煤矸石和鈣結(jié)石對植物生長和土壤含水量的影響*

米美霞，邵明安，武小剛，陳玉鵬

煤矸石和鈣結(jié)石對植物生長和土壤含水量的影響*

米美霞1，邵明安2，3?，武小剛1，陳玉鵬1

（1．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西太谷 030801；2．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；3．中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與早地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

確定煤矸石和鈣結(jié)石對植物生長和土壤水分變化的影響，是準(zhǔn)確量化黃土高原地區(qū)土壤含水量和科學(xué)制定植被恢復(fù)策略的基礎(chǔ)。通過小區(qū)試驗，將土壤分別與煤矸石和鈣結(jié)石混合后（碎石含量為 300 g·kg–1）填裝至2 m3的地下小區(qū)中，以不含碎石土壤為對照，種植檸條（Kom.）和苜蓿（），定期觀測植物生長指標(biāo)和含水量。結(jié)果表明：（1）煤矸石對植物生長具有抑制作用，鈣結(jié)石則無顯著影響。含煤矸石土壤中檸條和苜蓿累積生物量較無碎石土壤中分別低47%和21%，較含鈣結(jié)石土壤中分別低45%和24%。苜蓿對含煤矸石土壤的適應(yīng)性優(yōu)于檸條。（2）介質(zhì)類型對土壤含水量變化的影響較植物類型更為顯著，含煤矸石土壤含水量顯著高于其他兩種介質(zhì)，30～50 cm土層深度差異更顯著。（3）檸條小區(qū)中，含煤矸石土壤與鈣結(jié)石土壤中蒸散量的差值分別占土壤平均儲水量的12%和23%。苜蓿小區(qū)中，含煤矸石、鈣結(jié)石土壤與無碎石土壤中蒸散量的差值分別占土壤平均儲水量的–11%和11%?？梢?，煤矸石和鈣結(jié)石對土壤水分損失的抑制作用不同，隨植物種類而變化。在預(yù)測區(qū)域土壤含水量時，煤矸石和鈣結(jié)石對含水量的影響不可忽略，尤其在植被生長條件下。

碎石；植物生物量；土壤水分；黃土高原

含煤矸石土壤和含鈣結(jié)石土壤是黃土高原兩種重要的立地類型。煤矸石是采煤、洗煤過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，鈣結(jié)石是土壤中碳酸鈣長期淋溶、淀積和干濕交替作用下形成的鈣質(zhì)結(jié)核。土壤中煤矸石和鈣結(jié)石的存在影響入滲、蒸發(fā)、溶質(zhì)運移等水文過程。Zhou等[1-2]研究表明，煤矸石和鈣結(jié)石對土壤水分入滲均具有阻礙作用：隨煤矸石含量的增加，入滲速率和彌散系數(shù)均減??；鈣結(jié)石含量小于40%，入滲速率和彌散系數(shù)隨碎石含量增加而減小，超過40%則有增加的趨勢。甄慶等[3]也得出土石混合結(jié)構(gòu)入滲小于黃土，含煤矸石土壤中入滲鋒深度、累積入滲均大于含鈣結(jié)石土壤。在總水分條件一致的情況下，兩種碎石均具有抑制土壤蒸發(fā)的作用：煤矸石含量由15%增加至75%，累積蒸發(fā)減小比例由5%增加至23%；鈣結(jié)石含量由10%增加至50%，累積蒸發(fā)減小比例由14%增加至21%[4-5]。碎石對蒸發(fā)的影響與水分條件有關(guān)，早有研究[6-7]表明，初始濕潤條件下碎石的存在抑制土壤蒸發(fā)，但初始干燥條件下則促進(jìn)蒸發(fā)。植被生長條件下，碎石對植物吸水過程亦具有顯著影響。Tétégan等[8]通過室內(nèi)盆栽試驗證實耗水過程中碎石含水量開始減小的時間滯后于土壤，植物可直接利用碎石中的水分，尤其是高碎石含量（40%）土壤。Korboulewsky等[9]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，土壤中多孔碎石能夠緩解植物水分脅迫，無孔碎石無此特征。Ceacero等[10]最新研究發(fā)現(xiàn)，地中海氣候條件下碎石對土壤水分時空動態(tài)變化和水分利用效率的影響大于傳統(tǒng)耕作管理。

