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不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价

闫烨琛 赵廷宁 张艳 王美琪 胡平 杨凝 陈童

闫烨琛, 赵廷宁, 张艳, 王美琪, 胡平, 杨凝, 陈童. 不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价[J]. 浙江农林大学学报, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
引用本文: 闫烨琛, 赵廷宁, 张艳, 王美琪, 胡平, 杨凝, 陈童. 不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价[J]. 浙江农林大学学报, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
YAN Yechen, ZHAO Tingning, ZHANG Yan, WANG Meiqi, HU Ping, YANG Ning, CHEN Tong. Improvements and evaluation of soil physical properties with different plant types in an abandoned quarry[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
Citation: YAN Yechen, ZHAO Tingning, ZHANG Yan, WANG Meiqi, HU Ping, YANG Ning, CHEN Tong. Improvements and evaluation of soil physical properties with different plant types in an abandoned quarry[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002

不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
基金项目: 

北京市规划和国土资源管理委员会委托科技项目 2018HXFWSBXY017

详细信息
    作者简介: 闫烨琛, 从事工程绿化研究。E-mail:1432228278@qq.com
    通信作者: 张艳, 讲师, 博士, 从事水土保持工程研究。E-mail:bltjzhangyan@163.com
  • 中图分类号: S714.2

Improvements and evaluation of soil physical properties with different plant types in an abandoned quarry

  • 摘要: 为揭示不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果,选取白杨Populus tomentosa,侧柏Platycladus orientalis,油松Pinus tabulaeformis,黄栌Cotinus coggygria和油松+黄栌5种典型植物恢复措施,采用方差分析和主成分分析法对采用措施后的土壤物理性质进行综合评价。结果表明:①通过5种植物恢复措施对采石矿进行修复后的土壤粒径均主要分布在0.25~10.00 mm;②相比较于白杨、油松、黄栌、油松+黄栌4种恢复措施,侧柏恢复措施下土壤容重降低了2.51%~29.83%、土壤孔隙度增大了7.49%~24.16%、土壤持水量升高了3.74%~24.03%;③5种不同植物恢复措施治理后的表层土壤田间持水量比深层提高1.36%~24.30%;④运用主成分分析法对5种不同植物恢复措施下的土壤容重、田间持水率、土壤孔隙度等指标分析得出:矿区土壤物理性质质量从高到低排序为侧柏、油松+黄栌、油松、黄栌、白杨,其中侧柏、油松+黄栌、油松3种植物恢复措施最后综合得分无显著差异,即在采石矿的生态恢复中优先依次推荐。
  • 图  1  不同植物恢复措施治理后的土壤粒径分布

    Figure  1  Distribution of soil particle size after different vegetation restoration measures

    图  2  不同植物恢复措施治理后的土壤容重

    Figure  2  Soil bulk densities after different vegetation

    图  3  不同植物恢复措施治理后的土壤空隙度

    Figure  3  Soil porosities after different vegetation restoration

    图  4  不同植物恢复措施治理后的土壤田间持水量

    Figure  4  Soil field water-holding capacities after different vegetation restoration measures

    表  1  研究区样地基本情况

    Table  1.   Basic situation of the studied sites

     措施类型平均树高/m密度/(株·m-2海拔/m
    白杨3.960.70217
    侧柏1.610.35332
    油松1.600.42367
    黄栌1.670.36296
    油松+黄栌1.750.32377
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    表  2  不同植物配置下草本植物多样性比较

    Table  2.   Comparison of herbaceous plant diversity under different plant configurations of the quarry

     措施类型RDHJ
    白杨0.38 ± 0.06 d0.58 ± 0.01 d0.96 ± 0.02 d0.87 ± 0.02 a
    侧柏1.03 ± 0.02 b0.75 ± 0.02 b1.49 ± 0.03 a0.83 ± 0.07 a
    油松0.40 ± 0.02 d0.63 ± 0.02 c1.04 ± 0.03 c0.94 ± 0.02 a
    黄栌1.08 ± 0.01 ab0.59 ± 0.02 d1.25 ± 0.05 b0.70 ± 0.02 b
    油松+黄栌0.82 ± 0.01 c0.77 ± 0.02 ab1.55 ± 0.03 a0.87 ± 0.01 a
    说明:不同小写字母表示不同植物恢复措施存在显著差异(P<0.05)
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    表  3  主成分分析评价

    Table  3.   Evaluation of principal component analysis

     措施类型土壤深度/cm主成分1主成分2综合得分排名总分综合排名
    白杨0~205.94-0.095.1792.915
    20~40-2.943.38-2.2610
    侧柏0~206.86-0.815.91111.291
    20~406.26-0.795.387
    油松0~206.36-0.705.48511.073
    20~406.330.735.593
    黄栌0~206.171.075.47610.824
    20~405.941.925.358
    油松+黄栌0~206.390.965.66211.192
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  • [1] 方南平.露天采石场生态环境恢复治理土地复垦探讨[J].福建地质, 2017, 36(1):61-68.

