張兆彤，王金滿, 2*，張佳瑞

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礦區(qū)復(fù)墾土壤與植被交互影響的研究進(jìn)展①

張兆彤1，王金滿1, 2*，張佳瑞1

(1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2 國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

土壤與植被作為煤礦區(qū)土地復(fù)墾主要成員，在生態(tài)恢復(fù)與重建方面扮演著重要角色。同時(shí)，土壤與植被之間存在著密切的交互影響關(guān)系，認(rèn)識(shí)土壤與植被恢復(fù)間的交互影響關(guān)系及其作用規(guī)律與機(jī)理對(duì)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。本文系統(tǒng)梳理了復(fù)墾土壤與植被演替規(guī)律、交互影響研究方法以及交互影響機(jī)理。發(fā)現(xiàn)研究方法多為缺乏創(chuàng)新性的線性方法，且未能做到對(duì)植被與土壤交互影響的連續(xù)、動(dòng)態(tài)研究和全面綜合分析。在此基礎(chǔ)上，提出了深入研究方向：創(chuàng)新植被與土壤交互影響的方法，加強(qiáng)植被與土壤交互影響的動(dòng)態(tài)分析，強(qiáng)化交互影響機(jī)理的綜合研究，以期為土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)研究提供新的視角。

土地復(fù)墾；土壤；植被；交互影響機(jī)理

中國是以煤為主要能源的國家，是全世界最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，2014年煤炭產(chǎn)量達(dá)到4.3 Gt，且煤炭消費(fèi)量占一次性能源總量的74%[1]。煤礦開采在給地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大財(cái)富的同時(shí)，會(huì)破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，使土壤結(jié)構(gòu)、地形地貌、景觀生態(tài)和生物群落等環(huán)境要素發(fā)生不可逆的變化[2]。改善煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要途徑是進(jìn)行土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)，其中的重要環(huán)節(jié)是土壤重構(gòu)與植被重建。植被的重建過程會(huì)改善土壤的水肥狀況，土壤的重構(gòu)也會(huì)促進(jìn)植被的生長發(fā)育，土壤–植被復(fù)合系統(tǒng)會(huì)改善煤礦區(qū)環(huán)境，促進(jìn)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)。研究土壤與植被之間交互影響關(guān)系的作用規(guī)律與機(jī)理會(huì)為煤礦區(qū)土地復(fù)墾提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦區(qū)植被與土壤的交互影響進(jìn)行了一系列研究，取得了豐碩成果，但依然存在許多問題。首先，植被與土壤交互影響的方法有待創(chuàng)新。國內(nèi)外學(xué)者多采用的是線性分析方法，原理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、可操作性強(qiáng)，但缺乏創(chuàng)新性，未能從系統(tǒng)的角度全面深入地分析土壤與植被交互影響的機(jī)理；其次，植被與土壤交互影響的動(dòng)態(tài)分析研究有待加強(qiáng)，選取的數(shù)據(jù)都是短時(shí)期內(nèi)的，忽略了植被與土壤的交互影響是不斷發(fā)生變化的，未能做到連續(xù)、動(dòng)態(tài)研究；再者，植被與土壤交互影響機(jī)理的綜合研究有待促進(jìn)。學(xué)者在分析交互影響機(jī)理時(shí)，多數(shù)是將物理、化學(xué)、生物性質(zhì)割裂開來分析，未能做到全面、綜合地分析。

鑒于此，本文通過文獻(xiàn)綜述與系統(tǒng)總結(jié)，深入剖析了當(dāng)前土壤與植被交互影響方面的重要研究進(jìn)展、存在的不足和突出問題。以期能引起更多學(xué)者對(duì)此研究的持續(xù)關(guān)注和思考，籍以推動(dòng)相關(guān)研究的深入發(fā)展，為復(fù)墾礦區(qū)的植被重建、土壤重構(gòu)以及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)復(fù)墾土壤與植被的演替規(guī)律

