張 燕, 高 翔, 潘 葉, 楊曉輝

(南京大學 地理與海洋科學學院, 南京210023)

生態(tài)修復對采礦廢棄地土壤性質的影響

張 燕, 高 翔, 潘 葉, 楊曉輝

(南京大學 地理與海洋科學學院, 南京210023)

以南京幕府山采礦廢棄地生態(tài)修復為例，探討生態(tài)修復如何影響采礦廢棄地土壤的性質。研究結果表明：生態(tài)修復在先的廢棄地土壤有機質含量相對高，因修復模式不同，同一時期修復的土壤有機質含量存在差異；土壤pH值與土壤容重主要取決于修復覆蓋的土壤性質，且隨修復時間增加，容重降低，而修復植被的生長也影響土壤pH值與土壤容重；土壤水文效應則主要取決于覆土厚度，其次是土壤孔隙度，而土壤孔隙度與土壤容重也與修復植被有關。

采礦廢棄地; 生態(tài)修復; 土壤性質; 土壤水文效應; 南京幕府山

土壤是植被健康生長的重要生態(tài)因子，對植被恢復起著重要作用，同時，修復植被也會影響土壤理化性質，相同修復時間、不同地點或不同修復時間、相同地點的土壤性質不同，不同修復措施(覆土厚度、植被類型)對土壤性質的影響也不同。因此，研究生態(tài)修復對土壤性質的影響(養(yǎng)分及水文效應)，可掌握生態(tài)修復過程中土壤性狀的變化，為植被恢復提供理論依據。

現有很多關于林地土壤養(yǎng)分及土壤水文效應的研究[1-4]，主要是針對人工林在某一時點土壤養(yǎng)分、土壤pH值[1-2]及水源涵養(yǎng)能力[3-4]在空間上的水平差異或是垂直差異；國外以修復歷史較長、不同類型礦區(qū)的植物物種的組成和變化、土壤結構和養(yǎng)分含量變化等作為監(jiān)測指標，研究礦區(qū)生態(tài)修復的實際效果[5-6]，國內對煤礦排土場復墾后的土壤肥力評價[7-8]與質量演變研究較多[9-10]，但針對城市采石礦山廢棄地生態(tài)修復多年后的真實修復效果的監(jiān)測與評價研究較少，對其生態(tài)修復地土壤理化性質及其土壤水文效應的研究更少。我們在南京幕府山通過野外調查、實地觀測、采樣和室內分析，對不同立地、不同修復時期的土壤性質(如土壤pH值、有機質、容重、水分等)的差異性進行了系統(tǒng)分析，以揭示不同生態(tài)修復模式及修復時間對幕府山礦山廢棄地土壤性質的影響，并著重對比不同修復措施的生態(tài)修復效果，以期為實現植被恢復與重建及撫育管理提供指導，對類似城市礦山廢棄地生態(tài)修復提供參照。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

幕府山位于江蘇省南京市主城區(qū)北部長江之濱(118°44′58″—118°51′06″E，32°07′47″—32°10′00″N)，屬北亞熱帶濕潤氣候；土壤為黃棕壤，因成土母質為石灰?guī)r，土壤呈中性或偏堿性；植被具有暖溫帶和亞熱帶的雙重特點[11-12]。幕府山有優(yōu)質的白云石與石灰石，這里的采石業(yè)曾經是南京的重要產業(yè)，采石超過21億t，為南京經濟做出了貢獻。但50多年大規(guī)模無序開采，夷平了海拔205 m的主峰，還留下一個50萬m2的深陷大坑，導致巖石裸露、植被退化、地表蓄水能力下降，生態(tài)環(huán)境破壞；采礦活動在幕府山留下了大量人為地形，主要有緩坡與平地、階梯狀平臺、邊坡、絕壁類型。自1998—2001年，南京市政府先后關停全部9個采石場與4個垃圾場[11]；針對不同地形的特點，采用了不同的修復模式：對由長期傾倒礦渣、建筑與生活垃圾堆積而成的緩坡與平地，采用客土覆蓋后穴植的修復模式；對采礦形成的階梯狀裸巖平臺，采用人工打大穴、客土栽植的修復模式；對由廢棄尾礦(碎石殘渣)堆積而成的邊坡及由采礦形成的裸露巖石邊坡，采用魚鱗坑整地、客土覆蓋、大密度栽植小苗木的修復模式；對采石場宕口形成的絕壁，采用鑿石挖槽覆土及輪胎織網覆土后垂直綠化的修復模式。歷經15 a實施10期生態(tài)修復工程及森林撫育，已將昔日滿目瘡痍的礦場修復成了景色秀美的南京幕燕風景名勝區(qū)的一部分。

