張中世

(大田縣林業(yè)局廣平林業(yè)站，福建 三明 366100)

鐵礦廢棄地屬于強(qiáng)烈破壞的土壤類型，其表土擾動(dòng)劇烈，生土裸露，土壤退化、養(yǎng)分貧瘠、土壤結(jié)構(gòu)差、保肥保水能力低下是鐵礦廢棄地生態(tài)重建的主要障礙因素[1-2]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)與生物多樣性的載體，是廢棄礦區(qū)土地恢復(fù)與生態(tài)重建的基礎(chǔ)[3]?；謴?fù)鐵礦廢棄地植被首先是要恢復(fù)其土壤肥力。土壤是氣候、母質(zhì)、植被、地形和時(shí)間五大成土因素共同作用的產(chǎn)物。單純依靠土壤的自然恢復(fù)，歷時(shí)相當(dāng)漫長(zhǎng)，往往需要上百年甚至更久，因此，廢棄礦區(qū)植被如果讓其自然恢復(fù)將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。通過(guò)工程恢復(fù)、客土和營(yíng)建植被措施，改善土壤理化性質(zhì)，能較快實(shí)現(xiàn)廢棄礦區(qū)的恢復(fù)[4]。因此，本文以大田縣銀頂格和萬(wàn)湖廢棄鐵礦區(qū)不同恢復(fù)模式為研究對(duì)象，開(kāi)展土壤水分物理性質(zhì)、養(yǎng)分等指標(biāo)的測(cè)定，為評(píng)價(jià)恢復(fù)模式的效果和篩選提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

大田縣位于福建省中部，地理坐標(biāo)117°29′～118°03′E，25°29′～26°10′N(xiāo)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫19.1 °C，年均降水量1 557.8 mm，水熱條件良好，適宜植被的生長(zhǎng)。大田縣是福建省重要鐵礦產(chǎn)區(qū)，采礦歷史悠久，形生了大量的鐵礦廢棄地。如何對(duì)這些鐵礦廢棄地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)重建是當(dāng)?shù)卣酱鉀Q的問(wèn)題。試驗(yàn)地布設(shè)在大田縣銀頂格和萬(wàn)湖鐵礦廢棄地不同恢復(fù)模式樣地內(nèi)，另選擇尚未恢復(fù)的樣地作為鐵礦廢棄地恢復(fù)的初始狀態(tài)(R0)，并選擇周邊未開(kāi)礦的林分作為對(duì)照(CK)。不同恢復(fù)措施有：R1模式采取僅撒播馬尾松種子的措施；R2、R3和R4模式均采用客土加設(shè)置截排水溝措施，其中R2模式采用喬草模式，而R3和R4模式則采用喬灌草模式[5-6]。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集與處理

2018年5月在鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式分別設(shè)置的5個(gè)20 m×20 m的樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)按“S”形采集0～10 cm土壤表層樣品，每個(gè)樣地5個(gè)重復(fù)。同一樣地的土樣混合成一個(gè)樣品。每種模式采集5個(gè)土樣，共計(jì)30個(gè)。

2.2 樣品處理與分析

挑除土樣中的石礫、植物殘?bào)w等雜物，風(fēng)干后過(guò)100目篩備用。采用酸度計(jì)法測(cè)定土壤pH值，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤自然含水量、田間持水量、土壤容重及土壤孔隙等指標(biāo)。土壤有機(jī)碳和全氮含量采用碳氮元素分析儀測(cè)定，全磷含量和全鉀含量分別采用硫酸—高氯酸法和氫氟酸—高氯酸法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)圖表均采用Origin 8.5處理完成，運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析和回歸分析。采用單因素方差分析評(píng)價(jià)土壤pH值、容重、土壤含水量和田間持水量、土壤孔隙狀況、土壤養(yǎng)分等指標(biāo)對(duì)不同恢復(fù)模式響應(yīng)的顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤pH值的影響

未恢復(fù)的R0模式有最小的土壤pH值(4.52)。除R1模式土壤pH值與R0模式差異不顯著外，R2、R3和R4模式土壤pH值分別比R0模式顯著增加了0.26、0.49和0.58。CK模式有最大的土壤pH值(5.67)，不同恢復(fù)模式土壤pH值均顯著低于CK模式(圖1)。

