矿区岩质边坡人工土壤-植被特性研究

韩颖，刘勇，乔欧盟，陈璋*

（1.山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006；2.黄土高原生态恢复山西省重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

矿区大规模矿产资源开采活动产生了一种特殊的极端生境：岩质边坡［1-2］。这种生境破坏了当地的植被和土壤，损毁了生态景观，并且容易引发水土流失、崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害［3］，因此对岩质边坡进行土壤植被修复具有重要意义。岩质边坡有地球上生态荒漠的别称，与一般土质边坡相比生境条件恶劣［4］，植被自然恢复和演替过程极其缓慢［5-6］，因此矿区受损的边坡需人为主导地进行生态系统的修复和重建［7］。在实践中采用客土喷播技术对边坡进行防护生态效益较好，广泛应用于我国边坡防护与治理。客土喷播技术是将客土、腐殖质、植物纤维、化学肥料、有机肥和植物种子等材料混合，通过客土喷播机喷洒到坡面上形成人工土壤层，能够为植物生长提供基质和养分［8］。通过这种方法可以快速在裸露边坡上建立和实现植被的恢复，从而达到良好的生态和环境效益。

植被恢复是改善生态环境、修复裸露岩质边坡、控制土壤侵蚀的有效途径，也是构建退化矿区植物群落，有效改良土壤结构，增加土壤肥力促使矿区整个生态系统稳定演替的关键［9］。不同工程因子导致不同的地形变化，不同地形因子组合会形成不同的生境，生境异质性对维持物种多样性有重要作用。刘世梁等［10］研究结果表明土壤、植被与地形因子之间联系紧密，植物群落分布格局和群落结构受到地形因子与土壤理化性质差异的影响，而土壤的理化性质也会影响植物群落。地形不仅重新分配水、热和土壤养分，而且在景观尺度上影响植被的格局和特征。因此，地形因素会影响植物群落的组成及多样性［11］。袁铁象等［12］研究表明边坡植被恢复受海拔、水分、坡度和坡向等环境因子的影响，其中海拔和坡度是影响植物生长的重要限制因子。土壤水分和养分的有效性限制植物群落的发育及演替［13］，而土壤养分也决定植物的生长速率和物种多样性［14］。目前，国内外学者对岩质边坡生态修复的研究多集中在新技术开发［15］、护坡植物配置模式、护坡基材配、植物根系固土护坡力学机制研究［16-17］以及边坡土壤酶活性特征［18］等几个方面。岩质边坡相对于传统的土质边坡工程条件极端，比如坡度较大，通常坡度在65°以上。在这种极端的工程条件下，植被恢复困难，坡面生态工程的稳定性差。因此，急需研究不同工程条件下岩质边坡植被恢复的特征。

本研究旨在通过单因素方差分析研究不同工程条件下植物多样性指数和土壤理化性质的显著性差异，通过CCA 研究环境因子与植物分布的关系，有助于了解太原西山矿区植物与土壤养分的空间变异状况，揭示岩质边坡植物生长的主要影响因子，为矿区岩质边坡生态修复提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省太原市西山矿区，其地理位置为37°49′N，112°27′E，该地区属暖温带大陆性季风气候，年均温9.5 ℃，降水多集中在7-9 月，年均降水量为456 mm［19］。该矿区于2013 年停产，政府对裸露工程岩质边坡采用客土喷播技术进行植被护坡工程［20］。本研究所选取的七个岩质边坡坡度范围为44.5°～67°，坡向均为半阳坡，海拔最低为975 m，最高为1053 m，坡面总面积约为7500 m2。于2013 年5 月同期对岩质边坡进行客土喷播，客土喷播材料配比均相同。样地基本信息见表1。

