神東礦區(qū)典型植被不同恢復(fù)年限對土壤質(zhì)量的影響

馬 寧，李 強，郭玉濤，李鵬飛

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；2.神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會對資源的需求與日俱增，大規(guī)模無序開采礦產(chǎn)資源給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重破壞，造成表土層破壞、土壤保水保肥能力下降，從而導(dǎo)致生物多樣性減少，地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生。因此，對礦區(qū)進行生態(tài)恢復(fù)迫在眉睫[1]。

神東礦區(qū)是我國目前最大的煤炭生產(chǎn)基地和重要的優(yōu)質(zhì)動力煤出口基地，地處黃土高原北部與毛烏素沙地交錯區(qū)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱，土地沙化嚴(yán)重、水資源匱乏及水土流失嚴(yán)重。神東煤礦在建設(shè)初期，面對超大規(guī)模煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境保護的矛盾，以可持續(xù)發(fā)展思想為指導(dǎo)，統(tǒng)籌煤炭資源開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以合理利用水土資源為核心，從礦區(qū)資源環(huán)境特征和煤炭資源開發(fā)特點出發(fā)，對礦區(qū)進行植被恢復(fù)，保護和改善礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，為重建可持續(xù)健康的礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)做出了積極的實踐與探索[2]。本研究采用土壤質(zhì)量指數(shù)法定量評價多年來神東礦區(qū)典型植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量的改良效果，旨在為后續(xù)生態(tài)建設(shè)提供技術(shù)支撐，指導(dǎo)礦區(qū)生態(tài)建設(shè)工作。

1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)位于陜西省榆林市神木市北部、府谷縣西部，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)及伊金霍洛旗的南部和準(zhǔn)格爾旗的西南部，地理位置為北緯38°52′～39°41′、東經(jīng)109°51′～110°46′。地處毛烏素沙地與陜北黃土高原過渡帶，具有典型的干旱荒漠高原氣候特征，多年平均降水量僅362 mm，年際、年內(nèi)變化大，7—9月降水量占全年降水量的70%以上，且多暴雨，年水面蒸發(fā)量2 297.4～2 838.7 mm[3]。研究區(qū)域水資源匱乏，且大部分為河川徑流，地下水量較少。土壤主要為黃土性土壤、風(fēng)沙土、栗鈣土和黑壚土等，結(jié)構(gòu)松散，抗蝕性差，肥力低，呈弱堿性。該區(qū)為草原和森林草原過渡地帶，原生植被稀疏，覆蓋度低，一般小于30%，區(qū)內(nèi)主要植被類型為沙漠草原、落葉闊葉灌叢和沙生植被[4]。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集和指標(biāo)測定

于2018年8月27日至9月9日、2019年4月21—30日和2019年7月11日至8月6日，分三批次采集了神東礦區(qū)中心10個礦區(qū)的土壤樣品220個，涉及樟子松、油松、山杏、小葉楊、沙棘、檸條、沙柳和黑沙蒿等8種典型植被類型，植被恢復(fù)年限為1～29 a。樣品采集深度為0～20 cm，采用五點采樣法形成一個混合樣品。

將土壤樣品自然風(fēng)干，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，過0.25 mm篩，用于土壤養(yǎng)分的測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用火焰光度法測定[5]。

2.2 土壤質(zhì)量評價

2.2.1 土壤質(zhì)量評分模型

通過土壤質(zhì)量評分模型將土壤指標(biāo)實測值轉(zhuǎn)換為0～1之間適當(dāng)?shù)姆种礫6]，公式為

(1)

式中：S為土壤指標(biāo)得分，介于0～1之間；a為最大得分，被確定為1；x是土壤實測指標(biāo)值；x0為相應(yīng)的指標(biāo)平均值；b為方程的斜率，其中“越多越好”類型指標(biāo)被確定為-2.5，如全氮、堿解氮、有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，“越少越好”類型指標(biāo)被確定為2.5，如容重。

