趙方瑩，蔣延玲

(1.北京林業(yè)大學林學院，北京100083;2.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設計院有限公司，北京100083;3.中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點試驗室，北京100093)

礦業(yè)開發(fā)是人類重要的經濟活動，為我國經濟的迅速增長做出了主要貢獻，但它也產生了大量的廢棄地并引起了一系列的環(huán)境問題，尤其是生態(tài)環(huán)境的破壞，如水土流失、植被減少、土地退化、物種消失、自然災害增加等一系列環(huán)境問題。隨著社會經濟的發(fā)展，對礦產資源的需求日趨強烈，因此而造成的生態(tài)環(huán)境破壞問題也日趨嚴重。到2004年底，與采礦有關的退化土地面積達到3.2×106hm2，使中國土地資源不足的狀況更加惡化。礦山廢棄地的恢復始于20世紀70年代后期，但恢復進展緩慢。到20世紀末中國的采礦已經產生了3.0×106hm2的廢棄地[1]，而且這一數(shù)值還在以每年4.67×106hm2的驚人速度繼續(xù)增長[2]。礦區(qū)植被恢復與生態(tài)重建是在國際上備受關注的研究領域，也是退化生態(tài)系統(tǒng)與恢復生態(tài)學以及工礦區(qū)水土保持研究的重要內容之一[3]。在礦區(qū)進行植被建設能夠實現(xiàn)涵養(yǎng)水源、改良土壤和蓄水保土的水土保持功能[4-13]。植被不同層次(如喬木、灌木、草本，地上、地下部分等)的水文效應不同，在礦山廢棄地的植被恢復過程中選擇不同的種類搭配其水文效應亦有差異。當前關于植被水文效應的研究多是關注某個植被類型或某個物種整體的水文效應，尚缺乏對一個植被類型內部不同植物層次及植物不同部分水文效應的定量比較研究。本試驗擬通過去除植被不同組成部分，并施以人工降雨的方法來揭示植被不同層次的水土保持功能，總結相關規(guī)律為礦山廢棄地植被恢復和水土流失治理中植物的選配和管理提供科學依據(jù)。

1 樣地概況

模擬試驗在北京市密云縣城東15 km的北京首云鐵礦(東經 117°01′54″，北緯 40°22′51″)內進行。該地區(qū)是華北平原與蒙古高原的過渡地帶，氣候屬于暖溫帶半干旱氣候區(qū)，四季分明。春季干旱多風、少雨;夏季炎熱多雨;秋季天高氣爽;冬季干旱寒冷、少雪。年平均氣溫10℃左右，7月最高氣溫38℃，1月最低氣溫-22℃。年平均降水量550 mm，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量1 482～2 200 mm。土壤主要為棕壤和褐土，土層較薄。

樣地選在礦區(qū)第一排土場西部的棄渣坡面下方，海拔110 m，坡向東，坡度30°。土石渣層厚約10 m。0—30 cm土壤容重1.55 g/cm3。樣地內沒有喬木樹種，主要是灌木植物胡枝子(Lespedeza bicolor)及草本植物地梢瓜(Cynanchum thesioides)、狗尾草(Setaria viridis)和委陵菜(Potentilla chiniese)等組成的灌草群落，覆蓋率達70%(表1)，地表無明顯的枯枝落葉層。

表1 樣地內植被基本情況

2 研究方法

2.1 試驗設計

采用自制的針頭式人工降雨發(fā)生器模擬降雨過程。發(fā)生器規(guī)格為100 cm×200 cm，高度設置在距地面2 m處。調整好供水水箱與降雨發(fā)生器之間的高差，同時對雨強進行率定，直至設定的降雨強度為止，并保持水箱內水位基本穩(wěn)定不變。本研究采用北京礦區(qū)常見能夠產流引起土壤侵蝕的雨強0.5 mm/min[14-16]。

將規(guī)格為60 cm×130 cm的不銹鋼徑流小區(qū)槽箱沿著與水平面垂直的方向嵌入已選定的代表性樣地內，盡量不擾動槽箱內的土壤和植被。先讓土壤水分達到充分飽和狀態(tài)，然后開始實施人工降雨。依次按照原始灌草層、去除草本地上部分、去除草本根系、去除灌木地上部分和去除灌木根系的順序進行植被處理，每次處理后將土壤結構恢復到原始狀態(tài)。每種處理條件下降雨持續(xù)30 min，總降雨量為10 133 ml。在徑流小區(qū)下方的出水口用燒杯承接地表徑流和泥沙。

2.2 試驗觀測及分析方法

用量杯每5 min收集計算一次地表徑流量，每個處理連續(xù)收集計算6次;對每次的徑流樣品進行烘干稱重計算土壤侵蝕量(侵蝕量=徑流量×泥沙含量);用0.001 g電子天平稱取植物組織鮮重并在80℃烘干24 h稱其干重。

