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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。
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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。
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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。
措施类型 平均树高/m 密度/(株·m-2) 海拔/m 白杨 3.96 0.70 217 侧柏 1.61 0.35 332 油松 1.60 0.42 367 黄栌 1.67 0.36 296 油松+黄栌 1.75 0.32 377 Table 1. Basic situation of the studied sites
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(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。
1.1. 研究区概况
1.2. 研究方法
1.2.1. 试验地选定
1.2.2. 数据处理与评价方法
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如表 2所示:侧柏和油松+黄栌措施对应草本层的D,H和J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R,D和H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。
措施类型 R D H J 白杨 0.38 ± 0.06 d 0.58 ± 0.01 d 0.96 ± 0.02 d 0.87 ± 0.02 a 侧柏 1.03 ± 0.02 b 0.75 ± 0.02 b 1.49 ± 0.03 a 0.83 ± 0.07 a 油松 0.40 ± 0.02 d 0.63 ± 0.02 c 1.04 ± 0.03 c 0.94 ± 0.02 a 黄栌 1.08 ± 0.01 ab 0.59 ± 0.02 d 1.25 ± 0.05 b 0.70 ± 0.02 b 油松+黄栌 0.82 ± 0.01 c 0.77 ± 0.02 ab 1.55 ± 0.03 a 0.87 ± 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) Table 2. Comparison of herbaceous plant diversity under different plant configurations of the quarry
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如图 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。
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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。
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如图 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。
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如图 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。
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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。
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 0~20 5.94 -0.09 5.17 9 2.91 5 20~40 -2.94 3.38 -2.26 10 侧柏 0~20 6.86 -0.81 5.91 1 11.29 1 20~40 6.26 -0.79 5.38 7 油松 0~20 6.36 -0.70 5.48 5 11.07 3 20~40 6.33 0.73 5.59 3 黄栌 0~20 6.17 1.07 5.47 6 10.82 4 20~40 5.94 1.92 5.35 8 油松+黄栌 0~20 6.39 0.96 5.66 2 11.19 2 Table 3. Evaluation of principal component analysis