植被恢復對采煤沉陷區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

李文龍，劉美英，李 雪，李 強，楊 艷

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質量與養(yǎng)分資源重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.黑龍江飛鶴乳業(yè)有限公司創(chuàng)新中心，北京 100015；4.國能神東煤炭集團公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；5.鄂爾多斯市水利局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

0 引 言

煤炭資源在我國一次能源結構組成中約占76%，憑借資源的可靠性、價格的低廉性以及較強的可獲取性等優(yōu)勢，決定了其在今后較長時間內(nèi)其作為第一能源的地位不會發(fā)生根本性變化[1]。神東礦區(qū)作為我國最大的井工煤礦開采地，其在保證能源供應的同時也造成了大量土地沉陷。然而，土地沉陷加劇了水土流失、土地退化等現(xiàn)象，導致土壤理化性質變差以及土壤養(yǎng)分流失，給當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境等方面帶來嚴重影響。植被恢復被認為是礦區(qū)生態(tài)恢復最為有效的手段，因為植被恢復可以達到較高的植物生產(chǎn)力，同時能夠促進土壤顆粒通過有機質等的膠結作用結合成大團聚體，增加土壤團聚體的穩(wěn)定性，促進土壤碳氮磷等養(yǎng)分的固持[2-3]，進而提升土壤肥力。土壤團聚體是土壤小顆粒和土壤中的有機、無機物質等在干濕凍融的氣候條件下，經(jīng)物理、化學和生物作用形成的團粒結構，其形成與穩(wěn)定對于復墾土壤的恢復起著至關重要的作用，其組成比例和數(shù)量多少也在一定程度上反映了土壤儲存養(yǎng)分能力的大小[4]。土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性受植被覆蓋類型、降水、土壤有機質含量以及人為擾動等多種因素的影響[5-6]。朱家琪等[7]通過對寒溫帶森林植被土壤團聚體粒級組成及其穩(wěn)定性進行研究發(fā)現(xiàn)，不同森林植被下各土層土壤大團聚體含量及團聚體穩(wěn)定性均有不同程度地增加，且不同植被類型間差異顯著；韓新生等[8]在黃土丘陵區(qū)的研究表明土壤團聚體穩(wěn)定性的順序為人工林地>人工草地>農(nóng)田；姜敏等[9]研究也發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下林地的土壤團聚體整體穩(wěn)定性比耕地和草地要高；劉夢云等[5]在黃土臺塬的研究得出長期耕作會減少土壤大團聚體含量，降低土壤團聚體穩(wěn)定性，不利于土壤結構的維持的結論；陳勝要等[10]研究黃淮地區(qū)不同土地利用方式下土壤團聚體特征的結果表明，不同土地利用方式間團聚體穩(wěn)定性具有顯著差異，其中林地土壤團聚體穩(wěn)定性較高，耕地土壤團聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)最差。由此可見，研究不同植被類型下土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性特征對于采煤沉陷區(qū)植被復墾工作具有重要意義，而目前對于采煤沉陷地復墾土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性的研究甚少，相關工作亟需開展。筆者以神府東勝礦區(qū)采煤沉陷地長期復墾試驗地為研究平臺，通過研究不同復墾林型對土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性變化的響應規(guī)律，篩選出最佳的復墾林型，為將來采煤沉陷區(qū)植被恢復以及水土保持等提供理論指導依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于神府-東勝礦區(qū)優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種選育試驗基地，地處陜西省神木市，北鄰內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏蘭木倫鎮(zhèn)，其經(jīng)緯度變化范圍為108°36′～110°40′ E，37°20′～40°16′ N。礦區(qū)為典型的干旱半干旱大陸性季風氣候，冬季干冷多風，夏季炎熱少雨，平均年降水量378 mm，其中降水量最少的年份僅有194.7 mm，降水量最多的年份可達531.6 mm，年蒸發(fā)量為2 297.4～2 838.7 mm，是降水量的6～7.5倍，年平均氣溫7.3 ℃，年極端氣溫在-30.7～38.9 ℃，≥10 ℃積溫約為3 000 ℃。研究區(qū)土壤的類型是鄂爾多斯高原上典型的粗骨土，土壤養(yǎng)分貧瘠，生產(chǎn)力較低，保水保肥能力差，抗侵蝕能力較弱。礦區(qū)地質構造簡單，淺埋深、厚松沙、富潛水，容易形成采煤塌陷區(qū)。研究區(qū)土壤pH為8.09，電導率0.78 mS/cm，容重1.47 g/cm3，有機質含量6.09 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，全磷含量0.42 g/kg。