煤矸石的存在對植物生長有重金屬毒害的風(fēng)險，毒害作用大小受物種、植物生長期和植物年齡影響，學(xué)者們特別關(guān)注煤矸石填埋造成的負(fù)效應(yīng)[11-12]，而對其影響植物生長后造成土壤水分動態(tài)變化的研究較少。含鈣結(jié)石土壤中植物生長與鈣結(jié)石含量有關(guān)，高鈣結(jié)石含量（50%）對植物生長亦具有負(fù)效應(yīng)[13]。一定碎石含量條件下，煤矸石和鈣結(jié)石對植物生長特征的影響是否存在差異尚需進(jìn)一步研究。黃土高原地區(qū)水分是植物生長的主要限制因素，含煤矸石和鈣結(jié)石土壤作為該區(qū)兩種重要的立地類型，其水分變化特征尚不清楚。明確此兩種立地條件下水分變化特征及其差異性是進(jìn)行區(qū)域水分管理和植被建設(shè)的依據(jù)，也是預(yù)測黃土高原土壤水分變化、明確該區(qū)水分循環(huán)特征的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

土壤、鈣結(jié)石均取自黃土高原北部的六道溝流域（38°46￠N～38°51￠N，110°21￠E～110°23￠E；海拔1 081～1 274 m），煤矸石取自于六道溝煤礦周圍。六道溝流域位于陜西神木縣以西14 km處，地處半干旱氣候區(qū)，多年日平均氣溫為8.6 ℃，≥10°C年積溫3 232 ℃，1996—2015年年均降水量為412 mm。2015年和2014年每日降水和氣溫如圖1所示，年平均降水量分別為405.0和422.3 mm，年內(nèi)日平均氣溫分別為9.7 ℃和9.6 ℃。該區(qū)降水多發(fā)生在7—9月，每年無霜期約為169 d，平均年水面蒸發(fā)量為785 mm。該區(qū)以風(fēng)積黃土為主，土壤pH8.5～8.8，平均砂粒、粉粒和黏粒含量分別為72.9%、17.8%和9.3%（體積分?jǐn)?shù)），為砂壤土（國際制），土壤中鈣結(jié)石豐富。該區(qū)主要植物有長芒草（Trin）、檸條（Kom）、紫花苜蓿（）等。

1.2 試驗布設(shè)

本研究通過小區(qū)模擬試驗實現(xiàn)。設(shè)計煤矸石和鈣結(jié)石的含量均為300 g·kg–1與土壤均勻混合后填裝，填裝體積約為2 m3，無碎石土壤為對照，選擇研究區(qū)兩種典型植物——灌木檸條和草本植物苜蓿為供試植物。共六個處理，可表示為無碎石土壤+檸條（SKP）、含煤矸石土壤+檸條（GKP）、含鈣結(jié)石土壤+檸條（CKP）、無碎石土壤+苜蓿（SPA）、含煤矸石土壤+苜蓿（GPA）、含鈣結(jié)石土壤+苜蓿（CPA），設(shè)置3次重復(fù)，共建立模擬小區(qū)18個（3介質(zhì)′2植物′3重復(fù)），規(guī)格為2 m′1 m′1 m （長′寬′深）。在六道溝流域內(nèi)約為80 m2的一處平地建造試驗小區(qū)。除草和整平地面后，按照設(shè)計的規(guī)格測量，小區(qū)之間距離為10 cm，分為兩排，各處理小區(qū)隨機排列。隨后將1 m深度土壤挖出，堆放至周圍晾曬。晾曬期間建造小區(qū)，小區(qū)四周為磚砌墻壁，砌好之后用水泥抹墻，中間兩兩小區(qū)共用一面墻壁，填裝之前四周鋪上防水隔層，防止水分側(cè)滲，墻體厚度為10 cm。小區(qū)規(guī)格及填裝詳見圖2。

填裝前，分別測定煤矸石和鈣結(jié)石的基本物理性質(zhì)，結(jié)果見表1。煤矸石中2～10 mm粒徑為主，其次為10～20 mm。鈣結(jié)石中以20～30 mm（>500 g·kg–1）粒徑為主，其次為大于40 mm，10～40 mm大小的鈣結(jié)石含量約700 g·kg–1。Gong 等[14]研究表明，該區(qū)鈣結(jié)石以粒徑范圍10～50 mm為主，覆蓋度超過三分之二。因此，本研究所用鈣結(jié)石基本符合研究區(qū)實際情況。根據(jù)容重和飽和含水量可判斷煤矸石孔隙度和持水容量大于鈣結(jié)石。將土壤或土石混合物稱量、混合、分層回填至小區(qū)內(nèi)，控制土壤容重為1 400 kg·m–3，填裝深度為0.95 m，表層覆蓋5 cm土壤層，利于播種。填裝過程中在小區(qū)中央安裝1 m深的中子管，用于水分的連續(xù)定位監(jiān)測。