表1 研究区样地基本信息Table 1 The basic information of sample sites in the study area

1.2 研究方法

1.2.1 样地植被调查与土壤样品采集

2021 年6 月，在研究区选择七个岩质边坡，根据其特点，按照不同的坡度和坡位，划分为三个类型。按坡位划分为：上坡位、中坡位和下坡位。按坡度划分为：坡度Ⅰ（40°～50°）、坡度Ⅱ（50°～60°）、坡度Ⅲ（60°～70°）。每个边坡在不同坡位设置3 个1 m×1 m 的样方对边坡进行植被调查，共计样方63 个，记录样方中出现的植物种名、高度、多度和盖度，测定经纬度、海拔、坡度。由于岩质边坡土层较薄，用环刀取样时只取深度5 cm～10 cm 的土壤。在每个样地不同坡位取3 个环刀原状土作为重复测定土壤理化性质，共计63 个土壤样品。植被调查和采集土样相同坡位水平间距15 m，不同坡位（即上坡位、中坡位、下坡位）间距3 m～5 m。

1.2.2 土壤理化性质的测定

利用烘干法测定土壤含水量（105 ℃，24 h）［21］；利用电位法测定土壤pH［21］；利用环刀法测定土壤容重［21］；利用浓硫酸重铬酸钾外加热法测定土壤有机质（OM）［21］；利用半微量凯氏法测定土壤全氮（TN）［21］；利用扩散皿法测定土壤碱解氮（AN）［21］；利用乙酸浸提-火焰光度法测定土壤速效钾（AK）采用［21］；利用钼锑抗比色法有效磷（AP）［21］。利用Mastersizer 3000激光粒度仪测定土壤机械组成。

1.2.3 重要值计算

植物的重要值是衡量某一物种在其植物群落中重要程度的指标［22］，其计算公式［23］为：

其中IV为物种的重要值；RH为物种相对高度；RC为物种相对盖度；RD为物种相对多度。

1.2.4 植物多样性测度

物种多样性测定选用Shannon 多样性指数（H）、丰富度指数（R）、Pielou 指数（J）和Simpson 指数（D）进行评价。其计算公式［24］为：

其中S为样方内物种数；Pi为种i的重要值［25］。

1.3 数据处理

利用Excel 2019 和SPSS 24.0 进行数据整理并绘制柱状图，通过单因素方差分析（oneway ANOVA）研究不同工程因子与植物多样性和人工土壤理化性质的显著性差异；采用Cannoco 5.0 进行典范对应分析（CCA）研究不同工程因子与植物多样性及人工土壤的关系。

2 结果与分析

2.1 植被恢复状况

2.1.1 不同坡度植物区系组成

7 个岩质边坡植物群落调查结果为植物共40 种，分属于13 科31 属。坡度Ⅰ的边坡植物群落较为丰富，共有植物32 种，分属于9 科27属，以豆科（Leguminosae）、禾本科（Gramineae）、菊科（Compositae）、蔷薇科（Rosaceae）等为主，优势种有紫穗槐（Amorphafruticosa）、紫苜蓿（Medicagosativa）、猪毛蒿（Artemisiascoparia），其重要值分别为0.102、0.197、0.103。坡度Ⅱ的边坡共有植物19 种，分属于10 科18 属，以禾本科、豆科、菊科、苦木科（Amariaceae）和葡萄科（Grapevine）等为主，优势种有猪毛蒿（Artemisiascoparia）、虎尾草（Chlorisvirgata）、铁杆蒿（Artemisiagmelinii），其重要值分别为0.410、0.118、0.107。坡度Ⅲ地带由于坡度升高，地势较为陡峭，植物组成简单，共11 种，分属于5 科8 属。不同坡度样地的主要物种见表2。

