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城市建设、矿山开采、交通道路等涉及农地、林草地的生产建设项目，开工前需要剥离表土。由于相关技术与标准尚不完善，在许多工程施工中大量地表扰动和土石开挖回填对表土层造成破坏，被剥离的表土没有得到有效利用，造成珍贵的表土资源及土壤种子库严重流失[1]。北方土石山区环境条件恶劣，属于典型的生态脆弱区。不合理的生产活动严重破坏了区域内植被，导致一系列生态与环境问题，部分地区出现裸露地[2]。林地表土包括自然土壤中的腐殖质和枯枝落叶层，蕴含丰富的有机质、微生物和土壤种子库，是难以再生的宝贵自然资源。利用表土及其土壤种子库开展植被恢复研究，可以维持植物群落物种多样性，并发挥植被恢复潜能[3−4]。针对华北山区林地[5−7]、受损植被及退化山体[8]、次生林群落[9−10]和半干旱林地[11]等的研究发现：表土种源丰富，可以为生态系统的修复和植被重建提供重要的种质资源。目前，针对表土利用恢复植被的研究涉及农田[12]、湿地[13]和沙地[14]等领域，对于林地表土利用展开的研究仅有北京松山地区采集表土后在昌平地区开展喷播利用[6]。
北京2022年冬季奥林匹克运动会延庆赛区位于北京小海陀山，该地自然环境复杂，山地森林生态系统较好，植被恢复和生态建设在京津冀地区具有典型代表性。冬季奥林匹克运动会工程建设前需人工剥离大量林地表土。为不影响工程建设，本研究选择临近小海陀山且气候条件、林分特征与之基本相同的大海陀国家级自然保护区作为研究地点，自2020年夏季开始试验，研究喷播和覆盖2种表土利用方式下的植被恢复效果，最大程度减少表土用量，以期为华北土石山区林地表土的有效利用提供技术支撑。
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研究点位于河北省张家口市赤城县西南部的大海陀国家级自然保护区大东沟检查站内核心区(40°32′14″~40°41′40″N，115°42′57″~115°57′18″E)，海拔为1 501 m。该区域属于典型的华北土石山区，土壤类型以褐土、棕壤土、山地草甸土等为主[15]。气候属于暖温带至温带的过渡带，大陆性季风气候，年平均气温为3.0~4.0 ℃，年平均降水量为500.0~600.0 mm，降水主要集中在夏季。该区域的地带性植被为暖温带落叶阔叶林，从山顶到山麓依次为山地草甸、针叶林、针阔叶混交林和落叶阔叶林，是典型北温带的山地森林生态系统。
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林地表土：在踏查的基础上，于试验布设前随机选取周边无人为扰动、灌草丰富的华北落叶松Larix gmelinii var. principis-rupprechtii与白桦Betula platyphylla林地，清除表层凋落物后，挖取上层10 cm表土样品，去除体积较大的石块与杂物，装袋并运至试验地点。生土：从土料场购买地表50 cm以下的不含种子的壤土。草炭土、草纤维、保水剂、黏结剂、草炭、蛭石、珍珠、缓释复合肥等从市场购买。将林地表土、生土、草炭土、草纤维等平铺于防雨布上晾晒2 d，以降低土壤水分。林地表土、生土、草炭土、草纤维经人工碾碎后用孔径2 cm网筛筛分，筛去表土中的植物根系、残体及碎石块等杂物，防止喷播利用堵塞管头。
试验所用种植槽单个尺寸为120 cm×40 cm×20 cm (长×宽×高)，每3个种植槽为1组重复。种植槽材质为高强度塑料，侧壁和底部有小孔，便于排水。
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将种植槽倚靠在东西向挡墙上，通过在种植槽底部堆积生态袋构造45°的喷播坡面(图1A)，坡向向南，模拟工程边坡，喷播利用设置11组共33个种植槽，喷播后表面铺设薄层纤维毯(200 g·m−3)覆盖保墒。
图 1 喷播利用和覆土利用设计及剖面图
Figure 1. Design and profile of spray seeding
喷播利用的土层分为表层与底层，均采用北方土石山区常用的成熟喷播基质配方。为探究表土喷播对植被恢复的效果，设置纯试验表土喷播、纯试验生土喷播；探究不同厚度试验表土喷播下植被恢复效果，将喷播表层试验表土厚度设置为1、2、3、4和5 cm等5个梯度。此外，为节省表土资源，采用不同比例的试验表土与试验生土混合喷播，以探究在被稀释后的表土的植被恢复潜力。喷播利用试验设计如表1所示，试验表土由林地表土、保水剂、黏结剂按照体积比100∶300∶150均匀混合；试验生土由生土、草炭、蛭石、珍珠岩、保水剂、黏结剂按照体积比70∶20∶5∶5∶300∶150比例均匀混合。
表 1 喷播利用和覆土利用的试验设计
Table 1. Experimental design of spray seeding utilization and soil covering
配置组 喷播利用 配置组 覆土利用 配置
编号表层 底层 配置
编号表层 底层 成分 厚度/cm 成分 厚度/cm 成分 厚度/cm 成分 厚度/cm 对照组 ck1 试验生土 5 试验生土 8 对照组 ck2 生土 5 生土 8 表土组 A 试验表土 5 试验表土 8 表土组 D 林地表土 5 林地表土 8 混合组 B1 试验表土 1 试验生土 8 混合组 E1 林地表土 1 生土 8 B2 试验表土 2 试验生土 8 E2 林地表土 2 生土 8 B3 试验表土 3 试验生土 8 E3 林地表土 3 生土 8 B4 试验表土 4 试验生土 8 E4 林地表土 4 生土 8 B5 试验表土 5 试验生土 8 E5 林地表土 5 生土 8 稀释组 C1 试验表土∶试验生土(2∶1) 5 试验生土 8 C2 试验表土∶试验生土(1∶1) 5 试验生土 8 C3 试验表土∶试验生土(1∶2) 5 试验生土 8 C4 试验表土∶试验生土(1∶3) 5 试验生土 8 说明：括号中比例为体积比。 -
