废弃矿区不同植被恢复阶段对水稳性团聚体的影响

黄石德，李建民，曾建新 ，林 捷 ，尤龙辉，丁 珌，苏亨荣 ，张锦斌

（1. 福建省林业科学研究院，福建 福州 350012；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 大田县林业局，福建 大田 366100）

废弃矿区不同植被恢复阶段对水稳性团聚体的影响

黄石德1,2，李建民1，曾建新3，林 捷1，尤龙辉1，丁 珌1，苏亨荣3，张锦斌3

（1. 福建省林业科学研究院，福建 福州 350012；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 大田县林业局，福建 大田 366100）

通过野外取样和室内分析相结合的方法，研究废弃矿区不同植被恢复阶段水稳性团聚体含量及有机碳分布特征。结果表明：1）C0模式中〈0.25 mm水稳性团聚体含量为56.28 %，且随着矿区植被恢复历史的延长，＜0.25 mm水稳性团聚体逐渐降低；2）C0模式水稳性团聚体平均重量直径为1.092 mm，且随着矿区植被恢复历史的延长呈逐渐增加的趋势；3）废弃矿区不同恢复阶段的有机碳主要分布在＞5mm和2～5mm的较大径级的团聚体中，随着径级的减少，水稳性团聚体有机碳含量呈逐渐减少的趋势；4）废弃矿区不同植被恢复阶段的有机碳和全氮含量均与0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水稳性团聚体含量显著正相关，而与＜0.25 mm的水稳性团聚体显著负相关。

废弃矿区；不同恢复阶段；水稳性团聚体；土壤有机碳；平均重量直径

矿产资源的开采和利用已历经数千年，虽然给人类带来了巨大财富，然而这项生产活动也产生一系列严重的生态环境问题[1]，出现了大面积的废弃矿区，土壤表面遭到破坏，使土壤结构紧实，土壤团聚结构失调以及重要的养分元素的缺失等[2-3]，而这些都成为恢复废弃矿区亟待解决的问题。植被恢复已被公认为是一种对环境扰动少、修复成本低且适宜在废弃矿区大面积推广应用的恢复方式[4]。众所周知，植被的恢复能促进土壤结构的改良，增强团聚体的稳定性和增加土壤有机质[5]。然而，有关废弃矿区不同植被恢复阶段对土壤团聚体稳定性及土壤有机质的累积效应施加的影响仍不完全清楚。因此，研究废弃矿区不同植被恢复阶段土壤水稳性团聚体和土壤有机碳的动态变化，有助于揭示废弃矿区植被恢复改善土壤结构的机制，为废弃矿区植被恢复实践提供数据支持和理论依据。

1 研究区和试验地概况

大田县位于福建省中部，戴云山脉西侧，东经 117°29′～118°03′，北 纬 25°29′～26°10′，属中亚热带季风气候湿润区，年均气温19.1 ℃，平均无霜期290 d，年均降水量1 557.8 mm，温度适中，日照充足，雨水充沛，适宜亚热带林木生长。大田县矿产资源丰富，是我省主要的矿产地，它给当地带来巨大财富，同时也造成了巨大的生态环境问题。目前全县有废弃矿区334 hm2，废弃矿区的生态重建已成为大田县亟待解决的问题。

试验地包括废弃矿区不同植被恢复阶段的样地，并选择尚未恢复的样地作为矿区恢复的初始状态，同时在周边选择未开矿样地作为对照。样地具体情况如表1所示。

表1 废弃矿区不同植被恢复阶段样地概况Table 1 Site description of different vegetation restoration phase in the abandoned mines

2 研究方法

2.1 样品采集与处理

于2013年10月在每个样地内分别设5个10 m×10 m的小样方，在每个小样方内按“S”形选择5个有代表性土壤取样点，采样深度为0～10 cm，将小样方内5个土壤样点的原状土混合装入硬质塑料盒中，每份土样取样1 kg，每个样地采集5份土样，共采集25份原状土样。在土样采集过程中，应尽量避免挤压，保持原状土壤结构。土样运回实验室后，沿自然结构掰成10 mm左右的团粒，在阴凉处风干。