1.2 土壤采樣點布設

根據幕府山自然狀況及生態(tài)修復工程時序與布局，在現場踏勘的基礎上，布設了19個樣地。采樣點的基本情況見表1。廢棄地修復所用覆土均是研究區(qū)外運來的客土，其中樣點S06土壤為南京玄武湖隧道施工棄土；S07，S08，S09土壤為南京玄武湖隧道施工棄土與黃土的混合；其余均為用黃土覆蓋。

表1 南京幕府山土壤采樣點基本情況

1.3 土壤樣品采集

土壤調查采用剖面法。在各樣地內挖1個土壤剖面，測量土層厚度。據現場觀察，樣地土壤均沒有明顯分層現象，故在0—30 cm土層采集約1 kg土壤，裝入布帶，在實驗室對土壤進行風干、分檢、研磨、過篩，以備土壤理化性質分析使用。同時，用體積為100 cm3環(huán)刀采集原狀土，密封后帶回實驗室。

1.4 土壤理化性質測試

用比重計法測土壤機械組成，用電極法測土壤pH值，用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測有機質含量[13]；土壤水文效應用環(huán)刀中的原狀土壤，用烘干法測土壤容重[13]，用環(huán)刀浸泡法測非毛管孔隙、毛管孔隙、總孔隙度、土壤含水率、飽和持水量、有效持水量及最大持水量等物理性質[14]。

2 結果與分析

2.1 土壤質地

幕府山多數為壤土；樣地S10，S11和S12為砂土；僅一個樣地(S15，自然雜木林)為黏土，該樣地是由母巖為紅色砂巖發(fā)育的土壤，比較粘重。

2.2 土壤pH值

土壤pH值可直接或間接影響植被生長，且植被生長也會影響土壤pH值，因此，土壤pH值可指示礦山廢棄地生態(tài)修復效果。

由表2可見，多數樣本屬于中性土壤，占樣品總數的78.95%；2個樣本為微酸性土壤，占樣品總數的10.53%，其中，樣地S08種植的是雪松，雪松凋落物中含有較多不易分解的樹脂、木素等，分解產生的富里酸水溶液呈強酸性[15]，該樣地土壤呈酸性可能是雪松林地土壤演化的累積效應；微堿性土壤也只有2個樣本，占樣品總數的10.53%，其中，樣地S19邊坡上種植的多種植物生長勢不佳?？傮w上看，幕府山樣地土壤酸堿性差異很小，變異系數僅7.35%。對照南京公園綠地土壤pH值[16]，幕府山土壤pH值的分布基本為正態(tài)分布，偏斜與峰度均很低；與南京紫金山南坡不同海拔屬于強酸性與弱酸性的土壤[2]相比，幕府山土壤pH值基本是中性。因此，幕府山在生態(tài)修復中應選擇適應于土壤屬于pH值中性、偏弱堿性的物種。

表2 南京幕府山土壤性質測定數據

2.3 土壤有機質

土壤有機質含量對土壤結構、土壤理化性質、土壤碳儲量及土壤肥力有重要影響，有機質含量少，土壤結構及保水保肥能力差(表2)。

生態(tài)修復前，幕府山礦山廢棄地的有機質含量非常低，平均值僅為3.27 g/kg，最高也只有4.13 g/kg[12]。由表可見，生態(tài)修復有效提高了土壤有機質含量，從而改善了土壤結構，為植物生長提供了良好的基礎。

