稀土尾砂坡地水分與植被恢復(fù)的空間變異性

曹學(xué)章 李小青 鐘 鐵 張 毅 陳 斌， 唐歡歡，

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京210042;2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京210044;3.安徽正能量環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，安徽 馬鞍山243000)

土壤水分是植物生長的重要影響因子之一。不少研究表明，坡地土壤水分具有空間上的異質(zhì)性［1-13］。研究坡地土壤水分的空間分異特征，對(duì)坡地水土資源的合理利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被恢復(fù)的合理布局具有重要的指導(dǎo)意義。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)坡地水分和植被狀況的空間變異性開展了大量研究，但在礦山廢棄地邊坡水分與植被恢復(fù)的空間變異性方面，目前的研究較少。本試驗(yàn)以江西定南縣下莊稀土礦區(qū)廢棄尾砂坡地為研究對(duì)象，對(duì)稀土尾砂坡地水分與植被恢復(fù)的空間變異性進(jìn)行研究，以期為稀土尾砂坡地的水分管理和植被恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

下莊稀土礦區(qū)位于江西定南縣歷市鎮(zhèn)下莊村北部。礦區(qū)地形主要為風(fēng)化剝蝕低山高丘，山坡坡度多為20° ～30°，海拔標(biāo)高一般在300 m 左右，相對(duì)高差為50 m ～80 m。氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫為18.9 ℃，多年平均降水量為1 609. 9 mm。降水主要集中在4—6 月，占全年降水量的42.6%。

下莊稀土礦開采始于20 世紀(jì)80 年代初，采礦方法為池浸與堆浸法。由于稀土采區(qū)呈斑塊狀分布，尾砂一般就地堆放，形成散布于山坡上的許多斑塊狀尾砂坡地，每塊面積一般為數(shù)百平方米，坡度一般為30° ～40°，坡長多為10 余m 至數(shù)10 m，坡向絕大部分為西、西南、南、東南和東，地表基本呈裸露狀態(tài)。經(jīng)長期侵蝕，尾砂坡面上有許多深淺、寬窄不一的侵蝕溝。稀土尾砂pH 值為5.04 ～5.95，養(yǎng)分含量極低，質(zhì)地砂。

在礦區(qū)范圍內(nèi)選擇12 個(gè)尾砂坡地，進(jìn)行水分采樣分析，對(duì)其中3 個(gè)坡地進(jìn)行植被恢復(fù)試驗(yàn)，各坡地的基本情況見表1。由于礦區(qū)位于山的南坡，僅有個(gè)別尾砂坡地的坡向?yàn)楸?，因此，試?yàn)中沒有選擇坡向?yàn)楸钡奈采捌碌亍?/p>

表1 試驗(yàn)稀土尾砂坡地基本情況Table 1 General information of the rare earth tailing slopelands

2 研究方法

在裸露的稀土尾砂坡上進(jìn)行植被恢復(fù)，種植前一般要進(jìn)行帶狀或穴狀整地。因此，對(duì)稀土尾砂坡地水分空間變異性的研究，包括原狀和坡面整地2 種情況。全部12 個(gè)尾砂坡均進(jìn)行原狀坡面水分采樣，其中5 個(gè)坡(A、B、C、D、E)除進(jìn)行原狀坡面采樣外，還同時(shí)進(jìn)行整地坡面采樣。對(duì)同時(shí)進(jìn)行原狀坡面和整地坡面采樣的5 個(gè)坡，將每個(gè)坡分成左右2 部分，一部分保持原狀，一部分在采樣前的2011 年2 月進(jìn)行水平臺(tái)階整地，臺(tái)階寬度10 ～20 cm，臺(tái)階高度25 ～30 cm。2011 年4 月1—2 日進(jìn)行尾砂水分采樣，此時(shí)為降雨停止后1 周。對(duì)同時(shí)進(jìn)行原狀坡面和整地坡面采樣的5 個(gè)坡，在每個(gè)坡的原狀坡面部分和整地坡面部分，于各自的頂部、中部和底部分別沿橫向各設(shè)3 個(gè)采樣點(diǎn)(整地坡面采樣點(diǎn)布設(shè)在開挖的臺(tái)階上)，每個(gè)坡共18 個(gè)采樣點(diǎn)，其中原狀坡面和整地坡面各9 個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)只進(jìn)行原狀坡面采樣的7 個(gè)坡，在各自的頂部、中部和底部分別沿橫向各設(shè)3 個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)坡共9 個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)沿橫向大致等距離布設(shè)，但要避開侵蝕溝。采樣深度為40 cm，分0 ～20 cm 和20 ～40 cm 2 個(gè)層次。采用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定尾砂水分含量。

