馮晶晶, 張成梁, 趙廷寧, 榮立明

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083; 2.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所, 北京 100089)

壓實(shí)對(duì)礦區(qū)廢棄土壤含水量及植物生長(zhǎng)的影響

馮晶晶1, 張成梁2, 趙廷寧1, 榮立明2

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083; 2.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所, 北京 100089)

摘要：[目的] 探究不同壓實(shí)處理對(duì)礦區(qū)廢棄土壤含水量及植物生長(zhǎng)的影響，為有效利用采石場(chǎng)廢棄物和城市固體廢棄物、改善礦區(qū)立地條件、進(jìn)行植被修復(fù)提供依據(jù)。 [方法] 將礫石和城市固體廢棄物按體積8∶2混合后進(jìn)行不同程度壓實(shí)處理，進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)。 [結(jié)果] 壓實(shí)顯著提高基質(zhì)含水量，減小各層含水量差異。隨著壓實(shí)程度增加，植物主要耗水層上移。不同植物受到壓實(shí)的影響不同，刺槐和苜蓿在重度壓實(shí)條件下生長(zhǎng)明顯受阻，側(cè)柏生長(zhǎng)量增加。植物在中等強(qiáng)度的壓實(shí)條件下，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)自身，適應(yīng)環(huán)境。 [結(jié)論] 一定程度的壓實(shí)能獲得理想的植物保存率和生長(zhǎng)量，壓實(shí)技術(shù)可以運(yùn)用在廢棄采石場(chǎng)植被修復(fù)工作中。

關(guān)鍵詞：壓實(shí); 土壤含水量; 城市固體廢棄物; 刺槐; 側(cè)柏; 苜蓿

露天采石破壞原生植被和土壤結(jié)構(gòu)，使景觀破碎化，生態(tài)更脆弱的斑塊邊緣增加，物種更容易消失。廢渣堆積占用大量土地造成土地浪費(fèi)，不經(jīng)處理還會(huì)發(fā)生水土流失、滑坡、坍塌和泥石流地址災(zāi)害[1]。在中國(guó)南方地區(qū)，廢棄采石場(chǎng)需要8～10 a時(shí)間自發(fā)地從蕨類群落演替到喬灌木群落，灌木群落自發(fā)地演替到喬木群落需要20 a，演替瓶頸是由早期惡劣的非生物脅迫造成的[2]。廢棄采石場(chǎng)余下大量碎石，利用這些碎石進(jìn)行植被修復(fù)將同時(shí)解決廢渣堆積造成的土地浪費(fèi)、污染和水土流失問(wèn)題。石礫孔隙大，保水力差，養(yǎng)分缺乏，直接種植植物難以成活。城市固體廢棄物是另一種大量占地、造成環(huán)境污染和損害的待利用廢物，其中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分，現(xiàn)在堆肥后的垃圾已經(jīng)作為廉價(jià)而且環(huán)保的肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上[3]。試驗(yàn)[4]證明，添加城市固體廢棄物對(duì)火災(zāi)后的森林植被恢復(fù)有積極作用。土壤壓實(shí)通常被認(rèn)為是土壤退化的表現(xiàn)，對(duì)森林植物[5]或農(nóng)作物[6]造成負(fù)面影響。但也有研究表明，壓實(shí)通過(guò)增加松散土壤與根系的接觸，提高了大豆[7]、玉米[8]的產(chǎn)量。Gomez等[9]的試驗(yàn)表明，沙土壓實(shí)可以提高土壤可利用水量，促進(jìn)北美黃松的生長(zhǎng)。此外，壓實(shí)減小了石礫和垃圾的體積，節(jié)約土地資源。由于碎石混合垃圾土后壓實(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)有利有弊，一定程度的壓實(shí)可能對(duì)植物生長(zhǎng)有利。

1研究區(qū)概況

試驗(yàn)在輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所生態(tài)修復(fù)科研基地進(jìn)行。其位于北京市昌平縣馬池口鎮(zhèn)亭子莊村，經(jīng)緯度為40°9′56.73″N，116°9′1.04″E，海拔57 m。暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量620 mm，且主要集中在6—8月。

