10種草本植物對(duì)石礦跡地土壤的改良效果

張博文， 李富平， 許永利

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院/河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)試驗(yàn)室/唐山市礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北唐山 063210)

礦山開(kāi)采會(huì)對(duì)原有地貌產(chǎn)生極大破壞，嚴(yán)重毀損礦區(qū)的植被，形成大量裸露山體，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響[1]。植被破壞會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而誘發(fā)多種環(huán)境問(wèn)題[2]。我國(guó)有大量礦山廢棄地的環(huán)境問(wèn)題亟待解決，由于礦山環(huán)境惡劣，表層土壤欠缺且貧瘠，無(wú)法提供植被生長(zhǎng)的環(huán)境[3]，僅靠自然修復(fù)是數(shù)10年內(nèi)無(wú)法恢復(fù)到原有植被覆蓋度的，因此礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理也逐漸受到重視[4]。礦山廢棄地常采取植物種植方式來(lái)改良土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤酶活性[5]。研究表明，石礦跡地土壤復(fù)墾的主要限制因子有土壤結(jié)構(gòu)不良、養(yǎng)分貧瘠保水性差[6]。秦文展對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行植被重建，結(jié)果表明隨著恢復(fù)年限增大，土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)均逐漸得到改善[7]。土壤酶活性與土壤質(zhì)量水平息息相關(guān)，是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵因子[8-9]。植被恢復(fù)首先提供植物生長(zhǎng)的土壤等必要條件，植物在土壤中逐漸生長(zhǎng)的過(guò)程中通過(guò)根系分泌物及植物腐殖質(zhì)來(lái)改善土壤性質(zhì)，從而達(dá)到礦區(qū)植被生長(zhǎng)的良性循環(huán)[10]。土壤中酶活性在礦區(qū)植被恢復(fù)和土壤修復(fù)中越來(lái)越受到重視[11-12]。草本植物因其綠化快、管理簡(jiǎn)單而成為石礦跡地植被恢復(fù)的優(yōu)選物種。本試驗(yàn)選取適宜華北地區(qū)氣候的、耐性較好的10種草本植物對(duì)石礦跡地土壤修復(fù)效果進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 礦區(qū)毀損現(xiàn)狀

試驗(yàn)區(qū)位于河北省唐山市灤縣榛子鎮(zhèn)椅子山采石場(chǎng)，礦區(qū)地貌破損嚴(yán)重，隨處可見(jiàn)裸露山體、碎石邊坡及采石場(chǎng)廢棄平臺(tái)。土壤稀缺瘠薄，幾乎無(wú)植被生存。2014年對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)，平整了山腳下的廢棄碎石，由于治理區(qū)缺乏植物生長(zhǎng)所需的土壤，因此用本地土對(duì)廢棄平臺(tái)進(jìn)行了覆土。

1.2 試驗(yàn)方法

選取適宜北方氣候且耐性較好的黑麥草、五芒雀麥、剪股穎、高羊茅、狼尾草、紫花苜蓿、早熟禾、沙打旺、萱草、艾草10種草本植物。將覆土平臺(tái)分為10塊，分別種植10種草本植物。種植前測(cè)得初始土樣土壤基本參數(shù)為土壤pH值7.92、電導(dǎo)率187.9 μS/cm、堿解氮含量7.58 mg/kg、速效磷含量 7.95 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量4.85 g/kg。按照土壤分類(lèi)屬于貧瘠土壤。草本植物經(jīng)過(guò)3年的自然生長(zhǎng)后長(zhǎng)勢(shì)良好，取得了理想的治理效果。

1.3 測(cè)定方法

2014年5月種植初期對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤進(jìn)行取樣分析，2017年6月對(duì)10種草本植物種植地塊分別進(jìn)行取土分析。主要對(duì)土壤的pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量、過(guò)氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性、多酚氧化酶活性等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)合各種草本修復(fù)3年前、后土壤的各指標(biāo)變化，明確10種草本植物對(duì)土壤理化性質(zhì)和酶活性的修復(fù)效果。土壤養(yǎng)分測(cè)定方法參考鮑士旦編著的土壤農(nóng)化分析教材[13]。土壤酶的測(cè)定采用關(guān)松蔭編著的土壤酶及其研究法教材[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用隸屬函數(shù)值法對(duì)不同草本植物抗旱指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析與評(píng)價(jià)[14]。隸屬函數(shù)算法如下：

