植被恢復(fù)對(duì)黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體特征的影響

唐　駿,黨廷輝,,*,薛　江,文月榮,徐　娜,吳得峰

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌　712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌　712100

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植被恢復(fù)對(duì)黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體特征的影響

唐駿1,黨廷輝1,2,*,薛江2,文月榮2,徐娜1,吳得峰2

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌712100

目前關(guān)于植被恢復(fù)對(duì)排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚性的影響還不清楚,以植被恢復(fù)下黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象,采用濕篩法測(cè)定了排土場(chǎng)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成,研究了植被恢復(fù)類型(草地、灌木)和排土場(chǎng)地形(平臺(tái)、邊坡)對(duì)土壤團(tuán)聚體特征的影響。結(jié)果表明：植被恢復(fù)促進(jìn)了排土場(chǎng)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,平臺(tái)0—20 cm土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)分別達(dá)到31.1%,0.70 mm和0.26 mm,邊坡分別達(dá)到13.3%,0.37 mm和0.17 mm,均顯著高于裸地,分形維數(shù)(D)在平臺(tái)和邊坡分別為2.91和2.96,均顯著低于裸地;平臺(tái)土壤團(tuán)聚性要好于邊坡,草地對(duì)于平臺(tái)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)改良效果較好,而灌木對(duì)于邊坡改良效果較好;排土場(chǎng)土壤有機(jī)碳和粘粒含量均與土壤團(tuán)聚體指標(biāo)有顯著相關(guān)性。植被恢復(fù)提高了排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚性,植被恢復(fù)類型和地形對(duì)排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體特征有顯著影響。

植被恢復(fù); 排土場(chǎng); 土壤團(tuán)聚體; 分形維數(shù)

晉陜蒙接壤的黃土地區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū),煤炭開(kāi)采加重了這一地區(qū)的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題[1]。由于露天煤礦在開(kāi)采能力和安全性等方面的優(yōu)勢(shì),近年來(lái)我國(guó)的露天煤礦生產(chǎn)與建設(shè)快速發(fā)展,其煤炭產(chǎn)量已占煤炭總產(chǎn)量的 9.93%,未來(lái)并將逐步提高達(dá)到15%左右,同時(shí)露天開(kāi)采對(duì)礦區(qū)土地資源及生態(tài)環(huán)境的破壞也日益嚴(yán)重,我國(guó)因露天開(kāi)采煤炭而每年損毀的土地面積在6600 hm2左右,其中外排土場(chǎng)壓占土地面積為3000 hm2左右[2]。而我國(guó)可供露天開(kāi)采的煤炭幾乎全部集中在晉陜蒙地區(qū),晉陜蒙接壤的黃土地區(qū)分布著中國(guó)和世界上罕見(jiàn)的特大煤田,現(xiàn)已探明含煤面積3萬(wàn) km2,煤炭?jī)?chǔ)量2505億 t,占全國(guó)的26.3%,該地區(qū)廣泛的露天開(kāi)采形成了許多大型露天煤礦排土場(chǎng)。同時(shí)該地區(qū)也是少有的水土流失嚴(yán)重的典型生態(tài)脆弱地區(qū),大面積的煤礦排土場(chǎng)治理得當(dāng)便可以提供大量土地資源并發(fā)揮其重要的生態(tài)功能,治理不當(dāng)便會(huì)引發(fā)水土流失等一系列生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題[3]。因此,黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)的治理對(duì)于保護(hù)該地區(qū)的生態(tài)安全及國(guó)家綠色生態(tài)屏障構(gòu)建具有重要意義。

