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植被恢复对黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的影响

2016-10-25党廷辉文月荣吴得峰

生态学报 2016年16期
关键词:粘粒排土场灌木

唐 骏,党廷辉,,*,薛 江,文月荣,徐 娜,吴得峰

1 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100 2 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100



植被恢复对黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的影响

唐骏1,党廷辉1,2,*,薛江2,文月荣2,徐娜1,吴得峰2

1 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌712100 2 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌712100

目前关于植被恢复对排土场土壤团聚性的影响还不清楚,以植被恢复下黄土区露天煤矿排土场为研究对象,采用湿筛法测定了排土场土壤水稳性团聚体组成,研究了植被恢复类型(草地、灌木)和排土场地形(平台、边坡)对土壤团聚体特征的影响。结果表明:植被恢复促进了排土场水稳性团聚体的形成,平台0—20 cm土层水稳性大团聚体数量(R0.25)、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)分别达到31.1%,0.70 mm和0.26 mm,边坡分别达到13.3%,0.37 mm和0.17 mm,均显著高于裸地,分形维数(D)在平台和边坡分别为2.91和2.96,均显著低于裸地;平台土壤团聚性要好于边坡,草地对于平台土壤团聚结构改良效果较好,而灌木对于边坡改良效果较好;排土场土壤有机碳和粘粒含量均与土壤团聚体指标有显著相关性。植被恢复提高了排土场土壤团聚性,植被恢复类型和地形对排土场土壤团聚体特征有显著影响。

植被恢复; 排土场; 土壤团聚体; 分形维数

晋陕蒙接壤的黄土地区是典型的生态脆弱区,煤炭开采加重了这一地区的生态和环境问题[1]。由于露天煤矿在开采能力和安全性等方面的优势,近年来我国的露天煤矿生产与建设快速发展,其煤炭产量已占煤炭总产量的 9.93%,未来并将逐步提高达到15%左右,同时露天开采对矿区土地资源及生态环境的破坏也日益严重,我国因露天开采煤炭而每年损毁的土地面积在6600 hm2左右,其中外排土场压占土地面积为3000 hm2左右[2]。而我国可供露天开采的煤炭几乎全部集中在晋陕蒙地区,晋陕蒙接壤的黄土地区分布着中国和世界上罕见的特大煤田,现已探明含煤面积3万 km2,煤炭储量2505亿 t,占全国的26.3%,该地区广泛的露天开采形成了许多大型露天煤矿排土场。同时该地区也是少有的水土流失严重的典型生态脆弱地区,大面积的煤矿排土场治理得当便可以提供大量土地资源并发挥其重要的生态功能,治理不当便会引发水土流失等一系列生态和环境问题[3]。因此,黄土区煤矿排土场的治理对于保护该地区的生态安全及国家绿色生态屏障构建具有重要意义。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,其组成及基本特性是决定土壤侵蚀、压实、板结等物理过程与作用的关键指标之一,是评价土壤肥力和抗蚀性的重要指标[4]。排土场土壤为复填土,堆积过程中不断进行碾压,土壤团聚结构遭到破坏,土壤结构性差极易发生水土流失。植被恢复是排土场治理和生态恢复的主要措施,目前关于植被恢复对土壤团聚体的影响研究主要集中在自然地貌土壤[5- 7],植被恢复下排土场土壤质量研究也主要集中在土壤化学性质和土壤侵蚀[8- 10],而对于排土场这种重构土壤在植被恢复下土壤团聚体特征变化的研究还较少。本研究以植被恢复下黄土区大型露天煤矿排土场为研究对象,研究植被恢复类型和排土场地形对土壤团聚体特征的影响,探讨黄土区露天煤矿排土场植被恢复的土壤改良作用和水土保持效应,旨在为黄土区露天煤矿排土场土地复垦与生态恢复提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况