1.1 植被演替規(guī)律

植物群落的演替是恢復(fù)植被對(duì)土壤不斷適應(yīng)與改造的過程，同時(shí)也是不同物種在土壤水分和養(yǎng)分等資源下相競(jìng)爭(zhēng)和替代的過程[3]。礦區(qū)的植被演替分為自然演替和人工演替，自然演替是一個(gè)非常緩慢的過程，在自然演替過程中，施加人工復(fù)墾措施，可以縮短植被演替的周期，提高植被演替的速率[4]。隨著復(fù)墾年限的增長，煤礦區(qū)復(fù)墾植被的種類、數(shù)量、蓄積量、生物量、平均高度均有所增加，植被覆蓋率上升[5]，生長狀況也有明顯的改善[6]。

1.1.1 植被演替驅(qū)動(dòng)因素 眾多學(xué)者對(duì)植被演替的驅(qū)動(dòng)因素做了一系列的研究，包括非生物因素、氣候因素、人為干擾、鄰近繁殖體以及生物因素等。發(fā)現(xiàn)植被的演替是多種因素綜合作用的結(jié)果，在不同的演替階段，驅(qū)動(dòng)因素也不同。演替初期，主要是非生物因素作為驅(qū)動(dòng)因素[7]，此時(shí)，土壤pH較高，土壤肥力較差[8]，N、P、有機(jī)質(zhì)缺乏制約了植被的生長發(fā)育[9]，煤礦區(qū)初始環(huán)境條件的優(yōu)劣會(huì)決定植物群落的多樣性和組成結(jié)構(gòu)[10]，并且煤礦區(qū)植物群落最初的物種組成也會(huì)影響植被演替的進(jìn)程[11]。在演替中期，氣候因素[12]、人為干擾[13]以及鄰近區(qū)域自然繁殖體[14]影響著植被演替的方向和速率。氣候條件通過影響降水和溫度來影響植被的生長發(fā)育，從而影響演替速率；良性的人為干擾會(huì)加速植被演替過程的進(jìn)行，而不良的人為干擾會(huì)阻礙植被演替過程的進(jìn)行，嚴(yán)重的甚至可能會(huì)使植被出現(xiàn)反向演替；鄰近區(qū)域的繁殖體會(huì)通過外力的擴(kuò)散作用傳播到復(fù)墾區(qū)進(jìn)行繁殖，對(duì)植被的數(shù)量和種類產(chǎn)生影響。演替后期，由于群落中的物種多樣性增加，種間斗爭(zhēng)和種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈，生物因素成為主要的驅(qū)動(dòng)力[15]。

1.1.2 植物群落演替階段 在演替過程中，植物群落朝著頂級(jí)群落演替，結(jié)構(gòu)和功能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，群落高度逐漸增加，層次分化越來越明顯，物種的組成由單一型轉(zhuǎn)向復(fù)雜型，物種豐富度增加[16]，最終形成的頂級(jí)群落是多物種共生、結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定、能夠抵御惡劣環(huán)境變化的植物群落[17]。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的劃分規(guī)則與方法，將植物群落的演替過程分為不同的階段。第一種分類方法是根據(jù)群落中優(yōu)勢(shì)種的種類進(jìn)行劃分。張曉薇[18]將植物群落的演替分為次生裸地-草叢群落-灌叢群落-森林群落4個(gè)階段。對(duì)比來說，許佐民等[19]更加詳細(xì)地劃分為裸地-草叢-灌叢-針葉林-落葉闊葉混交林-針闊葉混交林，最終達(dá)到中生性的頂級(jí)群落7個(gè)階段。第二種分類方法是根據(jù)物種組成和物種多樣性來進(jìn)行劃分。Novak等[20]認(rèn)為復(fù)墾1 ~ 4年的植被主要以一、二年生植物為主，復(fù)墾年限5 ~ 10年植被主要以多年生草本植物為主，復(fù)墾10 ~ 25年開始出現(xiàn)灌木，復(fù)墾25年以上形成了草本-灌木-喬木組合的復(fù)墾生態(tài)景觀，且喬木的數(shù)量最多。王瓊等[21]將煤礦區(qū)復(fù)墾植被的演替分為初級(jí)演替期、初級(jí)交替期、高級(jí)交替期、高速恢復(fù)期、恢復(fù)穩(wěn)定期5個(gè)階段。而郝蓉等[22]認(rèn)為復(fù)墾植被的演替過程應(yīng)該分為物種組成單一、物種組成豐富、物種組成較穩(wěn)定3個(gè)階段。

