唐　駿,黨廷輝,,*,薛　江,文月榮,徐　娜,吳得峰

1 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌　712100 2 西北農林科技大學資源環(huán)境學院, 楊凌　712100

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植被恢復對黃土區(qū)煤礦排土場土壤團聚體特征的影響

唐駿1,黨廷輝1,2,*,薛江2,文月榮2,徐娜1,吳得峰2

1 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌712100 2 西北農林科技大學資源環(huán)境學院, 楊凌712100

目前關于植被恢復對排土場土壤團聚性的影響還不清楚,以植被恢復下黃土區(qū)露天煤礦排土場為研究對象,采用濕篩法測定了排土場土壤水穩(wěn)性團聚體組成,研究了植被恢復類型(草地、灌木)和排土場地形(平臺、邊坡)對土壤團聚體特征的影響。結果表明：植被恢復促進了排土場水穩(wěn)性團聚體的形成,平臺0—20 cm土層水穩(wěn)性大團聚體數量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)分別達到31.1%,0.70 mm和0.26 mm,邊坡分別達到13.3%,0.37 mm和0.17 mm,均顯著高于裸地,分形維數(D)在平臺和邊坡分別為2.91和2.96,均顯著低于裸地;平臺土壤團聚性要好于邊坡,草地對于平臺土壤團聚結構改良效果較好,而灌木對于邊坡改良效果較好;排土場土壤有機碳和粘粒含量均與土壤團聚體指標有顯著相關性。植被恢復提高了排土場土壤團聚性,植被恢復類型和地形對排土場土壤團聚體特征有顯著影響。

植被恢復; 排土場; 土壤團聚體; 分形維數

晉陜蒙接壤的黃土地區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū),煤炭開采加重了這一地區(qū)的生態(tài)和環(huán)境問題[1]。由于露天煤礦在開采能力和安全性等方面的優(yōu)勢,近年來我國的露天煤礦生產與建設快速發(fā)展,其煤炭產量已占煤炭總產量的 9.93%,未來并將逐步提高達到15%左右,同時露天開采對礦區(qū)土地資源及生態(tài)環(huán)境的破壞也日益嚴重,我國因露天開采煤炭而每年損毀的土地面積在6600 hm2左右,其中外排土場壓占土地面積為3000 hm2左右[2]。而我國可供露天開采的煤炭幾乎全部集中在晉陜蒙地區(qū),晉陜蒙接壤的黃土地區(qū)分布著中國和世界上罕見的特大煤田,現已探明含煤面積3萬 km2,煤炭儲量2505億 t,占全國的26.3%,該地區(qū)廣泛的露天開采形成了許多大型露天煤礦排土場。同時該地區(qū)也是少有的水土流失嚴重的典型生態(tài)脆弱地區(qū),大面積的煤礦排土場治理得當便可以提供大量土地資源并發(fā)揮其重要的生態(tài)功能,治理不當便會引發(fā)水土流失等一系列生態(tài)和環(huán)境問題[3]。因此,黃土區(qū)煤礦排土場的治理對于保護該地區(qū)的生態(tài)安全及國家綠色生態(tài)屏障構建具有重要意義。

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元,其組成及基本特性是決定土壤侵蝕、壓實、板結等物理過程與作用的關鍵指標之一,是評價土壤肥力和抗蝕性的重要指標[4]。排土場土壤為復填土,堆積過程中不斷進行碾壓,土壤團聚結構遭到破壞,土壤結構性差極易發(fā)生水土流失。植被恢復是排土場治理和生態(tài)恢復的主要措施,目前關于植被恢復對土壤團聚體的影響研究主要集中在自然地貌土壤[5- 7],植被恢復下排土場土壤質量研究也主要集中在土壤化學性質和土壤侵蝕[8- 10],而對于排土場這種重構土壤在植被恢復下土壤團聚體特征變化的研究還較少。本研究以植被恢復下黃土區(qū)大型露天煤礦排土場為研究對象,研究植被恢復類型和排土場地形對土壤團聚體特征的影響,探討黃土區(qū)露天煤礦排土場植被恢復的土壤改良作用和水土保持效應,旨在為黃土區(qū)露天煤礦排土場土地復墾與生態(tài)恢復提供技術支持和理論依據。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦(39°43′—39°49′N,111°13′—111°20′E)位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗東部,地處黃河西岸鄂爾多斯臺地,面積達52.11 km2,屬于晉、陜、蒙接壤黃土區(qū)一部分。礦區(qū)年均氣溫7.2 ℃,年均降水量404.1 mm,降水多集中在 7,8,9 月份,約占全年降水量的60%—70%,年蒸發(fā)量為2082.2 mm。海拔在1025—1302 m之間,地形呈東北高西南低,多為波狀起伏的黃土梁、峁和丘陵,溝壑縱橫交錯,地形切割劇烈。

