閆燁琛，趙廷寧，張 艷，王美琪，胡 平，楊 凝，陳 童

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京100083；2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.北京林業(yè)大學(xué)北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，北京100083）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，人們對(duì)砂石料需求迅猛增長(zhǎng)，采石場(chǎng)數(shù)量也呈激增之勢(shì)，露天采石場(chǎng)的特點(diǎn)是規(guī)模小、數(shù)量多、距城市近、對(duì)環(huán)境影響的范圍大。眾多采石場(chǎng)正面臨著十分嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境退化問題，如環(huán)境惡化、水土流失、生物多樣性銳減等［1］；而且在開山采石的過程中造成山體破碎，巖石裸露，邊坡穩(wěn)定失衡，容易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)周邊居民正常生活產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不良影響［2］。面對(duì)這一狀況，急需對(duì)礦山廢棄地進(jìn)行治理改良。中國(guó)近年來高度重視生態(tài)文明建設(shè)，倡導(dǎo)綠色發(fā)展，對(duì)廢棄采石場(chǎng)的生態(tài)重建越來越重視［3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于廢棄礦山的生態(tài)恢復(fù)研究主要集中在恢復(fù)策略［4］、 工程措施［5］、 恢復(fù)演替［6］、 土壤改良［7］、 綠化基質(zhì)［8］等方面，但針對(duì)采石場(chǎng)這種特殊的礦種類型相關(guān)恢復(fù)治理措施對(duì)土壤物理性質(zhì)改良效果研究很少，并且少有提出針對(duì)采石礦生態(tài)重建的高效、適宜措施，針對(duì)不同植物措施恢復(fù)治理對(duì)土壤物理環(huán)境變化研究不夠重視，因此不同植物措施對(duì)采石場(chǎng)土壤物理性質(zhì)的改良效果需做進(jìn)一步研究。本研究以北京市周邊廢棄采石場(chǎng)生態(tài)重建過程中不同植被恢復(fù)措施為研究對(duì)象，通過調(diào)查分析恢復(fù)治理中不同植物恢復(fù)措施對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，探討不同植物恢復(fù)措施與采石礦土壤物理性質(zhì)改良之間的關(guān)系，旨在為采石礦這類特殊的礦區(qū)廢棄地重構(gòu)選擇適宜的治理措施及對(duì)土壤物理性質(zhì)快速改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

治理區(qū)位于北京市房山區(qū)河北鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔約為200～380 m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū)。春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫10.8℃（山區(qū)），1月平均氣溫-4.6℃，7月平均氣溫24.3℃，年溫差30.0℃左右。該地區(qū)春秋季節(jié)結(jié)霜頻繁，年平均無霜期約160.0～180.0 d，冬季地面下最大凍土深度56 cm，年平均結(jié)冰天數(shù)124 d。多年平均降水量為650～700 mm。降水多集中在夏季（6-8月），占全年降水量的80%以上，且汛期多暴雨。采石場(chǎng)于2015年由國(guó)土資源部投資對(duì)其實(shí)施土地復(fù)墾工程，首先進(jìn)行場(chǎng)地平整、壓實(shí)，然后進(jìn)行客土回填。客土來源于附近荒地，土壤物理性質(zhì)基本一致，種植側(cè)柏Platycladus orientalis，油松Pinus tabulaeformis，黃櫨Cotinus coggygria和白楊Populus tomentosa等；研究區(qū)常見的草本植物有豬毛蒿Artemisia scoparia，狗尾草Setaria viridis，艾草Artemisia argyi，馬唐Digitaria sanguinalis，青蒿Artemisia apiacea，地黃Rehmannia glutinosa，曼陀羅Datura stramonium，黃花蒿Artemisia annua，灰菜Chenopodium album等14種植物，其中豬毛蒿、狗尾草、馬唐、青蒿、黃花蒿是調(diào)查樣地各群落的優(yōu)勢(shì)種。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)地選定 試驗(yàn)于2018年7-8月在北京市房山區(qū)河北鎮(zhèn)露天采石礦生態(tài)修復(fù)治理區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查取樣，治理區(qū)的坡度為0°。調(diào)查前根據(jù)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏查，最終選取5種植物（白楊、側(cè)柏、油松、黃櫨、油松+黃櫨）修復(fù)措施（表1），種植每種植物時(shí)每穴施加客土。每種措施設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。（1）采樣方法。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的喬木進(jìn)行每木檢尺測(cè)量，測(cè)量樹高、胸徑、冠幅、郁閉度；在20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的草本樣方，草本植物調(diào)查其種類、數(shù)量、平均高和蓋度等基本情況；在樣地內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)木的樹穴內(nèi)，用100 cm3體積的環(huán)刀取得原狀土，按0～20和20～40 cm分層進(jìn)行取樣，每層重復(fù)3個(gè)，并用塑封袋分層采取一定的土樣，自然風(fēng)干。（2）草本植物相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法。①豐富度指數(shù)［9］：Margalef指數(shù)R的計(jì)算公式為R=（S-1）/lnN。其中：S為群落中的總種數(shù)；N為群落中的個(gè)體總數(shù)。②多樣性指數(shù)［10］：Simpson指數(shù)D的計(jì)算公式為Shannon-Wiener指數(shù)H的計(jì)算公式為其中:Pi為第i種個(gè)體數(shù)占群落中所有種個(gè)體數(shù)的比例；S為群落中總種數(shù)。③均勻度指數(shù)［10］：Pielou均勻度指數(shù)J的計(jì)算公式為J=H/Hmax=H/lnS。其中:H為實(shí)際觀察的種類多樣性，Hmax為最大的種類多樣性；S為群落中的總種數(shù)。（3）土壤物理性質(zhì)測(cè)定指標(biāo)與方法。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重及土壤水分物理性質(zhì)（土壤含水量、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、土壤孔隙度等）［11］；用篩分法測(cè)土壤粒徑，將自然風(fēng)干后的土壤研碎，分別過10.00，2.00，1.00和0.25 mm篩孔，每層進(jìn)行稱量，計(jì)算土壤粒徑分布占比。