黑岱沟露天煤矿(39°43′—39°49′N,111°13′—111°20′E)位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部,地处黄河西岸鄂尔多斯台地,面积达52.11 km2,属于晋、陕、蒙接壤黄土区一部分。矿区年均气温7.2 ℃,年均降水量404.1 mm,降水多集中在 7,8,9 月份,约占全年降水量的60%—70%,年蒸发量为2082.2 mm。海拔在1025—1302 m之间,地形呈东北高西南低,多为波状起伏的黄土梁、峁和丘陵,沟壑纵横交错,地形切割剧烈。

研究试验地选择在黑岱沟露天煤矿矿区内已治理18年的排土场(1996年建成的东排土场),面积2.75 km2,排土场地貌类型为人为排土填沟形成的平坦地貌,有平台和边坡两种地形。平台宽广平坦,水土流失较轻,利于植被生长;边坡为高边坡,坡度在45°—60°,坡长在20 m左右,水土流失强烈。研究区内原生土壤主要为黄绵土与风沙土,排土场土壤为复填土,堆积过程经过了剧烈扰动和碾压,其土壤质地为粉壤,容重较大,土壤养分含量低。以土壤熟化为目的,治理排土场实施了大规模的植被重建,其植被恢复较好,有多种植被恢复模式,每种植被模式均成块种植,植物盖度较高,但是类型单一。排土场堆积过程中土体来源和堆积工艺一致,机械组成显示其土壤质地一致,不同植被恢复模式也是随机排列;同时对紧邻该排土场的新建排土场(未进行植被恢复)进行了随机采样(10个样点),并测定了0—20cm土层的机械组成和有机碳含量(表1),结果显示排土场土壤粘粒、粉粒、砂粒和有机碳含量的变异系数分别为18%,17%,12%和15%,均为中等强度变异,属于同一试验区的正常变异范围[11],因此可以认为排土场不同植被恢复样地治理前其土壤背景状况较为相似。

表1 新建排土场土壤背景状况

1.2试验设计

在植被恢复18年的治理排土场,平台和边坡两种地形下均选择草地和灌木林地两种主要植被恢复类型,并以无植被措施自然撂荒的裸地作为对照。在不同地形下每种植被恢复类型各选择3—4块样地,共选择21块样地,其中平台11块样地,边坡10块样地,在每块样地采集原状土壤,通过湿筛法测定土壤水稳性团聚体数量,分析植被类型和地形对排土场土壤团聚体特征的影响。样地信息见表2。

表2 研究样地基本情况

1.2.1采样方法

采样于2014年7月上旬进行。在每块样地划定一个20 m×20 m的样方,在每个样方内样地按照“品”字形3点取样(边坡沿坡长方向进行采样)分别采集0—10,10—20 cm两个层次原状土样,每个样地3 次重复,平台和边坡共采集126个原装土样。在每个在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动,以免破坏团聚体。原状土样在风干过程中沿自然裂隙掰成直径为1 cm 左右的小块,并且去除粗根及小石块。

1.2.2样品测定

团聚体分析采用湿筛法[12],具体方法如下:先取500 g风干土样通过沙维诺夫法进行干筛,当筛分完成后测定各粒级土样重量,按比例配成50 g 风干土样,根据约得法进行湿筛。使用团聚体分析仪(南京土壤所制)湿筛1分钟,通过一套直径为10 cm,孔径顺次为5,2,1,0.5和0. 25 mm的筛组。将已筛好的筛组拆开留在各级筛子上的团聚体用细水流通过漏斗洗入烧杯中,得到>5 mm,5—2 mm,2—1mm,1—0.5,0.5—0. 25 mm,<0. 25 mm各粒级水稳性团聚体,使用沙浴烘干,然后称量。

将风干土样过1mm筛,采用英国马尔文公司生产的MS2000型激光粒度测量仪测定颗粒分布。根据美国制分类标准分为砂粒(0.05—1 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)。风干土样研磨过0.15mm的筛,用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量。

1.2.3分析方法

根据相关研究结果,本文综合应用大于0.25 mm团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)等指标来描述土壤团聚体的分布状况和稳定性特征:

(1)

(2)

(3)

(4)

利用公式(4)通过数据拟合,可求得D。

数据通过EXCEL进行初步整理,使用SPSS 20.0软件进行统计分析,LSD法进行差异显著性检验,用 sigma Plot 10.0软件作图。

2 结果

2.1植被恢复类型和地形对排土场土壤各粒级团聚体比例的影响

对排土场各样地土壤各粒级水稳性团聚体含量进行分析(表3),排土场植被恢复下各样地均以<0.25 mm小粒级团聚体所占比例最高,其所占比例为67.36%—92.86%,而大粒级团聚体中0.25—2 mm团聚体所占比例要显著高于>2 mm粒级团聚体,不同样地>5 mm团聚体差异较大。土壤中大于0.25 mm的团聚体称为土壤大团聚体,其数量和分布特征能够表征土壤结构和抗蚀性[13]。植被恢复下排土场平台土壤0—10,10—20 cm土层大团聚体比例(R0.25)分别为31.7%和30.5%,边坡各土层分别为13.4%和13.1%,而裸地0—10,10—20 cm土层R0.25平台为4.3%和4.1%,边坡为1.7%和1.8%,植被恢复下R0.25要显著高于裸地。

不同植被类型和地形对土壤水稳性团聚体数量有显著影响。平台不同植被类型下各土层R0.25均为草地>灌木>裸地,草地和灌木未达到显著差异(P<0.05),但均显著高于裸地;边坡各土层均为灌木>草地>裸地,差异显著(P<0.05)。相同植被类型下,各粒级大团聚体数量均表现出平台显著高于边坡的规律,表明植被恢复下平台土壤团聚性要好于边坡。平台植被恢复下各粒级大团聚体含量均较高,平台草地和灌木0—10 cm土层>5 mm团聚体含量分别达到5.71%和4.49%,显著高于边坡;边坡植被恢复下各粒级大团聚体含量相对较低,仅灌木地0.25—0.5 mm和0.5—1 mm两个粒径团聚体含量与平台相差较小在5.04%—7.70%范围,其它大团聚体含量在0.92%—2.73%,含量很低。不同植被类型和地形下各粒级团聚体含量差异很大,尤其是大粒径团聚体差异最为显著。

表3 不同植被类型和地形下土壤各粒级团聚体比例

不同小写字母表示相同地形下、不同植被类型土壤团聚体之间差异显著(P<0. 05)

2.2植被恢复类型和地形对排土场土壤MWD和GMD的影响

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标,MWD 和GMD 值越大表示土壤团聚体的团聚度越高,稳定性越好。比较边坡与平台不同植被恢复类型下土壤MWD和GMD(图1),MWD和GMD变化具有较为一致的规律。平台与边坡植被恢复措施下各土层MWD和GMD均要显著高于裸地,平台植被恢复下0—10 cm土层MWD和GMD分别比裸地提高339.84%和100.91%,10—20 cm分别提高221.65%和75.75%;边坡植被恢复下0—10 cm土层MWD和GMD分别比裸地提高104.23%和30.44%,10—20 cm分别提高85.08%和27.31%,表明植被恢复提高了排土场土壤MWD和GMD。地形对排土场土壤MWD和GMD有显著影响,植被恢复下平台土壤MWD和GMD均显著高于边坡。植被恢复类型对排土场土壤MWD和GMD也有显著影响,MWD在平台各土层均表现为草地>灌木>裸地,在边坡各土层均表现为灌木>草地>裸地,差异显著(P<0.05); GMD在平台各土层均表现为草地>灌木>裸地,在边坡各土层均表现为灌木>草地>裸地,灌木与草地未达到显著差异,但均显著高于裸地(P<0.05)。平台草地和灌木恢复下MWD均表现为表层(0—10 cm)显著高于次表层(10—20 cm),边坡植被恢复下表层与次表层MWD差异不显著,GMD在不同土层间也表现出相同规律,但随土层加深其降低幅度要小于MWD,两土层间差距不大。

