李鵬飛, 張興昌, 朱首軍, 甄 慶, 張鵬輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

植被恢復(fù)對(duì)黑岱溝礦區(qū)排土場(chǎng)土壤性質(zhì)的影響

李鵬飛1, 張興昌2, 朱首軍1, 甄 慶2, 張鵬輝1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)為研究對(duì)象，為礦區(qū)的植被恢復(fù)和治理提供依據(jù)。[方法] 通過(guò)野外土壤剖面調(diào)查和采集土壤樣品，對(duì)9種植被恢復(fù)模式及對(duì)照區(qū)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定和分析，并通過(guò)土壤質(zhì)量指數(shù)計(jì)算，對(duì)不同植被恢復(fù)模式下土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。[結(jié)果] 各種植被類型均能有效地改良土壤。其中沙棘的容重最小，為1.35 g/cm3；油松+沙棘+錦雞兒的含水量最大，為13.32%；油松+楊樹(shù)+柳有機(jī)質(zhì)最高，為9.42 g/kg；油松+沙棘+錦雞兒土壤速效N和速效K含量均為最高，分別為21.32和90.21 mg/kg；錦雞兒土壤速效P含量最高，為6.47 mg/kg；沙棘和錦雞兒作為灌木的喬灌混交模式下土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值最高，單一種植沙棘以及錦雞兒的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值也較高。[結(jié)論] 種植沙棘、錦雞兒以及喬木、沙棘和錦雞兒的喬灌混交類型對(duì)該地區(qū)土壤復(fù)墾有重要作用。

黑岱溝礦區(qū); 排土場(chǎng); 土壤理化性質(zhì); 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

中國(guó)是一個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一，同時(shí)也是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。礦業(yè)生產(chǎn)給中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到不可忽視作用的同時(shí)也是一個(gè)破壞生態(tài)環(huán)境的過(guò)程,伴隨這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生地貌變遷、土壤侵蝕、土壤質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題。如何恢復(fù)土壤質(zhì)量,是建立植被恢復(fù)體系的關(guān)鍵技術(shù)。研究黃土高原區(qū)植被恢復(fù)不同植物群落土壤物理性狀和土壤營(yíng)養(yǎng)狀況,篩選改良土壤效果好的植物群落,可為提高恢復(fù)區(qū)土壤肥力提供技術(shù)依據(jù)[1-2]。

對(duì)礦區(qū)進(jìn)行土地復(fù)墾和植被恢復(fù)，可以使土地資源得到合理利用，更是對(duì)環(huán)境保護(hù)意義重大。通過(guò)對(duì)礦區(qū)排土場(chǎng)土壤特性的研究和分析，提出有利于改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的科學(xué)依據(jù)，從而維持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和持續(xù)健康的發(fā)展。露天礦土地復(fù)墾的目標(biāo)是重建永久穩(wěn)定的景觀地形，這種地形能夠在環(huán)境上與未破壞土地相協(xié)調(diào)一致，從而采取將采礦中破壞的土地因地制宜地恢復(fù)到所期望狀態(tài)的行動(dòng)和過(guò)程，通過(guò)復(fù)墾后的土地能對(duì)其所在地區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生促進(jìn)作用[3-6]。

內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天礦區(qū),長(zhǎng)期采煤嚴(yán)重破壞了原有生態(tài)系統(tǒng)的平衡,植被受損,動(dòng)物遷移,可耕土地面積下降,農(nóng)作物減產(chǎn),因此土地復(fù)墾成為恢復(fù)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的必要手段之一。本文以準(zhǔn)格爾旗黑岱溝露天煤礦為例,對(duì)復(fù)墾地不同恢復(fù)模式下的土壤理化性質(zhì)及相關(guān)性進(jìn)行測(cè)定與分析，以期為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦坐落于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，位于準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)東南方向約6 km處，處于黃河西岸，地理坐標(biāo)為111°13′—111°20′E，39°43′—39°49′N。海拔1 025～1 305 m，面積達(dá)52.11 km2，屬于晉、陜、蒙接壤黃土地區(qū)一部分，地表溝壑縱橫，水土流失較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境較差。

