不同植被恢復(fù)模式對(duì)礦區(qū)土壤性質(zhì)的影響

張軍紅 徐義萍

摘 要 為研究渝西廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤性質(zhì)的影響，選擇具有典型代表性的針闊混交林、常綠闊葉林、楠竹林和灌木林四種林地類型，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地采集土壤樣品進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綠闊葉林地土壤毛管孔隙度顯著低于楠竹林和灌木林，常綠闊葉林總孔隙度顯著低于楠竹林和灌木林；四種林分類型土壤分形維數(shù)為2.53～2.61，表現(xiàn)為楠竹林>灌木林>針闊混交林>常綠闊葉林；土壤分形維數(shù)與總孔隙度、毛管孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，與非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與0.001～0.005 mm、<0.001 mm土壤顆粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與0.25～1.00 mm粒徑土壤顆粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤性質(zhì)存在不可忽略的影響，在植被恢復(fù)過(guò)程中，不僅要考慮植被的成活情況，還要考慮植被對(duì)土壤的影響。

關(guān)鍵詞 礦區(qū)植被恢復(fù)；土壤性質(zhì)；分形維數(shù)

中圖分類號(hào)：S714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.7.007

人口、資源和環(huán)境問(wèn)題是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的三大主要問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)三者的協(xié)調(diào)、均衡、和諧發(fā)展是當(dāng)務(wù)之急[1]。礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的侵占耕地、生態(tài)破壞、環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害等問(wèn)題，通常對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)最大、破壞力最強(qiáng)[2-3]。近年來(lái)，運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題包括水污染治理（礦井涌水、生活污水、坑礦水等），固體廢棄物治理（礦矸石、爐渣、生活垃圾及其他固體廢棄物），廢棄土地復(fù)墾及植被恢復(fù)等[4]。其中礦區(qū)植被恢復(fù)因涉及面廣、難度大而成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。

郭逍宇等研究了安太堡礦區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中主要物種生態(tài)位梯度變化，發(fā)現(xiàn)光和水分是決定植物優(yōu)勢(shì)種生態(tài)位梯度變化的主要因子[6]；趙娜等提出了金屬礦區(qū)先鋒植物篩選的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、植物配置模式及其在礦區(qū)植被恢復(fù)中的作用[7]；宋祥蘭等通過(guò)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)贛南廢棄礦區(qū)最佳植被恢復(fù)配置模式為“構(gòu)樹(shù)+胡枝子+香根草”[8]；齊丹卉等研究發(fā)現(xiàn)，廢棄礦區(qū)植物恢復(fù)初期土壤種子庫(kù)與地上植被緊密聯(lián)系，群落改造方式、恢復(fù)時(shí)間對(duì)土壤種子庫(kù)具有重要影響[9]；孟廣濤等研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)廢棄地不同植被恢復(fù)措施對(duì)土壤養(yǎng)分的影響存在一定差異，在植被恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)注意植物種類的選擇[10]。

地處重慶西部的永川區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，主要包括煤、水泥灰?guī)r、天然氣等，其中煤炭資源儲(chǔ)量3億噸，境內(nèi)有多家煤礦開(kāi)采企業(yè)。轄區(qū)內(nèi)因前期煤礦開(kāi)采導(dǎo)致了不同程度的植被破壞、水土流失等問(wèn)題，而渝西地區(qū)地處長(zhǎng)江上游，生態(tài)環(huán)境保護(hù)任務(wù)艱巨。本文就不同植被恢復(fù)模式對(duì)礦區(qū)土壤性質(zhì)的影響開(kāi)展研究，以期為地區(qū)植被恢復(fù)從建、構(gòu)建長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障提供參考。

1 研究區(qū)概況

永川區(qū)位于重慶西部、長(zhǎng)江上游北岸，地處東經(jīng)105°38′～106°05′、北緯28°56′～29°34′，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年平均氣溫17.7 ℃，年平均降雨量1 015.0 mm，平均日照1 218.7 h，平均無(wú)霜期317 d。永川區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)重慶地臺(tái)向斜的一部分，為新華夏系次級(jí)沉降帶，川東南弧形褶皺帶華鎣山帶狀褶皺永川帚狀褶皺束，境內(nèi)云霧山、巴岳山、黃瓜山、陰山、箕山5條低山山脈呈東北—西南走向，“川”字排列，土壤類型主要為紫色土、紫泥田。