表2 不同坡度样地的主要物种Table 2 The main species at different slope gradient sites

2.1.2 不同工程条件下岩质边坡植物多样性

岩质边坡植物多样性不仅受到植被恢复的影响，也受到坡位和坡度的影响。由图1 可以看出，坡度Ⅰ的岩质边坡丰富度指数和Shannon指数均高于其他两个坡度类型，说明坡度缓的边坡恢复效果好。坡度Ⅰ的岩质边坡丰富度指数在不同的坡位上均表现为上坡位＞中坡位＞下坡位；Shannon 指数表现为上坡位＞下坡位＞中坡位。丰富度指数、Shannon 指数和Pielou 指数在坡度Ⅱ的岩质边坡表现为下坡位＞中坡位＞上坡位。坡度Ⅰ和坡度Ⅱ的岩质边坡丰富度指数、Shannon 指数和Simpson 指数在不同坡位之间有显著差异（P＜0.05）。丰富度指数、Simpson 指数和Shannon 指数在岩质边坡不同坡度类型之间有显著差异（P＜0.05），Pielou 指数在岩质边坡相同坡度类型的中坡位之间均有显著差异（P＜0.05），在相同坡度不同坡位之间无显著差异（P＞0.05）。

图1 不同工程条件岩质边坡的植物多样性（a～d）（a） 丰富度指数； （b） Shannon指数； （c） Simpson指数； （d） Pielou指数Fig.1 The plant diversity of rocky slope under different engineering conditions (a-d)(a) Richness index; (b) Shannon index; (c) Simpson index; (d) Pielou index

2.2 不同工程条件下岩质边坡人工土壤理化性质

2.2.1 不同工程条件对岩质边坡人工土壤物理性质的影响

人工土壤的物理性质是评价岩质边坡植被生态恢复效果的重要指标。容重可以反映土壤颗粒排列的松紧度和土壤保持水分的能力。容重越大，土壤的结构和透水性越差。良好的土壤容重标准约为1.5 g/cm3。从表3 可以看出，不同坡度和坡位的土壤容重均小于1.5 g/cm3。说明岩质边坡上植被的恢复可以有效改善土壤表层容重。岩质边坡容重在不同坡度类型间差异显著（P＜0.05），在不同坡位之间差异不显著（P＞0.05）。

土壤含水量是土壤的主要成分，它是运输各种营养物质和植物生长所必需的条件。其对水分迁移、保持和有效性有重要作用［26］。从表3 可以看出，不同坡位的岩质边坡人工土壤含水量表现为中坡位＞下坡位＞上坡位，但不同坡位间差异不显著（P＞0.05）。岩质边坡人工土壤含水量在不同坡度类型表现为坡度Ⅱ＞坡度Ⅰ＞坡度Ⅲ。人工土壤含水量在坡度Ⅰ与坡度Ⅲ、坡度Ⅱ与坡度Ⅲ之间差异显著（P＜0.05）。说明坡度大于60°的岩质边坡很难有效保持水分。

土壤机械组成指土壤中各粒级组分所占的比例，可以反映组成土壤颗粒的大小及成分状况。从表3 中可以看出，岩质边坡人工土壤中砂粒（0.02 mm～2 mm）含量最多，在不同坡位与坡度，砂粒含量均超过80%，而粉粒（0.02 mm～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）较少。这是因为岩质边坡人工土壤较薄，虽然在喷播时添加了有机质和保水剂等，但是缺乏必要的成土过程，以砂粒为主的矿质颗粒与有机质很难形成团聚体结构，土壤结构不稳定。

2.2.2 不同工程条件对岩质边坡人工土壤养分的影响

人工土壤养分是限制植被生长的关键因素，岩质边坡坡度较陡，土壤养分容易流失，不同工程条件对岩质边坡人工土壤养分的分布有显著影响。由图2 可以看出，相同坡度不同坡位的速效钾、碱解氮、有效磷和有机质含量变化趋势为中坡位＞下坡位＞上坡位。平均有机质含量在坡度Ⅱ（29.5 mg/kg）显著高于坡度Ⅰ（20.9 mg/kg）和坡度Ⅲ（12.2 mg/kg），且有机质在不同坡度和不同坡位均差异显著（P＜0.05）。全氮含量坡度Ⅱ（13.8 mg/kg）显著高于坡度Ⅰ（10.7 mg/kg）和坡度Ⅲ（11.0 mg/kg），且全氮在不同坡度和不同坡位之间均差异显著（P＜0.05）。碱解氮在坡度Ⅰ和坡度Ⅱ边坡的不同坡位之间有显著差异（P＜0.05）。不同坡度类型的碱解氮在中坡位存在显著差异（P＜0.05）。不同坡度类型的有效磷在相同坡位有显著差异（P＜0.05）。速效钾在不同坡度类型岩质边坡的上坡位有显著差异（P＜0.05），在相同坡度类型不同坡位之间差异显著（P＜0.05）。

