冀東礦區(qū)不同植被恢復(fù)類型尾礦基質(zhì)粒徑組成和養(yǎng)分特征研究

趙佳琪，陳曉琳，李玉靈

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

restoration

尾礦作為一種松散堆積的工程體，具有穩(wěn)定性較差，流動性強(qiáng)的特點(diǎn)，遇降雨易發(fā)生滑坡等災(zāi)害，此外尾礦的長期堆積會造成水體和空氣的污染，進(jìn)而影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，甚至危害人類的身體健康[1]，因此礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復(fù)就顯得尤為重要。植物修復(fù)技術(shù)以其長期性、有效性和成本低的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中[2-4]。大量研究表明，植物在修復(fù)中可有效防止水土流失，并將污染物和有害金屬固持在自身體內(nèi)，降低污染物的流動性[5-7]。同時(shí)，植物凋落物和植物根系的共同作用可改善礦區(qū)尾礦的理化性質(zhì)，為微生物和動物創(chuàng)造生存空間，增加礦區(qū)的生物多樣性，促進(jìn)礦區(qū)物質(zhì)和能量的循環(huán)，從而有效改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。但礦區(qū)基質(zhì)結(jié)構(gòu)較差、養(yǎng)分含量低、保水能力差、重金屬等條件極不利于植物的生長，因此植物的選擇就成為了礦區(qū)植物修復(fù)技術(shù)的研究重點(diǎn)[8]。眾多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，有研究表明沙棘固氮能力較強(qiáng)，并在修復(fù)過程能夠顯著提高土壤養(yǎng)分含量[9-10]；楊柳科等植物對Cd和Zn等重金屬元素有很強(qiáng)的富集能力[11-12]；檉柳不僅防風(fēng)固沙能力較強(qiáng)，能在鹽堿地上生存，還具有一定的觀賞價(jià)值，是礦山廢棄地的最優(yōu)備選植物[13]；火炬樹生長迅速、根系發(fā)達(dá)，可有效改善土壤的物理性質(zhì)，減少水土流失[14]。

目前，礦區(qū)植物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成熟，關(guān)于植被恢復(fù)地的評價(jià)體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善。土壤顆粒作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其組成含量和分布特征對于土壤養(yǎng)分、水分和物理結(jié)構(gòu)等方面有著重要的影響[15]，但目前關(guān)于利用土壤顆粒定量描述礦區(qū)植物恢復(fù)效果的研究較少。近年來隨著分形理論的不斷發(fā)展，分形模型被廣泛的應(yīng)用在定量描述土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)等方面，大量研究表明粒徑分形維數(shù)與土壤中黏粒和粉粒含量以及與養(yǎng)分含量存在相關(guān)關(guān)系，例如，李易珺等研究清土湖干涸湖底土壤顆粒結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)粒徑分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈正相關(guān)，土壤中黏粒和粉粒含量越高，分形維數(shù)越大，土壤中的養(yǎng)分狀況越好[16]；拓飛等研究發(fā)現(xiàn)毛烏素沙地沙地柏人工林和天然林中土壤養(yǎng)分與土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和鹽分含量與細(xì)顆粒含量呈線性正相關(guān)[17]；蘇永中等人在研究科爾沁地區(qū)農(nóng)田沙化時(shí)發(fā)現(xiàn)粒徑分形維數(shù)與土壤黏粒、粉粒、全氮、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，粒徑分形維數(shù)可以定量描述沙化土地的肥力狀況[18]。介于目前關(guān)于礦區(qū)基質(zhì)粒徑結(jié)構(gòu)和分形理論的研究較少，本試驗(yàn)從尾礦粒徑組成含量和分形特征入手，以直接在尾礦上營造的沙棘林、檉柳-楊樹混交林和火炬樹-沙柳混交林為研究對象，裸尾礦樣地為對照，對比分析不同植被恢復(fù)類型尾礦基質(zhì)的粒徑組成、分形特征和養(yǎng)分狀況，探究不同植被恢復(fù)類型對尾礦基質(zhì)的改良效果，為礦區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省東北部，唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限公司礦區(qū)內(nèi)，坐標(biāo)北緯40° 05′～40° 07′，東經(jīng)188° 33′ ～188° 36′，年日照時(shí)數(shù)2 292.5 h，平均氣溫11.5 ℃，無霜期198 d，多年平均降水量為672.4 mm，溫帶季風(fēng)性氣候。礦區(qū)植物恢復(fù)樹種主要有沙棘、火炬樹、沙柳、楊樹、刺槐等。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 沙棘林、檉柳—楊樹混交林、火炬—沙柳混交林均為2009年直接在裸尾礦上栽植，林齡為12 a，坡度0°，郁閉度分別為90%、40%和60%，株行距分別為0.5 m×1 m、1 m×2 m和1 m×2 m。由于尾礦基質(zhì)結(jié)構(gòu)較差，質(zhì)地均勻，為保持樣地間的可比性，在所有樣地中軸線中心點(diǎn)位置各設(shè)置一個(gè)垂直投影面積為10 m×10 m的樣方，共4個(gè)樣方，利用GPS記錄各個(gè)樣方中心點(diǎn)的坐標(biāo)、海拔，分別調(diào)查灌木、草本群落特征。每個(gè)樣方內(nèi)采用5點(diǎn)取樣法，在樣方的中心點(diǎn)和4個(gè)角處，選擇株間位置，分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 3個(gè)土層用環(huán)刀取土，將采集好的土壤密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。