    FANG Nanping. Discuss on restoration and rehabilitation of land reclamation of the open pit quarry ecological environment[J]. Geol Fujian, 2007, 36(1):61-68.
    [2] 杨振意, 薛立, 许建新.采石场废弃地的生态重建研究进展[J].生态学报, 2012, 32(16):5264-5274.

    YANG Zhenyi, XUE Li, XU Jianxin. Advances in ecology restoration of abandoned quarries[J]. Acta Ecol Sin, 2012, 32(16):5264-5274.
    [3] 王锐, 秦娅青, 孙丹丹, 等.露天采石场土地复垦适宜性评价及应用[J].水土保持通报, 2018, 38(3):187-192.

    WANG Rui, QIN Yaqing, SUN Dandan, et al. Evaluation and application of land reclamation suitability of open-pit quarry[J]. Bull Soil Water Conserv, 1988, 38(3):187-192.
    [4] MEIRA-NETO J A A, CLEMENTE A, OLIVEIRA G, et al. Post-fire and post-quarry rehabilitation successions in Mediterranean-like ecosystems:implications for ecological restoration[J]. Ecol Eng, 2011, 37(8):1132-1139.
    [5] 金一鸣.矿山废弃地工程绿化技术模式生态修复效益研究: 以黄院釆石场为例[D].北京: 北京林业大学, 2015.

    JIN Yiming. Study on Ecological Restoration Benefit Evaluation of Engineering Revegetation Model in Mining Wasteland: Take Huangyuan Quarry as the Example[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2015.
    [6] 袁剑刚, 周先叶, 陈彦, 等.采石场悬崖生态系统自然演替初期土壤和植被特征[J].生态学报, 2005, 25(6):1517-1522.

    YUAN Jiagang, ZHOU Xianye, CHEN Yan, et al. Natural vegetation and edaphic conditions on the cliff of abandoned quarries in early restoration[J]. Acta Ecol Sin, 2005, 25(6):1517-1522.
    [7] 刘斯文, 黄园英, 韩子金, 等.离子型稀土矿山土壤生态修复研究与实践[J].环境工程, 2015, 33(11):160-165.

    LIU Siwen, HUANG Yuanyin, HAN Zijin, et al. Practices of the soil ecological remediation in ion-absorbed rare earth mine[J]. Environ Eng, 2015, 33(11):160-165.
    [8] MAISTO G, de MARCOA, de NICOLA F, et al. Suitability of two types of organic wastes for the growth of sclerophyllous shrubs on limestone debris:amesocosm trial[J]. Sci Total Environ, 2009, 408(7):1508-1514.
    [9] 樊三龙, 方红, 高传部, 等.北方草地牛粪中金龟子的多样性[J].生态学报, 2012, 32(13):4207-4214.

    FAN Sanlong, FANG Hong, GAO Chuanbu, et al. The diversity of scarab beetles in grassland cattle dung from North China[J]. Acta Ecol Sin, 2012, 32(13):4207-4214.
    [10] 赵成章, 石福习, 董小刚, 等.祁连山北坡退化林地植被群落的自然恢复过程及土壤特征变化[J].生态学报, 2011, 31(1):115-122.

    ZHAO Chengzhang, SHI Fuxi, DONG Xiaogang, et al. Dynamics of vegetation structure and soil properties in the natural restoration process of degraded woodland on the northern slope of Qilian Mountains, northwestern China[J]. Acta Ecol Sin, 2011, 31(1):115-122.
    [11] 林大仪.土壤学[M].北京:中国林业出版社, 2002:120-150.
    [12] 李叶鑫, 吕刚, 刁立夫, 等.露天煤矿排土场不同植被类型持水能力评价[J].水土保持学报, 2017, 31(5):309-314, 320.

