岷江上游人工植被恢復(fù)下高石礫棄渣邊坡土壤質(zhì)量變化特征研究

楊 陽，丁建林，石福孫，白景文*，向 雙，楊 燕

(1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041)

【研究意義】土壤質(zhì)量是指土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量3方面的綜合量度。它能揭示土壤退化的恢復(fù)能力，直接反映土壤管理水平[1]，間接反映植被生產(chǎn)力、動植物健康、環(huán)境質(zhì)量及生態(tài)安全[2-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在生態(tài)脆弱區(qū)開展各種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，造成了植被破壞和地表裸露，產(chǎn)生了大量的棄渣[4]。通過人工植被能夠促進(jìn)生態(tài)脆弱區(qū)的環(huán)境修復(fù)，從而改善土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分含量，提高土壤質(zhì)量[5]。在植被恢復(fù)過程中，土壤理化特征影響著植物養(yǎng)分的吸收和生長發(fā)育[6]，土壤養(yǎng)分特別是C、N、P的循環(huán)影響著植被演替和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[7]。植被恢復(fù)與土壤質(zhì)量之間的相互作用緊密相連[8]，土壤理化性質(zhì)和土壤化學(xué)計(jì)量的變化可直接反應(yīng)人工植被恢復(fù)對土壤改良效果[9]。因此，展開土壤質(zhì)量評價的研究不僅對生態(tài)平衡恢復(fù)的研究具有重要的意義，而且能科學(xué)指導(dǎo)和管理土地資源的利用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，已有國內(nèi)外學(xué)者開展人工植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量影響的研究。結(jié)果表明，植被恢復(fù)提升了土壤可溶性氮含量轉(zhuǎn)化[10]，提高了土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量和土壤化學(xué)計(jì)量比[11-15]，改善了土壤質(zhì)量[16-17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】岷江上游地處青藏高原和四川盆地的過渡地帶，是我國一個重要的大尺度、復(fù)合型生態(tài)過渡帶[18]，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然資源豐富，是長江上游重要的生態(tài)屏障，對長江上游地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用[19]。岷江上游又是典型的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)，自然環(huán)境復(fù)雜，各種自然災(zāi)害頻發(fā)?！?·12”地震以來，起于都江堰沿岷江向上游經(jīng)汶川、茂縣、松潘修建高速公路以及成都至蘭州的鐵路建設(shè)(途徑茂縣、松潘、九寨溝)大量的采用了隧道、橋梁等工程措施，由于該區(qū)特殊的地質(zhì)條件，施工過程中產(chǎn)生的棄渣多為高石礫，形成的棄渣邊坡與周圍景觀極不協(xié)調(diào)。因此，對棄渣剖面進(jìn)行了人工植被恢復(fù)措施?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究對松潘棄渣剖面植被恢復(fù)下土壤理化性質(zhì)和化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行了研究，評價植被恢復(fù)對棄渣邊坡土壤質(zhì)量改良效果，以期為該區(qū)高石礫棄渣邊坡治理和植被恢復(fù)提供科學(xué)建議，為岷江上游脆弱區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)，對岷江上游后續(xù)生態(tài)建設(shè)、區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游位于四川盆地西北部、青藏高原的東南緣，地理位置東經(jīng)102°34′55″～104°15′50″，北緯30°44′33″～33°09′15″。研究區(qū)位于四川省阿壩州松潘縣，海拔2850 m，年平均氣溫5.4 ℃，年降雨量716.5 mm。2014年在國道213四川省阿壩州松潘縣兩河口鎮(zhèn)段棄渣邊坡人工種植喬木白樺(行距為4 m×4 m)及灌木小檗、柳樹、繡線菊(行距為2 m×2 m)。

1.2 研究方法

選擇棄渣場邊坡，原生植被邊坡以及人工植被恢復(fù)棄渣場邊坡作為研究樣地(表1)。布設(shè)樣方10 m×10 m，選取3個重復(fù)樣方，2019年6月在3個樣方內(nèi)，每個樣地分別隨機(jī)選擇3個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)隨機(jī)取3個0～5 cm土層土壤樣品，將3個土樣均勻混合。按照四分法取1 kg土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)風(fēng)干后，去除石粒、植物根系等雜質(zhì)、研磨過0.25 mm篩后測定土壤化學(xué)性質(zhì)，其中土壤pH值測定采用1∶2.5土水比浸提酸度計(jì)法，有機(jī)質(zhì)含量測定用重鉻酸鉀氧化-分光光度法，全氮測定用凱氏定氮法，全磷測定用碳酸鈉溶融-鉬銻抗比色法，有效磷測定采用Olsen法，速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法[20-21]。采用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、持水能力指標(biāo)，土壤含水率測定采用烘干法、干篩法測定土壤大顆粒組成。部分樣地由于石礫含量過高無法采用環(huán)刀法檢測容重，所以采用挖坑法測定容重[22]。