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,其組成及基本特性是決定土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等物理過(guò)程與作用的關(guān)鍵指標(biāo)之一,是評(píng)價(jià)土壤肥力和抗蝕性的重要指標(biāo)[4]。排土場(chǎng)土壤為復(fù)填土,堆積過(guò)程中不斷進(jìn)行碾壓,土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)遭到破壞,土壤結(jié)構(gòu)性差極易發(fā)生水土流失。植被恢復(fù)是排土場(chǎng)治理和生態(tài)恢復(fù)的主要措施,目前關(guān)于植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響研究主要集中在自然地貌土壤[5- 7],植被恢復(fù)下排土場(chǎng)土壤質(zhì)量研究也主要集中在土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤侵蝕[8- 10],而對(duì)于排土場(chǎng)這種重構(gòu)土壤在植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體特征變化的研究還較少。本研究以植被恢復(fù)下黃土區(qū)大型露天煤礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象,研究植被恢復(fù)類型和排土場(chǎng)地形對(duì)土壤團(tuán)聚體特征的影響,探討黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)植被恢復(fù)的土壤改良作用和水土保持效應(yīng),旨在為黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦(39°43′—39°49′N,111°13′—111°20′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部,地處黃河西岸鄂爾多斯臺(tái)地,面積達(dá)52.11 km2,屬于晉、陜、蒙接壤黃土區(qū)一部分。礦區(qū)年均氣溫7.2 ℃,年均降水量404.1 mm,降水多集中在 7,8,9 月份,約占全年降水量的60%—70%,年蒸發(fā)量為2082.2 mm。海拔在1025—1302 m之間,地形呈東北高西南低,多為波狀起伏的黃土梁、峁和丘陵,溝壑縱橫交錯(cuò),地形切割劇烈。

研究試驗(yàn)地選擇在黑岱溝露天煤礦礦區(qū)內(nèi)已治理18年的排土場(chǎng)(1996年建成的東排土場(chǎng)),面積2.75 km2,排土場(chǎng)地貌類型為人為排土填溝形成的平坦地貌,有平臺(tái)和邊坡兩種地形。平臺(tái)寬廣平坦,水土流失較輕,利于植被生長(zhǎng);邊坡為高邊坡,坡度在45°—60°,坡長(zhǎng)在20 m左右,水土流失強(qiáng)烈。研究區(qū)內(nèi)原生土壤主要為黃綿土與風(fēng)沙土,排土場(chǎng)土壤為復(fù)填土,堆積過(guò)程經(jīng)過(guò)了劇烈擾動(dòng)和碾壓,其土壤質(zhì)地為粉壤,容重較大,土壤養(yǎng)分含量低。以土壤熟化為目的,治理排土場(chǎng)實(shí)施了大規(guī)模的植被重建,其植被恢復(fù)較好,有多種植被恢復(fù)模式,每種植被模式均成塊種植,植物蓋度較高,但是類型單一。排土場(chǎng)堆積過(guò)程中土體來(lái)源和堆積工藝一致,機(jī)械組成顯示其土壤質(zhì)地一致,不同植被恢復(fù)模式也是隨機(jī)排列;同時(shí)對(duì)緊鄰該排土場(chǎng)的新建排土場(chǎng)(未進(jìn)行植被恢復(fù))進(jìn)行了隨機(jī)采樣(10個(gè)樣點(diǎn)),并測(cè)定了0—20cm土層的機(jī)械組成和有機(jī)碳含量(表1),結(jié)果顯示排土場(chǎng)土壤粘粒、粉粒、砂粒和有機(jī)碳含量的變異系數(shù)分別為18%,17%,12%和15%,均為中等強(qiáng)度變異,屬于同一試驗(yàn)區(qū)的正常變異范圍[11],因此可以認(rèn)為排土場(chǎng)不同植被恢復(fù)樣地治理前其土壤背景狀況較為相似。

表1　新建排土場(chǎng)土壤背景狀況

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在植被恢復(fù)18年的治理排土場(chǎng),平臺(tái)和邊坡兩種地形下均選擇草地和灌木林地兩種主要植被恢復(fù)類型,并以無(wú)植被措施自然撂荒的裸地作為對(duì)照。在不同地形下每種植被恢復(fù)類型各選擇3—4塊樣地,共選擇21塊樣地,其中平臺(tái)11塊樣地,邊坡10塊樣地,在每塊樣地采集原狀土壤,通過(guò)濕篩法測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量,分析植被類型和地形對(duì)排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體特征的影響。樣地信息見(jiàn)表2。

表2　研究樣地基本情況

1.2.1采樣方法

采樣于2014年7月上旬進(jìn)行。在每塊樣地劃定一個(gè)20 m×20 m的樣方,在每個(gè)樣方內(nèi)樣地按照“品”字形3點(diǎn)取樣(邊坡沿坡長(zhǎng)方向進(jìn)行采樣)分別采集0—10,10—20 cm兩個(gè)層次原狀土樣,每個(gè)樣地3 次重復(fù),平臺(tái)和邊坡共采集126個(gè)原裝土樣。在每個(gè)在采集和運(yùn)輸過(guò)程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng),以免破壞團(tuán)聚體。原狀土樣在風(fēng)干過(guò)程中沿自然裂隙掰成直徑為1 cm 左右的小塊,并且去除粗根及小石塊。

