矿山废弃地3种人工植被恢复模式土壤水源涵养特征

林 明 春

(福建牛姆林自然保护区管理处， 福建 永春 362600)

矿山废弃地3种人工植被恢复模式土壤水源涵养特征

林 明 春

(福建牛姆林自然保护区管理处， 福建 永春 362600)

[目的] 分析评价福建省大田县银顶格矿区三种人工植被恢复类型土壤的水源涵养功能。[方法] 采用土壤入渗率、最大可蓄水量、有效蓄水量和非毛管孔隙等指标进行测定分析。[结果] (1) 邓恩桉×马尾松类型土壤初渗率、稳渗率和平均入渗率均较快，母质层与淋溶层的初渗率和稳渗率之差均较小，其次为邓恩桉×紫花泡桐类型，马尾松×杉木类型最差； (2) 各植被类型各土层入渗率与入渗时间呈显著幂函数关系； (3) 邓恩桉×紫花泡桐类型土壤最大可蓄水量、有效蓄水量和非毛管孔隙均较大，邓恩桉×马尾松类型次之，马尾松×杉木类型最差； (4) 用主成分法综合评价各植被类型土壤涵养水源能力从高到低依次为：邓恩桉×紫花泡桐类型>邓恩桉×马尾松类型>马尾松×杉木类型。[结论] 邓恩桉×紫花泡桐类型改良矿山废弃地土壤结构效果较好，可在类似地区推广应用。

矿山废弃地； 土壤入渗率； 最大可蓄水量； 有效蓄水量； 非毛管孔隙

矿山废弃地是指在采矿活动中，被破坏或占用造成无法正常使用的土地，具体是指在矿业生产中形成的采矿场、弃渣场、矿洞、坑道、地质塌陷区以及其他因采矿活动而无法正常使用的土地。长期的采矿活动严重破坏了矿山的生态环境，造成水土流失、河道淤积，水资源均衡失调等[1-3]问题。近年来，中国投入大量的资金技术对各地区矿山废弃地进行生态修复，已取得一定的成绩。但是矿山废弃地本身土壤理化性质较差、重金属污染等一系列问题，使得在该地域进行生态修复的人工植被生长较差，造成土壤有机质累积少、地上生物产量低、植被盖度小及地表枯落物少等[4-7]，降低了林冠层和枯落物层的水源涵养能力。因此，该地域植被—土壤系统的水源涵养功能主要取决于土壤层[8]。本文以福建省大田县银顶格矿区矿山废弃地3种人工植被恢复类型为研究对象，通过研究土壤入渗率、最大可蓄水量、有效蓄水量和非毛管孔隙等方面评价各类型林地土壤的水源涵养功能的指标，以期为矿山废弃地植被恢复树种选择和配置提供科学依据。

1 研究区概况

大田县(25°29′—26°10′N，117°29′—118°03′E)位于福建省中部，戴云山脉西侧，包括18个乡镇，矿藏丰富，其中煤、铁、硫磺产量大，有“闽中宝库”之美称。大田县属中亚热带季风气候，四季常青，温湿适中。年平均气温15.3～19.6 ℃，无霜期280～300 d，年降水量1 491～1 809 mm。土壤以酸性红黄壤为主，由花岗岩风化而成。境内群山延绵，山高谷深，山体切割强烈，暴雨频发，加上矿山开采，极易引发水土流失，是福建省水土流失重点监督区。