图2 不同工程条件岩质边坡人工土壤养分特征（a～e）（a） 全氮（mg/kg）； （b） 碱解氮（mg/kg）； （c） 速效钾（mg/kg）； （d） 有机质（mg/kg）； （e） 有效磷（mg/kg）Fig.2 The nutrient characteristics of artificial soil of rocky slope under different engineering conditions(a-e)(a) Total N (mg/kg); (b) Alkali-hydro N (mg/kg); (c) Available K (mg/kg); (d) Organic matter (mg/kg);(e) Available P (mg/kg)

2.3 环境因子与植物多样性的相关性分析

由图3 可以得出，在所有环境因子中，土壤含水量、有机质、坡度对岩质边坡样地及物种分布的影响较大；碱解氮、全氮、pH 值的影响次之；坡位、速效钾、有效磷的影响较弱。位于第四象限的6、7 样地不同坡位的物种分布（即坡度类型Ⅲ）与坡度呈正相关。位于第三象限的4、5 样地不同坡位的物种分布（即坡度类型Ⅱ）与土壤含水量、有机质、全氮呈正相关。位于第一象限的1、2、3 样地的物种分布与坡位关系密切。从物种分布来看，位于第三象限的虎尾草与全氮、碱解氮关系密切；位于第一象限的紫苜蓿、铁杆蒿、紫穗槐与坡位关系密切；位于第四象限的披碱草主要受坡度的影响。结果表明，坡度Ⅱ的植物受土壤含水量、有机质的影响较大，坡度Ⅲ的植物受坡度影响较大。整体来看，不同坡度边坡样地受土壤含水量、有机质、坡位的影响大，土壤含水量和有机质对植物生长有重要作用。

图3 环境因子与物种分布的典范对应分析（CCA）排序Note: 1-U～7-D: Sampling sites; SP: Slope position; SG: Slope gradient; TN: Total N; AN: Alkali-hydro N;OM: Organic matter; AP: Available P; AK: Available K; SWC:Soil water content; Artg: Artemisia gmelinii;Ely: Elymus dahuricus; Arts: Artemisia scoparia; Med:Medicago sativa; Amo: Amorpha fruticose; Chl: Chloris virgataFig.3 The canonical correspondence analysis (CCA)ranking of environmental factors and species distribution

3 讨论

岩质边坡人工土壤厚度有限（10 cm 左右）但其养分含量相对较高，这是因为人工土壤混合腐殖质、植物纤维、化学肥料、有机肥等，增加了人工土壤中植物生长所需的养分，为使客土附着在边坡上添加了黏结剂和保水剂［8］，因此人工土壤结构、物理化学性质、功能特性与自然土壤差异性极大。本研究中七个岩质边坡客土喷播为同期施工，客土喷播材料和种子配比均相同。

3.1 岩质边坡工程因子对人工土壤理化性质的影响

坡位是局部地形位置因子，地形因素的变化会影响局部地形的光照、水分等环境因子。在一定海拔范围内，坡位变化会直接影响土壤特征属性［27］。本研究结果表明，不同坡位人工土壤含水量差异不显著（P＞0.05），主要原因可能是坡面植物的恢复提高了根系蓄水和截流的能力，使坡面上人工土壤含水量差异不大。本研究结果也表明，土壤含水量在岩质边坡不同坡度之间差异显著，坡度是影响植物生长的重要因子。土壤养分是影响植被生长、竞争和分布的关键因素。岩质边坡坡度较大，径流侵蚀作用较强，土壤养分因坡位不同有明显差异。这是因为坡位可以改变表层土壤特征，即使是极小范围也可形成明显的土壤肥力差异。本研究结果表明相同坡度不同坡位的速效钾、碱解氮、有效磷和有机质含量均变现为中坡位＞下坡位＞上坡位。其原因是岩质边坡表层的人工土壤由于受到重力和雨水径流作用而使土壤养分迁移甚至重新分布，而中坡位植物生长较好，植被覆盖度较高，植物的根茎对上坡位径流冲刷下来的养分具有较强的截留作用，土壤养分在中坡位沉积较多。

