不同植被恢復(fù)類型對煤炭物流園區(qū)廢棄地土壤理化性質(zhì)的影響

郭 鑫, 高 永, 張 超, 段曉婷, 梁鈺鎂

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

煤炭資源的開發(fā)為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時也產(chǎn)生了一系列環(huán)境問題[1]，在倉儲、加工和運(yùn)輸過程中會產(chǎn)生大量的廢棄地，其表層以煤矸石和碎石形式存在的殘?jiān)蔷薮蟮腃O2排放源[2]，會導(dǎo)致原生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的急劇退化或完全消失[3]，致使土壤肥力下降，周圍植被無法正常生長。寶貴的土地資源遭到破壞，無法發(fā)揮正常使用價值[4]。因此，如何加快廢棄地再開發(fā)，提升土地利用率成為一個重大挑戰(zhàn)。植被恢復(fù)是廢棄地生態(tài)恢復(fù)的重要解決途徑，其不僅修復(fù)成本低，而且對植物群落的構(gòu)建起著強(qiáng)大的作用，還能改善土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤肥力[5]。近年來，學(xué)者們對礦區(qū)廢棄地再利用進(jìn)行了大量研究。由于廢棄地土壤結(jié)構(gòu)性差，有機(jī)質(zhì)含量及植物必需的養(yǎng)分元素缺乏[6]，不利于一些植物生長，故這些研究主要集中于不同植被類型對廢棄地土壤理化性質(zhì)的改良效果，其中以喬灌草結(jié)合為最佳恢復(fù)模式[7]，或是集中研究于最適廢棄地生長的本土植物，如燈芯草和莎草成為錫尾礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的優(yōu)勢植物[8]，對土壤養(yǎng)分分布及有效性有不同程度的改變，從而達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的[9-10]。有學(xué)者[11]對土壤養(yǎng)分隨植被修復(fù)年限的變化進(jìn)行研究，得出土壤有機(jī)碳含量隨喬木林齡的增加顯著升高，土壤中碳儲量增加、有效氮的轉(zhuǎn)化速度加快以及可供植物吸收的磷組分提高，證實(shí)了植被恢復(fù)對土壤理化性質(zhì)存在一定的影響。因此，測定不同植被恢復(fù)類型下土壤理化性質(zhì)的改變對監(jiān)測土壤養(yǎng)分及其循環(huán)有著極為重要的作用。

煤炭物流園區(qū)廢棄地殘?jiān)采w層厚，夯實(shí)力度強(qiáng)，對原有土地?fù)p毀壓占的同時還易造成地表水體有機(jī)物污染和酸堿性污染[12]，生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。目前，煤炭資源開發(fā)利用造成的土地資源破壞問題備受關(guān)注，但已有的研究多關(guān)注生產(chǎn)環(huán)節(jié)廢棄地的生態(tài)修復(fù)問題，而類似煤炭運(yùn)輸、存儲造成的土地資源退化及修復(fù)的問題尚未引起足夠重視。因此本研究以呼和浩特市西南部因煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)過程而產(chǎn)生的特殊退化地為研究對象，通過野外調(diào)查取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，研究不同植被恢復(fù)類型對土壤理化性質(zhì)的影響，分析土壤理化性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性，評價不同植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量，揭示不同植被恢復(fù)類型的修復(fù)成效，為類似廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市土默特左旗白廟子鎮(zhèn)S103省道25 km處廢棄煤炭物流園區(qū)(111°29′22.19″—111°31′47.91″E，40°33′35.77″—40°35′04.48″N)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷、漫長，夏季炎熱且伴隨集中的降水，春季干燥少雨，秋季溫和涼爽。年均氣溫6.3 ℃；年均降水量394.5 mm；海拔981～1024 m。當(dāng)?shù)赝寥酪曰液滞翞橹?，較貧瘠，煤質(zhì)殘?jiān)啵参锔瞪疃容^淺。根據(jù)2021年6月高分遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)目視遙感解譯分析，該區(qū)占地面積690.87 hm2，土地利用類型主要為喬木林、灌木林、草地和煤質(zhì)裸地。其中草地面積最大，為302.74 hm2，以自然恢復(fù)為主，無人為管控，有輕微放牧，主要植物種類為油蒿(Artemisiaordosica)、蒺藜(Tribulusterrestris)、豬毛菜(Salsolacollina)、砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)等草本植物；灌木林面積最小，為21.64 hm2，主要植被種類為胡枝子(Lespedezabicolor)、檉柳(Tamarixchinensis)；喬木混交林面積為92.90 hm2，以小葉楊(Populussimonii)、新疆楊(Populusalba)的人工混交林為主，還包括少量的旱柳(Salixmatsudana)；裸地面積為119.80 hm2，地表無植被覆蓋，無明顯恢復(fù)痕跡。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集 本試驗(yàn)采樣時間為2021年7—8月。為了使調(diào)查樣地更具有代表性，采用樣方方法進(jìn)行試驗(yàn)。選取當(dāng)?shù)刂饕脖晃锓N，并按照不同植被恢復(fù)類型將當(dāng)?shù)赝寥览妙愋蛣澐譃椋簡棠净旖涣?、灌木林、草地和裸?種樣地類型。每個樣地類型設(shè)置3個樣方，共計(jì)12個，在樣方內(nèi)進(jìn)行植物群落調(diào)查，樣方基本情況詳見表1。其中喬木混交林樣方面積20 m×20 m；灌木林樣方面積10 m×10 m；草地和裸地樣方面積均為5 m×5 m。在每個樣方內(nèi)以S形線上隨機(jī)選取3個采樣點(diǎn)，并在各樣點(diǎn)的垂直方向上采用剖面法“自下而上”分別采集3層(0—20，20—40，40—60 cm)土樣，剔除植物根系和煤質(zhì)殘?jiān)捎盟姆址ǚQ取1 kg樣品裝入自封袋并編號，帶回實(shí)驗(yàn)室自然陰干后，過2 mm土篩用于土壤理化性質(zhì)的測定。

