒分形特征及與土壤特性的關(guān)系,探討礦區(qū)排土場苜?；謴?fù)模式效益,進(jìn)而為半干旱礦區(qū)排土場生態(tài)重建實踐提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為武家塔露天礦(39°15′ 16″—39°17′ 50″N,110°05′ 55″—110°10′ 48″E),地處鄂爾多斯高原腹地,為黃土高原和毛烏素沙地兩大地貌單元之間的過渡帶,地形特征為西北高、東南低,基本呈一斜坡狀,屬于半干旱半沙漠的高原大陸性氣候,年平均降水量370—410 mm,多集中在6—9月,且多以暴雨的形式出現(xiàn)。冬季嚴(yán)寒,夏季炎熱干燥,春季多風(fēng),全年少雨,溫差較大(-27.9—36.6 ℃),年平均氣溫為5.5—8.1 ℃,無霜期152—169 d。研究區(qū)區(qū)域性土壤類型為黃土和風(fēng)沙土,并且零星分布著草甸土和栗鈣土型沙土。

研究區(qū)主要植被類型為溫帶草原植被,優(yōu)勢植被為耐寒耐旱的旱生小葉灌木、半灌木,主要為沙柳(Salixcheilophila)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等。武家塔4#排土場復(fù)墾深度1 m左右,平臺上采取種植刺槐(RobiniaPseudoacacia)、沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(HippophaeRhamnoides)、檸條(CaraganaKorshinskii)、沙打旺(Astragalusadsurgens)和苜蓿(M.Sativa)牧草等10余種植被恢復(fù)模式,完成復(fù)墾面積200多公頃,其中苜蓿種植面積占50%以上。

1.2 樣地選擇

選擇武家塔礦區(qū)4#排土場平臺人工種植年限分別為2 a、4 a、6 a和10 a苜蓿地為研究對象,同時為了比較人工種植苜?；謴?fù)與天然恢復(fù)的差別,以新排土與天然撂荒地為對照,各樣地覆土來源一致,且覆土工藝均為逐層覆壓,總厚度為1 m,具體樣地信息見表1。

表1 樣地的基本信息

1.3 樣品采集

2017年8月進(jìn)行土壤樣品的采集。在所選擇樣地內(nèi),隨機(jī)選取出3個樣點,在每個樣點附近采取多點混合采集法分層采集,一般設(shè)置6—10個點。采集土樣時需先用工具將其植被枯枝落葉層去掉,按照0—5、5—10、10—20、20—40、40—60 cm分層進(jìn)行取樣,每個采集點對應(yīng)土層的土樣混合為1個樣品,再將土樣帶回到實驗室。

1.4 土壤顆粒組成及土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測定

篩分法：將土樣分別置于套篩(孔徑依次為2.00、1.00、0.50 、0.25、0.10 mm)頂部,底層安放底盒,頂部蓋篩蓋,用振蕩式機(jī)械篩分儀,在最大運動頻率300次/min 準(zhǔn)確振蕩2 min后,從上部依次取篩,得到2.00—1.00、1.00—0.50、0.50—0.25、0.25—0.10 mm的土壤,分別收集稱量。

取通過直徑0.10 mm 篩孔樣品大約3 g放入小燒杯中,依次加入適量的蒸餾水與雙氧水,放在電爐上加熱并且不斷攪拌,直至再無氣泡產(chǎn)生,從而去除土樣中有機(jī)質(zhì),再用六偏磷酸鈉來浸泡24 h使土粒之間分散。處理后的土樣再用LS—POP(6)激光粒度儀來測定土壤粒徑,其所測粒徑為0.0002—0.50 mm之間,并可借助儀器附帶軟件中的分級功能,得到土壤的任意兩粒徑之間體積百分含量。

土壤理化性質(zhì)測定采用常規(guī)測定方法[19]。土壤pH用PHS—P型酸度計測定；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀—外加熱容量法測定；速效鉀用火焰光度法；測定全磷和速效磷用鉬銻抗比色法測定；全氮用半微量開氏法消煮,全自動定氮儀測定；堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定；電導(dǎo)率用浸提法測定；含水量用烘干法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)LS—POP(6)激光粒度儀測得的土壤粒徑體積分布數(shù)據(jù),采用王國梁等提出的土壤顆粒體積分形維數(shù)計算方法[10],具體計算公式如下：