(1)

式中：u(Xij)為i草本j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xij為i物種j指標(biāo)的測(cè)定值；Ximax、Ximin分別為指標(biāo)的最大值和最小值。指標(biāo)與抗旱性負(fù)相關(guān)時(shí)，則用反隸屬函數(shù)，公式為：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草本種植區(qū)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

植物生長(zhǎng)狀況與土壤的物理化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。不同草本植物種植區(qū)土壤理化指標(biāo)見(jiàn)表1，不同種類(lèi)的植物對(duì)土壤各理化指標(biāo)的改善情況有所差異。

表1 不同草本種植區(qū)土壤理化性質(zhì)比較

2.1.1 pH值 大量研究表明，植被恢復(fù)能明顯改善礦區(qū)土壤pH值[15]。石灰?guī)r礦區(qū)土壤偏堿性，不利于植物生長(zhǎng)。種植前所覆土pH值測(cè)定值為7.92。3年后對(duì)每種草本種植區(qū)pH值測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。表明不同植被恢復(fù)品種對(duì)土壤pH值的影響有差異，10種植物種植3年后土壤pH值普遍下降，植物生長(zhǎng)3年后對(duì)根際土壤的pH值下降幅度大的是艾草、高羊茅、沙打旺，其pH值達(dá)到了7.0左右。除黑麥草外，其他草本植物種植3年后都將堿性土壤改良成中性土壤。種植不同草本對(duì)土壤pH值變化量排序?yàn)榘?高羊茅>沙打旺>早熟禾>紫花苜蓿>狼尾草>萱草>剪股穎>五芒雀麥>黑麥草。

2.1.2 電導(dǎo)率 土壤電導(dǎo)率是土壤鹽離子含量的直觀表現(xiàn)，能間接反映鹽離子對(duì)作物生長(zhǎng)的限制程度[14]。種植植物前礦區(qū)覆土土壤電導(dǎo)率值是187.9 μS/cm，10種草本植物種植3年后的電導(dǎo)率結(jié)果見(jiàn)圖2。植物的生長(zhǎng)普遍降低了土壤的電導(dǎo)率，其中紫花苜蓿、高羊茅、剪股穎3種植物的種植使土壤電導(dǎo)率大幅下降，早熟禾的種植并未對(duì)土壤的電導(dǎo)率產(chǎn)生明顯影響。不同草本植物對(duì)電導(dǎo)率的降低效果由強(qiáng)到弱依次為紫花苜蓿>高羊茅>剪股穎>狼尾草>無(wú)芒雀麥>黑麥草>沙打旺>萱草>艾草>早熟禾。

2.1.3 有機(jī)質(zhì) 土壤肥沃程度與土壤有機(jī)質(zhì)含量有直接聯(lián)系[16]。種植前所覆土較為貧瘠，按有機(jī)質(zhì)含量劃分屬于第6級(jí)土壤。種植3年后土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3，不同品種植被種植對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響各不相同，但不同草本種植區(qū)有機(jī)質(zhì)含量均大幅提高。狼尾草、沙打旺的增幅超過(guò)300%，有機(jī)質(zhì)含量增加的主要原因有土壤微生物、植物殘?bào)w及植物分泌物的增加，狼尾草、沙打旺是生物量最大的2種植物，有機(jī)質(zhì)含量可能與其腐殖殘?bào)w有關(guān)。萱草、艾草、剪股穎、五芒雀麥種植區(qū)的有機(jī)質(zhì)增量為150%～200%。10種植物改善土壤效果由強(qiáng)到弱依次為狼尾草>沙打旺>早熟禾>黑麥草>高羊茅>紫花苜蓿>無(wú)芒雀麥>艾草>剪股穎>萱草。