表1 樣地信息Table 1 Site information

1.3 土壤質(zhì)量評價計(jì)算方法

應(yīng)用主成分分析法，以各土壤指標(biāo)特征值貢獻(xiàn)率為權(quán)重，加權(quán)計(jì)算人工植被恢復(fù)土壤性質(zhì)及養(yǎng)分指標(biāo)值，運(yùn)用土壤綜合指數(shù)法，綜合評價土壤質(zhì)量狀況[21]。

(1)由于土壤因子的變化具有連續(xù)性質(zhì)，故各評價指標(biāo)采用隸屬度函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式為[21]：

Q(Xi)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

式中，Q(Xi)表示各因子的隸屬度值，Xij為各因子值，Ximax和Ximin分別為第i項(xiàng)因子中的最大值和最小值。

(2)由于土壤質(zhì)量的各個指標(biāo)重要性與貢獻(xiàn)不同，所以通常用權(quán)重系數(shù)來表示各個因子的重要性程度，本研究運(yùn)用SPSS16.0軟件計(jì)算因子主成分貢獻(xiàn)率和負(fù)荷量，確定個因子在土壤質(zhì)量中的作用大小，公式為[21]：

(2)

式中，Wi表示土壤各指標(biāo)的權(quán)重，Ci為第i個土壤指標(biāo)的因子負(fù)荷量。

(3)土壤質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算公式為[21]：

(3)

式中，n為評價指數(shù)的個數(shù)，m為所選主成分個數(shù)，Ki為第i個主成分的方差貢獻(xiàn)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS Statistics 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單因素方差分析(One-Way ANOVA)、Duncan法進(jìn)行多重比較及主成分分析，圖形采用Origin 9.0繪圖軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工植被恢復(fù)棄渣場土壤物理性質(zhì)

由圖1可以看出，人工植被恢復(fù)的棄渣場邊坡土壤容重顯著低于未經(jīng)處理的棄渣場和原生植被坡面(P<0.05)，人工植被恢復(fù)后土壤容重降低說明植物緩解了土壤板結(jié)狀況。棄渣場土壤飽和水含量、毛細(xì)管孔隙度和總孔隙度顯著低于原生植被坡面，而經(jīng)過人工植被恢復(fù)的棄渣場土壤飽和水含量、毛細(xì)管孔隙度和總孔隙度顯著高于棄渣場和原生植被坡面(P<0.05)。

由圖2可以看出，人工植被恢復(fù)后土壤pH值表現(xiàn)為顯著降低，由堿性向酸性轉(zhuǎn)變。棄渣場土壤有機(jī)質(zhì)含量、總氮含量、全磷含量顯著低于原生植被坡面(P<0.05)，全磷含量、速效鉀含量低于原生植被坡面，但差異不顯著(P>0.05)。經(jīng)過人工植被恢復(fù)的棄渣場土壤有機(jī)質(zhì)含量、總氮含量、全磷含量、速效鉀含量和有效磷含量顯著高于棄渣場剖面和原生植被坡面(P<0.05)。說明人工植被恢復(fù)后，土壤化學(xué)性質(zhì)得到了改良，改善坡面土壤養(yǎng)分狀態(tài)，土壤質(zhì)量提高，更有利于植物生長。

2.2 人工植被恢復(fù)棄渣場土壤化學(xué)計(jì)量特征分析

如圖3所示，土壤C∶N表現(xiàn)為人工植被恢復(fù)棄渣場>原生植被坡面>棄渣場，但差異不顯著。棄渣場土壤N∶P和C∶P顯著低于原生植被坡面，經(jīng)過人工植被恢復(fù)棄渣場土壤N∶P和C∶P顯著高于棄渣場(P<0.05)，與原生植被坡面無顯著差異。