2.2 测定方法与数据分析

将风干后的土样通过孔径依次为5，2，1，0.5，0.25 mm的套筛，分别称重计算出各径级干筛团聚体占土壤的质量分数，并按干筛的比例配成50 g风干土样。将配好的风干土样放在套筛上，在水中浸泡5 min，后用振荡式机械筛分仪（振荡频率为30次/min）筛5 min，分离出＞5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，＜0.25 mm的水稳性团聚体，置于烘箱内烘至恒重[6]。将全土和不同径级土壤团聚体研磨，过100目筛，土壤有机碳采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定[7]。

水稳性团聚体平均重量直径：

式中，ri为第i个筛子孔径（mm），r0=r1，rn=rn+1，mi为第i个筛子的水稳性团聚体的重量百分比[8]。

数据采用Excel 2003软件对数据进行统计分析和作图，运用SPSS17.0软件进行Duncan多重比较和Person相关性分析。

3 结果与分析

3.1 植被不同恢复阶段对水稳性团聚体分布的影响

如表2所示，不同恢复阶段均表现为＜0.25 mm水稳性团聚体含量最高，C0、C1、C3、C8和CK模式中〈0.25 mm水稳性团聚体含量分别为56.28 %、48.90 %、51.87 %、43.16 %和38.72 %，随着废弃矿区植被恢复历史的延长，＜0.25 mm水稳性团聚体逐渐降低，这与杨莹莹等（2012）研究的结果一致[9]。而0.5～0.25mm和1～2 mm团聚体随着废弃矿区植被恢复时间的延长逐渐升高，这表明废弃矿区随着植被恢复历史的延长，小于0.25mm微团聚体逐渐向1～2 mm和0.25～0.5 mm的大团聚体转变。可能是由于随着恢复历史的延长，由于根系的穿插及植物凋落物的归还，形成的胶结剂使土壤颗粒粘结成大团聚体[10-11]。

表2 不同植被恢复阶段水稳性团聚体分布特征†Table 2 Distribution characteristic of water-stable aggregates in different vegetation restoration phase

3.2 植被不同恢复阶段对水稳性团聚体平均重量直径的影响

水稳性团聚体是反映土壤团聚体稳定状况的重要指标，一般而言，该值越大，土壤团聚体越稳定，土壤抗蚀性能亦越强[12]。如图1所示，C0模式中水稳性团聚体平均重量直径为1.092 mm，其随着废弃矿区植被恢复历史的延长呈逐渐增加的趋势，C1、C3和C8模式水稳性团聚体分别为C0模式的1.26、1.22和1.24倍。与C3、C8模式相比，C1模式有较大的水稳性团聚体平均重量直径，可能是由于该模式当年刚进行过整地、造林等营林活动，土壤被压实有关。CK模式有最大的水稳性团聚体平均重量直径，为1.486 mm，是C0模式的1.36倍，两者差异达到显著水平。

图1 不同植被恢复阶段水稳性团聚体平均重量直径Fig.1 Mean weight diameter of soil-water aggregates in the different vegetation restoration phase

3.3 植被不同恢复阶段对水稳性团聚体有机碳含量的影响

如表3所示，除了C1模式2～5 mm的有机碳含量显著高于C0模式，其它C0、C1和C3模式不同径级团聚体有机碳含量间无显著差异，表明短期的废弃矿区的植被恢复对水稳性团聚体的有机碳含量的积累作用有限。然而，随着废弃矿区植被恢复时间的延长，不同径级的团聚体有机碳含量均显著增加，C8模式显著高于C0、C1和C3模式。经过8年的植被恢复，＞5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，＜0.25 mm的水稳性团聚体的有机碳含量分别达到CK模式的50.25 %、47.19 %、45.44 %、49.91%、49.02 %和51.08 %，与CK模式相比，C8模式虽较C0、C1和C3模式有显著的提高仍有较大的差距，表明其仍有较强的固碳潜力。如表3所示，废弃矿区不同恢复阶段的有机碳主要分布在＞5 mm和2～5 mm的较大径级的团聚体中，同时随着径级的减少，团聚体有机碳含量呈逐渐减少的趋势，这与刘晓利等（2009）研究的结果一致[13]，认为小颗粒团聚体通过胶结有机物质形成的大颗粒团聚体，大团聚体有机碳含量一般高于全土的有机碳含量，表明大团聚体对土壤有机碳有一定的富集作用[14]。因此，随着径级的减少，其土壤有机碳含量亦随之减少[15]。

