黄石采石场废弃地生态恢复过程中的土壤变化

邵怡若 ，许建新 ，，薛 立 ，杨振意 ，吴彩琼 ，卢广超

（1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

黄石采石场废弃地生态恢复过程中的土壤变化

邵怡若1，许建新1，2，薛 立1，杨振意1，吴彩琼2，卢广超1

（1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

以黄石市黄荆山的采石场废弃地为研究对象，在种植槽、挡土墙和飘台设置3个固定样地，测定其在生态恢复过程中土壤特性的变化。研究结果表明：3个样地的土壤容重显著增大，毛管空隙度、非毛管空气度、总孔隙度和毛管持水量均减小。各样地土壤pH减小或稳定，有机质、全N、全P、碱解N、有效P、有效K的含量增加，全K的含量减小，土壤脲酶、磷酸酶活性增大，过氧化氢酶活性在挡土墙和飘台的增大，而在种植槽减小。2013年飘台的有机质、氮、有效磷含量，土壤脲酶和磷酸酶活性均显著大于种植槽和挡土墙。

采石场废弃地；生态恢复；土壤；样地；湖北黄石

随着城市化进程的加快，大量的矿产资源被开发利用[1]，带来了植被破坏和土壤流失等生态环境问题[2-3]。植被的自然恢复过程极其缓慢[4]，往往要花费几十年到一个世纪以上[5-6]，而人工恢复能够实现采石场废弃地表面岩石的稳定和复绿。采石场废弃地的人工恢复是在人的干预下，修复采石场废弃地被破坏的环境，使废弃地重新可以被利用[7]，实质是上是人为加快生态演替的过程[8]。采石场废弃地由于岩石裸露，限制了植物的生长,因此常用客土法修复废弃地。采石场废弃地覆盖客土后，栽植植物能促进有机质的积

累[9-10]，增加土壤N[11]，提高土壤酶活性[12-13]，植物根系通过对土壤的挤压、穿插和分割能够促进土壤团粒结构的形成[14]。尽管土壤对于采石场废弃地的生态恢复至关重要，目前鲜有采石场废弃地土壤特性的报道[15-17]。土壤理化性质反映土壤肥力[18]，土壤酶加速土壤的生物化学过程[19]，其活性表征土壤对植物根系供应养分的潜在能力[20]。作者对黄石市采石场废弃地的种植槽、挡土墙和飘台3种生态恢复模式的土壤理化性质和酶的动态进行研究，以期为采石场废弃地的生态恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省黄石市黄荆山脉北麓5号塘口（30°10′N，115°03′E），属亚热带季风气候，年平均气温17 ℃，年平均降水量1 400 mm。5号塘口为废弃水泥厂开采坡面，岩性为灰岩或石灰岩，坡度近90°，自然植被荡然无存。

1.2 研究方法

1.2.1 生态重建方法

通过在坡顶搭建种植槽（以下称种植槽）、坡下建挡土墙种植台（以下称挡土墙）和坡面搭建飘台种植槽（以下称飘台）对坡面进行工程改良，覆盖客土，种植若干种乡土植物。种植槽、挡土墙和飘台的植物组成见表1。

植物种植密度为乔木株行距1 m，灌木株行距40 cm，藤本株行距20 cm；乔木每个穴种植1株，灌木2株，藤本是2～3株， 2010年3月栽植植物，2013年3月恢复坡面植被覆盖率达100%。客土的pH为5.07，有机质、全N、全P和全K分别为 4.99、0.48、0.28 和 15.68 g·kg-1，碱解 N、有效P 和有效 K 分别为 18.23、11.7和 51.25 mg·kg-1，脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶分别为51.26 mg·kg-1、18.54 mg·kg-1和 2.46 mL·g-1。

表1 三个样地的植物组成Table 1 Plant composition of three experimental plots

1.2.2 采样方法

在种植槽、挡土墙和飘台分别建立固定样地，于2011年4月、2013年4月用环刀法采集0～20 cm土层的土壤测定土壤物理性质。用5点取样法在各样地0～20 cm土层取土样，供土壤化学性质和土壤酶活性分析。