2.3 人工植被恢復(fù)棄渣場土壤質(zhì)量綜合評價

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)是土壤因子的集成和綜合，土壤質(zhì)量評價可以敏感反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化以及土壤恢復(fù)退化能力。本研究運(yùn)用主成分分析法，針對3種植被類型的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，運(yùn)用土壤綜合指數(shù)法，綜合評價其土壤健康狀況。由公式(1)和(2)計(jì)算出土壤質(zhì)量因子負(fù)荷量、權(quán)重和貢獻(xiàn)率，根據(jù)特征值>1且累積貢獻(xiàn)率>85 %的原則抽取了1個主成分(表2)。土壤質(zhì)量評價指標(biāo)主成分分析結(jié)果顯示，主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)94.906 %，主要反映有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀、有效磷、飽和持水量、毛管孔隙度、總孔隙度指標(biāo)的綜合變量，說明這些指標(biāo)在土壤質(zhì)量評價中起著重要作用。最終得到土壤質(zhì)量評價系統(tǒng)的主成分方程：。

表2 土壤質(zhì)量因子負(fù)荷量、權(quán)重和貢獻(xiàn)率Table 2 The load,weight and contribution rate of soil quality factor

根據(jù)土壤質(zhì)量隸屬值和權(quán)重值，由公式(3)計(jì)算出3種植被類型下土壤質(zhì)量的綜合評價指數(shù)(圖4)。土壤綜合指數(shù)排序?yàn)橹脖换謴?fù)的棄渣坡面>原生植被坡面>棄渣場。說明植被恢復(fù)后，明顯提高了土壤質(zhì)量。

3 討 論

3.1 人工植被恢復(fù)措施對高石粒棄渣邊坡土壤理化性狀的影響

土壤物理性質(zhì)是反映土壤潛在生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，它能影響土壤水分含量、通氣性等，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育[23]。本研究結(jié)果顯示，人工植被恢復(fù)的高石礫棄渣場邊坡土壤容重顯著降低、土壤飽和水含量顯著增加，這與許多研究結(jié)果一致[24-26]。說明人工植被恢復(fù)能有效改善高石礫土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，提高土壤的通氣性和透水性[27]。其他學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)對土壤總孔隙度有提高的效應(yīng)[28]，在本研究中人工植被恢復(fù)的棄渣場邊坡毛細(xì)管孔隙度和總孔隙度都顯著高于棄渣場和原生植被邊坡，說明高石礫棄渣場在人工植被恢復(fù)在土壤物理性質(zhì)起到了極其重要的作用，可較好地改善棄渣場土壤結(jié)構(gòu)，孔隙度較大，儲存土壤水分能力較強(qiáng)，有利于植物根系生長。

土壤化學(xué)性質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量的重要參數(shù)，決定了植被分布格局，影響著植物生長發(fā)育狀況。在岷江上游高石礫棄渣場土壤開展人工建植能夠有效改善土壤性質(zhì)，土壤營養(yǎng)元素也將會發(fā)生不同的變化。本研究中，人工植被恢復(fù)高石礫棄渣場土壤pH值顯著降低，在植被恢復(fù)過程，土壤pH 調(diào)節(jié)植物營養(yǎng)有效性，影響土壤微生物活性，改變土壤可溶性養(yǎng)分含量，導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化[29-30]，使其有利于植被生長。土壤有機(jī)碳是影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[31]，以往的研究表明，植被恢復(fù)后，土壤有機(jī)碳含量能夠顯著增加[13,32-33]。本研究也得出了相同結(jié)論，人工植被恢復(fù)高石礫棄渣場土壤有機(jī)碳含量顯著增加。土壤C、N、P、K是土壤重要組成元素[34]，人工植被恢復(fù)高石礫棄渣場土壤全氮、全磷、速效鉀和有效磷含量顯著高于棄渣場和原生植被坡面。這與庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型土壤化學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果一致[21]。綜上所述，在岷江上游高山峽谷區(qū)人工建植后，地上植被凋落物不斷積累，使得土壤養(yǎng)分增加，提高了土壤肥力，可以滿足地上植被生長的需要，加速植被恢復(fù)過程，從而進(jìn)一步提升恢復(fù)后的景觀效果。

3.2 人工植被恢復(fù)措施對高石粒棄渣邊坡土壤化學(xué)計(jì)量特征

土壤化學(xué)計(jì)量與植物的生長和土壤肥力密切相關(guān)[35]，本研究中人工植被恢復(fù)下土壤C∶N、N∶P和C∶P比值增加，這與其他學(xué)者研究結(jié)果相同[36]。土壤C∶N值反映了C 和N 之間的平衡關(guān)系，與土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率呈反比，土壤C∶N 值越小，表明其礦化作用越快，不利于有機(jī)質(zhì)的積累[37]，棄渣場坡面土壤C∶N低于人工植被恢復(fù)原生植被坡面，說明未治理的棄渣場土壤礦化作用越快，不利于有機(jī)質(zhì)積累[37]，未治理的棄渣場養(yǎng)分含量低；而經(jīng)過植被恢復(fù)的土壤C∶N高于原生植被坡面，人工恢復(fù)使得土壤有機(jī)質(zhì)分解較慢且土壤碳氮“匯”能力強(qiáng)，提高了土壤肥力。

