岷江上游人工植被恢复下高石砾弃渣边坡土壤质量变化特征研究

杨 阳，丁建林，石福孙，白景文*，向 双，杨 燕

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院成都生物研究所，四川 成都 610041)

【研究意义】土壤质量是指土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量3方面的综合量度。它能揭示土壤退化的恢复能力，直接反映土壤管理水平[1]，间接反映植被生产力、动植物健康、环境质量及生态安全[2-3]。随着我国经济快速发展，在生态脆弱区开展各种生产建设项目，造成了植被破坏和地表裸露，产生了大量的弃渣[4]。通过人工植被能够促进生态脆弱区的环境修复，从而改善土壤结构性质，增加土壤养分含量，提高土壤质量[5]。在植被恢复过程中，土壤理化特征影响着植物养分的吸收和生长发育[6]，土壤养分特别是C、N、P的循环影响着植被演替和生态系统的恢复[7]。植被恢复与土壤质量之间的相互作用紧密相连[8]，土壤理化性质和土壤化学计量的变化可直接反应人工植被恢复对土壤改良效果[9]。因此，展开土壤质量评价的研究不仅对生态平衡恢复的研究具有重要的意义，而且能科学指导和管理土地资源的利用。【前人研究进展】目前，已有国内外学者开展人工植被恢复对土壤质量影响的研究。结果表明，植被恢复提升了土壤可溶性氮含量转化[10]，提高了土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量和土壤化学计量比[11-15]，改善了土壤质量[16-17]。【本研究切入点】岷江上游地处青藏高原和四川盆地的过渡地带，是我国一个重要的大尺度、复合型生态过渡带[18]，地形结构复杂，自然资源丰富，是长江上游重要的生态屏障，对长江上游地区的生态系统平衡具有重要作用[19]。岷江上游又是典型的生态系统脆弱区，自然环境复杂，各种自然灾害频发。“5·12”地震以来，起于都江堰沿岷江向上游经汶川、茂县、松潘修建高速公路以及成都至兰州的铁路建设(途径茂县、松潘、九寨沟)大量的采用了隧道、桥梁等工程措施，由于该区特殊的地质条件，施工过程中产生的弃渣多为高石砾，形成的弃渣边坡与周围景观极不协调。因此，对弃渣剖面进行了人工植被恢复措施。【拟解决的关键问题】本研究对松潘弃渣剖面植被恢复下土壤理化性质和化学计量特征进行了研究，评价植被恢复对弃渣边坡土壤质量改良效果，以期为该区高石砾弃渣边坡治理和植被恢复提供科学建议，为岷江上游脆弱区生态恢复提供科学数据，对岷江上游后续生态建设、区域社会经济可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

岷江上游位于四川盆地西北部、青藏高原的东南缘，地理位置东经102°34′55″～104°15′50″，北纬30°44′33″～33°09′15″。研究区位于四川省阿坝州松潘县，海拔2850 m，年平均气温5.4 ℃，年降雨量716.5 mm。2014年在国道213四川省阿坝州松潘县两河口镇段弃渣边坡人工种植乔木白桦(行距为4 m×4 m)及灌木小檗、柳树、绣线菊(行距为2 m×2 m)。

1.2 研究方法

选择弃渣场边坡，原生植被边坡以及人工植被恢复弃渣场边坡作为研究样地(表1)。布设样方10 m×10 m，选取3个重复样方，2019年6月在3个样方内，每个样地分别随机选择3个样点，每个样点随机取3个0～5 cm土层土壤样品，将3个土样均匀混合。按照四分法取1 kg土壤带回实验室，经风干后，去除石粒、植物根系等杂质、研磨过0.25 mm筛后测定土壤化学性质，其中土壤pH值测定采用1∶2.5土水比浸提酸度计法，有机质含量测定用重铬酸钾氧化-分光光度法，全氮测定用凯氏定氮法，全磷测定用碳酸钠溶融-钼锑抗比色法，有效磷测定采用Olsen法，速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度计法[20-21]。采用环刀法测定土壤容重、孔隙度、持水能力指标，土壤含水率测定采用烘干法、干筛法测定土壤大颗粒组成。部分样地由于石砾含量过高无法采用环刀法检测容重，所以采用挖坑法测定容重[22]。

表1 样地信息Table 1 Site information

1.3 土壤质量评价计算方法

应用主成分分析法，以各土壤指标特征值贡献率为权重，加权计算人工植被恢复土壤性质及养分指标值，运用土壤综合指数法，综合评价土壤质量状况[21]。

(1)由于土壤因子的变化具有连续性质，故各评价指标采用隶属度函数进行标准化处理，公式为[21]：

Q(Xi)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

式中，Q(Xi)表示各因子的隶属度值，Xij为各因子值，Ximax和Ximin分别为第i项因子中的最大值和最小值。

(2)由于土壤质量的各个指标重要性与贡献不同，所以通常用权重系数来表示各个因子的重要性程度，本研究运用SPSS16.0软件计算因子主成分贡献率和负荷量，确定个因子在土壤质量中的作用大小，公式为[21]：

