不同植被恢复模式对矿区土壤性质的影响

张军红 徐义萍

摘 要 为研究渝西废弃矿区不同植被恢复模式对土壤性质的影响，选择具有典型代表性的针阔混交林、常绿阔叶林、楠竹林和灌木林四种林地類型，设置标准样地采集土壤样品进行分析。结果发现，绿阔叶林地土壤毛管孔隙度显著低于楠竹林和灌木林，常绿阔叶林总孔隙度显著低于楠竹林和灌木林；四种林分类型土壤分形维数为2.53～2.61，表现为楠竹林>灌木林>针阔混交林>常绿阔叶林；土壤分形维数与总孔隙度、毛管孔隙度呈正相关关系，与非毛管孔隙度呈负相关关系，与0.001～0.005 mm、<0.001 mm土壤颗粒含量呈正相关关系，与0.25～1.00 mm粒径土壤颗粒含量呈负相关关系。废弃矿区不同植被恢复模式对土壤性质存在不可忽略的影响，在植被恢复过程中，不仅要考虑植被的成活情况，还要考虑植被对土壤的影响。

关键词 矿区植被恢复；土壤性质；分形维数

中图分类号：S714 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.7.007

人口、资源和环境问题是经济社会可持续发展面临的三大主要问题，如何实现三者的协调、均衡、和谐发展是当务之急[1]。矿山生态环境问题是区域可持续发展的重点，矿产资源开发导致的侵占耕地、生态破坏、环境污染、地质灾害等问题，通常对区域生态环境的扰动最大、破坏力最强[2-3]。近年来，运用生态学原理对矿区生态环境进行恢复一直是学术界研究的热点，矿区生态恢复设计的主要问题包括水污染治理（矿井涌水、生活污水、坑矿水等），固体废弃物治理（矿矸石、炉渣、生活垃圾及其他固体废弃物），废弃土地复垦及植被恢复等[4]。其中矿区植被恢复因涉及面广、难度大而成为学者关注的焦点[5]。

郭逍宇等研究了安太堡矿区植被恢复过程中主要物种生态位梯度变化，发现光和水分是决定植物优势种生态位梯度变化的主要因子[6]；赵娜等提出了金属矿区先锋植物筛选的6个标准、植物配置模式及其在矿区植被恢复中的作用[7]；宋祥兰等通过试验研究，发现赣南废弃矿区最佳植被恢复配置模式为“构树+胡枝子+香根草”[8]；齐丹卉等研究发现，废弃矿区植物恢复初期土壤种子库与地上植被紧密联系，群落改造方式、恢复时间对土壤种子库具有重要影响[9]；孟广涛等研究发现，矿区废弃地不同植被恢复措施对土壤养分的影响存在一定差异，在植被恢复过程中应注意植物种类的选择[10]。

地处重庆西部的永川区矿产资源丰富，主要包括煤、水泥灰岩、天然气等，其中煤炭资源储量3亿吨，境内有多家煤矿开采企业。辖区内因前期煤矿开采导致了不同程度的植被破坏、水土流失等问题，而渝西地区地处长江上游，生态环境保护任务艰巨。本文就不同植被恢复模式对矿区土壤性质的影响开展研究，以期为地区植被恢复从建、构建长江上游生态屏障提供参考。

1 研究区概况

永川区位于重庆西部、长江上游北岸，地处东经105°38′～106°05′、北纬28°56′～29°34′，属于亚热带季风性湿润气候，全年平均气温17.7 ℃，年平均降雨量1 015.0 mm，平均日照1 218.7 h，平均无霜期317 d。永川区地质构造属扬子准地台重庆地台向斜的一部分，为新华夏系次级沉降带，川东南弧形褶皱带华蓥山带状褶皱永川帚状褶皱束，境内云雾山、巴岳山、黄瓜山、阴山、箕山5条低山山脉呈东北—西南走向，“川”字排列，土壤类型主要为紫色土、紫泥田。

2 研究方法

在位于城区东北的采矿废弃地（E105°96′、N29°40′）划定试验区，该地区由于历史上人为采矿影响，地表结构和植被遭受了破坏，后经人工植树造林及植被自然更新，植被盖度已初步恢复。在研究区内根据植被的主要类型，选择具有典型代表的四种林地类型：针阔混交林、常绿阔叶林、楠竹林和灌木林，每种林地设立1块标准地，每个标准样地内各设置5个采样点，用环刀法取原状土样，测定土壤自然含水量、毛管持水量和最大持水量；在每个采样点重复3次取样，共计取60个土样，混合均匀后带回实验室，经自然风干处理后取部分原状土除去土样中的植物残体及杂物，用激光粒度仪分析土壤颗粒组成，采用吸管法测定土壤微团聚体。土壤分形维数的计算方法采用杨培玲等[11]推导的公式：

（1）

（1）式中，di为第i个粒级土粒的平均直径，dmax为最大粒级土粒的平均直径，D为土壤颗粒表面的分形维数，δ为测量土粒直径大小的码尺，W（δ

3 结果与分析

3.1 不同植被类型土壤性质

土壤的孔隙状况直接影响土壤的通气性、透水性和土壤的水源涵养功能。废弃矿区不同植被类型的土壤性质存在一定的差异（见表1）。土壤容重大小排序为：常绿阔叶林>针阔混交林>灌木林>楠竹林，四种植被类型土壤容重无显著差异；毛管孔隙率以楠竹林最高，均值为45.36%，常绿阔叶林最低，均值为29.89%，常绿阔叶林毛管孔隙度显著低于楠竹林和灌木林。四种植被类型土壤非毛管孔隙度大小顺序为：楠竹林>灌木林>常绿阔叶林>针阔混交林，四种植被类型土壤非毛管孔隙度无显著差异；总孔隙度以楠竹林最高，为52.39%，常绿阔叶林最低，为35.36%，常绿阔叶林总孔隙度显著低于楠竹林和灌木林。

