不同植被恢復類型對煤炭物流園區廢棄地土壤理化性質的影響

郭 鑫, 高 永, 張 超, 段曉婷, 梁鈺鎂

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 內蒙古 呼和浩特 010020)

煤炭資源的開發為中國經濟發展做出巨大貢獻的同時也產生了一系列環境問題[1]，在倉儲、加工和運輸過程中會產生大量的廢棄地，其表層以煤矸石和碎石形式存在的殘渣是巨大的CO2排放源[2]，會導致原生態系統碳匯功能的急劇退化或完全消失[3]，致使土壤肥力下降，周圍植被無法正常生長。寶貴的土地資源遭到破壞，無法發揮正常使用價值[4]。因此，如何加快廢棄地再開發，提升土地利用率成為一個重大挑戰。植被恢復是廢棄地生態恢復的重要解決途徑，其不僅修復成本低，而且對植物群落的構建起著強大的作用，還能改善土壤內部孔隙結構，增強土壤肥力[5]。近年來，學者們對礦區廢棄地再利用進行了大量研究。由于廢棄地土壤結構性差，有機質含量及植物必需的養分元素缺乏[6]，不利于一些植物生長，故這些研究主要集中于不同植被類型對廢棄地土壤理化性質的改良效果，其中以喬灌草結合為最佳恢復模式[7]，或是集中研究于最適廢棄地生長的本土植物，如燈芯草和莎草成為錫尾礦區廢棄地生態修復的優勢植物[8]，對土壤養分分布及有效性有不同程度的改變，從而達到生態修復的目的[9-10]。有學者[11]對土壤養分隨植被修復年限的變化進行研究，得出土壤有機碳含量隨喬木林齡的增加顯著升高，土壤中碳儲量增加、有效氮的轉化速度加快以及可供植物吸收的磷組分提高，證實了植被恢復對土壤理化性質存在一定的影響。因此，測定不同植被恢復類型下土壤理化性質的改變對監測土壤養分及其循環有著極為重要的作用。

煤炭物流園區廢棄地殘渣覆蓋層厚，夯實力度強，對原有土地損毀壓占的同時還易造成地表水體有機物污染和酸堿性污染[12]，生態系統退化嚴重。目前，煤炭資源開發利用造成的土地資源破壞問題備受關注，但已有的研究多關注生產環節廢棄地的生態修復問題，而類似煤炭運輸、存儲造成的土地資源退化及修復的問題尚未引起足夠重視。因此本研究以呼和浩特市西南部因煤炭轉運過程而產生的特殊退化地為研究對象，通過野外調查取樣和室內試驗，研究不同植被恢復類型對土壤理化性質的影響，分析土壤理化性質指標之間的相關性，評價不同植被恢復類型土壤質量，揭示不同植被恢復類型的修復成效，為類似廢棄地的生態修復提供重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區呼和浩特市土默特左旗白廟子鎮S103省道25 km處廢棄煤炭物流園區(111°29′22.19″—111°31′47.91″E，40°33′35.77″—40°35′04.48″N)，屬溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷、漫長，夏季炎熱且伴隨集中的降水，春季干燥少雨，秋季溫和涼爽。年均氣溫6.3 ℃；年均降水量394.5 mm；海拔981～1024 m。當地土壤以灰褐土為主，較貧瘠，煤質殘渣多，植物根系深度較淺。根據2021年6月高分遙感影像數據，經目視遙感解譯分析，該區占地面積690.87 hm2，土地利用類型主要為喬木林、灌木林、草地和煤質裸地。其中草地面積最大，為302.74 hm2，以自然恢復為主，無人為管控，有輕微放牧，主要植物種類為油蒿(Artemisiaordosica)、蒺藜(Tribulusterrestris)、豬毛菜(Salsolacollina)、砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)等草本植物；灌木林面積最小，為21.64 hm2，主要植被種類為胡枝子(Lespedezabicolor)、檉柳(Tamarixchinensis)；喬木混交林面積為92.90 hm2，以小葉楊(Populussimonii)、新疆楊(Populusalba)的人工混交林為主，還包括少量的旱柳(Salixmatsudana)；裸地面積為119.80 hm2，地表無植被覆蓋，無明顯恢復痕跡。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗設計和樣品采集 本試驗采樣時間為2021年7—8月。為了使調查樣地更具有代表性，采用樣方方法進行試驗。選取當地主要植被物種，并按照不同植被恢復類型將當地土壤利用類型劃分為：喬木混交林、灌木林、草地和裸地4種樣地類型。每個樣地類型設置3個樣方，共計12個，在樣方內進行植物群落調查，樣方基本情況詳見表1。其中喬木混交林樣方面積20 m×20 m；灌木林樣方面積10 m×10 m；草地和裸地樣方面積均為5 m×5 m。在每個樣方內以S形線上隨機選取3個采樣點，并在各樣點的垂直方向上采用剖面法“自下而上”分別采集3層(0—20，20—40，40—60 cm)土樣，剔除植物根系和煤質殘渣，采用四分法稱取1 kg樣品裝入自封袋并編號，帶回實驗室自然陰干后，過2 mm土篩用于土壤理化性質的測定。