将种植槽倚靠在东西向挡墙上，通过在种植槽底部堆积生态袋构造30°的覆土坡面(图1B)，坡向为南。在种植槽内均匀覆盖土层。覆土利用设置7组共21个种植槽。在种植槽内分层充填底层和表层，之后表面铺设薄层纤维毯(200 g·m−3)覆盖保墒。覆土利用试验设计如表1所示，与喷播利用试验部分相同，设置纯林地表土覆土和纯生土覆土，并将表土厚度设置为5个梯度，探究不同厚度表土覆盖下植被恢复效果。
2020年9月完成布设，次年4月返青后开始对植物幼苗进行观测。每日早上浇水1次，维持土壤湿润，降雨较充足的日期不进行浇灌。1个月后植被生长基本稳定，群落成型，停止维护，并设围栏、警戒线加以保护，防止人为破坏和扰动。
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土壤硬度采用土壤硬度计测定，土壤容重采用环刀法与浸水置沙法测定，土壤pH采用pH测定计测定，土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定。植物幼苗萌发数量测定：自2021年4月初返青后，利用插旗法隔4 d调查1次，观测植物萌发趋势并记录幼苗萌发的数量，待植物幼苗萌发稳定后，记录不同配置植物幼苗萌发最终数量。幼苗存活率测定：在植物幼苗萌发数量稳定1个月后，调查幼苗的存活数量并记录。存活率=(存活幼苗数量/萌发幼苗数量)× 100%。样方植被调查：待2021年6月植物幼苗萌发数量稳定后，对喷播利用和覆土利用的不同配置分别调查植物种类、数量、平均高度和群落覆盖度。Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数数、Simpson优势度指数、Margalef丰富度指数参照文献[16]计算。
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采用土壤种子库利用效果、植物种多样性特征和植物生长效果作为评价指标，构建评价体系。植物生长特征包括植物存活率和植物萌发量2个指标，植物种多样性特征包含 Shannon-Wiener 多样性指数、Simpson优势度指数、Margalef丰富度指数、Pielou 均匀度指数4个指标。植物群落生长效果包含植被覆盖度、植物平均高度2个指标。
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熵权-TOPSIS分析[17]是利用熵权法确定各评价指标的权重，然后将权重乘以评价指标数据，运用TOPSIS法进行方案优劣的评价。熵权法通过各评价指标提供的信息客观确定权重，真实反映指标信息；TOPSIS法基于度量对象与最优解、最劣解的距离进行结果评价，可以充分提取信息，不仅直观简洁，对样本数据要求少，而且可操作性强。第1步熵权法确定指标权重。第2步建立TOPSIS模型：①选取各指标值的最优值和最劣值，分别确定最优方案(X＋)和最劣方案(X－)；②计算各指标值与最优方案、最劣方案的欧氏距离(T+和T—)；③计算欧式贴合度[S=T－/(T++T－)]，并得到评价排序结果。S值越大，说明植被恢复效果越好，反之则说明越差。
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用Excel 2017 进行数据统计，用SPSS 27.0对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，最小显著差异法(LSD)和沃勒-邓肯检验法进行显著性检验(P＜0.05)。利用Python对构建的评价指标体系中的各指标进行综合评分，通过Origin 2022绘图。
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图2显示：在喷播利用时， A配置植物萌发量趋势稳中有升，返青后第 34、 48 天出现最大值(7株)，B1、B2配置萌发量先增后降，B3~B5配置萌发趋势前高后低，至第28天萌发量达到高峰，C1配置在返青后第28 、38 天达到高峰后随时间逐步递减，C2~C4配置均在萌发中期萌发量较多。在覆土利用时， D配置的植物萌发趋势相对平稳且萌发量较多， E1配置萌发趋势较为平稳；E2和E3配置的植物萌发量均在返青后第6、28天出现了2次高峰；E4和 E5配置萌发趋势先增后降。
图 2 喷播利用与覆土利用植物萌发趋势分析
Figure 2. Analysis of emergence trend of spray sowing and soil covering
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植物萌发总量是表土利用中植被恢复潜力的表现之一。如表2所示：喷播利用中A配置萌发总量最高，为26.7株，ck1萌发总量最少，为2.0株，且这2种配置的萌发总量差异显著(P＜0.05)， C4配置萌发总量较少，为10.7株，与其他配置的萌发总量差异显著(P＜0.05)。在覆土利用中E2配置萌发总量最多，为47.3株，其次为D配置(45.3株)、E5配置(43.6株)和E4配置(43.0株)，ck2配置萌发总量最小，为12.2株，其中E2配置、ck2配置的萌发总量存在显著差异(P＜0.05)。植物的存活率是植物幼苗生长的重要指标之一。喷播利用中A配置存活率最高达83.8%，其次为B4配置(74.7%)和B5配置(76.9%)，A配置的存活率显著高于其他配置(P＜0.05)。C4配置存活率较少(61.2%)，ck1配置最少(8.2%)，且这2种配置的存活率与其他配置存在显著差异(P＜0.05)。覆土利用中E5配置存活率最高，为90.2%，其次为D配置(89.1%)和E4配置 (85.2%)，ck2配置存活率最少，为53.0%， ck2配置的存活率与其他配置存在显著差异(P＜0.05)。
表 2 喷播利用与覆土利用萌发总量及存活率