1.2.2樣品測(cè)定

團(tuán)聚體分析采用濕篩法[12],具體方法如下：先取500 g風(fēng)干土樣通過(guò)沙維諾夫法進(jìn)行干篩,當(dāng)篩分完成后測(cè)定各粒級(jí)土樣重量,按比例配成50 g 風(fēng)干土樣,根據(jù)約得法進(jìn)行濕篩。使用團(tuán)聚體分析儀(南京土壤所制)濕篩1分鐘,通過(guò)一套直徑為10 cm,孔徑順次為5,2,1,0.5和0. 25 mm的篩組。將已篩好的篩組拆開(kāi)留在各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體用細(xì)水流通過(guò)漏斗洗入燒杯中,得到>5 mm,5—2 mm,2—1mm,1—0.5,0.5—0. 25 mm,<0. 25 mm各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體,使用沙浴烘干,然后稱量。

將風(fēng)干土樣過(guò)1mm篩,采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000型激光粒度測(cè)量?jī)x測(cè)定顆粒分布。根據(jù)美國(guó)制分類標(biāo)準(zhǔn)分為砂粒(0.05—1 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)。風(fēng)干土樣研磨過(guò)0.15mm的篩,用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

1.2.3分析方法

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果,本文綜合應(yīng)用大于0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)等指標(biāo)來(lái)描述土壤團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性特征:

(1)

(2)

(3)

(4)

利用公式(4)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,可求得D。

數(shù)據(jù)通過(guò)EXCEL進(jìn)行初步整理,使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),用 sigma Plot 10.0軟件作圖。

2　結(jié)果

2.1植被恢復(fù)類型和地形對(duì)排土場(chǎng)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體比例的影響

對(duì)排土場(chǎng)各樣地土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量進(jìn)行分析(表3),排土場(chǎng)植被恢復(fù)下各樣地均以<0.25 mm小粒級(jí)團(tuán)聚體所占比例最高,其所占比例為67.36%—92.86%,而大粒級(jí)團(tuán)聚體中0.25—2 mm團(tuán)聚體所占比例要顯著高于>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體,不同樣地>5 mm團(tuán)聚體差異較大。土壤中大于0.25 mm的團(tuán)聚體稱為土壤大團(tuán)聚體,其數(shù)量和分布特征能夠表征土壤結(jié)構(gòu)和抗蝕性[13]。植被恢復(fù)下排土場(chǎng)平臺(tái)土壤0—10,10—20 cm土層大團(tuán)聚體比例(R0.25)分別為31.7%和30.5%,邊坡各土層分別為13.4%和13.1%,而裸地0—10,10—20 cm土層R0.25平臺(tái)為4.3%和4.1%,邊坡為1.7%和1.8%,植被恢復(fù)下R0.25要顯著高于裸地。

不同植被類型和地形對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量有顯著影響。平臺(tái)不同植被類型下各土層R0.25均為草地>灌木>裸地,草地和灌木未達(dá)到顯著差異(P<0.05),但均顯著高于裸地;邊坡各土層均為灌木>草地>裸地,差異顯著(P<0.05)。相同植被類型下,各粒級(jí)大團(tuán)聚體數(shù)量均表現(xiàn)出平臺(tái)顯著高于邊坡的規(guī)律,表明植被恢復(fù)下平臺(tái)土壤團(tuán)聚性要好于邊坡。平臺(tái)植被恢復(fù)下各粒級(jí)大團(tuán)聚體含量均較高,平臺(tái)草地和灌木0—10 cm土層>5 mm團(tuán)聚體含量分別達(dá)到5.71%和4.49%,顯著高于邊坡;邊坡植被恢復(fù)下各粒級(jí)大團(tuán)聚體含量相對(duì)較低,僅灌木地0.25—0.5 mm和0.5—1 mm兩個(gè)粒徑團(tuán)聚體含量與平臺(tái)相差較小在5.04%—7.70%范圍,其它大團(tuán)聚體含量在0.92%—2.73%,含量很低。不同植被類型和地形下各粒級(jí)團(tuán)聚體含量差異很大,尤其是大粒徑團(tuán)聚體差異最為顯著。

