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

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: P_i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，H_max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。

（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。

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。

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。

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。

Figure 2.  Soil bulk densities after different vegetation

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。

Figure 3.  Soil porosities after different vegetation restoration

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。

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。

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。