图1 不同植被类型和地形下土壤团聚体平均重量直径和几何平均直径Fig.1 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) under different vegetation types and landforms不同大写字母表示相同地形下、不同植被类型土壤团聚体之间差异显著(P<0. 05);不同小写字母表示同一植被类型下、不同地形土壤团聚体之间差异显著

2.3植被恢复类型和地形对排土场土壤分形维数的影响

土壤团粒结构的分形维数反映了土壤水稳性团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势,即团粒结构分形维数越小,土壤越具有良好的结构与稳定性,抗蚀能力越强。比较平台与边坡不同植被恢复类型下土壤分形维数(图2),平台与边坡植被恢复下各土层分形维数均要显著低于裸地,表明植被恢复降低了排土场土壤团聚体分形维数。植被恢复下平台表层和次表层团聚体分形维数降低为2.908和2.922,边坡表层和次表层分别降低为2.966和2.968。平台的团聚体分形维数要显著低于坡地,植被恢复对平台土壤结构改良效果要优于边坡,平台土壤团聚度和抗侵蚀能力都强于边坡。不同植被恢复类型下平台各土层土壤分形维数为草地<灌木<裸地,边坡各土层分形维数均表现为灌木<草地<裸地,除平台0—10 cm土层草地与灌木分形维数差异不显著其余均达到显著性差异(P<0.05),草地对于提高平台土壤团聚度效果要好于灌木,而在边坡灌木的改良效果要好于草地。平台草地和灌木恢复土壤下分形维数均表现为表层(0—10 cm)显著低于次表层(10—20 cm),边坡植被恢复下表层与次表层土壤分形维数相差不大,差异不显著。

图2 不同植被类型和地形下土壤分形维数Fig.2 Fractal dimension of soil aggregates under different vegetation types and landforms

2.4排土场土壤有机碳含量及颗粒分布与土壤团聚体特征的关系

土壤有机碳(SOC)被认为是土壤质量的重要评价指标[14],并且对土壤团聚体的形成及稳定有重要作用[15]。对排土场不同种被恢复下SOC进行比较(图3),结果表明不同植被恢复下SOC与土壤团聚体指标表现出较为一致的规律。无论平台还是边坡,植被恢复均显著提高了排土场0—10 cm和10—20 cm土层SOC,在平台SOC表现为草地>灌木>裸地,边坡表现为灌木>草地>裸地,除边坡0—10 cm土层草地与灌木SOC差异不显著,其余均达到显著性差异(P<0.05);草地恢复下0—10 cm和10—20 cm土层均为平台显著高于边坡,而灌木恢复下边坡较高与平台,但未达到显著差异。与土壤团聚体指标不同,排土场0—10 cm和10—20 cm土层相比SOC差异较大,在10—20 cm土层不同植被恢复下SOC差异较小,表明植被恢复对表层SOC影响较大,而对次表层SOC影响较小。

图3 不同植被类型和地形下土壤有机碳含量Fig.3 Content of soil organic carbon under different vegetation types and landforms

将R0.25、MWD、GMD、D分别与土壤有机碳进行相关分析(如图4),各指标均与SOC具有显著地线性相关关系。SOC与R0.25、MWD和GMD有极显著的正相关,与D有极显著的负相关,表明土壤有机碳对土壤团聚体形成和分布有显著影响,其含量越高则土壤团聚性越好。其中MWD与土壤有机碳的相关性最高,R2达到了0.44,R0.25与土壤有机碳相关性最低,R2仅为0.28,GMD和D与土壤有机碳的相关性较高,R2分别为0.37和0.34。

图4 土壤有机碳含量与团聚体指标的关系Fig.4 Relationship between SOC content and soil aggregate indexes