礦區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶詺夂颍募痉置?，冬季氣候寒冷且漫長(zhǎng)，夏季雨量集中，秋季涼爽、短促。日內(nèi)晝夜溫差較大，年平均溫度7.4 ℃，冬季極端最低溫度為-30.7 ℃，夏季極端最高氣溫38.2 ℃，10 ℃以上的年積溫為3 350 ℃。一般年內(nèi)無(wú)霜期從4月下旬開(kāi)始一直持續(xù)到10月下旬。全區(qū)年蒸發(fā)量較大，達(dá)到2 082 mm，然而年總降水量?jī)H為231～460 mm，年平均降水量為404 mm，月平均降水量為33.5 mm，年降水量分配不均勻，多集中在7，8，9月，此段時(shí)間降水量占到了全年降水量的60%～70%。

土壤主要是黃綿土和風(fēng)沙土,土壤肥力低,土層深厚,結(jié)構(gòu)不良,透水性、透氣性差[7-8]。

礦區(qū)內(nèi)植被蓋度低，且長(zhǎng)勢(shì)低矮，為暖溫型草原帶地帶性植被，其蓋度不足30%。由于礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致了天然植被已基本被破壞殆盡。目前礦區(qū)的植被以人工種植為主導(dǎo)地位，零星分布有天然植被。人工喬木林主要有楊樹(shù)(Populussp.)林、油松(PinustabulaeformisCarr.)林，人工灌木林以檸條(CaraganakorshinskiiKom.)和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)最為廣泛種植。草木犀(MelilotusofficinalisLedeb．)、冰草〔Agropyroncristatum(L.)Gaertn.〕、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.cv. Shadawang)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)等牧草作為人工草地的植物種植品種[8]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查后，試驗(yàn)樣地選設(shè)在黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)，選擇了不同植被恢復(fù)類型的樣地9個(gè),以及1個(gè)對(duì)照區(qū)。分別設(shè)置在海拔為1 185 m平臺(tái)，1 200 m坡，1 200 m平臺(tái)，1 230 m平臺(tái)，1 245 m坡以及1 275 m平臺(tái)。1 185 m平臺(tái)選擇油松、楊樹(shù)、柳(SalixbabylonicaL)混交林；1 200 m坡選擇油松、沙棘、錦雞兒(Caraganakorshinskii)混交；1200米平臺(tái)分別選擇單一種類植物配置楊樹(shù)(1998年)、油松、紫花苜蓿、沙棘、錦雞兒、楊樹(shù)(2004年)；1 230 m平臺(tái)選擇楊樹(shù)(2004年)；1 245 m坡選擇沙棘、山杏(Armeniacasibirica)和紫花苜?；旖?；1 275 m平臺(tái)為未復(fù)墾對(duì)照區(qū)。樣地詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

2.2 土壤樣品采集與分析

土壤采樣時(shí)間為2012年7月8日至2012年8月2日。采樣設(shè)置原則為：分別在不同樣地采集，每個(gè)樣地面積基本一致，約為20 m×20 m，每個(gè)樣地采用S形，隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，采用多點(diǎn)混合取樣法，每個(gè)采樣點(diǎn)分別設(shè)置3個(gè)剖面，保持每個(gè)點(diǎn)采樣深度一致，分別取0—10，10—20和20—40 cm的混合土樣。采樣前，首先清除樣地表面處落葉與雜物,采樣時(shí)為了避免上層土壤落下干擾下層取樣，采用從下到上的順序采樣。將采集樣品內(nèi)的石塊，植物根系等雜質(zhì)清理后，自然風(fēng)干后研磨，分別過(guò)1和0.25 mm篩，分別裝入密封袋內(nèi)待測(cè)。測(cè)定土壤容重和含水量時(shí)，每個(gè)樣地上設(shè)一個(gè)樣點(diǎn)，每層3次重復(fù)，用環(huán)刀取樣，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。按文獻(xiàn)中的方法對(duì)常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)定[5,9]。

表1 研究區(qū)樣地基本情況

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤含水量采用烘干法測(cè)定；pH值采用電位法，通過(guò)酸度計(jì)直接測(cè)定(1∶1水土浸提)；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)外加熱法；土壤速效N采用堿解擴(kuò)散法；土壤速效P采用0.5 mol/L碳酸氫鈉(NaHCO3)浸提—鉬銻鈧比色法；土壤速效K采用1 mol/L醋酸銨(NH4OAc)—火焰光度計(jì)法。

