李丹雄,趙廷寧,張艷,馮晶晶

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

采石廢棄地是指采石場(chǎng)在其完成或終止采石功能之后,所遭受到破壞、不經(jīng)治理將無(wú)法使用的土地[1]。近幾十年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,各項(xiàng)土建工程相繼動(dòng)工,各地采石場(chǎng)、取土場(chǎng)的數(shù)量猛增,采石場(chǎng)所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益受到人們的高度重視。根據(jù)第3次全國(guó)水土流失普查數(shù)據(jù)[2],“十五”期間因大量的采石、挖砂、取土等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)造成的擾動(dòng)地表面積5.53萬(wàn)km2,棄土棄渣量達(dá)92.1億t。近年來(lái),從采石廢棄地的造林技術(shù)[3]、巖石邊坡植被與土壤的關(guān)系研究[4]到如何重建采石場(chǎng)的生態(tài)系統(tǒng)[5],越來(lái)越多的專家學(xué)者對(duì)采石廢棄地植被恢復(fù)做了大量的研究工作[6-8];但是,仍有很多問(wèn)題需要改進(jìn),如植物種選擇的任意性、復(fù)綠方式的單一性等[9]。采石場(chǎng)的地形地貌比較特殊、復(fù)雜,排土場(chǎng)、采石邊坡、泥石堆等采石場(chǎng)常見(jiàn)立地的土壤理化性質(zhì)大不相同[10],單一的、統(tǒng)一化的植被恢復(fù)方法并不完全適用。據(jù)有關(guān)專家[11]推測(cè),礦山植被自然恢復(fù)進(jìn)展比較緩慢,一般需要100年以上的時(shí)間;因此,要因地制宜,針對(duì)采石廢棄地的各種立地類型特點(diǎn),采取不同的植被恢復(fù)方法。

對(duì)立地類型進(jìn)行分類、評(píng)價(jià)是研究和掌握立地植被的生長(zhǎng)環(huán)境及其對(duì)植被和植被生產(chǎn)力影響的重要途徑[12],也是加快植被恢復(fù)的關(guān)鍵所在。立地類型劃分在造林地上使用較多[12-14],隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,采礦業(yè)的興起,立地條件類型劃分也開(kāi)始被用于加快礦山的植被恢復(fù)。目前用于劃分采石場(chǎng)立地類型的方法有Fuzzy聚類分析[15]、主成分 聚類分析結(jié)合[16]等,而立地質(zhì)量評(píng)價(jià)多用于有林地,對(duì)于無(wú)林地的研究較少[12],常用的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有專家打分法、層次分析方法等。為了加快采石場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù),筆者通過(guò)對(duì)太行山北段東麓采石廢棄地的植被恢復(fù)影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析,劃分采石廢棄地的立地類型并進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為植被恢復(fù)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)東麓采石廢棄地地處華北平原太行山脈北段,位于北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)婁子水村與黃院村附近,地理坐標(biāo) E115°53′～115°55′、N39°39′～39°41′,海拔 70 ～250 m,面積范圍約 100 hm2,屬于露天采石場(chǎng),主要出產(chǎn)石灰石、石板材料等。

研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),四季分明。多年平均氣溫12.1℃,其中1月份最低,平均-4℃,7、8月份最高,平均26℃。多年平均降水量700 mm,年平均水面蒸發(fā)量1 800 mm,年際與年內(nèi)降水分布不均衡,年內(nèi)降雨多集中在7—9月份。巖石種類以灰綠色千枚狀板巖為主,土壤為棕褐土。研究區(qū)山坡中上部土層厚度在10～20 cm之間,中下部土層厚度在30 cm左右,山前為沖積平原,土壤層較厚,均在30 cm以上,肥力較好。周口店河為主要河流,全長(zhǎng)15 km,流域面積達(dá)58 km2。受當(dāng)?shù)亟邓绊?河流在7、8月份才達(dá)到正常水位。研究區(qū)的地下水徑流和排泄條件好,交替強(qiáng)烈,地下水屬于石灰?guī)r裂隙水。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地選取