1.2.3 测定指标与测定方法

儿童安全教育是当前教育界非常关注的话题，也是保障儿童能够健康快乐成长的基础和前提，尤其是在儿童安全事故发生后，人们对于儿童安全教育的重视程度越来越高。这就需要真正发挥小学道德与法治课程的作用，帮助学生树立基本的安全意识。道德与法治课程涉及的内容较多，需要教师能够不断创新教学模式，提升课堂教学的有效性，增强学生的道德与法治观念，为学生的健康成长奠定基础。但是，在当前道德与法治教学中依旧存在很多问题，限制了课程价值的发挥。因此，教育者必须不断探索有效教学的策略，提升课堂教学质量。

用环刀法测定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和毛管持水量。将水土以2.5∶1混合后用pH计测土壤pH。有机质用重铬酸钾容量法测定，全N用半微量凯氏法测定。用氢氧化钠碱熔法将土壤样品溶融后提取待测液，用钼蓝比色法测全P，火焰光度计测全K。碱解N用碱解扩散法测定。用0.5 mol·L-1的碳酸氢钠提取土壤样品后，用钼蓝比色法测速效P。用1 mol·L-1的中性醋酸钠提取土壤样品后，用火焰光度计测速效K[21]。

脲酶采用比色法测定, 酶活性以37 ℃下培养24 h 后1 kg 土释放的NH3-H的毫克数表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以37 ℃下培养2 h 后1 kg土消耗五氧化二磷的毫克数表示；过氧化氢酶活性采用0.1 mol·L-1高锰酸钾滴定法测定，酶活性以常温条件培养1 h 后1 g土消耗0.1 mol·L-1KMnO4的毫升数表示[22]。每个指标做3次重复。

1.3 数据处理软件

数据统计分析和作图由Excel和SAS8.1软件系统完成。用Duncan多重比较检验差异显著性，检验显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

2.1.1 土壤物理性质的时间变化

由图1知，与2011年相比，2013年种的植槽、挡土墙、飘台土壤容重分别显著增加28%、12%和23%（P＜0.05）, 毛管孔隙度分别减少8%、18%和15%，非毛管孔隙度分别减少28%、13%和24%，总孔隙度分别减少13%、17%和17%，毛管持水量分别减少为22 %、27 %和31 %（图1）。整体来看土壤趋于干燥紧实。

图1 样地土壤物理性质的时间变化Fig. 1 Variations of soil physical property at different sample plots with time (mean±SE)

2.1.2 土壤物理性质的空间变化

从图2可知，2011年不同样地土壤的容重、毛管孔隙度、总孔隙度和毛管持水量表现为挡土墙＞飘台＞种植槽, 非毛管孔隙度为种植槽＞飘台＞挡土墙，不同样地间的土壤物理性质差异多不显著。2013年挡土墙的土壤毛管孔隙度显著大于飘台和种植槽，挡土墙的土壤毛管水显著大于飘台，3个样地的其余物理性质间差异不显著。

2.2 土壤化学性质

2.2.1 土壤化学性质的时间变化

与2011年相比，2013年种植槽、挡土墙和飘台的土壤pH分别减少1%、9%和13%，土壤有机质、全N、全P和碱解N含量分别显著增加132%、71% 和 24%，45%、14% 和 3%，25%、32%和 14%，80%、50%和 41%（P＜ 0.05），全K含量分别显著减少10%、46%和10%（P＜0.05），有效P分别增加0%、82%和 7%，有效K分别增加8%、94%和11%（图3）。

图2 各样地土壤物理性质的比较（平均值±标准误）Fig. 2 Comparisons on soil physical property at different plots (mean±SE)

2.2.2 土壤化学性质的空间变化

由图4知，2011年和2013年的土壤pH及2011年土壤有机质和全N含量均为飘台＞挡土墙＞种植槽， 2013年土壤有机质和全N含量为飘台＞种植槽＞挡土墙；2011年和2013年土壤全P含量均表现为挡土墙＞飘台＞种植槽（图4）。2011年各样地土壤全K含量为挡土墙＞种植槽＞飘台，2013年为种植槽＞飘台＞挡土墙；2011年土壤碱解N含量为飘台＞挡土墙＞种植槽，2013年为飘台＞种植槽＞挡土墙；2011年各样地土壤有效P含量为飘台＞种植槽＞挡土墙，2013年为飘台＞挡土墙＞种植槽；2011年各样地土壤有效K含量为种植槽＞飘台＞挡土墙，2013年为种植槽＞挡土墙＞飘台。总体来看，2013年3个样地中，飘台的pH、有机质、全N、碱解N和有效P 含量最高，挡土墙的全P含量最高，种植槽的全K和有效K含量最高。