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型配置下土壤物理性質(zhì)的分析

由圖1(A—C)可以看出，各樣地容重在1.35～1.68 g/cm3范圍內(nèi)，對(duì)照區(qū)容重與不同植被恢復(fù)類型下土壤容重之間差異顯著。排序?yàn)椋?0號(hào)地(對(duì)照區(qū))>8號(hào)地(楊樹(shù)2004年)>4號(hào)地(油松)>3號(hào)地(楊樹(shù)1998年)>9號(hào)地(沙棘+山杏+苜蓿)>5號(hào)地(苜蓿)>1號(hào)地(油松+楊樹(shù)+柳)>2號(hào)地(油松+沙棘+錦雞兒)>7號(hào)地(錦雞兒)>6號(hào)地(沙棘)。結(jié)果表明，灌木對(duì)土壤容重的改良作用好于喬木，且以沙棘，錦雞兒效果最佳；喬木+灌木混交的模式相對(duì)于單一喬木也有較好的改良效果；8號(hào)地(楊樹(shù)2004年)>3號(hào)地(楊樹(shù)1998年)，表明隨著復(fù)墾年限增加，對(duì)容重改良效果越好。

各樣地土壤孔隙度在36.47%～49.10%范圍內(nèi)，對(duì)照區(qū)與不同植被恢復(fù)類型下土壤孔隙度孔隙度之間差異顯著。排序?yàn)椋?號(hào)地(沙棘)>7號(hào)地(錦雞兒)>2號(hào)地(油松+沙棘+錦雞兒)>1號(hào)地(油松+楊樹(shù)+柳)>5號(hào)地(苜蓿)>9號(hào)地(沙棘+山杏+苜蓿)>3號(hào)地(楊樹(shù)1998年)>4號(hào)地(油松)>8號(hào)地(楊樹(shù)2004年)>10號(hào)地(對(duì)照區(qū))。結(jié)果表明，種植沙棘和錦雞兒對(duì)土壤容重和土壤孔隙度有著明顯的改善作用，同時(shí)喬木+灌木混交模式對(duì)比與單一喬木種植也對(duì)改善土壤特性產(chǎn)生良好效果，隨著復(fù)墾年限增加，植被恢復(fù)對(duì)土壤改良效果更明顯。

油松+沙棘+錦雞兒樣地、沙棘、錦雞兒、沙棘+山杏+苜蓿樣地之間土壤含水量差異不顯著，各樣地與對(duì)照區(qū)含水量差異顯著。各樣地土壤含水量在4.74%～13.32%，排序?yàn)椋?號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)>6號(hào)樣地(沙棘)>7號(hào)樣地(錦雞兒)>4號(hào)樣地(油松)>9號(hào)樣地(沙棘+山杏+苜蓿)>5號(hào)樣地(苜蓿)>1號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)>3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)>8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)>10號(hào)樣地。結(jié)果表明：對(duì)照區(qū)內(nèi)含水量最低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)不同植被類型的恢復(fù)作用，土壤含水量均有不同程度改善。2號(hào)樣地喬木+灌木混交模式的(油松+沙棘+錦雞兒)含水量最高，單一灌木沙棘，錦雞兒由于具有較強(qiáng)的抗逆性和抗旱性，也有較高的含水量，對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤含水量具有明顯的改善作用。單一喬木含水量普遍較低，可能是由于其強(qiáng)烈的蒸騰作用導(dǎo)致其需水量較大。

3.2 不同植被類型配置下土壤化學(xué)性質(zhì)的分析

通過(guò)圖1(D—H)可以看出，所有樣地的土壤pH值均在8.0以上，均屬于堿性土壤，對(duì)照區(qū)pH值與不同植被類型下土壤pH值差異顯著。pH值在8.58～9.40范圍內(nèi)變化，變化范圍不大，6號(hào)樣地(沙棘)的pH值最小，為8.58；對(duì)照區(qū)的pH值最大，為9.40?？傮w來(lái)說(shuō)，該地區(qū)土壤呈堿性，由于影響土壤pH值變化的因素較多，諸如氣候，水文，地質(zhì)，土壤生物等因素，所以pH值的變化并沒(méi)有表現(xiàn)出一定規(guī)律性。相比于對(duì)照區(qū)，其他經(jīng)過(guò)植被恢復(fù)的樣地土壤pH值較低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)植被恢復(fù)，對(duì)土壤酸堿度有了一定的改良。