圖1 不同生態(tài)恢復(fù)模式pH值和土壤容重注：相同的字母表示不同恢復(fù)模式差異不顯著(P>0.05)，下同

3.2 鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤容重的影響

土壤容重是反映土壤物理性質(zhì)的重要性狀參數(shù)，直接影響土壤蓄水和通氣性能，是評(píng)價(jià)土壤的重要性狀。未恢復(fù)的R0模式有最高的土壤容重(1.79 g·cm-3)。采取不同恢復(fù)模式后，除R1模式土壤容重未顯著降低(P>0.05)，R2、R3和R4模式土壤容重均顯著降低(圖1)。R1、R2、R3和R4模式土壤容重分別為R0模式的93.9%、75.4%、71.5%和68.7%。未擾動(dòng)的CK模式有最小的土壤容重(1.06 g·cm-3)，R1、R2、R3和R4模式的土壤容重分別是CK模式的1.58、1.27、1.21和1.16倍，均顯著高于CK模式，表明土壤質(zhì)地的改善是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。

3.3 鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤孔隙狀況的影響

土壤孔隙狀況表征著土壤的結(jié)構(gòu)，土壤孔隙度越大表明土壤結(jié)構(gòu)越疏松，通透性好，有利于雨水的快速下滲，進(jìn)而減少地表徑流的沖刷[6]。R0模式土壤總孔隙度最小，為30.33%。除R1模式土壤總孔隙度與R0模式差異不顯著外(P>0.05)，采用其它恢復(fù)模式的土壤總孔隙度均顯著增加(P<0.05)。與未擾動(dòng)的CK模式相比，R2、R3和R4模式土壤總孔隙度與CK模式無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤的孔隙狀況

土壤毛管孔隙度的大小反映了植被吸持水分用于維持自身生長(zhǎng)發(fā)育的能力。毛管孔隙越大，土壤中貯存有效水的容量越大，有利于植物根系對(duì)土壤中水分的吸收，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[7]。R0模式有最小的毛管孔隙度，為15.42%。從毛管孔隙度絕對(duì)值變化來(lái)看，R1、R2、R3和R4模式分別顯著增加了6.41%、20.47%、23.48%和24.93%，其中R2、R3和R4模式毛管孔隙度與CK無(wú)顯著差異(P>0.05)。

土壤非毛管孔隙度的大小反映了植被滯留水分及發(fā)揮涵養(yǎng)水源和消減洪水的能力[8]。R0模式有最大的非毛管孔隙，為14.91%。除R1模式土壤非毛管孔隙與R0模式無(wú)顯著差異(P>0.05)外，其他恢復(fù)模式均顯著減少(P<0.05)。R3和R4模式土壤非毛管孔隙度與CK模式無(wú)顯著差異(P>0.05)。

R0模式有最高的非毛管孔隙占比，為49.16%，這主要是該模式土壤結(jié)構(gòu)不良，石礫含量高導(dǎo)致土壤中物理大孔隙較多所致。采取不同恢復(fù)措施后，非毛管孔隙占比均顯著下降(P<0.05)，表明恢復(fù)措施明顯改善了土壤結(jié)構(gòu)。CK模式則有最低的非毛管孔隙占比10.36%，不同恢復(fù)模式非毛管孔隙度占比仍顯著高于CK模式。

3.4 鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

R0模式有最小的土壤有機(jī)碳含量，為2.52 g·kg-1。采用不同恢復(fù)模式，土壤有機(jī)碳含量均顯著增加。R1、R2、R3和R4模式土壤有機(jī)碳含量分別是R0模式的1.2、2.1、2.3和2.8倍(圖3)。CK模式有最大的土壤有機(jī)碳含量，為20.36 g·kg-1，R1、R2、R3和R4模式土壤有機(jī)碳分別僅為CK模式的14.8%、26.1%、29.0%和34.4%，不同恢復(fù)模式土壤有機(jī)碳與未擾動(dòng)樣地仍存在較大差距。

