黃石采石場廢棄地生態(tài)恢復(fù)過程中的土壤變化

邵怡若 ，許建新 ，，薛 立 ，楊振意 ，吳彩瓊 ，盧廣超

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

黃石采石場廢棄地生態(tài)恢復(fù)過程中的土壤變化

邵怡若1，許建新1，2，薛 立1，楊振意1，吳彩瓊2，盧廣超1

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

以黃石市黃荊山的采石場廢棄地為研究對象，在種植槽、擋土墻和飄臺設(shè)置3個固定樣地，測定其在生態(tài)恢復(fù)過程中土壤特性的變化。研究結(jié)果表明：3個樣地的土壤容重顯著增大，毛管空隙度、非毛管空氣度、總孔隙度和毛管持水量均減小。各樣地土壤pH減小或穩(wěn)定，有機質(zhì)、全N、全P、堿解N、有效P、有效K的含量增加，全K的含量減小，土壤脲酶、磷酸酶活性增大，過氧化氫酶活性在擋土墻和飄臺的增大，而在種植槽減小。2013年飄臺的有機質(zhì)、氮、有效磷含量，土壤脲酶和磷酸酶活性均顯著大于種植槽和擋土墻。

采石場廢棄地；生態(tài)恢復(fù)；土壤；樣地；湖北黃石

隨著城市化進程的加快，大量的礦產(chǎn)資源被開發(fā)利用[1]，帶來了植被破壞和土壤流失等生態(tài)環(huán)境問題[2-3]。植被的自然恢復(fù)過程極其緩慢[4]，往往要花費幾十年到一個世紀(jì)以上[5-6]，而人工恢復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)采石場廢棄地表面巖石的穩(wěn)定和復(fù)綠。采石場廢棄地的人工恢復(fù)是在人的干預(yù)下，修復(fù)采石場廢棄地被破壞的環(huán)境，使廢棄地重新可以被利用[7]，實質(zhì)是上是人為加快生態(tài)演替的過程[8]。采石場廢棄地由于巖石裸露，限制了植物的生長,因此常用客土法修復(fù)廢棄地。采石場廢棄地覆蓋客土后，栽植植物能促進有機質(zhì)的積

累[9-10]，增加土壤N[11]，提高土壤酶活性[12-13]，植物根系通過對土壤的擠壓、穿插和分割能夠促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成[14]。盡管土壤對于采石場廢棄地的生態(tài)恢復(fù)至關(guān)重要，目前鮮有采石場廢棄地土壤特性的報道[15-17]。土壤理化性質(zhì)反映土壤肥力[18]，土壤酶加速土壤的生物化學(xué)過程[19]，其活性表征土壤對植物根系供應(yīng)養(yǎng)分的潛在能力[20]。作者對黃石市采石場廢棄地的種植槽、擋土墻和飄臺3種生態(tài)恢復(fù)模式的土壤理化性質(zhì)和酶的動態(tài)進行研究，以期為采石場廢棄地的生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省黃石市黃荊山脈北麓5號塘口（30°10′N，115°03′E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17 ℃，年平均降水量1 400 mm。5號塘口為廢棄水泥廠開采坡面，巖性為灰?guī)r或石灰?guī)r，坡度近90°，自然植被蕩然無存。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)重建方法

通過在坡頂搭建種植槽（以下稱種植槽）、坡下建擋土墻種植臺（以下稱擋土墻）和坡面搭建飄臺種植槽（以下稱飄臺）對坡面進行工程改良，覆蓋客土，種植若干種鄉(xiāng)土植物。種植槽、擋土墻和飄臺的植物組成見表1。

植物種植密度為喬木株行距1 m，灌木株行距40 cm，藤本株行距20 cm；喬木每個穴種植1株，灌木2株，藤本是2～3株， 2010年3月栽植植物，2013年3月恢復(fù)坡面植被覆蓋率達100%?？屯恋膒H為5.07，有機質(zhì)、全N、全P和全K分別為 4.99、0.48、0.28 和 15.68 g·kg-1，堿解 N、有效P 和有效 K 分別為 18.23、11.7和 51.25 mg·kg-1，脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶分別為51.26 mg·kg-1、18.54 mg·kg-1和 2.46 mL·g-1。