2 研究方法

在位于城區(qū)東北的采礦廢棄地（E105°96′、N29°40′）劃定試驗(yàn)區(qū)，該地區(qū)由于歷史上人為采礦影響，地表結(jié)構(gòu)和植被遭受了破壞，后經(jīng)人工植樹(shù)造林及植被自然更新，植被蓋度已初步恢復(fù)。在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)植被的主要類型，選擇具有典型代表的四種林地類型：針闊混交林、常綠闊葉林、楠竹林和灌木林，每種林地設(shè)立1塊標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)各設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，用環(huán)刀法取原狀土樣，測(cè)定土壤自然含水量、毛管持水量和最大持水量；在每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)3次取樣，共計(jì)取60個(gè)土樣，混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干處理后取部分原狀土除去土樣中的植物殘?bào)w及雜物，用激光粒度儀分析土壤顆粒組成，采用吸管法測(cè)定土壤微團(tuán)聚體。土壤分形維數(shù)的計(jì)算方法采用楊培玲等[11]推導(dǎo)的公式：

（1）

（1）式中，di為第i個(gè)粒級(jí)土粒的平均直徑，dmax為最大粒級(jí)土粒的平均直徑，D為土壤顆粒表面的分形維數(shù)，δ為測(cè)量土粒直徑大小的碼尺，W（δ

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型土壤性質(zhì)

土壤的孔隙狀況直接影響土壤的通氣性、透水性和土壤的水源涵養(yǎng)功能。廢棄礦區(qū)不同植被類型的土壤性質(zhì)存在一定的差異（見(jiàn)表1）。土壤容重大小排序?yàn)椋撼＞G闊葉林>針闊混交林>灌木林>楠竹林，四種植被類型土壤容重?zé)o顯著差異；毛管孔隙率以楠竹林最高，均值為45.36%，常綠闊葉林最低，均值為29.89%，常綠闊葉林毛管孔隙度顯著低于楠竹林和灌木林。四種植被類型土壤非毛管孔隙度大小順序?yàn)椋洪窳?gt;灌木林>常綠闊葉林>針闊混交林，四種植被類型土壤非毛管孔隙度無(wú)顯著差異；總孔隙度以楠竹林最高，為52.39%，常綠闊葉林最低，為35.36%，常綠闊葉林總孔隙度顯著低于楠竹林和灌木林。

3.2 不同植被類型土壤機(jī)械組成變化

根據(jù)土壤粒徑的大小，將土壤微團(tuán)聚體分為6個(gè)級(jí)別，分別是：0.25～1.00 mm、0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm、0.005～0.01 mm、0.001～0.005 mm、<0.001 mm。廢棄礦區(qū)不同植被類型土壤微團(tuán)聚體組成及分形維數(shù)見(jiàn)表2。

0.25～1.00 mm級(jí)別土壤顆粒含量以針闊混交林最高，占比為（11.97±1.38）%，其次是常綠闊葉林和楠竹林，灌木林含量最低，占比（4.43±0.62）%，顯著低于其他3種林分；0.05～0.25 mm級(jí)別土壤顆粒含量以針闊混交林最高，占比為（30.75±6.37）%，四種植被類型0.05～0.25 mm級(jí)別土壤顆粒含量排序?yàn)椋横橀熁旖涣?灌木林>楠竹林>常綠闊葉林，四種植被類型0.05～0.25 mm級(jí)別土壤顆粒含量無(wú)顯著差異；0.01～0.05 mm級(jí)別土壤顆粒含量以常綠闊葉林最高，占比（29.64±5.31）%，四種植被類型0.01～0.05 mm級(jí)別土壤顆粒含量排序?yàn)椋撼＞G闊葉林>灌木林>針闊混交林>楠竹林，四種植被類型0.01～0.05 mm 級(jí)別土壤顆粒含量無(wú)顯著差異；0.005～0.01 mm級(jí)別土壤顆粒含量以楠竹林最高，占比為（13.76±1.48）%，四種植被類型0.005～0.01 mm級(jí)別土壤顆粒含量排序?yàn)椋洪窳?常綠闊葉林>灌木林>針闊混交林，四種植被類型0.001～0.005 mm級(jí)別土壤顆粒含量無(wú)顯著差異；0.001～0.005 mm級(jí)別土壤顆粒含量以灌木林最高，占比為（19.64±3.18）%，其次是常綠闊葉林和楠竹林，針闊混交林最低，占比為（13.98±2.14）%，顯著低于其他3種林分類型；<0.001 mm級(jí)別土壤顆粒含量以楠竹林最高，占比為6.95±1.24%，其次是灌木林，占比略低于楠竹林，常綠闊葉林最低，占比為（3.43±0.63）%，顯著低于楠竹林和灌木林，而針闊混交林含量與3者均無(wú)顯著差異。