2.1.4 堿解氮 種植植物前土壤堿解氮含量為7.58 mg/kg，種植3年后10種草本種植區(qū)堿解氮含量見(jiàn)圖4。植物生長(zhǎng)普遍增加了土壤中堿解氮的含量。紫花苜蓿、沙打旺種植區(qū)土壤中堿解氮的含量提高最大。研究表明，紫花苜蓿、沙打旺屬于固氮耐貧瘠的豆科植物，根系有固氮活動(dòng)因而增加了土壤氮含量[17]。早熟禾、艾草、黑麥草、狼尾草的種植也使土壤中堿解氮含量大幅提高，其堿解氮含量是種植前的3倍。不同草本植物種植區(qū)堿解氮排序依次為紫花苜蓿>沙打旺>早熟禾>黑麥草>艾草>狼尾草>無(wú)芒雀麥>高羊茅>剪股穎>萱草。

2.1.5 速效磷 速效磷是可以直接被植物吸收的磷組分，它是植物生長(zhǎng)不可或缺的成分[18]。原始土壤速效磷的含量為 7.95 mg/kg。從圖5可以看出，10種植物種植3年后土壤速效磷含量均有明顯提高。黑麥草、無(wú)芒雀麥、剪股穎、高羊茅、狼尾草、紫花苜蓿、早熟禾、沙打旺、萱草、艾草與初始土樣相比速效磷含量分別增加了133.59%、195.94%、248.48%、263.4%、240.64%、195.51%、201.72%、370.15%、177.84%、421.17%。艾草、沙打旺、無(wú)芒雀麥種植區(qū)的土壤速效磷含量增加最明顯。艾草對(duì)土壤速效磷含量增幅最大，其次為沙打旺，再次為無(wú)芒雀麥。黑麥草對(duì)土壤速效磷的增量最小，其他6種植物對(duì)土壤速效磷增量處于中等水平，差異不明顯。

2.2 不同草木種植區(qū)對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性已成為評(píng)價(jià)土壤肥力，土壤質(zhì)量狀況以及土壤熟化程度的指標(biāo)，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)有重要意義[19-20]，土壤酶是土壤中物質(zhì)循環(huán)的重要媒介[11]。試驗(yàn)測(cè)得不同草本植物種植3年后土壤中蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶的活性(表2)。

表2 不同草本種植區(qū)土壤酶活性比較

2.2.1 過(guò)氧化氫酶 過(guò)氧化氫酶可消除過(guò)氧化氫對(duì)生物的毒害作用，且與土壤有機(jī)質(zhì)的形成相關(guān)[21-22]。從圖6可以看出，過(guò)氧化氫酶的活性在不同植物間變化不大。其中，無(wú)芒雀麥、早熟禾、黑麥草種植區(qū)過(guò)氧化氫酶活性比其他草本種植區(qū)偏高，剪股穎過(guò)氧化氫酶活性最低，其他6種植物種植區(qū)過(guò)氧化氫酶活性差異很小。表明植物種類(lèi)對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶酶含量影響不大。

2.2.2 蔗糖酶 蔗糖酶有利于促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的代謝過(guò)程[22]。從圖7可以看出，不同草本植物間蔗糖酶活性差異很大，無(wú)芒雀麥、早熟禾、黑麥草種植區(qū)活性大幅高于其他品種。從蔗糖酶活性指標(biāo)可以看出，10種草本植物種植對(duì)土壤熟化程度由強(qiáng)到弱依次為無(wú)芒雀麥>早熟禾>黑麥草>沙打旺>狼尾草>艾草>紫花苜蓿>高羊茅>剪股穎>萱草。

2.2.3 脲酶 安韶山等認(rèn)為，植被恢復(fù)可以提高土壤脲酶活性[23]，脲酶能促進(jìn)土壤氮含量的增加[24]。從圖8可以看出，10種植物種植區(qū)的脲酶活性差異明顯。黑麥草、早熟禾、沙打旺、高羊茅、艾草、紫花苜蓿6種植物的種植使土壤中脲酶活性增加明顯，其他4種草本植物脲酶增量較低。由于脲酶活性與土壤氮含量相關(guān)性較大，綜合分析土壤堿解氮與脲酶的相關(guān)性可知，10種草本植物對(duì)土壤脲酶活性增加程度由強(qiáng)到弱依次為黑麥草>早熟禾>沙打旺>高羊茅>艾草>紫花苜蓿>剪股穎>萱草>無(wú)芒雀麥>狼尾草。

