矿区排土场不同植物对根区土壤物理性质的改良效果与评价

张志玲，尹志刚，谢 伟，3，夏春园，4，王东丽，王向磊，，翟景轩

(1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,123000,辽宁阜新；2.辽宁工程技术大学矿业学院,123000,辽宁阜新；3.神东天隆集团有限责任公司生态研究院,017000,内蒙古鄂尔多斯；4.北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

矿山开采造成的土地破坏在全球范围内一直受到高度重视[1],露天矿排土场是导致矿区及周边地区大气、水体污染及水土流失等生态问题的重点区域之一[2]；因此,排土场是矿区复垦建设的重点对象,这类区域土壤结构差、肥力贫瘠、水土流失严重,而且土壤种子库遭受破坏,天然植被恢复极其缓慢[3-4]。海州露天矿是我国较早的大型露天煤矿,矿区在采煤的同时,排出了大量废弃岩土,形成了1万3 000 hm2的排土场[5]。该矿区排土场具有年降雨量不足和土壤结构不良的特点,由于土壤水分和肥力等是影响植物生长的重要因子,所以在该矿区排土场开展植被重建和恢复也极为困难；因此该矿区排土场的植被恢复情况也具有极为典型的特征与比较高的研究价值。

目前,在我国针对矿区排土场的生态修复模式研究较多[6-7],而对于不同具体植被种类对矿区排土场的生态恢复效果评价研究较少。另外,关于植物对土壤持水能力、结构变化等土壤特性影响的研究多集中在沙地、草原等自然形成的脆弱生态系统[8-10],而针对于矿区排土场这类特殊的人为影响条件下的不同植物根区土壤物理性质研究较少,尤其是不同植物对根区土壤结构和质地产生的影响及其具体作用需要做进一步研究。在矿区排土场实施生态治理中,选择出适宜干旱瘠薄土壤、生长良好、改良功能较强的树种,既有利于提高森林健康水平,又有利于增加土壤生产潜力；因此,笔者针对海州露天矿排土场现有的不同植物种类,选取典型的3种乔木榆树(Ulmus pumila)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、火炬树(Rhus typhina)林地、3种灌木紫穗槐(Amorpha fruticosa)、荆条(Vitex negundo)、杠柳(Periploca sepium)林地和荒草地为研究对象,研究不同植物对于0～50 cm根区土壤物理性质的改良效果,并采用主成分分析法评价不同植物对根区土壤物理性质的改良效果,进而为矿区排土场的植被恢复与重建提供参考。

1 研究区概况

海州露天排土场是阜新境内煤矸石地最大且最典型的代表地块,面积约为13 km2,地处E 121°40′12″,N 41°57′36″,海拔为 165 ～200 m,地势为东南高,西北低,属于半干旱大陆性季风气候,多风沙。年均降雨量485.2 mm,集中在7—9月。年均蒸发量1 800 mm,是降水量的3.7倍,年均气温7.3℃。排土场于2004年由国土资源部投资对其进行了土地复垦工作,首先进行了土地平整工作,使用大型工程设备对地表进行了平整、压实,然后进行客土回填工程,覆土厚度达到30 cm,客土来源于附近荒草地,土壤为褐色土,土壤理化性质基本一致。次年,矿务局与辽宁工程技术大学合作开展植被恢复工作,种植刺槐、榆树、紫穗槐、荆条等植被。目前,该排土场成林植被主要有刺槐、榆树、火炬树、荆条、紫穗槐、杠柳等。

2 研究方法

2.1 实验地选定

实验于2015年5月在阜新市海州露天矿排土场复垦区进行实地取样,在复垦年限为13年、植物种植为12年的排土场同一平台内,选取榆树、刺槐、火炬树、杠柳、紫穗槐、荆条林地各3块标准样地,在每个标准样地内选择2株标准木,每种植物共计选取6株标准木(表1)。另设1块无林种的荒草地为对照。

表1 研究样地基本情况Tab.1 Basic situation of the studied sites

采样方法:以标准木为圆心,1 m长为半径画圆,分别在圆的4个方位上,用100 cm3体积的环刀取得原状土,按 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm 5个层次进行取样。

测定指标与方法:采用环刀法测定土壤密度及土壤水分物理性质(饱和持水量、毛管持水量、田间持水量)；使用AZS -100定位TDR土壤水分仪(产地中国)测定土壤各层含水率；土壤机械组成采用LA -300激光散射粒度分布分析仪(产地日本)测定,粒径大小按国际制划分,即粗砂(1～0.2 mm)、细砂(0.2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(0～0.002 mm)。