3.4 土壤有机碳和氮含量与水稳性团聚体关系

如表4所示，废弃矿区不同植被恢复阶段的有机碳和全氮含量均与0.5～1.0 mm和0.25～0.50 mm的水稳性团聚体含量显著正相关，而与＜0.25 mm的水稳性团聚体显著负相关，这表明随着土壤有机碳含量的增加，土壤中较大径级的水稳性团聚体含量呈增加的趋势，而＜0.25 mm的水稳性团聚体含量呈减少的趋势。

4 结 论

（1）废弃矿区不同植被恢复阶段，各粒径水稳性团聚体均以＜0.25mm占优势，且随着恢复时间的延长，＜0.25 mm水稳性团聚体呈减少趋势，具体表现为C0＜C3＜C1＜C8＜CK，逐渐向1～2 mm和0.25～0.5 mm的大团聚体转变。

（2）随着废弃矿区植被恢复历史的延长，水稳性团聚体的平均重量直径呈增加的趋势，研究表明虽然废弃矿区经过一定时期的植被恢复，土壤抗蚀性能有所提高，然仍不及CK模式。

表3 废弃矿区不同植被恢复阶段团聚体中有机碳含量Table 3 Carbon contents of aggregate in the different vegetation restoration phase

表4 土壤有机碳和全氮与水稳性团聚体相关性†Table 4 Correlation between soil organic carbon, total nitrogen content and water-stable aggregates

（3）植被恢复亦促进团聚体土壤有机碳的累积，然废弃矿区经过短期的植被恢复对水稳性团聚体有机碳累积作用有限，随着植被恢复时间的延长，不同径级的团聚体有机碳含量均显著增加。与CK模式相比，C8模式不同径级水稳性团聚体有机碳仍只约为其一半，表明虽然经过8年的植被恢复，但其仍有较强的固碳潜力。

（4）废弃矿区不同植被恢复阶段的有机碳和全氮含量均与0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水稳性团聚体含量显著正相关，而与＜0.25 mm的水稳性团聚体显著负相关。

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The influence of different vegetation restoration phase in the abandoned mines on water-stable aggregates

HUANG Shi-de1,2, LI Jian-min1, ZENG Jian-xin3, LI Jie1, YOU Long-Hui1, DING Bi1, SU Heng-rong3, ZHANG Jin-bin3
(1. Fujian Academy of Forestry, Fuzhou 350012, Fujian, China; 2. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China;3. Forestry Bureau of Datian County, Datian 366100, Fujian, China)

Distribution characteristic of water-stable aggregates content and soil organic carbon were measured in the different vegetation restoration phase of abandoned mines through the methods of the field sample collection and laboratory analysis. The result indicated that 1)＜0.25 mm water-stable aggregates account for 56.28 % of all soil aggregates in C0 mode, which tended to decrease with extending vegetation restoration history; 2) Mean weight diameter of water-stable aggregate in C0 mode was 1.092 mm, which tended to increase with extending vegetation restoration history; 3) soil organic carbon was dominated by ＞ 5mm and 2～5 mm soil aggregate for all vegetation restoration phase, which tended to decrease with soil aggregate fraction; 4) The contents of 0.5～1 mm and 0.25～1 mm water-stable aggregates in the different vegetation restoration phase were significantly positive correlated with soil organic carbon and total nitrogen, and ＜0.25 mm water-stable aggregates were significantly negative.

abandoned mine; different restoration phase; water-stable aggregate; soil organic carbon; mean weight diameter

S714

A

1673-923X(2015)10-0089-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.10.016

2014-03-19

国家林业局行业公益类重大专项（201304303）；福建省属公益类项目（闽林研[2013]38号）；福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室资助项目

黄石德，博士研究生

李建民，教授级高工；E-mail：lijmlky@126.com

黄石德，李建民，曾建新，等. 废弃矿区不同植被恢复阶段对水稳性团聚体的影响[J].中南林业科技大学学报，2015,35(10)： 89-92.

[本文编校：吴 彬]