表1 研究區(qū)樣地基本情況Table 1 Basic situation of the studied sites

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)方法 （1）采用Excel 2016和Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖表繪制，使用 SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析和主成分分析。（2）土壤物理性質(zhì)主要采用土壤含水量、土壤容重、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙7個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用主成分分析法建立土壤物理性質(zhì)的綜合得分評(píng)價(jià)體系。計(jì)算出主成分得分后，再通過綜合得分表達(dá)式得出綜合得分。將綜合得分按照高低進(jìn)行排序，通過綜合排序結(jié)果衡量其土壤理化性質(zhì)情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 草本植物物種多樣性分析

如表2所示：側(cè)柏和油松+黃櫨措施對(duì)應(yīng)草本層的D，H和J的差異不顯著，表明這2種措施修復(fù)下的草本層生物多樣性相似，且這2種措施治理后林下草本生物多樣性相對(duì)于其他3種措施的值較大，說明這2種措施治理后草本恢復(fù)效果更好。白楊措施修復(fù)下的草本層R，D和H相對(duì)于側(cè)柏、黃櫨和油松+黃櫨措施顯著偏?。≒＜0.05），說明白楊措施修復(fù)治理后的林下草本植被單一，群落穩(wěn)定性較差。

表2 不同植物配置下草本植物多樣性比較Table 2 Comparison of herbaceous plant diversity under different plant configurations of the quarry

2.2 土壤物理性質(zhì)分析

2.2.1 不同植物恢復(fù)措施修復(fù)下的土壤粒徑分布特征 如圖1所示：在0～40 cm土層，分布在2.00～10.00 mm的土壤粒徑占比顯著大于在大于10.00和1.00～2.00 mm（P＜0.05）的土壤粒徑占比；修復(fù)后的土壤粒徑主要分布在0.25～10.00 mm。在0～20 cm土層，分布在0.25～10.0 mm的土壤粒徑占比從高到低依次為側(cè)柏、黃櫨、白楊、油松+黃櫨、油松；在20～40 cm土層，分布在0.25～10.00 mm土壤粒徑占比從高到低依次為白楊、側(cè)柏、油松、黃櫨、油松+黃櫨。可以看出，在0～20 cm土層，側(cè)柏措施修復(fù)下的0.25～10.00 mm土壤粒徑含量最高，占百分比為89%，白楊措施在20～40 cm土層0.25～10.00 mm土壤粒徑含量最高，占百分比為80%；且在0～20 cm土層0.25～10.00 mm土壤粒徑含量高于20～40 cm。

