太行山北段東麓采石廢棄地立地類型劃分及評價

李丹雄,趙廷寧,張艷,馮晶晶

(北京林業(yè)大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京)

采石廢棄地是指采石場在其完成或終止采石功能之后,所遭受到破壞、不經治理將無法使用的土地[1]。近幾十年來,隨著我國經濟建設的蓬勃發(fā)展,各項土建工程相繼動工,各地采石場、取土場的數量猛增,采石場所帶來的環(huán)境問題日益受到人們的高度重視。根據第3次全國水土流失普查數據[2],“十五”期間因大量的采石、挖砂、取土等生產建設活動造成的擾動地表面積5.53萬km2,棄土棄渣量達92.1億t。近年來,從采石廢棄地的造林技術[3]、巖石邊坡植被與土壤的關系研究[4]到如何重建采石場的生態(tài)系統(tǒng)[5],越來越多的專家學者對采石廢棄地植被恢復做了大量的研究工作[6-8];但是,仍有很多問題需要改進,如植物種選擇的任意性、復綠方式的單一性等[9]。采石場的地形地貌比較特殊、復雜,排土場、采石邊坡、泥石堆等采石場常見立地的土壤理化性質大不相同[10],單一的、統(tǒng)一化的植被恢復方法并不完全適用。據有關專家[11]推測,礦山植被自然恢復進展比較緩慢,一般需要100年以上的時間;因此,要因地制宜,針對采石廢棄地的各種立地類型特點,采取不同的植被恢復方法。

對立地類型進行分類、評價是研究和掌握立地植被的生長環(huán)境及其對植被和植被生產力影響的重要途徑[12],也是加快植被恢復的關鍵所在。立地類型劃分在造林地上使用較多[12-14],隨著經濟的發(fā)展,采礦業(yè)的興起,立地條件類型劃分也開始被用于加快礦山的植被恢復。目前用于劃分采石場立地類型的方法有Fuzzy聚類分析[15]、主成分 聚類分析結合[16]等,而立地質量評價多用于有林地,對于無林地的研究較少[12],常用的立地質量評價方法有專家打分法、層次分析方法等。為了加快采石場的生態(tài)恢復,筆者通過對太行山北段東麓采石廢棄地的植被恢復影響因子進行相關性分析,劃分采石廢棄地的立地類型并進行評價,以期為植被恢復工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點東麓采石廢棄地地處華北平原太行山脈北段,位于北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)婁子水村與黃院村附近,地理坐標 E115°53′～115°55′、N39°39′～39°41′,海拔 70 ～250 m,面積范圍約 100 hm2,屬于露天采石場,主要出產石灰石、石板材料等。

研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū),四季分明。多年平均氣溫12.1℃,其中1月份最低,平均-4℃,7、8月份最高,平均26℃。多年平均降水量700 mm,年平均水面蒸發(fā)量1 800 mm,年際與年內降水分布不均衡,年內降雨多集中在7—9月份。巖石種類以灰綠色千枚狀板巖為主,土壤為棕褐土。研究區(qū)山坡中上部土層厚度在10～20 cm之間,中下部土層厚度在30 cm左右,山前為沖積平原,土壤層較厚,均在30 cm以上,肥力較好。周口店河為主要河流,全長15 km,流域面積達58 km2。受當地降水影響,河流在7、8月份才達到正常水位。研究區(qū)的地下水徑流和排泄條件好,交替強烈,地下水屬于石灰?guī)r裂隙水。

2 研究方法

2.1 實驗標準地選取

2011年7—8月,在野外實地踏查及資料收集的基礎上,采用典型樣地法,在研究區(qū)不同海拔、坡向、坡度的坡面上共選取39個樣地;用GPS進行樣地定位、編號,并調查坡向、坡度、坡長、土石比等微立地因子[17];根據典型樣地的坡面情況,沿坡面上、中、下部位,分別設置3個小樣方,其中草本樣方面積1 m×1 m,灌木樣方面積5 m×5 m,喬木樣方面積10 m×10 m;調查每個樣方內植被的植物名稱、數量、平均高度、種蓋度、冠幅和總蓋度等。

2.2 土壤樣品采集及測定

在每個樣方中心,采集0～30 cm的混合土樣,取回將其風干后采用精密酸度計測定pH值,用1 mol/L的NH4AC浸提、原子吸收法測定速效鉀質量分數,用NaHCO3(pH值8.5)浸提法測定有效磷質量分數,用重鉻酸鉀容量法測定有機質質量分數,用凱氏定氮法測定土壤全氮質量分數,用甲種比重計速測法測定土壤顆粒組成。

