廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段對水穩(wěn)性團聚體的影響

黃石德，李建民，曾建新 ，林 捷 ，尤龍輝，丁 珌，蘇亨榮 ，張錦斌

（1. 福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 大田縣林業(yè)局，福建 大田 366100）

廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段對水穩(wěn)性團聚體的影響

黃石德1,2，李建民1，曾建新3，林 捷1，尤龍輝1，丁 珌1，蘇亨榮3，張錦斌3

（1. 福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；3. 大田縣林業(yè)局，福建 大田 366100）

通過野外取樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段水穩(wěn)性團聚體含量及有機碳分布特征。結(jié)果表明：1）C0模式中〈0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量為56.28 %，且隨著礦區(qū)植被恢復(fù)歷史的延長，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體逐漸降低；2）C0模式水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑為1.092 mm，且隨著礦區(qū)植被恢復(fù)歷史的延長呈逐漸增加的趨勢；3）廢棄礦區(qū)不同恢復(fù)階段的有機碳主要分布在＞5mm和2～5mm的較大徑級的團聚體中，隨著徑級的減少，水穩(wěn)性團聚體有機碳含量呈逐漸減少的趨勢；4）廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段的有機碳和全氮含量均與0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量顯著正相關(guān)，而與＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體顯著負相關(guān)。

廢棄礦區(qū)；不同恢復(fù)階段；水穩(wěn)性團聚體；土壤有機碳；平均重量直徑

礦產(chǎn)資源的開采和利用已歷經(jīng)數(shù)千年，雖然給人類帶來了巨大財富，然而這項生產(chǎn)活動也產(chǎn)生一系列嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[1]，出現(xiàn)了大面積的廢棄礦區(qū)，土壤表面遭到破壞，使土壤結(jié)構(gòu)緊實，土壤團聚結(jié)構(gòu)失調(diào)以及重要的養(yǎng)分元素的缺失等[2-3]，而這些都成為恢復(fù)廢棄礦區(qū)亟待解決的問題。植被恢復(fù)已被公認為是一種對環(huán)境擾動少、修復(fù)成本低且適宜在廢棄礦區(qū)大面積推廣應(yīng)用的恢復(fù)方式[4]。眾所周知，植被的恢復(fù)能促進土壤結(jié)構(gòu)的改良，增強團聚體的穩(wěn)定性和增加土壤有機質(zhì)[5]。然而，有關(guān)廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段對土壤團聚體穩(wěn)定性及土壤有機質(zhì)的累積效應(yīng)施加的影響仍不完全清楚。因此，研究廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段土壤水穩(wěn)性團聚體和土壤有機碳的動態(tài)變化，有助于揭示廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)改善土壤結(jié)構(gòu)的機制，為廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)實踐提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)和試驗地概況

大田縣位于福建省中部，戴云山脈西側(cè)，東經(jīng) 117°29′～118°03′，北 緯 25°29′～26°10′，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候濕潤區(qū)，年均氣溫19.1 ℃，平均無霜期290 d，年均降水量1 557.8 mm，溫度適中，日照充足，雨水充沛，適宜亞熱帶林木生長。大田縣礦產(chǎn)資源豐富，是我省主要的礦產(chǎn)地，它給當(dāng)?shù)貛砭薮筘敻?，同時也造成了巨大的生態(tài)環(huán)境問題。目前全縣有廢棄礦區(qū)334 hm2，廢棄礦區(qū)的生態(tài)重建已成為大田縣亟待解決的問題。

試驗地包括廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段的樣地，并選擇尚未恢復(fù)的樣地作為礦區(qū)恢復(fù)的初始狀態(tài)，同時在周邊選擇未開礦樣地作為對照。樣地具體情況如表1所示。

表1 廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段樣地概況Table 1 Site description of different vegetation restoration phase in the abandoned mines

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

于2013年10月在每個樣地內(nèi)分別設(shè)5個10 m×10 m的小樣方，在每個小樣方內(nèi)按“S”形選擇5個有代表性土壤取樣點，采樣深度為0～10 cm，將小樣方內(nèi)5個土壤樣點的原狀土混合裝入硬質(zhì)塑料盒中，每份土樣取樣1 kg，每個樣地采集5份土樣，共采集25份原狀土樣。在土樣采集過程中，應(yīng)盡量避免擠壓，保持原狀土壤結(jié)構(gòu)。土樣運回實驗室后，沿自然結(jié)構(gòu)掰成10 mm左右的團粒，在陰涼處風(fēng)干。