1.2.2 試驗(yàn)測定方法 選擇的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)包括土壤容重、含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀。其中，采用烘干法測定土壤含水率；環(huán)刀法分別測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度；重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)；乙酸銨浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀；碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮[13]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2010和 SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用單因素方差分析中最小顯著差異法分析不同植被恢復(fù)類型對土壤理化性質(zhì)的影響，并利用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；運(yùn)用主成分分析法計(jì)算不同植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量綜合指數(shù)；采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)類型對土壤物理性質(zhì)的影響

由圖1可知，隨著土層深度的增加，灌木林、草地和裸地的含水量呈逐漸增大的趨勢，喬木混交林與之相反，0—20 cm土層土壤含水率最高(19.44%)，與灌木林、草地和裸地土壤含水量相比顯著增加了71.13%，84.79%和214.56%。各樣地平均含水率大小分別為：喬木混交林(15.48%)>灌木林(12.86%)>草地(12.54%)>裸地(7.51%)。土壤容重在垂直剖面上均表現(xiàn)為隨土層深度增加而增大的趨勢(圖1)，土壤容重變化范圍在1.32～1.72 g/cm3之間。不同植被恢復(fù)類型相同土層土壤容重均顯著小于裸地(p<0.05)，喬木混交林土壤容重最小，0—20，20—40，40—60 cm土層容重分別為1.37，1.41，1.48 g/cm3。由圖1還可看出，各樣地土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度均隨著土層的加深呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，喬木混交林在0—20，20—40，40—60 cm土層毛管孔隙度均顯著高于其他植被恢復(fù)類型(p<0.05)，分別為35.23%，29.07%，26.52%。不同植被恢復(fù)類型土壤非毛管孔隙度比裸地高8.75%～61.18%，喬木混交林和草地在0—60 cm土層非毛管孔隙均值最大，分別為9.93%和9.01%。各樣地土壤總孔隙度均隨著土層的加深呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(圖1)，其變化范圍為12.15%～46.75%。喬木混交林、灌木林不同土層下總孔隙度均顯著高于裸地(p<0.05)，草地與裸地相比無顯著性差異(p>0.05)。土壤總孔隙度均值表現(xiàn)為：喬木混交林(40.20%)>灌木林(30.28%)>草地(20.10%)>裸地(18.68%)，喬木混交林和灌木林對土壤孔隙結(jié)構(gòu)影響最大，草地最小。

2.2 不同植被恢復(fù)類型對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表2可知，喬木混交林、裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)出隨土層深度增加而減少的趨勢，灌木林土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，草地則與之相反。灌木林在0—20，20—40，40—60 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為11.20，8.41和9.29 g/kg，均顯著高于其他植被恢復(fù)類型(p<0.05)。與裸地相比較，3種植被恢復(fù)類型有機(jī)質(zhì)含量增長了67.87%～160.33%。各樣地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為：灌木林(9.63 g/kg)>喬木混交林(6.76 g/kg)>草地(6.21 g/kg)>裸地(3.70 g/kg)。