2 研究方法

2.1 样地调查与样品采集

本研究于2013年10月，在大田县银顶格矿区(25°48′36″N，117°49′05″E)定位监测标准地，选取3种典型的矿山废弃地植被恢复类型样地，进行林下土壤水源涵养功能差异分析，参照样地设置在矿区周边未被开采破坏的杉木次生林中。各植被恢复类型分别为由邓恩桉(Eucahetusdunnii)和紫花泡桐(Paulowniatomentosa)组成的阔叶混交林、邓恩桉和马尾松(Pinusmassoniana)组成的针阔混交林及马尾松和杉木(Cunninghamialanceolata)组成的针叶混交林。每个植被类型设置3标准样地，共计12个样地，样地面积20 m×20 m，共计4 800 m2，分别对各样地进行每木检尺和群落调查(表1)。每个样地按照“义”字型随机布设5个土壤采样点，挖掘土壤剖面，划分土壤发生层次。其中，参照地杉木次生林土壤淋溶层、过渡层和母质层分层明显，分3层；而各植被恢复类型林地土壤由于受矿山开采的剧烈影响，仅有淋溶层和母质层分层较为明显，故分两层。每个土层取5个环刀，共计挖取360个环刀土样。林冠郁闭度和林下植被盖度，均采用样线法[9]，即在标准样地对角线布设样线，测算对角线上树冠冠幅总长与样地对角线总长的比值。林下植被灌木层主要以山苍子(Litseacubeba)、楤木(Araliachinensis)等为优势，草本层主要以铁芒萁(Dicranopterislihearis)、光叶菝葜(Smilaxcorbularia)、木豆(Cajanuscajan)等为优势。

表1 各植被恢复类型的基本情况

2.2 土壤水分-物理性质与土壤蓄水能力的测算

依照《LY/T 1215—1999 森林土壤水分—物理性质的测定》方法，将装有原状土样的环刀置于水位与环刀等高的水盆中12 h，取出称重，计算土样的最大持水量；然后，将该环刀静置于铺有干沙平底盆中2 h，取出称重，计算土样的毛管持水量；称重后，将该环刀再次静置于铺有干沙平底盆中24 h，取出称重，计算田间持水量；最后，将环刀置于鼓风烘箱中，105 ℃烘干至恒重，取出称重，计算土壤水分换算系数及土壤容重。

称取过2 mm筛风干土样20 g，平铺于已知质量称量瓶中，将该称量瓶置于盛有饱和硫酸钾溶液的干燥器中，2周后充分吸水，取出称重，然后将湿土样置于鼓风烘箱105 ℃烘干至恒重，计算土壤最大吸湿水。

将所采原状土样置于大容量广口玻璃容器中，栽种对土壤湿度不足反应较为敏感的指示作物，用德国TESTO生产的QS-WT型土壤湿度计测定指示作物叶片出现凋萎，空气湿度接近饱和时，容器中的土壤湿度，即可得土壤凋萎湿度。土壤入渗率则利用“双环法”[10]测算得出。即首先在试验坡地上用铁铲清理出大小适宜的水平面，然后将用于测算土壤入渗率的内外圆环同时打入土中10 cm(其中，内环直径为5 cm，外环直径为10 cm，内外环高度均为15 cm)，地表以上预留5 cm，水头高略低于5 cm，再利用马氏瓶为圆环供水，当内外环水层厚度达到5 cm时，开始用秒表计时，并每隔1 min读取供水桶标尺刻度值。实验过程保持水头高度约5 cm，读数时一并读取水温。

2.3 土壤入渗率测算

f0=q0/t0；fs=0.510△h/〔△t(0.7+0.03T〕[10]

式中：f0——初渗率；q0——入渗开始3 min的实测累积入渗量(mm)；t0——3 min；fs——稳渗率； △h——某一时段△t供水桶读数差值(mm)； △t——时段(min)；T——某时段的平均水温(℃)。

2.4 数据数理方法

利用Microsoft Excel 2007，SPSS 17.0等软件进行数据的计算、统计分析与图表制作。

3 结果与分析

3.1 土壤渗透性

土壤的渗透性是指土壤疏导下渗大气降水或人工灌溉水的导水性能，既是反映土壤水源涵养功能的指标之一，也是计算土壤抗侵蚀力的基础变量之一，对于评价矿山废弃地土壤水土流失治理成效具有重要意义[11]。土壤渗透性能高低主要由土壤入渗率反映得出。