(1)

(2)

運用Excel 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理,運用SPSS 20.0進(jìn)行回歸性分析,采用Sigmaplot 10.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 排土場不同苜?；謴?fù)過程中土壤顆粒的組成特征

本研究采用美國制土壤粒徑分級方法,即粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和砂粒(0.05—2.00 mm)。由圖1中可以看出不同恢復(fù)模式下粘粒含量所占的比例最少；在新排土、撂荒地、M2、M4恢復(fù)模式下,粉粒含量所占比例最高,砂粒次之；在M6、M10恢復(fù)模式下,砂粒含量所占比例最高,其次是粉粒；可見研究區(qū)土壤以粉粒與砂粒為主,粘粒極少,且隨著苜蓿恢復(fù)過程,土壤由以粉粒為主向以砂粒為主變化,即呈現(xiàn)出沙化趨勢。相對于新排土,撂荒草地土壤各粒徑組成變化不顯著(P>0.05),而不同年限苜蓿恢復(fù)模式土壤各粒徑組成存在不同程度的變化。其中,粘粒在M2與M4階段顯著高于其它恢復(fù)模式下,且在M4階段達(dá)到最高值,隨后顯著下降(P<0.05)；而砂粒在M4階段最低,隨后顯著上升(P<0.05),主要與其群落在4 a之后開始衰退及導(dǎo)致的土壤退化有關(guān)?？梢娫谘芯繀^(qū)苜?；謴?fù)一定時間內(nèi)能夠顯著促進(jìn)土壤粘粒化,隨著恢復(fù)進(jìn)程土壤顯著沙化。

圖1 不同苜蓿種植恢復(fù)年限土壤粒徑組成 Fig.1 Soil particle size composition of different restoration years of M. Sativa plantinga, b, c表示不同苜蓿恢復(fù)年限間土壤各粒徑占比的差異顯著性(P<0.05)；XPT為新排土,LHD為撂荒地,M2為2年生苜蓿地,M4為4年生苜蓿地,M6為6年生苜蓿地,M10為10年生苜蓿地

不同苜?；謴?fù)模式下土壤粒徑組成在土壤垂直剖面變化各異。如圖2所示,撂荒地土壤在表層0—10 cm,較新排土呈現(xiàn)由砂粒向粉粒轉(zhuǎn)化；在M2與M4階段,土壤各粒徑組成在土壤剖面上變化幅度較大,在20—60 cm粘粒和粉粒呈現(xiàn)增加趨勢,而砂粒呈現(xiàn)下降趨勢；在M6階段,粘粒與粉粒均下降,而砂粒明顯增大,且在各土層間變化幅度較??；而達(dá)到M10階段,粉粒有所增加,而砂粒表現(xiàn)為減少。

圖2 不同苜蓿種植恢復(fù)年限下不同土層土壤顆粒組成Fig.2 Soil particle composition in different soil layers under different restoration years of M. Sativa planting

2.2 排土場不同苜蓿恢復(fù)過程中土壤分形維數(shù)特征

如圖3所示,土壤分形維數(shù)在不同恢復(fù)模式下各異,變化范圍為2.14—2.46,撂荒地相比于新排土沒有顯著變化,而在M2與M4模式下,土壤分形維數(shù)顯著增加,在M4達(dá)到最大值(2.46),而隨著恢復(fù)過程顯著下降(2.14)再上升(2.31),主要由于在M6階段苜蓿群落與土壤退化,導(dǎo)致土壤分形維數(shù)發(fā)生逆向演替,而進(jìn)入M10階段,群落由天然植被物種侵入,開始天然恢復(fù)演替階段。

圖3 不同苜蓿種植恢復(fù)年限下土壤分形維數(shù)特征Fig.3 Fractal dimension characteristics of soil under different planting restoration years of M. Sativa

對土壤顆粒組成與土壤顆粒分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖4),發(fā)現(xiàn)土壤粘粒和粉粒含量與土壤顆粒分形維數(shù)具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),土壤砂粒含量與土壤顆粒分形維數(shù)具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),這與石戰(zhàn)飛等[20]的研究結(jié)論一致。同時研究發(fā)現(xiàn)粘粒與D值回歸方程的決定系數(shù)R2最大為0.634,表明土壤粘粒含量對D值的影響較大。