Table 2. Analysis of seedling emergence in spray sowing and soil covering
利用方式 配置 萌发总量/株 存活率/% 利用方式 配置 萌发总量/株 存活率/% 喷播利用 ck1 2.0±1.7 c 48.3±1.0 c 喷播利用 C3 15.0±5.3 ab 66.8±1.4 ab A 26.7±3.2 a 83.8±2.3 a C4 10.7±4.2 c 61.2±0.9 c B1 21.0±5.2 ab 68.8±1.1 ab 覆土利用 ck2 12.2±6.4 b 53.0±1.2 c B2 18.0±5.0 ab 69.1±0.4 ab D 45.3±3.5 ab 89.1±0.4 ab B3 21.7±1.5 ab 69.8±0.5 ab E1 35.3±4.2 ab 82.4±1.1 ab B4 21.7±4.2 ab 76.9±1.3 ab E2 47.3±4.0 a 82.7±2.1 ab B5 24.7±3.5 ab 74.7±1.5 a E3 41.3±1.2 ab 81.7±0.4 ab C1 23.7±1.5 ab 65.5±2.2 ab E4 43.0±10.2 ab 85.2±0.8 ab C2 17.0±3.0 ab 63.9±3.3 ab E5 43.7±7.0 ab 90.2±0.2 a 说明：不同小写字母表示不同配置方式间差异显著(P＜0.05)。 -
在表土的土壤种子库中，共记录到植物15科21属34种(图3)，其中以菊科Asteraceae(26.5%)、蓼科Polygonaceae (11.7%)、禾本科Poaceae (8.8%)和蔷薇科Rosaceae (8.8%)为主。喷播利用植物集中分布在藜科Chenopodiaceae、菊科和十字花科Brassicaceae，B3配置植物科数最多(11科)，其次为A配置(10科)、B5配置(9科)和C1配置(9科)，ck1配置最少，仅有3科；覆土利用的各配置中，ck2配置有6科，主要为菊科植物，D配置为12科，主要分布在藜科和十字花科， E1~E5配置分别为8、13、12、10和12科，其中除E2配置主要分布在十字花科、蔷薇科和石竹科Caryophyllaceae外，其余配置主要分布在十字花科、藜科和石竹科。
图 3 喷播利用与覆土利用植物科类分布特征
Figure 3. Distribution characteristics of families in spray sowing and soil covering
在植物群落覆盖度方面(图4)，喷播利用A配置和B3配置覆盖度最大为53.0%，其次为B4配置(52.7%)，C4配置覆盖度较低为20.0%。在植物群落平均高度特征方面， B1配置最大，为32.3 cm，其次B3配置和C2配置，为29.7 cm，A配置和B4配置最低，为17.7 cm。覆土利用D配置覆盖度最大为96.7%，其次为E4配置(93.8%)和E5配置(86.0%)，ck2配置最小为36.2%，其中D配置与ck2配置差异显著。覆土利用不同配置的群落平均高度，D配置最大，为34.0 cm，其次为ck2配置(32.3 cm)和E5配置(30.7 cm)，E1配置最低，为25.7 cm，且各配置间群落平均高度差异不显著。
图 4 喷播利用与覆土利用群落覆盖度、平均高度特征
Figure 4. Characteristics of community coverage and average height of spray sowing and soil covering
表土2种利用方式中不同配置的群落覆盖度差异明显，这是因为不同配置下表土用量不同影响到植物生长发育；但是群落平均高度变化较小，这可能是种植槽倚靠的挡土墙上方存在许多高大乔灌木，由于庇荫效应导致光照不充分，进而导致植物高度较低。
从表3可以看出：藜Chenopodium album在喷播利用和覆土利用均为优势种，但在覆土利用中的重要值和占比更高，分别为9.75和24.92%，而在喷播利用中分别为5.83和29.89%。这表明藜在覆土利用中可能具有更强的竞争力或适应性。乌苏里风毛菊Saussurea ussuriensis和葶苈Draba nemorosa在喷播利用中也是优势种，但在覆土利用中的重要值和占比有所变化。这可能是喷播利用下，这些植物能够更好地生长。卷耳Cerastium arvense subsp. strictum重要值在覆土利用中居第3位，可能与覆土利用的土壤环境更适合卷耳生长有关。
表 3 喷播利用与覆土利用优势种及其占比
Table 3. Dominant species and their proportion of spray sowing and soil covering
利用方式 优势种 重要值 占比/% 利用方式 优势种 重要值 占比/% 喷播利用 藜 5.83 29.89 覆土利用 藜 9.75 24.92 乌苏里风毛菊 3.28 15.48 葶苈 7.62 19.50 葶苈 2.79 13.96 卷耳 4.00 8.57 -
群落的生物多样性特征能够反映群落的丰富程度和分布情况，可衡量植物群落的稳定性。从图5可知：Shannon-Wienner多样性指数在喷播利用中以C3配置最高，为2.93，其次为C1和C2配置，分别为2.84和2.79，ck1最低，为0.83，且ck1与其他配置存在显著差异(P＜0.05)；覆土利用中E5配置最高，为3.36， D和E1配置其次，均为 3.03，ck2最低，为2.09，E5与ck2存在显著差异(P＜0.05)，且均高于其他配置。
图 5 喷播利用与覆土利用物种多样性指数
Figure 5. Species diversity index of spray sowing and soil covering