研究試驗地選擇在黑岱溝露天煤礦礦區(qū)內已治理18年的排土場(1996年建成的東排土場),面積2.75 km2,排土場地貌類型為人為排土填溝形成的平坦地貌,有平臺和邊坡兩種地形。平臺寬廣平坦,水土流失較輕,利于植被生長;邊坡為高邊坡,坡度在45°—60°,坡長在20 m左右,水土流失強烈。研究區(qū)內原生土壤主要為黃綿土與風沙土,排土場土壤為復填土,堆積過程經過了劇烈擾動和碾壓,其土壤質地為粉壤,容重較大,土壤養(yǎng)分含量低。以土壤熟化為目的,治理排土場實施了大規(guī)模的植被重建,其植被恢復較好,有多種植被恢復模式,每種植被模式均成塊種植,植物蓋度較高,但是類型單一。排土場堆積過程中土體來源和堆積工藝一致,機械組成顯示其土壤質地一致,不同植被恢復模式也是隨機排列;同時對緊鄰該排土場的新建排土場(未進行植被恢復)進行了隨機采樣(10個樣點),并測定了0—20cm土層的機械組成和有機碳含量(表1),結果顯示排土場土壤粘粒、粉粒、砂粒和有機碳含量的變異系數分別為18%,17%,12%和15%,均為中等強度變異,屬于同一試驗區(qū)的正常變異范圍[11],因此可以認為排土場不同植被恢復樣地治理前其土壤背景狀況較為相似。

表1　新建排土場土壤背景狀況

1.2試驗設計

在植被恢復18年的治理排土場,平臺和邊坡兩種地形下均選擇草地和灌木林地兩種主要植被恢復類型,并以無植被措施自然撂荒的裸地作為對照。在不同地形下每種植被恢復類型各選擇3—4塊樣地,共選擇21塊樣地,其中平臺11塊樣地,邊坡10塊樣地,在每塊樣地采集原狀土壤,通過濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團聚體數量,分析植被類型和地形對排土場土壤團聚體特征的影響。樣地信息見表2。

表2　研究樣地基本情況

1.2.1采樣方法

采樣于2014年7月上旬進行。在每塊樣地劃定一個20 m×20 m的樣方,在每個樣方內樣地按照“品”字形3點取樣(邊坡沿坡長方向進行采樣)分別采集0—10,10—20 cm兩個層次原狀土樣,每個樣地3 次重復,平臺和邊坡共采集126個原裝土樣。在每個在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動,以免破壞團聚體。原狀土樣在風干過程中沿自然裂隙掰成直徑為1 cm 左右的小塊,并且去除粗根及小石塊。

1.2.2樣品測定

團聚體分析采用濕篩法[12],具體方法如下：先取500 g風干土樣通過沙維諾夫法進行干篩,當篩分完成后測定各粒級土樣重量,按比例配成50 g 風干土樣,根據約得法進行濕篩。使用團聚體分析儀(南京土壤所制)濕篩1分鐘,通過一套直徑為10 cm,孔徑順次為5,2,1,0.5和0. 25 mm的篩組。將已篩好的篩組拆開留在各級篩子上的團聚體用細水流通過漏斗洗入燒杯中,得到>5 mm,5—2 mm,2—1mm,1—0.5,0.5—0. 25 mm,<0. 25 mm各粒級水穩(wěn)性團聚體,使用沙浴烘干,然后稱量。

將風干土樣過1mm篩,采用英國馬爾文公司生產的MS2000型激光粒度測量儀測定顆粒分布。根據美國制分類標準分為砂粒(0.05—1 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)。風干土樣研磨過0.15mm的篩,用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量。