在幕府山，生態(tài)修復工程開展越早的樣地，土壤有機質相對越高，1999年第一期修復樣地S1的土壤有機質為18.16 g/kg，而2008年第十期修復樣地S14僅為7.08 g/kg，兩者相差2.56倍?？萋湮镄罘e量越高，土壤有機質越多，2003年第五期生態(tài)修復樣地S08，林下枯落物厚度相對厚(20 mm)，蓄積量多(3.69 t/hm2)，腐殖質增加，土壤有機質高。同期生態(tài)修復的樣地土壤有機質含量也存在差異，原因可能是林地植被長勢好壞引起的，同是第二期生態(tài)修復的樣地S02與S03，兩者相差近2倍；也可能是林分差異引起的，同是2005年第七期生態(tài)修復的樣地S10與S11，前者種植的主要是楓香，后者種植的是柳、刺槐、女貞，前者土壤有機質僅為后者的54.5%。未受人類干擾的自然次生雜木林地的土壤有機質含量最高。無論是自然恢復的草地還是人工種植的草地土壤有機質都相對較高，主要原因在于草地的根系豐富，地表覆蓋度高；而自然恢復林地的土壤有機質比草地低。

與南京公園綠地土壤有機質含量[16]相比，幕府山土壤有機質含量不高，有機質含量標準偏差與變異相對低些，偏度與峰度基本相同。根據南京市土壤有機質分級標準[16]，將幕府山土壤有機質與南京市公園綠地土壤有機質按各等級進行統(tǒng)計，并計算各等級樣品所占比例，結果見圖1。

圖1幕府山與南京市公園綠地土壤有機質比較

由圖可見，幕府山樣地土壤有機質含量中等偏低，土壤有機質處于4—6級的樣品占總樣品數的68.42%，處于1—2級的樣品占總樣品數的15.79%。而南京市公園綠地土壤有機質處于4—6級的樣品僅占總樣品數的31.09%；處于1—2級的樣品占總樣品數的55.04%，所占比例超過一半。與紫金山南坡不同海拔土壤有機質含量(平均值為52.03 g/kg)[2]比較，幕府山的土壤有機質含量比較低，原因主要在于生態(tài)修復的時間還較短，改善土壤肥力有待時間累積。

2.4 土壤水文效應

水分是植物生長必需的物質，也是土壤的重要組成部分，在土壤物質轉化過程中起著重要作用，影響著土壤結構形成和土壤養(yǎng)分的有效性。受修復工程使用的覆蓋土壤類型、修復植被類型、植被根系及地表枯落物等影響，修復后的土壤具有獨特的土壤特征及水文效應。土壤物理性質的好壞直接決定土壤涵養(yǎng)水源能力，而土壤容重與孔隙度及蓄水能力是反映土壤物理性質的重要參數。

2.4.1 土壤容重 土壤容重是反映土壤緊實度及熟化程度的敏感指標，可指示土壤質地、結構、透氣與透水性能以及保水、肥力能力。當土壤質地相同時，容重小，表明土壤疏松，孔隙度較大，透氣、透水性能好，土壤持水保肥能力好，土壤結構有利于攔蓄降水；且隨土壤熟化程度提高，土壤容重逐漸降低。

幕府山樣地土壤容重在0.79～1.68 g/cm3范圍內變化(圖2)。一般認為，土壤容重在1.1～1.3 g/cm3為最佳[15]，幕府山有7個土壤樣品在此范圍，占比為38.9%；2個樣品土壤容重<1.1 g/cm3，占比11.1%；6個樣品土壤容重在1.4～1.5 g/cm3范圍，占比33.3%；3個樣品土壤容重>1.5 g/cm3，占比16.7%。

圖2南京幕府山土壤容重

幕府山用于生態(tài)修復的覆蓋土壤成分與物理性質差異較大，如建筑棄土與建筑垃圾混合的三合土，土壤團聚性低，緊實度高，土壤粘重，且有機質含量低，故土壤容重較大；而玄武湖底泥覆蓋的林地則土壤有機質含量相對較高，土壤容重也相對低些。

