壓實對礦區(qū)廢棄土壤含水量及植物生長的影響

馮晶晶, 張成梁, 趙廷寧, 榮立明

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所, 北京 100089)

壓實對礦區(qū)廢棄土壤含水量及植物生長的影響

馮晶晶1, 張成梁2, 趙廷寧1, 榮立明2

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所, 北京 100089)

摘要：[目的] 探究不同壓實處理對礦區(qū)廢棄土壤含水量及植物生長的影響，為有效利用采石場廢棄物和城市固體廢棄物、改善礦區(qū)立地條件、進行植被修復提供依據。 [方法] 將礫石和城市固體廢棄物按體積8∶2混合后進行不同程度壓實處理，進行小區(qū)試驗。 [結果] 壓實顯著提高基質含水量，減小各層含水量差異。隨著壓實程度增加，植物主要耗水層上移。不同植物受到壓實的影響不同，刺槐和苜蓿在重度壓實條件下生長明顯受阻，側柏生長量增加。植物在中等強度的壓實條件下，能夠通過調節(jié)自身，適應環(huán)境。 [結論] 一定程度的壓實能獲得理想的植物保存率和生長量，壓實技術可以運用在廢棄采石場植被修復工作中。

關鍵詞：壓實; 土壤含水量; 城市固體廢棄物; 刺槐; 側柏; 苜蓿

露天采石破壞原生植被和土壤結構，使景觀破碎化，生態(tài)更脆弱的斑塊邊緣增加，物種更容易消失。廢渣堆積占用大量土地造成土地浪費，不經處理還會發(fā)生水土流失、滑坡、坍塌和泥石流地址災害[1]。在中國南方地區(qū)，廢棄采石場需要8～10 a時間自發(fā)地從蕨類群落演替到喬灌木群落，灌木群落自發(fā)地演替到喬木群落需要20 a，演替瓶頸是由早期惡劣的非生物脅迫造成的[2]。廢棄采石場余下大量碎石，利用這些碎石進行植被修復將同時解決廢渣堆積造成的土地浪費、污染和水土流失問題。石礫孔隙大，保水力差，養(yǎng)分缺乏，直接種植植物難以成活。城市固體廢棄物是另一種大量占地、造成環(huán)境污染和損害的待利用廢物，其中含有豐富的有機質和營養(yǎng)成分，現在堆肥后的垃圾已經作為廉價而且環(huán)保的肥料用于農業(yè)生產上[3]。試驗[4]證明，添加城市固體廢棄物對火災后的森林植被恢復有積極作用。土壤壓實通常被認為是土壤退化的表現，對森林植物[5]或農作物[6]造成負面影響。但也有研究表明，壓實通過增加松散土壤與根系的接觸，提高了大豆[7]、玉米[8]的產量。Gomez等[9]的試驗表明，沙土壓實可以提高土壤可利用水量，促進北美黃松的生長。此外，壓實減小了石礫和垃圾的體積，節(jié)約土地資源。由于碎石混合垃圾土后壓實對植物生長有利有弊，一定程度的壓實可能對植物生長有利。

1研究區(qū)概況

試驗在輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復科研基地進行。其位于北京市昌平縣馬池口鎮(zhèn)亭子莊村，經緯度為40°9′56.73″N，116°9′1.04″E，海拔57 m。暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，年平均降水量620 mm，且主要集中在6—8月。

2試驗方法

2012年4月布設5個長5 m，寬3 m，深1 m的試驗槽。將礫石及城市固體廢棄物按體積8∶2均勻混合后，填入試驗槽，使用振動夯(電機型號為YSH90L-2，功率為2.2 kW)按體積等差壓實，標記為T1—T5，T1為對照，基質自然沉降。T2，T3，T4，T5容重分別為對照容重1.25，1.5，1.75，2倍。固體廢棄物經過篩分處理，去除粒徑>10 mm的顆粒。各試驗區(qū)分別沿對角線等距離布設3根長1 m的土壤水分管，于2012年8月至2013年8月使用Diviner 2000土壤水分輪廓儀測量10—100 cm深度土壤體積含水量(SWC)。每試驗區(qū)播種刺槐(Robiniapseudoacacia)54株、苜蓿(Medicagosativa)30株，穴栽1 a生側柏(Platycladusorientalis)60株。2013年10月統(tǒng)計植株保存率，刺槐、側柏株高、地徑，苜蓿株高、地上生物量(鮮重)。當上一層SWC下降不伴隨下一層SWC增加的情況下，認為SWC減少是由于植物消耗，減少值記為耗水量。