2.3 立地因子選取及立地劃分

研究區(qū)樣地相對集中,海拔相差不大,年降雨量、氣溫變化、地貌類型等變化較小,不需要列為研究區(qū)影響植被恢復的主要限制因子。根據野外調查及資料分析結果,篩選出研究區(qū)的主要限制因子有坡度X1/(°)、土壤層厚度X2/cm、植物種數X3、植被覆蓋度X4/%、植物平均高度X5/cm、土壤pH值X6、土壤質地X7、土壤有機質質量分數X8/(g·kg-1)、速效鉀質量分數X9/(mg·kg-1)、有效磷質量分數X10/(mg·kg-1)、全氮質量分數 X11/(g·kg-1)、土石比X12/%、坡面長度X13/m和坡向X14等。

根據文獻[16-19]對邊坡立地條件劃分的研究經驗,并結合調查情況,采用Spearman相關分析方法對立地因子進行相關性分析,并采用主成分分析、聚類分析等方法劃分立地類型。

2.4 因子評分標準及立地質量評價

立地質量評價常被用于造林地、宜林地的立地條件評價[20-21]。根據采石廢棄地的特殊地形及主成分分析結果,參考前人的研究經驗[22],擬定了適用于研究區(qū)立地條件的因子評分標準(表1),然后根據公式Wi=λi/∑λi來確定因子的權重,最后采用質量評價法計算出研究區(qū)的立地質量評價結果。式中:λi為第i個主成分的特征根;Wi為第i個主成分的權重。

表1 因子評分標準表Tab.1 Factor scoring standard

2.5 數據處理

本文所有的數據均使用Excel 2013、SPSS 21.0等軟件處理。

3 結果與分析

3.1 立地因子相關性分析

將篩選出的立地因子數量化、中心化處理,進行Spearman相關分析,結果見表2?？芍?14個因子之間的相關關系多以正相關為主,呈正顯著關系的因子居多,如土壤層厚度(9正1負)、植物種數(9正)、植被覆蓋度(9正)、土壤有機質質量分數(10正1負)、速效鉀質量分數(10正1負)、全氮質量分數(9正1負)、土石比(9正1負)等。

表2 立地因子的相關性分析結果Tab.2 Correlation analysis of site factors

在這些相關性顯著的因子中,植物種數和植被覆蓋度可描述植被狀況,土壤層厚度、土石比、全氮質量分數、速效鉀質量分數和土壤有機質質量分數可描述立地條件與土壤特性。其中,已有的植被能夠為后期的植被恢復提供種子來源,并對目前立地的土壤理化性狀起到一定的改善作用。土壤條件對植被的發(fā)芽、生長、發(fā)育等影響較大,土壤條件良好的立地,植物生長快,植被恢復較好,而土壤條件差的則反之。

此外,由表2可知,坡度與植物平均高度、土壤質地、土壤有機質質量分數、速效鉀質量分數、全氮質量分數、土石比、坡面長度等均呈顯著的負相關關系。說明在植被恢復過程中,坡度越大,其他因子對于植被恢復的不利影響也越明顯,因此需要考慮削坡、降低坡度等措施。

3.2 采石廢棄地植被恢復的主要限制因子分析

采石廢棄地的立地條件往往都比較惡劣,找出植被恢復的限制性因子尤為關鍵。根據Blcakman的限制因子定律[23],在生態(tài)環(huán)境中,某個環(huán)境因子過多或過少都會對植被的生長起到抑制作用。有研究[24-25]表明,坡度、海拔、坡面長度、土壤層厚度、土壤有機質質量分數、土壤質地、年降水量、土壤硬度、地表破壞程度等是采石廢棄地植被恢復的主要限制因子。本文根據相關性分析結果,將調查樣地的14個指標數據數量化、標準化后,采用主成分分析方法,得到前 5 個主成分 F1、F2、F3、F4、F5的方差累積貢獻率為77.38%(＞75%),基本包含了原來指標的信息。其中,在KMO和Bartlett的球形度檢驗中,Kaiser-Meyer-Olkin度量等于0.659(＞0.5),sig.＜0.01。因此,構建這5個主成分與各指標關系式如下:

從以上關系式可以看出,第1主成分代表土壤肥力情況(土壤有機質質量分數、速效鉀質量分數、有效磷質量分數、全氮質量分數的系數＞0.25),第2主成分表示土壤的水分持有能力(土壤層厚度、土石比的系數＞0.30),第3主成分表示地形特征(坡度、坡面長度、坡向的系數分別為 -0.460、0.376、-0.328),第4主成分為土壤顆粒組成(土壤質地的系數為0.835),第5主成分為土壤pH值(系數為0.807)。

由此可見,土壤狀況及地形因子等是研究區(qū)植被恢復比較關鍵的限制性因子,這與尹金珠等[4]、王瓊等[24]的研究相一致。并且還發(fā)現(xiàn),采石創(chuàng)面的大小及破損程度影響了表層土壤,改變了小地形,從而間接影響了植被的生長與分布。

圖1 聚類分析樹狀圖Fig.1 Cluster analysis

3.3 采石廢棄地立地類型劃分

將立地因子采用歐氏距離、組間聯(lián)接的方法進行聚類分析,結果如圖1所示。根據聚類分析過程中由聚合系數畫出的變化曲線圖所呈現(xiàn)的分類拐點[26],并結合實際的調查情況,將39個樣地的立地劃分成8類(表3)。