圖4 土壤顆粒組成與土壤體積分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between soil particle composition and fractal dimension of soil volume

2.3 土壤體積分形維數(shù)在垂直剖面的演變特征

如圖5所示,土壤顆粒分形維數(shù)D值在垂直剖面上不同苜?；謴?fù)過程的變化規(guī)律各異,變化范圍為2.09—2.57。新排土與撂荒地的土壤顆粒分形維數(shù)D值在垂直剖面上整體上無明顯變化,各土層分形維數(shù)D值相差不大,表明在垂直剖面上自然恢復(fù)對土壤分形維數(shù)影響不大；不同恢復(fù)年限的苜蓿地,其土壤分形維數(shù)在垂直剖面上的變化各異,苜蓿地2 a與苜蓿地4 a隨著土層深度的增加,分形維數(shù)D值整體上隨之增大；苜蓿地6 a和苜蓿地10 a隨著土層深度的增加,分形維數(shù)D值整體上隨之減?。槐砻鞑煌謴?fù)年限的苜蓿地在垂直剖面上,分形維數(shù)的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

圖5 不同苜蓿種植恢復(fù)年限下土壤體積分形維數(shù)在垂直剖面的演變特征Fig.5 The evolution characteristics of soil volume fractal dimension in vertical section under different planting and restoration age of M. Sativa

2.4 土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

在不同苜蓿恢復(fù)階段,土壤分形維數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系表現(xiàn)各異。由表2可知,土壤分形維數(shù)與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與pH值和速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與堿解氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；表明分形維數(shù)可表征研究區(qū)苜蓿恢復(fù)過程中土壤的一些理化性質(zhì),即分形維數(shù)D值越大,電導(dǎo)率、pH值越小,速效鉀含量越低,但堿解氮含量越高。另外,分形維數(shù)D值與全氮含量、全磷含量、有機(jī)質(zhì)、含水量、速效磷含量均未達(dá)到顯著水平。

表2 土壤體積分形維數(shù)與土壤性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

3 討論

土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),土壤顆粒體積分形維數(shù)與土壤顆粒組成具有密切的聯(lián)系[21]。本研究表明,研究區(qū)排土場土壤顆粒組成與土壤顆粒分形維數(shù)具有相關(guān)性,其中土壤粘粒與土壤分形維數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,與風(fēng)沙區(qū)不同種植年限苜蓿地[3]、風(fēng)沙區(qū)煤礦復(fù)墾地[22]的研究結(jié)果一致,可見土壤顆粒粘粒含量所占比重對土壤顆粒分形維數(shù)的影響最為顯著。同時,隨著苜?；謴?fù)年限的增加土壤粘粒含量所占比重先增大后減小,即土壤質(zhì)地表現(xiàn)為先細(xì)?；笊郴囊?guī)律,在M4階段細(xì)?；潭茸罡?這與其它自然生態(tài)系統(tǒng)或者植被恢復(fù)方式的相關(guān)研究結(jié)果不一致,如風(fēng)沙區(qū)不同種植年限苜蓿地、半干旱沙區(qū)不同植被恢復(fù)年限、不同退耕年限林草地,均隨著恢復(fù)時間的延長,表現(xiàn)為土壤顆粒分形維數(shù)增大,土壤質(zhì)地細(xì)?；痆23-25]?？梢?研究區(qū)苜?；謴?fù)模式只能在短期內(nèi)具有改善土壤顆粒組成的作用,恢復(fù)一定年限后其改善土壤顆粒組成的作用下降。主要在于礦區(qū)排土場作為人工塑造生態(tài)系統(tǒng),立地條件差、生境脆弱,苜蓿種植4 a后群落發(fā)生明顯的退化。土壤分形維數(shù)在垂直剖面上的變化特征可表征植物根系對土壤顆粒組成的作用。本研究發(fā)現(xiàn),不同苜?；謴?fù)過程中土壤顆粒分形維數(shù)D值在垂直剖面上變化各異,新排土與撂荒地不同土層顆粒體積分形維數(shù)之間無明顯變化,M2與M4土壤分形維數(shù)在垂直剖面上整體上隨土層深度加深而增大,M6與M10土壤分形維數(shù)在垂直剖面上整體上隨土層深度加深而減小,表明苜?；謴?fù)2 a與4 a時,其根系能夠促進(jìn)深層土壤粘?；?具有改良土壤粒徑組成的作用。然而,張社齊等[26]通過研究黃土高原刺槐人工林地,表明不同樹齡刺槐人工林地的土壤顆粒分形維數(shù)在土壤剖面的不同深度上趨于均一,而且小于同種質(zhì)地的其他土壤；黨亞國等[27]研究也表明黃土高原典型剖面土壤顆粒體積分形特維數(shù)在不同土層間差異不顯著；賈曉紅等[28]通過研究沙冬青灌叢地的土壤顆粒大小分形維數(shù)空間的變異,發(fā)現(xiàn)在垂直剖面上分形維數(shù)隨土層加深呈減少趨勢?？赡茉谟谘芯繀^(qū)排土場土壤多為人為覆蓋的生土,且從未有過植被定居,而其他生態(tài)系統(tǒng)均為自然生態(tài)系統(tǒng),深層土壤顆粒組成較排土場更佳。