1.2.3分析方法

根據相關研究結果,本文綜合應用大于0.25 mm團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(D)等指標來描述土壤團聚體的分布狀況和穩(wěn)定性特征:

(1)

(2)

(3)

(4)

利用公式(4)通過數據擬合,可求得D。

數據通過EXCEL進行初步整理,使用SPSS 20.0軟件進行統計分析,LSD法進行差異顯著性檢驗,用 sigma Plot 10.0軟件作圖。

2　結果

2.1植被恢復類型和地形對排土場土壤各粒級團聚體比例的影響

對排土場各樣地土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體含量進行分析(表3),排土場植被恢復下各樣地均以<0.25 mm小粒級團聚體所占比例最高,其所占比例為67.36%—92.86%,而大粒級團聚體中0.25—2 mm團聚體所占比例要顯著高于>2 mm粒級團聚體,不同樣地>5 mm團聚體差異較大。土壤中大于0.25 mm的團聚體稱為土壤大團聚體,其數量和分布特征能夠表征土壤結構和抗蝕性[13]。植被恢復下排土場平臺土壤0—10,10—20 cm土層大團聚體比例(R0.25)分別為31.7%和30.5%,邊坡各土層分別為13.4%和13.1%,而裸地0—10,10—20 cm土層R0.25平臺為4.3%和4.1%,邊坡為1.7%和1.8%,植被恢復下R0.25要顯著高于裸地。

不同植被類型和地形對土壤水穩(wěn)性團聚體數量有顯著影響。平臺不同植被類型下各土層R0.25均為草地>灌木>裸地,草地和灌木未達到顯著差異(P<0.05),但均顯著高于裸地;邊坡各土層均為灌木>草地>裸地,差異顯著(P<0.05)。相同植被類型下,各粒級大團聚體數量均表現出平臺顯著高于邊坡的規(guī)律,表明植被恢復下平臺土壤團聚性要好于邊坡。平臺植被恢復下各粒級大團聚體含量均較高,平臺草地和灌木0—10 cm土層>5 mm團聚體含量分別達到5.71%和4.49%,顯著高于邊坡;邊坡植被恢復下各粒級大團聚體含量相對較低,僅灌木地0.25—0.5 mm和0.5—1 mm兩個粒徑團聚體含量與平臺相差較小在5.04%—7.70%范圍,其它大團聚體含量在0.92%—2.73%,含量很低。不同植被類型和地形下各粒級團聚體含量差異很大,尤其是大粒徑團聚體差異最為顯著。

表3　不同植被類型和地形下土壤各粒級團聚體比例

不同小寫字母表示相同地形下、不同植被類型土壤團聚體之間差異顯著(P<0. 05)

2.2植被恢復類型和地形對排土場土壤MWD和GMD的影響

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團聚體大小分布狀況的常用指標,MWD 和GMD 值越大表示土壤團聚體的團聚度越高,穩(wěn)定性越好。比較邊坡與平臺不同植被恢復類型下土壤MWD和GMD(圖1),MWD和GMD變化具有較為一致的規(guī)律。平臺與邊坡植被恢復措施下各土層MWD和GMD均要顯著高于裸地,平臺植被恢復下0—10 cm土層MWD和GMD分別比裸地提高339.84%和100.91%,10—20 cm分別提高221.65%和75.75%;邊坡植被恢復下0—10 cm土層MWD和GMD分別比裸地提高104.23%和30.44%,10—20 cm分別提高85.08%和27.31%,表明植被恢復提高了排土場土壤MWD和GMD。地形對排土場土壤MWD和GMD有顯著影響,植被恢復下平臺土壤MWD和GMD均顯著高于邊坡。植被恢復類型對排土場土壤MWD和GMD也有顯著影響,MWD在平臺各土層均表現為草地>灌木>裸地,在邊坡各土層均表現為灌木>草地>裸地,差異顯著(P<0.05); GMD在平臺各土層均表現為草地>灌木>裸地,在邊坡各土層均表現為灌木>草地>裸地,灌木與草地未達到顯著差異,但均顯著高于裸地(P<0.05)。平臺草地和灌木恢復下MWD均表現為表層(0—10 cm)顯著高于次表層(10—20 cm),邊坡植被恢復下表層與次表層MWD差異不顯著,GMD在不同土層間也表現出相同規(guī)律,但隨土層加深其降低幅度要小于MWD,兩土層間差距不大。