表3　不同植被類型和地形下土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體比例

不同小寫(xiě)字母表示相同地形下、不同植被類型土壤團(tuán)聚體之間差異顯著(P<0. 05)

2.2植被恢復(fù)類型和地形對(duì)排土場(chǎng)土壤MWD和GMD的影響

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo),MWD 和GMD 值越大表示土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越好。比較邊坡與平臺(tái)不同植被恢復(fù)類型下土壤MWD和GMD(圖1),MWD和GMD變化具有較為一致的規(guī)律。平臺(tái)與邊坡植被恢復(fù)措施下各土層MWD和GMD均要顯著高于裸地,平臺(tái)植被恢復(fù)下0—10 cm土層MWD和GMD分別比裸地提高339.84%和100.91%,10—20 cm分別提高221.65%和75.75%;邊坡植被恢復(fù)下0—10 cm土層MWD和GMD分別比裸地提高104.23%和30.44%,10—20 cm分別提高85.08%和27.31%,表明植被恢復(fù)提高了排土場(chǎng)土壤MWD和GMD。地形對(duì)排土場(chǎng)土壤MWD和GMD有顯著影響,植被恢復(fù)下平臺(tái)土壤MWD和GMD均顯著高于邊坡。植被恢復(fù)類型對(duì)排土場(chǎng)土壤MWD和GMD也有顯著影響,MWD在平臺(tái)各土層均表現(xiàn)為草地>灌木>裸地,在邊坡各土層均表現(xiàn)為灌木>草地>裸地,差異顯著(P<0.05); GMD在平臺(tái)各土層均表現(xiàn)為草地>灌木>裸地,在邊坡各土層均表現(xiàn)為灌木>草地>裸地,灌木與草地未達(dá)到顯著差異,但均顯著高于裸地(P<0.05)。平臺(tái)草地和灌木恢復(fù)下MWD均表現(xiàn)為表層(0—10 cm)顯著高于次表層(10—20 cm),邊坡植被恢復(fù)下表層與次表層MWD差異不顯著,GMD在不同土層間也表現(xiàn)出相同規(guī)律,但隨土層加深其降低幅度要小于MWD,兩土層間差距不大。

圖1　不同植被類型和地形下土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑Fig.1　Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) under different vegetation types and landforms不同大寫(xiě)字母表示相同地形下、不同植被類型土壤團(tuán)聚體之間差異顯著(P<0. 05);不同小寫(xiě)字母表示同一植被類型下、不同地形土壤團(tuán)聚體之間差異顯著

2.3植被恢復(fù)類型和地形對(duì)排土場(chǎng)土壤分形維數(shù)的影響

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)反映了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢(shì),即團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分形維數(shù)越小,土壤越具有良好的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性,抗蝕能力越強(qiáng)。比較平臺(tái)與邊坡不同植被恢復(fù)類型下土壤分形維數(shù)(圖2),平臺(tái)與邊坡植被恢復(fù)下各土層分形維數(shù)均要顯著低于裸地,表明植被恢復(fù)降低了排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)。植被恢復(fù)下平臺(tái)表層和次表層團(tuán)聚體分形維數(shù)降低為2.908和2.922,邊坡表層和次表層分別降低為2.966和2.968。平臺(tái)的團(tuán)聚體分形維數(shù)要顯著低于坡地,植被恢復(fù)對(duì)平臺(tái)土壤結(jié)構(gòu)改良效果要優(yōu)于邊坡,平臺(tái)土壤團(tuán)聚度和抗侵蝕能力都強(qiáng)于邊坡。不同植被恢復(fù)類型下平臺(tái)各土層土壤分形維數(shù)為草地<灌木<裸地,邊坡各土層分形維數(shù)均表現(xiàn)為灌木<草地<裸地,除平臺(tái)0—10 cm土層草地與灌木分形維數(shù)差異不顯著其余均達(dá)到顯著性差異(P<0.05),草地對(duì)于提高平臺(tái)土壤團(tuán)聚度效果要好于灌木,而在邊坡灌木的改良效果要好于草地。平臺(tái)草地和灌木恢復(fù)土壤下分形維數(shù)均表現(xiàn)為表層(0—10 cm)顯著低于次表層(10—20 cm),邊坡植被恢復(fù)下表層與次表層土壤分形維數(shù)相差不大,差異不顯著。