3.2 不同植被类型土壤机械组成变化

根据土壤粒径的大小，将土壤微团聚体分为6个级别，分别是：0.25～1.00 mm、0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm、0.005～0.01 mm、0.001～0.005 mm、<0.001 mm。废弃矿区不同植被类型土壤微团聚体组成及分形维数见表2。

0.25～1.00 mm级别土壤颗粒含量以针阔混交林最高，占比为（11.97±1.38）%，其次是常绿阔叶林和楠竹林，灌木林含量最低，占比（4.43±0.62）%，显著低于其他3种林分；0.05～0.25 mm级别土壤颗粒含量以针阔混交林最高，占比为（30.75±6.37）%，四种植被类型0.05～0.25 mm级别土壤颗粒含量排序为：针阔混交林>灌木林>楠竹林>常绿阔叶林，四种植被类型0.05～0.25 mm级别土壤颗粒含量无显著差异；0.01～0.05 mm级别土壤颗粒含量以常绿阔叶林最高，占比（29.64±5.31）%，四种植被类型0.01～0.05 mm级别土壤颗粒含量排序为：常绿阔叶林>灌木林>针阔混交林>楠竹林，四种植被类型0.01～0.05 mm 级别土壤颗粒含量无显著差异；0.005～0.01 mm级别土壤颗粒含量以楠竹林最高，占比为（13.76±1.48）%，四种植被类型0.005～0.01 mm级别土壤颗粒含量排序为：楠竹林>常绿阔叶林>灌木林>针阔混交林，四种植被类型0.001～0.005 mm级别土壤颗粒含量无显著差异；0.001～0.005 mm级别土壤颗粒含量以灌木林最高，占比为（19.64±3.18）%，其次是常绿阔叶林和楠竹林，针阔混交林最低，占比为（13.98±2.14）%，显著低于其他3种林分类型；<0.001 mm级别土壤颗粒含量以楠竹林最高，占比为6.95±1.24%，其次是灌木林，占比略低于楠竹林，常绿阔叶林最低，占比为（3.43±0.63）%，显著低于楠竹林和灌木林，而针阔混交林含量与3者均无显著差异。

废弃矿区四种林分类型土壤分形维数大小顺序是：楠竹林>灌木林>针阔混交林>常绿阔叶林。将土壤分形维数与对应的土壤性质及机械组成进行回归分析，发现土壤分形维数总孔隙度、毛管孔隙度呈正相关关系，与非毛管孔隙度呈负相关关系（P<0.05），说明土壤总孔隙度、毛管孔隙度含量变化越大，非毛管孔隙度变化越小，土壤分形维数的变化也越大，土壤质地结构改善越明显；土壤分形维数与0.001～0.005 mm、<0.001 mm土壤颗粒含量呈正相关关系，与0.25～1.00 mm粒径土壤颗粒含量呈负相关关系（P<0.05）。

4 结论与讨论

1）研究区四种不同植被类型土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及总孔隙度间存在一定差异，其中四种植被类型的土壤容重、非毛管孔隙度差异不显著，毛管孔隙度常绿阔叶林显著低于楠竹林和灌木林，常绿阔叶林总孔隙度显著低于楠竹林和灌木林。土壤的孔隙状况直接影响土壤的通气性、透水性和水源涵养功能，废弃矿区不同植被类型间毛管孔隙度、总孔隙度的显著差异主要由不同植被的郁闭度、根系分布、地表凋落物覆盖程度等因素引起，并对植被下土壤的水分涵养能力产生直接影响[13]。

2）研究区土壤机械组成以0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm两个级别的颗粒为主，所占比例约為60%；<0.001 mm颗粒含量最低，约为5%；0.25～1.00 mm、0.005～0.01 mm、0.001～0.005 mm三个级别的土壤颗粒含量均在10%左右。四种林分间0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm、0.005～0.01 mm三个粒径级别土壤颗粒的含量均无显著差异，而上述三种颗粒的含量约占总含量的70%，差异主要体现在0.25～1.00 mm、0.001～0.005 mm、<0.001 mm三种级别的颗粒上，也导致了四种林分下土壤分形维数的差异；废弃矿区四种林分类型土壤分形维数大小顺序是：楠竹林>灌木林>针阔混交林>常绿阔叶林，这种差异表明废弃矿区不同植被恢复模式对土壤性质存在不可忽略的影响[14]。

3）废弃矿区四种林分类型土壤颗粒分形维数为2.53～2.61，相关系数均大于0.8，结果与王贤等[15]测得的土壤颗粒分形维数一致。土壤分形维数能客观反映土壤颗粒组成和空隙结构特征，通常可作为描述土壤结构特征的定量指标。土壤颗粒通过形成团粒结构影响土壤空间组成，由于细粒物质的增加和粗粒物质的减小，会增加土壤结构内部的毛管空隙数量，减小非毛管孔隙度，导致土壤分形维数与总孔隙度、毛管孔隙度呈正相关关系，与非毛管孔隙度呈负相关关系[16]；土壤分形维数与0.001～0.005 mm、<0.001 mm土壤颗粒含量呈正相关关系，与0.25～1.00 mm粒径土壤颗粒含量呈负相关关系。废弃矿区原土壤结构遭受了不同程度的破坏，在植被恢复的过程中，不仅要考虑植被的成活情况，还要考虑植被对土壤的影响。本研究发现，从废弃矿区土壤质地的角度看，四种典型植被的恢复效果是楠竹林>灌木林>针阔混交林>常绿阔叶林，这个结论对当地废弃矿区植被的恢复重建具有一定的借鉴意义。

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（责任编辑：丁志祥）