使用SPSS 19進行統(tǒng)計分析，使用SPSS 19及WPS表格作圖。以壓實程度和土層深度為自變量，年均SWC(非正態(tài)數據計算Z得分)為因變量做方差分析，使用全年各層SWC數據根據Euclidean距離對土層進行聚類。計算生長季(6—10月)各層耗水量，用配對非參數檢壓實度及土壤層次對耗水量的影響，根據Euclidean距離聚類。壓實對植物生長量的影響使用k樣本Kruskal-wallis檢驗。

3結果與分析

3.1　壓實對土壤含水量的影響

方差分析表明，壓實程度、土壤層次及交互作用對年均SWC影響顯著(p<0.01)，偏η2分別為0.728，0.248和0.562，說明壓實程度對年均SWC影響最大，壓實顯著增加年均SWC，其次為壓實程度×土壤層次的交互作用，再次為土壤層次的作用。聚類分析結果表明，T1土壤水主要集中在60—90 cm，SWC為2.25%～5.21%；T2土壤水主要集中在20，60，70 cm，SWC為3.45%～5.26%；T3土壤水主要集中在50，80，90 cm，SWC為4.68%～10.39%；T4土壤水主要集中在40 cm，SWC為7.50%；T5除了10，90 cm含水量較低外，其余各層含水量較高，SWC為9.10%～15.58%(圖1)。由于植物在自然選擇中對環(huán)境的適應性[10]，植物根系響應環(huán)境刺激，在水分和養(yǎng)分充足的地方增加[11]。根據SWC的垂直分布，預測植物會優(yōu)先選擇含水量高的淺層土壤水，在含水量及水分運輸距離之間權衡。

3.2　壓實對植物耗水的影響

忽略土壤蒸發(fā)，當上一層土壤含水量不伴隨下一層土壤含水量增加的情況下，認為各層土壤含水量減少是由于植物根系吸收。經非參數檢驗，100 cm內總耗水量僅T1和T5顯著差異(p=0.03)，T5約是T1的兩倍。盡管T1和T3，T4處理在100 cm內平均含水量顯著差異，其耗水量差異不顯著；T2和T5在100 cm內平均含水量顯著差異，其耗水量差異不顯著。非參數檢驗結果表明，各土層耗水量差異顯著(p<0.01)。根據聚類分析結果，將土層劃分為主要耗水層和非主要耗水層。T1的主要耗水層為60—90 cm，耗水量大小順序表現為：70 cm>90 cm>80 cm>60 cm。T2的主要耗水層為40—70 cm，耗水量大小順序表現為：60 cm>70 cm>50 cm>40 cm。T3的主要耗水層為90 cm，但50，60，80 cm平均耗水量都較高。T4的主要耗水層為40—60 cm，耗水量40 cm>50 cm>60 cm。T5的主要耗水層為20—30 cm，10，40—80 cm均有耗水，90和100 cm耗水較少(圖2，表1)。盡管T1—T4耗水量差異不顯著，但植物獲取水分的土壤層次有差別。在所有試驗區(qū)中，只有T5的主要耗水層不包括SWC最高的土層(40 cm)。

圖1各土層土壤水分聚類分析結果圖2生長季各層土壤耗水量聚類分析結果

總體來看，隨著壓實程度的增加，植物根系主要耗水層逐漸變淺，說明植物根系分布逐漸變淺。然而，SWC本身也會影響植物根系的分布。Pregitzer等[12]認為，植物淺層細根的主要功能是吸收分布表層的礦物和有機質，深層根系的主要功能是支持和運輸水分。Ho等[13]的試驗表明根系在垂直分布上存在權衡，根系的最優(yōu)分布要根據資源的稀缺性和分布。根據Le Roux等[14]的研究結論，草本和木本植物都從淺層土壤中獲取大部分的水分，只有在嚴重水分脅迫下，主要耗水層才轉變到更深的土層。因此，根系分布深度隨壓實程度變淺或許部分歸因于壓實增加的SWC。