2014年4月初進(jìn)行植物播種，檸條種植密度為每小區(qū)34株，苜蓿為每小區(qū)34叢（圖2a）。株或叢之間橫向距離為20 cm，縱向距離為25 cm。

表1 煤矸石和鈣結(jié)石物理性質(zhì)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 含水量測定方法 中子法（CNC503DR，中子儀，北京）測定土壤和土石混合介質(zhì)含水量，測定時間為2014年6—10月和2015年4—10月。每1～2周測定一次，至2015年10月共測定34次。中子儀測定水分標(biāo)定結(jié)果受土壤質(zhì)地、介質(zhì)組成、容重等因素影響，因此需對含煤矸石和鈣結(jié)石土壤進(jìn)行專門的標(biāo)定。待小區(qū)自然沉降2周后，挖掘法測定0～20、20～30、30～40、40～50 cm四個層次土壤和煤矸石/鈣結(jié)石質(zhì)量含水量，取樣容積約200 cm3。根據(jù)式（1）計算得到含碎石土壤含水量。

式中，mT代表含碎石土壤質(zhì)量含水量，g·g–1；mrf代表煤矸石/鈣結(jié)石質(zhì)量含水量，g·g–1；ms代表土壤質(zhì)量含水量，g·g–1；m代表煤矸石/鈣結(jié)石含量，本研究中為300 g·kg–1。根據(jù)容重和質(zhì)量含水量估算得到容積含水量。中子儀20 cm處的測定值對應(yīng)0～20 cm與20～30 cm兩個層次平均含水量，30 cm處的測定值對應(yīng)20～30 cm與30～40 cm兩個層次平均含水量，40 cm處測定值以此類推。標(biāo)定結(jié)果如下：

式中，vs、vg和vc分別代表土壤、含煤矸石土壤、含鈣結(jié)石土壤中的容積含水量，cm3·cm–3；CRs、CRg和CRc分別代表三種介質(zhì)中中子計數(shù)比，為中子儀讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)的比值。中子法測定時表層有中子外溢，底層有土石混合物與下部土壤層次的過渡層。因此，測定深度從20 cm開始，20 cm深度以下每10 cm測定一次，測定深度至80 cm。

1.3.2 植物生長指標(biāo)測定 從2014年7月開始每月測定1～2次株高、基徑（灌）、葉面積指數(shù)和覆蓋度。株高用不銹鋼尺測定，精度為0.1 cm。檸條基徑用游標(biāo)卡尺測定，精度為0.01 mm。每個檸條小區(qū)選擇6株能夠代表小區(qū)中平均生長狀況的植株作為樣株，做好標(biāo)記。葉面積指數(shù)用植物冠層分析儀（LAI 2200c，LI-COR Inc.，美國）于測定日期當(dāng)天18:00左右測定。覆蓋度測定時首先用數(shù)碼相機（DSC hx1，索尼）距離地面1.5 m垂直于地面拍照，然后用Image-Pro Plus 6.0 軟件處理（Media Cybernetics，Inc.，美國）。為確保研究期間植物不被破壞，檸條生物量通過植物異形生長公式[15]模擬得到：

式中，字母a和b為經(jīng)驗參數(shù)，通過模擬得到；代表植物地上部分生物量，g；和分別代表株高（cm）和基徑（mm）。本研究中a和b兩個經(jīng)驗參數(shù)通過實測106株檸條株高、基徑和生物量，并分析其關(guān)系得到（a = 0.94，b = –4.79，2= 0.98，標(biāo)準(zhǔn)誤為0.20）。檸條小區(qū)6株樣株生物量的平均值乘以本小區(qū)株數(shù)代表每小區(qū)檸條地上部生物量。根據(jù)苜蓿生長特征，每年開花兩次，一次為8月，一次為10月，每年收割兩次，兩茬生物量加和即為當(dāng)年累積生物量。