2.3 土壤酶活性

2.3.1 土壤酶活性的时间变化

2011年相比，2013年种植槽、挡土墙和飘台土壤脲酶活性分别显著增加67 %、199%和111%（P＜0.05），磷酸酶活性分别显著增加114%、210%和86%（P＜0.05），过氧化氢酶活性分别显著降低35%和显著增加21%和17%（P＜0.05）（图5）。

2.3.2 土壤酶活性的空间变化

由图6知，2011年的土壤脲酶和磷酸酶活性为飘台＞种植槽＞挡土墙，过氧化氢酶活性为挡土墙＞种植槽＞飘台（图6）。2013年飘台的土壤脲酶和磷酸酶活性显著大于其他样地，2013年过氧化氢酶活性为挡土墙＞飘台＞种植槽（P＜0.05）。

3 结论与讨论

图3 各样地土壤化学性质的时间变化（平均值±标准误）Fig. 3 Variations of soil chemical property at different plots with time (mean±SE)

本研究中3种恢复模式样地的土壤容重显著增大，毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均有所降低，可能是由于各样地采用客土种植，试验初期土壤较为疏松。由于样地四周和下面都是坚硬的岩石，种植植物的根系生长有限，样地内的土体会随着降水而回落，土壤容重随着时间推移而逐渐增大，孔隙度减小，毛管持水量下降。土壤容重过大，会妨碍林木根系的正常生长和养分的吸收利用。毛管孔隙度下降会减小土壤持蓄水能力和水分下渗。因此，以后采取适当的松土措施，以利于根系呼吸，土壤团聚体内营养元素和微量元素的固定和释放，土壤蓄水和减缓径流冲刷。

图4 各样地土壤化学性质的比较（平均值±标准误）Fig.4 Comparisons on soil chemical property at different plots (mean±SE)

土壤酸度对土壤中养分存在的形态和有效性、土壤的理化性质以及植物生长发育都具有重要的影响。本研究中，各样地的土壤pH随着植物生长均有所降低，这与杨振意等[23]对铁尾矿废弃地刺槐人工林的研究一致。有机质的积累可以酸化土壤[24]，降低土壤pH。另外，植被发育吸收土壤阴离子基团，并将其在土壤中重新分配，也能够酸化土壤[25]。各样地有机质含量均显著升高，全N、全P、碱解N、有效P含量均显著增加，有效K含量增加或显著增加，说明3种恢复模式均改善了土壤养分状况。植物定植后通过持续的凋落物生产、根系分泌和根系的腐烂促进了有机质的积累[10]，同时植物可以促进土壤有机物质的矿化和再合成，所以采石场土壤的有机质和全N会有所增加[11,26]。另外，植被的存在改善了采石场的小气候，有助于枯落物的分解，也促进了有机质的积累[9-10]。李影等[27]对铜尾矿废弃地的研究也发现，植被定植后土壤有机质和N含量增加，有效养分增多。各样地土壤全K的降低，可能是土壤表层雨水淋溶较强而引起的水土流失造成的[28]。

图5 各样地土壤酶活性的时间变化（平均值±标准误）Fig. 5 Variations of soil enzyme activity at different plots with time (mean±SE)

本研究中，各样地的土壤脲酶、磷酸酶活性在植被定植2年后均显著增大。一些学者报道，矿山废弃地的生态修复中，植物定植后提高了土壤酶活性[12-13]，这主要是由于植物通过根系不断地向土壤中分泌各种有机物、无机物、生长激素等活性物质，有助于微生物的生长，从而直接或间接地影响着土壤酶的活性[27,29]。脲酶的存在有利于有机分子中肽键的水解，可以影响土壤中氮的释放，磷酸酶能够促进磷的活化，可以增加土壤有效磷含量，促进了土壤氮和磷含量的提高。挡土墙和飘台的过氧化氢酶活性也显著增大，有利于土壤有机质的转化。种植槽的过氧化氢酶活性显著降低，其原因需要进一步研究。

