張博文， 李富平， 許永利

(華北理工大學礦業(yè)工程學院/河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術試驗室/唐山市礦區(qū)生態(tài)修復產業(yè)技術研究院，河北唐山 063210)

礦山開采會對原有地貌產生極大破壞，嚴重毀損礦區(qū)的植被，形成大量裸露山體，對生態(tài)環(huán)境造成不利影響[1]。植被破壞會影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而誘發(fā)多種環(huán)境問題[2]。我國有大量礦山廢棄地的環(huán)境問題亟待解決，由于礦山環(huán)境惡劣，表層土壤欠缺且貧瘠，無法提供植被生長的環(huán)境[3]，僅靠自然修復是數10年內無法恢復到原有植被覆蓋度的，因此礦區(qū)生態(tài)修復治理也逐漸受到重視[4]。礦山廢棄地常采取植物種植方式來改良土壤理化性質，增加土壤有機質含量，改良土壤酶活性[5]。研究表明，石礦跡地土壤復墾的主要限制因子有土壤結構不良、養(yǎng)分貧瘠保水性差[6]。秦文展對露天礦邊坡進行植被重建，結果表明隨著恢復年限增大，土壤各項理化指標均逐漸得到改善[7]。土壤酶活性與土壤質量水平息息相關，是礦山廢棄地生態(tài)修復中的關鍵因子[8-9]。植被恢復首先提供植物生長的土壤等必要條件，植物在土壤中逐漸生長的過程中通過根系分泌物及植物腐殖質來改善土壤性質，從而達到礦區(qū)植被生長的良性循環(huán)[10]。土壤中酶活性在礦區(qū)植被恢復和土壤修復中越來越受到重視[11-12]。草本植物因其綠化快、管理簡單而成為石礦跡地植被恢復的優(yōu)選物種。本試驗選取適宜華北地區(qū)氣候的、耐性較好的10種草本植物對石礦跡地土壤修復效果進行了研究。

1 材料與方法

1.1 礦區(qū)毀損現狀

試驗區(qū)位于河北省唐山市灤縣榛子鎮(zhèn)椅子山采石場，礦區(qū)地貌破損嚴重，隨處可見裸露山體、碎石邊坡及采石場廢棄平臺。土壤稀缺瘠薄，幾乎無植被生存。2014年對該礦區(qū)進行了生態(tài)修復，平整了山腳下的廢棄碎石，由于治理區(qū)缺乏植物生長所需的土壤，因此用本地土對廢棄平臺進行了覆土。

1.2 試驗方法

選取適宜北方氣候且耐性較好的黑麥草、五芒雀麥、剪股穎、高羊茅、狼尾草、紫花苜蓿、早熟禾、沙打旺、萱草、艾草10種草本植物。將覆土平臺分為10塊，分別種植10種草本植物。種植前測得初始土樣土壤基本參數為土壤pH值7.92、電導率187.9 μS/cm、堿解氮含量7.58 mg/kg、速效磷含量 7.95 mg/kg、有機質含量4.85 g/kg。按照土壤分類屬于貧瘠土壤。草本植物經過3年的自然生長后長勢良好，取得了理想的治理效果。

1.3 測定方法

2014年5月種植初期對試驗區(qū)土壤進行取樣分析，2017年6月對10種草本植物種植地塊分別進行取土分析。主要對土壤的pH值、電導率、有機質含量、堿解氮含量、速效磷含量、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性、多酚氧化酶活性等指標進行測定。結合各種草本修復3年前、后土壤的各指標變化，明確10種草本植物對土壤理化性質和酶活性的修復效果。土壤養(yǎng)分測定方法參考鮑士旦編著的土壤農化分析教材[13]。土壤酶的測定采用關松蔭編著的土壤酶及其研究法教材[11]。

1.4 數據分析

采用隸屬函數值法對不同草本植物抗旱指標進行計算分析與評價[14]。隸屬函數算法如下：

(1)

式中：u(Xij)為i草本j指標的隸屬函數值；Xij為i物種j指標的測定值；Ximax、Ximin分別為指標的最大值和最小值。指標與抗旱性負相關時，則用反隸屬函數，公式為：

(2)

2 結果與分析

2.1 不同草本種植區(qū)對土壤理化性質的影響

植物生長狀況與土壤的物理化學性質緊密相關。不同草本植物種植區(qū)土壤理化指標見表1，不同種類的植物對土壤各理化指標的改善情況有所差異。

表1 不同草本種植區(qū)土壤理化性質比較

2.1.1 pH值 大量研究表明，植被恢復能明顯改善礦區(qū)土壤pH值[15]。石灰?guī)r礦區(qū)土壤偏堿性，不利于植物生長。種植前所覆土pH值測定值為7.92。3年后對每種草本種植區(qū)pH值測定結果見圖1。表明不同植被恢復品種對土壤pH值的影響有差異，10種植物種植3年后土壤pH值普遍下降，植物生長3年后對根際土壤的pH值下降幅度大的是艾草、高羊茅、沙打旺，其pH值達到了7.0左右。除黑麥草外，其他草本植物種植3年后都將堿性土壤改良成中性土壤。種植不同草本對土壤pH值變化量排序為艾草>高羊茅>沙打旺>早熟禾>紫花苜蓿>狼尾草>萱草>剪股穎>五芒雀麥>黑麥草。

