李武斌,何丙輝,王力＊ ,申建紅,黃治清,張興華,文基堅,代萬貴

(1.西南大學生命科學院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400715;2.西南大學資源環(huán)境學院,重慶 400716;3.重慶地勘局205地質隊,重慶 402160;4.四川九寨溝縣馬腦殼金礦有限責任公司,四川 九寨溝623400)

隨著我國經濟的高速發(fā)展,礦產資源的開發(fā)強度不斷加大,礦山開采造成大規(guī)模土地破壞,在中國乃至世界,都是一個十分嚴重且日益受到高度重視的問題[1,2]。礦山,尤其是露天開采礦山,造成大量土體的剝離和礦渣的產生,導致礦區(qū)出現(xiàn)大面積的廢棄土地需要恢復。通常,礦山廢棄地土壤結構性差、土壤養(yǎng)分及有機質含量很低、重金屬含量較高,不利于植被生長和其他生物活動,阻礙礦山生態(tài)恢復的進程[1,3-5];土壤養(yǎng)分成為許多礦山生態(tài)恢復最重要的限制因子之一。

近年來的研究表明,土壤有效氮、磷、鉀是植被生長必備的養(yǎng)分元素,土壤有機碳(SOC)則可以增加土壤有機質含量、提高pH、提高植被生長必需的營養(yǎng)、提高土壤的持水能力、調節(jié)重金屬的生物可用性等改善土壤理化性質[6]。隨著土壤鹽堿濃度的增大,離體葉片持水力下降[7];土壤水分脅迫對種群和生理的影響較大,尤其是對葉片的電導率、游離脯氨酸和丙二醛含量的影響十分顯著[8];土壤中重金屬含量達到一定濃度對植物生物量的影響較大[9]。這些研究多集中在土壤鹽堿、重金屬及水分對植物生長脅迫上及土壤微生物等方面[10-16];而對礦山與同生境原生地土壤養(yǎng)分分布格局進行對比研究的報道較少。

本研究通過對九寨溝馬腦殼金礦挖、排坡地與其同生境的原生草地(即與挖、排坡地同屬于一個坡面和同一植被類型區(qū)域)的土壤有效氮、磷、鉀和SOC的分布格局進行對比研究,分析了解礦山排渣土(包括翻新土)養(yǎng)分水平和養(yǎng)分虧缺狀況,為九寨溝礦山及同類礦山生態(tài)恢復與重建中土壤改良和養(yǎng)分補給提供理論依據和基礎數(shù)據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東南緣的四川省九寨溝縣黑河鄉(xiāng)馬腦殼金礦(33°38′20″～ 33°40′10″N,104°02′48″～104°05′10″E)。在長江上游嘉陵江支流白水河流域內,屬高山山岳區(qū),海拔 2 700～3 725 m,相對高差1 000余m。剝采和排放區(qū)域位于南坡,海拔為2 900～3 500 m,礦區(qū)屬高山寒溫氣候,太陽輻射強、晝夜溫差大,9月-次年5月為霜期,降水量較為充沛,年降水量500～700 mm,但分配不均,全年75%以上降水集中在7-9月。礦區(qū)坡度大、土壤貧瘠、土壤表層干濕交替頻繁,水分涵養(yǎng)能力弱,氣候極端,植被生長期短,一旦破壞很難恢復。

研究區(qū)地處南坡,區(qū)內原生草本發(fā)育,大部分為牧草覆蓋,屬于亞高山草甸區(qū);僅靠溝底東側分布有一小塊喬木(面積約有0.06 hm2);主要草本植物有:糙野青茅(Deyeuxia scabrescens)、白頂早熟禾(Poa acroleuca)、羊茅(Festucaovina)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、四川嵩草(Kobresia setchwanensis)、珠芽蓼(Polylgonum viviparum)、地榆(Sanguisorba of f icinalis)等,多數(shù)種類遍及全調查區(qū)域,高度多在0.1～1.5 m;主要灌木有:沙棘(Hippophae rhamnoides)、紅花薔薇(Rosa moyesii)、峨眉薔薇(Rosa omeiensis)、黃果懸鉤子(Rubus xanthocarpus)、金露梅(Potentilla f ruticosa)、擬五蕊柳(Salix paraplesia)、高山繡線菊(Spiraea alpina)等,礦區(qū)南坡分布較稀少,多分布在較潮濕地區(qū),高度多為0.3～3.5 m;喬木有:水冬瓜(Alnus sibirica)、紅樺(Betula albosinensis)2種,平均高度在13 m左右。整個礦區(qū)屬于碳酸鹽土壤;原生植被區(qū)(即礦山開采邊緣植被區(qū)),土體較濕潤,結構性較好,呈堿性反應,土壤潛在肥力較高。地表凋落物蓋度主要在70%～85%,厚度為0.5～4.0 cm。挖土邊坡(海拔3 300～3 500 m)、翻新土堆放邊坡以及排渣邊坡主要分布在南坡(海拔2 900～3 300 m,2005年底停止堆排)。金礦公司在該停止排放區(qū)域開始播撒紫花苜蓿(Medicago sativa)(2005-2006年),目前長勢不好,僅零星可見;另外在臨近原生草地邊緣、溝谷和路邊出現(xiàn)極少幾種鄉(xiāng)土草本,主要有垂穗披堿草、蟹甲草(Cacalia palmatisecta)、打火草(Anemoneviti folia)、糙野青茅、羊茅及四川早熟禾等等,草本總蓋度不到5%。在春夏季雨水的沖刷下,挖、排坡體形成許多大小不等的溝槽,最大的溝槽寬近3 m,深達3.2 m。