圖1　不同植被類型和地形下土壤團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑Fig.1　Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) under different vegetation types and landforms不同大寫字母表示相同地形下、不同植被類型土壤團聚體之間差異顯著(P<0. 05);不同小寫字母表示同一植被類型下、不同地形土壤團聚體之間差異顯著

2.3植被恢復類型和地形對排土場土壤分形維數的影響

土壤團粒結構的分形維數反映了土壤水穩(wěn)性團聚體含量對土壤結構與穩(wěn)定性的影響趨勢,即團粒結構分形維數越小,土壤越具有良好的結構與穩(wěn)定性,抗蝕能力越強。比較平臺與邊坡不同植被恢復類型下土壤分形維數(圖2),平臺與邊坡植被恢復下各土層分形維數均要顯著低于裸地,表明植被恢復降低了排土場土壤團聚體分形維數。植被恢復下平臺表層和次表層團聚體分形維數降低為2.908和2.922,邊坡表層和次表層分別降低為2.966和2.968。平臺的團聚體分形維數要顯著低于坡地,植被恢復對平臺土壤結構改良效果要優(yōu)于邊坡,平臺土壤團聚度和抗侵蝕能力都強于邊坡。不同植被恢復類型下平臺各土層土壤分形維數為草地<灌木<裸地,邊坡各土層分形維數均表現為灌木<草地<裸地,除平臺0—10 cm土層草地與灌木分形維數差異不顯著其余均達到顯著性差異(P<0.05),草地對于提高平臺土壤團聚度效果要好于灌木,而在邊坡灌木的改良效果要好于草地。平臺草地和灌木恢復土壤下分形維數均表現為表層(0—10 cm)顯著低于次表層(10—20 cm),邊坡植被恢復下表層與次表層土壤分形維數相差不大,差異不顯著。

圖2　不同植被類型和地形下土壤分形維數Fig.2　Fractal dimension of soil aggregates under different vegetation types and landforms

2.4排土場土壤有機碳含量及顆粒分布與土壤團聚體特征的關系

土壤有機碳(SOC)被認為是土壤質量的重要評價指標[14],并且對土壤團聚體的形成及穩(wěn)定有重要作用[15]。對排土場不同種被恢復下SOC進行比較(圖3),結果表明不同植被恢復下SOC與土壤團聚體指標表現出較為一致的規(guī)律。無論平臺還是邊坡,植被恢復均顯著提高了排土場0—10 cm和10—20 cm土層SOC,在平臺SOC表現為草地>灌木>裸地,邊坡表現為灌木>草地>裸地,除邊坡0—10 cm土層草地與灌木SOC差異不顯著,其余均達到顯著性差異(P<0.05);草地恢復下0—10 cm和10—20 cm土層均為平臺顯著高于邊坡,而灌木恢復下邊坡較高與平臺,但未達到顯著差異。與土壤團聚體指標不同,排土場0—10 cm和10—20 cm土層相比SOC差異較大,在10—20 cm土層不同植被恢復下SOC差異較小,表明植被恢復對表層SOC影響較大,而對次表層SOC影響較小。

圖3　不同植被類型和地形下土壤有機碳含量Fig.3　Content of soil organic carbon under different vegetation types and landforms

將R0.25、MWD、GMD、D分別與土壤有機碳進行相關分析(如圖4),各指標均與SOC具有顯著地線性相關關系。SOC與R0.25、MWD和GMD有極顯著的正相關,與D有極顯著的負相關,表明土壤有機碳對土壤團聚體形成和分布有顯著影響,其含量越高則土壤團聚性越好。其中MWD與土壤有機碳的相關性最高,R2達到了0.44,R0.25與土壤有機碳相關性最低,R2僅為0.28,GMD和D與土壤有機碳的相關性較高,R2分別為0.37和0.34。

圖4　土壤有機碳含量與團聚體指標的關系Fig.4　Relationship between SOC content and soil aggregate indexes