土壤C∶P可以衡量土壤磷有效性的高低，反映微生物對土壤有效磷代謝趨勢及吸收固持磷元素的潛力[38-39]。人工植被恢復(fù)高石礫棄渣場土壤C∶P高于全國平均值(105)[40]，C∶P比值高反映土壤微生物對土壤有效磷具有同化趨勢，具有較強(qiáng)的固磷潛力[40]。

土壤N∶P可以作為衡量氮磷養(yǎng)分元素限制的指標(biāo)[41]。棄渣場土壤N、P含量顯著低于原生植被土壤，說明棄碴場土壤N、P養(yǎng)分受到了限制。人工植被恢復(fù)高石礫棄渣場土壤N∶P，高于全國土壤平均值(5.2)[40]，且顯著高于棄渣場。與原生植被坡面相比，人工植被恢復(fù)的棄渣場土壤N∶P增加，但差異不顯著，主要可能由于恢復(fù)時間較短，恢復(fù)后土壤N∶P沒有明顯增加。綜上所述，人工植被恢復(fù)后棄渣場土壤N、P含量增加，不再受N、P元素的限制，N∶P達(dá)到了平衡，人工植被恢復(fù)棄渣場具有良好的固氮和固磷的作用。

3.3 人工植被恢復(fù)措施對高石粒棄渣邊坡土壤質(zhì)量評價

土壤質(zhì)量指標(biāo)能綜合反映土壤生產(chǎn)力的高低和對逆境的適應(yīng)能力。本研究利用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法探討了人工植被恢復(fù)措施對高石粒棄渣邊坡土壤環(huán)境變化，定量評價了人工植被恢復(fù)措施對土壤質(zhì)量改良的效果。結(jié)果表明，人工植被恢復(fù)的棄渣坡面的土壤質(zhì)量高于原生植被邊坡和棄渣場邊坡土壤。與棄渣場相比，人工植被構(gòu)建有效地改善了土壤理化性質(zhì)，提高了高石礫棄渣場邊坡土壤綜合質(zhì)量。因此在岷江上游生態(tài)脆弱區(qū)棄渣場治理過程中，因地制宜地進(jìn)行人工植被恢復(fù)，能改善脆弱區(qū)的土壤質(zhì)量及生態(tài)系統(tǒng)功能。

4 結(jié) 論

本論文主要得到三個結(jié)論：①人工植被恢復(fù)棄渣場土壤容重降低，土壤飽和水含量、毛細(xì)管孔隙度、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、總氮含量、全磷含量、速效鉀含量和有效磷含量顯著提高。說明人工干預(yù)可以快速有效改善微地形立地條件，創(chuàng)造更適于植被生長的土壤環(huán)境，通過人為養(yǎng)護(hù)提高植被成活，早起植被成活后可以通過根系與土壤的相互作用對微生鏡的水分、養(yǎng)分利用進(jìn)行再次合理分配，更加有利于促進(jìn)植被的自然更新。人為干擾可以促進(jìn)、加速棄渣坡面植物群落向更高演替階段發(fā)展。②人工植被恢復(fù)棄渣場土壤C∶N高于棄渣場，而土壤N∶P和C∶P顯著高于棄渣場，說明人工治理后棄渣場土壤化學(xué)計(jì)量比處理平衡狀態(tài)，不受SOC和P的限制。這為土壤養(yǎng)分的限制情況、循環(huán)和平衡調(diào)控機(jī)制提供理論依據(jù)。③通過人工干預(yù)，高石粒棄渣邊坡土壤質(zhì)量綜合指數(shù)提高，可以有效地促進(jìn)高石粒棄渣邊坡植被的恢復(fù)，從而進(jìn)一步促進(jìn)邊坡土壤質(zhì)量向更有利于植物生長的方向發(fā)展。使植被與土壤相互促進(jìn)更有利于邊坡防護(hù)、生態(tài)環(huán)境的改善以及景觀格局的改善與提升。因此對于高石粒棄渣邊坡開展人工植被恢復(fù)措施是及其必要的。這些研究將豐富該地區(qū)植被生態(tài)學(xué)及恢復(fù)生態(tài)學(xué)的內(nèi)容，為岷江上游退化山地生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)和重建提供了一定的理論依據(jù)。