1.2.2 指標(biāo)測定 將采集好的樣品自然風(fēng)干，風(fēng)干后過1 mm土篩，去除土壤中枯枝落葉和可見的雜物， 每份樣品分別取一定量土壤，加30%過氧化氫去除有機(jī)質(zhì)，超聲波分散30 s，利用Bettersize 2 000 激光粒度儀分別測定每份樣品的土壤粒徑百分含量，土壤粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)參照美國農(nóng)業(yè)部制粒徑標(biāo)準(zhǔn)：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細(xì)砂粒(0.05～0.10 mm)、細(xì)砂粒(0.10～0.25 mm)、中砂粒(0.25～0.50 mm)、粗砂粒(0.50～1.00 mm)。分形維數(shù)的計(jì)算參照Tyler[19]的計(jì)算方法：

(1)

式中：r為粒徑；Ri為某一粒級中的平均粒徑；Rmax為土壤顆粒中的最大粒徑；VT為全部顆?？傮w積；V(r

土壤pH、堿解氮、全氮、有機(jī)質(zhì)含量的測定參照土壤農(nóng)化分析[20]。pH采用電極電位法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；全氮采用硫酸消煮法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用稀釋熱重鉻酸鉀容量法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組之間的差異，利用相關(guān)性分析粒徑組成含量、分形維數(shù)與尾礦基質(zhì)養(yǎng)分之間的關(guān)系。

采用SPSS 21和Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分尾礦基質(zhì)粒徑含量組成及分形維數(shù)

不同林分尾礦基質(zhì)粒徑含量與分形維數(shù)見表1。

由表1可知，不同林分尾礦基質(zhì)的細(xì)粒物質(zhì)含量提高，粗顆粒物質(zhì)含量減少，尾礦基質(zhì)有細(xì)粒化的發(fā)展趨勢。其中沙棘林和火炬-沙棘混交林0～30 cm土層黏粒含量均值分別為0.14%和0.11%，粉粒含量均值分別為32.35%和28.46%，均顯著大于裸尾礦樣地(P<0.05)；沙棘林0～30 cm土層極細(xì)砂粒含量均值為34.14%，顯著大于裸尾礦樣地(P<0.05)；沙棘林、火炬—沙柳混交林和檉柳-楊樹混交林0～30 cm土層細(xì)砂粒含量均值分別為20.25%、28.91%和32.11%，均顯著小于裸尾礦樣地(P<0.05)；沙棘林0～30 cm土層中砂粒含量均值為12.70%，顯著小于裸尾礦樣地(P<0.05)；沙棘林和火炬—沙柳混交林0～30 cm土層粗砂粒含量均值分別為1.92%和1.74%，顯著小于裸尾礦樣地(P<0.05)。