1.3.3 其他指標(biāo) 土壤顆粒組成使用馬爾文激光粒度儀（MS-2000，Malvern Inc.，英國）測定；煤矸石/鈣結(jié)石尺寸通過篩分法測定；容重通過排水法測定；飽和含水量通過浸泡96 h后稱重、烘干測定。降水量通過直徑為20 cm的標(biāo)準(zhǔn)雨量桶測定，氣溫數(shù)據(jù)來源為神木侵蝕與環(huán)境試驗站氣象站。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 數(shù)據(jù)分析方法 介質(zhì)類型和植物種類對含水量的影響及二者交互作用、二者與季節(jié)變化和植物種類的交互作用通過多因素方差分析進(jìn)行：含水量為自變量，介質(zhì)類型、植物種類、土層深度和季節(jié)作為固定因子。深度為20、30、40、50、60、70和80 cm 7個深度，季節(jié)為4月、5月、6月、7月、8月、9月和10月7個月份，為 2014、2015年兩年對應(yīng)月份平均值，其中4月和5月為2015年測定結(jié)果。介質(zhì)類型和植物種類對土壤儲水量變化值和蒸散量的影響及二者交互作用亦采用多因素方差分析進(jìn)行。最小顯著差異（LSD）法進(jìn)行多重比較，在95%置信區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。通過Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存和處理，SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析和方差分析。

1.4.2 儲水量變化值和蒸散量的計算 0～80 cm月平均儲水量（mm）通過含水量和土層深度來計算：

式中，常數(shù)10為cm向mm轉(zhuǎn)化系數(shù)；為土層深度，cm，本研究中為80；`θ為各深度含水量平均值，代表0～80 cm土層中平均含水量，cm3·cm–3。每月各次測定的含水量平均值代表本月含水量。通過計算可得到2014年6—10月5個月、2015年4—10月7個月各月平均儲水量。每月平均儲水量與2014年6月平均儲水量的差值（Δ）代表各月儲水量相對于研究初期儲水量的變化情況，依次可表示為Δ1，Δ2，…，Δ11（mm）來表示，對應(yīng)的時間可表示為1，2，…，11。通過水量平衡計算蒸散量（ET，mm）。本研究試驗場地為平地，無地表徑流；植株幼小，冠層截留很小，可忽略；因此，進(jìn)入每個小區(qū)中降水量（，mm）一致。若忽略深層滲漏，蒸散量計算公式為：

2 結(jié) 果

2.1 不同介質(zhì)類型對植物生長的影響

煤矸石對植物生長的影響顯著，鈣結(jié)石對植物生長無顯著影響。含煤矸石土壤中植物株高、基徑、生物量、葉面積指數(shù)和覆蓋度均顯著小于對照土壤和含鈣結(jié)石土壤（表2）。至2015年10月，含煤矸石土壤中檸條和苜蓿累積生物量較對照土壤中分別低47%和21%，較含鈣結(jié)石土壤分別低45%和24%。煤矸石對植物生長的抑制作用隨植物年齡和種類變化。2014年對照土壤、含煤矸石土壤、含鈣結(jié)石土壤中檸條地上部生物量分別為168.1、78.4和171.6 g，苜蓿地上部生物量分別為239.5、176.0和229.2 g。2015年三種介質(zhì)中檸條地上部生物量（總生物量減去2014年生物量）分別為305.1、174.6和284.4 g，苜蓿地上部生物量分別為146.0、153.8和168.6 g。2014和2015年含煤矸石土壤中檸條地上部生物量較對照土壤中分別減小53%和43%；2014年含煤矸石土壤中苜蓿地上部生物量較對照土壤中降低26%，2015年則略大于對照土壤（5%）?？梢娒喉肥瘜?齡植物生長的抑制作用更為顯著，對苜蓿的抑制作用弱于檸條。此外，2014年檸條生物量高于苜蓿，2015年則反之，反映了灌草生長特征的差異。

表2 不同介質(zhì)類型植物生長指標(biāo)比較

注：SKP、GKP、CKP、SPA、GPA和CPA分別代表無碎石土壤+檸條、含煤矸石土壤+檸條、含鈣結(jié)石土壤+檸條、無碎石土壤+苜蓿、含煤矸石土壤+苜蓿、含鈣結(jié)石土壤+苜蓿六個處理（下同）。地上部生物量為累積生物量，其他均為研究期內(nèi)最大值；同一植物同一列中數(shù)字后面不同小寫字母代表在0.05水平差異顯著。Note：SKP，GKP，CKP，SPA，GPA and CPA were the six treatments represented as the fine earth +，the soil containing coal gangues +，the soil containing caliche nodules +，the fine earth + alfalfa，the soil containing coal gangues + alfalfa，the soil containing caliche nodules + alfalfa，repectively（the same below）. All the plant indexes were the maximum value in the study period，but the aboveground biomass was accumulated. Different letters in the same column for the same plant indicated that the difference was significant at 0.05 level.

