矿区恢复植被配置模式对土壤碳库与生物多样性的影响

关炳昌,刘家豪,朱宇恩,李华

(山西大学 环境与资源学院,山西 太原 030006)

0 引言

人工植被恢复可加速矿区废弃地生态演替进程,并能促进提升生态系统质量与稳定性。矿区废弃地在植被恢复过程中,改变原地貌,促进土壤团聚体形成,并将不同物质重新组合。人工植被直接关系到土壤中养分释放与供应及温室气体形成等[1],导致土壤碳库发生变化[2]。大面积植被恢复过程中土壤有机碳库对于区域碳平衡有重要影响,植被恢复下土壤表现为碳汇[3]。通过适当的植被恢复模式,可有效改善土壤碳库[4],随恢复年限增加,土壤碳含量随之增加[5]。选择适宜植物进行植被恢复,是矿区废弃地恢复关键之处。土壤碳矿化是碳循环中重要环节,土壤微生物利用土壤活性有机碳组分来完成自身代谢,同时释放出CO2,关系到土壤中养分的释放与供应与土壤质量的保持[6]。土壤有机碳也是土壤质量评价和土地可持续利用管理中必须考虑的指标[7]。将矿区废弃地植被恢复与土壤碳固定相结合,可为矿区废弃地复垦提供相关指导。因此,研究矿区废弃地人工植被恢复区中土壤碳含量变化对于评价矿区土壤质量变化和土壤生态功能有重要意义。

关于矿区废弃地植被恢复过程土壤碳固定与释放变化的研究已有许多报道,高艺宁等研究发现,灌木可以有效提高植被恢复区土壤有机碳含量[8];张帅等研究发现,乔木林可以有效增加土壤深处的碳储量[9];黄土丘陵区刺槐造林能积累与储存较多的土壤有机碳[10];李君剑等研究表明随着植被恢复年限的延长,土壤矿化碳呈增加趋势[6],植被恢复方式和施肥方式显著影响土壤呼吸速率[11]。但目前对于工矿废弃地不同植被恢复模式对土壤碳固定及释放影响的研究较少。因此,本研究在对山西古交屯兰矿进行植被设计过程中,以促进矿区废弃地植被恢复下土壤碳固定为方向,选择31种不同植被配置模式进行种植,连续3 a进行生态调查、土壤样品分析,在测量矿区废弃地3 a植被变化以及土壤有机碳与矿化碳变化基础上,采用相关性分析法系统分析土壤有机碳、矿化碳和多样性指数关系,旨在揭示不同植被恢复模式对土壤碳变化影响,其结果将为该地区矸石山排土场土壤质量提高和土壤碳的固定、煤矸石废弃地植被恢复生态恢复模式筛选、恢复效果评价以及其他重构土壤的植被恢复研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然地理概况

样地位于山西省太原市古交市屯兰矿区(112°05′20.25″E,37°53′21.62″N),地处山西高原中部,属温带大陆性季风气候,年平均气温12～17℃,年最高气温39.4℃,年最低气温-25℃,每年11月份开始结冰,次年四月解冻。年均降雨量为367.7～487.3 mm,雨季多集中于七八月间,年蒸发量2 080 mm。海拔为1 050～1 268 m。土壤类型为褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与调查

屯兰煤矿是现代化特大型矿井,设计年生产能力500万t。每年井下开采产生大量煤矸石进行场外堆积。样地排矸工艺为:对排矸场地底部进行防渗处理,煤矸石自下而上逐层堆置,每70 cm为一层,机械压平后,覆盖约50 cm厚黄土层,并压实。当矸石推至一定高度后,堆积形成矸石山平面,对土地进行平整处理,进行客土覆盖,覆盖厚度平均为100 cm,样地所处地势平缓,每个样方水量分布均匀。样地按照CTFS的标准设置(http:∥www.ctfs.si.edu/),将矸石山植被恢复区0.62 hm2样地划分为62个10 m×10 m样方,每个10 m×10 m样方再划分为4个5 m×5 m的小样方。以样地的西南角为坐标原点,顺序排列10 m×10 m样方的行、列号作为水泥角桩的编号,采用GPS测量其经纬度。