表1 不同林分尾礦基質(zhì)粒徑組成含量及分形維數(shù)Table 1 Tailing matrix particle size composition content and fractal dimension under different forest stands

就不同土層來說，裸尾礦樣地質(zhì)地較為均一，垂直方向變化不明顯；沙棘林和火炬—沙柳混交林黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量隨著土層深度的增加而減小，即0～20 cm表層含量較高，20～30 cm底層含量低，細(xì)砂粒、中砂粒和粗砂粒含量則表現(xiàn)出0～20 cm表層含量較低，20～30 cm底層含量較高的特點(diǎn)；檉柳—楊樹混交林粒徑組成在垂直方向上無明顯變化。以上結(jié)果表明，沙棘林和火炬—沙柳混交林對于尾礦基質(zhì)粒徑組成含量的影響較大，且2種林分均提高了尾礦0～20 cm表層細(xì)粒物質(zhì)的含量；檉柳—楊樹混交林對于尾礦粒徑組成含量的影響不明顯，這可能是因?yàn)樵摲N林分的蓋度較低，未能有效的改善土壤粒徑結(jié)構(gòu)。

如表1所示，沙棘林0～30 cm土層粒徑分形維數(shù)均值為1.92，顯著大于裸尾礦樣地(P<0.05)?；鹁妗沉旖涣趾蜋f柳—楊樹混交林0～30 cm土層粒徑分形維數(shù)均值分別為1.73和1.69，與裸尾礦無顯著差異(P>0.05)，但均大于裸尾礦樣地，2種林分粒徑分形維數(shù)有增大的趨勢。就不同土層來說，3種林分0～20 cm土層粒徑分形維數(shù)較大，20～30 cm土層粒徑分形維數(shù)較小，而裸尾礦樣地表現(xiàn)為20～30 cm土層粒徑分形維數(shù)較大的特點(diǎn)。由此可見，不同林分下尾礦基質(zhì)粒徑分形維數(shù)雖有不同，但均大于裸尾礦樣地，植物可提高尾礦基質(zhì)的分形維數(shù)，但不同植物對于尾礦粒徑的改良效果不同。研究發(fā)現(xiàn)沙棘林和火炬-沙柳混交林的分形維數(shù)與黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量在垂直方向上與分形維數(shù)表現(xiàn)出了相同的變化趨勢，因此我們將粒徑分形維數(shù)與尾礦顆粒組成含量進(jìn)一步擬合，來探求分形維數(shù)與粒徑組成含量的關(guān)系。

2.2 不同林分尾礦基質(zhì)分形維數(shù)與粒徑組成含量相關(guān)關(guān)系

不同林分尾礦基質(zhì)分形維數(shù)與粒徑組成含量相關(guān)關(guān)系見表2。

由表2可知，粒徑分形維數(shù)與鐵尾礦基質(zhì)中的黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量呈正相關(guān)(P<0.01)，與細(xì)砂粒、中砂粒含量呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與粗砂粒含量不相關(guān)。就擬合效果來說，粒徑分形維數(shù)與粉粒的擬合效果最好，其次是極細(xì)砂粒。這說明了粒徑分形維數(shù)與粒徑組成含量相關(guān)性密切，粒徑分形維數(shù)越大，鐵尾礦中細(xì)粒物質(zhì)的含量越多，粗粒物質(zhì)越少，粒徑分形維數(shù)可以定量描述尾礦基質(zhì)粒徑組成含量，可反應(yīng)尾礦基質(zhì)顆粒的組成特征。