2試驗(yàn)方法

2012年4月布設(shè)5個(gè)長(zhǎng)5 m，寬3 m，深1 m的試驗(yàn)槽。將礫石及城市固體廢棄物按體積8∶2均勻混合后，填入試驗(yàn)槽，使用振動(dòng)夯(電機(jī)型號(hào)為YSH90L-2，功率為2.2 kW)按體積等差壓實(shí)，標(biāo)記為T1—T5，T1為對(duì)照，基質(zhì)自然沉降。T2，T3，T4，T5容重分別為對(duì)照容重1.25，1.5，1.75，2倍。固體廢棄物經(jīng)過(guò)篩分處理，去除粒徑>10 mm的顆粒。各試驗(yàn)區(qū)分別沿對(duì)角線等距離布設(shè)3根長(zhǎng)1 m的土壤水分管，于2012年8月至2013年8月使用Diviner 2000土壤水分輪廓儀測(cè)量10—100 cm深度土壤體積含水量(SWC)。每試驗(yàn)區(qū)播種刺槐(Robiniapseudoacacia)54株、苜蓿(Medicagosativa)30株，穴栽1 a生側(cè)柏(Platycladusorientalis)60株。2013年10月統(tǒng)計(jì)植株保存率，刺槐、側(cè)柏株高、地徑，苜蓿株高、地上生物量(鮮重)。當(dāng)上一層SWC下降不伴隨下一層SWC增加的情況下，認(rèn)為SWC減少是由于植物消耗，減少值記為耗水量。

使用SPSS 19進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用SPSS 19及WPS表格作圖。以壓實(shí)程度和土層深度為自變量，年均SWC(非正態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算Z得分)為因變量做方差分析，使用全年各層SWC數(shù)據(jù)根據(jù)Euclidean距離對(duì)土層進(jìn)行聚類。計(jì)算生長(zhǎng)季(6—10月)各層耗水量，用配對(duì)非參數(shù)檢壓實(shí)度及土壤層次對(duì)耗水量的影響，根據(jù)Euclidean距離聚類。壓實(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)量的影響使用k樣本Kruskal-wallis檢驗(yàn)。

3結(jié)果與分析

3.1　壓實(shí)對(duì)土壤含水量的影響

方差分析表明，壓實(shí)程度、土壤層次及交互作用對(duì)年均SWC影響顯著(p<0.01)，偏η2分別為0.728，0.248和0.562，說(shuō)明壓實(shí)程度對(duì)年均SWC影響最大，壓實(shí)顯著增加年均SWC，其次為壓實(shí)程度×土壤層次的交互作用，再次為土壤層次的作用。聚類分析結(jié)果表明，T1土壤水主要集中在60—90 cm，SWC為2.25%～5.21%；T2土壤水主要集中在20，60，70 cm，SWC為3.45%～5.26%；T3土壤水主要集中在50，80，90 cm，SWC為4.68%～10.39%；T4土壤水主要集中在40 cm，SWC為7.50%；T5除了10，90 cm含水量較低外，其余各層含水量較高，SWC為9.10%～15.58%(圖1)。由于植物在自然選擇中對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[10]，植物根系響應(yīng)環(huán)境刺激，在水分和養(yǎng)分充足的地方增加[11]。根據(jù)SWC的垂直分布，預(yù)測(cè)植物會(huì)優(yōu)先選擇含水量高的淺層土壤水，在含水量及水分運(yùn)輸距離之間權(quán)衡。