第Ⅰ類:低山帶陽坡/半陰半陽坡向土石混合體堆體邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度40°),坡面上的石塊多,土壤理化性質差,土壤有機質質量分數低,植物種數少,植物長勢不良。

第Ⅱ類:低山帶陽坡/半陰半陽坡向“V”型山谷邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度31°),坡面上的石塊少,土壤層較厚,土壤理化性質一般,植物種數較多,植物長勢優(yōu)良。

第Ⅲ類:低山帶陽坡向山麓堆體邊坡,該類立地的邊坡較緩(平均坡度25°),短坡,坡面上的石塊較多,土壤層厚度較薄,土壤理化性質差,土壤有機質質量分數低,植物種數少,植物長勢不良。

第Ⅳ類:低山帶陽坡/半陰半陽坡向山麓邊坡,該類立地的邊坡較緩(平均坡度22°),坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質良好,有機質質量分數較高,植物種數多,植物長勢良好。

第Ⅴ類:低山帶半陰半陽坡向山脊較緩邊坡,該類立地的坡度較平坦(平均坡度5°),邊坡較長,坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質良好,有機質質量分數較高,植物種數較多,植物長勢良好。

第Ⅵ類:低山帶陰坡向山脊較陡邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度35°),邊坡較長,坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質良好,有機質質量分數高,植物種數多,但植物長勢較差。

第Ⅶ類:低山帶半陰半陽坡向“U”型山谷邊坡,該類立地的邊坡較緩(平均坡度13°),邊坡長達50 m,坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質良好,有機質質量分數高,植物種數多,植物長勢良好。

第Ⅷ類:低山帶陰坡向山麓邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度60°),坡面上的石塊較多,土壤層厚度一般,土壤理化性質良好,有機質質量分數高,植物種數較多,植物長勢良好。

表3 研究區(qū)采石場立地類型劃分及其特征表Tab.3 Quarry site type classification and list of features

3.4 采石廢棄地立地質量評價

研究區(qū)的立地質量評價結果見表4?？芍?綜合得分≥24的立地條件較好,有機質質量分數均在70 g/kg以上,土壤理化性質較好,土壤層厚度＞50 cm,表土礫石質量分數較少,地上植物種數達17種,植物長勢良好;綜合得分20～24的立地條件一般,有機質質量分數在35～70 g/kg之間,土壤理化性質良好,土壤層厚度＞80 cm,表土礫石質量分數較少,地上植被較多,植物種數達15種,植物長勢一般;綜合得分18～20的立地條件較差,有機質質量分數在20～35 g/kg之間,土壤理化性質較差,土壤層厚度＞140 cm,表土礫石質量分數較少,地上植物種數達18種;綜合得分＜18的立地條件很差,坡度較陡,有機質質量分數低(小于15.0 g/kg),土壤理化性質差,土壤顆粒較粗,碎石塊多,土壤以砂質土居多,土壤層較薄,坡面保水保土性能差,不利于植被生長。

表4 研究區(qū)采石場立地質量評價結果_Tab.4 Quarry site quality evaluation

4 結論與建議

1)土壤養(yǎng)分質量分數、土壤層厚度和地形特征等是研究區(qū)植被恢復的主要限制性因子,同時也是采石廢棄地上判斷某一立地條件優(yōu)劣的重要因子,這些因子受采石干擾程度的影響極大。

2)研究區(qū)采石廢棄地可劃分成8類立地類型:Ⅰ低山帶陽坡/半陰半陽坡向土石混合堆體邊坡、Ⅱ低山帶陽坡/半陰半陽坡向“V”型山谷邊坡、Ⅲ低山帶陽坡向山麓堆體邊坡、Ⅳ低山帶陽坡/半陰半陽坡向山麓邊坡、Ⅴ低山帶半陰半陽坡向山脊較緩邊坡、Ⅵ低山帶陰坡向山脊較陡邊坡、Ⅶ低山帶半陰半陽坡向“U”型山谷邊坡、Ⅷ低山帶陰坡向山麓邊坡。

3)研究區(qū)采石場8類立地類型可劃分為4類:第1類邊坡的立地條件較好,綜合得分≥24,植物種數達17種,植物長勢良好,這樣的坡面非常適宜植被生長,不需要人工輔助措施,植被能生長良好;第2類邊坡的立地條件稍差,綜合得分20～24,土壤理化性質良好,只需采取封育措施,植被能自然恢復起來;第3類邊坡的立地條件較差,綜合得分18～20,植被生長情況一般,需要進行適當的人工削坡、客土等技術措施方能促進植被恢復;第4類邊坡的立地條件較為惡劣,綜合得分＜18,地面碎石塊較多,土壤理化性質較差,土壤層厚度較薄,不利于植被生長,急需進行人工削坡、地面平整、客土等人工輔助技術措施才能加快植被恢復。