    LI Yexin, LÜ Gang, DIAO Lifu, et al. Evaluation of water retention capacity of different vegetation types in dump of opencast coal mine[J]. J Soil Water Conserv, 2007, 31(5):309-314, 320.
    [13] 张子龙, 王文全, 缪作清, 等.主成分分析在三七连作土壤质量综合评价中的应用[J].生态学杂志, 2013, 32(6):1636-1644.

    ZHANG Zilong, WANG Wenquan, MIAO Zuoqing, et al. Application of principal component analysis in comprehensive assessment of soil quality under Panax notoginseng continuous plantaion[J]. Chin J Ecol, 2013, 32(6):1636-1644.
    [14] 付玲, 王彩云, 尹少华.蘑菇渣基质生产狗牙根无土草皮配方施肥优化研究[J].草业学报, 2013, 22(3):241-249.

    FU Ling, WANG Caiyun, YIN Shaohua. Optimizing fertilisation for bermudagrass soilless sod using spent mushroom compost as the main substrate over plastic[J]. Acta Prataculturae Sin, 2013, 22(3):241-249.
    [15] 赵明月, 赵文武, 刘源鑫.不同尺度下土壤粒径分布特征及其影响因子:以黄土丘陵沟壑区为例[J].生态学报, 2015, 35(14):4625-4632.

    ZHAO Mingyue, ZHAO Wenwu, LIU Yuanxin. Comparative analysis of soil particle size distribution and its influence factors in different scale:a case study in the Loess Hilly-gully area[J]. Acta Ecol Sin, 2015, 35(14):4625-4632.
    [16] 吕圣桥, 高鹏, 耿广坡, 等.黄河三角洲滩地土壤颗粒分形特征及其与土壤有机质的关系[J].水土保持学报, 2011, 25(6):134-138.

    LÜ Shengqiao, GAO Peng, GENG Guangpo, et al. Characteristics of soil particles and their correlation with soil organic matter in lowlands of the Yellow River Delta[J]. J Soil Water Conserv, 2011, 25(6):134-138.
    [17] 王翠翠, 魏永霞, 王存国, 等.不同水土保持措施及其组合对土壤团聚体及有机质的影响[J].中国农村水利水电, 2014(5):11-14.

    WANG Cuicui, WEI Yongxia, WANG Cunguo, et al. The effect of different water conservation measures and their combinations on aggregate and organic matter of soil[J]. China Rural Water Conserv Hydropower, 2014(5):11-14.
    [18] 李卓, 吴普特, 冯浩, 等.容重对土壤水分蓄持能力影响模拟试验研究[J].土壤学报, 2010, 47(4):611-620.

    LI Zhuo, WU Pute, FENG Hao, et al. Simulated experiment on effects of soil bulk density on soil water holding capacity[J]. Acta Pedol Sin, 2010, 47(4):611-620.
    [19] 张志玲, 尹志刚, 谢伟, 等.矿区排土场不同植物对根区土壤物理性质的改良效果与评价[J].中国水土保持科学, 2018, 16(3):50-58.

    ZHANG Zhiling, YIN Zhigang, XIE Wei, et al. Improvement effects and evaluation of different plants on the physical properties of root region soil in a mine dump[J]. Sci Soil Water Conserv, 2008, 16(3):50-58.
    [20] 陈晓燕, 叶建春, 陆桂华, 等.全国土壤田间持水量分布探讨[J].水利水电技术, 2004, 35(9):113-116, 119.