表1 三個樣地的植物組成Table 1 Plant composition of three experimental plots

1.2.2 采樣方法

在種植槽、擋土墻和飄臺分別建立固定樣地，于2011年4月、2013年4月用環(huán)刀法采集0～20 cm土層的土壤測定土壤物理性質(zhì)。用5點取樣法在各樣地0～20 cm土層取土樣，供土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤酶活性分析。

1.2.3 測定指標(biāo)與測定方法

兒童安全教育是當(dāng)前教育界非常關(guān)注的話題，也是保障兒童能夠健康快樂成長的基礎(chǔ)和前提，尤其是在兒童安全事故發(fā)生后，人們對于兒童安全教育的重視程度越來越高。這就需要真正發(fā)揮小學(xué)道德與法治課程的作用，幫助學(xué)生樹立基本的安全意識。道德與法治課程涉及的內(nèi)容較多，需要教師能夠不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，提升課堂教學(xué)的有效性，增強學(xué)生的道德與法治觀念，為學(xué)生的健康成長奠定基礎(chǔ)。但是，在當(dāng)前道德與法治教學(xué)中依舊存在很多問題，限制了課程價值的發(fā)揮。因此，教育者必須不斷探索有效教學(xué)的策略，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

用環(huán)刀法測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和毛管持水量。將水土以2.5∶1混合后用pH計測土壤pH。有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定，全N用半微量凱氏法測定。用氫氧化鈉堿熔法將土壤樣品溶融后提取待測液，用鉬藍比色法測全P，火焰光度計測全K。堿解N用堿解擴散法測定。用0.5 mol·L-1的碳酸氫鈉提取土壤樣品后，用鉬藍比色法測速效P。用1 mol·L-1的中性醋酸鈉提取土壤樣品后，用火焰光度計測速效K[21]。

脲酶采用比色法測定, 酶活性以37 ℃下培養(yǎng)24 h 后1 kg 土釋放的NH3-H的毫克數(shù)表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以37 ℃下培養(yǎng)2 h 后1 kg土消耗五氧化二磷的毫克數(shù)表示；過氧化氫酶活性采用0.1 mol·L-1高錳酸鉀滴定法測定，酶活性以常溫條件培養(yǎng)1 h 后1 g土消耗0.1 mol·L-1KMnO4的毫升數(shù)表示[22]。每個指標(biāo)做3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖由Excel和SAS8.1軟件系統(tǒng)完成。用Duncan多重比較檢驗差異顯著性，檢驗顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)

2.1.1 土壤物理性質(zhì)的時間變化

由圖1知，與2011年相比，2013年種的植槽、擋土墻、飄臺土壤容重分別顯著增加28%、12%和23%（P＜0.05）, 毛管孔隙度分別減少8%、18%和15%，非毛管孔隙度分別減少28%、13%和24%，總孔隙度分別減少13%、17%和17%，毛管持水量分別減少為22 %、27 %和31 %（圖1）。整體來看土壤趨于干燥緊實。

圖1 樣地土壤物理性質(zhì)的時間變化Fig. 1 Variations of soil physical property at different sample plots with time (mean±SE)

2.1.2 土壤物理性質(zhì)的空間變化

從圖2可知，2011年不同樣地土壤的容重、毛管孔隙度、總孔隙度和毛管持水量表現(xiàn)為擋土墻＞飄臺＞種植槽, 非毛管孔隙度為種植槽＞飄臺＞擋土墻，不同樣地間的土壤物理性質(zhì)差異多不顯著。2013年擋土墻的土壤毛管孔隙度顯著大于飄臺和種植槽，擋土墻的土壤毛管水顯著大于飄臺，3個樣地的其余物理性質(zhì)間差異不顯著。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

2.2.1 土壤化學(xué)性質(zhì)的時間變化

與2011年相比，2013年種植槽、擋土墻和飄臺的土壤pH分別減少1%、9%和13%，土壤有機質(zhì)、全N、全P和堿解N含量分別顯著增加132%、71% 和 24%，45%、14% 和 3%，25%、32%和 14%，80%、50%和 41%（P＜ 0.05），全K含量分別顯著減少10%、46%和10%（P＜0.05），有效P分別增加0%、82%和 7%，有效K分別增加8%、94%和11%（圖3）。