Simpson优势度指数在喷播利用中B5配置最高，为0.25，其次为A、B4和B3配置， C4配置最小，为0.08，C4与其他配置不存在显著差异；覆土利用中ck2最高，为0.30，其次为E3、E1和ck2，其中ck2与其他配置无显著差异。
Margalef丰富度指数在喷播利用中C3配置最高，为2.08，其次为C2、C1和B2配置，ck1最小，为0.63，B1、C4与ck1配置存在显著差异(P＜0.05)；覆土利用中E5配置最高，为2.64，其次D配置，为2.39，E1和E3配置分别为2.37和1.89，ck2最小，为1.43，D与E2、E4配置存在显著差异(P＜0.05)。
Pielou均匀度指数在喷播利用中C4配置最高，为0.96， B2配置其次，为0.92，B1和C3配置均为0.90，ck2最低，为0.64，B2、C4配置与ck1配置存在显著差异(P＜0.05)；覆土利用中E4配置最高，为0.85， E2和E5配置其次，为0.84，ck2最低，为0.74，覆土利用的各配置不存在显著差异。
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从表4中可以看出：喷播利用的B5配置在土壤硬度和容重方面表现较好，土壤硬度为1.02 MPa，容重为0.92 g·cm−3。这表明该配置下的土壤结构较为疏松，有利于植物根系的生长和扩展，同时B5配置有机质质量分数也较高，为19.48%，适合大多数植物生长。覆土利用的D配置在有机质质量分数方面表现突出(22.64%)，其次为E5配置较高，为20.56%。这表明表土中可能包含了更多养分，从而显著提高了土壤的肥力。D配置的土壤硬度为0.83 MPa，较E5配置更高，D配置容重比E5配置小，较为疏松的土壤结构有利于植物根系的生长。表土2种利用方式下pH均接近中性适合植物生长。
表 4 喷播利用与覆土利用土壤理化性质
Table 4. Physical and chemical properties of soil by spraying and covering soil
利用
方式配置 土壤硬度/MPa 土壤容重/(g·cm−3) pH 有机质/% 利用
方式配置 土壤硬度/MPa 土壤容重/(g·cm−3) pH 有机质/% 喷播
利用ck1 1.22±0.05 a 1.25±0.08 a 7.35±0.02 b 20.66±0.27 ab 喷播
利用C3 1.61±0.07 a 1.11±0.10 a 7.64±0.04 a 16.83±0.42 ab A 1.33±0.24 ab 0.96±0.02 ab 7.56±0.03 ab 5.87±0.52 a C4 1.47±0.15 ab 1.01±0.10 a 7.61±0.03 ab 14.97±0.13 bc B1 1.59±0.13 ab 1.02±0.03 a 7.51±0.05 ab 14.53±0.12 c 覆土
利用ck2 0.89±0.08 ab 0.87±0.01 ab 7.25±0.03 b 6.26±1.12 bc B2 1.27±0.20 ab 1.02±0.11 a 7.65±0.12 a 16.15±0.43 c D 0.83±0.26 b 0.72±0.02 a 7.57±0.05 ab 22.64±1.16 a B3 1.46±0.06 ab 0.97±0.10 a 7.52±0.07 ab 18.35±0.51 abc E1 0.78±0.04 b 0.81±0.07 a 7.53±0.01 ab 16.47±0.39 c B4 1.02±0.28 ab 0.93±0.06 a 7.28±0.13 b 19.33±0.26 ab E2 0.79±0.02 b 0.78±0.03 ab 7.47±0.11 ab 17.31±0.19 ab B5 1.02±0.25 a 0.92±0.13 b 7.53±0.01 ab 19.48±0.04 bc E3 0.88±0.33 b 0.83±0.02 ab 7.62±0.03 a 17.62±0.76 abc C1 1.18±0.08 ab 0.90±0.07 ab 7.45±0.04 b 18.26±0.23 ab E4 0.85±0.01 a 0.78±0.04 a 7.50±0.10 ab 19.80±0.22 ab C2 1.63±0.12 ab 0.91±0.02 a 7.57±0.17 ab 17.72±0.17 bc E5 0.94±0.19 ab 0.75±0.06 a 7.45±0.04 b 20.56±1.07 a -
由表5可知：植物生长特征和植物群落生长效果的指标权重明显高于植物种多样性特征。各指标中存活率权重(0.307 6)最大，Simpson优势度指数(0.144 3)、萌发总量(0.120 5)、覆盖度(0.123 2)和平均高度(0.120 3)等指标权重相对较大。表土2种利用方式下植被恢复效果的这些指标变化明显。权重相对较小的指标有：Pielou 均匀度指数(0.067 6)、Margalef丰富度指数(
0.0677 )以及 Shannon-Wiener 多样性指数(0.049 3)。表 5 评价指标熵值与权重
Table 5. Entropy and weight of evaluation indicators
准则层 指标层 熵值 权重 准则层 指标层 熵值 权重 植物生长特征 植物存活率 0.850 2 0.307 6 物种多样
性特性Shannon-Wiener 多样性指数 0.976 0 0.049 3 植物萌发总量 0.941 6 0.120 5 Simpson优势度指数 0.929 7 0.144 3 Pielou 均匀度指数 0.967 1 0.067 6 植物群落生长效果 群落覆盖度 0.940 1 0.123 2 Margalef丰富度指数 0.967 0 0.067 7 植物平均高度 0.941 4 0.120 3 -