2.1.2 電導率 土壤電導率是土壤鹽離子含量的直觀表現，能間接反映鹽離子對作物生長的限制程度[14]。種植植物前礦區(qū)覆土土壤電導率值是187.9 μS/cm，10種草本植物種植3年后的電導率結果見圖2。植物的生長普遍降低了土壤的電導率，其中紫花苜蓿、高羊茅、剪股穎3種植物的種植使土壤電導率大幅下降，早熟禾的種植并未對土壤的電導率產生明顯影響。不同草本植物對電導率的降低效果由強到弱依次為紫花苜蓿>高羊茅>剪股穎>狼尾草>無芒雀麥>黑麥草>沙打旺>萱草>艾草>早熟禾。

2.1.3 有機質 土壤肥沃程度與土壤有機質含量有直接聯系[16]。種植前所覆土較為貧瘠，按有機質含量劃分屬于第6級土壤。種植3年后土壤有機質含量測定結果見圖3，不同品種植被種植對土壤有機質含量影響各不相同，但不同草本種植區(qū)有機質含量均大幅提高。狼尾草、沙打旺的增幅超過300%，有機質含量增加的主要原因有土壤微生物、植物殘體及植物分泌物的增加，狼尾草、沙打旺是生物量最大的2種植物，有機質含量可能與其腐殖殘體有關。萱草、艾草、剪股穎、五芒雀麥種植區(qū)的有機質增量為150%～200%。10種植物改善土壤效果由強到弱依次為狼尾草>沙打旺>早熟禾>黑麥草>高羊茅>紫花苜蓿>無芒雀麥>艾草>剪股穎>萱草。

2.1.4 堿解氮 種植植物前土壤堿解氮含量為7.58 mg/kg，種植3年后10種草本種植區(qū)堿解氮含量見圖4。植物生長普遍增加了土壤中堿解氮的含量。紫花苜蓿、沙打旺種植區(qū)土壤中堿解氮的含量提高最大。研究表明，紫花苜蓿、沙打旺屬于固氮耐貧瘠的豆科植物，根系有固氮活動因而增加了土壤氮含量[17]。早熟禾、艾草、黑麥草、狼尾草的種植也使土壤中堿解氮含量大幅提高，其堿解氮含量是種植前的3倍。不同草本植物種植區(qū)堿解氮排序依次為紫花苜蓿>沙打旺>早熟禾>黑麥草>艾草>狼尾草>無芒雀麥>高羊茅>剪股穎>萱草。

2.1.5 速效磷 速效磷是可以直接被植物吸收的磷組分，它是植物生長不可或缺的成分[18]。原始土壤速效磷的含量為 7.95 mg/kg。從圖5可以看出，10種植物種植3年后土壤速效磷含量均有明顯提高。黑麥草、無芒雀麥、剪股穎、高羊茅、狼尾草、紫花苜蓿、早熟禾、沙打旺、萱草、艾草與初始土樣相比速效磷含量分別增加了133.59%、195.94%、248.48%、263.4%、240.64%、195.51%、201.72%、370.15%、177.84%、421.17%。艾草、沙打旺、無芒雀麥種植區(qū)的土壤速效磷含量增加最明顯。艾草對土壤速效磷含量增幅最大，其次為沙打旺，再次為無芒雀麥。黑麥草對土壤速效磷的增量最小，其他6種植物對土壤速效磷增量處于中等水平，差異不明顯。

2.2 不同草木種植區(qū)對土壤酶活性的影響

土壤酶活性已成為評價土壤肥力，土壤質量狀況以及土壤熟化程度的指標，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)有重要意義[19-20]，土壤酶是土壤中物質循環(huán)的重要媒介[11]。試驗測得不同草本植物種植3年后土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶的活性(表2)。

表2 不同草本種植區(qū)土壤酶活性比較

2.2.1 過氧化氫酶 過氧化氫酶可消除過氧化氫對生物的毒害作用，且與土壤有機質的形成相關[21-22]。從圖6可以看出，過氧化氫酶的活性在不同植物間變化不大。其中，無芒雀麥、早熟禾、黑麥草種植區(qū)過氧化氫酶活性比其他草本種植區(qū)偏高，剪股穎過氧化氫酶活性最低，其他6種植物種植區(qū)過氧化氫酶活性差異很小。表明植物種類對土壤中過氧化氫酶酶含量影響不大。