圖3 不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量

R0模式土壤全氮含量最低，為0.34 g·kg-1。除R1模式土壤全氮含量與R0模式無(wú)顯著差異(P>0.05)外，其他恢復(fù)模式均顯著增加了土壤的全氮含量(P<0.05)。CK模式有最高的土壤全氮含量，為1.84 g·kg-1，R1、R2、R3和R4模式土壤全氮含量分別為CK模式的21.9%、31.5%、32.6%和38.1%，表明不同恢復(fù)模式全氮與未擾動(dòng)模式仍存在明顯差距。

R0模式土壤全磷含量最低，僅為0.06 g·kg-1，采用不同恢復(fù)模式，土壤全磷含量均顯著提高(P<0.05)，但仍顯著低于未擾動(dòng)的CK模式的0.27 g·kg-1。R1、R2、R3和R4模式土壤全磷含量分別為CK模式的27.5%、49.1%、52.0%和50.2%。R0模式土壤全鉀含量最低，僅為2.05 g·kg-1。除R1模式全鉀含量與R0模式無(wú)顯著差異(P>0.05)外，其他模式均顯著增加了土壤全鉀含量(P<0.05)。CK模式有最大的土壤全鉀含量，為4.84 g·kg-1，R1、R2、R3和R4模式土壤全鉀含量分別為CK模式的46.3%、55.2%、60.7%和62.4%。

4 小結(jié)

4.1 鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤物理特征的影響

R0模式有最低的土壤pH值。除R1模式外，其它3種恢復(fù)模式土壤pH值均顯著高于R0模式，表明植被的恢復(fù)增加了地上和地下凋落物回歸到土壤，增加了土壤中堿性物質(zhì)含量，促進(jìn)了土壤pH值的提高，從而改善了土壤的酸堿性。此外，不同恢復(fù)模式土壤pH值均顯著低于CK模式。

R0模式有最大的容重。采取不同恢復(fù)模式后，除R1模式土壤容重?zé)o顯著變化外，其他恢復(fù)模式均表現(xiàn)為顯著降低。R2、R3和R4模式土壤容重顯著降低的原因，一方面是這些模式均采用了客土措施，改變了土壤的結(jié)構(gòu)；另一方面是這些恢復(fù)措施中植被根系的穿插和凋落物的歸還作用，各種成土因素的綜合作用降低了土壤容重[9]。R1模式土壤容重沒(méi)有顯著降低，是由于其沒(méi)有采取客土和工程恢復(fù)措施，單純依靠植被恢復(fù)，其對(duì)土壤容重的改善作用較差。

R0模式有最小的總孔隙度、毛管孔隙度。除R1模式無(wú)顯著變化外，其他恢復(fù)模式總孔隙度、毛管孔隙度均顯著增加。此外，R0模式有最大的非毛管孔隙度。除R1模式無(wú)顯著變化外，其他恢復(fù)模式非毛管孔隙度均顯著增加。表明植物及工程措施的介入能有效改善鐵礦廢棄地的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。與CK模式相比，除R1模式外，其他恢復(fù)模式土壤孔隙指標(biāo)均無(wú)顯著差異。

4.2 鐵礦廢棄地不同生態(tài)恢復(fù)模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

本研究中，R0模式的有機(jī)碳、全氮和全磷含量均最低。采用不同恢復(fù)模式后其有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別為R0模式的1.2～2.8倍、1.2～2.1倍和1.2～2.3倍，表明不同恢復(fù)模式顯著改善了土壤養(yǎng)分含量。采用不同恢復(fù)模式其有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別僅為CK模式的14.8%～34.4%、21.9%～38.1%和27.5%～52.0%，不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量與未擾動(dòng)樣地仍存在較大差距。這主要是由于恢復(fù)年限較短，來(lái)源于植物的地上枯落物和細(xì)根及其分泌物的累積較少，土壤中的養(yǎng)分含量短時(shí)間無(wú)法恢復(fù)到未擾動(dòng)樣地水平。土壤有機(jī)碳含量的高低對(duì)植物的生長(zhǎng)有著較大影響，可針對(duì)性地對(duì)恢復(fù)后的區(qū)域進(jìn)行有機(jī)肥的施用，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，加快生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程。