    CHEN Xiaoyan, YE Jianchun, LU Guihua, et al. Study on field capacity distribution about soil of China[J]. Water Resour Hydropower Eng, 2004, 35(9):113-116, 119.
  • [1] 彭鑫怡, 李永春, 王秀玲, 李永夫, 陈志豪, 徐秋芳.  植物入侵对土壤微生物的影响 . 浙江农林大学学报, 2019, 36(5): 1019-1027. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.05.023
    [2] 李晨晨, 周再知, 梁坤南, 黄桂华, 杨光.  不同林药复合经营模式对杉木生态公益林土壤理化性质的改良效果 . 浙江农林大学学报, 2018, 35(1): 51-59. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.01.007
    [3] 徐炜杰, 郭佳, 赵敏, 王任远, 侯淑贞, 杨芸, 钟斌, 郭华, 刘晨, 沈颖, 柳丹.  重金属污染土壤植物根系分泌物研究进展 . 浙江农林大学学报, 2017, 34(6): 1137-1148. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2017.06.023
    [4] 陈梦扬, 姚泽秀, 李永春, 吴涵韬, 徐秋芳, 魏健, 秦华.  雷竹林土壤染料降解真菌筛选与脱色效果初步研究 . 浙江农林大学学报, 2016, 33(3): 418-426. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.03.007
    [5] 孙涛, 陆扣萍, 王海龙.  不同淋洗剂和淋洗条件下重金属污染土壤淋洗修复研究进展 . 浙江农林大学学报, 2015, 32(1): 140-149. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2015.01.021
    [6] 邬奇峰, 徐巧凤, 秦华, 张金林, 钱马, 钱嘉文.  杀菌剂氰氨化钙对集约经营雷竹林土壤生物学性质的影响 . 浙江农林大学学报, 2014, 31(3): 352-357. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2014.03.004
    [7] 张涛, 李永夫, 姜培坤, 周国模, 刘娟.  土地利用变化影响土壤碳库特征与土壤呼吸研究综述 . 浙江农林大学学报, 2013, 30(3): 428-437. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2013.03.021
    [8] 孟赐福, 姜培坤, 徐秋芳, 周国模, 宋照亮, 黄张婷.  植物生态系统中的植硅体闭蓄有机碳及其在全球土壤碳汇中的重要作用 . 浙江农林大学学报, 2013, 30(6): 921-929. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2013.06.018
    [9] 梁晶, 方海兰, 郝冠军, 孙倩.  上海城市绿地不同植物群落土壤呼吸及因子分析 . 浙江农林大学学报, 2013, 30(1): 22-31. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2013.01.004
    [10] 唐洁, 李志辉, 汤玉喜, 吴敏, 李永进, 王胜.  洞庭湖区滩地不同土地利用类型土壤呼吸动态 . 浙江农林大学学报, 2011, 28(3): 439-443. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2011.03.014
    [11] 徐秋芳, 吴家森, 姜培坤.  板栗林不同除草方式对土壤养分及生物学性质的影响 . 浙江农林大学学报, 2010, 27(5): 659-663. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2010.05.004
    [12] 郝瑞军, 方海兰, 沈烈英, 车玉萍.  上海典型植物群落土壤有机碳矿化特征 . 浙江农林大学学报, 2010, 27(5): 664-670. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2010.05.005
    [13] 刘为华, 张桂莲, 徐飞, 王亚萍, 余雪琴, 王开运.  上海城市森林土壤理化性质 . 浙江农林大学学报, 2009, 26(2): 155-163.
    [14] 魏媛, 张金池, 俞元春, 喻理飞.  贵州高原退化喀斯特植被恢复过程中土壤微生物数量的变化特征 . 浙江农林大学学报, 2009, 26(6): 842-848.
    [15] 郑勇平, 孙鸿有, 冯建民, 张建章, 冯建国, 吴隆高.  杉木优良无性系龙15与闽33双系种子园遗传改良效应分析 . 浙江农林大学学报, 2009, 26(2): 201-208.
    [16] 姜培坤, 徐秋芳, 邬奇峰, 吴家森.  施肥对板栗林土壤养分和生物学性质的影响 . 浙江农林大学学报, 2007, 24(4): 445-449.
    [17] 周国模, 刘恩斌, 佘光辉.  森林土壤碳库研究方法进展 . 浙江农林大学学报, 2006, 23(2): 207-216.
    [18] 徐秋芳, 俞益武, 钱新标, 吴家森.  湖州市材用笋用毛竹林土壤理化性质比较分析 . 浙江农林大学学报, 2003, 20(1): 102-105.
    [19] 陈爱玲, 游水生, 林德喜.  阔叶林地在不同更新方式下土壤理化性质的变化 . 浙江农林大学学报, 2001, 18(2): 127-130.
    [20] 郭建钢, 周新年, 丁艺, 粟金云, 邱仁辉.  不同集材方式对森林土壤理化性质的影响 . 浙江农林大学学报, 1997, 14(4): 344-349.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-17
  • 修回日期:  2019-02-26
  • 刊出日期:  2019-12-20

不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
    基金项目:

    北京市规划和国土资源管理委员会委托科技项目 2018HXFWSBXY017

    作者简介:

    闫烨琛, 从事工程绿化研究。E-mail:1432228278@qq.com

    通信作者: 张艳, 讲师, 博士, 从事水土保持工程研究。E-mail:bltjzhangyan@163.com
  • 中图分类号: S714.2

摘要: 为揭示不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果,选取白杨Populus tomentosa,侧柏Platycladus orientalis,油松Pinus tabulaeformis,黄栌Cotinus coggygria和油松+黄栌5种典型植物恢复措施,采用方差分析和主成分分析法对采用措施后的土壤物理性质进行综合评价。结果表明:①通过5种植物恢复措施对采石矿进行修复后的土壤粒径均主要分布在0.25~10.00 mm;②相比较于白杨、油松、黄栌、油松+黄栌4种恢复措施,侧柏恢复措施下土壤容重降低了2.51%~29.83%、土壤孔隙度增大了7.49%~24.16%、土壤持水量升高了3.74%~24.03%;③5种不同植物恢复措施治理后的表层土壤田间持水量比深层提高1.36%~24.30%;④运用主成分分析法对5种不同植物恢复措施下的土壤容重、田间持水率、土壤孔隙度等指标分析得出:矿区土壤物理性质质量从高到低排序为侧柏、油松+黄栌、油松、黄栌、白杨,其中侧柏、油松+黄栌、油松3种植物恢复措施最后综合得分无显著差异,即在采石矿的生态恢复中优先依次推荐。

English Abstract

闫烨琛, 赵廷宁, 张艳, 王美琪, 胡平, 杨凝, 陈童. 不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价[J]. 浙江农林大学学报, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
引用本文: 闫烨琛, 赵廷宁, 张艳, 王美琪, 胡平, 杨凝, 陈童. 不同植物恢复措施对采石矿废弃地土壤物理性质的改良效果及评价[J]. 浙江农林大学学报, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
YAN Yechen, ZHAO Tingning, ZHANG Yan, WANG Meiqi, HU Ping, YANG Ning, CHEN Tong. Improvements and evaluation of soil physical properties with different plant types in an abandoned quarry[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
Citation: YAN Yechen, ZHAO Tingning, ZHANG Yan, WANG Meiqi, HU Ping, YANG Ning, CHEN Tong. Improvements and evaluation of soil physical properties with different plant types in an abandoned quarry[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2019, 36(6): 1062-1068. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2019.06.002
  • 随着社会经济的发展和工业化程度的提高,人们对砂石料需求迅猛增长,采石场数量也呈激增之势,露天采石场的特点是规模小、数量多、距城市近、对环境影响的范围大。众多采石场正面临着十分严重的生态环境退化问题,如环境恶化、水土流失、生物多样性锐减等[1];而且在开山采石的过程中造成山体破碎,岩石裸露,边坡稳定失衡,容易产生滑坡、泥石流等地质灾害,对周边居民正常生活产生严重威胁,对社会经济健康持续发展产生不良影响[2]。面对这一状况,急需对矿山废弃地进行治理改良。中国近年来高度重视生态文明建设,倡导绿色发展,对废弃采石场的生态重建越来越重视[3]。国内外对于废弃矿山的生态恢复研究主要集中在恢复策略[4]、工程措施[5]、恢复演替[6]、土壤改良[7]、绿化基质[8]等方面,但针对采石场这种特殊的矿种类型相关恢复治理措施对土壤物理性质改良效果研究很少,并且少有提出针对采石矿生态重建的高效、适宜措施,针对不同植物措施恢复治理对土壤物理环境变化研究不够重视,因此不同植物措施对采石场土壤物理性质的改良效果需做进一步研究。本研究以北京市周边废弃采石场生态重建过程中不同植被恢复措施为研究对象,通过调查分析恢复治理中不同植物恢复措施对土壤物理性质的影响,探讨不同植物恢复措施与采石矿土壤物理性质改良之间的关系,旨在为采石矿这类特殊的矿区废弃地重构选择适宜的治理措施及对土壤物理性质快速改良提供科学依据。

    • 治理区位于北京市房山区河北镇境内,海拔约为200~380 m,属暖温带半湿润半干旱大陆季风气候区。春季干旱多风,夏季炎热多雨,秋季天高气爽,冬季寒冷干燥。年平均气温10.8 ℃(山区),1月平均气温-4.6 ℃,7月平均气温24.3 ℃,年温差30.0 ℃左右。该地区春秋季节结霜频繁,年平均无霜期约160.0~180.0 d,冬季地面下最大冻土深度56 cm,年平均结冰天数124 d。多年平均降水量为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。采石场于2015年由国土资源部投资对其实施土地复垦工程,首先进行场地平整、压实,然后进行客土回填。客土来源于附近荒地,土壤物理性质基本一致,种植侧柏Platycladus orientalis,油松Pinus tabulaeformis,黄栌Cotinus coggygria和白杨Populus tomentosa等;研究区常见的草本植物有猪毛蒿Artemisia scoparia,狗尾草Setaria viridis,艾草Artemisia argyi,马唐Digitaria sanguinalis,青蒿Artemisia apiacea,地黄Rehmannia glutinosa,曼陀罗Datura stramonium,黄花蒿Artemisia annua,灰菜Chenopodium album等14种植物,其中猪毛蒿、狗尾草、马唐、青蒿、黄花蒿是调查样地各群落的优势种。