1.2 試驗設計

采煤沉陷導致植被根系受損，土壤結構發(fā)生變化，進而出現(xiàn)土壤肥力發(fā)生改變，因此沉陷后需要進行植被復墾，試驗區(qū)自2007年開始進行復墾種植延續(xù)至今，總面積約為4×104m2。試驗采取完全隨機設計，共設有4個處理（表1），包括3種不同植被復墾林型（文冠果林、歐李林和長柄扁桃林）和對照（試驗區(qū)周邊未復墾地，立地條件類型與復墾區(qū)一致），每個處理設置3次重復，對比復墾后土壤的穩(wěn)定性和土壤肥力較復墾前的變化情況，以明確復墾成效，同時篩選出復墾效果最佳的植被類型。長柄扁桃和歐李通過植苗種植，行距分別為1.5 m×0.7 m、1.3 m×0.5 m，成行種植，文冠果結合植苗種植和播種種植2種方式（為了提高其成活率），株行距控制在0.4 m×0.3 m。復墾過程中考慮到3種林型種植的密度與規(guī)格可能會影響復墾土壤的性質，所以在最初植苗種植時就盡量讓行間距小一些，從而使植被覆蓋度達到要求，讓不同處理間具有可比性，后期隨著苗木的生長在復墾管護中要逐步間苗、定苗，以保證植株的正常生長，其中由于文冠果大部分是直接播種，其生長范圍會隨著復墾年限的增加而逐漸增大，因而需要將部分小苗移栽到試驗區(qū)周邊，這樣既保證了文冠果苗之間的合理間距，也擴大了復墾面積，在保證良好復墾效果的同時還節(jié)省了大量成本。試驗所選用的3種林型是從多種復墾植被當中初步篩選出來的，且都是當?shù)氐泥l(xiāng)土樹種，適宜在當?shù)卦耘唷?/p>

表1 試驗區(qū)處理基本信息

1.3 土壤樣品采集

于2018年植被返青前和枯黃后2個時期，分別在不同林型復墾地上的3個小區(qū)內(nèi)用“S”形多點采樣法，向下挖深40 cm的土壤剖面，自下而上均勻地取0～20 cm和20～40 cm兩個土層的原狀土壤，將其裝入已編號的密閉硬質塑料盒中帶回，去除植物根系及石塊等雜物，開蓋置于土壤處理室中自然風干后，取適量土壤樣品采用干篩法和濕篩法分別進行土壤機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)定性團聚體的篩分，并將篩分后得到的不同粒級團聚體進行稱重，計算其百分含量。

1.4 樣品測定方法

干篩法：稱取自然風干后的原狀土壤500 g，置于孔徑自上而下分別為2、0.25、0.053 mm電動振篩機的最上層，篩分5 min后取下，分別得到>2 mm、0.25～2 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm四個粒級的土壤團聚體，將各粒級團聚體全部收集稱重并計算不同粒級團聚體所占的比例。

濕篩法：稱取50 g風干土，用蒸餾水浸潤5 min，轉移至孔徑自上而下分別為2、0.25、0.053 mm套篩的最上層，啟動振動篩分儀，以振幅3.8 cm、32 r/min的頻率濕篩10 min，將各個篩上的土壤團聚體用蒸餾水沖洗至鋁盒中，分離出>2 mm、0.25～2.00 mm、0.053～0.250 mm、<0.053 mm 四個粒級的土壤團聚體，在60 ℃下烘干，冷卻稱量，用于土壤團聚體質量分數(shù)、穩(wěn)定性的計算。