對植被恢復下排土場顆粒分布進行分析(表4)。由于排土場堆積過程中土體來源和堆積工藝一致,排土場土壤顆粒分布變異較小,土壤質地一致。植被恢復下排土場平臺土壤粘粒、粉粒和砂粒含量分別為10.52%,54%和35.48%,變異系數分別為9%,10%和17%;邊坡土壤粘粒、粉粒和砂粒含量分別為8.93%,48.02%和43.05%,變異系數分別為21%,16%和21%。排土場植被恢復下土壤粒徑分布較為一致,屬于弱變異和中度變異,粘粒含量較少粉粒含量最多,土壤質地為粉壤。排土場平臺和邊坡裸地的粘粒、粉粒和砂粒含量分別為6.63%,33.91%,59.46%和5.68%,33.45%,60.87%。

粘粒是土壤團聚結構形成的重要因素,相關分析也表明(圖5),3種土壤顆粒中土壤粘粒含量與R0.25、MWD、GMD具有極顯著(P<0.01)地正相關關系,與團聚體分形維數具有極顯著負相關,表明植被恢復下土壤粘粒含量越高、質地越重則土壤團聚性越好。土壤粘粒含量與R0.25相關性最好,R2達到了0.67,與MWD相關性最差,其R2為0.39。

圖5　土壤粘粒含量與團聚體指標的關系Fig.5　Relationship between soil clay content and soil aggregate indexes

土層Soillayer/cm地形Landform植被類型Vegetationtypes土壤顆粒分布Soilparticlesizedistribution/%粘粒Clay粉粒Silt砂粒Sand0—10平臺草地10.38±0.94a54.55±6.82a35.07±7.72b灌木10.16±1.00a51.76±5.11a38.08±6.01b裸地5.99±0.29b31.53±3.19b62.47±3.47a邊坡草地7.33±1.73b43.32±9.04b49.34±10.61b灌木9.86±0.99a50.31±3.68a39.83±3.60c裸地5.50±1.69c31.47±2.54c63.03±4.22a10—20平臺草地10.42±1.17a56.24±6.54a33.33±7.66b灌木11.11±0.87a53.44±3.11a35.44±3.96b裸地7.28±1.21b36.28±3.28b56.43±3.85a邊坡草地7.23±2.02b44.18±11.23b48.59±13.20b灌木10.30±0.55a52.21±6.98a37.48±7.19c裸地5.85±1.25c35.43±5.09c58.71±6.27a

3　討論

在黃土地區(qū)已經完成的大量研究表明植被恢復能夠促進土壤水穩(wěn)性團聚體的形成[16- 18]。本次研究中植被恢復下排土場平臺和邊坡土壤團聚結果均好于裸地,土壤R0.25、MWD、GMD均顯著提高,D顯著降低,表明植被恢復同樣能促進該地區(qū)排土場重構土壤水穩(wěn)性團聚體的形成。但由于排土場土壤結構破壞嚴重,植被生長的土壤氣候環(huán)境較差,植被恢復對土壤的改良是一個緩慢過程,與黃土區(qū)自然土壤植被恢復研究結果[7,17-18]相比其土壤團聚狀況仍然較差,土壤團聚較為緩慢,土壤結構和質量需要進一步提升。

地形和植被類型對排土場植被恢復下土壤團聚體特征有顯著影響。Zhang[9]對黃土區(qū)露天煤礦排土場的研究表明,地形對排土場水土流失和土壤物理、化學性質均有顯著影響,植被恢復下平臺的土壤質量要好于邊坡,而邊坡的土壤侵蝕強度要顯著高于平臺。本研究也表明植被恢復下排土場不同地形土壤團聚性有顯著差異,平臺水分養(yǎng)分條件有利于植被恢復,同時水土流失和團聚體破壞均較輕,植被恢復下其有機碳和粘粒含量均更高,所以平臺具有較好的土壤團聚結構。趙世偉[19]和于寒清[16]對黃土地區(qū)的研究表明灌木恢復下土壤團聚性要好于草地,但是本研究表明在排土場平臺草地的恢復效果較好,這可能是由于植被恢復所處的環(huán)境不同。排土場植被生長環(huán)境較差,更適合耐貧瘠的草本作物的生長,同時草地表層枯落物和根系發(fā)達,有機質周轉較快,對土壤團聚結構改良效果也好于灌木地,李俊超[8]等研究也顯示草地對排土場平臺土壤的改良效果要優(yōu)于灌木;而邊坡土壤侵蝕嚴重,灌木相比草本具有較好的保持水土能力[20],比較適應邊坡這種侵蝕強烈的地形,所以灌木對邊坡土壤結構改良效果要好于草地。由于排土場土壤性質的特殊性,其植被恢復過程和效果與該地區(qū)自然土壤有很大差異,并不能照搬自然地區(qū)植被恢復的技術經驗,應因地制宜,并根據排土場不同位置和恢復目的選擇適宜的植被恢復模式。

