10種草本植物對石礦跡地土壤的改良效果

張博文， 李富平， 許永利

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院/河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)試驗室/唐山市礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北唐山 063210)

礦山開采會對原有地貌產(chǎn)生極大破壞，嚴(yán)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(fù)是數(shù)10年內(nèi)無法恢復(fù)到原有植被覆蓋度的，因此礦區(qū)生態(tài)修復(fù)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(zhì)，增加土壤有機質(zhì)含量，改良土壤酶活性[5]。研究表明，石礦跡地土壤復(fù)墾的主要限制因子有土壤結(jié)構(gòu)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(jié)果表明隨著恢復(fù)年限增大，土壤各項理化指標(biāo)均逐漸得到改善[7]。土壤酶活性與土壤質(zhì)量水平息息相關(guān)，是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵因子[8-9]。植被恢復(fù)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(zhì)來改善土壤性質(zhì)，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(fù)和土壤修復(fù)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(fù)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(fù)效果進行了研究。

1 材料與方法

1.1 礦區(qū)毀損現(xiàn)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(yán)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(fù)，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(shù)為土壤pH值7.92、電導(dǎo)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(zhì)含量4.85 g/kg。按照土壤分類屬于貧瘠土壤。草本植物經(jīng)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(dǎo)率、有機質(zhì)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(biāo)進行測定。結(jié)合各種草本修復(fù)3年前、后土壤的各指標(biāo)變化，明確10種草本植物對土壤理化性質(zhì)和酶活性的修復(fù)效果。土壤養(yǎng)分測定方法參考鮑士旦編著的土壤農(nóng)化分析教材[13]。土壤酶的測定采用關(guān)松蔭編著的土壤酶及其研究法教材[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

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

(1)

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

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草本種植區(qū)對土壤理化性質(zhì)的影響

植物生長狀況與土壤的物理化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。不同草本植物種植區(qū)土壤理化指標(biāo)見表1，不同種類的植物對土壤各理化指標(biāo)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(zhì)比較

2.1.1 pH值 大量研究表明，植被恢復(fù)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(jié)果見圖1。表明不同植被恢復(fù)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(dǎo)率 土壤電導(dǎo)率是土壤鹽離子含量的直觀表現(xiàn)，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(dǎo)率值是187.9 μS/cm，10種草本植物種植3年后的電導(dǎo)率結(jié)果見圖2。植物的生長普遍降低了土壤的電導(dǎo)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(dǎo)率大幅下降，早熟禾的種植并未對土壤的電導(dǎo)率產(chǎn)生明顯影響。不同草本植物對電導(dǎo)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(zhì) 土壤肥沃程度與土壤有機質(zhì)含量有直接聯(lián)系[16]。種植前所覆土較為貧瘠，按有機質(zhì)含量劃分屬于第6級土壤。種植3年后土壤有機質(zhì)含量測定結(jié)果見圖3，不同品種植被種植對土壤有機質(zhì)含量影響各不相同，但不同草本種植區(qū)有機質(zhì)含量均大幅提高。狼尾草、沙打旺的增幅超過300%，有機質(zhì)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(zhì)含量可能與其腐殖殘體有關(guān)。萱草、艾草、剪股穎、五芒雀麥種植區(qū)的有機質(zhì)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(zhì)量狀況以及土壤熟化程度的指標(biāo)，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)有重要意義[19-20]，土壤酶是土壤中物質(zhì)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(zhì)的形成相關(guān)[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(zhì)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(biāo)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(rèn)為，植被恢復(fù)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(guān)性較大，綜合分析土壤堿解氮與脲酶的相關(guān)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(fù)合性酶，它的存在對轉(zhuǎn)化土壤中酚類物質(zhì)及合成有機質(zhì)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(shù)法評價植物改良土壤

10種植物修復(fù)對土壤的各個指標(biāo)改良效果各不相同，使用單一指標(biāo)來評價植物對土壤的修復(fù)效果存在片面性。本研究以10種植物對土壤的pH值、電導(dǎo)率、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶等指標(biāo)的改良結(jié)果為依據(jù)。求得10種植物各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，并計算各植物所有指標(biāo)的平均值，按隸屬函數(shù)平均值排序來評價植物對土壤的修復(fù)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(fù)土壤指標(biāo)隸屬函數(shù)值綜合評價

3 結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(zhì)、堿解氮、速效磷等土壤養(yǎng)分。從對土壤有機質(zhì)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(zhì)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(dǎo)率、有機質(zhì)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(biāo)的隸屬函數(shù)值的平均值排序來評價植物對土壤的修復(fù)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。