铁尾矿基质下2种人工灌木林特征及其土壤结构改良效益分析

程 达，李晨光，李玉灵*，钟林娟，李晓刚，杨 晔，张金玲

(1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.北京来美园林景观工程有限公司，北京 100000；3.安国市林业局，河北 保定 071000)

尾矿废弃地污染环境、破坏景观且极易造成水土流失，尾矿废弃地的治理和修复工作需要大力推进。目前，国内使用传统的覆土处理等物理方法、使用化学肥料及有机肥、生物处理法等方法[1]；国外则将固定-稳定化技术、原位蒸发提取法、生物降解法、电动力学修复、有机物污染热解吸法等方法作为修复矿山废弃地的主要方法[2-3]。传统的覆土技术成本高，物理处理法会破坏土壤结构，化学修复方法会造成土壤二次污染，且众多方法的修复效果也不理想[4]。近年来，植物修复技术因其原位修复、经济、安全、无二次污染等优势，不断成为国内外尾矿区进行土壤改良的重要研究方法以及研究的热点[5-6]。铁尾矿废弃地是一种土壤结构不良、生物生境丧失的特殊立地类型，其主要组成成分是脉石矿物，不但丧失天然表土特性，还有其极端理化性质，如结构松散、养分贫瘠[7]，且残存的重金属元素也对植被产生毒害作用，极大地限制了植物的生长发育[8]，所以是植被恢复困难立地类型之一[9]。土壤中特殊的团粒结构直接影响土壤的通透性能，从而影响植物根系的生长，进而对植物群落结构和功能产生重要影响，因此土壤结构是影响尾矿植物定居和群落结构功能的决定性因素之一[10]。植物一旦定居后，植物根系及其植物群落对土壤通透性，土壤团粒结构形成又有促进作用，最终促成土壤生态系统健康发育。Bradshaw[11]认为随着植物群落的形成和生物多样性的不断恢复，尾矿废弃地土壤理化性质不断得到改善，进而反过来促进植物群落的良性发展。许中旗[12]等的研究结果表明，通过植被恢复可以加速尾矿土壤熟化过程，改良土壤结构，实现土地转型利用，所以重建植物群落是铁尾矿区土壤修复的重要途径。

迁安作为河北唐山的铁矿主要资源产区，其铁尾矿堆存量已经达到了3.35×108m3[13]。近年来，当地开展了以造林绿化为主的植被恢复工程，特别是灌木植被的恢复已初见成效。紫穗槐(Amorphafruticosa)与沙地柏(Sabinavulgaris)是当地铁矿废弃地植被恢复的常用灌木树种。紫穗槐根部常有根瘤菌伴生，可促进土壤氮的固定，从而改良土壤。沙地柏是匍匐常绿针叶灌木，根部扎入土壤较深，其固持水土、稳定地表作用明显，是我国北方半干旱地区水土保持、防风固沙、城市景观绿化的常用树种。本研究以上述2种人工灌木林为研究对象，以裸尾矿为对照，调查灌木群落垂直结构和物种多样性指数，并分析土壤粒径组成、团聚体含量等土壤结构指标，研究尾矿基质下不同灌木群落特征和土壤结构的变化趋势，明确植被恢复对尾矿土壤结构的改良效益，进而为加速尾矿土壤熟化过程，实现尾矿废弃地的转型利用提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省东北部，燕山南麓，唐山迁安马兰庄镇首钢马兰庄矿区。马兰庄镇地理坐标118°29′-118°56′E，39°51′-40°51′N，总面积44.7 km2。镇域矿产资源丰富，镇域铁矿石总贮量达10亿t，全镇现有矿山企业50余家。本次试验布设于首钢马兰庄钢铁公司尾矿库，矿区共有白马山、沙河山、柳河峪和裴庄4个采区，总占地为2.75 km2，其中尾矿库占地为0.25 km2。尾矿的堆积破坏了大量植被，若不及时采取措施，将会产生严重的水土流失现象，甚至会引发严重的地质灾害，对生态环境和人民生活构成严重威胁。