3.3　壓實對植物生長的影響

總體上看，刺槐保存率隨壓實度下降，側柏保存率隨壓實度上升，側柏保存率高于刺槐(表2)。刺槐生長速率高于側柏。不同壓實程度下，刺槐株高、地徑差異顯著，均隨壓實度增加而下降。不同壓實程度下，側柏株高、地徑差異不顯著，株高僅T1(最低)、T4(最高)在0.05水平上差異顯著，T1，T3地徑較低，與T4差異顯著。苜蓿株高、鮮重隨壓實度增加顯著下降 (表3，圖3)。

表1　不同壓實處理植物生長季

表2　不同壓實處理喬木保存率統(tǒng)計結果

表3　不同壓實處理植物生長量

注：相同小寫字母表示同列在0.05水平上差異顯著； 相同大寫字母表示同列在0.01水平上差異顯著。

圖3　不同壓實處理苜蓿鮮重

根據張華[1]的研究，容重為對照1.75倍的壓實處理有利于植物生長，但本研究結果表明，壓實對植物地上部生長量影響具有種間差異。壓實顯著降低刺槐和苜蓿地上部生長量，提高側柏的地上部生長量，與Alameda和Villar[15]的研究結果一致，均發(fā)現常綠植物比落葉植物較少受到壓實的影響。土壤壓實對植物生長的不利影響來自兩個方面。一方面，壓實減小孔隙，限制根系發(fā)育，使根系局限在淺層土壤，影響空氣、水分和養(yǎng)分吸收[16]。另一方面，受到機械阻抗的根系生成化學信號，如ABA[17]和乙烯[18]，傳輸到地上部分影響生長，這種信號甚至可能在脅迫發(fā)生之前就已經產生，在這種情況下，植物地上部生長抑制可能是一種保守的生存策略，并非來自環(huán)境脅迫對生長造成的直接損害。側柏在壓實區(qū)長勢良好可能是因為SWC增加，也可能是因為嚴重壓實區(qū)的刺槐長勢較差，導致種間競爭較少。與刺槐相比，側柏表現出強有力的根系特點，當小孔隙限制了根系生長，根尖就要施加足夠的力量生長壓力移動或破壞土壤。值得注意的是，T2和T3區(qū)3種植物其生長量均接近，可能是植物在多種不利條件(壓實帶來的土壤機械阻抗、通氣不足、干旱)及有利條件(土壤與根系接觸增加、養(yǎng)分增加、競爭減少)之間獲取微妙的平衡，這說明植物自身有調節(jié)作用[19]。

4結 論

(1) 壓實顯著增加SWC，但對植物耗水量沒有顯著影響，僅T1和T5差異顯著。隨著壓實程度增加，植物趨向于使用淺層土壤水分。

(2) 植物對壓實的響應具有種間差異。壓實明顯限制了刺槐和苜蓿的生長，但對側柏生長有較弱的積極影響，說明壓實技術運用在礦區(qū)植被修復時物種選擇的重要性，不同物種對壓實有不同的響應。植物自身具有調節(jié)作用，一定程度的壓實能獲得理想的植物保存率和生長量，減少土地資源浪費，防止松散堆積物可能發(fā)生的水土流失危害。

[參考文獻]

[1]張華.北京房山區(qū)黃院采石場松散堆積體生態(tài)修復技術研究[D].北京：北京林業(yè)大學,2013.

[2]Duan Wenjun, Ren Hai, Fu Shenglei, et al. Natural recovery of different areas of a deserted quarry in South China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008,20(4):476-481.

[3]Hargreaves J C, Adl M S, Warman P R. A review of the use of composted municipal solid waste in agriculture[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2008,123(1):1-14.

[4]Guerrero C, Gómez I, Moral R, et al. Reclamation of a burned forest soil with municipal waste compost: Macronutrient dynamic and improved vegetation cover recovery[J]. Bioresource Technology, 2001,76(3):221-227.

[5]Fleming R L, Powers R F, Foster N W, et al. Effects of organic matter removal, soil compaction, and vegetation control on 5-year seedling performance: A regional comparison of long-term soil productivity sites[J]. Canadian Journal of Forest Research, 2006,36(3):529-550.

[6]Lipiec J, Hatano R. Quantification of compaction effects on soil physical properties and crop growth[J]. Geoderma, 2003,116(1):107-136.

[7]Beutler A N, Centurion J F, Silva A P, et al. Soil compaction by machine traffic and least limiting water range related to soybean yield[J]. Pesquisa Agropecuária Brasileira, 2008,43(11):1591-1600.