2.2 土壤含水量變化及其影響因素

2.2.1 土壤含水量時空（垂直）動態(tài)變化 含水量動態(tài)變化可分為三個階段（圖3）：4—6月含水量隨時間呈降低的趨勢，為水分消耗期。7月開始含水量增加并相對穩(wěn)定，水分能夠維持平衡。9月底開始含水量增加，降雨對土壤水分的補償作用顯著。4—6月降雨較少，氣溫逐漸升高，加之植物耗水和土壤蒸發(fā)強烈，土壤水分消耗大。7—9月為雨季，降雨補給量較大，蒸散作用強烈，因此至9月初含水量仍然較低。9月底至10月，植物進(jìn)入慢速生長期或停止生長，耗水減少，氣溫逐漸降低，進(jìn)入水分補償階段。

含水量垂直變化規(guī)律隨季節(jié)而變化：4—6月份和9月初，表層含水量較低，7月、8月和10月則表層含水量大于深層（圖3）。越靠近地表含水量變異性越強，20 cm與30 cm兩個深度含水量隨時間變化趨勢基本一致，變異系數(shù)分別為22%～29%和19%～25%（六個處理對應(yīng)時間序列變異系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，下列深度相同）。40 cm和50 cm兩個深度含水量變異系數(shù)分別為15%～23%和12%～23%，60 cm、70 cm和80 cm三個深度含水量變異系數(shù)分別9%～21%、7%～19%和7%～13%。越靠近表層，土壤水分影響因素更為復(fù)雜，更易隨氣候條件發(fā)生變化，因此變異較強。含水量時空（垂直）動態(tài)變化與王建國等[16]和郭忠升[17]研究一致，與研究區(qū)土壤水分時空變化的一般規(guī)律吻合。

2.2.2 介質(zhì)類型對含水量的影響 介質(zhì)類型、土層深度、季節(jié)和植物類型均對含水量具有極顯著影響（表3）。根據(jù)值大小判斷，介質(zhì)類型對含水量的影響較土層深度、季節(jié)變化和植物種類更為顯著。介質(zhì)類型僅與土層深度具有極顯著的交互作用，土層深度和植物種類均與季節(jié)具有極顯著的交互作用。含煤矸石土壤中含水量顯著高于含鈣結(jié)石土壤和對照土壤，含鈣結(jié)石土壤中含水量與對照土壤含水量無顯著差異（圖3）。除80 cm深度，其他各深度含煤矸石土壤中含水量均顯著高于其他兩種介質(zhì)。介質(zhì)間含水量差值隨著深度增加，具有先增大后減小的趨勢，最大差值對應(yīng)的深度位于30～50 cm，具體深度隨介質(zhì)和植物變化（圖4）。

表3 介質(zhì)類型、土層深度、季節(jié)、植物種類對含水量的影響（多因素方差分析）

注：df為自由度；：通過統(tǒng)計進(jìn)行顯著性檢驗；：統(tǒng)計得到的概率值。下同。Note：df：degree of freedom；：statistic used for significant tests；：the probability associated with F statistic. The same below.

2.2.3 植物種類對含水量的影響 檸條小區(qū)各介質(zhì)平均含水量均顯著大于苜蓿小區(qū)，兩種植物類型對含水量的影響亦隨季節(jié)變化（圖3）。計算同一植物三種介質(zhì)中平均含水量，4月至10月檸條小區(qū)平均含水量高出苜蓿小區(qū)的百分比分別為6.5%、–4.5%、10.6%、17.0%、15.8%、10.3%和6.5%，其中7月和8月兩種植物類型間含水量差異最大。由研究初期至末期，檸條小區(qū)與苜蓿小區(qū)含水量的差異逐漸減小，2014年檸條小區(qū)平均含水量較苜蓿小區(qū)高16%，2015年則不到1%。