1.2.2 試驗測定方法 選擇的土壤理化性質指標包括土壤容重、含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀。其中，采用烘干法測定土壤含水率；環刀法分別測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度；重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質；乙酸銨浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀；碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；堿解擴散法測定土壤堿解氮[13]。

1.2.3 數據處理 采用Excel 2010和 SPSS 26.0統計軟件進行數據處理；采用單因素方差分析中最小顯著差異法分析不同植被恢復類型對土壤理化性質的影響，并利用Duncan法進行差異顯著性檢驗；運用主成分分析法計算不同植被恢復類型土壤質量綜合指數；采用Pearson相關系數法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復類型對土壤物理性質的影響

由圖1可知，隨著土層深度的增加，灌木林、草地和裸地的含水量呈逐漸增大的趨勢，喬木混交林與之相反，0—20 cm土層土壤含水率最高(19.44%)，與灌木林、草地和裸地土壤含水量相比顯著增加了71.13%，84.79%和214.56%。各樣地平均含水率大小分別為：喬木混交林(15.48%)>灌木林(12.86%)>草地(12.54%)>裸地(7.51%)。土壤容重在垂直剖面上均表現為隨土層深度增加而增大的趨勢(圖1)，土壤容重變化范圍在1.32～1.72 g/cm3之間。不同植被恢復類型相同土層土壤容重均顯著小于裸地(p<0.05)，喬木混交林土壤容重最小，0—20，20—40，40—60 cm土層容重分別為1.37，1.41，1.48 g/cm3。由圖1還可看出，各樣地土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度均隨著土層的加深呈現逐漸降低的趨勢，喬木混交林在0—20，20—40，40—60 cm土層毛管孔隙度均顯著高于其他植被恢復類型(p<0.05)，分別為35.23%，29.07%，26.52%。不同植被恢復類型土壤非毛管孔隙度比裸地高8.75%～61.18%，喬木混交林和草地在0—60 cm土層非毛管孔隙均值最大，分別為9.93%和9.01%。各樣地土壤總孔隙度均隨著土層的加深呈現逐漸下降的趨勢(圖1)，其變化范圍為12.15%～46.75%。喬木混交林、灌木林不同土層下總孔隙度均顯著高于裸地(p<0.05)，草地與裸地相比無顯著性差異(p>0.05)。土壤總孔隙度均值表現為：喬木混交林(40.20%)>灌木林(30.28%)>草地(20.10%)>裸地(18.68%)，喬木混交林和灌木林對土壤孔隙結構影響最大，草地最小。

2.2 不同植被恢復類型對土壤化學性質的影響

由表2可知，喬木混交林、裸地土壤有機質含量均呈現出隨土層深度增加而減少的趨勢，灌木林土壤有機質含量呈現先減小后增加的趨勢，草地則與之相反。灌木林在0—20，20—40，40—60 cm土層中土壤有機質含量分別為11.20，8.41和9.29 g/kg，均顯著高于其他植被恢復類型(p<0.05)。與裸地相比較，3種植被恢復類型有機質含量增長了67.87%～160.33%。各樣地土壤有機質平均含量為：灌木林(9.63 g/kg)>喬木混交林(6.76 g/kg)>草地(6.21 g/kg)>裸地(3.70 g/kg)。