2011年7—8月,在野外實(shí)地踏查及資料收集的基礎(chǔ)上,采用典型樣地法,在研究區(qū)不同海拔、坡向、坡度的坡面上共選取39個(gè)樣地;用GPS進(jìn)行樣地定位、編號(hào),并調(diào)查坡向、坡度、坡長(zhǎng)、土石比等微立地因子[17];根據(jù)典型樣地的坡面情況,沿坡面上、中、下部位,分別設(shè)置3個(gè)小樣方,其中草本樣方面積1 m×1 m,灌木樣方面積5 m×5 m,喬木樣方面積10 m×10 m;調(diào)查每個(gè)樣方內(nèi)植被的植物名稱、數(shù)量、平均高度、種蓋度、冠幅和總蓋度等。

2.2 土壤樣品采集及測(cè)定

在每個(gè)樣方中心,采集0～30 cm的混合土樣,取回將其風(fēng)干后采用精密酸度計(jì)測(cè)定pH值,用1 mol/L的NH4AC浸提、原子吸收法測(cè)定速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù),用NaHCO3(pH值8.5)浸提法測(cè)定有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù),用重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),用甲種比重計(jì)速測(cè)法測(cè)定土壤顆粒組成。

2.3 立地因子選取及立地劃分

研究區(qū)樣地相對(duì)集中,海拔相差不大,年降雨量、氣溫變化、地貌類型等變化較小,不需要列為研究區(qū)影響植被恢復(fù)的主要限制因子。根據(jù)野外調(diào)查及資料分析結(jié)果,篩選出研究區(qū)的主要限制因子有坡度X1/(°)、土壤層厚度X2/cm、植物種數(shù)X3、植被覆蓋度X4/%、植物平均高度X5/cm、土壤pH值X6、土壤質(zhì)地X7、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)X8/(g·kg-1)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)X9/(mg·kg-1)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)X10/(mg·kg-1)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) X11/(g·kg-1)、土石比X12/%、坡面長(zhǎng)度X13/m和坡向X14等。

根據(jù)文獻(xiàn)[16-19]對(duì)邊坡立地條件劃分的研究經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合調(diào)查情況,采用Spearman相關(guān)分析方法對(duì)立地因子進(jìn)行相關(guān)性分析,并采用主成分分析、聚類分析等方法劃分立地類型。

2.4 因子評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

立地質(zhì)量評(píng)價(jià)常被用于造林地、宜林地的立地條件評(píng)價(jià)[20-21]。根據(jù)采石廢棄地的特殊地形及主成分分析結(jié)果,參考前人的研究經(jīng)驗(yàn)[22],擬定了適用于研究區(qū)立地條件的因子評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(表1),然后根據(jù)公式Wi=λi/∑λi來(lái)確定因子的權(quán)重,最后采用質(zhì)量評(píng)價(jià)法計(jì)算出研究區(qū)的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。式中:λi為第i個(gè)主成分的特征根;Wi為第i個(gè)主成分的權(quán)重。

表1 因子評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表Tab.1 Factor scoring standard

2.5 數(shù)據(jù)處理

本文所有的數(shù)據(jù)均使用Excel 2013、SPSS 21.0等軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 立地因子相關(guān)性分析

將篩選出的立地因子數(shù)量化、中心化處理,進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表2。可知,14個(gè)因子之間的相關(guān)關(guān)系多以正相關(guān)為主,呈正顯著關(guān)系的因子居多,如土壤層厚度(9正1負(fù))、植物種數(shù)(9正)、植被覆蓋度(9正)、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10正1負(fù))、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10正1負(fù))、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(9正1負(fù))、土石比(9正1負(fù))等。

表2 立地因子的相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Correlation analysis of site factors

在這些相關(guān)性顯著的因子中,植物種數(shù)和植被覆蓋度可描述植被狀況,土壤層厚度、土石比、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可描述立地條件與土壤特性。其中,已有的植被能夠?yàn)楹笃诘闹脖换謴?fù)提供種子來(lái)源,并對(duì)目前立地的土壤理化性狀起到一定的改善作用。土壤條件對(duì)植被的發(fā)芽、生長(zhǎng)、發(fā)育等影響較大,土壤條件良好的立地,植物生長(zhǎng)快,植被恢復(fù)較好,而土壤條件差的則反之。

此外,由表2可知,坡度與植物平均高度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土石比、坡面長(zhǎng)度等均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明在植被恢復(fù)過(guò)程中,坡度越大,其他因子對(duì)于植被恢復(fù)的不利影響也越明顯,因此需要考慮削坡、降低坡度等措施。