对矸石山的人工植被恢复始于2014年,考虑到物种固碳作用以及经济效益[12-14],样地植被恢复的物种有圆柏(Sabinachinensis)、文冠果(Xanthocerassorbifolium)、竹柳(Salixsp.)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、欧李(Cerasushumilis)等。采用完全组合模式,5个种总共31个不同组合,每个组合在样地内重复2次,共栽植62个样方乔木、灌木栽植行间距为1 m,株距为1 m。草本层人工撒种种植有紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、黄花蒿(Artemisiaannua)、茵陈蒿(Artemisiacapillaris)等,草本植物混播于各样地中,确保恢复初期每个样方具有同种草本。对照组为同年封场,未经人工植被恢复的矸石山区域。样地中人工植被类型分为两类,第一类为乔木+草本、灌木+草本、乔木+灌木+草本三种植被;第二类是分为具体的31种树种搭配恢复模式。样地的详细植被恢复配置见表1。

表1 样地植被恢复配置

表2 植被恢复前样地土壤基本理化性质

土壤样品采集:于2014年4月对样地进行土壤样品采样,测定土壤基本理化性质,测定3次取平均值，结果见表2。2015年10月、2016年10月、2017年10月进行物种及多样性调查,采集土样，样地气象条件见表3。多样性调查包括:乔木层的种类、数量、胸径、基径、盖度,灌木层的种类、盖度、数量,草本层物种的种类、盖度等指标。土壤依据样方对角线混合法采样,每个样方随机选取3个采样点进行采样,每个样方采取约1 kg土样,采样时去除地表凋落物层,使用内径2.5 cm土钻釆集0～20 cm和20～40 cm土样并保存于自封袋中。去除石块、可见根系与其他杂物,充分混合后,部分土样在4℃下保存鲜样测土壤矿化碳等指标,其他土样风干过筛并充分混合后保存,用于测定土壤理化性质。

1.2.2 土壤样品分析方法

采用烘干法测定土壤含水量,并根据土壤含水量和环刀体积计算土壤容重。pH采用电位法，全氮采用凯氏定氮法[15]，有效磷采用NaHCO3-钼锑抗比色法[16]，速效钾采用NH4OAc浸提火焰光度法[15]，有机碳含量采用重铬酸钾氧化外加热法[15]，矿化碳采用密闭气室法[17]。

表3 样地气象条件

1.2.3 数据处理与分析

采用SPSS19.0进行统计分析。采用独Duncan检验法检验数据之间的显著性水平(P<0.05)。各指标间关系采用Pearson相关进行相关性分析。采用origin9.0软件进行作图。

乔木种重要值=(相对密度+

相对优势度+相对频度)/300

(1)

灌木种重要值=

(相对盖度+相对频率)/200

(2)

物种丰富度:S=样地中物种物

(3)

Simpson:D=∑Ni(Ni-1)/N/(N-1)

(4)

Shannon-Wiener:H′=-∑Pi-LnPi

(5)

Pielou:Jsw=(-∑PilogPi)/logS

(6)

2 结果与分析

2.1 不同植被下土壤有机碳与矿化碳动态

以人工植被恢复区为研究对象,与空白对照组进行对比,并对各指标进行差异性检验。从图1可以看出,植被恢复对矿区废弃地土壤有机碳含量影响显著。植被恢复方式对土壤有机碳含量在不同土壤层中影响一致,除植被恢复第一年,采取人工植被恢复的三种样地土壤有机碳含量显著高于对照样地(P<0.05)。不同植被恢复模式下土壤有机碳随着土层深度的增加逐渐降低。0～20 cm土层,土壤有机碳含量受植被影响显著,土壤有机碳随时间变化表现一定的差异,其中植被恢复第二年土壤有机碳含量显著高于其余两年(P<0.05)。土壤有机碳最大值和最小值分别出现在灌木+草本和乔木+草本组合。20～40 cm土层,植被恢复第二年有机碳含量显著高于其余两年(P<0.05),植被恢复第一年土壤有机碳最大值为灌木+草本,第二年与第三年最大值出现在乔木+灌木+草本组合。

图1 不同植被恢复模式下土壤有机碳Fig.1 Soil organic carbon under different vegetation restoration types