该区属暖温带大陆性半湿润季风气候，年日照时数2 292.5 h，平均气温11.5℃(2012年10.9℃)，无霜期198 d，多年平均降水量(1956-2010年)为672.4 mm。境内植被以落叶阔叶林为主，主要分布有沙棘(Hippophaerhamnoides)、火炬(Pinustaeda)、中华卷柏(Selaginellasinensis)、杨树(Populus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 2012年7月，在沙地柏林、紫穗槐林及裸尾矿样地内的上坡、中坡和下坡各设置1个3 m×3 m的灌木样方，共9个；每个样地内在四角和中央设置5个1 m×1 m的草本样方，共15个。分别调查灌木、草本群落特征。用GPS在样地几何中心定位，罗盘仪测定坡度和坡向。各样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况

1.2.2 物种多样性调查 在灌木样方中，记录样方内出现的全部灌木种类、株数、树高、冠幅、基径和盖度；在草本样方内，记录样方内出现的全部草本种类、多度、高度及盖度，植物物种分类鉴定参照《中国植物志》[14]，树高和冠幅采用钢卷尺测量，基径采用游标卡尺测量，盖度采用方格法。通过以上调查结果计算各物种重要值[15]：

重要值(IV)=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

1.2.3 生物量测定 灌木生物量测定，在每个样方内通过测量树高、冠幅和基径的测量结果选择3株标准株，尽量将根部全部挖出，并分别对植物根、茎、叶称取鲜重。分别剪取根、茎、叶适量再次称重，然后烘干称重，通过计算干物质率，从而得出样地内灌木总生物量。

草本生物量测定，采用“全收获法”，将样方内的草本全部挖出，尽量将其根部全部收集，测其鲜重。并取样经烘干称重后，计算样地内草本生物量。

1.2.4 土壤样品采集与测定 在调查样方内，按照上坡、中坡、下坡布设土样采集点，共计9个土壤剖面，每个剖面分0～10、10～20、20～40 cm和40～60 cm土层，用塑封袋采集一定量的土样，编号带回实验室。将取回土样按照上、中、下坡3个土壤剖面混合均匀，并过1 mm土壤筛后使用Bettersize2000激光粒度分布仪进行土壤粒径分布的测定。该仪器的测量范围为0.02～2 000 μm。将土样自然风干后参考干筛法[16]进行筛分测定大团聚体(0.25 mm

表2 中国制土壤粒级划分标准

1.2.5 数据处理 所有数据在Microsoft Office Excel 2007整理计算，在IBM SPSS Statistics 23.0进行统计分析。使用单因素(one-way ANOVA,Duncan SSR test)进行方差分析和差异显著性检验(α=0.05),及2个样本平均数的统计假设检验(two-sample t-test,assumingμ12=μ22;α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 群落结构特征

2种植物群落的垂直结构均分为灌木层和草本层，裸尾矿上无植物生长。紫穗槐林下草本层较沙地柏林下发达，盖度为5.6%，草本平均高度为0.15 m；沙地柏林下仅有为数不多的草本植物生长，其盖度只有0.2%，林下草本高度也仅有0.03 m(表3)。说明紫穗槐林不论是灌木层还是草本层，其盖度、高生长均优于沙地柏林。

2.2 灌木林下草本层物种组成

2个样地没有乔木生长，林下植被主要是1～2年生草本。沙地柏林草本层物种隶属2科2属2种，狗尾草是绝对优势种，重要值为71.43%；紫穗槐林草本层物种隶属2科3属3种，优势种为猪毛蒿和狗尾草，重要值分别为56.14%和43.63%。狗尾草在2种灌木林样地中均为优势种(表4)。总体来说，2种灌木林下物种组成还不够丰富，比较而言，紫穗槐林略占优势。

2.3 生物量

由表5可知，2种灌木林地内灌木层、草本层和总生物量均有显著差异。紫穗槐林不论是灌木层还是草本层，其生物量均大于沙地柏林(P<0.05)。且2种灌木林灌木层生物量占群落林分总生物量均达到99%，而草本层生物量均不足总生物量的0.6%。就2个灌木林群落比较而言，紫穗槐林草本生物量较高(0.11 t/hm2)，占林分总生物量的0.53%；沙地柏林样地中草本生物量极低(0.02 t/hm2)，仅占该样地总生物量的0.27%。这说明2种灌木林下环境均比较恶劣，但紫穗槐林下草本植物生长条件稍优于沙地柏林。