尾砂水分采樣完成后，選擇代號(hào)A、B、C 的3 個(gè)坡進(jìn)行植被恢復(fù)試驗(yàn)。先對(duì)未整地的部分開挖水平臺(tái)階，對(duì)先期開挖的臺(tái)階上淤積的松散尾砂進(jìn)行清理，施適量基肥后，2011 年4 月22 日在臺(tái)階上帶狀播種彎葉畫眉草，施工時(shí)注意施肥和播種均勻。2011年12 月9 日，在每個(gè)坡的坡頂、坡中和坡底植被條帶，進(jìn)行植被樣方采樣。根據(jù)植被條帶較窄的具體情況，植被樣方大小為8 cm×50 cm。A 坡條帶較長，分別在坡頂、坡中和坡底布設(shè)了4 個(gè)、6 個(gè)和6 個(gè)植被樣方。B 坡和C 坡條帶較短，坡頂、坡中和坡底各設(shè)3 個(gè)植被樣方。對(duì)每個(gè)樣方，用鐵鍬挖出樣方中的全部植株(包括地上部和地下部)，用清水洗干凈，吸干植物上的水分，帶回實(shí)驗(yàn)室，將植物樣用烘箱烘至恒重，稱干質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 稀土尾砂坡地水分的空間變異性

3.1.1 不同縱向坡位水分含量的差異

圖1 和圖2 分別是原狀坡和整地坡不同縱向坡位水分含量的比較。從圖1 和圖2 可見，并不是所有尾砂坡水分沿坡長方向都呈現(xiàn)同樣的變化趨勢(shì)，但不管是原狀坡還是整地坡，0 ～20 cm 和20 ～40 cm 的水分含量都呈現(xiàn)出坡底＞坡中＞坡頂?shù)目傮w格局。方差分析表明，2 種情況下，0 ～20 cm 和20 ～40 cm尾砂水分均在3 個(gè)縱向坡位之間存在顯著差異P(原狀0 ～20 cm 和20 ～40 cm，P =0.000;整地0 ～20 cm，P=0.024;整地20 ～40 cm，P =0.048)。對(duì)自然坡地、農(nóng)坡地、道路邊坡等坡地水分的研究表明，坡地水分沿坡縱向呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡碌自黾拥内厔?shì)，這是由于土壤水分在重力作用下向坡下運(yùn)動(dòng)造成的［3-9］。稀土尾砂是稀土礦石經(jīng)浸出、提取稀土后的殘余部分，其形成與一般的土壤不同，但稀土尾砂坡坡面不同縱向坡位水分的總體變化趨勢(shì)卻與自然坡地、農(nóng)坡地、道路邊坡等坡地相同。

3.1.2 不同坡向水分含量的差異

圖1 原狀情況下各稀土尾砂坡地不同縱向坡位含水量Fig.1 Moisture in different positions along longitudinal direction for each rare earth tailing slopeland in the case of no slope engineering measure

圖2 水平臺(tái)階整地情況下各稀土尾砂坡地不同縱向坡位含水量Fig.2 Moisture in different positions along longitudinal direction for each rare earth tailing slopeland in the case of narrow terrace site preparation