2.2.2 不同植物恢復(fù)措施修復(fù)下的土壤容重特征 土壤容重可以判斷土壤的松緊程度，疏松、有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤容重小，反之，緊實(shí)板結(jié)的容重大［12］。如圖2所示：在0～20和20～40 cm土壤中，側(cè)柏措施修復(fù)作用下的土壤容重都顯著小于（P＜0.05）其他幾種措施修復(fù)下的土壤容重；側(cè)柏、黃櫨、油松+黃櫨措施在0～20 cm的土壤容重都大于20～40 cm的土壤容重。這主要是由于長(zhǎng)期植被恢復(fù)過程中，主要通過澆灌措施來補(bǔ)充植被所需水分，致使地表土壤板結(jié)。在20～40 cm土層白楊、油松2種措施修復(fù)作用下的土壤容重大于其他幾種措施修復(fù)的土壤容重，其值都大于1.5 g·cm-3，說明這2種措施修復(fù)下的土壤在20～40 cm深處土壤孔隙數(shù)量少，土壤的水分、空氣、熱量狀況較差。

圖1 不同植物恢復(fù)措施治理后的土壤粒徑分布Figure 1 Distribution of soil particle size after different vegetation restoration measures

2.2.3 不同植物恢復(fù)措施下的土壤孔隙度特征 如圖3所示：土壤孔隙度包括土壤毛管孔隙和土壤非毛管孔隙。土壤孔隙是儲(chǔ)存土壤水分的場(chǎng)所，也是土壤微生物等遷移的通道，其大小取決于土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)等條件。不同治理措施的總孔隙度在土層深度0～20 cm內(nèi)變化范圍為42.75%～52.10%；在20～40 cm為40.65%～53.60%。側(cè)柏措施治理恢復(fù)的礦區(qū)土壤在0～20 cm及20～40 cm的土壤空隙度均大于其他幾種措施，說明側(cè)柏措施治理恢復(fù)的土壤儲(chǔ)存水分的能力更好，能更好地為植被生長(zhǎng)提供水分條件。同時(shí)可以看出：5種不同治理措施下在0～20 cm土層的土壤孔隙度從大到小依次為側(cè)柏、油松、白楊、油松+黃櫨、黃櫨，在20～40 cm土層土壤孔隙度從大到小依次為側(cè)柏、油松、油松+黃櫨、白楊、黃櫨。

圖2 不同植物恢復(fù)措施治理后的土壤容重Figure 2 Soil bulk densities after different vegetation restoration measures

圖3 不同植物恢復(fù)措施治理后的土壤空隙度Figure 3 Soil porosities after different vegetation restoration measures

2.2.4 不同植物恢復(fù)措施修復(fù)下的土壤田間持水量的特征 如圖4所示：5種不同植物修復(fù)措施下，土壤在0～20 cm土層的田間持水量均比20～40 cm土層的田間持水量高，且5種不同治理措施下的土壤田間持水量在0～20 cm和20～40 cm土層的大小規(guī)律呈現(xiàn)一致性，從大到小依次為側(cè)柏、黃櫨、油松+黃櫨、白楊、油松。說明礦區(qū)復(fù)墾地土壤保水、供水能力改良效果在淺層優(yōu)于深層。土壤田間持水量的分布特征在不同措施間存在一定的差異，側(cè)柏治理措施恢復(fù)下的礦區(qū)各層土壤田間持水量都大于其他4種措施，油松治理措施治理后的土壤田間持水量顯著小于其他幾種措施。

圖4 不同植物恢復(fù)措施治理后的土壤田間持水量Figure 4 Soil field water-holding capacities after different vegetation restoration measures

2.3 不同植物恢復(fù)措施的綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用主成分分析法，針對(duì)采石場(chǎng)5種不同植物措施修復(fù)改良土壤物理性質(zhì)效果進(jìn)行綜合分析［13］。根據(jù)特征值和相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，將7個(gè)指標(biāo)分為2個(gè)主成分，其中第1主成分以土壤含水量、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙為主的指標(biāo)貢獻(xiàn)較大，第2主成分中土壤容重的貢獻(xiàn)較大。最終確定主成分得分和綜合得分表達(dá)式如下：F1=-0.47x1-1.45x2+0.92x3+0.52x4+0.47x5+1.33x6-0.897x7;F2=1.95x1+0.11x2-0.33x3-0.31x4-0.39x5+0.28x6-1.32x7。其中：F1為第1主成分；F2為第2主成分；x1為標(biāo)準(zhǔn)化的土壤含水量；x2為標(biāo)準(zhǔn)化土壤容重；x3為標(biāo)準(zhǔn)化飽和持水量；x4為標(biāo)準(zhǔn)化毛管持水量；x5為標(biāo)準(zhǔn)化田間持水量；x6為標(biāo)準(zhǔn)化毛管孔隙；x7為標(biāo)準(zhǔn)化非毛管孔隙。 綜合得分=87.18×F1/100+8.85×F2/100。