此外，生態(tài)修復種植的樹種與組合差異，也導致了林下土壤表層枯落物組成、分解狀況和地下根系的生長發(fā)育存在差異，影響土壤孔隙的發(fā)育，從而造成土壤物理性質的差異。

由圖2可見，不同修復模式的林地土壤容重存在差異，表現在隨修復時間增加，林下枯落物的蓄積與分解，以及地下根系的生長發(fā)育，早期修復的林地土壤的容重相對低些；且落葉林下土壤容重低于常綠林。

2.4.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度有土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度3個指標，3者可綜合反映土壤通氣、透水和持水能力。毛管孔隙具有毛細作用，具有輸導與保持水分的作用，因此，土壤持水和供水能力主要取決于毛管孔隙度，毛管孔隙度越大，土壤有效水的貯存量越多，用于維持植物自身生長發(fā)育的水分越多；又因為土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動的主要通道，土壤滲水和透氣能力主要取決于此，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，越有利于降水下滲，削減地表徑流，涵養(yǎng)水源。通常認為，土壤總孔隙度為50%，且毛管孔隙為30%～40%，非毛管孔隙為20%～10%時，土壤結構比較理想；若總孔隙>60%～70%，則過分疏松，不利于立苗與保肥保水；若非毛管孔隙<10%，則土壤透氣與滲水性能差[15]。

幕府山修復土壤毛管孔隙度在30.58%～57.97%，平均為43.99%；非毛管孔隙度在1.43%～6.48%，平均為2.64%(表2)，可見，幕府山修復土壤的非毛管孔隙較低，透氣與滲水性較差。

修復土壤的毛管孔隙度從大至小排列順序為：落葉林>灌木林>草地>常綠林，說明落葉林土壤中可用于樹木生長發(fā)育的有效水分最多。非毛管孔隙度從大至小排列順序為：草地>落葉林>灌木林>常綠林，說明草地土壤涵養(yǎng)水源作用最強?？偪紫抖葟拇笾列∨帕许樞驗椋郝淙~林>草地>灌木林>常綠林，無論是人工草地還是自然恢復草地，由于草本植物根系茂盛，導致表層土壤空隙較大，土壤總孔隙度較高。

2.4.3 土壤蓄水能力 土壤的蓄水能力取決于土壤厚度和土壤孔隙度，毛管孔隙中的水分可長時間保持在土壤中，有利于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)；非毛管孔隙可快速吸收降水并及時下滲，有利于水源涵養(yǎng)[3]。幕府山不同樣地土壤含水量與持水能力測定值見表2。由表2可見，不同修復時期的礦山廢棄地的土壤非毛管孔隙度與蓄水能力、蓄水性能存在差異。

幕府山土壤有效持水量主要取決于生態(tài)修復時覆土層厚度，其次才是非毛管孔隙度大小。土壤有效持水量從大到小的排列順序為：落葉林>常綠林>草地>灌木林，其中，混交林(樣地S11)有效持水量最大，為363 t/hm2，說明該種林地的持水能力最強。

土壤最大持水量也主要取決于生態(tài)修復時的覆土層厚度，其次才是總毛管孔隙度大小。土壤最大持水量從大到小的排列順序為：落葉林>常綠林>灌木林>草地，其中，落葉闊葉林(樣地S07)最大持水量最大(4 726.6 t/hm2)；自然恢復草地(樣地S16)最大持水量最小(891.6 t/hm2)，兩者土壤貯蓄水分潛在能力相差5.3倍。因此，生態(tài)修復中，要覆蓋一定厚度的土壤，才能確保生態(tài)修復后的植被健康生長。