1.2 研究材料及方法

1.2.1 樣地選擇 本試驗樣地選擇礦區(qū)南坡最大的堆、排渣土區(qū)(2005年底停止堆排)及剝采區(qū)(原翻新土與排渣土混合排放在開采區(qū)下面,翻新土覆蓋在礦渣土上面與開采區(qū)形成一個自下而上的連續(xù)區(qū)域,該區(qū)域簡稱“挖、排坡”)和同生境的原生草坡;樣地基本情況如表1所示。

1.2.2 土壤取樣 為防止邊緣效應干擾取樣分析結果,從坡底距離主溝谷40～50 m處開始取樣,即從海拔2 900 m開始,按海拔每隔100 m的水平樣帶,原生草地按坡脊和坡谷分別取樣,各樣帶靠近中間位置等距取5個點,以避免邊緣效應;原生草地每個點挖取剖面分3層:0～20(first layer,FL),20～40(second layer,SL),40～60 cm(third layer,T L);挖、排坡地由于其表層60 cm范圍以內均為翻新土,土壤層次間無明顯差異,因此,挖、排坡地土壤僅取草本植物生長根系分布最集中的0～20 cm土層;用干凈棉布袋取土樣,土樣鮮重不少于1 kg;記錄取樣點植被狀況、干擾類型及強度、坡度(坡度變化僅分為坡脊和坡谷2種情況)、各土層有機質厚度、土壤顏色、植物根系分布及其他環(huán)境因子等。

1.2.3 樣品分析 土壤有效N(水解N)采用堿解擴散法測定;有效P(速效P)采用NaHCO3法測定;有效K(速效K)采用醋酸銨-火焰光度計法測定;SOC采用常規(guī)容量法測定[17],土壤pH值采用電位法測定[18]。

取樣時間選定在礦山草本植物成熟期,即2008年8月中下旬,室內試驗在2008年9-12月。

1.3 統(tǒng)計分析

每個樣帶各土壤層分析數(shù)據先求平均值,然后使用SPSS 12.0、Excel 2003等軟件進行數(shù)據整理、制圖和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 礦山氮素分布格局

原生草地土壤有效氮,除FL和SL兩層土壤在3 200 m略低外,整體上各層土壤有效氮表現(xiàn)為隨海拔的升高呈減小的趨勢(圖1)。

原生草地同海拔土壤各層次有效氮量均因坡脊、坡谷的不同其大小不一致(圖1),除海拔3 200 m土壤40～60 cm坡脊土壤有效氮略大于坡谷外(圖1C),其余樣點各層次土壤有效氮含量關系為:坡脊<坡谷。

同一位置土壤各層有效氮由淺入深也呈減小的趨勢;各土層有效氮大小關系是:FL>SL>T L。

挖、排坡有效氮隨海拔變化非常微小;各海拔土壤有效氮(平均值為110.35 mg/kg)含量都非常低,僅為對應原生草坡地(坡脊和坡谷)FL層土壤有效氮含量的28.2%和19.8%。

表1 九寨溝馬腦殼金礦礦區(qū)樣地基本情況表Table 1 The fundamental parameters of sampled stands in Manaoke Mine

2.2 礦山磷素分布格局

原生草地FL和SL兩層土壤有效磷量隨海拔的升高先減小后略增加(圖2A、B),T L有效磷隨海拔的升高變化起伏,總體呈減小的趨勢(圖2C);同海拔土壤各層次有效磷因坡脊、坡谷的不同而不同:同海拔FL、SL兩層坡脊土壤有效磷含量均比坡谷的低(圖2A、B);T L層土壤有效磷含量總體上在各海拔表現(xiàn)為坡脊土壤有效磷(0.609 mg/kg)較坡谷(0.660 mg/kg)低(圖 2C),但在高海拔區(qū)域(3 400～3 500 m)差異不大。