(2)

式中，Wi表示土壤各指标的权重，Ci为第i个土壤指标的因子负荷量。

(3)土壤质量指数的计算公式为[21]：

(3)

式中，n为评价指数的个数，m为所选主成分个数，Ki为第i个主成分的方差贡献率。

1.4 数据处理和分析

所有数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS Statistics 16.0进行统计分析，单因素方差分析(One-Way ANOVA)、Duncan法进行多重比较及主成分分析，图形采用Origin 9.0绘图软件完成。

2 结果与分析

2.1 人工植被恢复弃渣场土壤物理性质

由图1可以看出，人工植被恢复的弃渣场边坡土壤容重显著低于未经处理的弃渣场和原生植被坡面(P<0.05)，人工植被恢复后土壤容重降低说明植物缓解了土壤板结状况。弃渣场土壤饱和水含量、毛细管孔隙度和总孔隙度显著低于原生植被坡面，而经过人工植被恢复的弃渣场土壤饱和水含量、毛细管孔隙度和总孔隙度显著高于弃渣场和原生植被坡面(P<0.05)。

由图2可以看出，人工植被恢复后土壤pH值表现为显著降低，由碱性向酸性转变。弃渣场土壤有机质含量、总氮含量、全磷含量显著低于原生植被坡面(P<0.05)，全磷含量、速效钾含量低于原生植被坡面，但差异不显著(P>0.05)。经过人工植被恢复的弃渣场土壤有机质含量、总氮含量、全磷含量、速效钾含量和有效磷含量显著高于弃渣场剖面和原生植被坡面(P<0.05)。说明人工植被恢复后，土壤化学性质得到了改良，改善坡面土壤养分状态，土壤质量提高，更有利于植物生长。

2.2 人工植被恢复弃渣场土壤化学计量特征分析

如图3所示，土壤C∶N表现为人工植被恢复弃渣场>原生植被坡面>弃渣场，但差异不显著。弃渣场土壤N∶P和C∶P显著低于原生植被坡面，经过人工植被恢复弃渣场土壤N∶P和C∶P显著高于弃渣场(P<0.05)，与原生植被坡面无显著差异。

2.3 人工植被恢复弃渣场土壤质量综合评价

土壤质量综合指数是土壤因子的集成和综合，土壤质量评价可以敏感反映出土壤生态系统的变化以及土壤恢复退化能力。本研究运用主成分分析法，针对3种植被类型的土壤理化性质进行综合分析，运用土壤综合指数法，综合评价其土壤健康状况。由公式(1)和(2)计算出土壤质量因子负荷量、权重和贡献率，根据特征值>1且累积贡献率>85 %的原则抽取了1个主成分(表2)。土壤质量评价指标主成分分析结果显示，主成分的方差贡献率达94.906 %，主要反映有机质、全氮、全磷、速效钾、有效磷、饱和持水量、毛管孔隙度、总孔隙度指标的综合变量，说明这些指标在土壤质量评价中起着重要作用。最终得到土壤质量评价系统的主成分方程：。

表2 土壤质量因子负荷量、权重和贡献率Table 2 The load,weight and contribution rate of soil quality factor

根据土壤质量隶属值和权重值，由公式(3)计算出3种植被类型下土壤质量的综合评价指数(图4)。土壤综合指数排序为植被恢复的弃渣坡面>原生植被坡面>弃渣场。说明植被恢复后，明显提高了土壤质量。

3 讨 论

3.1 人工植被恢复措施对高石粒弃渣边坡土壤理化性状的影响

土壤物理性质是反映土壤潜在生产力的重要指标，它能影响土壤水分含量、通气性等，进而影响植物的生长发育[23]。本研究结果显示，人工植被恢复的高石砾弃渣场边坡土壤容重显著降低、土壤饱和水含量显著增加，这与许多研究结果一致[24-26]。说明人工植被恢复能有效改善高石砾土壤质地和结构，提高土壤的通气性和透水性[27]。其他学者研究发现植被恢复对土壤总孔隙度有提高的效应[28]，在本研究中人工植被恢复的弃渣场边坡毛细管孔隙度和总孔隙度都显著高于弃渣场和原生植被边坡，说明高石砾弃渣场在人工植被恢复在土壤物理性质起到了极其重要的作用，可较好地改善弃渣场土壤结构，孔隙度较大，储存土壤水分能力较强，有利于植物根系生长。