總之，植物群落演替是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程，演替的不同階段受到不同因素的驅(qū)動(dòng)，不斷朝著頂級(jí)植物群落的方向演替，與原來的群落在各個(gè)方面的相似度都由低變高，生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能逐漸趨于穩(wěn)定。

1.2 土壤演替規(guī)律

1.2.1 土壤物理性質(zhì)演替 在演替過程中，土壤物理性質(zhì)得到改善。由于植被根系的穿插作用以及土壤質(zhì)地狀況的改善，使得土壤的孔隙度增加[23]，而土壤容重減小，并且后期土壤容重的分布更加均勻[24]。地表植被的作用使得土壤的持水性能增加，且土壤孔隙度增加導(dǎo)致土壤對(duì)水分的滲透性增強(qiáng)，因此土壤的含水量呈上升趨勢(shì)[25]。此外土壤電導(dǎo)率和土壤體積質(zhì)量均隨著復(fù)墾年限的延長而減小，土壤電導(dǎo)率減小說明土壤中水溶性鹽的含量降低，鹽分狀況得到改善；土壤體積質(zhì)量減小說明土壤緊實(shí)度和土壤肥力狀況發(fā)生了變化[26]。

1.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)演替 隨著煤礦區(qū)復(fù)墾工作的進(jìn)行，土壤的肥力逐漸增強(qiáng)。土壤pH降低，但是變化不明顯，土壤有機(jī)質(zhì)、N、P、K的含量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[27]。在演替過程中，隨著植被恢復(fù)，凋落物的數(shù)量增多，經(jīng)過微生物分解，土壤有機(jī)質(zhì)增多，土壤肥力提高，并且伴隨著土壤微生物的活動(dòng)，產(chǎn)生更多的有機(jī)酸，使得演替初期呈現(xiàn)堿性的土壤pH逐漸降低[28]。由于受到耕作、植物固氮作用、人工施肥的影響較大，土壤的全氮、堿解氮增多，復(fù)墾初期全氮的變化速率比較快，后期速率逐漸變慢，并接近原地貌的含量[29]。土壤全磷、全鉀、有效磷、速效鉀含量也增多[30]，一方面是因?yàn)樵趶?fù)墾過程中，人為施加磷肥和鉀肥，另一方面是因?yàn)橹脖坏牡蚵湮镞M(jìn)入土壤帶來了P、K元素，且土壤對(duì)P、K的吸附、解吸以及固定能力得以提高。

1.2.3 土壤生物性質(zhì)演替 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)隨植被自然恢復(fù)而演替，隨著復(fù)墾的進(jìn)行，土壤微生物總量、種類以及微生物群落的多樣性逐漸增加，土壤酶的活性逐漸增強(qiáng)。于淼等[31]認(rèn)為隨著復(fù)墾年限的延長，土壤中的微生物數(shù)量、根系真菌菌株數(shù)量、根系真菌多樣性指數(shù)逐年遞增。Fresquez等[32]的研究也驗(yàn)證了真菌數(shù)量和多樣性隨著復(fù)墾年限增加而逐年遞增的演替規(guī)律。Baldrian等[33]發(fā)現(xiàn)，在同一土層中，修復(fù)地土壤酶的活性和土壤微生物量顯著高于未復(fù)墾地。王翔等[34]研究發(fā)現(xiàn)較未復(fù)墾地來說，復(fù)墾地的土壤蔗糖酶活性提高了31%，過氧化氫酶的活性提高了61%，土壤脲酶的活性提高了100%，而土壤多酚氧化酶的活性變化最明顯，提高了117%。