由于進(jìn)行水平臺(tái)階整地的只有5 個(gè)尾砂坡，其中又有3 個(gè)坡的坡向變化大，因此，分析不同坡向水分含量的差異時(shí)，只針對(duì)原狀坡。剔除坡向變化大的A、B 和C 坡，剩余的9 個(gè)坡包括東坡(D、I 和J 坡)、南坡(E、F 和K 坡)和西坡(G、H 和L 坡)各3 個(gè)。3個(gè)坡向比較，0 ～20 cm 水分為南坡＞東坡＞西坡(東坡和西坡幾乎相等)，而20 ～40 cm 水分則為南坡＞西坡＞東坡。從整個(gè)0 ～40 cm 分層來看，水分含量為南坡＞西坡＞東坡(表2)。方差分析表明，不同坡向之間水分含量不存在顯著差異(0 ～20 cm，P =0.216;20 ～40 cm，P=0.082;0 ～40 cm，P=0.114)。

表2 不同坡向稀土尾砂坡地平均含水量Table 2 Mean moisture of rare earth tailing slopeland in different slope aspects

3.2 稀土尾砂坡地植被恢復(fù)的空間變異性及其與水分空間變異性的關(guān)系

由于植被恢復(fù)試驗(yàn)的尾砂坡只有3 個(gè)，且坡向變化大，因此，關(guān)于植被恢復(fù)的空間變異性，只從縱向坡位方向來分析。3 個(gè)尾砂坡中，不同縱向坡位彎葉畫眉草生物量平均值比較，2 個(gè)坡為坡中＞坡底＞坡頂，1 個(gè)坡為坡頂＞坡底＞坡中。3 個(gè)坡平均，生物量呈現(xiàn)坡中＞坡底＞坡頂?shù)内厔?shì)(圖3)。但不同縱向坡位彎葉畫眉草生物量的差異性不顯著(P = 0.694)。與尾砂水分的空間變異性相比，生物量空間變異的規(guī)律性較差，與尾砂水分的空間變異也不具有一致性。

圖3 植被恢復(fù)試驗(yàn)坡地不同縱向坡位彎葉畫眉草生物量Fig.3 Biomass of Eragrostis curvula in different positions along longitudinal direction on the slopelands for revegetation experiment

進(jìn)一步利用Spss 軟件分析彎葉畫眉草生物量和相應(yīng)3 個(gè)坡整地情況下尾砂水分(0 ～20 cm 和20 ～40 cm)之間的相關(guān)性，結(jié)果表明，生物量與0 ～20 cm水分之間、生物量與20 ～40 cm 水分之間均具有低度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.432 和0.127，均未通過顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)而言，彎葉畫眉草生物量與0 ～20 cm 水分的相關(guān)性高一些。這說明，稀土尾砂坡地水分的空間差異對(duì)其上植物生長的影響不顯著，這與潘成忠等［13］的結(jié)論相同。

計(jì)算3 個(gè)植被恢復(fù)試驗(yàn)尾砂坡彎葉畫眉草生物量、整地情況下0 ～20 cm 尾砂水分和20 ～40 cm 尾砂水分的變異系數(shù)(表3)，可知生物量的空間變異顯著大于尾砂水分的空間變異。這說明影響植物生長的因素比影響尾砂水分的因素更復(fù)雜多樣，造成植物生長的空間差異性大于水分。

表3 植被恢復(fù)試驗(yàn)坡地彎葉畫眉草生物量和尾砂水分統(tǒng)計(jì)特征值Table 3 Statistical characteristics of biomass of Eragrostis curvula and moisture on the slopelands for revegetation experiment

4 結(jié) 論

(1)稀土尾砂坡地水分沿坡長方向呈現(xiàn)出坡底＞坡中＞坡頂?shù)目傮w趨勢(shì)，尾砂水分在3 個(gè)縱向坡位之間存在顯著差異。尾砂水分在不同坡向上總體上表現(xiàn)為南坡＞西坡＞東坡，但不同坡向之間水分含量不存在顯著差異。

(2)稀土尾砂坡地彎葉畫眉草生物量在不同縱向坡位上呈現(xiàn)坡中＞坡底＞坡頂?shù)目傮w趨勢(shì)，但3 個(gè)坡位生物量不存在顯著性差異。生物量與尾砂水分的相關(guān)性較差，尾砂水分的空間差異對(duì)其上植物生長的影響不顯著。

(3)稀土尾砂坡地彎葉畫眉草生物量的空間差異性顯著大于水分的空間差異性。

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