2.2.2 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的權(quán)重

通過主成分分析得到的公因子方差能夠反映出某一指標(biāo)對整體方差的貢獻程度，其值越大則對整體方差的貢獻越大。采用主成分分析法計算各指標(biāo)的權(quán)重值，權(quán)重等于各指標(biāo)的公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差之和的比例[7]。

2.2.3 土壤質(zhì)量指數(shù)

基于各指標(biāo)的評分和權(quán)重，計算土壤質(zhì)量指數(shù)SQI(Soil Quality Index)，公式為

(2)

式中：Si為第i個指標(biāo)得分；n為指標(biāo)數(shù)量；Wi為第i個指標(biāo)權(quán)重值；SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)，其值越高代表土壤質(zhì)量越好。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0和Microsoft Excel 2015進行數(shù)據(jù)分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型植被土壤質(zhì)量評價指標(biāo)統(tǒng)計量

神東礦區(qū)典型植被種植區(qū)土壤質(zhì)量評價指標(biāo)統(tǒng)計量見表1。由表1可知，土壤容重和有效磷、速效鉀含量在各植被類型之間差異不顯著(P>0.05)，全氮、堿解氮和有機質(zhì)含量在各植被類型之間差異顯著(P<0.05)。全氮含量在樟子松種植區(qū)土壤中最高，為0.62 g/kg，在沙柳種植區(qū)土壤中最低，為0.31 g/kg；堿解氮含量在樟子松種植區(qū)土壤中最高，為24.49 mg/kg，在黑沙蒿種植區(qū)土壤中最低，為14.19 mg/kg；有機質(zhì)含量在樟子松種植區(qū)土壤中最高，為13.48 g/kg，在沙柳種植區(qū)土壤中最低，為8.15 g/kg。

表1 神東礦區(qū)典型植被土壤質(zhì)量評價指標(biāo)統(tǒng)計量

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用單因素方差LSD法分析同一指標(biāo)在不同樣地之間的差異性，同一列數(shù)值后所標(biāo)字母不同表示相互間差異顯著(P<0.05)，有相同字母表示相互間差異不顯著(P>0.05)。

3.2 典型植被不同恢復(fù)年限下土壤質(zhì)量變化特征

通過主成分分析計算出各土壤指標(biāo)的公因子方差，進一步計算出各土壤指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表2。

表2 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重

由表2可知，土壤質(zhì)量評價指標(biāo)按權(quán)重大小排序為：全氮含量(0.198)>速效鉀含量(0.187)>堿解氮含量(0.182)>有機質(zhì)含量(0.177)>容重(0.172)>有效磷含量(0.084)。

根據(jù)公式(1)和(2)并結(jié)合土壤質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重，計算各采樣點對應(yīng)的土壤質(zhì)量指數(shù)，與植被恢復(fù)年限進行擬合回歸分析，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，樟子松、山杏和檸條種植區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)隨植被恢復(fù)年限增加呈現(xiàn)線性增長趨勢，擬合回歸方程分別為y=0.011 5x+0.327 8，y=0.030 8x+0.218 9和y=0.023x+0.292 9；油松和小葉楊種植區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)隨植被恢復(fù)年限增加呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢，擬合回歸方程分別為y=0.293 1lnx-0.210 3和y=0.186 9lnx+0.001 3；沙棘、沙柳和黑沙蒿種植區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)隨植被恢復(fù)年限增加呈拋物線型變化趨勢，擬合回歸方程分別為y=-0.001 9x2+0.047 3x+0.254 9，y=-0.000 5x2+0.033 1x+0.070 7和y=-0.002 2x2+0.073 3x-0.064 8。