注：在LSD多重比較中，相同小寫字母表示差異不顯著，不同小寫字母表示差異顯著(p=0.05)。1為油松+楊樹(shù)+柳類型； 2為油松+沙棘+錦雞兒類型； 3為楊樹(shù)(1998年)類型； 4為油松類型； 5為苜蓿類型； 6為沙棘類型； 7為錦雞兒類型； 8為楊樹(shù)(2004年)類型； 9為沙棘+山杏+苜蓿類型； 10為對(duì)照區(qū)。

圖1 不同植被類型下土壤理化性質(zhì)

各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量在3.62～9.42 g/kg范圍內(nèi)，對(duì)照區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量與3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)、5號(hào)樣地(苜蓿)以及8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)之間差異不顯著，與其他植被類型樣地差異顯著。1號(hào)樣地最大，為9.42 g/kg；10號(hào)樣地最小，為3.63 g/kg。各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量排序?yàn)椋?號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)>2號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)>7號(hào)樣地(錦雞兒)>6號(hào)樣地(沙棘)>4號(hào)樣地(油松)>9號(hào)樣地(沙棘+山杏+苜蓿)>3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)>5號(hào)樣地(苜蓿)>8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)>10號(hào)樣地。1號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)和2號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)的土壤有機(jī)質(zhì)含量狀況良好，說(shuō)明油松作為一種喬木，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有著較好的改良作用，而且喬木+灌木的混交模式改良效果較好；沙棘和錦雞兒是改良土壤有機(jī)質(zhì)比較有效的兩種灌木；1998年種植楊樹(shù)有機(jī)質(zhì)含量高于2004年種植楊樹(shù)，說(shuō)明隨著復(fù)墾年限增加，有機(jī)質(zhì)含量也隨之增加。各類型植被恢復(fù)模式下土壤有機(jī)質(zhì)相比于對(duì)照區(qū)均有增加，說(shuō)明植被恢復(fù)對(duì)于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量有著不同程度的效果。

各樣地土壤速效N含量在6.84～21.32 mg/kg范圍內(nèi)，對(duì)照區(qū)土壤速效N含量與其他植被類型土壤速效N含量差異顯著。排序?yàn)椋?號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)>7號(hào)樣地(錦雞兒)>6號(hào)樣地(沙棘)>9號(hào)樣地(沙棘+山杏+苜蓿)>5號(hào)樣地(苜蓿)>1號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)>4號(hào)樣地(油松)>8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)>3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)>10號(hào)樣地。由此說(shuō)明通過(guò)植被恢復(fù)，土壤速效N含量得到提高，油松+沙棘+錦雞兒的喬木+灌木混交對(duì)于提高土壤速效N含量效果最好；錦雞兒、苜蓿等豆科植物也具有較好的固氮能力，沙棘雖然不是豆科植物，但也與某些固氮菌共生，這些固氮菌在沙棘的根系上生長(zhǎng)，形成根瘤，從而具有較強(qiáng)的固氮能力。這種特性，對(duì)于沙棘在惡劣境地生存具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

各樣地土壤速效P含量在2.58～6.47 mg/kg范圍內(nèi)，對(duì)照區(qū)土壤速效P含量與油松+楊樹(shù)+柳、楊樹(shù)(1998)、苜蓿、沙棘、沙棘+山杏+苜蓿樣地土壤速效P含量差異不顯著，與其他植被樣地土壤速效P含量差異顯著(p=0.05)。排序?yàn)椋?號(hào)樣地(錦雞兒)>2號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)>10號(hào)樣地>6號(hào)樣地(沙棘)>9號(hào)樣地(沙棘+山杏+苜蓿)>1號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)>5號(hào)樣地(苜蓿)>3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)>4號(hào)樣地(油松)>8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)。7號(hào)樣地(錦雞兒)，2號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)以及6號(hào)樣地(沙棘)速效P含量明顯高于其他樣地，說(shuō)明油松+沙棘+錦雞兒的喬灌混交模式、錦雞兒以及沙棘對(duì)改善速效P含量有良好效果。通過(guò)植被恢復(fù)，對(duì)于土壤中速效P含量有一定改善，然而能夠看出對(duì)照區(qū)土壤速效P含量并沒(méi)有處在最低水平，可能是由于對(duì)照區(qū)植被稀少，僅有少量草本植物，對(duì)P的吸收利用較少，且較易死亡，導(dǎo)致了P的歸還速率較快。楊樹(shù)的土壤速效P含量低說(shuō)明根系對(duì)P的利用程度較高，且難以歸還。