總之，復(fù)墾初期，土壤黏重板結(jié)，導(dǎo)致土壤的容重較大，孔隙度較小，總體質(zhì)量狀況很差，微生物總量較少，土壤酶活性較低。但是隨著復(fù)墾年限的增加，土壤的水分狀況、養(yǎng)分狀況有所改善，保水性能逐漸增強(qiáng)，通氣狀況逐漸變好，土壤肥力逐漸增強(qiáng)，土壤微生物種類和數(shù)量增多，酶活性增強(qiáng)。

2 復(fù)墾土壤與植被交互影響方法研究

此前學(xué)者在研究植被群落與環(huán)境因子之間的相互關(guān)系時(shí)，多使用的是線性回歸、計(jì)算相關(guān)系數(shù)或者進(jìn)行單因子描述的方法，這些研究并未將各類影響因素綜合起來探討，不明確多因子之間相互作用的程度。而選取土壤與植被的多個(gè)因子進(jìn)行多元分析，來研究植被與土壤之間的耦合關(guān)系是比較準(zhǔn)確的，因此本文主要探討的是幾種多元分析的方法。植被與土壤交互影響的研究方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見表1。

表1 復(fù)墾土壤與植被交互影響的研究方法比較

2.1 多元線性回歸

多元線性回歸，是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中回歸分析，來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法[43]。許多研究者在進(jìn)行多元線性回歸之后，會(huì)建立耦合模型或者線性回歸模型來更加明確地對(duì)交互影響關(guān)系進(jìn)行分析。徐明等[44]選取了9個(gè)植被因子和11個(gè)土壤因子，對(duì)它們之間的相關(guān)性進(jìn)行線性擬合，并且構(gòu)建了植被-土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)模型。Prach等[13]通過多元線性回歸模型對(duì)植被特征與氣候和土壤變量之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行表述。也有學(xué)者在進(jìn)行植被與土壤之間的交互影響關(guān)系分析時(shí)借助其他的方法，例如通徑分析、Spearman秩相關(guān)分析和主成分分析。杜峰等[45]結(jié)合多元回歸和通徑分析法分析了草地群落生物量及植被土壤養(yǎng)分效應(yīng)，明確植被演替過程中植被與土壤的互動(dòng)效應(yīng)。文海燕等[46]在研究退化沙質(zhì)草地植被與土壤分布特征及相關(guān)性時(shí)，結(jié)合Spearman秩相關(guān)分析和回歸分析描述草本植物與土壤性狀、草本植物與灌木的關(guān)系。Alday等[47]結(jié)合了多元線性回歸以及主成分分析的方法來探究地中海氣候的復(fù)墾煤礦中土壤變量與植被結(jié)構(gòu)和植被組成變化之間的相關(guān)性。

