趙方瑩，蔣延玲

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083;2.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100083;3.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100093)

礦業(yè)開發(fā)是人類重要的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，為我國經(jīng)濟(jì)的迅速增長做出了主要貢獻(xiàn)，但它也產(chǎn)生了大量的廢棄地并引起了一系列的環(huán)境問題，尤其是生態(tài)環(huán)境的破壞，如水土流失、植被減少、土地退化、物種消失、自然災(zāi)害增加等一系列環(huán)境問題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求日趨強(qiáng)烈，因此而造成的生態(tài)環(huán)境破壞問題也日趨嚴(yán)重。到2004年底，與采礦有關(guān)的退化土地面積達(dá)到3.2×106hm2，使中國土地資源不足的狀況更加惡化。礦山廢棄地的恢復(fù)始于20世紀(jì)70年代后期，但恢復(fù)進(jìn)展緩慢。到20世紀(jì)末中國的采礦已經(jīng)產(chǎn)生了3.0×106hm2的廢棄地[1]，而且這一數(shù)值還在以每年4.67×106hm2的驚人速度繼續(xù)增長[2]。礦區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建是在國際上備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，也是退化生態(tài)系統(tǒng)與恢復(fù)生態(tài)學(xué)以及工礦區(qū)水土保持研究的重要內(nèi)容之一[3]。在礦區(qū)進(jìn)行植被建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)涵養(yǎng)水源、改良土壤和蓄水保土的水土保持功能[4-13]。植被不同層次(如喬木、灌木、草本，地上、地下部分等)的水文效應(yīng)不同，在礦山廢棄地的植被恢復(fù)過程中選擇不同的種類搭配其水文效應(yīng)亦有差異。當(dāng)前關(guān)于植被水文效應(yīng)的研究多是關(guān)注某個(gè)植被類型或某個(gè)物種整體的水文效應(yīng)，尚缺乏對一個(gè)植被類型內(nèi)部不同植物層次及植物不同部分水文效應(yīng)的定量比較研究。本試驗(yàn)擬通過去除植被不同組成部分，并施以人工降雨的方法來揭示植被不同層次的水土保持功能，總結(jié)相關(guān)規(guī)律為礦山廢棄地植被恢復(fù)和水土流失治理中植物的選配和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣地概況

模擬試驗(yàn)在北京市密云縣城東15 km的北京首云鐵礦(東經(jīng) 117°01′54″，北緯 40°22′51″)內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)是華北平原與蒙古高原的過渡地帶，氣候?qū)儆谂瘻貛О敫珊禋夂騾^(qū)，四季分明。春季干旱多風(fēng)、少雨;夏季炎熱多雨;秋季天高氣爽;冬季干旱寒冷、少雪。年平均氣溫10℃左右，7月最高氣溫38℃，1月最低氣溫-22℃。年平均降水量550 mm，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量1 482～2 200 mm。土壤主要為棕壤和褐土，土層較薄。

樣地選在礦區(qū)第一排土場西部的棄渣坡面下方，海拔110 m，坡向東，坡度30°。土石渣層厚約10 m。0—30 cm土壤容重1.55 g/cm3。樣地內(nèi)沒有喬木樹種，主要是灌木植物胡枝子(Lespedeza bicolor)及草本植物地梢瓜(Cynanchum thesioides)、狗尾草(Setaria viridis)和委陵菜(Potentilla chiniese)等組成的灌草群落，覆蓋率達(dá)70%(表1)，地表無明顯的枯枝落葉層。

表1 樣地內(nèi)植被基本情況

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用自制的針頭式人工降雨發(fā)生器模擬降雨過程。發(fā)生器規(guī)格為100 cm×200 cm，高度設(shè)置在距地面2 m處。調(diào)整好供水水箱與降雨發(fā)生器之間的高差，同時(shí)對雨強(qiáng)進(jìn)行率定，直至設(shè)定的降雨強(qiáng)度為止，并保持水箱內(nèi)水位基本穩(wěn)定不變。本研究采用北京礦區(qū)常見能夠產(chǎn)流引起土壤侵蝕的雨強(qiáng)0.5 mm/min[14-16]。

將規(guī)格為60 cm×130 cm的不銹鋼徑流小區(qū)槽箱沿著與水平面垂直的方向嵌入已選定的代表性樣地內(nèi)，盡量不擾動(dòng)槽箱內(nèi)的土壤和植被。先讓土壤水分達(dá)到充分飽和狀態(tài)，然后開始實(shí)施人工降雨。依次按照原始灌草層、去除草本地上部分、去除草本根系、去除灌木地上部分和去除灌木根系的順序進(jìn)行植被處理，每次處理后將土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原始狀態(tài)。每種處理?xiàng)l件下降雨持續(xù)30 min，總降雨量為10 133 ml。在徑流小區(qū)下方的出水口用燒杯承接地表徑流和泥沙。

2.2 試驗(yàn)觀測及分析方法

用量杯每5 min收集計(jì)算一次地表徑流量，每個(gè)處理連續(xù)收集計(jì)算6次;對每次的徑流樣品進(jìn)行烘干稱重計(jì)算土壤侵蝕量(侵蝕量=徑流量×泥沙含量);用0.001 g電子天平稱取植物組織鮮重并在80℃烘干24 h稱其干重。