从表2中可以看出，各植被类型中，邓恩桉×马尾松类型各土层的土壤初渗率、稳渗率和平均入渗率最大，与杉木次生林各土层土壤入渗率最为接近，其次为邓恩桉×紫花泡桐类型，马尾松×杉木类型最差；除杉木次生林外，各植被类型各土层土壤入渗率均表现为：母质层>淋溶层。各植被类型累计入渗量表现为：在淋溶层，杉木次生林>邓恩桉×马尾松类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>马尾松×杉木；母质层则相反；母质层(过渡层)累计入渗量均大于淋溶层。土壤入渗速率越高，累计入渗量越大，说明土壤结构越好，其疏导下渗降雨或灌溉水的能力越强，综合分析土壤初渗率、稳渗率、平均入渗率和累计入渗量可知，邓恩桉×马尾松类型的土壤渗透性能最好，其次为邓恩桉×紫花泡桐类型，马尾松×杉木类型最差。

表2 不同植被恢复类型的土壤入渗率特征

注：T为达到稳渗时刻距初渗的时间；Q为从初渗至稳渗时间的累计入渗量。

利用Kostiakov入渗模型对各植被类型土壤入渗过程进行拟合[12]，结果显示(表3)，拟合精度均较高，R2达到0.608～0.972，sig.F<0.01，呈极显著水平。其中，a值在2.675～44.339之间，各植被类型Kostiakov方程a值的大小次序与土壤初渗率一致；b值在0.070～0.414之间，各植被类型入渗率下降越快，b值越大。

3.2 土壤最大可蓄水量

土壤最大可蓄水量由土壤饱和持水量扣除最大吸湿水计算得出，是衡量土壤水源涵养潜力的重要指标。由单位土层厚度最大可蓄水量和土层最大可蓄水量来体现。

从表4中可以看出，各植被类型中，单位土层厚度最大可蓄水量和各土层累计最大可蓄水总量从高到低的顺序均依次为：杉木次生林>邓恩桉×紫花泡桐类型>邓恩桉×马尾松类型>马尾松×杉木类型，各层最大可蓄水量和土壤层最大可蓄水量从高到低的顺序大体为杉木次生林>邓恩桉×紫花泡桐类型>马尾松×杉木类型>邓恩桉×马尾松类型，其中，单位土层厚度最大可蓄水量为2.76～4.97 mm/cm，各层最大可蓄水量为39.8～159.1 mm/cm，土壤层最大可蓄水量为76.7～107.9 mm，各土层累计最大可蓄水总量为215.6～252.8 mm；母质层蓄水比例从高到低依次为邓恩桉×马尾松类型>马尾松×杉木类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>杉木次生林，为57.3%～67.5%。

表3 不同植被恢复类型土壤入渗过程的Kostiakov模型拟合比较

注：Kostiakov方程的形式为f(t)=at-b，其中f(t)为入渗速率；a，b为参数；t为入渗时间。

表4 不同植被恢复类型的土壤最大可蓄水量特征

土壤各层最大可蓄水量越大，说明其蓄水能力越强，减少地表径流和降低水土流失的效果越好，综合分析单位土层厚度最大可蓄水量、各层最大可蓄水量、土壤层最大可蓄水量和各土层累计最大可蓄水总量可知，邓恩桉×紫花泡桐类型的土壤最大可蓄水能力最强，与杉木次生林最为接近，这可能与阔叶树种凋落物养分归还能力较强，改善土壤团粒结构，增加土壤蓄水空间有关[13]。另外，邓恩桉和紫花泡桐均属深根性树种，也能在一定程度上增加土壤垂直方向上的蓄水空间[14]。

3.3 土壤有效蓄水量

土壤有效蓄水量由土壤田间持水量扣除土壤凋萎湿度计算得出，该部分水量能被植物有效吸收利用，是衡量土壤保水能力的重要指标，对林地土壤水分管理也有重要意义。由单位土层厚度有效蓄水量和土层有效蓄水量来体现(表5)。各植被类型中，各土层单位土层厚度有效蓄水量和各土层累计有效蓄水总量从高到低顺序均为：杉木次生林>邓恩桉×紫花泡桐类型>邓恩桉×马尾松类型>马尾松×杉木类型，各土层单位土层厚度有效蓄水量为1.42～2.72 mm/cm，各土层累计有效蓄水总量为118.60～147.56 mm；各层有效蓄水量在淋溶层从大到小的顺序为：杉木次生林>邓恩桉×紫花泡桐类型>马尾松×杉木类型>邓恩桉×马尾松类型，在母质层则为：邓恩桉×马尾松类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>杉木次生林>马尾松×杉木类型，为43.92～89.96 mm；母质层蓄水比例从高到低依次为：邓恩桉×马尾松类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>马尾松×杉木类型>杉木次生林，为59.2%～67.2%；有效水占最大可蓄水比例排序为：杉木次生林>邓恩桉×紫花泡桐类型>邓恩桉×马尾松类型>马尾松×杉木类型，为55.0%～58.4%。