2013年飘台的有机质、氮、有效磷含量，土壤脲酶和磷酸酶活性均显著高于种植槽和挡土墙，种植槽的钾含量显著高于其他样地，挡土墙的过氧化氢酶活性显著高于其他样地，这可能是由于3种恢复模式的植物种类差异造成的。因为不同根系的分泌、凋落物养分含量和分解率存在差异，影响土壤养分和酶。王春阳等[30]发现黄土高原区不同植物的凋落物配比影响土壤酶活性的强度。3个样地中，飘台的大部分土壤养分和酶最高，说明该植物组合模式对于肥沃土壤效果最好。

[1] Duan W J, Ren H, Fu S L,et al.Natural recovery of different areas of a deserted quarry in South China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008, 20(4): 476-481.

[2] Kaliampakos D C, Mavrikos A A. Introducing a new aspect in marble quarry rehabilitation in Greece[J]. Environmental Geology, 2006, (50):353-359.

[3] 杨振意, 薛 立, 许建新. 采石场废弃地的生态恢复研究进展[J]. 生态学报, 2012, 32 (16): 5264-5274.

[4] Meira-Neto J A A, Clemente A, Oliveira G,et al.Post-f i re and post-quarry rehabilitation successions in Mediterranean-like ecosystems: Implications for ecological restoration. Ecological Engineering, 2011, 37(8): 1132-1139.

[5] Novák J, Konvička M. Proximity of valuable habitats affects succession patterns in abandoned quarries[J]. Ecological Engineering, 2006, 26(2): 113-122.

[6] Novák J, Prach K. Vegetation succession in basalt quarries:Pattern on a landscape scale[J]. Applied Vegetation Science,2003, 6(2): 111-116.

[7] Milgrom T. Environmental aspects of rehabilitating abandoned quarries: Israel as a case study[J]. Landscape and Urban Planning, 2008, 87(3): 172-179.

[8] Rowe E C, Healey J R, Edwards-Jones G,et al.Fertilizer application during primary succession changes the structure of plant and herbivore communities[J]. Biological Conservation,2006, 131(4): 510-522.

[9] Deng X, Liu Y, Han S. Carbon and nitrogen dynamics in early stages of forest litter decomposition as affected by nitrogen addition[J]. Journal of Forestry Research, 2009, 20(2):111-116.

[10] Zhang H, Chu L M. Plant community structure, soil properties and microbial characteristics in revegetated quarries[J].Ecological Engineering, 2011, 37(8):1104-1111.

[11] Pietrzykowski M, Krzaklewski W. Soil organic matter, C and N accumulation during natural succession and reclamation in an opencast sand quarry (southern Poland) [J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2007, 53(5):473-483.

[12] Mummey D L, Stahl P D, Buyer J S. Microbial biomarkers as an indicator of ecosystem recovery following surface mine reclamation[J]. Applied Soil Ecology, 2002, 21:251-259.

[13] 张崇邦, 王 江, 柯世省, 等. 五节芒定居对尾矿砂重金属形态、微生物群落功能及多样性的影响[J]. 植物生态学报,2009, 33(4): 629-637.

[14] 陆耀东, 薛 立, 曹 鹤, 等. 去除地面枯落物对加勒比松林土壤特性的影响[J]. 生态学报, 2008, 28(7): 3205-3211.

[15 袁剑刚, 周先叶, 陈 彦, 等. 采石场悬崖生态系统自然演替初期土壤和植被特征[J]. 生态学报，2005, 25(6):1517-1522.

[16] 任晓旭,蔡体久,王笑峰. 不同植被恢复模式对矿区废弃地土壤养分的影响[J]. 北京林业大学学报，2010, 32(4):151-154.

[17] 尹金珠,朱凯华,史翔宇,等. 庆丰采石场岩质边坡植被恢复状况和土壤特性研究[J]. 水土保持通报,2012,32(1):144-149.

[18] 杨本琴, 余新晓, 岳永杰,等. 不同封育类型灌木林地土壤物理性状研究[J]. 北方园艺, 2009, (4):170-173.