眾多研究表明,土壤分形維數(shù)可較好地反映土壤的肥力特征[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn),排土場苜?；謴?fù)模式下土壤分形維數(shù)與土壤電導(dǎo)率、速效鉀、堿解氮、pH值具有相關(guān)關(guān)系,可以用土壤分形維數(shù)表征土壤速效養(yǎng)分狀況；石占飛等[20]通過研究陜北神木礦區(qū)土壤顆粒體積分形特征,表明分形維數(shù)D值可以表征土壤養(yǎng)分變化程度,這與本研究結(jié)果較一致。同時,本研究發(fā)現(xiàn)在苜蓿恢復(fù)過程中,土壤分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分整體呈先增加后下降的規(guī)律,在M4階段時,土壤分形維數(shù)最大,養(yǎng)分狀況最佳；而黃曉娜等[31]研究發(fā)現(xiàn)煤礦塌陷區(qū)隨著復(fù)墾年限的增加,土壤理化性質(zhì)變好,分形維數(shù)也隨之增大。這與本研究結(jié)果存在一定的差異,主要在于苜?；謴?fù)模式屬于人工恢復(fù)方式,群落物種單一,加之本研究區(qū)植物恢復(fù)種為苜蓿,其優(yōu)勢性導(dǎo)致其它植物種入侵、定居的難度,而且隨著其對土壤水分與養(yǎng)分消耗過度,使得土壤在恢復(fù)一定年限后發(fā)生退化。

因此,半干旱礦區(qū)排土場苜?；謴?fù)過程中,土壤分形特征與土壤特性在一定恢復(fù)年限內(nèi),隨著恢復(fù)年限的增加逐漸變好,在M4階段時達(dá)到最佳狀態(tài)。故在類似生態(tài)系統(tǒng)采用苜?；謴?fù)模式時,可考慮與其它植物種進(jìn)行混播配置或補(bǔ)播改造,增加群落的物種多樣性,防治其退化；亦可在其土壤改良最佳階段,結(jié)合土壤與水分管理進(jìn)行復(fù)墾利用等。

4 結(jié)論

武家塔露天礦排土場土壤各粒徑含量大小整體表現(xiàn)為粘粒<粉粒<砂粒。較新排土與自然撂荒而言,隨著苜?；謴?fù)過程,粘粒與粉粒含量整體表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢,且在M4階段達(dá)到最佳,砂粒反之。不同恢復(fù)階段,分形維數(shù)整體上先增大到2.46后減小到2.31,在M4階段達(dá)到最大,在垂直剖面上的變化規(guī)律表現(xiàn)各異。土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成、土壤pH、電導(dǎo)率、速效鉀含量、堿解氮含量密切相關(guān),且整體在M4階段達(dá)到最佳,土壤分形維數(shù)可以用來表征其土壤改良效果。因此,在半干旱礦區(qū)排土場進(jìn)行苜蓿恢復(fù)時應(yīng)注意恢復(fù)年限的調(diào)控,適時進(jìn)行適宜的利用與改造,確保礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的可持續(xù)性。