表3 2种植物群落结构特征

表4 各样地主要物种组成

表5 2种植物群落生物量

注：不同小写字母表示在不同样地之间差异显著(P<0.05)。

2.4 土壤的物理性质

2.4.1 土壤粒径分布 同一样地不同土层深度土壤粒径分布如图1。所有样地均是150～250 μm细砂粒和250～300 μm粗砂粒的含量最高，30 μm以下的粉粒含量很低，2 μm以下的粘粒最低。这充分说明了尾矿砂的物理性质恶劣，利用难度大。但各样地粒径含量又有不同的变化趋势。沙地柏样地浅层土壤粒径<250 μm的土壤颗粒含量小于深层土壤，粒径>250 μm与之相反；紫穗槐样地表层土壤粒径<50 μm的土壤颗粒含量明显高于深层土壤，且出现了1.0 μm以下的细粘粒，浅层土壤粒径>250 μm的土壤颗粒含量与沙地柏样地相同，也呈现出大于深层土壤的趋势；在裸尾矿对照样地中，随土壤深度增加，粒径>250 μm的土壤颗粒含量增加。

沙地柏与紫穗槐样地相同土层粒径分布比较如图2。在0～10 cm表层土壤中，沙地柏林粒径<150 μm的土壤颗粒含量小于紫穗槐林，粒径>150 μm的土壤颗粒含量大于紫穗槐林；在10～60 cm土壤层中恰好相反。裸尾矿各粒径土壤颗粒含量基本介于二者之间。结合图2可以看出，沙地柏林在10～40 cm土层内<150 μm粒径的土壤颗粒含量增加，紫穗槐林0～10 cm表层<150 μm粒径的土壤颗粒含量增加。说明沙地柏林对10～40 cm尾矿粒径组成有分化作用，紫穗槐林对表层尾矿粒径组成影响大。

2.4.2 土壤中的大团聚体含量 土壤中大团聚体主要指粒径为0.25～10 mm范围的土壤颗粒，其含量是反映土壤结构的指标之一，大团聚体含量越高，土壤结构越好。由图3可知，3块样地大团聚体总含量由高到低依次为紫穗槐(29.3%)>沙地柏(28.7%)>裸尾矿(18.3%)。沙地柏和紫穗槐样地每层大团聚体含量均大于裸尾矿样地，说明尾矿土壤大团聚体含量明显受到造林活动的影响。沙地柏林随土壤深度加深，大团聚体含量也随之增高；紫穗槐林0～10 cm土层的大团聚体含量较高，10～20 cm土层与沙地柏林相近，40～60 cm处大团聚体含量较低。裸尾矿大团聚体含量随土层深度无明显变化，体现了2种灌木对尾矿不同土壤深度大团聚体形成的不同作用。

图1 各样地不同土层粒径分布

3 结论与讨论

3.1 结论

铁尾矿基质下人工植物群落结构简单。在垂直结构上，紫穗槐林和沙地柏林均只有灌木层和草本层，但其发育程度又有所不同，紫穗槐林下草本发育更好。2种灌木群落中，物种组成还不丰富，相对而言紫穗槐林较沙地柏林丰富，其生物多样性指数、生物量均表现为紫穗槐林>沙地柏林。

2种灌木林下土壤粒径含量分布均为250 μm左右的砂粒含量最多，30 μm以下的粉粒含量较少，2 μm以下的粘粒最少。裸尾矿细粒物质、团聚体含量低，且各粒径物质随土层深度变化不明显。尾矿上营造紫穗槐林和沙地柏林均对尾矿粒径分布、团聚体形成等有改良作用。紫穗槐林下0～10 cm土层<150 μm的细粒物质增加，大团聚体含量较高，沙地柏林10～40 cm土层处<150 μm的细粒物质较多，40～60 cm土层处大团聚体含量高。沙地柏林对于深层土壤粒径分布和大团聚体形成影响明显，紫穗槐林对于浅层土壤改良作用明显。

3.2 讨论

一般在极端的生态条件下，群落成层构造简单[18]。本研究结果表明，2种人工灌木林群落垂直结构简单，只有灌木层和草本层，但其发育程度又有所不同，紫穗槐林下草本发育更好。这首先取决于造林树种特性，紫穗槐为豆科阔叶落叶灌木，与沙地柏相比，紫穗槐生长快，枝叶繁密、叶量大，为林下草本层发育提供了良好条件，所以紫穗槐林下植物多样性明显高于沙地柏林。紫穗槐林总生物量也明显大于沙地柏林，林内草本生物量与总生物量分配规律一致，从以上植物群落各项指标而言，紫穗槐林的植被恢复效果较沙地柏林好。