[19] 薛 立, 吴 敏, 徐 燕, 等. 几个典型华南人工林土壤的养分状况和微生物特性研究[J]. 土壤学报,2005,42(6):1017-1023.

[20] 方 晰, 田大伦, 武丽花, 等. 植被修复对锰矿渣废弃地土壤微生物数量与酶活性的影响[J]. 水土保持学报, 2009, 23(4):221-226.

[21] 中国科学院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1978.

[22] 关松荫,等. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 农业出版社,1986.

[23] 杨振意, 许建新, 薛 立, 等. 黄石铁尾矿废弃地的刺槐人工林土壤肥力研究[J]. 华南农业大学学报, 2013, 34(2):219-223.

[24] Sýkora K V, van den Bogert J C J M, Berendse F. Changes in soil and vegetation during dune slack succession[J]. Journal of Vegetation Science, 2004, 15(2):209-218.

[25] Duan L, Huang Y, Hao J,et al. Vegetation uptake of nitrogen and base cations in China and its role in soil acidif i cation[J]. Science of the Total Environment, 2004, 330(1-3): 187-198.

[26] 安宗胜, 詹 婧, 孙庆业. 自然植物群落形成过程中铜尾矿废弃地氮素组分的变化[J]. 生态学报, 2010, 30(21): 5958-5966.[27] 李 影, 陈明林. 节节草生长对铜尾矿砂重金属形态转化和土壤酶活性的影响[J]. 生态学报, 2010, 30(21): 5949-5957

[28] 薛 立, 向文静, 何跃君, 等. 不同林地清理方式对杉木林土壤肥力的影响[J]. 应用生态学报, 2005, 16(8): 1417-1421

[29] Chen C L, Liao N M, Huang C Y. Effect of combined pollution by heavy metals on soil enzymatic activities in areas polluted by tailings from Pb-Zn-Ag mine[J]. Journal of Environmental Sciences, 2005, 17(4): 637-640.

[30] 王春阳, 周建斌, 夏志敏, 等. 黄土高原区不同植物凋落物可溶性有机碳含量及其降解[J]. 应用生态学报, 2010, 21(12):3001-3006

[31] 卢广超,许建新,薛 立,等.黄石采石场废弃地植物的生长与光合特性研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2014,34(3):78-85.

[32] 梁 希, 陈永华, 吴晓芙, 等. 锰矿区废弃地植物修复技术研究进展[J]. 中南林业科技大学学报, 2012, 32(12): 104-107.

Soil characteristics changes during ecological restoration of abandoned quarries in Huangshi, Hubei

SHAO Yi-ruo1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1, YANG Zhen-yi1, WU Cai-qiong2, LU Guang-chao1
(1. College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China; 2. Shenzhen Tech and Ecology &Environment CO., LTD., Shenzhen 518040, Guangdong, China)

The soil characteristics changes during ecological restoration in the abandoned quarries were studied in the north slope of Huangjing mountain in Huangshi city after setting up three permanent plots including planting trough plot (PTP), retaining wall plot(RWP) and fl oating plate plot (FPP). The results revealed that the soil bulk density increased while the capillary porosity, non-capillary porosity, total porosity, capillary and water holding capacity decreased at the three plots; the soil pH increased or remained steady, and the contents of soil organic matter, total N, total P, total K, alkalized N, available P, available K, activities of soil urease and phosphatase increased, whereas the total K content decreased at the three plots; the soil catalase activity increased at RWP and FPP and decreased at PTP. The contents of organic matter, N, available P and activities of soil urease and phosphatase were greater at FPP than those at PTP and RWP.

abandoned quarries; ecological restoration; soil; sample plots; Huangshi city of Hubei province

S731

A

1673-923X(2014)04-0082-08

2013-10-08

深圳市战略新兴产业发展专项资金项目“深圳市生态修复生物工程技术研究开发中心”（GCZX20120618100801416）；国家科学技术部农业科技成果转化资金项目“裸露坡面生态恢复新技术应用研究”（2009GB2E020423）

邵怡若（1989-），女，安徽毫州人，硕士研究生，主要从事森林生态学和树木生理学研究

薛 立（1958-），男，教授，博导，主要从事林分密度和自然稀疏及林木养分研究；E-mail：forxue@scau.edu.cn

[本文编校：吴 彬]