2.2.2 蔗糖酶 蔗糖酶有利于促進土壤有機質的代謝過程[22]。從圖7可以看出，不同草本植物間蔗糖酶活性差異很大，無芒雀麥、早熟禾、黑麥草種植區(qū)活性大幅高于其他品種。從蔗糖酶活性指標可以看出，10種草本植物種植對土壤熟化程度由強到弱依次為無芒雀麥>早熟禾>黑麥草>沙打旺>狼尾草>艾草>紫花苜蓿>高羊茅>剪股穎>萱草。

2.2.3 脲酶 安韶山等認為，植被恢復可以提高土壤脲酶活性[23]，脲酶能促進土壤氮含量的增加[24]。從圖8可以看出，10種植物種植區(qū)的脲酶活性差異明顯。黑麥草、早熟禾、沙打旺、高羊茅、艾草、紫花苜蓿6種植物的種植使土壤中脲酶活性增加明顯，其他4種草本植物脲酶增量較低。由于脲酶活性與土壤氮含量相關性較大，綜合分析土壤堿解氮與脲酶的相關性可知，10種草本植物對土壤脲酶活性增加程度由強到弱依次為黑麥草>早熟禾>沙打旺>高羊茅>艾草>紫花苜蓿>剪股穎>萱草>無芒雀麥>狼尾草。

2.2.4 多酚氧化酶 多酚氧化酶是一種復合性酶，它的存在對轉化土壤中酚類物質及合成有機質意義重大[25-26]。從圖9可以看出，不同草本種植對土壤多酚氧化酶活性差異明顯，其中萱草種植使土壤多酚氧化酶活性最高。沙打旺、早熟禾、無芒雀麥的生命活動對土壤多酚的活性也有明顯的增加。綜合10種植物對土壤多酚氧化酶活性的增量由大到小依次為萱草>沙打旺>早熟禾>無芒雀麥>狼尾草>剪股穎>黑麥草>紫花苜蓿>艾草>高羊茅。

2.3 隸屬函數法評價植物改良土壤

10種植物修復對土壤的各個指標改良效果各不相同，使用單一指標來評價植物對土壤的修復效果存在片面性。本研究以10種植物對土壤的pH值、電導率、有機質、堿解氮、速效磷、過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶等指標的改良結果為依據。求得10種植物各指標的隸屬函數值，并計算各植物所有指標的平均值，按隸屬函數平均值排序來評價植物對土壤的修復效果。從表3可以看出，10種草本植物對土壤的改良效果由強到弱順序依次為沙打旺>早熟禾>艾草>狼尾草>無芒雀麥>黑麥草>高羊茅>紫花苜蓿>萱草>剪股穎。

表3 10種草本植物修復土壤指標隸屬函數值綜合評價

3 結論與討論

黑麥草、無芒雀麥、剪股穎、高羊茅、狼尾草、紫花苜蓿、早熟禾、沙打旺、萱草、艾草10種植被的種植增加了土壤養(yǎng)分，增大了土壤酶活性。植物的種植普遍降低了土壤pH值和電導率，改善了土壤的酸堿度和鹽分。從對土壤pH值的影響上看，艾草、高羊茅、沙打旺、早熟禾、紫花苜蓿、狼尾草等植物的效果明顯；從對土壤電導率的影響上看，狼尾草、沙打旺、早熟禾、黑麥草、高羊茅、紫花苜蓿等植物的效果明顯。

10種草本植物種植3年后改良了土壤性狀，明顯增加了土壤中有機質、堿解氮、速效磷等土壤養(yǎng)分。從對土壤有機質的影響上看，狼尾草、沙打旺、早熟禾、黑麥草、高羊茅、紫花苜蓿等植物對土壤有機質含量的增加明顯；從對土壤堿解氮含量的影響上看，紫花苜蓿、沙打旺、早熟禾、黑麥草、艾草、狼尾草等植物對土壤堿解氮含量增加明顯；從對土壤速效磷的影響上看，艾草、沙打旺、無芒雀麥對土壤速效磷含量的增加更為明顯。

草本植物明顯改善了礦區(qū)生土的根際環(huán)境，使土壤中的蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶活性大大增加。無芒雀麥和早熟禾對土壤過氧化氫酶和蔗糖酶的活性提升明顯；沙打旺、萱草、早熟禾、無芒雀麥對土壤多酚氧化酶活性提升明顯；沙打旺、早熟禾、艾草、高羊茅、紫花苜蓿均對土壤脲酶活性提升明顯。

利用10種植物改變土壤的pH值、電導率、有機質含量、堿解氮含量、速效磷含量、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性、多酚氧化酶活性等指標的隸屬函數值的平均值排序來評價植物對土壤的修復效果。得出10種草本植物對土壤的綜合改良效果由強到弱順序依次為沙打旺>早熟禾>艾草>狼尾草>無芒雀麥>黑麥草>高羊茅>紫花苜蓿>萱草>剪股穎。