土壤各层有效蓄水量越大，说明其保水能力越强，可供植物吸收利用的水分越多，对植物生长越有利。综合分析单位土层厚度有效蓄水量、各层有效蓄水量、土壤层有效蓄水量、各土层累计有效蓄水总量和有效水占最大可蓄水比例可知，邓恩桉×紫花泡桐类型土壤保水能力最强，较接近杉木次生林。这可能是由于紫花泡桐和邓恩桉速生能力均高于其他植被类型树种，发达的根系和较强的养分归还能力能够在短时间内有效改善土壤质量，提高土壤保水保肥的能力。

表5 不同植被恢复类型的土壤有效水分特征

3.4 土壤非毛管孔隙及其蓄水量

近年来，许多研究者认为，毛管水只在垂直方向上为植物根系供水发挥作用，森林土壤涵养水源的功能主要依赖于土壤非毛管孔隙，它不仅为降水或灌溉水提供贮存的空间，达到减少地表径流、削减洪峰的功能，而且能为林地植被根系的通气供肥发挥重要作用[15]。

从表6中可以看出，在淋溶层，邓恩桉×马尾松类型和马尾松×杉木类型土壤中石砾含量虽高于邓恩桉×紫花泡桐类型和杉木次生林，但非毛管孔隙度及非毛管孔隙蓄水量却是邓恩桉×紫花泡桐类型与杉木次生林较大，说明通过植被恢复可有效改善土壤理化性质，进而改良土壤结构，使土壤蓄水量增加；母质层与淋溶层表现的趋势基本一致。各植被恢复类型各土层土壤非毛管孔隙累计蓄水总量从高到低依次为：杉木次生林>马尾松×杉木类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>邓恩桉×马尾松类型，为28.01～84.46 mm。其中，母质层占蓄水比例从高到低依次为：马尾松×杉木类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>邓恩桉×马尾松类型>杉木次生林，为22.9%～34.8%。

表6 不同植被恢复类型的土壤非毛管孔隙蓄水量特征

3.5 土壤水源涵养功能综合评价

利用SPSS软件中的主成分分析法计算土壤入渗率、最大可蓄水量、有效蓄水量和非毛管孔隙4个指标对土壤水源涵养功能的贡献程度[16-17]。结果显示(表7)，第1主成分方差累积贡献率达到90.663%，信息损失量仅为9.337%，且各因子载荷量均相差不大，在0.457～0.524之间，说明4个指标对土壤水源涵养功能影响程度较为接近，而用主成分2和3(即仅用入渗率或入渗率和最大可蓄水量等单一或2个指标来描述土壤水源涵养功能)存在局限性，其方差累积贡献率分别为8.736%和0.527%。

利用第1主分方程，计算各植被恢复类型土壤水源涵养功能的得分值[16-17]。从表8中可以看出，邓恩桉×紫花泡桐类型土壤水源涵养功能最强，与杉木次生林较接近，其次为邓恩桉×马尾松类型，马尾松×杉木类型最差。具体原因可能是： (1) 邓恩桉和紫花泡桐属阔叶树种，林分凋落物凋落量较大，林地下垫面糙度大，可有效降低降雨对土壤的击溅侵蚀强度，防止土壤表面结皮，降低地表径流量[18]； (2) 邓恩桉和紫花泡桐均属深根性速生树种，根系发达，能够大大提高土壤孔隙度，增加土壤蓄水空间[13-14,19]； (3) 邓恩桉和紫花泡桐凋落物养分归还能力强，能够提高土壤动物和微生物活性，改善土壤理化性质，增加土壤团聚体含量，进而提高土壤水源涵养功能[20]； (4) 邓恩桉×紫花泡桐类型林下透光度大，林下植被覆盖率高，也有利于林地土壤的蓄水保肥[21]； (5) 马尾松、杉木树种属针叶树种，凋落物较难分解，不利于土壤质量的改善[20]； (6) 另外，杉木林分立地质量一般要求较高，矿山废弃地贫瘠的土壤，不利于杉木的生长，又反过来影响土壤的水源涵养功能[22]。