2.3 不同介質(zhì)類型下儲水量變化值和蒸散量變化

各月平均儲水量與2014年6月儲水量的差值（Δ）繪于圖5（左）。檸條小區(qū)中，2015年4月（T5）之前Δ由高到低依次為含煤矸石土壤、含鈣結(jié)石土壤、對照土壤，含煤矸石土壤和含鈣結(jié)石土壤中儲水量均增加，而對照土壤中減小。在T5之后，含煤矸石土壤中儲水量開始減少，至2015年6月（T7）Δ轉(zhuǎn)變?yōu)橛筛叩降鸵来螢楹}結(jié)石土壤、含煤矸石土壤、對照土壤。苜蓿小區(qū)中，隨著時間推移，介質(zhì)間儲水量變化值的差異逐漸增加，Δ由高到低順序為含鈣結(jié)石土壤、對照土壤、含煤矸石土壤。

至2015年10月（T11）檸條小區(qū)中土壤中儲水量減少了30 mm，含煤矸石土壤中減少了20 mm，含鈣結(jié)石土壤中減少了10 mm。苜蓿小區(qū)中土壤儲水量減少1 mm，含煤矸石土壤中減少10 mm，含鈣結(jié)石土壤中儲水量增加了8 mm。降水一致的情況下，忽略深層滲漏，土壤儲水量與蒸散量此消彼長。至研究末期，檸條小區(qū)中，對照土壤、含煤矸石土壤和含鈣結(jié)石土壤累積蒸散量分別為686、676和666 mm；苜蓿小區(qū)中，對照土壤、含煤矸石土壤和含鈣結(jié)石土壤累積蒸散量分別為657、666和647 mm。

以介質(zhì)類型和植物種類為變量，對研究期間儲水量變化值和蒸散量進(jìn)行二因素方差分析，結(jié)果表明：介質(zhì)類型和植物種類對儲水量變化值和蒸散量均具有顯著影響，且二者具有極顯著的交互作用（表4）。

表4 介質(zhì)類型和植物類型對研究期間儲水量變化值和累積蒸散量的影響（二因素方差分析）

3 討 論

3.1 介質(zhì)類型對植物生長的影響

本研究以灌木檸條和草本苜蓿2齡幼苗為研究對象，兩種植物在含煤矸石土壤和含鈣結(jié)石土壤中均可存活。煤矸石對植物生長具有消極影響（表2），這與前人研究結(jié)果[18-19]一致。煤矸石富含重金屬和硫，鹽度和酸堿度與土壤不同，其存在改變了土壤生態(tài)環(huán)境[18，20]，是其對植物生長具有負(fù)效應(yīng)的主要原因。已有研究表明，神木礦區(qū)土壤存在鎘（Cd）和鎳（Ni）污染，其中Cd含量平均值超過0.40 mg·kg–1，超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)土壤背景值[21-22]，土壤pH低于非礦區(qū)[23]。1齡植物幼小，抵抗土壤環(huán)境變化的能力較弱，受煤矸石的影響更為顯著。含煤矸石土壤與無碎石土壤中苜蓿地上部生物量差異較檸條更小（表2），說明不同類型植物對煤矸石的適應(yīng)性不同，苜蓿優(yōu)于檸條。因此，在制定含煤矸石土壤中植被恢復(fù)策略時，應(yīng)優(yōu)先選擇苜蓿。

鈣結(jié)石對植物生長無顯著影響。Mi等[13]在本研究同期也設(shè)計土柱試驗研究了鈣結(jié)石含量（100、300、500 g·kg–1）對檸條生長的影響，土柱試驗中300 g·kg–1鈣結(jié)石土壤中水分利用效率高于無碎石土壤，但兩種介質(zhì)中植物生長狀況相似，與本研究小區(qū)試驗的研究結(jié)果一致。土柱試驗中鈣結(jié)石含量達(dá)到500 g·kg–1，對植物生長才會有明顯抑制作用。碎石影響植物生長的物理機制為：土壤中碎石的存在能夠增加大孔隙數(shù)量[24]，利于根系穿插和優(yōu)化土壤孔隙比例；碎石中水分可供植物吸收利用，能夠緩解水分脅迫[8]；碎石的存在還具有保溫作用[25]。同時，碎石的存在占據(jù)一部分土壤體積，減小土壤中總有效水含量；碎石硬度大，增加植物根系的穿插阻力。前者利于植物生長，為正效應(yīng)；后者則限制植物生長，為負(fù)效應(yīng)。中等含量鈣結(jié)石對植物生長幾乎無影響，說明鈣結(jié)石對植物生長的正負(fù)效應(yīng)相抵，當(dāng)鈣結(jié)石含量達(dá)到500 g·kg–1，對植物生長的負(fù)效應(yīng)顯著。