[8]Veen B W, Van Noordwijk M, De Willigen P, et al. Root-soil contact of maize, as measured by a thin-section technique[J]. Plant and Soil, 1992,139(1):131-138.

[9]Gomez G A, Singer M J, Powers R F, et al. Soil compaction effects on water status of ponderosa pine assessed through13C/12C composition[J]. Tree Physiology, 2002,22(7):459-467.

[10]Guswa A J. The influence of climate on root depth:A carbon cost-benefit analysis[J]. Water Resources Research, 2008,44(2):159-167.

[11]Robinson D. Resource capture by localized root proliferation: Why do plants bother?[J]. Annals of Botany, 1996,77(2):179-186.

[12]Pregitzer K S, Laskowski M J, Burton A J, et al. Variation in sugar maple root respiration with root diameter and soil depth[J]. Tree Physiology, 1998,18(10):665-670.

[13]Ho M D, Rosas J C, Brown K M, et al. Root architectural tradeoffs for water and phosphorus acquisition[J]. Functional Plant Biology, 2005,32(8):737-748.

[14]Le Roux X, Bariac T, Mariotti A. Spatial partitioning of the soil water resource between grass and shrub components in a West African humid savanna[J]. Oecologia, 1995,104(2):147-155.

[15]Alameda D, Villar R. Moderate soil compaction: Implications on growth and architecture in seedlings of 17 woody plant species[J]. Soil and Tillage Research, 2009,103(2):325-331.

[16]Merotto A, Mundstock C M. Wheat root growth as affected by soil strength[J]. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 1999,23:197-202.

[17]Hussain A, Black C R, Taylor I B, et al. Novel approaches for examining the effects of differential soil compaction on xylem sap abscisic acid concentration, stomatal conductance and growth in barley(HordeumvulgareL.)[J]. Plant, Cell & Environment, 1999,22(11):1377-1388.

[18]Hussain A, Black C R, Taylor I B, et al. Soil compaction: A role for ethylene in regulating leaf expansion and shoot growth in tomato?[J]. Plant Physiology, 1999,121(4):1227-1237.

[19]Mulholland B J, Black C R, Taylor I B, et al. Effect of soil compaction on barley(HordeumvulgareL.) growth (I): Possible role for ABA as a root-sourced chemical signal[J]. Journal of Experimental Botany, 1996,47(4):539-549.

Influences of Compaction on Soil Water Content and Plant Growth

FENG Jingjing1， ZHANG Chengliang2， ZHAO Tingning1， RONG Liming2

(1.SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.EcologicalRestorationResearchBaseofBeijingEnvironmentalProtectionResearchInstituteofLightIndustry,Beijing100089,China)

Abstract：[Objective] Using municipal solid waste and coarse gravels which were produced during quarrying process and were left in the abandoned mines can produce a new growth substrate for plants. The effects of different compaction degrees on that kind of soil moisture content and the plants growing on it were researched to find ways to improve the disadvantageous site condition. [Methods] Mixtures of gravels and municipal solid waste(8∶2 by volume) were compacted to different extents and its effects on soil water content and plant growth were studied. [Results] Soil water content was significantly enhanced by compaction and the differences among soil layers decreased. The layers that plants consumed water from upper under severer compaction. Plants responded differently to compaction. Aboveground growths of Robinia pseudoacacia and Medicago sativa were significantly declined in compacted soils, but the growth of Platycladus orientalis showed a sign of increase. The growths of all three species in two moderately compacted soils implied that plants can acclimate themselves to habitant. [Conclusion] A certain degree of compaction is suitable for plant growth, and compaction can be applied during revegetation in abandoned quarries.

Keywords:compaction; soil water content; municipal solid waste; Robinia pseudoacacia; Platycladus orientalis; Medicago sativa

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0213-05

中圖分類號：X751

通信作者：趙廷寧(1962—),男(漢族),河北省陽原縣人,教授,主要從事工程綠化方面的研究。E-mail:zhtning@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-07-26修回日期：2014-08-26

資助項目：北京市科學技術研究院市級財政項目“新工程II-3:石油類污染物污染場地現場檢測與原位修復技術集成與應用”(PXM2014_178203_000001)

第一作者：馮晶晶(1989—),女(漢族),廣東省湛江市人,博士研究生,主要研究方向為工程綠化。E-mail:staatstionnoit@sina.com。