不同植被恢复模式对土壤矿化碳影响结果见图2。植被恢复对矿区土壤矿化碳含量的影响显著。采取人工植被恢复样地土壤矿化碳含量显著高于空白样地(P<0.05)。植被恢复方式对土壤矿化碳含量影响在不同土壤层影响一致。不同植被恢复模式下土壤矿化碳随土层深度增加呈逐渐递减趋势。0～20 cm土层,植被恢复模式对土壤矿化碳含量影响显著(P<0.05),土壤矿化碳随时间推移表现一定差异,其中第二年土壤矿化碳含量显著高于其余两年;土壤矿化碳的最大值出现在乔木+灌木+草本和乔木+草本组合,最小值出现在乔木+草本中。20～40 cm土壤层中,第二年矿化碳含量显著高于其余两年(P<0.05);土壤矿化碳的最大值出现在乔木+灌木+草本组合,最小值出现在乔木+草本和灌木+草本中,与其他样地差异显著。

图2 不同植被恢复模式下土壤矿化碳Fig.2 Soil mineralized carbon under different vegetation restoration types

2.2 不同植被恢复模式下土壤有机碳与矿化碳动态

不同植被恢复模式下土壤有机碳变化结果见图3A。随时间推移,土壤有机碳最大值出现在第二年。在乔木+草本植被恢复模式下,第二年与第三年土壤有机碳含量相对植被恢复初期分别提高了107.3%和56.9%。2015-2017三年中有机碳含量最高的样方分别为C1圆柏+文冠果+竹柳:3.62 g/kg;B2圆柏+竹柳:10.42 g/kg;B2圆柏+竹柳:7.56 g/kg。灌木+草本植被恢复模式下,第二年与第三年土壤有机碳含量相对于初期分别提高了109.7%和56.4%。在2015-2017年植被恢复过程中有机碳含量最高的样方为A5欧李:3.89 g/kg，A4紫穗槐:8.21 g/kg，A5欧李:6.58 g/kg。乔木+灌木+草本植被恢复模式下,3a中有机碳含量差异显著(P<0.05),土壤有机碳含量相对初期分别提高了94.1%和55.2%。2015-2017年有机碳含量最高的样方分别为D3圆柏+文冠果紫穗槐+欧李:4.45 g/kg，C2圆柏+文冠果欧李:10.58 g/kg，C2圆柏+文冠果欧李:7.59 g/kg。不同植被恢复模式对土壤有机碳含量增加具有影响,但植被恢复类型不同提高效果不同,其中圆柏、欧李对土壤有机碳含量提高影响显著。矿区废弃地适宜多种植圆柏、欧李类植物,有助于矿区废弃地土壤有机碳积累。

注:由于样地乔木+灌木+草本样地数量较多,采用折线图表示图3 不同特征植被恢复模式下土壤有机碳(A)与矿化碳(B)含量Fig.3 Contents of soil organic (A) and mineralized (B) carbon in different vegetation restorations

不同植被恢复模式下土壤矿化碳动态结果见图3。随时间推移,土壤矿化碳最大值均出现在第二年。在乔木+草本植被恢复模式下,第二年与第三年土壤矿化碳含量相对植被恢复初期分别提高了59.5%和28.1%。2015-2017年矿化碳含量最高的样方分别为A1圆柏:25.58 mg/kg，B5文冠果+竹柳:44.57 mg/kg，C1圆柏+文冠果+竹柳:65.89 mg/kg。灌木+草本植被恢复模式下,第二年与第三年土壤矿化碳含量相对于初期分别提高了31.2%和18.1%,2015-2017年植被恢复过程中矿化碳含量最高的样方均为A5欧李:32.15 mg/kg、37.38 mg/kg、35.8 mg/kg。乔木+灌木+草本植被恢复模式下,3年中矿化碳含量差异显著(P<0.05),第二年与第三年土壤矿化碳含量相对初期分别提高了23.0%和16.3%,3年中矿化碳含量最高的样方分别为B4圆柏欧李:34.94 mg/kg，C3圆柏+文冠果欧李:50.33 mg/kg，C5圆柏+竹柳欧李:39.35 mg/kg。相对土壤有机碳,土壤矿化碳含量增加幅度不明显。不同植被恢复模式对土壤矿化碳含量增加有一定效果,但植被恢复类型不同提高效果不同,圆柏、欧李可促进土壤呼吸,加快凋落物的分解以及有机碳的转化。