2.2 測定方法與數(shù)據(jù)分析

將風(fēng)干后的土樣通過孔徑依次為5，2，1，0.5，0.25 mm的套篩，分別稱重計算出各徑級干篩團聚體占土壤的質(zhì)量分數(shù)，并按干篩的比例配成50 g風(fēng)干土樣。將配好的風(fēng)干土樣放在套篩上，在水中浸泡5 min，后用振蕩式機械篩分儀（振蕩頻率為30次/min）篩5 min，分離出＞5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體，置于烘箱內(nèi)烘至恒重[6]。將全土和不同徑級土壤團聚體研磨，過100目篩，土壤有機碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定[7]。

水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑：

式中，ri為第i個篩子孔徑（mm），r0=r1，rn=rn+1，mi為第i個篩子的水穩(wěn)性團聚體的重量百分比[8]。

數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖，運用SPSS17.0軟件進行Duncan多重比較和Person相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被不同恢復(fù)階段對水穩(wěn)性團聚體分布的影響

如表2所示，不同恢復(fù)階段均表現(xiàn)為＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量最高，C0、C1、C3、C8和CK模式中〈0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量分別為56.28 %、48.90 %、51.87 %、43.16 %和38.72 %，隨著廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)歷史的延長，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體逐漸降低，這與楊瑩瑩等（2012）研究的結(jié)果一致[9]。而0.5～0.25mm和1～2 mm團聚體隨著廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)時間的延長逐漸升高，這表明廢棄礦區(qū)隨著植被恢復(fù)歷史的延長，小于0.25mm微團聚體逐漸向1～2 mm和0.25～0.5 mm的大團聚體轉(zhuǎn)變?？赡苁怯捎陔S著恢復(fù)歷史的延長，由于根系的穿插及植物凋落物的歸還，形成的膠結(jié)劑使土壤顆粒粘結(jié)成大團聚體[10-11]。

表2 不同植被恢復(fù)階段水穩(wěn)性團聚體分布特征?Table 2 Distribution characteristic of water-stable aggregates in different vegetation restoration phase

3.2 植被不同恢復(fù)階段對水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑的影響

水穩(wěn)性團聚體是反映土壤團聚體穩(wěn)定狀況的重要指標，一般而言，該值越大，土壤團聚體越穩(wěn)定，土壤抗蝕性能亦越強[12]。如圖1所示，C0模式中水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑為1.092 mm，其隨著廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)歷史的延長呈逐漸增加的趨勢，C1、C3和C8模式水穩(wěn)性團聚體分別為C0模式的1.26、1.22和1.24倍。與C3、C8模式相比，C1模式有較大的水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑，可能是由于該模式當(dāng)年剛進行過整地、造林等營林活動，土壤被壓實有關(guān)。CK模式有最大的水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑，為1.486 mm，是C0模式的1.36倍，兩者差異達到顯著水平。

圖1 不同植被恢復(fù)階段水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑Fig.1 Mean weight diameter of soil-water aggregates in the different vegetation restoration phase

3.3 植被不同恢復(fù)階段對水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響

如表3所示，除了C1模式2～5 mm的有機碳含量顯著高于C0模式，其它C0、C1和C3模式不同徑級團聚體有機碳含量間無顯著差異，表明短期的廢棄礦區(qū)的植被恢復(fù)對水穩(wěn)性團聚體的有機碳含量的積累作用有限。然而，隨著廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)時間的延長，不同徑級的團聚體有機碳含量均顯著增加，C8模式顯著高于C0、C1和C3模式。經(jīng)過8年的植被恢復(fù)，＞5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體的有機碳含量分別達到CK模式的50.25 %、47.19 %、45.44 %、49.91%、49.02 %和51.08 %，與CK模式相比，C8模式雖較C0、C1和C3模式有顯著的提高仍有較大的差距，表明其仍有較強的固碳潛力。如表3所示，廢棄礦區(qū)不同恢復(fù)階段的有機碳主要分布在＞5 mm和2～5 mm的較大徑級的團聚體中，同時隨著徑級的減少，團聚體有機碳含量呈逐漸減少的趨勢，這與劉曉利等（2009）研究的結(jié)果一致[13]，認為小顆粒團聚體通過膠結(jié)有機物質(zhì)形成的大顆粒團聚體，大團聚體有機碳含量一般高于全土的有機碳含量，表明大團聚體對土壤有機碳有一定的富集作用[14]。因此，隨著徑級的減少，其土壤有機碳含量亦隨之減少[15]。