1.5 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計方法

計算公式[11]如下：

（1）

式中：Ai為第i粒級團聚體的質量分數(shù)，%；Gi為第i粒級團聚體的風干質量，g。

（2）

式中：R>0.25為大于0.25 mm團聚體含量，%；M>0.25為>0.25 mm團聚體質量，g。

（3）

（4）

式中：MWD 為平均質量直徑，mm；GMD為幾何平均直徑，mm；n為團聚體粒級的分組數(shù)；Ri為第i粒級團聚體的平均直徑，mm；wi為第i粒級團聚體質量占樣品總質量百分比，%。

（5）

運用SAS 9.4對不同粒級土壤團聚體含量及其穩(wěn)定性參數(shù)進行方差分析（One-way，ANOVA）、趨勢檢驗（The trend analysis method）和相關性分析（Correlation analysis）。

2 結果與分析

2.1 復墾林型對土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成的影響

圖1a中，各林型0～20 cm和20～40 cm土層土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量均隨著粒徑的減小呈現(xiàn)先升高后降低的倒“V”形趨勢，其中0.25～2.00 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量最高，顯著高于其他粒級團聚體（顯著性水平p<0.05），最高占比達52.66%；整體上，>2 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量高于0.053～0.25 mm粒級團聚體，其中文冠果林>2 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體的占比達28.54%～30.65%；各林型<0.053 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量顯著低于其他粒級團聚體（p<0.05），僅占3%左右。在0～20 cm土層，長柄扁桃、歐李和文冠果林>2 mm和0.25～2.00 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量較對照均顯著增加，而0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量則顯著下降（p<0.05）；在20～40 cm土層，除長柄扁桃外，其他林型>2 mm和0.25～2.00 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量較對照均顯著增加（p<0.05）；各林型0.053～0.250 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體含量顯著小于對照樣地，但<0.053 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體無顯著差異（p<0.05）。此外，各林型0～20 cm和20～40 cm土層>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體（DR>0.25）含量均超過70%，較對照增加17.86%～33.36%。

注：不同大寫字母表示相同復墾植被下不同粒級團聚體含量差異顯著（p<0.05）；不同小寫字母表示不同復墾植被下相同粒級團聚體含量差異顯著（p<0.05）圖1 不同植被恢復林型土壤團聚體組成Fig.1 Composition of different vegetation restoration forest-type soil reunites

2.2 植被恢復林型對土壤水穩(wěn)定性團聚體組成的影響

各植被恢復林型0～20 cm和20～40 cm土層水穩(wěn)定性團聚體含量隨粒徑的減小同樣呈倒“V”形趨勢（圖1b），其中0.25～2.00 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量最高，占總體的48.64%～60.23%，較其他粒級團聚差異顯著（p<0.05），0.250～0.053 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量次之，占26.77%～34.24%，而>2 mm和<0.053 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量最低，僅有10%左右，且差異顯著（p<0.05）。0～20 cm土層各林型>2 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量較對照無顯著性差異，而0.25～2.00 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量顯著增加，0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量較對照顯著減少（p<0.05）；20～40 cm土層，各林型0.25～2.00 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量較對照均顯著升高，而<0.053 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體含量顯著降低（p<0.05），且其他粒級水穩(wěn)定性團聚體含量也有不同程度的下降。此外，各林型不同土層>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量（WR>0.25）均超過60%，較對照增加12.94%～21.69%。

2.3 植被恢復林型對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

除長柄扁桃林0～20 cm土層機械穩(wěn)定性團聚體MWD值顯著大于20～40 cm土層外，其他各林型機械穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD以及D值在不同土層間均無顯著差異（p<0.05）。與對照相比，各林型不同土層機械穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD值均顯著增大，其中文冠果林機械穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD值最大，且與其他林型有顯著性差異（p<0.05）；不同林型機械穩(wěn)定性團聚體D值間無顯著差異（表2）。