坡度越大，土壤侵蚀作用越强，易造成岩质边坡土壤养分的流失，从而影响土壤养分在坡面上的分布特征。特别是碱解氮、有效磷和速效钾均易溶解于水，容易随径流流失。本研究不同坡度的碱解氮、有效磷和速效钾含量在坡度Ⅰ土壤养分含量丰富。这是因为坡度Ⅰ植物物种组成较丰富，坡度相比其他两个类型较缓，客土层养分经过植物根系的拦截，受径流冲刷作用小，养分流失较少。

3.2 岩质边坡工程因子对人工植被恢复的影响

植物分布格局与地形因子关系密切，研究样地海拔差异为100 m 以内，不足以引起较大的水热变化，因此不需考虑海拔对植被恢复的影响。坡度是影响植物生境要素（光照、水文等）差异和植物分布的主要地形因子之一，在植被群落演化过程中具有显著作用［28］。本研究植物群落调查结果表明坡度Ⅰ（40°～50°）的岩质边坡植物种类丰富，丰富度指数和Shannon指数也高于其他两个坡度类型，这是因为坡度使生境局部区域的水分及土壤养分等非生物因子发生改变，造成在不同坡度植物多样性的差异，坡度较缓的边坡光照、水分以及土壤养分含量较高，植被恢复较好。坡度大的岩质边坡持水能力较差，水土流失严重，土壤水分养分较低，影响了植物的生长。

3.3 岩质边坡人工土壤养分与植物多样性之间的关系

土壤是植物赖以生存和生长的基础，植物通过根系的吸收作用从土壤中获取养分和水分。相反，植物的生长也会改变土壤的理化特征和土壤微生态环境［29］。岩质边坡人工土壤较薄，人工土壤理化性质与自然土壤差异性极大，人工土壤养分分布特征对植物多样性起着重要作用。本研究中三个坡度类型的优势种都有豆科植物，提高了植物对氮的利用率，增加了土壤的氮含量［30-31］。氮是植物生长重要养分因子，豆科植物具有较强的生存能力，能为生态系统中其他植物的生长与定居创造有利的微生境条件［32］。Wang等［33］研究表明速效钾对植被恢复影响显著，其次是总氮和有机质。而本文CCA 结果表明有机质是影响植物生长最重要的因子之一。这是因为人工土壤中添加了外源腐殖质、植物纤维等，其有机质含量相对于自然土壤含量较高；枯落物是土壤有机质的重要来源，坡面植物生物量较大，会产生大量枯枝落叶，凋落物堆积较多，土壤动物和微生物的降解作用使有机质的含量增加，而植物根系对有机质也有拦截作用，有利于有机营养物质的保持与积累，对边坡植被的恢复有重要作用。

4 结论与建议

工程条件（坡度和坡位）对客土喷播后岩质边坡的植被恢复有显著影响。不同坡度样地其微生境和植被群落物种组成存在差异，植物多样性指数变化明显，其中坡度Ⅰ边坡植物种类最丰富，生境结构复杂，植物多样性指数较高，养分含量较高，生态恢复效果好于其他坡度类型的边坡。土壤容重和土壤含水量在不同坡度类型之间差异显著。不同坡位速效钾、碱解氮、有效磷和有机质含量差异明显，其平均值均表现为中坡位＞下坡位＞上坡位。CCA 分析结果表明土壤含水量和有机质是影响植被生长的重要因子。因此山西矿区岩质边坡生态恢复应对坡度大的边坡进行削坡处理，降低坡度，人工土壤配方中增加保水剂和有机质含量，并加强后期的养护管理。