土壤有機質和粘粒是土壤團聚結構形成的重要因素,土壤團聚體的形成主要依賴于土壤中各種膠結物質的數量和性質,而土壤腐殖質和粘粒是最主要的膠結物質[21]。Yao[22]的研究表明植被恢復通過增加退化土壤的有機碳含量而增強土壤團聚性,這與本研究結果一致,排土場土壤有機碳含量越高其土壤團聚性越好。Zhou[23]的研究結果表明長時間的植被恢復下土壤有機碳含量越高而粘粒含量越低則土壤團聚性越好,這與本研究中土壤粘粒與SOC均促進土壤團聚體形成的結果不一致。主要是由于Zhou的研究在紅壤地區(qū),其土壤粘重,粘粒含量過高造成土壤結構不良;而本研究在黃土地區(qū),排土場土壤以粉粒和砂粒為主,粗顆粒含量較多不利于土壤團聚體的形成,同時排土場土壤有機碳含量偏低,因此粘粒含量對于排土場土壤團聚體的形成更為重要。通過分析(表4)可以看出,與裸地相比植被恢復下土壤粘粒和粉粒含量顯著增加,而砂粒顯著減少,主要原因可能是不同植被恢復下土壤侵蝕強度不同。裸地土壤侵蝕強烈,強烈的侵蝕下細顆粒大量流失[24],所以其粘粒和粉粒所占比例較低,而不易流失的砂粒相對積累,而植被恢復措施下土壤侵蝕較輕,土壤細顆粒流失較少,所以土壤粘粒和粉粒含量相對較高。

以往對于土壤團聚體形成的影響因素的研究多在自然土壤條件下[7,23,25],而對于排土場這種重構土壤其團聚體特性及影響因素的研究還很少,本研究表明了土壤有機碳和粘粒對于重構土壤團聚體形成和分布的影響,植被恢復主要通過增加土壤有機碳含量和和減少粘粒流失來促進土壤團聚,在排土場重構土壤熟化過程中可以通過增加土壤有機質和粘粒來改良土壤結構,一些研究表明土壤改良劑如粉煤灰、污泥、堆肥等的加入與植被恢復措施配合對排土場的生態(tài)恢復有更好的效果[26]。Zhou[23]已經利用同步輻射對團聚體內部微結構進行了研究,表明了植被恢復對于改善團聚體內部微結構、增加其孔隙性的作用;Wei[25]也對黃土地區(qū)植被恢復下土壤團聚體內部有機碳的分布特征進行了研究。本文研究了植被恢復對排土場土壤水穩(wěn)性團聚體數量和粒徑分布的影響,但對于團聚體內部狀況以及形成過程研究還不夠深入,今后還需要進行更為深入的研究,探究植被恢復下排土場重構土壤團聚體的形成過程和內部特征。

4　結論

本研究表明植被恢復能顯著提高排土場重構土壤的團聚性,植被類型和地形對土壤團聚性有顯著影響。排土場平臺在草地恢復下土壤團聚狀況較好,在恢復初期應以草地作為主要的植被恢復模式;而邊坡在灌木恢復下土壤團聚狀況較好,應以灌木作為主要的恢復模式。植被恢復下土壤有機碳含量越高、質地越粘重則土壤團聚性越好,植被恢復通過增加排土場的土壤有機碳含量和減少粘粒流失促進土壤團聚過程。本研究揭示了黃土區(qū)煤礦排土場不同植被恢復下土壤團聚體特征,有助于進一步認識植被恢復對于該地區(qū)排土場土壤質量提高和水土保持的作用,并為排土場不同部位植被恢復方向的確定以及適宜植被恢復類型的篩選提供了科學依據,對其他大型工程堆積體及填溝造地等重構土壤的植被恢復、土壤熟化的研究也有一定科學意義。