2.2 数据处理与评价方法

2.2.1 数据处理 采用Microsoft Excel 2016进行数据处理及图表绘制,使用SPSS 23统计软件中One-Way ANOVA进行单因素方差分析。运用SPSS 23统计软件进行主成分分析并运算主成分得分以及综合得分,根据得分进行评价。

2.2.2 评价指标和评价方法选择 土壤物理性质主要包括土壤密度、土壤颗粒组成及导水、持水特征等密切相关的多项指标[11],在不同土层中的土壤物理性质决定土壤水、肥、气、热等肥力状况,因此被认为是反映土壤结构及评价土壤质量的重要指标[12]。因此,本研究选取粗砂、细沙、粉粒、黏粒、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤密度、含水率9个指标作为评价指标[13]。

采用主成分分析法建立土壤物理性质的综合得分评价体系。该方法利用SPSS 23统计软件计算所有指标的初始特征值和方差贡献率,根据该结果将多个评价指标分成若干个主成分,基于主成分载荷矩阵得出各成分特征向量建立主成分的得分表达式,再基于各主成分的方差贡献率建立的综合得分的表达式。当计算出主成分得分后,再通过综合得分表达式得出综合得分。将综合得分按照高低进行排序,通过综合排序结果及某个主成分得分衡量其土壤物理性质质量情况[14]。

3 结果与分析

3.1 不同植物根区土壤田间持水量的特征

图1 不同植物根区土壤田间持水量特征Fig.1 Field capacity characteristics around the root regions of different plants

田间持水量是反映土壤水分状况的重要指标,与土壤保水、供水有密切的关系。如图1所示,7种植物根系周围的土壤的田间持水量在0～50 cm土壤剖面上普遍存在先增加后减小的趋势,而且除火炬树外,其他植物在40～50 cm土层处田间持水量均低于15%,说明矿区复垦地土壤保水、供水能力改良效果在浅层优于深层。然而,田间持水量在土壤剖面的分布特征在不同植物间存在一定的差异,火炬树林地各层土壤的田间持水量显著(P＜0.05)大于其他植物土壤,说明火炬树林地土壤保水、持水能力最强,火炬树表现出良好的改善土壤水分条件的效果；其次为榆树林地土壤,紫穗槐、荆条灌木林地各层土壤田间持水量排在最后。总体来看,乔木林地的土壤田间持水量要优于灌木林地。

3.2 不同植物根区土壤密度特征

土壤密度可以判断土壤的松紧程度,疏松、有团粒结构的土壤密度小,反之,紧实板结的密度大[15]。如图2所示,火炬树根区土壤密度在各层中值最小,说明火炬树根系周围土壤比其他植物根系周围土壤疏松且具有更多团粒结构；在0～10 cm、20～30 cm土壤中,紫穗槐土壤密度最大,说明紫穗槐表层土壤紧实板结,团粒较少,蓄水少,透水较慢；杠柳根系周围土壤密度在10～20 cm、30～40 cm、40～50 cm 最大,这说明其土壤孔隙数量少,土壤的水分、空气、热量状况较差。

图2 不同植物根区土壤密度特征Fig.2 Soil bulk density around the root regions of different plants

3.3 不同植物根区土壤机械组成特征

如图3所示,7种植物根系周围土壤砂粒质量分数显著大于粉粒与黏粒质量分数,砂粒质量分数大,造成土壤吸水、保肥能力弱,养分易随径流流失。土壤颗粒机械组成主要受客土来源的影响,然而不同植物根系的物理作用也会使土壤质地和孔隙状况产生变化[16]。在0～10 cm土层中,杠柳根系附近土壤粉粒与黏粒质量分数最多；10～20 cm土层中的乔木林地土壤的粉粒与黏粒质量分数大于灌木林地；在20～30 cm土层,榆树林地粉粒与黏粒质量分数达到最大值,这与田间持水量的最大值出现的土层是一致的；除火炬树外,其他几种植物土壤在30～50 cm土层随深度的增加,粉粒与黏粒质量分数在减少；火炬树林地土壤粉粒与黏粒的质量分数随着深度的增加而增加；荒草地根系周围土壤的粉粒与黏粒质量分数在30～50 cm土层质量分数很少。

图3 不同植物根区土壤机械组成特征Fig.3 Mechanical characteristics of soil around the root regions of different plants