2.3 不同植被恢复模式下物种多样性动态

不同植被恢复模式对物种多样性具有影响。植被恢复的样方物种数均显著大于未经植被恢复的样方。物种丰富度在植被恢复第二年最大,达到未经植被恢复样地1.6倍。经过植被恢复,草本物种种类增加,增加物种以豆科、菊科、禾本科植物为主。植被入侵主要为草本植被入侵,草本种类显著高于未进行植被恢复样地的草本种类。

植被恢复方式对矿区废弃地物种均匀度具有影响,但差异不显著(P>0.05)。对照样地Pielou均匀度指数逐年增加,但植被恢复前两年显著低于采取植被恢复的样地。采取植被恢复措施的样地,虽然物种数量相对较少,但由于其分布较均匀,均匀度指数较高。草本植物的种类及数量呈不断增加的趋势。随着植被恢复年限增加,植被覆盖增多,Pielou均匀度指数上升,第二年达到最大值,第三年种间竞争增强,均匀度指数下降，灌木+草本样方Pielou均匀度显著高于其余植被恢复样方。

采取植被恢复措施样方的Shannon-Wiener指数均显著大于空白对照组,采取植被恢复措施样方的Shannon-Wiener指数在均在2016年达到最大值。随时间推移,空白对照组Shannon-Wiener指数呈增加趋势。

表4 三年内五种乔、灌木的存活动态(%)

在植被稀疏、生态环境恶劣的煤矸石废弃地,经过近3年不同植被恢复模式的种植实验,存活率较高的为圆柏。并经过3 a生长,乔木高度和盖度均有显著增长。植被恢复初期样地试验区乔木、灌木的存活率较高,其中圆柏、紫穗槐存活率达到85%以上,欧李、文冠果的存活率为35%以上,竹柳的存活率较低仅为12%;2016年样地试验区文冠果、欧李、竹柳的存活率下降,下降幅度达到73%以上;2017年欧李、文冠果存活率进一步下降,紫穗槐数量大幅下降。

图4 物种多样性指数Fig.4 Species diversity index

表5 土壤有机碳、矿化碳和多样性指数间Pearson相关性分析

土壤矿化碳、有机碳和生态指标间Pearson相关分析(表5)表明,土壤矿化碳和土壤有机碳显著正相关(P<0.01),不同土壤层土壤有机碳含量之间相关性比矿化碳之间相关性大。在不同多样性指数中,Pielou均匀度指数对0～20 cm、20～40 cm土壤层土壤矿化碳相关性要高,土壤有机碳含量与生物多样性指数间无显著相关(P>0.05)。

3 讨论

3.1 不同植被恢复模式与土壤有机碳和矿化碳相关性分析

植被恢复第一年,未采取人工植被恢复的土壤有机碳含量较高；植被恢复初期采用大型机械压实土壤,土壤团聚体发生变化导致土壤有机碳降低。随时间推移,人工植被恢复措施可显著增加土壤有机碳含量,且土壤有机碳随着土层深度的增加逐渐降低。这主要由于人工植被恢复措施使土壤表层接收大量枯枝落叶,植物根系主要为表层土壤提供根系分泌物,有机质来源丰富[18],为土壤微生物提供碳源,加快土壤微生物分泌活动,加速土壤腐殖质分解转化为土壤有机碳。另一方面,植被恢复措施使土壤表层水土流失显著降低,土壤抗侵蚀能力得到加强,土壤有机碳不易流失[19-20]。随着土壤深度的增加,有机质来源减少,微生物活动减弱[21],下层土壤有机碳含量相对于表层较低。植被恢复第三年的土壤有机碳显著低于第二年,原因可能:(1)植被恢复第三年样地植被受到气候变化影响,夏季降水集中,植被存活率降低,土壤有机碳来源减少;(2)暴雨冲刷造成土壤表层团聚体结构被破坏,土壤有机碳随之减少;(3)根据气象数据,植被恢复第三年平均温度较上年升高0.6℃,根系微生物活性升高[11],分解作用增强,土壤有机碳积累速率低于分解速率,不利于土壤有机碳积累。土壤有机碳受植被影响显著,其中圆柏、欧李对土壤有机碳固定效果最好，原因是欧李、文冠果灌丛可显著提高土壤团聚体中有机碳含量[22];圆柏存活数量多,凋落物丰富,进入土壤的有机质来源较广,根系微生物活性高,分泌物较多,土壤有机碳较其余样方显著提高。