2.2.4 多酚氧化酶 多酚氧化酶是一種復(fù)合性酶，它的存在對(duì)轉(zhuǎn)化土壤中酚類(lèi)物質(zhì)及合成有機(jī)質(zhì)意義重大[25-26]。從圖9可以看出，不同草本種植對(duì)土壤多酚氧化酶活性差異明顯，其中萱草種植使土壤多酚氧化酶活性最高。沙打旺、早熟禾、無(wú)芒雀麥的生命活動(dòng)對(duì)土壤多酚的活性也有明顯的增加。綜合10種植物對(duì)土壤多酚氧化酶活性的增量由大到小依次為萱草>沙打旺>早熟禾>無(wú)芒雀麥>狼尾草>剪股穎>黑麥草>紫花苜蓿>艾草>高羊茅。

2.3 隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)植物改良土壤

10種植物修復(fù)對(duì)土壤的各個(gè)指標(biāo)改良效果各不相同，使用單一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)植物對(duì)土壤的修復(fù)效果存在片面性。本研究以10種植物對(duì)土壤的pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶等指標(biāo)的改良結(jié)果為依據(jù)。求得10種植物各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，并計(jì)算各植物所有指標(biāo)的平均值，按隸屬函數(shù)平均值排序來(lái)評(píng)價(jià)植物對(duì)土壤的修復(fù)效果。從表3可以看出，10種草本植物對(duì)土壤的改良效果由強(qiáng)到弱順序依次為沙打旺>早熟禾>艾草>狼尾草>無(wú)芒雀麥>黑麥草>高羊茅>紫花苜蓿>萱草>剪股穎。

表3 10種草本植物修復(fù)土壤指標(biāo)隸屬函數(shù)值綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

黑麥草、無(wú)芒雀麥、剪股穎、高羊茅、狼尾草、紫花苜蓿、早熟禾、沙打旺、萱草、艾草10種植被的種植增加了土壤養(yǎng)分，增大了土壤酶活性。植物的種植普遍降低了土壤pH值和電導(dǎo)率，改善了土壤的酸堿度和鹽分。從對(duì)土壤pH值的影響上看，艾草、高羊茅、沙打旺、早熟禾、紫花苜蓿、狼尾草等植物的效果明顯；從對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響上看，狼尾草、沙打旺、早熟禾、黑麥草、高羊茅、紫花苜蓿等植物的效果明顯。

10種草本植物種植3年后改良了土壤性狀，明顯增加了土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷等土壤養(yǎng)分。從對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響上看，狼尾草、沙打旺、早熟禾、黑麥草、高羊茅、紫花苜蓿等植物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加明顯；從對(duì)土壤堿解氮含量的影響上看，紫花苜蓿、沙打旺、早熟禾、黑麥草、艾草、狼尾草等植物對(duì)土壤堿解氮含量增加明顯；從對(duì)土壤速效磷的影響上看，艾草、沙打旺、無(wú)芒雀麥對(duì)土壤速效磷含量的增加更為明顯。

草本植物明顯改善了礦區(qū)生土的根際環(huán)境，使土壤中的蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶活性大大增加。無(wú)芒雀麥和早熟禾對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶的活性提升明顯；沙打旺、萱草、早熟禾、無(wú)芒雀麥對(duì)土壤多酚氧化酶活性提升明顯；沙打旺、早熟禾、艾草、高羊茅、紫花苜蓿均對(duì)土壤脲酶活性提升明顯。

利用10種植物改變土壤的pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量、過(guò)氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性、多酚氧化酶活性等指標(biāo)的隸屬函數(shù)值的平均值排序來(lái)評(píng)價(jià)植物對(duì)土壤的修復(fù)效果。得出10種草本植物對(duì)土壤的綜合改良效果由強(qiáng)到弱順序依次為沙打旺>早熟禾>艾草>狼尾草>無(wú)芒雀麥>黑麥草>高羊茅>紫花苜蓿>萱草>剪股穎。