利用Excel 2007對試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)繪圖，利用SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(方差分析)和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被不同層次水文調(diào)控效應(yīng)

試驗(yàn)表明，植被具有明顯的保水作用。原始灌草層、去除草本地上部分、去除草本根系、去除灌木地上部分和去除灌木根系后樣方在30 min降雨過程中的總徑流量分別為:1 296，1 369，1 505，2 097和2 468 ml，對照裸地的總徑流量為3 060 ml。根據(jù)以下公式分別計(jì)算灌草植被不同層次的蓄水效應(yīng)和在減少徑流中的貢獻(xiàn)率:

計(jì)算結(jié)果表明，植被可以使該地區(qū)土壤地表徑流減少1 764 ml，總的蓄水效應(yīng)可達(dá)57.65%。其中灌木地上/地下、草本地上/地下各組分的蓄水效應(yīng)分別為31.47%/19.35%和 4.44%/2.39%(表 2)。灌木層在減少徑流的過程中發(fā)揮著最大的作用，其貢獻(xiàn)率達(dá)88.15%，這與灌木在植被中所占的比重大有關(guān)。灌木和草本植物地上部分的蓄水效應(yīng)均比根系大，計(jì)算單位生物量的蓄水效應(yīng)結(jié)果表明，植物地上部分每單位生物量的蓄水效應(yīng)是地下部分的1.13倍，說明在減少地表徑流方面，植物地上部分發(fā)揮著主要的作用。地上部分可以直接通過對降雨的截留從而減少到達(dá)地面的水分，并可減緩雨水對地表的沖刷強(qiáng)度，因而極大地減少了地表的徑流量。而根系對減少地表徑流的作用相對小一些。單位生物量的灌木和草本植物的蓄水效應(yīng)比較接近，灌木植物稍大于草本植物。

表2 植被不同層次的水文效應(yīng)

3.2 植被不同層次對土壤的減蝕效應(yīng)

植被的存在可以明顯地減少徑流中的泥沙含量，但不同植被處理?xiàng)l件下的徑流泥沙含量有著明顯的差異。根據(jù)以下公式分別計(jì)算植被不同層次的減蝕效應(yīng)和在減蝕作用中的貢獻(xiàn)率:

裸土的徑流泥沙含量為12.73 g/L，而有灌木和草本覆蓋條件下徑流的泥沙含量僅為0.63 g/L，減蝕效應(yīng)達(dá)到93.55%，說明植被在防止土壤侵蝕方面發(fā)揮著巨大的作用。灌木地上/地下和草本地上/地下的減蝕效應(yīng)分別為36.34%/54.28%和0.79%/2.14%(表3)。

表3 植被不同層次的減蝕效應(yīng)

灌木植物在減蝕過程中發(fā)揮主要作用，其減蝕貢獻(xiàn)率達(dá)到96.86%，這不僅與其在植被中占的比重有關(guān)。從單位生物量的減蝕效應(yīng)來看，灌木每單位生物量的減蝕效應(yīng)是草本植物的5.3倍，這與灌木復(fù)雜、多層次的地上和地下結(jié)構(gòu)有關(guān)。植物根系部分的減蝕能力比地上部分強(qiáng)，這不僅與植物地下生物量較大有關(guān)，而且還與植物地上/地下部分在減少土壤侵蝕中的作用有關(guān)。在減蝕過程中，植物地上部分的作用是減緩雨水對地面的沖刷強(qiáng)度，從而減少了濺蝕量，而根系通過附著作用而阻滯雨水帶走更多的泥沙。

4 結(jié)論

(1)植被在固土保水方面發(fā)揮著重要的作用。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，灌草植被可以減少57.65%的地表徑流和93.55%的土壤流失，可見植被的蓄水減蝕作用顯著。因而在礦山恢復(fù)中，應(yīng)以栽植植被為主要修復(fù)方法。

(2)不同植物的固土保水作用存在著差異，灌木的蓄水和減蝕效應(yīng)分別是草本植物的7.4倍和30.9倍。這不僅是由于灌木植物在整個(gè)植被中所占的比重較大，而且與植物的形態(tài)、生理生態(tài)特性等因素有關(guān)。每單位生物量的固土保水效應(yīng)計(jì)算結(jié)果表明，灌木的蓄水效應(yīng)是草本植物的1.13倍，而減蝕效應(yīng)則二者差異很大，灌木是草本植物的5.3倍。說明灌木植物在固土保水方面比草本植物發(fā)揮著更大的作用。

(3)植物的不同部分之間在蓄水減蝕效應(yīng)上也有差異。地上部分通過對降雨的截留作用來緩沖雨水對地面的沖刷，地下龐大的根系阻礙水分和土壤的流失。在保水方面，植物地上部分的蓄水效應(yīng)是地下部分的1.65倍，說明植物的地上部分在保水方面發(fā)揮的作用較大。在固土方面，則地下部分的減蝕效應(yīng)是地上部分的1.52倍說明植物的地下部分在固土方面發(fā)揮的作用更大。因而在礦山廢棄地植被恢復(fù)選擇植物種類時(shí)，應(yīng)注意選擇冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、根系發(fā)達(dá)的種類。

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