3.2 采石廢棄地植被恢復(fù)的主要限制因子分析

采石廢棄地的立地條件往往都比較惡劣,找出植被恢復(fù)的限制性因子尤為關(guān)鍵。根據(jù)Blcakman的限制因子定律[23],在生態(tài)環(huán)境中,某個(gè)環(huán)境因子過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)植被的生長(zhǎng)起到抑制作用。有研究[24-25]表明,坡度、海拔、坡面長(zhǎng)度、土壤層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤質(zhì)地、年降水量、土壤硬度、地表破壞程度等是采石廢棄地植被恢復(fù)的主要限制因子。本文根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果,將調(diào)查樣地的14個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)量化、標(biāo)準(zhǔn)化后,采用主成分分析方法,得到前 5 個(gè)主成分 F1、F2、F3、F4、F5的方差累積貢獻(xiàn)率為77.38%(＞75%),基本包含了原來(lái)指標(biāo)的信息。其中,在KMO和Bartlett的球形度檢驗(yàn)中,Kaiser-Meyer-Olkin度量等于0.659(＞0.5),sig.＜0.01。因此,構(gòu)建這5個(gè)主成分與各指標(biāo)關(guān)系式如下:

從以上關(guān)系式可以看出,第1主成分代表土壤肥力情況(土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的系數(shù)＞0.25),第2主成分表示土壤的水分持有能力(土壤層厚度、土石比的系數(shù)＞0.30),第3主成分表示地形特征(坡度、坡面長(zhǎng)度、坡向的系數(shù)分別為 -0.460、0.376、-0.328),第4主成分為土壤顆粒組成(土壤質(zhì)地的系數(shù)為0.835),第5主成分為土壤pH值(系數(shù)為0.807)。

由此可見(jiàn),土壤狀況及地形因子等是研究區(qū)植被恢復(fù)比較關(guān)鍵的限制性因子,這與尹金珠等[4]、王瓊等[24]的研究相一致。并且還發(fā)現(xiàn),采石創(chuàng)面的大小及破損程度影響了表層土壤,改變了小地形,從而間接影響了植被的生長(zhǎng)與分布。

圖1 聚類分析樹(shù)狀圖Fig.1 Cluster analysis

3.3 采石廢棄地立地類型劃分

將立地因子采用歐氏距離、組間聯(lián)接的方法進(jìn)行聚類分析,結(jié)果如圖1所示。根據(jù)聚類分析過(guò)程中由聚合系數(shù)畫出的變化曲線圖所呈現(xiàn)的分類拐點(diǎn)[26],并結(jié)合實(shí)際的調(diào)查情況,將39個(gè)樣地的立地劃分成8類(表3)。

第Ⅰ類:低山帶陽(yáng)坡/半陰半陽(yáng)坡向土石混合體堆體邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度40°),坡面上的石塊多,土壤理化性質(zhì)差,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,植物種數(shù)少,植物長(zhǎng)勢(shì)不良。

第Ⅱ類:低山帶陽(yáng)坡/半陰半陽(yáng)坡向“V”型山谷邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度31°),坡面上的石塊少,土壤層較厚,土壤理化性質(zhì)一般,植物種數(shù)較多,植物長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良。

第Ⅲ類:低山帶陽(yáng)坡向山麓堆體邊坡,該類立地的邊坡較緩(平均坡度25°),短坡,坡面上的石塊較多,土壤層厚度較薄,土壤理化性質(zhì)差,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,植物種數(shù)少,植物長(zhǎng)勢(shì)不良。

第Ⅳ類:低山帶陽(yáng)坡/半陰半陽(yáng)坡向山麓邊坡,該類立地的邊坡較緩(平均坡度22°),坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質(zhì)良好,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,植物種數(shù)多,植物長(zhǎng)勢(shì)良好。

第Ⅴ類:低山帶半陰半陽(yáng)坡向山脊較緩邊坡,該類立地的坡度較平坦(平均坡度5°),邊坡較長(zhǎng),坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質(zhì)良好,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,植物種數(shù)較多,植物長(zhǎng)勢(shì)良好。