通过熵权-TOPSIS法对表土2种利用方式的植被恢复效果的评价结果如表6所示。各配置植被恢复效果从好到差依次表现为D、A、E5、E4、E3、B5、E2、B2、B3、E2、E1、B1、C1、C2、C3、C4、ck2、ck1。植被恢复效果较优的前3位分别为D、A和E5配置，欧氏贴合度分别为0.798 6、0.684 0和0.660 2；除对照(ck1、ck2)外，植被恢复效果较劣的后3位为C4、C3和C2配置，欧氏贴合度为0.313 5、0.313 0和0.311 2；ck1和ck2植被恢复效果最劣。由于表土不同用量影响植被恢复效果，以及喷播利用导致土壤硬度高于覆土利用，进而导致喷播利用的混合组普遍低于覆土利用。
表 6 植被恢复效果综合评价
Table 6. Comprehensive evaluation of vegetation restoration effect
利用方式 配置 T+ T－ Si 排名 利用方式 配置 T+ T－ Si 排名 喷播利用 ck1 0.396 4 0.250 4 0.108 7 18 喷播利用 C3 0.306 3 0.180 3 0.313 0 15 A 0.167 3 0.171 9 0.684 0 2 C4 0.349 6 0.218 6 0.311 2 16 B1 0.152 7 0.149 6 0.305 9 12 覆土利用 ck2 0.332 6 0.141 5 0.236 2 17 B2 0.223 4 0.181 6 0.412 2 8 D 0.093 3 0.088 3 0.798 6 1 B3 0.259 9 0.141 5 0.408 1 9 E1 0.172 7 0.130 2 0.351 0 11 B4 0.302 0 0.179 8 0.423 7 7 E2 0.266 4 0.112 3 0.401 8 10 B5 0.297 0 0.139 1 0.424 9 6 E3 0.280 9 0.095 5 0.512 6 5 C1 0.301 9 0.158 6 0.314 6 13 E4 0.290 6 0.113 4 0.591 4 4 C2 0.311 8 0.171 9 0.313 5 14 E5 0.306 3 0.122 0 0.660 2 3 -
研究区冬季气温较低，表土中的种子处于休眠状态，春季随着气温的升高，部分种子开始萌发，夏季温度最高且由于雨期较长，土壤湿度升高，土壤微生物活动加强。本研究结果发现：植物返青后快速生长，在较短时间内群落平均高度和覆盖度明显增加，物种丰富度明显提高。前人的研究也发现：温度与水分是影响植物生长与更新的2个主要限制性生态环境因子[18−21]。光照也是植物种子萌发及生长过程中的重要生态环境影响因子。綦远才等[22]研究发现：光照条件能明显改善种子的萌发率并有效促进幼苗的生长。但是本研究种植槽上方的挡土墙上有大量乔灌木，造成一定郁闭度，减少了种植槽的光照，导致不同配置的群落平均高度差距较小且不存在显著差异。2种利用方式下对照组萌发趋势一直较低，喷播利用植物萌发数量前期较少，后期有大幅增长。这可能是进入4月中下旬后，气温回暖和降水增多促进了植物的萌发和生长。覆土利用萌发趋势增长较快且萌发量高于喷播利用，可能与土壤理化性质较好，土壤养分、水分和温度等因素均处于良好的水平有关。
对植物群落多样性特征的研究可以更好地认识群落的变化和发展。本研究中，覆土利用D配置Simpson优势度指数最高，说明该配置物种优势度最好。从Pielou均匀度指数可见，B2配置的物种均匀性更好，而Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数在不同配置中表现一致，而覆土利用E5配置多样性指数整体表现较好，物种多样性最好。覆土利用植物萌发总量比喷播利用多，植物的存活率也明显高于喷播利用，其中喷播利用的混合组存活率高于稀释组，这与表土用量有关。覆土利用中E2配置表土用量相对较少，但萌发数量最多。由此可知，增加表土施用的厚度不仅不会显著增加植物群落的种类、数量以及多样性特征，反而会导致表土的浪费。这与已有研究[23−24]结果一致，适当的表土厚度既能满足群落的正常生长和结构稳定，也能达到资源的合理及可持续利用。
表土2种利用方式中，2组对照均为不含土壤种子库的生土，但仍然有出苗。这可能由于种植槽倚靠的挡土墙上方的乔灌木自然落种所致。另外，ck1和ck2中还发现了藜、茵陈蒿Artemisia capillaris和乌苏里风毛菊等物种，可能由于周边植物的凋落物掉落所致。贾东延[6]的研究也发现：凋落物覆盖会影响植被恢复效果。卜庆国等[25]对比了不同植被恢复方式对公路建设中的工程创面生态修复的影响，发现表土利用方式下植被恢复效果强于生土利用方式。本研究表土2种利用方式的不同配置中，喷播利用的A、B5、B4配置和覆土利用的D、E5、E4配置的植被恢复效果普遍高于表土同种利用方式下的其他配置。表土中养分质量分数和微生物数量等指标均优于生土，且表土中存在的大量乡土土壤种子库可能是导致这种现象的主要原因。
表土的保护和综合利用对于维持生态系统物种多样性，恢复植被具有重要意义[1, 26−27] 。本研究共统计到喷播利用和覆土利用的植物34种，其中喷播利用的植物种以藜科、菊科和十字花科植物居多，尤其是喷播利用A配置和覆土利用E5配置的植物种类、群落高度以及覆盖度(除B1配置外)呈现良好的状态。从不同配置的结果可知：喷播利用以一定的表土用量进行表层喷播能够形成稳定的植物群落，发挥表土的生态潜力。前人的研究[28]也表明：表土的喷播利用可取得较好的植被恢复效果。覆土利用的植物则以藜科、十字花科和石竹科居多，较喷播利用增加了绣球科Hydrangeaceae和唇形科Lamiaceae的植物。本研究发现：通过覆土利用土壤种子库恢复的植物群落在植物种类、群落高度、群落物种多样性和群落丰富度等指标上普遍优于喷播利用，尤其对于群落覆盖度，D配置接近于100%，显著高于喷播利用A配置的群落覆盖度。