对植被恢复下排土场颗粒分布进行分析(表4)。由于排土场堆积过程中土体来源和堆积工艺一致,排土场土壤颗粒分布变异较小,土壤质地一致。植被恢复下排土场平台土壤粘粒、粉粒和砂粒含量分别为10.52%,54%和35.48%,变异系数分别为9%,10%和17%;边坡土壤粘粒、粉粒和砂粒含量分别为8.93%,48.02%和43.05%,变异系数分别为21%,16%和21%。排土场植被恢复下土壤粒径分布较为一致,属于弱变异和中度变异,粘粒含量较少粉粒含量最多,土壤质地为粉壤。排土场平台和边坡裸地的粘粒、粉粒和砂粒含量分别为6.63%,33.91%,59.46%和5.68%,33.45%,60.87%。

粘粒是土壤团聚结构形成的重要因素,相关分析也表明(图5),3种土壤颗粒中土壤粘粒含量与R0.25、MWD、GMD具有极显著(P<0.01)地正相关关系,与团聚体分形维数具有极显著负相关,表明植被恢复下土壤粘粒含量越高、质地越重则土壤团聚性越好。土壤粘粒含量与R0.25相关性最好,R2达到了0.67,与MWD相关性最差,其R2为0.39。

图5 土壤粘粒含量与团聚体指标的关系Fig.5 Relationship between soil clay content and soil aggregate indexes

土层Soillayer/cm地形Landform植被类型Vegetationtypes土壤颗粒分布Soilparticlesizedistribution/%粘粒Clay粉粒Silt砂粒Sand0—10平台草地10.38±0.94a54.55±6.82a35.07±7.72b灌木10.16±1.00a51.76±5.11a38.08±6.01b裸地5.99±0.29b31.53±3.19b62.47±3.47a边坡草地7.33±1.73b43.32±9.04b49.34±10.61b灌木9.86±0.99a50.31±3.68a39.83±3.60c裸地5.50±1.69c31.47±2.54c63.03±4.22a10—20平台草地10.42±1.17a56.24±6.54a33.33±7.66b灌木11.11±0.87a53.44±3.11a35.44±3.96b裸地7.28±1.21b36.28±3.28b56.43±3.85a边坡草地7.23±2.02b44.18±11.23b48.59±13.20b灌木10.30±0.55a52.21±6.98a37.48±7.19c裸地5.85±1.25c35.43±5.09c58.71±6.27a

3 讨论

在黄土地区已经完成的大量研究表明植被恢复能够促进土壤水稳性团聚体的形成[16- 18]。本次研究中植被恢复下排土场平台和边坡土壤团聚结果均好于裸地,土壤R0.25、MWD、GMD均显著提高,D显著降低,表明植被恢复同样能促进该地区排土场重构土壤水稳性团聚体的形成。但由于排土场土壤结构破坏严重,植被生长的土壤气候环境较差,植被恢复对土壤的改良是一个缓慢过程,与黄土区自然土壤植被恢复研究结果[7,17-18]相比其土壤团聚状况仍然较差,土壤团聚较为缓慢,土壤结构和质量需要进一步提升。

地形和植被类型对排土场植被恢复下土壤团聚体特征有显著影响。Zhang[9]对黄土区露天煤矿排土场的研究表明,地形对排土场水土流失和土壤物理、化学性质均有显著影响,植被恢复下平台的土壤质量要好于边坡,而边坡的土壤侵蚀强度要显著高于平台。本研究也表明植被恢复下排土场不同地形土壤团聚性有显著差异,平台水分养分条件有利于植被恢复,同时水土流失和团聚体破坏均较轻,植被恢复下其有机碳和粘粒含量均更高,所以平台具有较好的土壤团聚结构。赵世伟[19]和于寒清[16]对黄土地区的研究表明灌木恢复下土壤团聚性要好于草地,但是本研究表明在排土场平台草地的恢复效果较好,这可能是由于植被恢复所处的环境不同。排土场植被生长环境较差,更适合耐贫瘠的草本作物的生长,同时草地表层枯落物和根系发达,有机质周转较快,对土壤团聚结构改良效果也好于灌木地,李俊超[8]等研究也显示草地对排土场平台土壤的改良效果要优于灌木;而边坡土壤侵蚀严重,灌木相比草本具有较好的保持水土能力[20],比较适应边坡这种侵蚀强烈的地形,所以灌木对边坡土壤结构改良效果要好于草地。由于排土场土壤性质的特殊性,其植被恢复过程和效果与该地区自然土壤有很大差异,并不能照搬自然地区植被恢复的技术经验,应因地制宜,并根据排土场不同位置和恢复目的选择适宜的植被恢复模式。