根據(jù)綜合得分信息可知：側(cè)柏、油松+黃櫨、油松最后綜合得分分別為11.29，11.19和11.07，因此，施行不同治理措施后，土壤物理性質(zhì)質(zhì)量從高到低依次為側(cè)柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、白楊（表3）。可以發(fā)現(xiàn)側(cè)柏、油松+黃櫨、油松這3種植物措施的最后得分相差不大，即在采石礦的生態(tài)恢復(fù)中優(yōu)先依次推薦。

表3 主成分分析評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of principal component analysis

3 討論

土壤物理性質(zhì)是反映土壤潛在生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，它能影響土壤水分含量、熱特性、通氣性、土體穩(wěn)定性等，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育［14］。土壤顆粒是土壤最基本的組成單元，土壤顆粒的粒徑分布對(duì)土壤孔隙、土壤水分和土壤團(tuán)聚體都有著巨大的影響［15-16］。本研究結(jié)果表明：5種不同植被措施恢復(fù)下的土壤粒徑主要分布在0.25～10.00 mm，土壤有機(jī)質(zhì)是形成土壤顆粒的重要膠結(jié)物質(zhì)，在土壤大粒徑的形成過程中發(fā)揮著重要作用［17］。由于表層土壤受植被的枯枝落葉和土壤微生物分解作用，使得表層土壤有機(jī)質(zhì)高于深層土壤，因此出現(xiàn)表層土壤的大粒徑含量高于深層。土壤容重是反映土壤緊密程度的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響著土壤的孔隙狀況［18］。研究發(fā)現(xiàn)：白楊、油松2種植被措施恢復(fù)治理后的土壤容重在20～40 cm土層值都大于1.5 g·cm-3，這表明這2種植被措施對(duì)礦區(qū)恢復(fù)治理后的土壤容重普遍偏大，空隙度較小，儲(chǔ)存土壤水分能力較弱，不利于植物根系生長(zhǎng)，這與張志玲等［19］的研究基本一致。這主要是因?yàn)榘讞?、油?種措施對(duì)應(yīng)的樹種在幼林齡期以主根生長(zhǎng)為主，側(cè)根較少，對(duì)深層土壤的修復(fù)效果欠佳；側(cè)柏、黃櫨、油松+黃櫨措施恢復(fù)治理后的表層土壤容重大于深層土壤容重，這主要是因?yàn)榈V區(qū)植被的水分主要靠后期養(yǎng)護(hù)灌溉，由于灌溉水的瞬時(shí)量大，水壓力強(qiáng)，對(duì)表層土壤造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)和結(jié)構(gòu)重組，土壤發(fā)生板結(jié)、致密，這也就出現(xiàn)了本次研究出現(xiàn)的結(jié)果。本研究得出不同措施土壤田間持水量范圍為18.18%～26.89%，5種治理措施在深層土壤中的田間持水量都低于表層。這一研究規(guī)律與陳曉燕等［20］研究結(jié)果一致。由于深層土壤已經(jīng)與該地原有的巖石風(fēng)化物充分混合，其機(jī)械組成已經(jīng)發(fā)生了變化，使其呈現(xiàn)出較低的田間持水量指標(biāo)；另外，由于植物生長(zhǎng)，其枯枝落葉對(duì)表層土壤的改良效果也優(yōu)于深層，所以呈現(xiàn)出上層土壤的理化性質(zhì)較好的趨勢(shì)。利用主成分分析法可知：5種不同恢復(fù)措施治理后，土壤物理性質(zhì)質(zhì)量從高到低依次為側(cè)柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、白楊。這與不同措施恢復(fù)治理后的礦區(qū)土壤物理性質(zhì)單因素分析結(jié)果一致，也與5種不同植物措施恢復(fù)治理后的林下草本多樣性指標(biāo)調(diào)查分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

4 小結(jié)

不同植物恢復(fù)措施對(duì)采石礦生態(tài)修復(fù)后，土壤粒徑主要集中分布在0.25～10.00 mm；側(cè)柏相對(duì)于其他4種植物恢復(fù)措施降低土壤容重，增大土壤孔隙度，提高土壤的持水能力更優(yōu)；5種不同植物恢復(fù)措施恢復(fù)治理后的表層土壤田間持水量高于深層；根據(jù)5種不同植被恢復(fù)措施下土壤土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度等指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析法得出礦區(qū)土壤物理性質(zhì)質(zhì)量從高到低依次為側(cè)柏、油松+黃櫨、油松、黃櫨、毛白楊。