圖2　不同植被類型和地形下土壤分形維數(shù)Fig.2　Fractal dimension of soil aggregates under different vegetation types and landforms

2.4排土場(chǎng)土壤有機(jī)碳含量及顆粒分布與土壤團(tuán)聚體特征的關(guān)系

土壤有機(jī)碳(SOC)被認(rèn)為是土壤質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[14],并且對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定有重要作用[15]。對(duì)排土場(chǎng)不同種被恢復(fù)下SOC進(jìn)行比較(圖3),結(jié)果表明不同植被恢復(fù)下SOC與土壤團(tuán)聚體指標(biāo)表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律。無(wú)論平臺(tái)還是邊坡,植被恢復(fù)均顯著提高了排土場(chǎng)0—10 cm和10—20 cm土層SOC,在平臺(tái)SOC表現(xiàn)為草地>灌木>裸地,邊坡表現(xiàn)為灌木>草地>裸地,除邊坡0—10 cm土層草地與灌木SOC差異不顯著,其余均達(dá)到顯著性差異(P<0.05);草地恢復(fù)下0—10 cm和10—20 cm土層均為平臺(tái)顯著高于邊坡,而灌木恢復(fù)下邊坡較高與平臺(tái),但未達(dá)到顯著差異。與土壤團(tuán)聚體指標(biāo)不同,排土場(chǎng)0—10 cm和10—20 cm土層相比SOC差異較大,在10—20 cm土層不同植被恢復(fù)下SOC差異較小,表明植被恢復(fù)對(duì)表層SOC影響較大,而對(duì)次表層SOC影響較小。

圖3　不同植被類型和地形下土壤有機(jī)碳含量Fig.3　Content of soil organic carbon under different vegetation types and landforms

將R0.25、MWD、GMD、D分別與土壤有機(jī)碳進(jìn)行相關(guān)分析(如圖4),各指標(biāo)均與SOC具有顯著地線性相關(guān)關(guān)系。SOC與R0.25、MWD和GMD有極顯著的正相關(guān),與D有極顯著的負(fù)相關(guān),表明土壤有機(jī)碳對(duì)土壤團(tuán)聚體形成和分布有顯著影響,其含量越高則土壤團(tuán)聚性越好。其中MWD與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性最高,R2達(dá)到了0.44,R0.25與土壤有機(jī)碳相關(guān)性最低,R2僅為0.28,GMD和D與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性較高,R2分別為0.37和0.34。

圖4　土壤有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體指標(biāo)的關(guān)系Fig.4　Relationship between SOC content and soil aggregate indexes

對(duì)植被恢復(fù)下排土場(chǎng)顆粒分布進(jìn)行分析(表4)。由于排土場(chǎng)堆積過(guò)程中土體來(lái)源和堆積工藝一致,排土場(chǎng)土壤顆粒分布變異較小,土壤質(zhì)地一致。植被恢復(fù)下排土場(chǎng)平臺(tái)土壤粘粒、粉粒和砂粒含量分別為10.52%,54%和35.48%,變異系數(shù)分別為9%,10%和17%;邊坡土壤粘粒、粉粒和砂粒含量分別為8.93%,48.02%和43.05%,變異系數(shù)分別為21%,16%和21%。排土場(chǎng)植被恢復(fù)下土壤粒徑分布較為一致,屬于弱變異和中度變異,粘粒含量較少粉粒含量最多,土壤質(zhì)地為粉壤。排土場(chǎng)平臺(tái)和邊坡裸地的粘粒、粉粒和砂粒含量分別為6.63%,33.91%,59.46%和5.68%,33.45%,60.87%。

粘粒是土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)形成的重要因素,相關(guān)分析也表明(圖5),3種土壤顆粒中土壤粘粒含量與R0.25、MWD、GMD具有極顯著(P<0.01)地正相關(guān)關(guān)系,與團(tuán)聚體分形維數(shù)具有極顯著負(fù)相關(guān),表明植被恢復(fù)下土壤粘粒含量越高、質(zhì)地越重則土壤團(tuán)聚性越好。土壤粘粒含量與R0.25相關(guān)性最好,R2達(dá)到了0.67,與MWD相關(guān)性最差,其R2為0.39。