3.4 土壤有機碳和氮含量與水穩(wěn)性團聚體關(guān)系

如表4所示，廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段的有機碳和全氮含量均與0.5～1.0 mm和0.25～0.50 mm的水穩(wěn)性團聚體含量顯著正相關(guān)，而與＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體顯著負相關(guān)，這表明隨著土壤有機碳含量的增加，土壤中較大徑級的水穩(wěn)性團聚體含量呈增加的趨勢，而＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量呈減少的趨勢。

4 結(jié) 論

（1）廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段，各粒徑水穩(wěn)性團聚體均以＜0.25mm占優(yōu)勢，且隨著恢復(fù)時間的延長，＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體呈減少趨勢，具體表現(xiàn)為C0＜C3＜C1＜C8＜CK，逐漸向1～2 mm和0.25～0.5 mm的大團聚體轉(zhuǎn)變。

（2）隨著廢棄礦區(qū)植被恢復(fù)歷史的延長，水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑呈增加的趨勢，研究表明雖然廢棄礦區(qū)經(jīng)過一定時期的植被恢復(fù)，土壤抗蝕性能有所提高，然仍不及CK模式。

表3 廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段團聚體中有機碳含量Table 3 Carbon contents of aggregate in the different vegetation restoration phase

表4 土壤有機碳和全氮與水穩(wěn)性團聚體相關(guān)性?Table 4 Correlation between soil organic carbon, total nitrogen content and water-stable aggregates

（3）植被恢復(fù)亦促進團聚體土壤有機碳的累積，然廢棄礦區(qū)經(jīng)過短期的植被恢復(fù)對水穩(wěn)性團聚體有機碳累積作用有限，隨著植被恢復(fù)時間的延長，不同徑級的團聚體有機碳含量均顯著增加。與CK模式相比，C8模式不同徑級水穩(wěn)性團聚體有機碳仍只約為其一半，表明雖然經(jīng)過8年的植被恢復(fù)，但其仍有較強的固碳潛力。

（4）廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段的有機碳和全氮含量均與0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量顯著正相關(guān)，而與＜0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體顯著負相關(guān)。

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The influence of different vegetation restoration phase in the abandoned mines on water-stable aggregates

HUANG Shi-de1,2, LI Jian-min1, ZENG Jian-xin3, LI Jie1, YOU Long-Hui1, DING Bi1, SU Heng-rong3, ZHANG Jin-bin3
(1. Fujian Academy of Forestry, Fuzhou 350012, Fujian, China; 2. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China;3. Forestry Bureau of Datian County, Datian 366100, Fujian, China)

Distribution characteristic of water-stable aggregates content and soil organic carbon were measured in the different vegetation restoration phase of abandoned mines through the methods of the field sample collection and laboratory analysis. The result indicated that 1)＜0.25 mm water-stable aggregates account for 56.28 % of all soil aggregates in C0 mode, which tended to decrease with extending vegetation restoration history; 2) Mean weight diameter of water-stable aggregate in C0 mode was 1.092 mm, which tended to increase with extending vegetation restoration history; 3) soil organic carbon was dominated by ＞ 5mm and 2～5 mm soil aggregate for all vegetation restoration phase, which tended to decrease with soil aggregate fraction; 4) The contents of 0.5～1 mm and 0.25～1 mm water-stable aggregates in the different vegetation restoration phase were significantly positive correlated with soil organic carbon and total nitrogen, and ＜0.25 mm water-stable aggregates were significantly negative.

abandoned mine; different restoration phase; water-stable aggregate; soil organic carbon; mean weight diameter

S714

A

1673-923X(2015)10-0089-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.10.016

2014-03-19

國家林業(yè)局行業(yè)公益類重大專項（201304303）；福建省屬公益類項目（閩林研[2013]38號）；福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點實驗室資助項目

黃石德，博士研究生

李建民，教授級高工；E-mail：lijmlky@126.com

黃石德，李建民，曾建新，等. 廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)階段對水穩(wěn)性團聚體的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(10)： 89-92.

[本文編校：吳 彬]