圖1 不同植被恢復類型土壤物理性質隨土層深度的變化

在垂直分布上土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為1.52～5.78，0.19～2.00，1.90～32.05 mg/kg，其中速效鉀含量變化范圍較大。隨著土層深度的增加，土壤中堿解氮、速效磷整體呈現下降的趨勢，喬木混交林在0—20 cm土層中堿解氮、速效磷含量最大，分別為裸地的1.7和2倍；草地在20—40，40—60 cm堿解氮含量顯著高于其他植被恢復類型(p<0.05)，分別為4.61和3.41 mg/kg。喬木混交林20—40 cm土層速效磷含量顯著高于其他植被恢復類型(p<0.05)，在40—60 cm土層各植被恢復類型土壤速效磷含量無顯著差異(p>0.05)。各樣地土壤速效鉀平均含量表現為：草地(15.83 mg/kg)>灌木林(13.82 mg/kg)>裸地(11.51 mg/kg)>喬木混交林(5.76 mg/kg)，喬木混交林速效鉀含量最低，為草地的36.39%。灌木林、草地、裸地在40—60 cm土層速效鉀含量出現急劇上升的趨勢，較20—40 cm土層分別增加了1.34，4.74，5.69倍。

2.3 不同植被恢復類型土壤理化性質間的相關性

表3中速效磷與容重呈顯著負相關關系(p<0.05)，與毛管孔隙度含量表現為顯著正相關(p<0.05)，與非毛管孔隙度、總孔隙度均表現為極顯著正相關(p<0.01)；堿解氮與非毛管孔隙度、速效磷均表現為極顯著正相關(r=0.72，0.74，p<0.01)；有機質與毛管孔隙度、堿解氮、速效磷均表現為顯著正相關(r=0.59，0.58，0.60，p<0.05)；總孔隙度與容重呈顯著負相關關系(p<0.05)，與非毛管孔隙度呈顯著正相關關系(p<0.05)，與毛管孔隙度表現為極顯著正相關(p<0.01)；毛管孔隙度與含水量表現為顯著正相關(p<0.05)，與容重呈顯著負相關關系(p<0.05)。

表2 不同植被恢復類型土壤化學性質隨土層深度的變化

表3 研究區土壤理化指標之間的相關性分析

2.4 不同植被恢復類型下土壤質量綜合評價

采用單一理化性質指標對土壤的改良效果進行評價具有一定的局限性，因此需要對指標做綜合分析來評定不同植被恢復類型對土壤的綜合改良效果。對9個理化性質指標因子進行降維處理，按照特征值>1的原則，提取了3個主成分變量，累計貢獻率共計89.00%(表4)，表明所提取的指標能夠有效代表土壤的全部信息[14]。其中，含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、速效磷在第一主成分中發揮了重要的作用，堿解氮、速效鉀在第二主成分中發揮了重要的作用，有機質在第三主成分中發揮了重要的作用。將所得載荷系數除以特征值的平方根得到各成分得分系數，3個主成分記作Y1，Y2，Y3，其主成分方程為：

Y1=-0.398 7X1+0.396 6X2+0.349 2X3+

0.301 3X4+0.373 9X5+0.258 3X6+

0.241 3X7+0.401 9X8-0.211 7X9

Y2=-0.079 6X1+0.145 3X2-0.312 7X3+

0.100 3X4-0.266 9X5+0.299 4X6+

0.575 2X7+0.005 9X8+0.610 6X9

Y3=0.140 4X1-0.067 3X2+0.270 1X3-

0.630 6X4+0.133 6X5+0.629 7X6-

0.184 6X7+0.130 7X8+0.199 0X9

根據主成分分析數學模型將標準化后的原始數據，以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算綜合主成分值作為綜合得分(表5)，土壤質量綜合得分排序為：喬木混交林(1.48)>灌木林(0.63)>草地(-0.03)>裸地(-2.07)。

表4 研究區土壤質量各因子載荷矩陣

表5 研究區土壤質量主成分因子得分及綜合評價指數得分

3 討 論

植被恢復是煤炭物流園區廢棄地生態修復的重要方法之一，對研究區進行生態修復后，植物可以通過根系穿插作用來改變土壤的緊實度，凋落物和死亡根系的分解腐化又把大部分無機營養元素歸還土壤，從而改善土壤理化性質[15]。研究區不同植被恢復類型對土壤物理性質的影響具有顯著性差異(p<0.05)，其中喬木混交林、灌木林的土壤通氣性和孔隙結構顯著優于草地和裸地，主要是因為喬灌木林植物種類豐富，植被間郁閉度高、根系分布廣泛、地表凋落物覆蓋程度較高所致，同時也會對土壤水分涵養能力具有一定影響[16-20]。