圖1 神東礦區(qū)典型植被不同恢復(fù)年限下土壤質(zhì)量變化特征

4 討 論

各典型植被中樟子松種植區(qū)土壤全氮、堿解氮和有機質(zhì)含量均為最高，不同恢復(fù)年限樟子松種植區(qū)土壤質(zhì)量差異較大，但總體呈現(xiàn)隨恢復(fù)年限增加而增加的趨勢。按照10 a一個齡級[8]的標(biāo)準(zhǔn)劃分林齡(幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林)，神東礦區(qū)樟子松林齡大部分小于20 a，普遍處于“幼齡林”和“中齡林”階段，生長狀態(tài)較好，能夠在土壤質(zhì)量提升等方面持續(xù)發(fā)揮良好的作用。山杏林作為經(jīng)濟林，在施肥和灌溉等田間管理方面優(yōu)于其他植被，因此其林下土壤養(yǎng)分含量較高，在一定程度上給山杏提供了適宜的生長環(huán)境，表現(xiàn)出土壤質(zhì)量隨著恢復(fù)年限逐年改善的趨勢。檸條是干旱半干旱黃土丘陵區(qū)的主要灌木樹種，其根系屬軸根型分蘗類型，有很強的穿透力，生長過程中疏松了土壤，使土壤物理性質(zhì)得到改善，且根系分泌的有機酸降低了根基附近的pH值，活化了部分土壤難溶性養(yǎng)分，改善了養(yǎng)分條件，表現(xiàn)出極強的生態(tài)適宜性[9]。油松林和小葉楊林與之前的研究結(jié)果類似[10-11]，隨著生長年限的增長，其種植區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)出先快速增長隨后增速減緩的趨勢。油松和小葉楊的生長主要經(jīng)歷速生期和慢生期兩個時期，本次研究結(jié)果表明，油松和小葉楊種植區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)增速預(yù)計分別在30和25 a左右開始減緩，之后逐漸趨于平穩(wěn)，可發(fā)揮出長效穩(wěn)定的土壤質(zhì)量提升效果。沙棘、沙柳和黑沙蒿種植區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)隨恢復(fù)年限呈現(xiàn)出拋物線規(guī)律，預(yù)計分別在恢復(fù)13、33和17 a時達(dá)到峰值，隨后隨著恢復(fù)年限的增加土壤質(zhì)量指數(shù)有下降的趨勢。10 a以上林齡的沙棘即將進入衰退期[12]，因此可通過選育優(yōu)良品種的沙棘改善這一狀況，例如引種大果沙棘等。沙柳作為該地區(qū)的先鋒樹種，前期能夠較好地對土壤質(zhì)量進行改善，但其根系具有較強的吸水能力，降低了土壤含水量，使其他樹種不能較好地在該區(qū)域生長，從而使土壤綜合質(zhì)量逐步降低，進而也影響到沙柳的生長狀況。因此，在今后的風(fēng)沙治理過程中，當(dāng)沙柳成活并穩(wěn)固風(fēng)沙后，在保證水資源供給充足的情況下，可在沙柳行間撒播草籽(如白草、針茅、黑沙蒿等)或栽植沙棘等樹種，以保證該地區(qū)的群落持續(xù)向好發(fā)展。黑沙蒿具有草本植物生長快速的特點，在初期對土壤質(zhì)量具有顯著改善效果，在15～20 a之間達(dá)到頂峰，隨后開始下降[13]。因此，在生態(tài)恢復(fù)初期，可采用草本植被快速進行地力培肥，為中后期的植被恢復(fù)提供支持。

5 結(jié) 論

(1)神東礦區(qū)土壤質(zhì)量評價指標(biāo)按權(quán)重排序為：全氮含量(0.198)>速效鉀含量(0.187)>堿解氮含量(0.182)>有機質(zhì)含量(0.177)>容重(0.172)>有效磷含量(0.084)。

(2)神東礦區(qū)典型植被不同恢復(fù)年限下土壤質(zhì)量變化規(guī)律存在差異，其中樟子松、山杏和檸條種植區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)隨植被恢復(fù)年限增加呈現(xiàn)線性增長趨勢，油松和小葉楊種植區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)隨植被恢復(fù)年限增加呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢，沙棘、沙柳和黑沙蒿種植區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)隨植被恢復(fù)年限增加呈現(xiàn)拋物線型變化趨勢。

(3)神東礦區(qū)典型植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量有較好的改良效果，在今后的生態(tài)治理過程中，需要對恢復(fù)年限較長的植被類型特別是沙棘、沙柳和黑沙蒿加強人工管護，及時進行補種或選種更優(yōu)品種，以防止因植被退化而導(dǎo)致的土壤質(zhì)量退化。