    • 试验于2018年7-8月在北京市房山区河北镇露天采石矿生态修复治理区进行实地调查取样,治理区的坡度为0°。调查前根据设计资料及现场踏查,最终选取5种植物(白杨、侧柏、油松、黄栌、油松+黄栌)修复措施(表 1),种植每种植物时每穴施加客土。每种措施设置20 m × 20 m的标准样地。(1)采样方法。对标准地内的乔木进行每木检尺测量,测量树高、胸径、冠幅、郁闭度;在20 m × 20 m的标准样地内设置5个1 m × 1 m的草本样方,草本植物调查其种类、数量、平均高和盖度等基本情况;在样地内标准木的树穴内,用100 cm3体积的环刀取得原状土,按0~20和20~40 cm分层进行取样,每层重复3个,并用塑封袋分层采取一定的土样,自然风干。(2)草本植物相关指标计算方法。①丰富度指数[9]:Margalef指数R的计算公式为R=(S-1)/lnN。其中:S为群落中的总种数;N为群落中的个体总数。②多样性指数[10]:Simpson指数D的计算公式为$D=1-\sum\limits_{i=1}^{s}{P_{i}^{2}}$。Shannon-Wiener指数H的计算公式为$H=-\sum\limits_{i=1}^{s}{{{P}_{i}}\ln {{P}_{i}}}$。其中: Pi为第i种个体数占群落中所有种个体数的比例;S为群落中总种数。③均匀度指数[10]:Pielou均匀度指数J的计算公式为$J=H/{{H}_{\max }}=H/\ln S$。其中: H为实际观察的种类多样性,Hmax为最大的种类多样性;S为群落中的总种数。(3)土壤物理性质测定指标与方法。采用环刀法测定土壤容重及土壤水分物理性质(土壤含水量、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤孔隙度等)[11];用筛分法测土壤粒径,将自然风干后的土壤研碎,分别过10.00,2.00,1.00和0.25 mm筛孔,每层进行称量,计算土壤粒径分布占比。

      表 1  研究区样地基本情况

      Table 1.  Basic situation of the studied sites

       措施类型平均树高/m密度/(株·m-2海拔/m
      白杨3.960.70217
      侧柏1.610.35332
      油松1.600.42367
      黄栌1.670.36296
      油松+黄栌1.750.32377
    • (1)采用Excel 2016和Origin 2018进行数据处理及图表绘制,使用SPSS 18.0统计软件进行单因素方差分析和主成分分析。(2)土壤物理性质主要采用土壤含水量、土壤容重、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙7个指标作为评价指标。采用主成分分析法建立土壤物理性质的综合得分评价体系。计算出主成分得分后,再通过综合得分表达式得出综合得分。将综合得分按照高低进行排序,通过综合排序结果衡量其土壤理化性质情况。

    • 表 2所示:侧柏和油松+黄栌措施对应草本层的DHJ的差异不显著,表明这2种措施修复下的草本层生物多样性相似,且这2种措施治理后林下草本生物多样性相对于其他3种措施的值较大,说明这2种措施治理后草本恢复效果更好。白杨措施修复下的草本层RDH相对于侧柏、黄栌和油松+黄栌措施显著偏小(P<0.05),说明白杨措施修复治理后的林下草本植被单一,群落稳定性较差。

      表 2  不同植物配置下草本植物多样性比较

      Table 2.  Comparison of herbaceous plant diversity under different plant configurations of the quarry

