半干旱礦區排土場苜蓿恢復過程中土壤顆粒分形的演變特征

王東麗, 劉 陽, 郭瑩瑩, 謝 偉, 郭建軍, 湯國水, 趙曉亮, 連 昭, 于百和

1 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院,阜新 123000 2 神東天隆集團有限責任公司生態研究院,鄂爾多斯 017000 3 遼寧工程技術大學礦業學院,阜新 123000

半干旱礦區生態環境脆弱,立地條件惡劣,生態重建與植被恢復困難。苜蓿作為主要的生態恢復物種,具有較強的適生性,其龐大的根系不僅能夠改良土壤孔隙結構,其根系分泌物、代謝物還可增加土壤有機質,改善土壤團粒結構[1]。另外,苜蓿作為豆科植物,具有很強的根瘤固氮作用,能夠增加土壤碳氮養分水平,而且苜蓿作為綠肥,還可為土壤改良提供充足的有機質來源[2-3]。目前,苜蓿成為我國北方半干旱礦區生態重建中的先鋒種與優勢種,在礦區植被恢復中占據重要地位,對區域的脆弱生態環境修復、土壤結構改善、土壤肥力提高起著極為重要的作用[4]。然而,苜蓿在惡劣生境下壽命縮短,限制其改良土壤效應,其在條件嚴苛的礦區的演變規律亟需明確。

土壤是由形狀與大小各異的土壤顆粒組成的多孔介質,作為土壤結構體的基本單元,土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結構和性質,并間接影響了土壤的水分特性、肥力狀況等理化性質[5-6]。 Tyler[7]、楊培嶺[8]等提出土壤顆粒粒徑分布的質量分形計算公式,吳承禎等[9]研究表明分形維數可以很好地反映土壤的肥力特征。隨著激光衍射技術的發展和應用,土壤顆粒體積分布特征更容易且精確得到,王國梁等[10]在前人的公式和模型的基礎上,采用土壤顆粒體積分形維數的概念,被越來越多的學者應用于土壤分形特征的研究中。大量研究表明土壤顆粒的分形特征與土壤理化特性具有一定的關系,對礦區生態環境具有一定的指示作用[11-13]。目前針對礦區土壤分形特征的研究主要側重不同區域、不同廢棄地類型或植被類型下土壤顆粒分形特征的研究,以及土壤分形維數與土壤類型、水分、養分狀況、土壤機械組成、土壤侵蝕等關系[14-17]。王金滿等[18]研究表明半干旱黃土區露天煤礦排土場重構土壤顆粒組成具有明顯的多重分形特征,但對于廣泛種植的苜蓿地隨植被恢復過程的相關研究未見報道。

因此本研究針對半干旱露天礦排土場不同恢復年限的苜蓿草地,分析種植苜蓿恢復過程中土壤顆粒分形特征及與土壤特性的關系,探討礦區排土場苜蓿恢復模式效益,進而為半干旱礦區排土場生態重建實踐提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區為武家塔露天礦(39°15′ 16″—39°17′ 50″N,110°05′ 55″—110°10′ 48″E),地處鄂爾多斯高原腹地,為黃土高原和毛烏素沙地兩大地貌單元之間的過渡帶,地形特征為西北高、東南低,基本呈一斜坡狀,屬于半干旱半沙漠的高原大陸性氣候,年平均降水量370—410 mm,多集中在6—9月,且多以暴雨的形式出現。冬季嚴寒,夏季炎熱干燥,春季多風,全年少雨,溫差較大(-27.9—36.6 ℃),年平均氣溫為5.5—8.1 ℃,無霜期152—169 d。研究區區域性土壤類型為黃土和風沙土,并且零星分布著草甸土和栗鈣土型沙土。

研究區主要植被類型為溫帶草原植被,優勢植被為耐寒耐旱的旱生小葉灌木、半灌木,主要為沙柳(Salixcheilophila)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等。武家塔4#排土場復墾深度1 m左右,平臺上采取種植刺槐(RobiniaPseudoacacia)、沙柳(Salixcheilophila)、沙棘(HippophaeRhamnoides)、檸條(CaraganaKorshinskii)、沙打旺(Astragalusadsurgens)和苜蓿(M.Sativa)牧草等10余種植被恢復模式,完成復墾面積200多公頃,其中苜蓿種植面積占50%以上。