3.2 介質(zhì)類型對土壤含水量的影響

本研究中含水量高低與植物生長狀況剛好相反，不含碎石土壤和含鈣結(jié)石土壤中植物生長狀況較好，對應(yīng)含水量低，含煤矸石土壤中植物生長弱，對應(yīng)含水量高（表2和圖3）。煤矸石和鈣結(jié)石均具有抑制土壤蒸發(fā)的作用，因此，植物耗水量小可能是含煤矸石土壤含水量較高的主要原因。本研究中含煤矸石土壤與上覆土層的煤矸石填充重構(gòu)土壤中含水量變化不同。上覆土層的煤矸石填充重構(gòu)土壤水分在覆土層與矸石層發(fā)生突變，覆土層含水量顯著大于矸石層[26]。

含鈣結(jié)石土壤與無碎石土壤含水量無顯著差異（圖3）。本研究結(jié)果與Ceacero等[10，27]和Novák和Kňava[28]研究不同，他們研究表明，隨著碎石含量的增加，含水量降低。碎石含量越高，土壤中非（弱）持水性介質(zhì)的體積增加，可導(dǎo)致總含水量減小。Tétégan等[8]利用具有吸水性的卵石（孔隙度范圍為6%～37%）研究得出，植物也可從碎石中吸水，碎石具有水庫的作用，這說明吸水性碎石參與水分循環(huán)過程。因此，碎石的吸水能力影響土石混合介質(zhì)中含水量。本研究中鈣結(jié)石飽和含水量達(dá)0.160 cm3·cm–3。而Ceacero 等[10，27]研究中石灰石碎石的平均孔隙度僅有1.3%，遠(yuǎn)小于鈣結(jié)石。Novák和Kňava[28]所研究的碎石為花崗巖碎石，測定的最大持水量范圍為0.02～0.16 cm3·cm–3，也小于鈣結(jié)石。此外，Mi 等[13]研究證實累積同等質(zhì)量的生物量，300 g·kg–1含鈣結(jié)石土壤中植物蒸騰消耗的水分最少。Ceacero 等[10]的研究認(rèn)為碎石含量為17%時水分利用效率最高，也證實確實存在一個最優(yōu)的碎石含量，對應(yīng)水分利用效率最高。本研究中含鈣結(jié)石土壤與無碎石土壤中植物地上部生物量相近（表2），蒸騰耗水量應(yīng)為含鈣結(jié)石土壤低于對照土壤，與前人研究的土壤蒸發(fā)結(jié)果結(jié)合，可推斷蒸散量應(yīng)為含鈣結(jié)石土壤低于對照土壤，與本研究結(jié)果（圖5右）吻合。

兩種植物對水分變化的響應(yīng)不同（圖3），與灌草生長特征差異有關(guān)。檸條為單株栽種，研究初期植株幼小，蒸騰耗水量小，小區(qū)內(nèi)含水量高；研究后期隨植株長大，蒸騰耗水量持續(xù)增加，小區(qū)內(nèi)含水量逐漸減?。卉俎Ｔ谘芯砍跗谏L較快，耗水量大于檸條，但后期耗水量小于檸條。至研究末期兩種植物對應(yīng)小區(qū)內(nèi)水分幾乎一致（圖3），總耗水量為檸條小區(qū)高于苜蓿小區(qū)。檸條和苜蓿小區(qū)中無碎石土壤月平均儲水量分別為86和81 mm，含煤矸石、鈣結(jié)石土壤與無碎石土壤中蒸散量的差值分別占土壤平均儲水量12%和23%，這說明煤矸石和鈣結(jié)石均具有抑制土壤水分消耗的作用，鈣結(jié)石的抑制作用強于煤矸石。苜蓿小區(qū)中含煤矸石、鈣結(jié)石土壤與無碎石土壤中蒸散量的差值則分別占土壤平均儲水量–11%和11%。苜蓿小區(qū)中煤矸石的存在對土壤水分消耗無抑制作用，鈣結(jié)石的抑制作用弱于檸條（圖5）。煤矸石和鈣結(jié)石對土壤水分消耗的抑制作用對于持續(xù)耗水且耗水量高的檸條更為顯著。