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Effects of vegetation restoration on soil aggregate characteristics of an opencast coal mine dump in the loess area

TANG Jun1, DANG Tinghui1,2,*, XUE Jiang2, WEN Yuerong2, XU Na1, WU Defeng2

1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Soil aggregate structure is an important factor affecting soil fertility and erodibility. Reports have suggested that vegetation restoration may affect water-stable soil aggregates, but few studies have assessed vegetation restoration in the mining area on the Loess Plateau. This study was performed in the Heidaigou opencast coal mine dump of the Loess Plateau, which has been restored by vegetation reconstruction for 18 years. To study the effects of vegetation types and landforms on dump soil aggregate characteristics, we assessed three vegetation types (grassland, shrubland, and bare land) and two landforms (platform and slope) with 6 treatments and 126 samples. The water-stable soil aggregate composition was analyzed by wet sieving. The aggregates were separated into six size classes: >5 mm, 5—2 mm, 2—1 mm, 1—0.5 mm, 0.5—0.25 mm, and <0.25 mm. Macro-aggregate content (R0.25), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD), and fractal dimension (D) were used as evaluation indexes. Soil particle size distribution was determined by an MS2000 laser granularity analyzer. Soil organic carbon (SOC) content was determined by potassium dichromate volumetry. Results showed that vegetation restoration promoted the formation of water-stable soil aggregates. TheR0.25, MWD, and GMD of the 0—20 cm soil layer were significantly higher in revegetated land than in bare land on both platforms and slopes. TheR0.25, MWD, GMD, andDin the 0—20 cm soil layer of revegetation land were 31.1%, 0.70 mm, 0.26 mm, and 2.91, respectively, on platforms, and 13.3%, 0.37 mm, 0.17 mm, and 2.96, respectively, on slopes. The soil aggregate quality on the plat form was better than on the slope. Artificial grassland had more significant improvement in soil aggregate quality than the shrubland on the platform of the dump, but the shrubland was better on the slope. The soil aggregate quality was lower in the surface layer than sub-surface layer on the platform. SOC content and soil clay content were significantly related to soil aggregate quality. Higher SOC content was noted with vegetation restoration on the platform than on the slope. The distribution of SOC content changed in the order grassland > shrubland > bare land on the platform, but in the order shrubland > grassland > bare land on the slope. The clay, slit, and sand contents, respectively, averaged 10.52%, 54%, and 35.48% on the platform and 7.68%, 42.82%, and 49.50% on the slope. Significant correlations were noted between SOC content and soil aggregate indexes aswellas between soil clay content and soil aggregate indexes. Correlation analysis showed that water-stable soil aggregate properties were positively correlated with SOC and soil clay. Further, soil clay promoted the formation of water-stable soil aggregates, while the high SOC increased the particle size of water-stable soil aggregates and changed their size distribution. Our results suggested that soil aggregate quality improved significantly after 18 years of vegetation restoration, and vegetation types and landforms had significant influences on soil aggregate properties in this mining area on the Loess Plateau. In addition, our results showed the positive effects of vegetation restoration on water stability and soil structure of an opencast coal mine dump on the Loess Plateau, which reduced soil erosion and improved soil quality in this region.

vegetation restoration; dump; soil aggregate; fractal dimension

中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3- 13)

2015- 01- 24; 網絡出版日期:2015- 12- 03

Corresponding author.E-mail: dangth@ms.iswc.ac.cn

10.5846/stxb201501240192

唐駿,黨廷輝,薛江,文月榮,徐娜,吳得峰.植被恢復對黃土區(qū)煤礦排土場土壤團聚體特征的影響.生態(tài)學報,2016,36(16):5067- 5077.

Tang J, Dang T H, Xue J, Wen Y R, Xu N, Wu D F.Effects of vegetation restoration on soil aggregate characteristics of an opencast coal mine dump in the loess area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5067- 5077.