圖5　土壤粘粒含量與團(tuán)聚體指標(biāo)的關(guān)系Fig.5　Relationship between soil clay content and soil aggregate indexes

土層Soillayer/cm地形Landform植被類型Vegetationtypes土壤顆粒分布Soilparticlesizedistribution/%粘粒Clay粉粒Silt砂粒Sand0—10平臺(tái)草地10.38±0.94a54.55±6.82a35.07±7.72b灌木10.16±1.00a51.76±5.11a38.08±6.01b裸地5.99±0.29b31.53±3.19b62.47±3.47a邊坡草地7.33±1.73b43.32±9.04b49.34±10.61b灌木9.86±0.99a50.31±3.68a39.83±3.60c裸地5.50±1.69c31.47±2.54c63.03±4.22a10—20平臺(tái)草地10.42±1.17a56.24±6.54a33.33±7.66b灌木11.11±0.87a53.44±3.11a35.44±3.96b裸地7.28±1.21b36.28±3.28b56.43±3.85a邊坡草地7.23±2.02b44.18±11.23b48.59±13.20b灌木10.30±0.55a52.21±6.98a37.48±7.19c裸地5.85±1.25c35.43±5.09c58.71±6.27a

3　討論

在黃土地區(qū)已經(jīng)完成的大量研究表明植被恢復(fù)能夠促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[16- 18]。本次研究中植被恢復(fù)下排土場(chǎng)平臺(tái)和邊坡土壤團(tuán)聚結(jié)果均好于裸地,土壤R0.25、MWD、GMD均顯著提高,D顯著降低,表明植被恢復(fù)同樣能促進(jìn)該地區(qū)排土場(chǎng)重構(gòu)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。但由于排土場(chǎng)土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,植被生長(zhǎng)的土壤氣候環(huán)境較差,植被恢復(fù)對(duì)土壤的改良是一個(gè)緩慢過(guò)程,與黃土區(qū)自然土壤植被恢復(fù)研究結(jié)果[7,17-18]相比其土壤團(tuán)聚狀況仍然較差,土壤團(tuán)聚較為緩慢,土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量需要進(jìn)一步提升。

地形和植被類型對(duì)排土場(chǎng)植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體特征有顯著影響。Zhang[9]對(duì)黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)的研究表明,地形對(duì)排土場(chǎng)水土流失和土壤物理、化學(xué)性質(zhì)均有顯著影響,植被恢復(fù)下平臺(tái)的土壤質(zhì)量要好于邊坡,而邊坡的土壤侵蝕強(qiáng)度要顯著高于平臺(tái)。本研究也表明植被恢復(fù)下排土場(chǎng)不同地形土壤團(tuán)聚性有顯著差異,平臺(tái)水分養(yǎng)分條件有利于植被恢復(fù),同時(shí)水土流失和團(tuán)聚體破壞均較輕,植被恢復(fù)下其有機(jī)碳和粘粒含量均更高,所以平臺(tái)具有較好的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。趙世偉[19]和于寒清[16]對(duì)黃土地區(qū)的研究表明灌木恢復(fù)下土壤團(tuán)聚性要好于草地,但是本研究表明在排土場(chǎng)平臺(tái)草地的恢復(fù)效果較好,這可能是由于植被恢復(fù)所處的環(huán)境不同。排土場(chǎng)植被生長(zhǎng)環(huán)境較差,更適合耐貧瘠的草本作物的生長(zhǎng),同時(shí)草地表層枯落物和根系發(fā)達(dá),有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)較快,對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)改良效果也好于灌木地,李俊超[8]等研究也顯示草地對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)土壤的改良效果要優(yōu)于灌木;而邊坡土壤侵蝕嚴(yán)重,灌木相比草本具有較好的保持水土能力[20],比較適應(yīng)邊坡這種侵蝕強(qiáng)烈的地形,所以灌木對(duì)邊坡土壤結(jié)構(gòu)改良效果要好于草地。由于排土場(chǎng)土壤性質(zhì)的特殊性,其植被恢復(fù)過(guò)程和效果與該地區(qū)自然土壤有很大差異,并不能照搬自然地區(qū)植被恢復(fù)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),應(yīng)因地制宜,并根據(jù)排土場(chǎng)不同位置和恢復(fù)目的選擇適宜的植被恢復(fù)模式。