表2 不同植被恢復林型土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)（干篩法）

由表3可知，各林型不同土層間土壤水穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD和D值無顯著差異，說明土壤水穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD以及D值受土層因素影響較小。不同林型0～20 cm和20～40 cm土層團聚體MWD均顯著大于對照樣地（p<0.05），而文冠果林又顯著高于長柄扁桃和歐李林（p<0.05）。3種林型及對照樣地在0～20 cm土層上土壤水穩(wěn)定性團聚體GMD差異較大，其大小依次為長柄扁桃>文冠果>對照>歐李，但在20～40 cm土層上各林型土壤水穩(wěn)定性團聚體GMD值均未達到顯著性差異。不同林型各土層土壤水穩(wěn)定性團聚體D值與機械穩(wěn)定性團聚體相一致，同樣未達到顯著性差異。

2.4 團聚體粒級對穩(wěn)定性參數(shù)間的相關性分析

圖2中，不同林型>2 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體與R>0.25、MWD和GMD值的相關性系數(shù)在0.81～0.96，均為極顯著正相關（p<0.01），與D值呈顯著負相關（p<0.05），相關系數(shù)為-0.42；0.25～2.00 mm粒級土壤機械穩(wěn)定性團聚體與R>0.25和MWD呈極顯著正相關（p<0.01），相關系數(shù)分別為0.78和0.62，與GMD呈正相關、與D值呈負相關但相關性不顯著；0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒級土壤機械穩(wěn)定性團聚體與R>0.25、MWD和GMD均為極顯著負相關（p<0.01），與此同時，前者與D值呈顯著正相關（p<0.05），而后者為極顯著正相關（p<0.01），相關系數(shù)分別為0.41和0.66。上述結果說明不同粒級機械穩(wěn)定性團聚體和穩(wěn)定性參數(shù)之間聯(lián)系密切，且正負相關以0.25 mm粒級為界。此外，R>0.25與MWD和GMD、MWD與GMD之間也存在極顯著正相關關系（p<0.01），D值與R>0.25、MWD之間呈顯著負相關（p<0.05）。

表3 不同植被恢復林型土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)（濕篩法）

注：**—在0.01級別（雙尾）相關性顯著；*—在0.05級別（雙尾）相關性顯著，下同。圖2 各粒級機械穩(wěn)定性團聚體與穩(wěn)定性參數(shù)的相關性Fig.2 Correlation between different granular mechanical stability reunions and stability parameters

如圖3所示，>2 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體與GMD值呈顯著正相關（p<0.05），相關系數(shù)為0.41，與R>0.25、MWD和D值相關但不顯著；0.25～2 mm粒級土壤水穩(wěn)定性團聚體與R>0.25和MWD值呈極顯著正相關（p<0.01），相關系數(shù)分別為0.97和0.91；不同植被恢復林型土壤0.25～0.053 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體與R>0.25、MWD以及GMD值均呈極顯著負相關（p<0.01），相關系數(shù)在-0.76～-0.89；<0.053 mm水穩(wěn)定性團聚體與R>0.25、MWD之間為極顯著負相關（p<0.01），相關系數(shù)均為-0.74。整體來看，水穩(wěn)定性團聚體與穩(wěn)定性參數(shù)的正負相關性仍以0.25 mm 團聚體粒級為界限。此外，不同林型土壤水穩(wěn)定性團聚體GMD與R>0.25和MWD值之間呈顯著正相關（p<0.05），其相關系數(shù)分別是0.46和0.51，團聚體R>0.25與MWD值呈極顯著正相關（p<0.01），相關系數(shù)為0.98。

圖3 各粒級水穩(wěn)定性團聚體與穩(wěn)定性參數(shù)的相關性Fig.3 Correlation between different granular water stability reunites and stability parameters

3 討 論

土壤團聚體是土壤結構組成的基本單位，也是評價土壤肥力狀況的重要指標。通常認為>0.25 mm的團聚體為大團聚體，而<0.25 mm粒級團聚體稱為微團聚體，宋莉群等[12]按照團聚體粒級的大小又把<0.053 mm粒級團聚體進一步劃分為礦質顆粒，其中大團聚體結構性好，抗蝕能力強，有利于增加土壤的穩(wěn)定性，便于土壤肥力的提升。研究表明，礦質土壤主要由粒徑在0.1～1 000 μm的固體顆粒構成，而研究區(qū)由于塌陷使地表植被破壞，土壤侵蝕加重，團聚體結構被破壞，所以在復墾初期，土壤團聚成分較少，多以粒級較小的土壤顆粒為主，而植被恢復能夠加速這些土壤顆粒的膠結，促進土壤大團聚體的形成，使大團聚體所占比例升高[4,13]，微團聚體含量則相應下降，因此本研究區(qū)各林型不同土層土壤機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)定性團聚體百分含量均表現(xiàn)為中間高兩邊低的倒“V”形趨勢，其中0.25～2.00 mm粒級土壤團聚體百分含量最高，說明采煤沉陷區(qū)植被復墾主要通過提升0.25～2.00 mm粒級大團聚體含量來提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。