覆土利用更能够发挥土壤种子库的植被恢复潜力，可能是喷播利用中添加的保水剂等物质对表土的土壤结构产生影响，造成土壤质地较硬进而影响植物生长与群落建成。本研究发现：喷播利用土壤硬度普遍比覆土利用要高。这与XIN等[5]对表土土壤种子库植被恢复试验的研究结果一致。BORŮVKA等 [29]的研究也证实了表土覆盖可改善发育土壤的质量，进一步促进的植物发育。土壤肥力和理化性质代表着土壤能够为植物生长提供营养条件的能力，表层土壤酶活性较高，能为植物提供丰富的营养元素[30]。土壤有机质和容重等表现较好的配置，植物幼苗生长状况以及植物群落稳定恢复的效果更好。从物种多样性指数可知：表土用量多的配置土壤理化性质相对更好，植物生长特征也明显更好。LIU等[31]研究发现：物种多样性指数与土壤质量存在显著相关性，植被恢复与土壤恢复是相辅相成的关系。
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为了实现表土用量少且实现好的植被恢复效果，推荐覆土利用林地表层 5 cm表土+底层8 cm生土、覆土利用表层 4 cm林地表土+底层8 cm生土(E4)和喷播利用表层5 cm试验表土+底层8 cm试验生土(B5)、喷播利用表层4 cm试验表土+底层8 cm试验生土(B4)配置。在对实际建设项目进行植被恢复前，应根据当地的立地条件选择合适的表土利用方式。考虑到后期植物生长过程中会消耗土壤养分，可在之后植物生长过程中适量施肥。
Vegetation restoration effects of two utilization modes of woodland topsoil in rocky mountainous areas of North China
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摘要:
目的 研究表土2种利用方式下植被恢复效果，进一步明确表土用量少且植被恢复效果好的表土利用方式和配置。 方法 以河北省赤城县大海陀国家级自然保护区内核心区为研究区，采用种植槽布设11组喷播利用试验和7组覆土利用试验，测定植物萌发量、萌发趋势、存活率、植物群落特征、植物群落多样性指数等指标，并结合熵权-TOPSIS法综合分析表土2种利用方式下植被恢复效果。 结果 ①覆土利用的整体植被恢复效果优于喷播利用，群落组成以草本植物为主，覆土利用在植物萌发量、植物种数量、覆盖度和生物多样性指数等方面普遍表现较好。②覆土利用表层 5 cm林地表土+底层8 cm生土、表层4 cm林地表土+底层8 cm生土和喷播利用表层5 cm试验表土+底层 8 cm试验生土、表层4 cm试验表土+底层8 cm试验生土均能实现良好的植被恢复效果，建立适宜的乡土植被。③熵权-TOPSIS法评价发现：植被恢复效果最优的为覆土利用表层5 cm林地表土 +底层8 cm林地表土，喷播利用表层5 cm试验表土+底层8 cm试验表土。 结论 为达到良好的植被恢复效果的同时减少表土用量，在实际生产建设项目中，推荐覆土利用表层 5 cm林地表土+底层8 cm生土 和喷播利用表层5 cm试验表土+底层8 cm试验生土 。图5表6参31 Abstract:Objective The objective is to study the vegetation restoration effects under two different topsoil utilization modes, and further clarify the topsoil utilization mode and configuration that requires less topsoil but achieves better vegetation restoration effects. Method Taking the core area of Dahaituo National Nature Reserve in Chicheng County, Hebei Province as the research area, 11 groups of spray seeding experiments and 7 groups of soil covering experiments were set up using planting troughs to study the indicators such as plant germination quantity, germination trend, survival rate, plant community characteristics, and plant community diversity. The entropy weight-TOPSIS method was employed to comprehensively analyze the vegetation restoration effects under the two topsoil utilization modes. Result (1) The overall vegetation restoration effect of soil covering was better than that of spray seeding, and the community composition was mainly herbaceous plants. Soil covering generally performed better in terms of plant germination quantity, species diversity, coverage and biodiversity index. (2) Soil covering mode (5 cm topsoil+8 cm bottom soil, and 4 cm topsoil+8 cm bottom soil) and seed spraying