土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒是土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)形成的重要因素,土壤團(tuán)聚體的形成主要依賴于土壤中各種膠結(jié)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì),而土壤腐殖質(zhì)和粘粒是最主要的膠結(jié)物質(zhì)[21]。Yao[22]的研究表明植被恢復(fù)通過(guò)增加退化土壤的有機(jī)碳含量而增強(qiáng)土壤團(tuán)聚性,這與本研究結(jié)果一致,排土場(chǎng)土壤有機(jī)碳含量越高其土壤團(tuán)聚性越好。Zhou[23]的研究結(jié)果表明長(zhǎng)時(shí)間的植被恢復(fù)下土壤有機(jī)碳含量越高而粘粒含量越低則土壤團(tuán)聚性越好,這與本研究中土壤粘粒與SOC均促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的結(jié)果不一致。主要是由于Zhou的研究在紅壤地區(qū),其土壤粘重,粘粒含量過(guò)高造成土壤結(jié)構(gòu)不良;而本研究在黃土地區(qū),排土場(chǎng)土壤以粉粒和砂粒為主,粗顆粒含量較多不利于土壤團(tuán)聚體的形成,同時(shí)排土場(chǎng)土壤有機(jī)碳含量偏低,因此粘粒含量對(duì)于排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體的形成更為重要。通過(guò)分析(表4)可以看出,與裸地相比植被恢復(fù)下土壤粘粒和粉粒含量顯著增加,而砂粒顯著減少,主要原因可能是不同植被恢復(fù)下土壤侵蝕強(qiáng)度不同。裸地土壤侵蝕強(qiáng)烈,強(qiáng)烈的侵蝕下細(xì)顆粒大量流失[24],所以其粘粒和粉粒所占比例較低,而不易流失的砂粒相對(duì)積累,而植被恢復(fù)措施下土壤侵蝕較輕,土壤細(xì)顆粒流失較少,所以土壤粘粒和粉粒含量相對(duì)較高。

以往對(duì)于土壤團(tuán)聚體形成的影響因素的研究多在自然土壤條件下[7,23,25],而對(duì)于排土場(chǎng)這種重構(gòu)土壤其團(tuán)聚體特性及影響因素的研究還很少,本研究表明了土壤有機(jī)碳和粘粒對(duì)于重構(gòu)土壤團(tuán)聚體形成和分布的影響,植被恢復(fù)主要通過(guò)增加土壤有機(jī)碳含量和和減少粘粒流失來(lái)促進(jìn)土壤團(tuán)聚,在排土場(chǎng)重構(gòu)土壤熟化過(guò)程中可以通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒來(lái)改良土壤結(jié)構(gòu),一些研究表明土壤改良劑如粉煤灰、污泥、堆肥等的加入與植被恢復(fù)措施配合對(duì)排土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)有更好的效果[26]。Zhou[23]已經(jīng)利用同步輻射對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,表明了植被恢復(fù)對(duì)于改善團(tuán)聚體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)、增加其孔隙性的作用;Wei[25]也對(duì)黃土地區(qū)植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳的分布特征進(jìn)行了研究。本文研究了植被恢復(fù)對(duì)排土場(chǎng)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量和粒徑分布的影響,但對(duì)于團(tuán)聚體內(nèi)部狀況以及形成過(guò)程研究還不夠深入,今后還需要進(jìn)行更為深入的研究,探究植被恢復(fù)下排土場(chǎng)重構(gòu)土壤團(tuán)聚體的形成過(guò)程和內(nèi)部特征。

4　結(jié)論

本研究表明植被恢復(fù)能顯著提高排土場(chǎng)重構(gòu)土壤的團(tuán)聚性,植被類型和地形對(duì)土壤團(tuán)聚性有顯著影響。排土場(chǎng)平臺(tái)在草地恢復(fù)下土壤團(tuán)聚狀況較好,在恢復(fù)初期應(yīng)以草地作為主要的植被恢復(fù)模式;而邊坡在灌木恢復(fù)下土壤團(tuán)聚狀況較好,應(yīng)以灌木作為主要的恢復(fù)模式。植被恢復(fù)下土壤有機(jī)碳含量越高、質(zhì)地越粘重則土壤團(tuán)聚性越好,植被恢復(fù)通過(guò)增加排土場(chǎng)的土壤有機(jī)碳含量和減少粘粒流失促進(jìn)土壤團(tuán)聚過(guò)程。本研究揭示了黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)不同植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體特征,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)植被恢復(fù)對(duì)于該地區(qū)排土場(chǎng)土壤質(zhì)量提高和水土保持的作用,并為排土場(chǎng)不同部位植被恢復(fù)方向的確定以及適宜植被恢復(fù)類型的篩選提供了科學(xué)依據(jù),對(duì)其他大型工程堆積體及填溝造地等重構(gòu)土壤的植被恢復(fù)、土壤熟化的研究也有一定科學(xué)意義。