各樣地土壤速效K含量在23.52～90.21 mg/kg范圍內(nèi)，對(duì)照區(qū)土壤速效K含量與其他植被類型下土壤速效K含量差異顯著。排序?yàn)椋?號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)>6號(hào)樣地(沙棘)>7號(hào)樣地(錦雞兒)>5號(hào)樣地(苜蓿)>9號(hào)樣地(沙棘+山杏+苜蓿)>1號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)>8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)>4號(hào)樣地(油松)>3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)>10號(hào)樣地。10號(hào)樣地土壤速效K含量最低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)植被恢復(fù)，對(duì)土壤中速效K含量已經(jīng)產(chǎn)生改良效果；油松+沙棘+錦雞兒的喬灌混交模式依然具有最好的效果，沙棘、錦雞兒、苜蓿等也有較好的改良效果；油松較楊樹(shù)具有明顯改良效果。

3.3 不同植被類型配置下土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)能夠反映出土壤的綜合特性，因此采用了土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI)計(jì)算不同利用下的土壤綜合質(zhì)量。

3.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇 根據(jù)之前的研究結(jié)果并結(jié)合本試驗(yàn)的研究目的，選擇的指標(biāo)分別為：容重(X1)、含水量(X2)、孔隙度(X3)、有機(jī)質(zhì)(X4)、pH值(X5)、速效N(X6)、速效P(X7)、速效K(X8)。

3.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 在本研究中選用相關(guān)系數(shù)法確定權(quán)重[10]。具體的計(jì)算方法為：首先計(jì)算單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)(表2)，然后求某評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值，并以該平均值占所有評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比作為該單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表3)。

表2 土壤指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

注：*表示p<0.05，顯著相關(guān)； **表示p<0.01，極顯著相關(guān)。

表3 單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

3.3.3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

(1) 正相關(guān)S型隸屬度函數(shù)。這類因子的指標(biāo)值越高表明評(píng)價(jià)對(duì)象的質(zhì)量越好，但到一定臨界值后，其效用也趨于穩(wěn)定，其中含水量、孔隙度和養(yǎng)分屬于這類函數(shù)。其中x為實(shí)測(cè)指標(biāo)值，x1為實(shí)測(cè)指標(biāo)值下限，x2為實(shí)測(cè)指標(biāo)值上限。

參考中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T391—2000)以及前人研究結(jié)果[11]，確定該地區(qū)土壤pH值轉(zhuǎn)折點(diǎn)：x1為8.5，x2為8.6，x3為8.8，x4為8.9。

(3) 負(fù)相關(guān)S型隸屬度函數(shù)。這種類型因子的其指標(biāo)越高，評(píng)價(jià)對(duì)象質(zhì)量越差，土壤容重屬于此類函數(shù)。

3.3.4 土壤質(zhì)量指數(shù)(soil quality index,SQI )的計(jì)算采用如下公式：

對(duì)不同植被恢復(fù)下土壤各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬值和權(quán)重分別進(jìn)行計(jì)算，然后將兩者乘積進(jìn)行累加，即可得到土壤質(zhì)量指數(shù)及排序(表4)。

式中：SQI——土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)； Ci——各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值； Ki——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重； n——評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

表4 土壤綜合質(zhì)量指數(shù)SQI及排序

根據(jù)表4可知，各樣地按土壤綜合質(zhì)量指數(shù)得分排序?yàn)椋?號(hào)樣地(油松+沙棘+錦雞兒)>6號(hào)樣地(沙棘)>7號(hào)樣地(錦雞兒)>1號(hào)樣地(油松+楊樹(shù)+柳)>9號(hào)樣地(沙棘+山杏+苜蓿)>5號(hào)樣地(苜蓿)>4號(hào)樣地(油松)>8號(hào)樣地(楊樹(shù)2004年)>3號(hào)樣地(楊樹(shù)1998年)>10號(hào)樣地。1～9號(hào)樣地土壤質(zhì)量指數(shù)均大于10號(hào)樣地，說(shuō)明不同植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生了改良作用。油松+沙棘+錦雞兒的喬灌混交土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合得分最高，沙棘、錦雞兒也有較高的評(píng)價(jià)值，說(shuō)明喬木與沙棘、錦雞兒、苜蓿等固氮能力強(qiáng)的灌木混交模式有利于提高土壤質(zhì)量。喬木樣地得分較低，說(shuō)明該區(qū)域并不適宜大面積種植單一喬木。