同一位置各土壤層有效磷由淺及深均呈減小的趨勢;FL、SL和T L各土層有效磷總平均值分別為:2.607,1.566,0.634 mg/kg(圖 2A 、B、C)。

挖、排坡地土壤有效磷隨海拔變化微小(圖2D),其含量(平均值為1.919 mg/kg)并不很低,僅低于對應原生草地坡谷表層FL平均水平(3.717 mg/kg),而略高于原生草地坡脊淺層FL平均水平(1.497 mg/kg);這與礦區(qū)地質背景磷含量較高(礦區(qū)有效磷背景值為2.340 mg/kg)有關。

2.3 礦山鉀素分布格局

原生草地土壤有效鉀隨海拔分布,除在海拔3 200 m處有異常低值外,整體上隨海拔升高而減小。

與氮、磷一樣,同海拔土壤各層次有效鉀含量隨坡脊、坡谷的不同有一定的變化,均為:坡脊<坡谷(圖3)。

各點土壤有效鉀均隨土壤深度的增加而減小(圖3);各土層有效鉀平均含量大小關系是:FL(坡脊、坡谷分別為52.91,68.87 mg/kg)>SL(坡脊、坡谷分別為27.90,39.91 mg/kg)>TL(坡脊、坡谷分別為12.77,23.82 mg/kg)。

圖1 礦山土壤氮素水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.1 Soil nitrogen changed with altitude and slope-gradient in Mine

圖2 土壤磷素水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.2 Soil phosphorus changed with altitude and slope-gradient

挖、排坡地有效鉀隨海拔變化不大(圖3D)。挖、排坡地有效鉀含量較低,其最大值僅為12.93 mg/kg,比原生草地同層次(包括坡脊和坡谷FL層)的最小值(即3 200 m坡脊FL層有效鉀:20.67 mg/kg)(圖3A)還低。其平均值(10.83 mg/kg)分別為對應原生草地坡脊和坡谷有效鉀平均值的20.47%和15.73%。

2.4 礦山SOC分布格局

原生草地SOC隨海拔分布(圖4)變化較為復雜:在3 200 m以下和3 300 m以上,隨海拔的升高,各層SOC均呈減小趨勢,而從3 200 m到3 300 m時,土壤SOC隨海拔的升高而升高。

同海拔各層次SOC隨坡度變化規(guī)律總體上與氮、磷、鉀基本一致,即坡脊<坡谷。

同一位置SOC由淺入深呈減小的趨勢;各土層SOC平均含量大小關系是:FL(61.80 g/kg)>SL(42.76 g/kg)>TL(26.24 g/kg)。

挖、排坡地土體由翻新土和排渣土組成,各海拔土壤有機質含量極少,其 SOC平均值僅為 1.28 g/kg(0.22%),遠低于原生草地表層SOC含量的平均值61.80 g/kg(10.65%)。

圖3 土壤鉀素水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.3 Soil kalium changed with altitude and slope-gradient

2.5 礦山土壤養(yǎng)分及環(huán)境因子間的相關性

相關分析表明(表2),坡脊、坡谷之間各養(yǎng)分含量均呈極顯著正相關(P<0.01);除坡谷土壤有效磷外,土壤有效氮、磷、鉀與海拔呈極顯著負相關(P<0.01),SOC隨海拔變化僅SL與T L之間呈顯著正相關關系(P<0.05);土壤有效氮、磷、鉀在土壤各層之間也多具正相關關系,尤其是FL、SL之間氮、磷、鉀呈顯著相關(P<0.05)。土壤各層有效氮、磷、鉀及SOC之間多呈顯著正相關(P<0.05)。

挖、排坡地土壤的pH值較原生草地表層土壤高(表3),這主要是由于礦區(qū)處于碳酸鹽區(qū)域。

圖4 土壤有機碳水平隨海拔、坡度的變化關系Fig.4 Soil organic carbon changed with altitude and slope-gradient

表2 礦山草地土壤養(yǎng)分及各因子之間的相關系數(shù)Table 2 Correlationsbetween soil nutrients and its environmental factors in Mineral grassland