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Effects of vegetation restoration on soil aggregate characteristics of an opencast coal mine dump in the loess area

TANG Jun1, DANG Tinghui1,2,*, XUE Jiang2, WEN Yuerong2, XU Na1, WU Defeng2

1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Soil aggregate structure is an important factor affecting soil fertility and erodibility. Reports have suggested that vegetation restoration may affect water-stable soil aggregates, but few studies have assessed vegetation restoration in the mining area on the Loess Plateau. This study was performed in the Heidaigou opencast coal mine dump of the Loess Plateau, which has been restored by vegetation reconstruction for 18 years. To study the effects of vegetation types and landforms on dump soil aggregate characteristics, we assessed three vegetation types (grassland, shrubland, and bare land) and two landforms (platform and slope) with 6 treatments and 126 samples. The water-stable soil aggregate composition was analyzed by wet sieving. The aggregates were separated into six size classes: >5 mm, 5—2 mm, 2—1 mm, 1—0.5 mm, 0.5—0.25 mm, and <0.25 mm. Macro-aggregate content (R0.25), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD), and fractal dimension (D) were used as evaluation indexes. Soil particle size distribution was determined by an MS2000 laser granularity analyzer. Soil organic carbon (SOC) content was determined by potassium dichromate volumetry. Results showed that vegetation restoration promoted the formation of water-stable soil aggregates. TheR0.25, MWD, and GMD of the 0—20 cm soil layer were significantly higher in revegetated land than in bare land on both platforms and slopes. TheR0.25, MWD, GMD, andDin the 0—20 cm soil layer of revegetation land were 31.1%, 0.70 mm, 0.26 mm, and 2.91, respectively, on platforms, and 13.3%, 0.37 mm, 0.17 mm, and 2.96, respectively, on slopes. The soil aggregate quality on the plat form was better than on the slope. Artificial grassland had more significant improvement in soil aggregate quality than the shrubland on the platform of the dump, but the shrubland was better on the slope. The soil aggregate quality was lower in the surface layer than sub-surface layer on the platform. SOC content and soil clay content were significantly related to soil aggregate quality. Higher SOC content was noted with vegetation restoration on the platform than on the slope. The distribution of SOC content changed in the order grassland > shrubland > bare land on the platform, but in the order shrubland > grassland > bare land on the slope. The clay, slit, and sand contents, respectively, averaged 10.52%, 54%, and 35.48% on the platform and 7.68%, 42.82%, and 49.50% on the slope. Significant correlations were noted between SOC content and soil aggregate indexes aswellas between soil clay content and soil aggregate indexes. Correlation analysis showed that water-stable soil aggregate properties were positively correlated with SOC and soil clay. Further, soil clay promoted the formation of water-stable soil aggregates, while the high SOC increased the particle size of water-stable soil aggregates and changed their size distribution. Our results suggested that soil aggregate quality improved significantly after 18 years of vegetation restoration, and vegetation types and landforms had significant influences on soil aggregate properties in this mining area on the Loess Plateau. In addition, our results showed the positive effects of vegetation restoration on water stability and soil structure of an opencast coal mine dump on the Loess Plateau, which reduced soil erosion and improved soil quality in this region.

vegetation restoration; dump; soil aggregate; fractal dimension

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3- 13)

2015- 01- 24; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 12- 03

Corresponding author.E-mail: dangth@ms.iswc.ac.cn

10.5846/stxb201501240192

唐駿,黨廷輝,薛江,文月榮,徐娜,吳得峰.植被恢復(fù)對(duì)黃土區(qū)煤礦排土場(chǎng)土壤團(tuán)聚體特征的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(16):5067- 5077.

Tang J, Dang T H, Xue J, Wen Y R, Xu N, Wu D F.Effects of vegetation restoration on soil aggregate characteristics of an opencast coal mine dump in the loess area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5067- 5077.