圖2 各樣地土壤物理性質(zhì)的比較（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Fig. 2 Comparisons on soil physical property at different plots (mean±SE)

2.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)的空間變化

由圖4知，2011年和2013年的土壤pH及2011年土壤有機質(zhì)和全N含量均為飄臺＞擋土墻＞種植槽， 2013年土壤有機質(zhì)和全N含量為飄臺＞種植槽＞擋土墻；2011年和2013年土壤全P含量均表現(xiàn)為擋土墻＞飄臺＞種植槽（圖4）。2011年各樣地土壤全K含量為擋土墻＞種植槽＞飄臺，2013年為種植槽＞飄臺＞擋土墻；2011年土壤堿解N含量為飄臺＞擋土墻＞種植槽，2013年為飄臺＞種植槽＞擋土墻；2011年各樣地土壤有效P含量為飄臺＞種植槽＞擋土墻，2013年為飄臺＞擋土墻＞種植槽；2011年各樣地土壤有效K含量為種植槽＞飄臺＞擋土墻，2013年為種植槽＞擋土墻＞飄臺?？傮w來看，2013年3個樣地中，飄臺的pH、有機質(zhì)、全N、堿解N和有效P 含量最高，擋土墻的全P含量最高，種植槽的全K和有效K含量最高。

2.3 土壤酶活性

2.3.1 土壤酶活性的時間變化

2011年相比，2013年種植槽、擋土墻和飄臺土壤脲酶活性分別顯著增加67 %、199%和111%（P＜0.05），磷酸酶活性分別顯著增加114%、210%和86%（P＜0.05），過氧化氫酶活性分別顯著降低35%和顯著增加21%和17%（P＜0.05）（圖5）。

2.3.2 土壤酶活性的空間變化

由圖6知，2011年的土壤脲酶和磷酸酶活性為飄臺＞種植槽＞擋土墻，過氧化氫酶活性為擋土墻＞種植槽＞飄臺（圖6）。2013年飄臺的土壤脲酶和磷酸酶活性顯著大于其他樣地，2013年過氧化氫酶活性為擋土墻＞飄臺＞種植槽（P＜0.05）。

3 結(jié)論與討論

圖3 各樣地土壤化學(xué)性質(zhì)的時間變化（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Fig. 3 Variations of soil chemical property at different plots with time (mean±SE)

本研究中3種恢復(fù)模式樣地的土壤容重顯著增大，毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均有所降低，可能是由于各樣地采用客土種植，試驗初期土壤較為疏松。由于樣地四周和下面都是堅硬的巖石，種植植物的根系生長有限，樣地內(nèi)的土體會隨著降水而回落，土壤容重隨著時間推移而逐漸增大，孔隙度減小，毛管持水量下降。土壤容重過大，會妨礙林木根系的正常生長和養(yǎng)分的吸收利用。毛管孔隙度下降會減小土壤持蓄水能力和水分下滲。因此，以后采取適當(dāng)?shù)乃赏链胧?，以利于根系呼吸，土壤團聚體內(nèi)營養(yǎng)元素和微量元素的固定和釋放，土壤蓄水和減緩徑流沖刷。

圖4 各樣地土壤化學(xué)性質(zhì)的比較（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Fig.4 Comparisons on soil chemical property at different plots (mean±SE)

土壤酸度對土壤中養(yǎng)分存在的形態(tài)和有效性、土壤的理化性質(zhì)以及植物生長發(fā)育都具有重要的影響。本研究中，各樣地的土壤pH隨著植物生長均有所降低，這與楊振意等[23]對鐵尾礦廢棄地刺槐人工林的研究一致。有機質(zhì)的積累可以酸化土壤[24]，降低土壤pH。另外，植被發(fā)育吸收土壤陰離子基團，并將其在土壤中重新分配，也能夠酸化土壤[25]。各樣地有機質(zhì)含量均顯著升高，全N、全P、堿解N、有效P含量均顯著增加，有效K含量增加或顯著增加，說明3種恢復(fù)模式均改善了土壤養(yǎng)分狀況。植物定植后通過持續(xù)的凋落物生產(chǎn)、根系分泌和根系的腐爛促進了有機質(zhì)的積累[10]，同時植物可以促進土壤有機物質(zhì)的礦化和再合成，所以采石場土壤的有機質(zhì)和全N會有所增加[11,26]。另外，植被的存在改善了采石場的小氣候，有助于枯落物的分解，也促進了有機質(zhì)的積累[9-10]。李影等[27]對銅尾礦廢棄地的研究也發(fā)現(xiàn)，植被定植后土壤有機質(zhì)和N含量增加，有效養(yǎng)分增多。各樣地土壤全K的降低，可能是土壤表層雨水淋溶較強而引起的水土流失造成的[28]。