       措施类型RDHJ
      白杨0.38 ± 0.06 d0.58 ± 0.01 d0.96 ± 0.02 d0.87 ± 0.02 a
      侧柏1.03 ± 0.02 b0.75 ± 0.02 b1.49 ± 0.03 a0.83 ± 0.07 a
      油松0.40 ± 0.02 d0.63 ± 0.02 c1.04 ± 0.03 c0.94 ± 0.02 a
      黄栌1.08 ± 0.01 ab0.59 ± 0.02 d1.25 ± 0.05 b0.70 ± 0.02 b
      油松+黄栌0.82 ± 0.01 c0.77 ± 0.02 ab1.55 ± 0.03 a0.87 ± 0.01 a
      说明:不同小写字母表示不同植物恢复措施存在显著差异(P<0.05)
    • 图 1所示:在0~40 cm土层,分布在2.00~10.00 mm的土壤粒径占比显著大于在大于10.00和1.00~2.00 mm(P<0.05)的土壤粒径占比;修复后的土壤粒径主要分布在0.25~10.00 mm。在0~20 cm土层,分布在0.25~10.0 mm的土壤粒径占比从高到低依次为侧柏、黄栌、白杨、油松+黄栌、油松;在20~40 cm土层,分布在0.25~10.00 mm土壤粒径占比从高到低依次为白杨、侧柏、油松、黄栌、油松+黄栌。可以看出,在0~20 cm土层,侧柏措施修复下的0.25~10.00 mm土壤粒径含量最高,占百分比为89%,白杨措施在20~40 cm土层0.25~10.00 mm土壤粒径含量最高,占百分比为80%;且在0~20 cm土层0.25~10.00 mm土壤粒径含量高于20~40 cm。

      图  1  不同植物恢复措施治理后的土壤粒径分布

      Figure 1.  Distribution of soil particle size after different vegetation restoration measures

    • 土壤容重可以判断土壤的松紧程度,疏松、有团粒结构的土壤容重小,反之,紧实板结的容重大[12]。如图 2所示:在0~20和20~40 cm土壤中,侧柏措施修复作用下的土壤容重都显著小于(P<0.05)其他几种措施修复下的土壤容重;侧柏、黄栌、油松+黄栌措施在0~20 cm的土壤容重都大于20~40 cm的土壤容重。这主要是由于长期植被恢复过程中,主要通过浇灌措施来补充植被所需水分,致使地表土壤板结。在20~40 cm土层白杨、油松2种措施修复作用下的土壤容重大于其他几种措施修复的土壤容重,其值都大于1.5 g·cm-3,说明这2种措施修复下的土壤在20~40 cm深处土壤孔隙数量少,土壤的水分、空气、热量状况较差。

      图  2  不同植物恢复措施治理后的土壤容重

      Figure 2.  Soil bulk densities after different vegetation

    • 图 3所示:土壤孔隙度包括土壤毛管孔隙和土壤非毛管孔隙。土壤孔隙是储存土壤水分的场所,也是土壤微生物等迁移的通道,其大小取决于土壤质地、土壤结构等条件。不同治理措施的总孔隙度在土层深度0~20 cm内变化范围为42.75%~52.10%;在20~40 cm为40.65%~53.60%。侧柏措施治理恢复的矿区土壤在0~20 cm及20~40 cm的土壤空隙度均大于其他几种措施,说明侧柏措施治理恢复的土壤储存水分的能力更好,能更好地为植被生长提供水分条件。同时可以看出:5种不同治理措施下在0~20 cm土层的土壤孔隙度从大到小依次为侧柏、油松、白杨、油松+黄栌、黄栌,在20~40 cm土层土壤孔隙度从大到小依次为侧柏、油松、油松+黄栌、白杨、黄栌。

      图  3  不同植物恢复措施治理后的土壤空隙度

      Figure 3.  Soil porosities after different vegetation restoration

    • 图 4所示:5种不同植物修复措施下,土壤在0~20 cm土层的田间持水量均比20~40 cm土层的田间持水量高,且5种不同治理措施下的土壤田间持水量在0~20 cm和20~40 cm土层的大小规律呈现一致性,从大到小依次为侧柏、黄栌、油松+黄栌、白杨、油松。说明矿区复垦地土壤保水、供水能力改良效果在浅层优于深层。土壤田间持水量的分布特征在不同措施间存在一定的差异,侧柏治理措施恢复下的矿区各层土壤田间持水量都大于其他4种措施,油松治理措施治理后的土壤田间持水量显著小于其他几种措施。

      图  4  不同植物恢复措施治理后的土壤田间持水量

      Figure 4.  Soil field water-holding capacities after different vegetation restoration measures