mode (5 cm test topsoil+8 cm test bottom soil, and 4 cm test topsoil+8 cm test bottom soil) can achieve good vegetation restoration effects and establish suitable native vegetation. (3) The entropy weight-TOPSIS method evaluation showed that the optimal vegetation restoration effects were achieved with the following soil treatments: surface layer 5 cm+ bottom layer 8 cm under soil covering utilization mode, and surface layer 5 cm+ bottom layer 8 cm under seed spraying utilization mode. Conclusion In order to achieve good vegetation restoration effect and reduce the amount of topsoil, it is recommended to cover the soil with 5 cm topsoil+8 cm bottom soil and spray seeding with 5 cm test topsoil+8 cm test bottom soil. [Ch, 5 fig. 6 tab. 31 ref.] -
图 2 喷播利用与覆土利用植物萌发趋势分析
Figure 2 Analysis of emergence trend of spray sowing and soil covering
图 3 喷播利用与覆土利用植物科类分布特征
Figure 3 Distribution characteristics of families in spray sowing and soil covering
图 4 喷播利用与覆土利用群落覆盖度、平均高度特征
Figure 4 Characteristics of community coverage and average height of spray sowing and soil covering
图 5 喷播利用与覆土利用物种多样性指数
Figure 5 Species diversity index of spray sowing and soil covering
表 1 喷播利用和覆土利用的试验设计
Table 1. Experimental design of spray seeding utilization and soil covering
配置组 喷播利用 配置组 覆土利用 配置
编号表层 底层 配置
编号表层 底层 成分 厚度/cm 成分 厚度/cm 成分 厚度/cm 成分 厚度/cm 对照组 ck1 试验生土 5 试验生土 8 对照组 ck2 生土 5 生土 8 表土组 A 试验表土 5 试验表土 8 表土组 D 林地表土 5 林地表土 8 混合组 B1 试验表土 1 试验生土 8 混合组 E1 林地表土 1 生土 8 B2 试验表土 2 试验生土 8 E2 林地表土 2 生土 8 B3 试验表土 3 试验生土 8 E3 林地表土 3 生土 8 B4 试验表土 4 试验生土 8 E4 林地表土 4 生土 8 B5 试验表土 5 试验生土 8 E5 林地表土 5 生土 8 稀释组 C1 试验表土∶试验生土(2∶1) 5 试验生土 8 C2 试验表土∶试验生土(1∶1) 5 试验生土 8 C3 试验表土∶试验生土(1∶2) 5 试验生土 8 C4 试验表土∶试验生土(1∶3) 5 试验生土 8 说明：括号中比例为体积比。 
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表 2 喷播利用与覆土利用萌发总量及存活率
Table 2. Analysis of seedling emergence in spray sowing and soil covering
利用方式 配置 萌发总量/株 存活率/% 利用方式 配置 萌发总量/株 存活率/% 喷播利用 ck1 2.0±1.7 c 48.3±1.0 c 喷播利用 C3 15.0±5.3 ab 66.8±1.4 ab A 26.7±3.2 a 83.8±2.3 a C4 10.7±4.2 c 61.2±0.9 c B1 21.0±5.2 ab 68.8±1.1 ab 覆土利用 ck2 12.2±6.4 b 53.0±1.2 c B2 18.0±5.0 ab 69.1±0.4 ab D 45.3±3.5 ab 89.1±0.4 ab B3 21.7±1.5 ab 69.8±0.5 ab E1 35.3±4.2 ab 82.4±1.1 ab B4 21.7±4.2 ab 76.9±1.3 ab E2 47.3±4.0 a 82.7±2.1 ab B5 24.7±3.5 ab 74.7±1.5 a E3 41.3±1.2 ab 81.7±0.4 ab C1 23.7±1.5 ab 65.5±2.2 ab E4 43.0±10.2 ab 85.2±0.8 ab C2 17.0±3.0 ab 63.9±3.3 ab E5 43.7±7.0 ab 90.2±0.2 a 说明：不同小写字母表示不同配置方式间差异显著(P＜0.05)。
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表 3 喷播利用与覆土利用优势种及其占比
Table 3. Dominant species and their proportion of spray sowing and soil covering