圖5 各樣地土壤酶活性的時間變化（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Fig. 5 Variations of soil enzyme activity at different plots with time (mean±SE)

本研究中，各樣地的土壤脲酶、磷酸酶活性在植被定植2年后均顯著增大。一些學(xué)者報道，礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)中，植物定植后提高了土壤酶活性[12-13]，這主要是由于植物通過根系不斷地向土壤中分泌各種有機物、無機物、生長激素等活性物質(zhì)，有助于微生物的生長，從而直接或間接地影響著土壤酶的活性[27,29]。脲酶的存在有利于有機分子中肽鍵的水解，可以影響土壤中氮的釋放，磷酸酶能夠促進磷的活化，可以增加土壤有效磷含量，促進了土壤氮和磷含量的提高。擋土墻和飄臺的過氧化氫酶活性也顯著增大，有利于土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。種植槽的過氧化氫酶活性顯著降低，其原因需要進一步研究。

2013年飄臺的有機質(zhì)、氮、有效磷含量，土壤脲酶和磷酸酶活性均顯著高于種植槽和擋土墻，種植槽的鉀含量顯著高于其他樣地，擋土墻的過氧化氫酶活性顯著高于其他樣地，這可能是由于3種恢復(fù)模式的植物種類差異造成的。因為不同根系的分泌、凋落物養(yǎng)分含量和分解率存在差異，影響土壤養(yǎng)分和酶。王春陽等[30]發(fā)現(xiàn)黃土高原區(qū)不同植物的凋落物配比影響土壤酶活性的強度。3個樣地中，飄臺的大部分土壤養(yǎng)分和酶最高，說明該植物組合模式對于肥沃土壤效果最好。

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Soil characteristics changes during ecological restoration of abandoned quarries in Huangshi, Hubei

SHAO Yi-ruo1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1, YANG Zhen-yi1, WU Cai-qiong2, LU Guang-chao1
(1. College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China; 2. Shenzhen Tech and Ecology &Environment CO., LTD., Shenzhen 518040, Guangdong, China)

The soil characteristics changes during ecological restoration in the abandoned quarries were studied in the north slope of Huangjing mountain in Huangshi city after setting up three permanent plots including planting trough plot (PTP), retaining wall plot(RWP) and fl oating plate plot (FPP). The results revealed that the soil bulk density increased while the capillary porosity, non-capillary porosity, total porosity, capillary and water holding capacity decreased at the three plots; the soil pH increased or remained steady, and the contents of soil organic matter, total N, total P, total K, alkalized N, available P, available K, activities of soil urease and phosphatase increased, whereas the total K content decreased at the three plots; the soil catalase activity increased at RWP and FPP and decreased at PTP. The contents of organic matter, N, available P and activities of soil urease and phosphatase were greater at FPP than those at PTP and RWP.

abandoned quarries; ecological restoration; soil; sample plots; Huangshi city of Hubei province

S731

A

1673-923X(2014)04-0082-08

2013-10-08

深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金項目“深圳市生態(tài)修復(fù)生物工程技術(shù)研究開發(fā)中心”（GCZX20120618100801416）；國家科學(xué)技術(shù)部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目“裸露坡面生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)應(yīng)用研究”（2009GB2E020423）

邵怡若（1989-），女，安徽毫州人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學(xué)和樹木生理學(xué)研究

薛 立（1958-），男，教授，博導(dǎo)，主要從事林分密度和自然稀疏及林木養(yǎng)分研究；E-mail：forxue@scau.edu.cn

[本文編校：吳 彬]