目前用于評價土壤團聚體穩(wěn)定性的指標主要有土壤大團聚體含量（R>0.25）、土壤平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數(shù)（D）等。通常認為土壤大團聚體含量、土壤平均質量直徑和幾何平均直徑越大、分形維數(shù)越小，土壤結構的穩(wěn)定性越好，土壤抗蝕能力越強[14-15]。WANG等[16]曾在實行退耕還林之后的黃土高原進行采樣和測定，結果表明植被恢復使大團聚體數(shù)量、平均質量直徑和幾何平均直徑均有不同程度的增加，而本研究中各復墾林型不同土層土壤>0.25 mm團聚體（R>0.25）含量顯著增加，土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD值和GMD顯著增大、D值減小，二者結果一致，說明植被復墾能夠提高采煤沉陷區(qū)土壤團聚體的穩(wěn)定性，從而使土壤中的養(yǎng)分更好地保持下來。

通過對各復墾林型不同土層上土壤團聚體粒級和穩(wěn)定性參數(shù)進行相關性分析表明，0.053～0.25 mm和<0.053 mm團聚體與R>0.25、MWD、GMD均呈極顯著負相關，說明粒級小的團聚體不利于土壤團聚體穩(wěn)定性的提升，其可作為土壤團聚體穩(wěn)定性評價的直觀表征參數(shù)，而大團聚體與穩(wěn)定性參數(shù)呈顯著或極顯著正相關，反映出不同植被類型土壤大團聚體百分含量越高，土壤團聚體穩(wěn)定性越好[17]。本研究中，3種林型復墾后0～20 cm和20～40 cm土層土壤>2 mm和0.25～2.00 mm粒級機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性大團聚體含量增加而0.053～0.250 mm微團聚體和<0.053 mm礦質顆粒含量降低，與宋莉群等[12]研究結果基本一致，這是因為土壤團聚體的形成與有機碳關系密切，而采煤沉陷地由于多年復墾，且長柄扁桃、歐李和文冠果都屬于當?shù)貥浞N，抗旱性強，長勢較好，地上及地下生物量大，地表枯枝落葉以及地下腐爛根系增加，正是由于植被枯枝落葉等凋落物和腐爛根系的歸還作用，土壤中積累了大量的有機質，土壤膠結作用增強，促使微團聚體黏結形成大團聚體[18]；與此同時，土壤中積累的有機質能夠為微生物提供碳源，土壤微生物數(shù)量增加，其分泌物隨之增多，這促進了土壤團聚體黏合劑的形成，大團聚體含量也因此增加[19]。此外，根系分泌物及根系的擠壓作用也可能是促進土壤小顆粒聚合形成大團聚體的重要因素[20]。由此可見，長期植被復墾能夠改變土壤結構組成，提升土壤中大團聚體的含量，進而增加土壤團聚體的穩(wěn)定性。

4 結 論

1）不同林型復墾均提升了粒級>2 mm和0.25～2.00 mm機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體含量，降低粒級0.053～0.250 mm和<0.053 mm機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體含量，促進粒級較小的團聚體向更大粒級團聚體轉變，文冠果林效果最好。

2）植被恢復通過增加土壤大團聚體含量而提升其穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為粒級>0.25 mm團聚體（R>0.25）含量顯著增加，土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD和GMD顯著增大、D值減小。

3）文冠果林土壤團聚體MWD值和GMD值最大、D值最小，土壤團聚體穩(wěn)定性最高，效果最好，適宜在該地區(qū)采煤沉陷地復墾工作中推廣。