多元線性回歸的方法可以分析出土壤與植被之間是否存在交互影響，得到正負(fù)相關(guān)性以及相關(guān)性大小的結(jié)論。但是不能全面深入地反映變量間內(nèi)部更加復(fù)雜的影響原理，并且要求樣本數(shù)量足夠大，服從典型概率分布，應(yīng)用雖然廣泛，但是具有很大的局限性。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)進(jìn)行定量描述和比較的方法，在動(dòng)態(tài)歷程分析方面有較大優(yōu)勢(shì)[48]。在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)，由于自然條件以及人類自身?xiàng)l件等的局限性，許多因素之間的關(guān)系是處于已知與未知之間，即為灰色的，很難精確地度量相關(guān)程度的客觀大小，在此情況下可以選擇灰色關(guān)聯(lián)分析。在一定程度上彌補(bǔ)了線性回歸分析的缺陷，對(duì)樣本量的多少和有無規(guī)律都同樣適用[49]。黃文娟等[50]通過計(jì)算植被活根量與土壤理化性質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，來反映土壤理化因子對(duì)群落地下生物量的影響，并指出了影響植物地下生物量形成的促進(jìn)和限制因子。盧紀(jì)元[51]在探討植物群落結(jié)構(gòu)特征與微地形土壤養(yǎng)分的耦合關(guān)系特點(diǎn)時(shí)運(yùn)用到了灰色關(guān)聯(lián)分析方法，發(fā)現(xiàn)植物群落結(jié)構(gòu)與土壤養(yǎng)分的耦合關(guān)系會(huì)因微地形不同而產(chǎn)生差異性。薛鷗等[52]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度構(gòu)建植被-土壤耦合模型來探究植物群落多樣性與土壤因子的耦合關(guān)系。

灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)樣本要求較低，但是它也具有一定的局限性，在分析過程中，分為參考數(shù)列與比較數(shù)列，每一組實(shí)驗(yàn)只分析了比較數(shù)列對(duì)參考數(shù)列的影響，并不能體現(xiàn)交互影響，并且不滿足無量綱化處理的保序效應(yīng)，不能體現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

2.3 梯度分析方法

梯度分析方法也叫排序方法，是將樣方或者植物種排列在一定的空間，使排序軸能夠反映一定的生態(tài)梯度，從而解釋植被或植物種的分布以及與環(huán)境因子之間的關(guān)系[40]。梯度分析方法一般用來分析植物群落與環(huán)境因子之間的相互關(guān)系，也有研究將其應(yīng)用到植被與土壤的交互影響之中。主要使用到的方法有降趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)、典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)和降趨勢(shì)典范對(duì)應(yīng)分析(DCCA)。DCA主要應(yīng)用于分析群落之間的關(guān)系，而CCA和DCCA主要用于揭示物種與環(huán)境的關(guān)系，DCCA是分析植被-環(huán)境關(guān)系最先進(jìn)的多元分析技術(shù)，可以有效地消除“弓形效應(yīng)”[53]。Frouz等[54]應(yīng)用了TWINSPAN、CCA方法來研究捷克西部Sokolov煤礦的植被群落與土壤發(fā)育，發(fā)現(xiàn)它們?cè)趶?fù)墾的25 a內(nèi)經(jīng)歷了重大變化，且這種變化是相互關(guān)聯(lián)的。Jeloudar等[55]在研究伊朗礦區(qū)的植被與土壤的相關(guān)關(guān)系時(shí)應(yīng)用到了TWINSPAN、CCA、DCA方法。王洪丹等[56]在研究黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)土壤與地形因子對(duì)植被恢復(fù)的影響時(shí)，應(yīng)用到了DCA排序與冗余分析，并得出了植被與土壤因子之間有顯著的相關(guān)性，而與地形因子之間的相關(guān)性不明顯的結(jié)論。

2.4 典型相關(guān)分析

典型相關(guān)分析是利用綜合變量對(duì)之間的相關(guān)關(guān)系來反映兩組指標(biāo)之間的整體相關(guān)性的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[57]。國內(nèi)外學(xué)者將典型相關(guān)分析應(yīng)用于研究植被與土壤之間的相關(guān)關(guān)系，主要是結(jié)合主成分分析、聚類分析一起來進(jìn)行研究分析。運(yùn)用聚類分析對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行歸類，以此來分析植被與土壤的演替規(guī)律；運(yùn)用典型相關(guān)分析來揭示土壤與植被間交互影響的機(jī)理以及耦合協(xié)同關(guān)系；運(yùn)用主成分分析來確定在交互影響中起主導(dǎo)作用的因素。譚秋錦[58]結(jié)合了這3種方法來研究不同生態(tài)系統(tǒng)植被與土壤的耦合關(guān)系，揭示了生態(tài)系統(tǒng)的演替規(guī)律與機(jī)制。彭晚霞等[59]選取代表木本植物群落、土壤性質(zhì)和地形因子的22個(gè)指標(biāo)，對(duì)其總體特征及三者之間的相互關(guān)系進(jìn)行了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析、聚類分析與典型相關(guān)分析。韓美榮[60]和和麗萍[61]在研究中也將主成分分析和典型相關(guān)分析結(jié)合起來使用。