3.4 运用主成分分析法进行综合评价

运用主成分分析法,对乔灌草7种植物的改良土壤物理性质效果进行综合分析[17],根据特征值和相应的方差贡献率,将9个指标分为3个主成分,其中第1主成分以饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤密度为主的指标贡献较大,第2主成分中粗砂、细砂、粉粒和含水率的贡献较大。第3主成分以黏粒的贡献较大。最终确定主成分得分和综合得分表达式如下:

主成分1得分=-1.39X1+1.26X2+0.71X3+0.96X4+1.48X5+1.52X6+1.43X7-1.58X8-1.14X9,

主成分2得分=0.81X1-0.72X2-0.85X3-0.13X4+0.51X5+0.68X6+0.74X7-0.29X8+0.49X9,

主成分3得分=-0.1X1-0.03X2-0.32X3+0.76X4-0.05X5-0.11X6-0.1X7+0.03X8+0.15X9,

综合得分 =48.556×主成分1得分/100+23.663×主成分2得分/100+9.585×主成分3得分/100。

上式中X1…X9分别为粗沙、细沙、粉粒、黏粒、饱和持水量、毛管持水量,田间持水量、土壤密度、含水率9个指标。

如表2,从综合得分来看,除紫穗槐外其它植物均表现在0～10cm土层得分较高,说明多种植物均对表层土壤的改良效果较好。对各层土壤的综合得分进行求和后,其得分依次为火炬树＞榆树＞刺槐＞杠柳＞荒草地＞荆条＞紫穗槐,此结果可作为7种植物对根区土壤物理性质改良效果的参考。

表2 主成分分析评价(得分/排名)Tab.2 Principal component analysis evaluation(Score/Rank)

4 讨论

1)土壤良好的物理性质是植物生长的先决条件,也是土壤涵养水源、减少水土流失的基础[18]。土壤颗粒是土壤最基本的组成单元,土壤颗粒的粒径分布对土壤孔隙、土壤水分和土壤团聚体都有着巨大的影响[19]。本研究结果表明:不同植物土壤田间持水量范围为12.88% ～26.18%,多种植物在深层土壤中的田间持水量都低于15%。虽然海州露天矿排土场覆土类型为褐色土,但其深层土壤已经与该地原有的风沙土以及岩石风化物充分混合,其机械组成已经发生了变化,使其呈现出较低的田间持水量指标,接近于辽西地区常见的风沙土,其田间持水量在4.5% ～11.7%[20]。另外,由于植物生长,其枯枝落叶对表层土壤的改良效果也优于深层,所以呈现出上层土壤的理化性质较好的趋势。孙刘义[21]对于土壤密度研究发现,在1.14～1.26 g/cm3之间比较有利于幼苗的出土和根系的正常生长,当土壤密度达1.5 g/cm3时,植物根系已难伸入,而达到1.6～1.7 g/cm3,已是根系穿插的临界点,本研究得出,在0～10 cm土层,紫穗槐根区土壤密度达到1.5 g/cm3,其他植物的土壤密度均在1.14 g/cm3左右,而较深层土壤密度较大。相比之下乔木林土壤比灌木林土壤密度小。土壤的机械组成对土壤的结构有很大的影响,且砂粒含量直接影响土壤渗透及孔隙等性能,从而影响土壤的抗蚀性能[22],而土壤中的黏的颗粒细小、表面积较大,且附着较多的矿物决定了它在土壤结构中的重要作用[23]。本研究发现,在10～20 cm,乔木林土壤粉粒与黏粒量大于灌木林,这与田间持水量的规律一致。根据以上结果可以推测乔木林的土壤改良效果优于灌木林。

2)对乔灌草7种植物进行全面综合评价得出根区土壤物理性质综合排序依次为火炬树＞榆树＞刺槐＞杠柳＞荒草地＞荆条＞紫穗槐。乔木林对土壤结构的改良作用、持水能力要强于灌木林,与讨论1)得出的结果一致,也与孟晨等[24]在华北土石山区典型区域研究结论一致。火炬树综合排名第一,这与其容重、田间持水量和粘粒指标的研究结果一致,并与寻明华等[25]研究海州南缘矸石山火炬树林分试验结果相近。

5 结论

根据7种植物根区土壤的田间持水率、土壤密度、机械组成等指标得出乔木优于灌木的土壤改良效果,运用主成分分析法得出根区土壤物理性质质量排序为火炬树＞榆树＞刺槐＞杠柳＞荒草地＞荆条＞紫穗槐。对于矿区排土场来说,土壤结构差、土质贫瘠,而火炬树根系发达,萌蘖性强,故对根区土壤结构改良作用较大；因此,此类矿区排土场复垦时使用火炬树可以获得相对较好的土壤改良效果,榆树、刺槐次之,正由于火炬树超强的繁殖能力,火炬树具有许多入侵物种的特性,所以,在植被重建实践中,选择火炬树要慎重,还应结合气候、土壤、树种、生物学特性等因素综合考虑。