不同植被恢复类型对土壤有机碳矿化的影响也不同。土壤有机碳矿化过程受到诸多因素的影响，土壤有机碳本身化学性质和存在状态、水分、温度、质地等影响微生物活性的环境因素[23]。在第一年0～20 cm土层中,相对于乔木,灌木对于碳的积累更好,这与已有的研究结果类似[24],在这一土层,灌木根系较发达,在灌木根系土壤中微生物的数量比乔木根系多,微生物活性强[25]。在20～40 cm的土层中,乔木+草本植被恢复模式下的矿化碳量高于灌木+草本,可能的原因是乔木根系相对于灌木更深,根系输入土壤的有机物更多,促进了微生物活性[26]。2016年灌木存活率大量下降,灌木样地根系附近微生物失去依存,微生物数量和活性下降,灌木样地矿化碳量下降。2017年较前一年有所下降,由于当年气温降低,气温变化幅度对土壤有机碳矿化影响显著[27-28],土壤矿化碳量下降。并且土壤有机碳影响微生物的代谢活动[29-31],使得土壤矿化碳量下降。不同植被恢复类型主要是通过对土壤有机碳含量和组分的影响,进而影响土壤碳矿化分解速率。

不同植被恢复模式下土壤矿化碳也不尽相同,圆柏可使土壤矿化碳显著增加。圆柏的存活率较高,地表枯落物厚度大,组成成分较复杂[32];另一方面是植被覆盖不同致使进入土壤的凋落物存在差异。圆柏根际丛枝菌根真菌侵染率较其他矿区植物高[33],加速了土壤中氮素的固定[34],有利于土壤有机碳的矿化[35],凋落物进入土壤后,会促进土壤有机碳矿化,其矿化过程特征与植物残体分解过程特征相似。另外，圆柏的侧根根系发达,导致土壤有机碳矿化有所差异[36]。

3.2 植被多样性指数与土壤有机碳和矿化碳相关性分析

研究表明乔木+草本植被恢复模式下土壤水分对土壤有机碳动态影响更加明显。从表4可以看出,2016年与2015年相比,乔灌木生存情况较差,原因是2016年降水量较少,气温较高,不利于乔灌木生长,但草本植物数量的增加，导致土壤有机碳的上升[27]；2017年降水较多,降雨较集中,水土流失较严重,气温低,植被的生存率大幅下降,不利于土壤有机碳的积累。本实验是在野外自然条件下进行的,自然群落受到的温度、降水、日照等因素不确定,人为干预较少,受控实验的人为性和野外观测的自然性是造成研究差异的主要原因[37]。

随着时间推移,物种丰富度、Pielou均匀度指数、Shannon-Wiener指数与土壤有机碳、矿化碳变化趋势保持一致,说明物种多样性的增加及优势物种有利于土壤碳的固定。植被恢复能够促进更多植物凋落物的进入,随时间推移从而增加碳的输入,导致更多的土壤碳积累[38]。在植被恢复过程中,土壤有机碳影响植物的生长,土壤有机碳、矿化碳又受植被影响[39],也导致了土壤酶活性差异[40-41]。植物根系的生长延伸,可以使土壤得到疏松,土壤团聚体稳定性增加,为土壤动物、微生物提供良好的生存条件,提高了土壤中碳含量[33]。

土壤矿化碳与均匀度指数相关程度较高,主要原因可能是土壤结构受到不同类型植物的根系的影响,植物根系可以改变土壤团粒结构,提高土壤有机碳与矿化碳含量[3]。Pielou均匀度指数高的样方植物分布较均匀,植物根系生长情况好。发达的根系周边微生物活性高,使得土壤矿化碳量高。

4 结论

本研究表明，人工植被恢复能显著提高矿区废弃地的土壤有机碳含量,植被恢复模式、温度和降水对土壤的碳固定有显著影响。人工植被恢复能够对土壤的碳固定起到积极作用。0～20 cm土层有机碳显著高于20～40 cm土层有机碳含量。乔木+灌木+草本搭配模式有利于土壤有机碳的固定,圆柏在矿区复垦存活率较高,恢复初期应以圆柏为主的乔木+灌木+草本搭配模式。植被恢复模式下土壤深度越深,则有机碳含量较低；植被通过增加土壤表层植物凋落物和促进微生物活性增加土壤有机碳的固定。