典型相關(guān)分析是借助了主成分分析的思想來進(jìn)行降維，簡(jiǎn)化復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系。雖然該方法應(yīng)用比較廣泛，但還是有缺陷存在，它將每組變量作為一個(gè)整體來進(jìn)行研究，并沒有研究整體內(nèi)部的各個(gè)變量，并且無法反映時(shí)間特征和變化趨勢(shì)。

3 復(fù)墾土壤與植被交互影響機(jī)理

3.1 復(fù)墾土壤對(duì)植被的影響

土壤是植被生長發(fā)育的基礎(chǔ)，能夠不斷地為植被提供營養(yǎng)物質(zhì)和水分[3]，并且土壤動(dòng)物與土壤微生物共同參與營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，加快土壤有機(jī)物的分解，促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化，調(diào)節(jié)土壤肥力，進(jìn)而影響植被的生長發(fā)育[62]。土壤養(yǎng)分影響著植物器官的生長發(fā)育，調(diào)節(jié)植物對(duì)水、熱、氣的需求，在植被的演替過程中起到至關(guān)重要的作用。土壤養(yǎng)分的種類、組成和數(shù)量都影響著植被的生長發(fā)育，其中土壤有機(jī)質(zhì)、N、P、K等是植物生長發(fā)育的必需元素，其含量與分布影響著植物的生長狀態(tài)[63]。Fernandez[64]指出土壤中C、N的積累速率對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)物種組成產(chǎn)生影響。Sainju 和Good[65]研究發(fā)現(xiàn)植被根系的密度與土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮、水溶性磷以及可交換性陽離子呈正相關(guān)，與土壤pH 呈負(fù)相關(guān)。Pu等[66]認(rèn)為植被的根系形態(tài)與發(fā)育狀況與土壤中養(yǎng)分的分布以及營養(yǎng)物質(zhì)的配置密切相關(guān)。

土壤中的水分是植被生長發(fā)育所需要水分的直接來源，由于我國的煤礦區(qū)大部分位于干旱、半干旱地區(qū)，所以水分成為制約礦區(qū)植被恢復(fù)的重要因素[67]。土壤水分的垂直分布影響植被對(duì)水分的利用，土壤水分變異系數(shù)和土壤有效水分參數(shù)直接影響到植被的生長狀況[6]。土壤含水量不僅影響根系生物量，還會(huì)影響到植物群落的生產(chǎn)力，并且限制了植物的蒸騰作用與光合作用。一定的土壤持水量范圍內(nèi)，隨著土壤持水量的降低，幼樹光合和蒸騰速率逐漸減弱[68]。

土壤微生物對(duì)植被的凋落物進(jìn)行分解，增加土壤的肥力，能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用和植物營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與供給，從而促進(jìn)植被的生長。并且可以進(jìn)行生物固氮，增加土壤中有效氮的來源，供植物吸收利用。Burd等[69]發(fā)現(xiàn)土壤微生物可以增加植物幼苗的存活率以及植物的地上生物量。土壤中的微生物尤其是菌根的形成能夠?qū)χ参锏母祷顒?dòng)起到促進(jìn)作用，菌根的協(xié)同作用提高了植物群落次生演替的速率，保護(hù)了生物多樣性，使得植被恢復(fù)的效果最優(yōu)。Hetrick等[70]認(rèn)為菌根能夠通過改善土壤結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生營養(yǎng)物質(zhì)來促進(jìn)煤礦區(qū)植被的恢復(fù)與重建。