土壤有機質的增加對改善土壤理化性質，促進土壤營養元素的分解轉化，提高土壤保肥性和緩沖性，對植物生長有促進作用。本研究結果表明，與裸地相比，植被恢復區有機質含量增長了67.87%～160.33%，與趙同謙等[16]和王巖等[17]的研究結果基本一致，主要因為植被有較為穩定的林分結構，且積累了豐富的枯落層，為有機質的積累提供了重要的來源。相關性分析表明，有機質與堿解氮、速效磷和毛管孔隙度均表現為顯著正相關(圖2)，該結果與諸多學者研究結果一致[16-17]。有機質與理化指標因子聯系緊密，可作為植被恢復過程中土壤質量變化的重要指示性指標，因此在進行植被恢復時要尊重自然演替規律，盡量減少人為干擾，采用適度的管理措施改善凋落物組成及其性質，提高土壤有機質含量，進而達到改良土壤，提高土壤質量的效果[21]。

土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀可供植物直接吸收利用，是反映土壤肥力高低的重要指標。不同植被恢復類型土壤養分含量在不同土層之間存在顯著差異(p<0.05)，草地在0—60 cm土層中堿解氮、速效鉀均值含量最高，這可能是因為在生態恢復初期草本植物的發展是凈初級生產力的重要組成部分，其快速的生長和死亡造成了土壤養分高的現象[22]。各樣地土壤堿解氮和速效磷含量均呈現表層顯著高于深層的特點(p<0.05)，這與前人研究結果一致[18-20]，主要是因為植被枯落物多集中于土壤表層，隨著退化程度加深，歸還于土壤的凋落物逐漸減少，使得養分隨土層深度的增加逐漸減小。速效鉀含量在土壤深層出現明顯的聚集，魏光普等[23]的研究結果與本文研究相悖，這可能是因為煤質礦物風化使鉀離子濃度升高，降低了鉀的有效性，導致土壤鉀素的固定從而避免鉀的流失以及植被對鉀的奢侈吸收，土壤鉀素固定的同時也是土壤速效鉀的潛在來源[24-25]。此外，研究區保水保肥能力低，而鉀的遷移性較強，因此會出現養分淋失的現象[21,26]。

研究區地表結構松散，養分貧瘠，需要經過一個漫長的過程土壤生態系統才能恢復。3種不同植被恢復類型土壤質量綜合評價結果表明人工喬木混交林對土壤的改良效果最優，人工灌木林次之，而天然草地對土壤的改良效果較小。這與劉暢[14]的研究結果相似，同時人工配置的植被恢復模式比自然恢復更有利于土壤理化性質的改善[27]。本研究僅對不同植被恢復類型土壤理化性質進行了土壤質量評價，而植物根系與土壤微生物對地下生態系統的影響也是必不可少的，今后還須在不同植被搭配模式下土壤根系、微生物共同成土機制方面進行深入研究，以期完善該區域不同植被類型土壤質量評價體系。

4 結 論

(1) 植被恢復對煤炭物流園區廢棄地土壤理化性質有明顯改善作用，對土壤的改善效果與植被類型有關。

(2) 喬木混交林和灌木林的種植使得土壤質地疏松，持水能力強，孔隙結構良好，土壤中有機質含量明顯增加，草地對土壤中堿解氮、速效鉀的積累有顯著促進作用，但土壤營養元素依舊匱乏，氮、磷和鉀元素處于較低水平。

(3) 土壤養分在土層垂直分布上差異顯著(p<0.05)，堿解氮、速效磷表現為“表聚性”，而速效鉀呈現深層聚集的特點。

(4) 土壤綜合評價結果表明，喬木混交林對土壤的改良效果最優，灌木林次之，而天然草地對土壤的改良效果較小，因此在進行植被恢復時，要根據當地生態環境條件，合理配置喬、灌、草比例，進而達到土壤質量提升的效果。