3 結 論

城市礦山廢棄地生態(tài)修復所用覆蓋土壤的類型與成分決定了生態(tài)修復后土壤的性質，如土壤質地、容重、有機質、土壤pH值等。幕府山修復土壤多數為壤土，少部分為砂土，修復土壤有利于植被的生長。幕府山廢棄地修復土壤的容重變異較大，用建筑棄土覆土的廢棄地，土壤容重較大，且有機質含量低，而用玄武湖底泥覆土的廢棄地，土壤容重相對低些，且土壤有機質含量相對較高。修復土壤pH值多數屬于中性或微堿性，且土壤酸堿性差異很小，因此，生態(tài)修復中，宜選擇適于土壤中性、偏弱堿性的物種。

生態(tài)修復種植的植物對廢棄地土壤的理化性質也進行了改造。幕府山植被修復有效提高了土壤有機質含量，改善了土壤結構，從而為植物生長提供了良好的基礎。

不同修復措施(覆土厚度、修復植被類型)與植被長勢好壞也會引起土壤理化性質差異。幕府山同期進行生態(tài)修復的廢棄地，林分及林木長勢差異造成土壤有機質含量不同；草地比林地土壤有機質高些；林下枯落物蓄積量越多，土壤有機質越高。雪松林則形成林下微酸性土壤。不同類型的林地土壤容重也存在差異，落葉林下土壤容重低于常綠林。

生態(tài)修復時序對廢棄地的土壤理化性質有累積效應。與南京市公園綠地及紫金山相比，幕府山修復廢棄地土壤有機質含量中等偏低，是因為生態(tài)修復時間較短，改善土壤肥力有待時間累積。生態(tài)修復工程開展越早，土壤有機質相對越高，其中，未受人類干擾的自然次生雜木林的土壤有機質含量最高；隨修復時間增加，林下枯落物的蓄積與分解及地下根系的生長發(fā)育，早期修復林地土壤的容重相對低些。

生態(tài)修復所用覆蓋土壤類型、修復措施會影響廢棄地土壤水文效應。幕府山修復廢棄地土壤的非毛管孔隙度較低，土壤透氣與滲水性較差。從植被類型看，落葉林地土壤毛管孔隙度最高，土壤可用于樹木生長發(fā)育的有效水分最多；草地土壤非毛管孔隙度與總孔隙度較高，土壤涵養(yǎng)水源作用強。且不同植被類型下，土壤蓄水性能也存在較大差異，土壤有效持水量是混交林最大，最大持水量為落葉闊葉林最大。這里的土壤有效持水量主要取決于生態(tài)修復時覆土層厚度，其次才是非毛管孔隙度大??；土壤最大持水量也主要取決于生態(tài)修復時覆土層厚度，其次才是總毛管孔隙度大小。

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EffectsofEcologicalRestorationonSoilPropertiesofAbandonedLandsinMiningArea

ZHANG Yan, GAO Xiang, PAN Ye, YANG Xiaohui

(SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

Based on a case study of ecological restoration of abandoned lands in mining area of Mufu Mountain in Nanjing, the influences of ecological restoration on the soil properties of abandoned lands in mining area were analyzed. The results showed that the earlier ecologically restorated abandoned lands were, the higher soil organic matter content was; the soil organic matter contents were different at the same restoration period due to different restoration modes; soil pH and soil bulk density mainly depended on the properties of the cover soil, soil bulk density decreased with the increase of the restoration duration; and vegetation growth in abandoned lands of the mining area also affected soil pH and soil bulk density; hydrological effects of soil primarily depended on the thickness of cover soil, followed by soil porosity, and the soil porosity and soil bulk density were related to the vegetation restoration.

abandoned lands in mining area; ecological restoration; properties of soil; hydrological effects of soil; Mufu Mountain in Nanjing

2016-01-03

：2016-04-23

國家自然科學基金(41271467，40771186)

張燕(1962—),女,江蘇南京人,副教授,博士,主要從事資源與環(huán)境的教學與研究。E-mail:zhangynju@sina.com

楊曉輝(1989—),女,山東曲阜人,博士,主要從事環(huán)境地理方向的研究。E-mail:yangxiaohuiqufu@163.com

S153

：A

：1005-3409(2017)02-0173-05