3.2 復(fù)墾植被對(duì)土壤的影響

3.2.1 植被對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響 首先，植被恢復(fù)過程會(huì)有效地改善土壤的持水性以及孔隙狀況，減小土壤容重，提高了土壤的穩(wěn)定入滲效率，植被的直接穿插作用與凋落物的間接保護(hù)作用使得土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，從而改善了土壤質(zhì)地。有研究表明，土壤的入滲率取決于粉粒含量、植被覆蓋度、土壤體積密度的變化[71]。Morenode 等[72]認(rèn)為地表徑流量和徑流系數(shù)隨著植被覆蓋度上升呈指數(shù)下降，植被覆蓋度可以提高土壤的穩(wěn)定入滲率。Mariano等[73]在研究西班牙的Teruel煤礦時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕速率會(huì)隨著植被覆蓋率的增長而急劇下降。張圓圓等[74]研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)以及植物群落的演替過程會(huì)改變土壤的空間異質(zhì)性，會(huì)改善土壤的理化性質(zhì)。單長卷等[75]認(rèn)為植被根系分布范圍影響土壤水分的量，根系分布深度決定植物擁有營養(yǎng)空間的大小以及對(duì)土壤水分和養(yǎng)分吸收利用的能力。其次，植被在凋落之后會(huì)形成枯枝落葉，里面含有大量的營養(yǎng)元素，土壤微生物作為分解者將凋落物進(jìn)行分解，形成腐殖質(zhì)，將營養(yǎng)元素歸還到土壤中，使土壤肥力提高。并且植被的根系通過向土壤中分泌如氨基酸、維生素、有機(jī)酸的各種物質(zhì)來增加土壤中的養(yǎng)分含量。Min和Kim[76]在研究韓國西海岸的復(fù)墾礦區(qū)時(shí)發(fā)現(xiàn)，植被的物種豐富度和生物量會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)含量。Burisch等[77]認(rèn)為固氮植物的空間根和結(jié)節(jié)分布對(duì)土壤氮含量產(chǎn)生影響，根密度和結(jié)節(jié)密度越高，土壤氮含量越高?；舴宓萚78]研究發(fā)現(xiàn)隨著植被覆蓋率的增加，土壤中的全氮和有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)，水解氮、有效磷、速效鉀含量和pH 呈下降趨勢(shì)。Parrotta等[79]研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)能促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)和肥力的恢復(fù)，繼而促進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)。

3.2.2 植被對(duì)土壤生物指標(biāo)的影響 首先，植被多樣性與根系真菌多樣性、真菌數(shù)量、微生物總量呈顯著正相關(guān)，植被在恢復(fù)過程中能夠有效地改善土壤的持水性以及孔隙狀況，為土壤中的各種微生物提供了必要的生存生長條件。植被覆蓋密度和多樣性對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生影響[80]，且植物根系分泌的氨基酸、維生素、胞外酶等物質(zhì)會(huì)影響微生物的數(shù)量和多樣性，并且促進(jìn)微生物對(duì)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與吸收[81]。植物的凋落物會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤微環(huán)境，為土壤微生物活動(dòng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)[82]，進(jìn)而影響土壤微生物群落的形成[83]。其次，植被恢復(fù)過程中，植被的凋落物以及根系分泌物會(huì)影響土壤中酶的活性[84]，且土壤酶活性與土壤養(yǎng)分和土壤容重存在不同程度的相關(guān)關(guān)系[85]。土壤中的酶主要參與土壤中各種有機(jī)質(zhì)的分解、合成與轉(zhuǎn)化，以及無機(jī)物質(zhì)的氧化與還原等過程[86]，植被恢復(fù)使得土壤中有機(jī)物的含量增加，土壤酶會(huì)更多地參與到有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程中，從而提高了其活性。再者，土壤pH影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能，土壤中的重金屬含量抑制微生物的生長及活性，土壤營養(yǎng)狀況對(duì)微生物活性具有促進(jìn)作用，植被通過影響土壤pH、重金屬含量、營養(yǎng)狀況對(duì)土壤微生物產(chǎn)生作用[87]。