3.2　壓實(shí)對(duì)植物耗水的影響

忽略土壤蒸發(fā)，當(dāng)上一層土壤含水量不伴隨下一層土壤含水量增加的情況下，認(rèn)為各層土壤含水量減少是由于植物根系吸收。經(jīng)非參數(shù)檢驗(yàn)，100 cm內(nèi)總耗水量?jī)HT1和T5顯著差異(p=0.03)，T5約是T1的兩倍。盡管T1和T3，T4處理在100 cm內(nèi)平均含水量顯著差異，其耗水量差異不顯著；T2和T5在100 cm內(nèi)平均含水量顯著差異，其耗水量差異不顯著。非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，各土層耗水量差異顯著(p<0.01)。根據(jù)聚類分析結(jié)果，將土層劃分為主要耗水層和非主要耗水層。T1的主要耗水層為60—90 cm，耗水量大小順序表現(xiàn)為：70 cm>90 cm>80 cm>60 cm。T2的主要耗水層為40—70 cm，耗水量大小順序表現(xiàn)為：60 cm>70 cm>50 cm>40 cm。T3的主要耗水層為90 cm，但50，60，80 cm平均耗水量都較高。T4的主要耗水層為40—60 cm，耗水量40 cm>50 cm>60 cm。T5的主要耗水層為20—30 cm，10，40—80 cm均有耗水，90和100 cm耗水較少(圖2，表1)。盡管T1—T4耗水量差異不顯著，但植物獲取水分的土壤層次有差別。在所有試驗(yàn)區(qū)中，只有T5的主要耗水層不包括SWC最高的土層(40 cm)。

圖1各土層土壤水分聚類分析結(jié)果圖2生長(zhǎng)季各層土壤耗水量聚類分析結(jié)果

總體來(lái)看，隨著壓實(shí)程度的增加，植物根系主要耗水層逐漸變淺，說(shuō)明植物根系分布逐漸變淺。然而，SWC本身也會(huì)影響植物根系的分布。Pregitzer等[12]認(rèn)為，植物淺層細(xì)根的主要功能是吸收分布表層的礦物和有機(jī)質(zhì)，深層根系的主要功能是支持和運(yùn)輸水分。Ho等[13]的試驗(yàn)表明根系在垂直分布上存在權(quán)衡，根系的最優(yōu)分布要根據(jù)資源的稀缺性和分布。根據(jù)Le Roux等[14]的研究結(jié)論，草本和木本植物都從淺層土壤中獲取大部分的水分，只有在嚴(yán)重水分脅迫下，主要耗水層才轉(zhuǎn)變到更深的土層。因此，根系分布深度隨壓實(shí)程度變淺或許部分歸因于壓實(shí)增加的SWC。

3.3　壓實(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

總體上看，刺槐保存率隨壓實(shí)度下降，側(cè)柏保存率隨壓實(shí)度上升，側(cè)柏保存率高于刺槐(表2)。刺槐生長(zhǎng)速率高于側(cè)柏。不同壓實(shí)程度下，刺槐株高、地徑差異顯著，均隨壓實(shí)度增加而下降。不同壓實(shí)程度下，側(cè)柏株高、地徑差異不顯著，株高僅T1(最低)、T4(最高)在0.05水平上差異顯著，T1，T3地徑較低，與T4差異顯著。苜蓿株高、鮮重隨壓實(shí)度增加顯著下降 (表3，圖3)。

表1　不同壓實(shí)處理植物生長(zhǎng)季

表2　不同壓實(shí)處理喬木保存率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3　不同壓實(shí)處理植物生長(zhǎng)量

注：相同小寫字母表示同列在0.05水平上差異顯著； 相同大寫字母表示同列在0.01水平上差異顯著。

圖3　不同壓實(shí)處理苜蓿鮮重

根據(jù)張華[1]的研究，容重為對(duì)照1.75倍的壓實(shí)處理有利于植物生長(zhǎng)，但本研究結(jié)果表明，壓實(shí)對(duì)植物地上部生長(zhǎng)量影響具有種間差異。壓實(shí)顯著降低刺槐和苜蓿地上部生長(zhǎng)量，提高側(cè)柏的地上部生長(zhǎng)量，與Alameda和Villar[15]的研究結(jié)果一致，均發(fā)現(xiàn)常綠植物比落葉植物較少受到壓實(shí)的影響。土壤壓實(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)的不利影響來(lái)自兩個(gè)方面。一方面，壓實(shí)減小孔隙，限制根系發(fā)育，使根系局限在淺層土壤，影響空氣、水分和養(yǎng)分吸收[16]。另一方面，受到機(jī)械阻抗的根系生成化學(xué)信號(hào)，如ABA[17]和乙烯[18]，傳輸?shù)降厣喜糠钟绊懮L(zhǎng)，這種信號(hào)甚至可能在脅迫發(fā)生之前就已經(jīng)產(chǎn)生，在這種情況下，植物地上部生長(zhǎng)抑制可能是一種保守的生存策略，并非來(lái)自環(huán)境脅迫對(duì)生長(zhǎng)造成的直接損害。側(cè)柏在壓實(shí)區(qū)長(zhǎng)勢(shì)良好可能是因?yàn)镾WC增加，也可能是因?yàn)閲?yán)重壓實(shí)區(qū)的刺槐長(zhǎng)勢(shì)較差，導(dǎo)致種間競(jìng)爭(zhēng)較少。與刺槐相比，側(cè)柏表現(xiàn)出強(qiáng)有力的根系特點(diǎn)，當(dāng)小孔隙限制了根系生長(zhǎng)，根尖就要施加足夠的力量生長(zhǎng)壓力移動(dòng)或破壞土壤。值得注意的是，T2和T3區(qū)3種植物其生長(zhǎng)量均接近，可能是植物在多種不利條件(壓實(shí)帶來(lái)的土壤機(jī)械阻抗、通氣不足、干旱)及有利條件(土壤與根系接觸增加、養(yǎng)分增加、競(jìng)爭(zhēng)減少)之間獲取微妙的平衡，這說(shuō)明植物自身有調(diào)節(jié)作用[19]。