图2 不同样地土壤粒径分布

图3 土壤大团聚体

植被恢复不仅能够有效提高群落物种多样性，同时也改善植被赖以生存的土壤环境，植被恢复过程是植物与土壤相互影响互相作用的过程，也是土壤的理化性质不断优化的过程，最终加速了尾矿的土壤重构过程[19]。土壤重构需要解决的基本问题就是土壤结构的改良，而土壤颗粒组成是影响土壤结构的主要因子之一[20-21]。土壤的形成和土壤颗粒含量的变化是一个极其缓慢的过程，其变化过程中影响因素也是多种多样的，植物根系与土壤微生物的互作是主要影响因子[22]，植物根系与土壤粘结，改变了土壤的理化性质，由于不同植物根系分布不同，对不同土层的粒径分化作用不同[23]。本研究中紫穗槐林下0～10 cm土壤粒径<150 μm颗粒物质增加，一方面是因为紫穗槐林地表层枯落物较多，另一方面紫穗槐根系分布浅层化[24]，使表层粒径分布趋于细粒化。沙地柏根系主要分布在0～60 cm土层内，且根量分布最多的土层为10～30 cm[25]，沙地柏可能通过发达的根系作用，使10～40 cm土层细粒物质增加。而沙地柏属于常绿针叶灌木，表层几乎没有枯落物，导致表层土壤粒径组成偏大。

作为土壤结构的基本单元和土壤肥力的重要组成部分，土壤团聚体对土壤的物理、化学和生物特性均有重要影响[26]。大团聚体被认为是土壤中最好的结构体，称为土壤团粒结构体，是维持土壤结构稳定的基础，其含量越高，土壤结构的稳定性越大。紫穗槐林0～10 cm土层的大团聚体含量较高，沙地柏林40～60 cm处达到最大，反映了2种灌木对尾矿大团聚体形成的不同作用。土壤有机质是形成土壤团聚体的重要胶结物质，在土壤团聚体的形成过程中发挥着重要作用[27]。尾矿基质下沙地柏林样地中有机质含量随土层深度增加呈现出增加的趋势，而紫穗槐样地中有机质含量则与之相反[28]，这可能也是造成紫穗槐林表层团聚体含量高、沙地柏林深层团聚体含量高的原因之一。还有研究表明，土壤板结、压实、侵蚀等物理过程幅度和速度与土壤中团聚体的数量密切相关[29]，土壤的机械组成和物理挤压对土壤中大团聚体的含量影响较大[30-31]。如前所述，紫穗槐为浅根性树种，其地表枯落物多，与浅层根系共同作用对浅层各物理性质改良明显，表层有机质含量高，使其团聚体的分布也出现浅层化。与紫穗槐相比，沙地柏是深根性树种，加之沙地柏常绿匍匐生长特性，决定了其林下枯落物少，表层有机质含量较低，所以沙地柏林大团聚体含量分布深层化。

综合而言，裸尾矿细粒物质、大团聚体含量低，且随土层深度变化不明显。尾矿上营造紫穗槐林和沙地柏林均对尾矿粒径分布、团聚体形成等有改良作用，但阔叶灌木紫穗槐和针叶灌木沙地柏由于其树种本身的生理生态习性不同，对尾矿不同土层的改良作用也不尽相同。紫穗槐林对尾矿表层结构改良作用明显，沙地柏对尾矿下层改良作用较大，就短期效益而言，紫穗槐凭借其快速生长的特性，繁茂的枝叶和表层大量的枯落物、发达的表层根系，对尾矿改良效益更为突出，沙地柏常绿、匍匐生长的特性及其纵深发展的根系，对尾矿区增加绿色景观，深层土壤改良有长期效益。如果在尾矿上营造紫穗槐与沙地柏混交林，对尾矿的综合改良效益更好。但不论是营造混交林还是纯林，尾矿成土过程中林地表层枯落物和土壤微生物的作用是必不可少的。今后从个体水平上还需加强植物根系与微生物互作对尾矿土壤形成作用机制的研究，从生态系统尺度上加强林分-枯落物-土壤三者之间物质循环对尾矿改良作用机制的研究。