土壤有机质和粘粒是土壤团聚结构形成的重要因素,土壤团聚体的形成主要依赖于土壤中各种胶结物质的数量和性质,而土壤腐殖质和粘粒是最主要的胶结物质[21]。Yao[22]的研究表明植被恢复通过增加退化土壤的有机碳含量而增强土壤团聚性,这与本研究结果一致,排土场土壤有机碳含量越高其土壤团聚性越好。Zhou[23]的研究结果表明长时间的植被恢复下土壤有机碳含量越高而粘粒含量越低则土壤团聚性越好,这与本研究中土壤粘粒与SOC均促进土壤团聚体形成的结果不一致。主要是由于Zhou的研究在红壤地区,其土壤粘重,粘粒含量过高造成土壤结构不良;而本研究在黄土地区,排土场土壤以粉粒和砂粒为主,粗颗粒含量较多不利于土壤团聚体的形成,同时排土场土壤有机碳含量偏低,因此粘粒含量对于排土场土壤团聚体的形成更为重要。通过分析(表4)可以看出,与裸地相比植被恢复下土壤粘粒和粉粒含量显著增加,而砂粒显著减少,主要原因可能是不同植被恢复下土壤侵蚀强度不同。裸地土壤侵蚀强烈,强烈的侵蚀下细颗粒大量流失[24],所以其粘粒和粉粒所占比例较低,而不易流失的砂粒相对积累,而植被恢复措施下土壤侵蚀较轻,土壤细颗粒流失较少,所以土壤粘粒和粉粒含量相对较高。

以往对于土壤团聚体形成的影响因素的研究多在自然土壤条件下[7,23,25],而对于排土场这种重构土壤其团聚体特性及影响因素的研究还很少,本研究表明了土壤有机碳和粘粒对于重构土壤团聚体形成和分布的影响,植被恢复主要通过增加土壤有机碳含量和和减少粘粒流失来促进土壤团聚,在排土场重构土壤熟化过程中可以通过增加土壤有机质和粘粒来改良土壤结构,一些研究表明土壤改良剂如粉煤灰、污泥、堆肥等的加入与植被恢复措施配合对排土场的生态恢复有更好的效果[26]。Zhou[23]已经利用同步辐射对团聚体内部微结构进行了研究,表明了植被恢复对于改善团聚体内部微结构、增加其孔隙性的作用;Wei[25]也对黄土地区植被恢复下土壤团聚体内部有机碳的分布特征进行了研究。本文研究了植被恢复对排土场土壤水稳性团聚体数量和粒径分布的影响,但对于团聚体内部状况以及形成过程研究还不够深入,今后还需要进行更为深入的研究,探究植被恢复下排土场重构土壤团聚体的形成过程和内部特征。

4 结论

本研究表明植被恢复能显著提高排土场重构土壤的团聚性,植被类型和地形对土壤团聚性有显著影响。排土场平台在草地恢复下土壤团聚状况较好,在恢复初期应以草地作为主要的植被恢复模式;而边坡在灌木恢复下土壤团聚状况较好,应以灌木作为主要的恢复模式。植被恢复下土壤有机碳含量越高、质地越粘重则土壤团聚性越好,植被恢复通过增加排土场的土壤有机碳含量和减少粘粒流失促进土壤团聚过程。本研究揭示了黄土区煤矿排土场不同植被恢复下土壤团聚体特征,有助于进一步认识植被恢复对于该地区排土场土壤质量提高和水土保持的作用,并为排土场不同部位植被恢复方向的确定以及适宜植被恢复类型的筛选提供了科学依据,对其他大型工程堆积体及填沟造地等重构土壤的植被恢复、土壤熟化的研究也有一定科学意义。