4 討 論

4.1 植被恢復(fù)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重是表征土壤緊實(shí)度的重要參數(shù)，是土壤的一項(xiàng)重要物理特性，它會(huì)對(duì)土壤孔隙度和土壤滲透能力以及土壤水、肥、氣、熱交換能力產(chǎn)生影響[12-13]。土壤孔隙狀況影響土壤通透性，從而影響植被生長(zhǎng)狀況，是體現(xiàn)土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要保證，是土壤生物賴以生存的基礎(chǔ)，植物生長(zhǎng)需要從土壤中獲取水分，同時(shí)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也是通過(guò)土壤水分作為媒介吸收利用[14-15]。

沙棘和錦雞兒對(duì)土壤容重和土壤孔隙度有著明顯的改善作用，同時(shí)喬木+灌木混交模式對(duì)比與單一喬木種植也對(duì)改善土壤特性產(chǎn)生良好效果。這主要是由于沙棘和錦雞兒具有較好的固氮作用，且具有較多根系，對(duì)土壤起到一定的疏松作用，從而降低土壤容重，提高土壤孔隙度。喬木土壤孔隙度普遍偏低，可能是由于地上枯枝落葉是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，而喬木根系發(fā)達(dá)，死亡后進(jìn)入土壤較少，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量偏低，使土壤容重增大，孔隙度降低。林地土壤含水量較低是因?yàn)榱值貥?shù)冠蒸騰及耗水量較大所致;而灌木的土壤含水量較高主要是因?yàn)楣嗄九c林木相比具有較淺的根系和較小的冠層,故其蒸騰和耗水較小，另外,隨著植被恢復(fù)的不斷進(jìn)行,植被蓋度不斷增加和大量枯枝落葉層的累積,就像蓋了一層地膜,減少了地表徑流和地表蒸發(fā),增加了土壤的入滲和保水能力。

4.2 植被恢復(fù)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤pH值是一個(gè)基本化學(xué)指標(biāo)，是土壤肥力的影響因子之一。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來(lái)源。它也是土壤微生物必不可少的碳源和能源。一般來(lái)說(shuō)，土壤有機(jī)質(zhì)含量的多少，是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)[16]。土壤速效N就是可以直接被植物根系吸收的N，能夠反映土壤近期內(nèi)氮素的供應(yīng)情況，以及植被的利用情況。P是構(gòu)成植物生命不可或缺的重要元素，它可參與構(gòu)成核酸核蛋白，磷脂以及生化反應(yīng)所需要的酶。K有利于植物的光合作用，增強(qiáng)對(duì)氮的吸收能力，加速氮素、有機(jī)質(zhì)的代謝和轉(zhuǎn)化，還可增強(qiáng)植物抗逆性[16]。

不同恢復(fù)措施對(duì)土壤肥力質(zhì)量提高差異明顯，結(jié)果表明，沙棘、錦雞兒以及以沙棘和錦雞兒作為灌木的喬灌混交種植模式對(duì)提高該地區(qū)土壤速效N，P，K含量有良好效果，單一喬木林的效果稍差。這是由于該地區(qū)氣候條件基本能夠滿足一般旱生植物的需要,且生長(zhǎng)較為旺盛，生物量較大，低矮灌木每年都有大量枯枝落葉歸還給土壤，經(jīng)過(guò)腐殖化作用形成土壤有機(jī)質(zhì)，礦化分解釋放出速效養(yǎng)分。而多年生喬木主要是吸收土壤中的大量養(yǎng)分來(lái)維持自身生長(zhǎng)發(fā)育，構(gòu)成活的生命有機(jī)體，歸還給土壤的枯枝落葉和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少，根系的死亡腐解較少，致使?fàn)I養(yǎng)元素有所降低。