作者将继续关注矿区排土场土壤有机质和土壤养分、微生物种群结构变化等,进一步分析土壤改良的效果。

6 参考文献

[1] 杨修,高林.德兴铜矿矿山废弃地植物恢复与重建研究[J].生态学报,2001,21(11):1932.YANG Qiu,GAO Lin.A study on re-vegetation in mining wasteland of Dexing Copper Mine,China[J].Acta Ecologica Sinica,2001,21(11):1932.

[2] 黄丹勇.矿区土地复垦与生态环境恢复综述 [J].湖南有色金属,2011,27(6):45.HUANG Danyong.Investigation and practice on mining land rehabilitation[J].Hunan Nonferrous Metals,2011,27(6):45.

[3] 王金满,郭凌俐,白中科,等.黄土区露天煤矿排土场复垦后土壤与植被的演变规律 [J].农业工程学报,2013,29(21):223.WANG Jinman,GUO Lingli,BAI Zhongke,et al.Succession law of reclaimed soil and vegetation on opencast coal mine dump of loess area[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(21):223.

[4] 许丽,樊金栓,周心澄,等.阜新市海州露天煤矿排土场植物自然恢复过程中物种多样性研究 [J].干旱区资源与环境,2005,19(6):152.XU Li,FAN Jinshuan,ZHOU Xincheng,et al.Study on plant species diversity of opencast coal mine spoils in Haizhou,Fuxin rejoin during natural plant restoration[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2005,19(6):152.

[5] 梁冰,白国良.阜新市新邱露天矿东排土场土地复垦模式研究[J].露天采矿技术,2005,(1):29.LIANG Bing,BAI Guoliang.Research on soil reclaim mode of east earth-disposal site of Xinqiu Open-pit Coal Mine in Fuxin[J].Opencast Mining Technology,2005(1):29.

[6] 陈来红,马万里.霍林河露天煤矿排土场植物恢复与重建技术探讨[J].中国水土保持科学,2011,9(4):117.CHEN Laihong,MA Wanli.Discussion on vegetation restoration and reconstruction in dumping site of open coal mine in Huolinhe[J].Science of Soil and Water Conservation,2011,9(4):117.

[7] 文月荣,党廷辉,唐骏,等.不同林地恢复模式下露天煤矿排土场土壤有机碳分布特征[J].应用生态学报,2016,27(1):83.WEN Yuerong,DANG Tinghui,TANG Jun,et al.Distribution characteristics of soil organic carbon under different forest restoration modes on opencast coal mine dump[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016,27(1):83.

[8] 于洋,贾志清,朱雅娟,等.高寒沙地植物恢复区乌柳人工防护林对土壤的影响[J].林业科学,2013,49(11):9.YU Yang,JIA Zhiqing,ZHU Yajuan,et al.Effects ofSalix cheilophilaplantation on the improving of soil properties in vegetation restoration area of high-cold sandy land[J].Scientia Silvae Sinicae,2013,49(11):9.

[9] 温仲明,焦峰,刘宝元,等.黄土高原森林草原区退耕地植物自然恢复与土壤养分变化[J].应用生态学报,2015,16(11):2025.WEN Zhongming,JIAO Feng,LIU Baoyuan,et al.Natural vegetation restoration and soil nutrient dynamics of abandoned farmlands in forest-steppe zone on the Loess Plateau[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,16(11):2025.

[10] 蒋德明,曹成有,陈卓,等.封育条件下科尔沁沙地小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)群落改良土壤效应的研究 [J].干旱区资源与环境,2011,25(8):161.JIANG Deming,CAO Chengyou,CHEN Zhuo,et al.The effects of enclosing on the improving of soil properties ofCaragana microphyllacommunity in Horqin sand land[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2011,25(8):161.

[11] 马雪华.森林水文学[M].北京:中国林业出版社,1993:35.MA Xuehua.Forest hydrology[M].Beijing:China Forestry Publishing House,1993:35.

[12] GAIROLA S U,SONI P.Role of soil physical properties in ecological succession of restored mine land:A case study[J].International Journal of Environmental Sciences,2010,1(4):475.