1.2 樣地選擇

選擇武家塔礦區4#排土場平臺人工種植年限分別為2 a、4 a、6 a和10 a苜蓿地為研究對象,同時為了比較人工種植苜蓿恢復與天然恢復的差別,以新排土與天然撂荒地為對照,各樣地覆土來源一致,且覆土工藝均為逐層覆壓,總厚度為1 m,具體樣地信息見表1。

表1 樣地的基本信息

1.3 樣品采集

2017年8月進行土壤樣品的采集。在所選擇樣地內,隨機選取出3個樣點,在每個樣點附近采取多點混合采集法分層采集,一般設置6—10個點。采集土樣時需先用工具將其植被枯枝落葉層去掉,按照0—5、5—10、10—20、20—40、40—60 cm分層進行取樣,每個采集點對應土層的土樣混合為1個樣品,再將土樣帶回到實驗室。

1.4 土壤顆粒組成及土壤理化性質指標的測定

篩分法：將土樣分別置于套篩(孔徑依次為2.00、1.00、0.50 、0.25、0.10 mm)頂部,底層安放底盒,頂部蓋篩蓋,用振蕩式機械篩分儀,在最大運動頻率300次/min 準確振蕩2 min后,從上部依次取篩,得到2.00—1.00、1.00—0.50、0.50—0.25、0.25—0.10 mm的土壤,分別收集稱量。

取通過直徑0.10 mm 篩孔樣品大約3 g放入小燒杯中,依次加入適量的蒸餾水與雙氧水,放在電爐上加熱并且不斷攪拌,直至再無氣泡產生,從而去除土樣中有機質,再用六偏磷酸鈉來浸泡24 h使土粒之間分散。處理后的土樣再用LS—POP(6)激光粒度儀來測定土壤粒徑,其所測粒徑為0.0002—0.50 mm之間,并可借助儀器附帶軟件中的分級功能,得到土壤的任意兩粒徑之間體積百分含量。

土壤理化性質測定采用常規測定方法[19]。土壤pH用PHS—P型酸度計測定；有機質用重鉻酸鉀—外加熱容量法測定；速效鉀用火焰光度法；測定全磷和速效磷用鉬銻抗比色法測定；全氮用半微量開氏法消煮,全自動定氮儀測定；堿解氮用堿解擴散法測定；電導率用浸提法測定；含水量用烘干法測定。

1.5 數據分析處理

根據LS—POP(6)激光粒度儀測得的土壤粒徑體積分布數據,采用王國梁等提出的土壤顆粒體積分形維數計算方法[10],具體計算公式如下：

(1)

(2)

運用Excel 2018進行數據的整理,運用SPSS 20.0進行回歸性分析,采用Sigmaplot 10.0進行制圖。

2 結果與分析

2.1 排土場不同苜蓿恢復過程中土壤顆粒的組成特征

本研究采用美國制土壤粒徑分級方法,即粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和砂粒(0.05—2.00 mm)。由圖1中可以看出不同恢復模式下粘粒含量所占的比例最少；在新排土、撂荒地、M2、M4恢復模式下,粉粒含量所占比例最高,砂粒次之；在M6、M10恢復模式下,砂粒含量所占比例最高,其次是粉粒；可見研究區土壤以粉粒與砂粒為主,粘粒極少,且隨著苜蓿恢復過程,土壤由以粉粒為主向以砂粒為主變化,即呈現出沙化趨勢。相對于新排土,撂荒草地土壤各粒徑組成變化不顯著(P>0.05),而不同年限苜蓿恢復模式土壤各粒徑組成存在不同程度的變化。其中,粘粒在M2與M4階段顯著高于其它恢復模式下,且在M4階段達到最高值,隨后顯著下降(P<0.05)；而砂粒在M4階段最低,隨后顯著上升(P<0.05),主要與其群落在4 a之后開始衰退及導致的土壤退化有關。可見在研究區苜蓿恢復一定時間內能夠顯著促進土壤粘粒化,隨著恢復進程土壤顯著沙化。

圖1 不同苜蓿種植恢復年限土壤粒徑組成 Fig.1 Soil particle size composition of different restoration years of M. Sativa plantinga, b, c表示不同苜蓿恢復年限間土壤各粒徑占比的差異顯著性(P<0.05)；XPT為新排土,LHD為撂荒地,M2為2年生苜蓿地,M4為4年生苜蓿地,M6為6年生苜蓿地,M10為10年生苜蓿地