利用Excel 2007對試驗觀測數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計繪圖，利用SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(方差分析)和相關性分析。

3 結果與分析

3.1 植被不同層次水文調控效應

試驗表明，植被具有明顯的保水作用。原始灌草層、去除草本地上部分、去除草本根系、去除灌木地上部分和去除灌木根系后樣方在30 min降雨過程中的總徑流量分別為:1 296，1 369，1 505，2 097和2 468 ml，對照裸地的總徑流量為3 060 ml。根據(jù)以下公式分別計算灌草植被不同層次的蓄水效應和在減少徑流中的貢獻率:

計算結果表明，植被可以使該地區(qū)土壤地表徑流減少1 764 ml，總的蓄水效應可達57.65%。其中灌木地上/地下、草本地上/地下各組分的蓄水效應分別為31.47%/19.35%和 4.44%/2.39%(表 2)。灌木層在減少徑流的過程中發(fā)揮著最大的作用，其貢獻率達88.15%，這與灌木在植被中所占的比重大有關。灌木和草本植物地上部分的蓄水效應均比根系大，計算單位生物量的蓄水效應結果表明，植物地上部分每單位生物量的蓄水效應是地下部分的1.13倍，說明在減少地表徑流方面，植物地上部分發(fā)揮著主要的作用。地上部分可以直接通過對降雨的截留從而減少到達地面的水分，并可減緩雨水對地表的沖刷強度，因而極大地減少了地表的徑流量。而根系對減少地表徑流的作用相對小一些。單位生物量的灌木和草本植物的蓄水效應比較接近，灌木植物稍大于草本植物。

表2 植被不同層次的水文效應

3.2 植被不同層次對土壤的減蝕效應

植被的存在可以明顯地減少徑流中的泥沙含量，但不同植被處理條件下的徑流泥沙含量有著明顯的差異。根據(jù)以下公式分別計算植被不同層次的減蝕效應和在減蝕作用中的貢獻率:

裸土的徑流泥沙含量為12.73 g/L，而有灌木和草本覆蓋條件下徑流的泥沙含量僅為0.63 g/L，減蝕效應達到93.55%，說明植被在防止土壤侵蝕方面發(fā)揮著巨大的作用。灌木地上/地下和草本地上/地下的減蝕效應分別為36.34%/54.28%和0.79%/2.14%(表3)。

表3 植被不同層次的減蝕效應

灌木植物在減蝕過程中發(fā)揮主要作用，其減蝕貢獻率達到96.86%，這不僅與其在植被中占的比重有關。從單位生物量的減蝕效應來看，灌木每單位生物量的減蝕效應是草本植物的5.3倍，這與灌木復雜、多層次的地上和地下結構有關。植物根系部分的減蝕能力比地上部分強，這不僅與植物地下生物量較大有關，而且還與植物地上/地下部分在減少土壤侵蝕中的作用有關。在減蝕過程中，植物地上部分的作用是減緩雨水對地面的沖刷強度，從而減少了濺蝕量，而根系通過附著作用而阻滯雨水帶走更多的泥沙。

4 結論

(1)植被在固土保水方面發(fā)揮著重要的作用。在試驗區(qū)內，灌草植被可以減少57.65%的地表徑流和93.55%的土壤流失，可見植被的蓄水減蝕作用顯著。因而在礦山恢復中，應以栽植植被為主要修復方法。

(2)不同植物的固土保水作用存在著差異，灌木的蓄水和減蝕效應分別是草本植物的7.4倍和30.9倍。這不僅是由于灌木植物在整個植被中所占的比重較大，而且與植物的形態(tài)、生理生態(tài)特性等因素有關。每單位生物量的固土保水效應計算結果表明，灌木的蓄水效應是草本植物的1.13倍，而減蝕效應則二者差異很大，灌木是草本植物的5.3倍。說明灌木植物在固土保水方面比草本植物發(fā)揮著更大的作用。

(3)植物的不同部分之間在蓄水減蝕效應上也有差異。地上部分通過對降雨的截留作用來緩沖雨水對地面的沖刷，地下龐大的根系阻礙水分和土壤的流失。在保水方面，植物地上部分的蓄水效應是地下部分的1.65倍，說明植物的地上部分在保水方面發(fā)揮的作用較大。在固土方面，則地下部分的減蝕效應是地上部分的1.52倍說明植物的地下部分在固土方面發(fā)揮的作用更大。因而在礦山廢棄地植被恢復選擇植物種類時，應注意選擇冠層結構復雜、根系發(fā)達的種類。

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