[13] 王金满,杨睿璇,白中科.草原区露天煤矿排土场复垦土壤质量演替规律与模型[J].农业工程学报,2012,28(14):229.WANG Jinman,YANG Ruixuan,BAI Zhongke.Succession law and model of reclaimed soil quality of opencast coal mine dump in grassland[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(14):229.

[14] 张子龙,王文全,缪作清,等.主成分分析在三七连作土壤质量综合评价中的应用 [J].生态学杂志,2013,32(6):1636.ZHANG Zilong,WANG Wenquan,MIAO Zuoqing,et al.Application of principal component analysis in comprehensive assessment of soil quality underPanax notoginsengcontinuous planting[J].Chinese Journal of E-cology,2013,32(6):1636.

[15] 林大仪,谢英荷.土壤学[M].北京:中国林业出版社,2011:53.LIN Dayi,XIE Yinghe.Agrology[M].Beijing:China Forestry Publishing House,2011:53.

[16] 白一茹,王幼奇,展秀丽.陕北农牧交错带土地利用方式对土壤物理性质及分布特征的影响 [J].中国农业科学,2013,46(8):1619.BAI Yiru,WANG Youqi,ZHAN Xiuli.Effects of different land use types on soil physical properties and their distributions in farming-pastoral ecotone of northern Shaanxi[J].Scientia Agricultura Sinica,2013,46(8):1619.

[17] 袁雪红,高照良,张翔,等.不同豆科植物对黄土高原弃土场的改良效果 [J].中国水土保持科学,2016,14(4):121.YUAN Xuehong,GAO Zhaoliang,ZHANG Xiang,et al.Improved effects of different legume plants on the abandoned soil field in the Loess Plateau[J].Science of Soil and Water Conservation,2016,14(4):121.

[18] 韩振英,郭巧玲,苏宁.采煤塌陷对砂土区土壤物理性质的影响[J].人民珠江,2016,37(12):16.HAN Zhenying,GUO Qiaoling,SU Ning.Influence of mining subsidence on physical properties of soil in sand area[J].Pearl River,2016,37(12):16.

[19] 黄秋娴,陈颖,车晓雨,等.不同造林树种对铁尾矿基质结构的影响:以唐山迁安首钢马兰庄铁尾矿为例[J].林业资源管理,2015,(5):110.HUANG Qiuxian,CHEN Ying,CHE Xiaoyu,et al.Effects of different vegetation restoration types on soil structure in iron tailings:a case study of Malanzhuang iron tailings[J].Forest Resources Management,2015,(5):110.

[20] 陈晓燕,叶建春,陆桂华,等.全国土壤田间持水量分布探讨[J].水利水电技术,2004,35(9):113.CHEN Xiaoyan,YE Jianchun,LU Guihua,et al.Study on field capacity distribution about soil of China[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2004,35(9):113.

[21] 孙刘义.淮北市煤矿沉陷区植被恢复模式对土壤质量影响的研究[D].武汉:华中农业大学,2009:78.SUN Liuyi.Influence study of vegetation restoration pattern on soil property in subsidence area of coal mine in Huaibei City[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University,2009:78.

[22] 邓廷飞,刘彦,颜秋晓,等.贵州典型山银花土壤机械组成与养分特性及其关系 [J].水土保持学报,2014,28(5):209.DENG Tingfei,LIU Yan,YAN Qiuxiao,et al.Mechanical composition and soil nutrient characteristics and their relationships in typicalLonicera cinfusasoil of Guizhou[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(5):209.

[23] DIXON J B,朱永宫.土壤中粘粒的作用 [J].土壤学进展,1992,20(3):33.DIXON J B,ZHU Yonggong.The effect of clay in soil[J].Progress in Soil Science,1992,20(3):33.

[24] 孟晨,牛健植,骆紫藤,等.鹫峰地区不同植被群落土壤性质及饱和导水率特征 [J].水土保持学报,2015,29(3):156.MENG Chen,NIU Jianzhi,LUO Ziteng,et al.Soil properties and saturated hydraulic conductivity under different plant communities in Jiufeng Area[J].Journal of Soil and Water Conservation,2015,29(3):156.

[25] 寻明华,杨森,郝阳春,等.矸石山营造火炬树对改良矸石山土壤物理特征及养分的影响 [J].林业实用技术,2013(8):14.XUN Minghua,YANG Sen,HAO Yangchun,et al.The influence of theRhus typhinaon the physical characteristics and nutrient of the soil in the coal gangue mountain[J].Practical Forestry Technology,2013(8):14.