    • 运用主成分分析法,针对采石场5种不同植物措施修复改良土壤物理性质效果进行综合分析[13]。根据特征值和相应的方差贡献率,将7个指标分为2个主成分,其中第1主成分以土壤含水量、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙、非毛管孔隙为主的指标贡献较大,第2主成分中土壤容重的贡献较大。最终确定主成分得分和综合得分表达式如下: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为第1主成分;F2为第2主成分;x1为标准化的土壤含水量;x2为标准化土壤容重;x3为标准化饱和持水量;x4为标准化毛管持水量;x5为标准化田间持水量;x6为标准化毛管孔隙;x7为标准化非毛管孔隙。综合得分=87.18×F1/100+8.85×F2/100。

      根据综合得分信息可知:侧柏、油松+黄栌、油松最后综合得分分别为11.29,11.19和11.07,因此,施行不同治理措施后,土壤物理性质质量从高到低依次为侧柏、油松+黄栌、油松、黄栌、白杨(表 3)。可以发现侧柏、油松+黄栌、油松这3种植物措施的最后得分相差不大,即在采石矿的生态恢复中优先依次推荐。

      表 3  主成分分析评价

      Table 3.  Evaluation of principal component analysis

       措施类型土壤深度/cm主成分1主成分2综合得分排名总分综合排名
      白杨0~205.94-0.095.1792.915
      20~40-2.943.38-2.2610
      侧柏0~206.86-0.815.91111.291
      20~406.26-0.795.387
      油松0~206.36-0.705.48511.073
      20~406.330.735.593
      黄栌0~206.171.075.47610.824
      20~405.941.925.358
      油松+黄栌0~206.390.965.66211.192
    • 土壤物理性质是反映土壤潜在生产力的重要指标,它能影响土壤水分含量、热特性、通气性、土体稳定性等,进而影响作物的生长发育[14]。土壤颗粒是土壤最基本的组成单元,土壤颗粒的粒径分布对土壤孔隙、土壤水分和土壤团聚体都有着巨大的影响[15-16]。本研究结果表明:5种不同植被措施恢复下的土壤粒径主要分布在0.25~10.00 mm,土壤有机质是形成土壤颗粒的重要胶结物质,在土壤大粒径的形成过程中发挥着重要作用[17]。由于表层土壤受植被的枯枝落叶和土壤微生物分解作用,使得表层土壤有机质高于深层土壤,因此出现表层土壤的大粒径含量高于深层。土壤容重是反映土壤紧密程度的一个重要指标,直接影响着土壤的孔隙状况[18]。研究发现:白杨、油松2种植被措施恢复治理后的土壤容重在20~40 cm土层值都大于1.5 g·cm-3,这表明这2种植被措施对矿区恢复治理后的土壤容重普遍偏大,空隙度较小,储存土壤水分能力较弱,不利于植物根系生长,这与张志玲等[19]的研究基本一致。这主要是因为白杨、油松2种措施对应的树种在幼林龄期以主根生长为主,侧根较少,对深层土壤的修复效果欠佳;侧柏、黄栌、油松+黄栌措施恢复治理后的表层土壤容重大于深层土壤容重,这主要是因为矿区植被的水分主要靠后期养护灌溉,由于灌溉水的瞬时量大,水压力强,对表层土壤造成严重扰动和结构重组,土壤发生板结、致密,这也就出现了本次研究出现的结果。本研究得出不同措施土壤田间持水量范围为18.18%~26.89%,5种治理措施在深层土壤中的田间持水量都低于表层。这一研究规律与陈晓燕等[20]研究结果一致。由于深层土壤已经与该地原有的岩石风化物充分混合,其机械组成已经发生了变化,使其呈现出较低的田间持水量指标;另外,由于植物生长,其枯枝落叶对表层土壤的改良效果也优于深层,所以呈现出上层土壤的理化性质较好的趋势。利用主成分分析法可知:5种不同恢复措施治理后,土壤物理性质质量从高到低依次为侧柏、油松+黄栌、油松、黄栌、白杨。这与不同措施恢复治理后的矿区土壤物理性质单因素分析结果一致,也与5种不同植物措施恢复治理后的林下草本多样性指标调查分析结果相对应。

    • 不同植物恢复措施对采石矿生态修复后,土壤粒径主要集中分布在0.25~10.00 mm;侧柏相对于其他4种植物恢复措施降低土壤容重,增大土壤孔隙度,提高土壤的持水能力更优;5种不同植物恢复措施恢复治理后的表层土壤田间持水量高于深层;根据5种不同植被恢复措施下土壤土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度等指标,运用主成分分析法得出矿区土壤物理性质质量从高到低依次为侧柏、油松+黄栌、油松、黄栌、毛白杨。

参考文献 (20)

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