不同苜蓿恢復模式下土壤粒徑組成在土壤垂直剖面變化各異。如圖2所示,撂荒地土壤在表層0—10 cm,較新排土呈現由砂粒向粉粒轉化；在M2與M4階段,土壤各粒徑組成在土壤剖面上變化幅度較大,在20—60 cm粘粒和粉粒呈現增加趨勢,而砂粒呈現下降趨勢；在M6階段,粘粒與粉粒均下降,而砂粒明顯增大,且在各土層間變化幅度較小；而達到M10階段,粉粒有所增加,而砂粒表現為減少。

圖2 不同苜蓿種植恢復年限下不同土層土壤顆粒組成Fig.2 Soil particle composition in different soil layers under different restoration years of M. Sativa planting

2.2 排土場不同苜蓿恢復過程中土壤分形維數特征

如圖3所示,土壤分形維數在不同恢復模式下各異,變化范圍為2.14—2.46,撂荒地相比于新排土沒有顯著變化,而在M2與M4模式下,土壤分形維數顯著增加,在M4達到最大值(2.46),而隨著恢復過程顯著下降(2.14)再上升(2.31),主要由于在M6階段苜蓿群落與土壤退化,導致土壤分形維數發生逆向演替,而進入M10階段,群落由天然植被物種侵入,開始天然恢復演替階段。

圖3 不同苜蓿種植恢復年限下土壤分形維數特征Fig.3 Fractal dimension characteristics of soil under different planting restoration years of M. Sativa

對土壤顆粒組成與土壤顆粒分形維數進行相關分析(圖4),發現土壤粘粒和粉粒含量與土壤顆粒分形維數具有極顯著正相關關系(P<0.01),土壤砂粒含量與土壤顆粒分形維數具有極顯著負相關關系(P<0.01),這與石戰飛等[20]的研究結論一致。同時研究發現粘粒與D值回歸方程的決定系數R2最大為0.634,表明土壤粘粒含量對D值的影響較大。

圖4 土壤顆粒組成與土壤體積分形維數的相關關系Fig.4 Correlation between soil particle composition and fractal dimension of soil volume

2.3 土壤體積分形維數在垂直剖面的演變特征

如圖5所示,土壤顆粒分形維數D值在垂直剖面上不同苜蓿恢復過程的變化規律各異,變化范圍為2.09—2.57。新排土與撂荒地的土壤顆粒分形維數D值在垂直剖面上整體上無明顯變化,各土層分形維數D值相差不大,表明在垂直剖面上自然恢復對土壤分形維數影響不大；不同恢復年限的苜蓿地,其土壤分形維數在垂直剖面上的變化各異,苜蓿地2 a與苜蓿地4 a隨著土層深度的增加,分形維數D值整體上隨之增大；苜蓿地6 a和苜蓿地10 a隨著土層深度的增加,分形維數D值整體上隨之減小；表明不同恢復年限的苜蓿地在垂直剖面上,分形維數的變化呈現一定的規律。

圖5 不同苜蓿種植恢復年限下土壤體積分形維數在垂直剖面的演變特征Fig.5 The evolution characteristics of soil volume fractal dimension in vertical section under different planting and restoration age of M. Sativa

2.4 土壤分形維數與土壤理化性質的關系

在不同苜蓿恢復階段,土壤分形維數與土壤理化性質的關系表現各異。由表2可知,土壤分形維數與電導率呈極顯著負相關關系(P<0.01),與pH值和速效鉀呈顯著負相關關系(P<0.05),與堿解氮呈顯著正相關關系(P<0.05)；表明分形維數可表征研究區苜蓿恢復過程中土壤的一些理化性質,即分形維數D值越大,電導率、pH值越小,速效鉀含量越低,但堿解氮含量越高。另外,分形維數D值與全氮含量、全磷含量、有機質、含水量、速效磷含量均未達到顯著水平。