土壤化学性质是衡量土壤质量的重要参数，决定了植被分布格局，影响着植物生长发育状况。在岷江上游高石砾弃渣场土壤开展人工建植能够有效改善土壤性质，土壤营养元素也将会发生不同的变化。本研究中，人工植被恢复高石砾弃渣场土壤pH值显著降低，在植被恢复过程，土壤pH 调节植物营养有效性，影响土壤微生物活性，改变土壤可溶性养分含量，导致土壤性质的变化[29-30]，使其有利于植被生长。土壤有机碳是影响土壤质量的关键因素之一[31]，以往的研究表明，植被恢复后，土壤有机碳含量能够显著增加[13,32-33]。本研究也得出了相同结论，人工植被恢复高石砾弃渣场土壤有机碳含量显著增加。土壤C、N、P、K是土壤重要组成元素[34]，人工植被恢复高石砾弃渣场土壤全氮、全磷、速效钾和有效磷含量显著高于弃渣场和原生植被坡面。这与库布齐沙地两种植被恢复类型土壤化学性质研究结果一致[21]。综上所述，在岷江上游高山峡谷区人工建植后，地上植被凋落物不断积累，使得土壤养分增加，提高了土壤肥力，可以满足地上植被生长的需要，加速植被恢复过程，从而进一步提升恢复后的景观效果。

3.2 人工植被恢复措施对高石粒弃渣边坡土壤化学计量特征

土壤化学计量与植物的生长和土壤肥力密切相关[35]，本研究中人工植被恢复下土壤C∶N、N∶P和C∶P比值增加，这与其他学者研究结果相同[36]。土壤C∶N值反映了C 和N 之间的平衡关系，与土壤有机质的分解速率呈反比，土壤C∶N 值越小，表明其矿化作用越快，不利于有机质的积累[37]，弃渣场坡面土壤C∶N低于人工植被恢复原生植被坡面，说明未治理的弃渣场土壤矿化作用越快，不利于有机质积累[37]，未治理的弃渣场养分含量低；而经过植被恢复的土壤C∶N高于原生植被坡面，人工恢复使得土壤有机质分解较慢且土壤碳氮“汇”能力强，提高了土壤肥力。

土壤C∶P可以衡量土壤磷有效性的高低，反映微生物对土壤有效磷代谢趋势及吸收固持磷元素的潜力[38-39]。人工植被恢复高石砾弃渣场土壤C∶P高于全国平均值(105)[40]，C∶P比值高反映土壤微生物对土壤有效磷具有同化趋势，具有较强的固磷潜力[40]。

土壤N∶P可以作为衡量氮磷养分元素限制的指标[41]。弃渣场土壤N、P含量显著低于原生植被土壤，说明弃碴场土壤N、P养分受到了限制。人工植被恢复高石砾弃渣场土壤N∶P，高于全国土壤平均值(5.2)[40]，且显著高于弃渣场。与原生植被坡面相比，人工植被恢复的弃渣场土壤N∶P增加，但差异不显著，主要可能由于恢复时间较短，恢复后土壤N∶P没有明显增加。综上所述，人工植被恢复后弃渣场土壤N、P含量增加，不再受N、P元素的限制，N∶P达到了平衡，人工植被恢复弃渣场具有良好的固氮和固磷的作用。

3.3 人工植被恢复措施对高石粒弃渣边坡土壤质量评价

土壤质量指标能综合反映土壤生产力的高低和对逆境的适应能力。本研究利用土壤质量综合指数法探讨了人工植被恢复措施对高石粒弃渣边坡土壤环境变化，定量评价了人工植被恢复措施对土壤质量改良的效果。结果表明，人工植被恢复的弃渣坡面的土壤质量高于原生植被边坡和弃渣场边坡土壤。与弃渣场相比，人工植被构建有效地改善了土壤理化性质，提高了高石砾弃渣场边坡土壤综合质量。因此在岷江上游生态脆弱区弃渣场治理过程中，因地制宜地进行人工植被恢复，能改善脆弱区的土壤质量及生态系统功能。

4 结 论

本论文主要得到三个结论：①人工植被恢复弃渣场土壤容重降低，土壤饱和水含量、毛细管孔隙度、总孔隙度、有机质含量、总氮含量、全磷含量、速效钾含量和有效磷含量显著提高。说明人工干预可以快速有效改善微地形立地条件，创造更适于植被生长的土壤环境，通过人为养护提高植被成活，早起植被成活后可以通过根系与土壤的相互作用对微生镜的水分、养分利用进行再次合理分配，更加有利于促进植被的自然更新。人为干扰可以促进、加速弃渣坡面植物群落向更高演替阶段发展。②人工植被恢复弃渣场土壤C∶N高于弃渣场，而土壤N∶P和C∶P显著高于弃渣场，说明人工治理后弃渣场土壤化学计量比处理平衡状态，不受SOC和P的限制。这为土壤养分的限制情况、循环和平衡调控机制提供理论依据。③通过人工干预，高石粒弃渣边坡土壤质量综合指数提高，可以有效地促进高石粒弃渣边坡植被的恢复，从而进一步促进边坡土壤质量向更有利于植物生长的方向发展。使植被与土壤相互促进更有利于边坡防护、生态环境的改善以及景观格局的改善与提升。因此对于高石粒弃渣边坡开展人工植被恢复措施是及其必要的。这些研究将丰富该地区植被生态学及恢复生态学的内容，为岷江上游退化山地生态系统的植被恢复和重建提供了一定的理论依据。