表2 粒徑組成含量與分形維數(shù)相關(guān)性Table 2 Correlation between particle size composition content and fractal dimension

2.3 不同林分尾礦基質(zhì)養(yǎng)分含量變化

不同林分尾礦基質(zhì)養(yǎng)分含量變化情況見圖1。

圖1 不同林分尾礦基質(zhì)養(yǎng)分狀況Figure 1 Nutrient status of tailings substrate under different forest stands

由圖1可知不同林分尾礦基質(zhì)的養(yǎng)分特征，沙棘林的pH在0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層中均為最小，顯著小于裸尾礦樣地(P<0.05)，而火炬-沙柳混交林和檉柳—楊樹混交林的pH在3層土層中均與裸尾礦無顯著差異(P>0.05)；3種林分的堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量在3層土層中均顯著大于裸尾礦樣地(P<0.05)，其中沙棘林尾礦基質(zhì)的堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量最高；3種林分的全氮含量在0～10 cm和10～20 cm土層均顯著大于裸尾礦樣地(P<0.05)，只有沙棘林的全氮含量在20～30 cm土層顯著大于裸尾礦(P<0.05)，其他2個(gè)林分在20～30 cm土層全氮含量與裸尾礦無顯著差異(P>0.05)。就不同土層而言，3種林分的pH均隨著土層深度的增加而增大，裸尾礦樣地pH變化不明顯；3種林分基質(zhì)的堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量均隨著土壤深度的增加而減小，養(yǎng)分含量具有明顯的表聚性。綜上所述，植被恢復(fù)改善了尾礦基質(zhì)養(yǎng)分狀況，同時(shí)改變了養(yǎng)分的垂直分布特征，這主要是因?yàn)樯臣?、檉柳、沙柳、火炬和楊樹均屬于落葉木本植物，凋落物以及植物根系為尾礦基質(zhì)提供了穩(wěn)定的養(yǎng)分來源，從而促進(jìn)了尾礦基質(zhì)的養(yǎng)分循環(huán)，提高了表層養(yǎng)分含量。沙棘屬非豆科固氮樹種，可有效的提高土壤中的氮含量[21]，因此沙棘林尾礦基質(zhì)的氮元素含量要高于其他植被恢復(fù)林。沙棘林尾礦基質(zhì)pH較低的原因可能與沙棘根系分泌的酸性物質(zhì)有關(guān)[22]。

綜上所述，養(yǎng)分含量與粒徑組成及分形維數(shù)在垂直方向上表現(xiàn)出了相同的變化趨勢，因此將粒徑組成含量、粒徑分形維數(shù)與養(yǎng)分狀況做相關(guān)分析，進(jìn)一步探究相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系。

2.4 不同林分尾礦基質(zhì)粒徑含量、分形維數(shù)與養(yǎng)分的相關(guān)性關(guān)系

不同林分尾礦基質(zhì)粒徑含量、分形維數(shù)與養(yǎng)分的相關(guān)性關(guān)系見表3。

表3 粒徑組成及分形維數(shù)與養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation between particle size composition, fractal dimension and nutrients

由表3可知，pH與黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量及分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與細(xì)砂粒和中砂粒含量呈正相關(guān)(P<0.01)；堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量與黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量及分形維數(shù)呈正相關(guān)(P<0.01)，與細(xì)砂粒、中砂粒含量負(fù)相關(guān)(P<0.01)。這說明粒徑組成含量、分形維數(shù)與養(yǎng)分含量關(guān)系密切，即尾礦中細(xì)粒物質(zhì)含量越高，養(yǎng)分含量越高，分形維數(shù)越大。