圖1 復(fù)墾植被與土壤交互影響的邏輯關(guān)系圖

4 總結(jié)與展望

為有效合理地開展煤礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與重建工作，對(duì)土壤與植被交互影響的研究尤其重要。本文通過系統(tǒng)綜述土壤與植被的演替規(guī)律、交互影響的研究方法以及交互影響的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究存在一些問題：植被與土壤交互影響的研究主要選取的是簡(jiǎn)單的線性方法，缺乏創(chuàng)新性，同時(shí)缺少對(duì)植被與土壤交互影響的動(dòng)態(tài)分析和綜合研究，故提出在此領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)為：

1) 創(chuàng)新植被與土壤交互影響的方法。目前專家在研究復(fù)墾區(qū)的土壤與植被交互影響的關(guān)系時(shí)多采用多元線性回歸方法、灰色關(guān)聯(lián)度分析方法、典型相關(guān)分析方法和梯度分析方法等線性分析方法，此類方法都比較簡(jiǎn)單，缺乏創(chuàng)新型，并且將土壤與植被的各因素割裂開來分析，未從系統(tǒng)的角度全面深入地分析交互影響的機(jī)理。所以，應(yīng)該加強(qiáng)植被與土壤交互影響研究方法的創(chuàng)新研究，例如復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法，建立土壤與植被交互影響的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，并通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)指標(biāo)分析來闡述土壤與植被交互影響的作用機(jī)理。

2) 加強(qiáng)植被與土壤交互影響的動(dòng)態(tài)分析。多數(shù)學(xué)者在進(jìn)行植被與土壤交互影響的研究時(shí)，所選取的數(shù)據(jù)是短期內(nèi)的數(shù)據(jù)，但植被與土壤不斷進(jìn)行演替的，交互影響關(guān)系也不斷發(fā)生變化，故其分析結(jié)果具有一定局限性。所以不能片面地只分析某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或者很短的時(shí)間段內(nèi)的相關(guān)關(guān)系，要注重連續(xù)、動(dòng)態(tài)的研究，要對(duì)植被與土壤交互影響實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3) 強(qiáng)化植被與土壤交互影響機(jī)理的綜合研究。目前，在分析植被與土壤的交互影響機(jī)理時(shí)，一部分學(xué)者是從土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)的角度研究，另一部分主要是從土壤的生物學(xué)指標(biāo)研究，這樣分析得出的結(jié)果不夠全面，所以應(yīng)該綜合物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，并且還要結(jié)合政治、經(jīng)濟(jì)、人文諸要素更深入全面地研究植被與土壤的交互響應(yīng)機(jī)理。

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Interaction Between Reclaimed Soil and Vegetation in Mining Area: A Review

ZHANG Zhaotong1, WANG Jinman1,2*, ZHANG Jiarui1

(1 College of Land Science and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2 Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China)

As the two main factors in reclamation, soil and vegetation play important roles in the ecological restoration of mining area. In this paper the interactions are explored between the changes in soil and vegetation succession in coal-mine ecosystems, potential functional relationships, succession rules of reclaimed soil and vegetation, research methods and mechanism of interaction between reclaimed soil and vegetation are also discussed. Since linear analysis was mainly used in previous research, while the continuous and dynamic research and comprehensive analyses were insufficient, so for future study, more attentions should be paid to dynamic and comprehensive analyses on the interactions between soil and vegetation in order to offer new perspectives for the study of land reclamation and ecological restoration.

Land reclamation; Soil; Vegetation; Interaction mechanism

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.003

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271528)資助。

(wangjinman2002@163.com)

張兆彤(1994—)，女，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail: zhangzhaotong1994@163.com

S154.4

A