4結(jié) 論

(1) 壓實(shí)顯著增加SWC，但對(duì)植物耗水量沒有顯著影響，僅T1和T5差異顯著。隨著壓實(shí)程度增加，植物趨向于使用淺層土壤水分。

(2) 植物對(duì)壓實(shí)的響應(yīng)具有種間差異。壓實(shí)明顯限制了刺槐和苜蓿的生長(zhǎng)，但對(duì)側(cè)柏生長(zhǎng)有較弱的積極影響，說(shuō)明壓實(shí)技術(shù)運(yùn)用在礦區(qū)植被修復(fù)時(shí)物種選擇的重要性，不同物種對(duì)壓實(shí)有不同的響應(yīng)。植物自身具有調(diào)節(jié)作用，一定程度的壓實(shí)能獲得理想的植物保存率和生長(zhǎng)量，減少土地資源浪費(fèi)，防止松散堆積物可能發(fā)生的水土流失危害。

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Influences of Compaction on Soil Water Content and Plant Growth

FENG Jingjing1， ZHANG Chengliang2， ZHAO Tingning1， RONG Liming2

(1.SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.EcologicalRestorationResearchBaseofBeijingEnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beijing100089,China)

Abstract：[Objective] Using municipal solid waste and coarse gravels which were produced during quarrying process and were left in the abandoned mines can produce a new growth substrate for plants. The effects of different compaction degrees on that kind of soil moisture content and the plants growing on it were researched to find ways to improve the disadvantageous site condition. [Methods] Mixtures of gravels and municipal solid waste(8∶2 by volume) were compacted to different extents and its effects on soil water content and plant growth were studied. [Results] Soil water content was significantly enhanced by compaction and the differences among soil layers decreased. The layers that plants consumed water from upper under severer compaction. Plants responded differently to compaction. Aboveground growths of Robinia pseudoacacia and Medicago sativa were significantly declined in compacted soils, but the growth of Platycladus orientalis showed a sign of increase. The growths of all three species in two moderately compacted soils implied that plants can acclimate themselves to habitant. [Conclusion] A certain degree of compaction is suitable for plant growth, and compaction can be applied during revegetation in abandoned quarries.

Keywords:compaction; soil water content; municipal solid waste; Robinia pseudoacacia; Platycladus orientalis; Medicago sativa

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0213-05

中圖分類號(hào)：X751

通信作者：趙廷寧(1962—),男(漢族),河北省陽(yáng)原縣人,教授,主要從事工程綠化方面的研究。E-mail:zhtning@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-07-26修回日期：2014-08-26

資助項(xiàng)目：北京市科學(xué)技術(shù)研究院市級(jí)財(cái)政項(xiàng)目“新工程II-3:石油類污染物污染場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與原位修復(fù)技術(shù)集成與應(yīng)用”(PXM2014_178203_000001)

第一作者：馮晶晶(1989—),女(漢族),廣東省湛江市人,博士研究生,主要研究方向?yàn)楣こ叹G化。E-mail:staatstionnoit@sina.com。