表7 不同植被恢复类型土壤水源涵养能力的PCA分析

表8 不同植被恢复类型土壤水源涵养能力评价

4 结 论

(1) 各植被类型中，邓恩桉×马尾松类型各土层的土壤初渗率、稳渗率和平均入渗率最大，与杉木次生林各土层土壤入渗率最为接近，其次为邓恩桉×紫花泡桐类型，马尾松×杉木类型最差；除杉木次生林外，各植被类型各土层土壤入渗率均表现为：母质层>淋溶层。各植被类型累计入渗量表现为：在淋溶层，杉木次生林>邓恩桉×马尾松类型>邓恩桉×紫花泡桐类型>马尾松×杉木；母质层则相反；母质层(过渡层)累计入渗量均大于淋溶层。

(2) 邓恩桉×紫花泡桐类型各土层单位土层厚度最大可蓄水量(有效蓄水量)、各土层累计最大可蓄水总量(有效蓄水量)、土壤层最大可蓄水量(有效蓄水量)、各土层非毛管孔隙度和非毛管孔隙蓄水量均较大，与杉木次生林较为接近，说明该植被恢复类型林地土壤潜在蓄水容量较大，可贮存较多的降雨或灌溉水供高温干旱天气下植被的水分需求；其次，土壤保水持水能力较强，降低林地土壤水分管理所需成本；再者，减小地表径流、削减洪峰及通气透水供肥能力较强。邓恩桉×马尾松类型次之，马尾松×杉木类型最差。

(3) 主成分法综合分析各植被类型土壤入渗率、土壤最大可蓄水量、土壤有效蓄水量和土壤非毛管孔隙可知，采取邓恩桉×紫花泡桐类型的恢复模式可有效改善矿山废弃地土壤结构，可在类似地区推广应用。

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Soil Water Conservation Features of Three Types of Artificial Vegetation Restoration in Abandoned Mining Area

LIN Mingchun

(NiumulinNatureReserveAdministrativeOfficeofYongchun,Yongchun,Fujian362600,China)

[Objective] In order to evaluated the soil water conservation features of three artificial vegetation types in Yindingge mining area of Datian County, Fujian Province. [Methods] Four index of infiltration, maximum water-holding capacity, available storage capacity of soil and non-capillary pore were calculated and analyzed. [Results] (1)The maximum value of initial infiltration rate, stable infiltration rate and average infiltration rate appeared inEucahetusdunnii×Pinusmassonianaforest type, meanwhile, the difference of initial infiltration rate and steady infiltration rate in parent material layer and leached layer is smaller, the next wasE.dunnii×Paulowniatomentosaforest type, the third wasP.massoniana×Cunninghamialanceolataforest type. (2)The relationship between infiltration rate and infiltration time of all vegetation types was a significantly power regression. (3) The maximum value of maximum water-holding capacity, available storage capacity of soil and non-capillary pore appeared inE.dunnii×P.tomentosaforest type, the next wasE.dunnii×P.massonianaforest type, the third wasP.massoniana×C.lanceolataforest type. (4) Using principal component analysis method to evaluate the soil water conservation features, the order expressE.dunnii×P.tomentosaforest type >E.dunnii×P.massonianaforest type >P.massoniana×C.lanceolataforest type. [Conclusion] The better soil amelioration effects in abandoned mines belonged toE.dunnii×P.tomentosaforest type, it could be applied in the similar area.

abandoned mines; soil infiltration storage; maximum water-holding capacity; available storage capacity of soil; non-capillary pore

2014-07-09

2014-07-27

福建省教育厅科技厅B类项目(JB12318)

林明春(1971—)，男(汉族)，福建省泉州市人，大专，工程师，从事森林资源经营管理工作。E-mail:2108946381@qq.com。

A

1000-288X(2015)05-0296-06

S714.7