3 結(jié)論與討論

將3種植被恢復(fù)林尾礦基質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)與裸尾礦樣地進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論：(1)植被恢復(fù)提高了尾礦基質(zhì)中的黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量，降低了細(xì)砂粒、中砂粒和粗砂粒含量，提高了粒徑分形維數(shù)；(2)植被恢復(fù)降低了尾礦基質(zhì)的pH值、提高了堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量；(3)粒徑分形維數(shù)與黏粒、粉粒、極細(xì)砂粒含量、堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，與細(xì)砂粒、中砂粒含量和pH呈顯著負(fù)相關(guān)，利用分形維數(shù)可定量描述植被恢復(fù)對尾礦基質(zhì)的改良效果。(4)在3種植被恢復(fù)類型中，沙棘對尾礦基質(zhì)的改良效果最好，且沙棘具有一定的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，可作為礦區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)選樹種。

土壤顆粒作為土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元，土粒的比例含量決定了土壤的養(yǎng)分、含水率等其他重要特征，對植物的生長起著至關(guān)重要的作用[23]。鐵尾礦作為一種特殊的母質(zhì)，短時(shí)間內(nèi)并不能演變?yōu)檎嬲耐寥?，因此植物修?fù)便成為了人為促進(jìn)土壤演化的有效手段[24]，但不同植物的生理特性不同，對尾礦基質(zhì)的改良效果也存在一定的差異[25]。本研究結(jié)果表明，沙棘林提高了尾礦基質(zhì)的黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量；火炬—沙柳混交林顯著提高了尾礦基質(zhì)的黏粒和粉粒含量；檉柳—楊樹混交林的黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量雖與裸尾礦無顯著差異，但均大于尾礦樣地，細(xì)粒物質(zhì)有增大的趨勢。這說明植物在一定程度上促進(jìn)了尾礦基質(zhì)顆粒的演變，改變了土壤粒徑結(jié)構(gòu)。植物主要通過自身的分泌物、凋落物以及截留作用促進(jìn)土壤顆粒的細(xì)?；?，且凋落物可為土壤提供大量的養(yǎng)分，為微生物提供良好的生存空間[26-28]，微生物—植物—土壤體系的不斷完善，共同促進(jìn)了土壤粒徑組成含量的變化，從而推動了尾礦基質(zhì)的細(xì)粒化。本研究中沙棘林、火炬—沙柳混交林、檉柳—楊樹混交林的粒徑分形維數(shù)分別為1.92、1.73、1.69，裸尾礦樣地為1.68，只有沙棘林的粒徑分形維數(shù)顯著大于裸尾礦樣地(P<0.05)，火炬—沙柳混交林和檉柳—楊樹混交林與裸尾礦樣地雖無顯著差異(P<0.05)，但卻大于裸尾礦樣地，這主要是由于尾礦基質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性和植物自身的特性造成的，因此植物對尾礦廢棄地粒徑結(jié)構(gòu)的改善將是一個(gè)較為漫長的過程。

植物凋落物作為尾礦基質(zhì)最主要的養(yǎng)分來源之一，可有效的提高尾礦基質(zhì)表層的養(yǎng)分含量，從而改變尾礦基質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀況[31]。裸尾礦基質(zhì)pH呈弱堿性，沙棘林0～30 cm土層pH均顯著小于裸尾礦樣地(P<0.05)，這可能與沙棘林植株間自疏時(shí)產(chǎn)生的根系分泌物有關(guān)[32]。粒徑分形維數(shù)與黏粒、粉粒和極細(xì)砂粒含量呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與細(xì)砂粒和中砂粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，粒徑分形維數(shù)能較好地表征尾礦基質(zhì)粒徑組成特征。粒徑分形維數(shù)與pH含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與堿解氮、全氮和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，這說明了粒徑分形維數(shù)不僅可以表征尾礦基質(zhì)的組成含量，還可以體現(xiàn)養(yǎng)分狀況，這與關(guān)添澤、宿婷婷、梁博等人的研究結(jié)果一致[32-34]。