表2 土壤體積分形維數與土壤性質相關關系

3 討論

土壤顆粒在一定程度上決定了土壤的結構和性質,土壤顆粒體積分形維數與土壤顆粒組成具有密切的聯系[21]。本研究表明,研究區排土場土壤顆粒組成與土壤顆粒分形維數具有相關性,其中土壤粘粒與土壤分形維數具有顯著的正相關關系,與風沙區不同種植年限苜蓿地[3]、風沙區煤礦復墾地[22]的研究結果一致,可見土壤顆粒粘粒含量所占比重對土壤顆粒分形維數的影響最為顯著。同時,隨著苜蓿恢復年限的增加土壤粘粒含量所占比重先增大后減小,即土壤質地表現為先細粒化后沙化的規律,在M4階段細粒化程度最高,這與其它自然生態系統或者植被恢復方式的相關研究結果不一致,如風沙區不同種植年限苜蓿地、半干旱沙區不同植被恢復年限、不同退耕年限林草地,均隨著恢復時間的延長,表現為土壤顆粒分形維數增大,土壤質地細粒化[23-25]。可見,研究區苜蓿恢復模式只能在短期內具有改善土壤顆粒組成的作用,恢復一定年限后其改善土壤顆粒組成的作用下降。主要在于礦區排土場作為人工塑造生態系統,立地條件差、生境脆弱,苜蓿種植4 a后群落發生明顯的退化。土壤分形維數在垂直剖面上的變化特征可表征植物根系對土壤顆粒組成的作用。本研究發現,不同苜蓿恢復過程中土壤顆粒分形維數D值在垂直剖面上變化各異,新排土與撂荒地不同土層顆粒體積分形維數之間無明顯變化,M2與M4土壤分形維數在垂直剖面上整體上隨土層深度加深而增大,M6與M10土壤分形維數在垂直剖面上整體上隨土層深度加深而減小,表明苜蓿恢復2 a與4 a時,其根系能夠促進深層土壤粘粒化,具有改良土壤粒徑組成的作用。然而,張社齊等[26]通過研究黃土高原刺槐人工林地,表明不同樹齡刺槐人工林地的土壤顆粒分形維數在土壤剖面的不同深度上趨于均一,而且小于同種質地的其他土壤；黨亞國等[27]研究也表明黃土高原典型剖面土壤顆粒體積分形特維數在不同土層間差異不顯著；賈曉紅等[28]通過研究沙冬青灌叢地的土壤顆粒大小分形維數空間的變異,發現在垂直剖面上分形維數隨土層加深呈減少趨勢。可能在于研究區排土場土壤多為人為覆蓋的生土,且從未有過植被定居,而其他生態系統均為自然生態系統,深層土壤顆粒組成較排土場更佳。

眾多研究表明,土壤分形維數可較好地反映土壤的肥力特征[29-30]。本研究發現,排土場苜蓿恢復模式下土壤分形維數與土壤電導率、速效鉀、堿解氮、pH值具有相關關系,可以用土壤分形維數表征土壤速效養分狀況；石占飛等[20]通過研究陜北神木礦區土壤顆粒體積分形特征,表明分形維數D值可以表征土壤養分變化程度,這與本研究結果較一致。同時,本研究發現在苜蓿恢復過程中,土壤分形維數與土壤養分整體呈先增加后下降的規律,在M4階段時,土壤分形維數最大,養分狀況最佳；而黃曉娜等[31]研究發現煤礦塌陷區隨著復墾年限的增加,土壤理化性質變好,分形維數也隨之增大。這與本研究結果存在一定的差異,主要在于苜蓿恢復模式屬于人工恢復方式,群落物種單一,加之本研究區植物恢復種為苜蓿,其優勢性導致其它植物種入侵、定居的難度,而且隨著其對土壤水分與養分消耗過度,使得土壤在恢復一定年限后發生退化。

因此,半干旱礦區排土場苜蓿恢復過程中,土壤分形特征與土壤特性在一定恢復年限內,隨著恢復年限的增加逐漸變好,在M4階段時達到最佳狀態。故在類似生態系統采用苜蓿恢復模式時,可考慮與其它植物種進行混播配置或補播改造,增加群落的物種多樣性,防治其退化；亦可在其土壤改良最佳階段,結合土壤與水分管理進行復墾利用等。

4 結論

武家塔露天礦排土場土壤各粒徑含量大小整體表現為粘粒<粉粒<砂粒。較新排土與自然撂荒而言,隨著苜蓿恢復過程,粘粒與粉粒含量整體表現為先增加后下降的趨勢,且在M4階段達到最佳,砂粒反之。不同恢復階段,分形維數整體上先增大到2.46后減小到2.31,在M4階段達到最大,在垂直剖面上的變化規律表現各異。土壤分形維數與土壤顆粒組成、土壤pH、電導率、速效鉀含量、堿解氮含量密切相關,且整體在M4階段達到最佳,土壤分形維數可以用來表征其土壤改良效果。因此,在半干旱礦區排土場進行苜蓿恢復時應注意恢復年限的調控,適時進行適宜的利用與改造,確保礦區生態恢復的可持續性。