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計小區(qū)試驗，模擬黃土高原地區(qū)兩種特殊的立地類型—含煤矸石土壤和含鈣結(jié)石土壤，并以無碎石土壤作為對照。通過分析典型人工灌木和草本植物幼齡階段的生長指標(biāo)及各介質(zhì)中含水量，得到以下結(jié)論：煤矸石對檸條和苜蓿的生長均具有顯著抑制作用，且對檸條生長的抑制作用更強。介質(zhì)類型和植物種類對含水量均具有顯著影響，僅介質(zhì)類型和土層深度對含水量的影響具有顯著交互作用。檸條和苜蓿小區(qū)中含煤矸石土壤含水量均顯著高于無碎石土壤和含鈣結(jié)石土壤，后兩種介質(zhì)中則無顯著差異。0～80 cm土層中，介質(zhì)間含水量的差異隨土層深度增加呈先增加后減小的趨勢，在30～50 cm深度范圍差異最大。煤矸石和鈣結(jié)石對土壤水分消耗的抑制作用與植物類型有關(guān)，對苜蓿小區(qū)中抑制作用弱于檸條小區(qū)，與植物對介質(zhì)的適應(yīng)性和前期耗水情況有關(guān)。

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The Effects of Coal Gangues and Caliche Nodules on Plant Growth and Soil Moisture

MI Meixia1, SHAO Ming’an2,3?, WU Xiaogang1, CHEN Yupeng1

(1. College of Urban and Rural Construction,Shanxi Agricultural University,Taigu,Shanxi 030801,China; 2. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China; 3. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Resources,Yangling,Shaanxi 712100,China)

【Objective】Plot tests were designed to study the effects of coal gangues and caliche nodules on the characteristics of plant growth and soil water content on the Loess Plateau. This study was important for accurate quantification of soil water content and scientifically formulating vegetation restoration strategies. 【Method】(Kom.) and alfalfa () were planted in 2 m3experimental plots underground, containing reconstituted soil, made up of the fine earth and either coal gangues or caliche nodules (300 g·kg–1) under natural climate conditions. The water content and plant growth were regularly observed.【Result】The results showed that coal gangues negatively affected plant development and quality, while caliche nodules had no significant effect. The accumulative aboveground biomass ofand alfalfa in the soil containing coal gangues was 47% and 21% lower than that in the fine earth, respectively. Also, the accumulative aboveground biomass ofand alfalfa in the soil containing coal gangues was 45% and 24% lower than that in the soil containing caliche nodules, respectively. Therefore, the adaptability of alfalfa to the soil containing coal gangues was better than that of. Plant species had weak effects on soil water content when compared to the media types. The water content of the soil with coal gangues was significantly higher than that of the other two media. The differences in the water content between medium types were the largest at a depth of 30 to 50 cm. Whenwas planted, the differences of evapotranspiration between soils containing coal gangues and caliche nodules, and between soils containing coal gangues and the fine earth accounted for about 12% and 23% of the average water storage of the fine earth, respectively. Also, when alfalfa was planted, the differences of evapotranspiration between soils containing coal gangues and caliche nodules, and between soils containing coal gangues and fine earth accounted for –11% and 11% of the average water storage of the fine earth, respectively. Importantly, the inhibiting effects of coal gangue and caliche nodules on soil water loss were different and varied with plant species.【Conclusion】In conclusion, we observed that the importance of coal gangues and caliche nodules cannot be ignored when predicting soil water content, especially under vegetation coverage.

Rock fragments; Plant biomass; Soil water; The Loess Plateau

S152.7+5

A

10.11766/trxb202012110682

米美霞，邵明安，武小剛，陳玉鵬. 煤矸石和鈣結(jié)石對植物生長和土壤含水量的影響[J]. 土壤學(xué)報，2021，58（6）：1460–1471.

MI Meixia，SHAO Ming’an，WU Xiaogang，CHEN Yupeng. The Effects of Coal Gangues and Caliche Nodules on Plant Growth and Soil Moisture [J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1460–1471.

*國家自然科學(xué)基金項目（41907012）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項目（2017YJ02，2017ZZ12）和山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項目（2020L0169）共同資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41907012），the Scientific and Technological Innovation Programs of Shanxi Agricultural University of China（Nos. 2017YJ02，2017ZZ12）and the Scientific and Technological Innovation Programs of Higher Education Institutions in Shanxi Province of China（No. 2020L0169）

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

米美霞（1986—），女，陜西榆林人，博士，講師，主要從事土壤物理與水文生態(tài)研究。E-mail：meixiami@126.com

2020–12–11；

2021–04–03；

2021–07–07

（責(zé)任編輯：陳榮府）