圖1 不同植被恢復(fù)類型土壤物理性質(zhì)隨土層深度的變化

在垂直分布上土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為1.52～5.78，0.19～2.00，1.90～32.05 mg/kg，其中速效鉀含量變化范圍較大。隨著土層深度的增加，土壤中堿解氮、速效磷整體呈現(xiàn)下降的趨勢，喬木混交林在0—20 cm土層中堿解氮、速效磷含量最大，分別為裸地的1.7和2倍；草地在20—40，40—60 cm堿解氮含量顯著高于其他植被恢復(fù)類型(p<0.05)，分別為4.61和3.41 mg/kg。喬木混交林20—40 cm土層速效磷含量顯著高于其他植被恢復(fù)類型(p<0.05)，在40—60 cm土層各植被恢復(fù)類型土壤速效磷含量無顯著差異(p>0.05)。各樣地土壤速效鉀平均含量表現(xiàn)為：草地(15.83 mg/kg)>灌木林(13.82 mg/kg)>裸地(11.51 mg/kg)>喬木混交林(5.76 mg/kg)，喬木混交林速效鉀含量最低，為草地的36.39%。灌木林、草地、裸地在40—60 cm土層速效鉀含量出現(xiàn)急劇上升的趨勢，較20—40 cm土層分別增加了1.34，4.74，5.69倍。

2.3 不同植被恢復(fù)類型土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性

表3中速效磷與容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與毛管孔隙度含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(p<0.05)，與非毛管孔隙度、總孔隙度均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(p<0.01)；堿解氮與非毛管孔隙度、速效磷均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(r=0.72，0.74，p<0.01)；有機(jī)質(zhì)與毛管孔隙度、堿解氮、速效磷均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(r=0.59，0.58，0.60，p<0.05)；總孔隙度與容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與毛管孔隙度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(p<0.01)；毛管孔隙度與含水量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(p<0.05)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。

表2 不同植被恢復(fù)類型土壤化學(xué)性質(zhì)隨土層深度的變化

表3 研究區(qū)土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

2.4 不同植被恢復(fù)類型下土壤質(zhì)量綜合評價

采用單一理化性質(zhì)指標(biāo)對土壤的改良效果進(jìn)行評價具有一定的局限性，因此需要對指標(biāo)做綜合分析來評定不同植被恢復(fù)類型對土壤的綜合改良效果。對9個理化性質(zhì)指標(biāo)因子進(jìn)行降維處理，按照特征值>1的原則，提取了3個主成分變量，累計(jì)貢獻(xiàn)率共計(jì)89.00%(表4)，表明所提取的指標(biāo)能夠有效代表土壤的全部信息[14]。其中，含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、速效磷在第一主成分中發(fā)揮了重要的作用，堿解氮、速效鉀在第二主成分中發(fā)揮了重要的作用，有機(jī)質(zhì)在第三主成分中發(fā)揮了重要的作用。將所得載荷系數(shù)除以特征值的平方根得到各成分得分系數(shù)，3個主成分記作Y1，Y2，Y3，其主成分方程為：

Y1=-0.398 7X1+0.396 6X2+0.349 2X3+

0.301 3X4+0.373 9X5+0.258 3X6+

0.241 3X7+0.401 9X8-0.211 7X9

Y2=-0.079 6X1+0.145 3X2-0.312 7X3+

0.100 3X4-0.266 9X5+0.299 4X6+

0.575 2X7+0.005 9X8+0.610 6X9

Y3=0.140 4X1-0.067 3X2+0.270 1X3-

0.630 6X4+0.133 6X5+0.629 7X6-

0.184 6X7+0.130 7X8+0.199 0X9

根據(jù)主成分分析數(shù)學(xué)模型將標(biāo)準(zhǔn)化后的原始數(shù)據(jù)，以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重，計(jì)算綜合主成分值作為綜合得分(表5)，土壤質(zhì)量綜合得分排序?yàn)椋簡棠净旖涣?1.48)>灌木林(0.63)>草地(-0.03)>裸地(-2.07)。

表4 研究區(qū)土壤質(zhì)量各因子載荷矩陣

表5 研究區(qū)土壤質(zhì)量主成分因子得分及綜合評價指數(shù)得分

3 討 論

植被恢復(fù)是煤炭物流園區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的重要方法之一，對研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后，植物可以通過根系穿插作用來改變土壤的緊實(shí)度，凋落物和死亡根系的分解腐化又把大部分無機(jī)營養(yǎng)元素歸還土壤，從而改善土壤理化性質(zhì)[15]。研究區(qū)不同植被恢復(fù)類型對土壤物理性質(zhì)的影響具有顯著性差異(p<0.05)，其中喬木混交林、灌木林的土壤通氣性和孔隙結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)于草地和裸地，主要是因?yàn)閱坦嗄玖种参锓N類豐富，植被間郁閉度高、根系分布廣泛、地表凋落物覆蓋程度較高所致，同時也會對土壤水分涵養(yǎng)能力具有一定影響[16-20]。