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Effects of vegetation restoration on soil aggregate characteristics of an opencast coal mine dump in the loess area

TANG Jun1, DANG Tinghui1,2,*, XUE Jiang2, WEN Yuerong2, XU Na1, WU Defeng2

1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Soil aggregate structure is an important factor affecting soil fertility and erodibility. Reports have suggested that vegetation restoration may affect water-stable soil aggregates, but few studies have assessed vegetation restoration in the mining area on the Loess Plateau. This study was performed in the Heidaigou opencast coal mine dump of the Loess Plateau, which has been restored by vegetation reconstruction for 18 years. To study the effects of vegetation types and landforms on dump soil aggregate characteristics, we assessed three vegetation types (grassland, shrubland, and bare land) and two landforms (platform and slope) with 6 treatments and 126 samples. The water-stable soil aggregate composition was analyzed by wet sieving. The aggregates were separated into six size classes: >5 mm, 5—2 mm, 2—1 mm, 1—0.5 mm, 0.5—0.25 mm, and <0.25 mm. Macro-aggregate content (R0.25), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD), and fractal dimension (D) were used as evaluation indexes. Soil particle size distribution was determined by an MS2000 laser granularity analyzer. Soil organic carbon (SOC) content was determined by potassium dichromate volumetry. Results showed that vegetation restoration promoted the formation of water-stable soil aggregates. TheR0.25, MWD, and GMD of the 0—20 cm soil layer were significantly higher in revegetated land than in bare land on both platforms and slopes. TheR0.25, MWD, GMD, andDin the 0—20 cm soil layer of revegetation land were 31.1%, 0.70 mm, 0.26 mm, and 2.91, respectively, on platforms, and 13.3%, 0.37 mm, 0.17 mm, and 2.96, respectively, on slopes. The soil aggregate quality on the plat form was better than on the slope. Artificial grassland had more significant improvement in soil aggregate quality than the shrubland on the platform of the dump, but the shrubland was better on the slope. The soil aggregate quality was lower in the surface layer than sub-surface layer on the platform. SOC content and soil clay content were significantly related to soil aggregate quality. Higher SOC content was noted with vegetation restoration on the platform than on the slope. The distribution of SOC content changed in the order grassland > shrubland > bare land on the platform, but in the order shrubland > grassland > bare land on the slope. The clay, slit, and sand contents, respectively, averaged 10.52%, 54%, and 35.48% on the platform and 7.68%, 42.82%, and 49.50% on the slope. Significant correlations were noted between SOC content and soil aggregate indexes aswellas between soil clay content and soil aggregate indexes. Correlation analysis showed that water-stable soil aggregate properties were positively correlated with SOC and soil clay. Further, soil clay promoted the formation of water-stable soil aggregates, while the high SOC increased the particle size of water-stable soil aggregates and changed their size distribution. Our results suggested that soil aggregate quality improved significantly after 18 years of vegetation restoration, and vegetation types and landforms had significant influences on soil aggregate properties in this mining area on the Loess Plateau. In addition, our results showed the positive effects of vegetation restoration on water stability and soil structure of an opencast coal mine dump on the Loess Plateau, which reduced soil erosion and improved soil quality in this region.

vegetation restoration; dump; soil aggregate; fractal dimension

中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3- 13)

2015- 01- 24; 网络出版日期:2015- 12- 03

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

10.5846/stxb201501240192

唐骏,党廷辉,薛江,文月荣,徐娜,吴得峰.植被恢复对黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的影响.生态学报,2016,36(16):5067- 5077.

Tang J, Dang T H, Xue J, Wen Y R, Xu N, Wu D F.Effects of vegetation restoration on soil aggregate characteristics of an opencast coal mine dump in the loess area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5067- 5077.

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