廢棄礦區(qū)四種林分類型土壤分形維數(shù)大小順序是：楠竹林>灌木林>針闊混交林>常綠闊葉林。將土壤分形維數(shù)與對(duì)應(yīng)的土壤性質(zhì)及機(jī)械組成進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)土壤分形維數(shù)總孔隙度、毛管孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，與非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），說(shuō)明土壤總孔隙度、毛管孔隙度含量變化越大，非毛管孔隙度變化越小，土壤分形維數(shù)的變化也越大，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)改善越明顯；土壤分形維數(shù)與0.001～0.005 mm、<0.001 mm土壤顆粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與0.25～1.00 mm粒徑土壤顆粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

4 結(jié)論與討論

1）研究區(qū)四種不同植被類型土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及總孔隙度間存在一定差異，其中四種植被類型的土壤容重、非毛管孔隙度差異不顯著，毛管孔隙度常綠闊葉林顯著低于楠竹林和灌木林，常綠闊葉林總孔隙度顯著低于楠竹林和灌木林。土壤的孔隙狀況直接影響土壤的通氣性、透水性和水源涵養(yǎng)功能，廢棄礦區(qū)不同植被類型間毛管孔隙度、總孔隙度的顯著差異主要由不同植被的郁閉度、根系分布、地表凋落物覆蓋程度等因素引起，并對(duì)植被下土壤的水分涵養(yǎng)能力產(chǎn)生直接影響[13]。

2）研究區(qū)土壤機(jī)械組成以0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm兩個(gè)級(jí)別的顆粒為主，所占比例約為60%；<0.001 mm顆粒含量最低，約為5%；0.25～1.00 mm、0.005～0.01 mm、0.001～0.005 mm三個(gè)級(jí)別的土壤顆粒含量均在10%左右。四種林分間0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm、0.005～0.01 mm三個(gè)粒徑級(jí)別土壤顆粒的含量均無(wú)顯著差異，而上述三種顆粒的含量約占總含量的70%，差異主要體現(xiàn)在0.25～1.00 mm、0.001～0.005 mm、<0.001 mm三種級(jí)別的顆粒上，也導(dǎo)致了四種林分下土壤分形維數(shù)的差異；廢棄礦區(qū)四種林分類型土壤分形維數(shù)大小順序是：楠竹林>灌木林>針闊混交林>常綠闊葉林，這種差異表明廢棄礦區(qū)不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤性質(zhì)存在不可忽略的影響[14]。

3）廢棄礦區(qū)四種林分類型土壤顆粒分形維數(shù)為2.53～2.61，相關(guān)系數(shù)均大于0.8，結(jié)果與王賢等[15]測(cè)得的土壤顆粒分形維數(shù)一致。土壤分形維數(shù)能客觀反映土壤顆粒組成和空隙結(jié)構(gòu)特征，通?？勺鳛槊枋鐾寥澜Y(jié)構(gòu)特征的定量指標(biāo)。土壤顆粒通過(guò)形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)影響土壤空間組成，由于細(xì)粒物質(zhì)的增加和粗粒物質(zhì)的減小，會(huì)增加土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)部的毛管空隙數(shù)量，減小非毛管孔隙度，導(dǎo)致土壤分形維數(shù)與總孔隙度、毛管孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，與非毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[16]；土壤分形維數(shù)與0.001～0.005 mm、<0.001 mm土壤顆粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與0.25～1.00 mm粒徑土壤顆粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。廢棄礦區(qū)原土壤結(jié)構(gòu)遭受了不同程度的破壞，在植被恢復(fù)的過(guò)程中，不僅要考慮植被的成活情況，還要考慮植被對(duì)土壤的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，從廢棄礦區(qū)土壤質(zhì)地的角度看，四種典型植被的恢復(fù)效果是楠竹林>灌木林>針闊混交林>常綠闊葉林，這個(gè)結(jié)論對(duì)當(dāng)?shù)貜U棄礦區(qū)植被的恢復(fù)重建具有一定的借鑒意義。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）