第Ⅵ類:低山帶陰坡向山脊較陡邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度35°),邊坡較長(zhǎng),坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質(zhì)良好,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,植物種數(shù)多,但植物長(zhǎng)勢(shì)較差。

第Ⅶ類:低山帶半陰半陽(yáng)坡向“U”型山谷邊坡,該類立地的邊坡較緩(平均坡度13°),邊坡長(zhǎng)達(dá)50 m,坡面上的石塊極少,土壤層厚度較厚,土壤理化性質(zhì)良好,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,植物種數(shù)多,植物長(zhǎng)勢(shì)良好。

第Ⅷ類:低山帶陰坡向山麓邊坡,該類立地的坡度較陡(平均坡度60°),坡面上的石塊較多,土壤層厚度一般,土壤理化性質(zhì)良好,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,植物種數(shù)較多,植物長(zhǎng)勢(shì)良好。

表3 研究區(qū)采石場(chǎng)立地類型劃分及其特征表Tab.3 Quarry site type classification and list of features

3.4 采石廢棄地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)

研究區(qū)的立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。可知:綜合得分≥24的立地條件較好,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在70 g/kg以上,土壤理化性質(zhì)較好,土壤層厚度＞50 cm,表土礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少,地上植物種數(shù)達(dá)17種,植物長(zhǎng)勢(shì)良好;綜合得分20～24的立地條件一般,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35～70 g/kg之間,土壤理化性質(zhì)良好,土壤層厚度＞80 cm,表土礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少,地上植被較多,植物種數(shù)達(dá)15種,植物長(zhǎng)勢(shì)一般;綜合得分18～20的立地條件較差,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20～35 g/kg之間,土壤理化性質(zhì)較差,土壤層厚度＞140 cm,表土礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少,地上植物種數(shù)達(dá)18種;綜合得分＜18的立地條件很差,坡度較陡,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低(小于15.0 g/kg),土壤理化性質(zhì)差,土壤顆粒較粗,碎石塊多,土壤以砂質(zhì)土居多,土壤層較薄,坡面保水保土性能差,不利于植被生長(zhǎng)。

表4 研究區(qū)采石場(chǎng)立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果_Tab.4 Quarry site quality evaluation

4 結(jié)論與建議

1)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤層厚度和地形特征等是研究區(qū)植被恢復(fù)的主要限制性因子,同時(shí)也是采石廢棄地上判斷某一立地條件優(yōu)劣的重要因子,這些因子受采石干擾程度的影響極大。

2)研究區(qū)采石廢棄地可劃分成8類立地類型:Ⅰ低山帶陽(yáng)坡/半陰半陽(yáng)坡向土石混合堆體邊坡、Ⅱ低山帶陽(yáng)坡/半陰半陽(yáng)坡向“V”型山谷邊坡、Ⅲ低山帶陽(yáng)坡向山麓堆體邊坡、Ⅳ低山帶陽(yáng)坡/半陰半陽(yáng)坡向山麓邊坡、Ⅴ低山帶半陰半陽(yáng)坡向山脊較緩邊坡、Ⅵ低山帶陰坡向山脊較陡邊坡、Ⅶ低山帶半陰半陽(yáng)坡向“U”型山谷邊坡、Ⅷ低山帶陰坡向山麓邊坡。

3)研究區(qū)采石場(chǎng)8類立地類型可劃分為4類:第1類邊坡的立地條件較好,綜合得分≥24,植物種數(shù)達(dá)17種,植物長(zhǎng)勢(shì)良好,這樣的坡面非常適宜植被生長(zhǎng),不需要人工輔助措施,植被能生長(zhǎng)良好;第2類邊坡的立地條件稍差,綜合得分20～24,土壤理化性質(zhì)良好,只需采取封育措施,植被能自然恢復(fù)起來(lái);第3類邊坡的立地條件較差,綜合得分18～20,植被生長(zhǎng)情況一般,需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯は髌?、客土等技術(shù)措施方能促進(jìn)植被恢復(fù);第4類邊坡的立地條件較為惡劣,綜合得分＜18,地面碎石塊較多,土壤理化性質(zhì)較差,土壤層厚度較薄,不利于植被生長(zhǎng),急需進(jìn)行人工削坡、地面平整、客土等人工輔助技術(shù)措施才能加快植被恢復(fù)。