表3 土壤pH值分布狀況Table 3 Soil pH values contribute in Mine

3 討論與結論

3.1 礦山土壤養(yǎng)分總體分布格局

礦山原生草地土壤有效養(yǎng)分的空間分布格局是:土壤有效氮、磷、鉀及SOC由淺入深呈減小趨勢,隨海拔的升高,各層次土壤有效養(yǎng)分總體上也呈減小的趨勢;坡谷有效養(yǎng)分總體上大于坡脊。產生這一分布格局的主要原因可能是:第一,土壤有機質(SOC)越多,為植被生長提供的養(yǎng)分也就越多[19,20],草本根系及凋落物絕大部分集中在土壤表層,因此,土壤由淺入深其養(yǎng)分呈遞減趨勢,與成文競等[21]的研究結論基本一致;第二,由于有效養(yǎng)分易溶于水,在降水和重力的作用下,坡脊(高海拔)土壤有效養(yǎng)分容易向坡谷(即低海拔)轉移[22]。

礦山挖、排坡地表面由平均厚度超過1 m的翻新土均勻覆蓋,土壤熟化程度極低;因此,挖、排坡土壤有效氮、磷、鉀及SOC含量均很低,且各海拔分布較均勻,養(yǎng)分水平隨海拔無明顯變化。

與丁青坡等[23]的研究不同的是,九寨溝礦山草地土壤pH值隨土壤深度的增加而增加,這主要是與礦山土壤基質為碳酸鹽巖,礦山土壤pH背景值較高有關,表層土壤在多年的植被分泌物、植被有機質分解物、土壤微生物和大氣降水等多種因素的共同作用下使其pH值降低。

另外,SOC對土壤養(yǎng)分的影響顯著[24],礦山SOC與有效氮、磷、鉀含量之間顯著相關。

3.2 礦山土壤養(yǎng)分分布格局的影響因素

3.2.1 海拔、深度及坡脊坡谷對礦山原生草地土壤養(yǎng)分分布影響顯著 礦山草地由于海拔的改變,土壤微氣候(包括溫度、光照、水分、風力等)隨之改變,其對應的植被類型和優(yōu)勢種發(fā)生相應的變化;植被的不同,其固定的養(yǎng)分含量也不同,有機殘留物量也不同,在土壤中所形成的土壤養(yǎng)分也會不同[17,18]。坡脊與坡谷之間的差異主要表現(xiàn)為坡度的差異,坡度的差異改變了土壤水分、養(yǎng)分狀況,也就改變了植被的生長狀況,二者相互作用共同影響土壤養(yǎng)分的含量。越接近地表的土壤根系量越多,由根系固定的養(yǎng)分越多,根系的新陳代謝產物及地上凋落物進一步增加了表層土壤養(yǎng)分和有機質含量;因此,礦山草本根系隨土壤深度的增加其根系呈指數(shù)減少,孫鐵軍和劉素軍[25]研究表明,草本根系主要分布在0～20 cm土層內,也印證了這一點。由上述可知,海拔、坡度和土壤深度的變化是影響礦山草地土壤養(yǎng)分分布格局的重要因子。

3.2.2 干擾對礦山草地土壤養(yǎng)分分布格局的影響 過去研究認為,SOC含量隨海拔的升高而升高[26]。研究區(qū)原生草地SOC隨海拔變化則不具這一規(guī)律;在海拔3 200和3 300 m間土壤養(yǎng)分及SOC出現(xiàn)異常低值,該區(qū)域靠近礦區(qū)住宅生活區(qū),受人為干擾嚴重,干擾存在的主要形式有:表土搬遷剝離(如種菜等)、踐踏(散步、采藥等)、生活廢水傾倒等,這些干擾活動導致該區(qū)域草地土壤有機質加速分解而減少、土壤有效養(yǎng)分易隨過量而頻繁的生活用水淋失[27-29],由于人為頻繁過度的踐踏使草本蓋度相對降低、個別地方出現(xiàn)植被全部被破壞,土壤直接裸露現(xiàn)象;這可能是導致礦山土壤養(yǎng)分及SOC含量在某些地方出現(xiàn)異常的原因之一。

3.3 礦山挖、排坡地

相對于原生草地土壤養(yǎng)分,礦山挖、排坡地缺乏的主要養(yǎng)分為氮、鉀,其次為磷,土壤有效氮是在礦山挖、排坡生態(tài)恢復中植被生長最主要的限制因子;因此,在恢復過程中,對土壤有效氮和有效鉀補充尤為重要。

Bradshaw和Chadwick[30]早在1980年就指出礦山土壤酸堿狀況對土壤其他各種化學性質會產生影響,其中,pH值高會降低土壤鉀的有效性。對于馬腦殼礦山挖、排坡地有效鉀含量低有可能是由于其pH高背景值引起;因此,對土壤有效鉀直接采用施肥方法補充應該謹慎,可以通過使用有機肥等方式改變土壤pH值來提高土壤鉀的有效性達到植物生長對鉀素需求。

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