利用方式 优势种 重要值 占比/% 利用方式 优势种 重要值 占比/% 喷播利用 藜 5.83 29.89 覆土利用 藜 9.75 24.92 乌苏里风毛菊 3.28 15.48 葶苈 7.62 19.50 葶苈 2.79 13.96 卷耳 4.00 8.57
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表 4 喷播利用与覆土利用土壤理化性质
Table 4. Physical and chemical properties of soil by spraying and covering soil
利用
方式配置 土壤硬度/MPa 土壤容重/(g·cm−3) pH 有机质/% 利用
方式配置 土壤硬度/MPa 土壤容重/(g·cm−3) pH 有机质/% 喷播
利用ck1 1.22±0.05 a 1.25±0.08 a 7.35±0.02 b 20.66±0.27 ab 喷播
利用C3 1.61±0.07 a 1.11±0.10 a 7.64±0.04 a 16.83±0.42 ab A 1.33±0.24 ab 0.96±0.02 ab 7.56±0.03 ab 5.87±0.52 a C4 1.47±0.15 ab 1.01±0.10 a 7.61±0.03 ab 14.97±0.13 bc B1 1.59±0.13 ab 1.02±0.03 a 7.51±0.05 ab 14.53±0.12 c 覆土
利用ck2 0.89±0.08 ab 0.87±0.01 ab 7.25±0.03 b 6.26±1.12 bc B2 1.27±0.20 ab 1.02±0.11 a 7.65±0.12 a 16.15±0.43 c D 0.83±0.26 b 0.72±0.02 a 7.57±0.05 ab 22.64±1.16 a B3 1.46±0.06 ab 0.97±0.10 a 7.52±0.07 ab 18.35±0.51 abc E1 0.78±0.04 b 0.81±0.07 a 7.53±0.01 ab 16.47±0.39 c B4 1.02±0.28 ab 0.93±0.06 a 7.28±0.13 b 19.33±0.26 ab E2 0.79±0.02 b 0.78±0.03 ab 7.47±0.11 ab 17.31±0.19 ab B5 1.02±0.25 a 0.92±0.13 b 7.53±0.01 ab 19.48±0.04 bc E3 0.88±0.33 b 0.83±0.02 ab 7.62±0.03 a 17.62±0.76 abc C1 1.18±0.08 ab 0.90±0.07 ab 7.45±0.04 b 18.26±0.23 ab E4 0.85±0.01 a 0.78±0.04 a 7.50±0.10 ab 19.80±0.22 ab C2 1.63±0.12 ab 0.91±0.02 a 7.57±0.17 ab 17.72±0.17 bc E5 0.94±0.19 ab 0.75±0.06 a 7.45±0.04 b 20.56±1.07 a
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表 5 评价指标熵值与权重
Table 5. Entropy and weight of evaluation indicators
准则层 指标层 熵值 权重 准则层 指标层 熵值 权重 植物生长特征 植物存活率 0.850 2 0.307 6 物种多样
性特性Shannon-Wiener 多样性指数 0.976 0 0.049 3 植物萌发总量 0.941 6 0.120 5 Simpson优势度指数 0.929 7 0.144 3 Pielou 均匀度指数 0.967 1 0.067 6 植物群落生长效果 群落覆盖度 0.940 1 0.123 2 Margalef丰富度指数 0.967 0 0.067 7 植物平均高度 0.941 4 0.120 3
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表 6 植被恢复效果综合评价
Table 6. Comprehensive evaluation of vegetation restoration effect
利用方式 配置 T+ T－ Si 排名 利用方式 配置 T+ T－ Si 排名 喷播利用 ck1 0.396 4 0.250 4 0.108 7 18 喷播利用 C3 0.306 3 0.180 3 0.313 0 15 A 0.167 3 0.171 9 0.684 0 2 C4 0.349 6 0.218 6 0.311 2 16 B1 0.152 7 0.149 6 0.305 9 12 覆土利用 ck2 0.332 6 0.141 5 0.236 2 17 B2 0.223 4 0.181 6 0.412 2 8 D 0.093 3 0.088 3 0.798 6 1 B3 0.259 9 0.141 5 0.408 1 9 E1 0.172 7 0.130 2 0.351 0 11 B4 0.302 0 0.179 8 0.423 7 7 E2 0.266 4 0.112 3 0.401 8 10 B5 0.297 0 0.139 1 0.424 9 6 E3 0.280 9 0.095 5 0.512 6 5 C1 0.301 9 0.158 6 0.314 6 13 E4 0.290 6 0.113 4 0.591 4 4 C2 0.311 8 0.171 9 0.313 5 14 E5 0.306 3 0.122 0 0.660 2 3
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