不同植被類型的土壤理化性質(zhì)有一定的差別，各種植被類型中，以種植單一高大喬木植被類型對(duì)土壤的改良效果最差。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，錦雞兒和沙棘以及同其他植被混交對(duì)土壤性質(zhì)的改良作用優(yōu)于喬木純林，因此，在露天煤礦復(fù)墾地進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)，引進(jìn)豆科或具有固氮作用的植物，根據(jù)植被特性，實(shí)行適當(dāng)比例的喬、灌混交十分重要。

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)植被恢復(fù)，黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)土壤各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)均有改善。說(shuō)明經(jīng)過(guò)植被恢復(fù)，排土場(chǎng)內(nèi)土壤特性已經(jīng)得到了改良。

(2) 不同植被恢復(fù)類型均對(duì)土壤酸堿度產(chǎn)生了改良效果。有機(jī)質(zhì)含量處于3.62～9.42 g/kg，(油松+楊樹(shù)+柳)樣地含量最高，為9.42 g/kg；速效N含量處于6.84～21.32 mg/kg，(油松+沙棘+錦雞兒)樣地含量最高，為21.32 mg/kg；速效P含量處于2.58～6.47 mg/kg，(錦雞兒)樣地含量最高，為6.47 mg/kg；速效K含量處于23.52～90.21 mg/kg，(油松+沙棘+錦雞兒)樣地含量最高，為90.21 mg/kg。

(3) 各樣地土壤容重處于1.35～1.68 g/cm3，其中(沙棘)樣地的容重最小，為1.35 g/cm3；土壤含水量處于4.74%～13.32%，(油松+沙棘+錦雞兒)樣地的含水量最大，為13.32%。

(4) 通過(guò)SQI公式對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得知：沙棘，錦雞兒以及喬木和沙棘和錦雞兒的喬灌混交種植模式對(duì)于提高該地區(qū)土壤綜合質(zhì)量有良好效果。

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Effects of Vegetation Restoration on Soil Properties in Heidaigou Mine Dump

LI Pengfei1, ZHANG Xingchang2, ZHU Shoujun1, ZHEN Qing2, ZHANG Penghui1

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] In order to provide the basis for vegetation restoration and management in mining area, Heidaigou opencast coal mine dump north in Zhunge’er Banner, Inner Mongolia was selected as the research object. [Methods] We investigated soil profile and collected soil samples by field surveys. Soil physical and chemical properties were analyzed and compared under 9 different vegetation restoration patterns and control plot. Soil quality was evaluated by calculating soil quality index(SQI ) under different vegetation restoration patterns. [Results] All vegetation types effectively improved soil quality. Soil bulk density was the minimum inHippophaerhamnoidesLinn. shrub, which was 1.35 g/cm3. Soil moisture content was the maximum in forest composed ofPinustabulaeformisCarr. +H.rhamnoidesLinn.+CaraganakorshinskiiKom., which was 13.32%. Soil organic content was the maximum in forest composed ofP.tabulaeformisCarr. +Populussp+SalixbabylonicaL, which was 9.42 g/kg. Soil available N and available K contents were the highest in forest composed ofP.tabulaeformisCarr.+H.rhamnoidesLinn.+C.korshinskiiKom., which was 21.32 and 90.21 mg/kg, respectively. Soil available P was the highest inC.korshinskiiKom shrub, which was 6.47 mg/kg. The best soil quality occurred in mixed vegetation composed ofH.rhamnoidesLinn. andC.korshinskiiKom. Single croppingH.rhamnoidesLinn. shrub orC.korshinskiiKom. Shrub also improved soil quality. [Conclusion] Mixed forests of trees and shrubs composed ofH.rhamnoidesLinn.，C.korshinskiiKom.，H.rhamnoidesLinn. andC.korshinskiiKom. play important role in soil reclamation.

Heidaigou mine; dump; physical and chemical properties of soil; comprehensive evaluation of soil quality

2014-05-26

2014-08-01

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“晉陜蒙能源基地受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建關(guān)鍵技術(shù)與示范”(KZCX2-XB3-13)

李鵬飛(1987—),男(漢族),甘肅省天水市人,碩士研究生,主要從事與水土保持工程及其相關(guān)研究。 E-mall:gstslpf4334@163.com。

朱首軍(1965—),男(漢族),江蘇省沛縣人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事林業(yè)生態(tài)工程和水土保持工程方面的研究工作。 E-mall:zhushoujun@nwsuaf.edu.cn。

A

1000-288X(2015)05-0064-07

S151.9， X825