土壤有機(jī)質(zhì)的增加對改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤營養(yǎng)元素的分解轉(zhuǎn)化，提高土壤保肥性和緩沖性，對植物生長有促進(jìn)作用。本研究結(jié)果表明，與裸地相比，植被恢復(fù)區(qū)有機(jī)質(zhì)含量增長了67.87%～160.33%，與趙同謙等[16]和王巖等[17]的研究結(jié)果基本一致，主要因?yàn)橹脖挥休^為穩(wěn)定的林分結(jié)構(gòu)，且積累了豐富的枯落層，為有機(jī)質(zhì)的積累提供了重要的來源。相關(guān)性分析表明，有機(jī)質(zhì)與堿解氮、速效磷和毛管孔隙度均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(圖2)，該結(jié)果與諸多學(xué)者研究結(jié)果一致[16-17]。有機(jī)質(zhì)與理化指標(biāo)因子聯(lián)系緊密，可作為植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量變化的重要指示性指標(biāo)，因此在進(jìn)行植被恢復(fù)時要尊重自然演替規(guī)律，盡量減少人為干擾，采用適度的管理措施改善凋落物組成及其性質(zhì)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而達(dá)到改良土壤，提高土壤質(zhì)量的效果[21]。

土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀可供植物直接吸收利用，是反映土壤肥力高低的重要指標(biāo)。不同植被恢復(fù)類型土壤養(yǎng)分含量在不同土層之間存在顯著差異(p<0.05)，草地在0—60 cm土層中堿解氮、速效鉀均值含量最高，這可能是因?yàn)樵谏鷳B(tài)恢復(fù)初期草本植物的發(fā)展是凈初級生產(chǎn)力的重要組成部分，其快速的生長和死亡造成了土壤養(yǎng)分高的現(xiàn)象[22]。各樣地土壤堿解氮和速效磷含量均呈現(xiàn)表層顯著高于深層的特點(diǎn)(p<0.05)，這與前人研究結(jié)果一致[18-20]，主要是因?yàn)橹脖豢萋湮锒嗉杏谕寥辣韺樱S著退化程度加深，歸還于土壤的凋落物逐漸減少，使得養(yǎng)分隨土層深度的增加逐漸減小。速效鉀含量在土壤深層出現(xiàn)明顯的聚集，魏光普等[23]的研究結(jié)果與本文研究相悖，這可能是因?yàn)槊嘿|(zhì)礦物風(fēng)化使鉀離子濃度升高，降低了鉀的有效性，導(dǎo)致土壤鉀素的固定從而避免鉀的流失以及植被對鉀的奢侈吸收，土壤鉀素固定的同時也是土壤速效鉀的潛在來源[24-25]。此外，研究區(qū)保水保肥能力低，而鉀的遷移性較強(qiáng)，因此會出現(xiàn)養(yǎng)分淋失的現(xiàn)象[21,26]。

研究區(qū)地表結(jié)構(gòu)松散，養(yǎng)分貧瘠，需要經(jīng)過一個漫長的過程土壤生態(tài)系統(tǒng)才能恢復(fù)。3種不同植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量綜合評價結(jié)果表明人工喬木混交林對土壤的改良效果最優(yōu)，人工灌木林次之，而天然草地對土壤的改良效果較小。這與劉暢[14]的研究結(jié)果相似，同時人工配置的植被恢復(fù)模式比自然恢復(fù)更有利于土壤理化性質(zhì)的改善[27]。本研究僅對不同植被恢復(fù)類型土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了土壤質(zhì)量評價，而植物根系與土壤微生物對地下生態(tài)系統(tǒng)的影響也是必不可少的，今后還須在不同植被搭配模式下土壤根系、微生物共同成土機(jī)制方面進(jìn)行深入研究，以期完善該區(qū)域不同植被類型土壤質(zhì)量評價體系。

4 結(jié) 論

(1) 植被恢復(fù)對煤炭物流園區(qū)廢棄地土壤理化性質(zhì)有明顯改善作用，對土壤的改善效果與植被類型有關(guān)。

(2) 喬木混交林和灌木林的種植使得土壤質(zhì)地疏松，持水能力強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)良好，土壤中有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，草地對土壤中堿解氮、速效鉀的積累有顯著促進(jìn)作用，但土壤營養(yǎng)元素依舊匱乏，氮、磷和鉀元素處于較低水平。

(3) 土壤養(yǎng)分在土層垂直分布上差異顯著(p<0.05)，堿解氮、速效磷表現(xiàn)為“表聚性”，而速效鉀呈現(xiàn)深層聚集的特點(diǎn)。

(4) 土壤綜合評價結(jié)果表明，喬木混交林對土壤的改良效果最優(yōu)，灌木林次之，而天然草地對土壤的改良效果較小，因此在進(jìn)行植被恢復(fù)時，要根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件，合理配置喬、灌、草比例，進(jìn)而達(dá)到土壤質(zhì)量提升的效果。