礦區巖質邊坡人工土壤-植被特性研究

韓穎，劉勇，喬歐盟，陳璋*

（1.山西大學 黃土高原研究所，山西 太原 030006；2.黃土高原生態恢復山西省重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

礦區大規模礦產資源開采活動產生了一種特殊的極端生境：巖質邊坡［1-2］。這種生境破壞了當地的植被和土壤，損毀了生態景觀，并且容易引發水土流失、崩塌、滑坡和泥石流等地質災害［3］，因此對巖質邊坡進行土壤植被修復具有重要意義。巖質邊坡有地球上生態荒漠的別稱，與一般土質邊坡相比生境條件惡劣［4］，植被自然恢復和演替過程極其緩慢［5-6］，因此礦區受損的邊坡需人為主導地進行生態系統的修復和重建［7］。在實踐中采用客土噴播技術對邊坡進行防護生態效益較好，廣泛應用于我國邊坡防護與治理?？屯羾姴ゼ夹g是將客土、腐殖質、植物纖維、化學肥料、有機肥和植物種子等材料混合，通過客土噴播機噴灑到坡面上形成人工土壤層，能夠為植物生長提供基質和養分［8］。通過這種方法可以快速在裸露邊坡上建立和實現植被的恢復，從而達到良好的生態和環境效益。

植被恢復是改善生態環境、修復裸露巖質邊坡、控制土壤侵蝕的有效途徑，也是構建退化礦區植物群落，有效改良土壤結構，增加土壤肥力促使礦區整個生態系統穩定演替的關鍵［9］。不同工程因子導致不同的地形變化，不同地形因子組合會形成不同的生境，生境異質性對維持物種多樣性有重要作用。劉世梁等［10］研究結果表明土壤、植被與地形因子之間聯系緊密，植物群落分布格局和群落結構受到地形因子與土壤理化性質差異的影響，而土壤的理化性質也會影響植物群落。地形不僅重新分配水、熱和土壤養分，而且在景觀尺度上影響植被的格局和特征。因此，地形因素會影響植物群落的組成及多樣性［11］。袁鐵象等［12］研究表明邊坡植被恢復受海拔、水分、坡度和坡向等環境因子的影響，其中海拔和坡度是影響植物生長的重要限制因子。土壤水分和養分的有效性限制植物群落的發育及演替［13］，而土壤養分也決定植物的生長速率和物種多樣性［14］。目前，國內外學者對巖質邊坡生態修復的研究多集中在新技術開發［15］、護坡植物配置模式、護坡基材配、植物根系固土護坡力學機制研究［16-17］以及邊坡土壤酶活性特征［18］等幾個方面。巖質邊坡相對于傳統的土質邊坡工程條件極端，比如坡度較大，通常坡度在65°以上。在這種極端的工程條件下，植被恢復困難，坡面生態工程的穩定性差。因此，急需研究不同工程條件下巖質邊坡植被恢復的特征。

本研究旨在通過單因素方差分析研究不同工程條件下植物多樣性指數和土壤理化性質的顯著性差異，通過CCA 研究環境因子與植物分布的關系，有助于了解太原西山礦區植物與土壤養分的空間變異狀況，揭示巖質邊坡植物生長的主要影響因子，為礦區巖質邊坡生態修復提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省太原市西山礦區，其地理位置為37°49′N，112°27′E，該地區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均溫9.5 ℃，降水多集中在7-9 月，年均降水量為456 mm［19］。該礦區于2013 年停產，政府對裸露工程巖質邊坡采用客土噴播技術進行植被護坡工程［20］。本研究所選取的七個巖質邊坡坡度范圍為44.5°～67°，坡向均為半陽坡，海拔最低為975 m，最高為1053 m，坡面總面積約為7500 m2。于2013 年5 月同期對巖質邊坡進行客土噴播，客土噴播材料配比均相同。樣地基本信息見表1。

表1 研究區樣地基本信息Table 1 The basic information of sample sites in the study area

1.2 研究方法

1.2.1 樣地植被調查與土壤樣品采集

2021 年6 月，在研究區選擇七個巖質邊坡，根據其特點，按照不同的坡度和坡位，劃分為三個類型。按坡位劃分為：上坡位、中坡位和下坡位。按坡度劃分為：坡度Ⅰ（40°～50°）、坡度Ⅱ（50°～60°）、坡度Ⅲ（60°～70°）。每個邊坡在不同坡位設置3 個1 m×1 m 的樣方對邊坡進行植被調查，共計樣方63 個，記錄樣方中出現的植物種名、高度、多度和蓋度，測定經緯度、海拔、坡度。由于巖質邊坡土層較薄，用環刀取樣時只取深度5 cm～10 cm 的土壤。在每個樣地不同坡位取3 個環刀原狀土作為重復測定土壤理化性質，共計63 個土壤樣品。植被調查和采集土樣相同坡位水平間距15 m，不同坡位（即上坡位、中坡位、下坡位）間距3 m～5 m。

1.2.2 土壤理化性質的測定

利用烘干法測定土壤含水量（105 ℃，24 h）［21］；利用電位法測定土壤pH［21］；利用環刀法測定土壤容重［21］；利用濃硫酸重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質（OM）［21］；利用半微量凱氏法測定土壤全氮（TN）［21］；利用擴散皿法測定土壤堿解氮（AN）［21］；利用乙酸浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀（AK）采用［21］；利用鉬銻抗比色法有效磷（AP）［21］。利用Mastersizer 3000激光粒度儀測定土壤機械組成。

1.2.3 重要值計算

植物的重要值是衡量某一物種在其植物群落中重要程度的指標［22］，其計算公式［23］為：

其中IV為物種的重要值；RH為物種相對高度；RC為物種相對蓋度；RD為物種相對多度。

1.2.4 植物多樣性測度

物種多樣性測定選用Shannon 多樣性指數（H）、豐富度指數（R）、Pielou 指數（J）和Simpson 指數（D）進行評價。其計算公式［24］為：

其中S為樣方內物種數；Pi為種i的重要值［25］。

1.3 數據處理

利用Excel 2019 和SPSS 24.0 進行數據整理并繪制柱狀圖，通過單因素方差分析（oneway ANOVA）研究不同工程因子與植物多樣性和人工土壤理化性質的顯著性差異；采用Cannoco 5.0 進行典范對應分析（CCA）研究不同工程因子與植物多樣性及人工土壤的關系。

2 結果與分析

2.1 植被恢復狀況

2.1.1 不同坡度植物區系組成

7 個巖質邊坡植物群落調查結果為植物共40 種，分屬于13 科31 屬。坡度Ⅰ的邊坡植物群落較為豐富，共有植物32 種，分屬于9 科27屬，以豆科（Leguminosae）、禾本科（Gramineae）、菊科（Compositae）、薔薇科（Rosaceae）等為主，優勢種有紫穗槐（Amorphafruticosa）、紫苜蓿（Medicagosativa）、豬毛蒿（Artemisiascoparia），其重要值分別為0.102、0.197、0.103。坡度Ⅱ的邊坡共有植物19 種，分屬于10 科18 屬，以禾本科、豆科、菊科、苦木科（Amariaceae）和葡萄科（Grapevine）等為主，優勢種有豬毛蒿（Artemisiascoparia）、虎尾草（Chlorisvirgata）、鐵桿蒿（Artemisiagmelinii），其重要值分別為0.410、0.118、0.107。坡度Ⅲ地帶由于坡度升高，地勢較為陡峭，植物組成簡單，共11 種，分屬于5 科8 屬。不同坡度樣地的主要物種見表2。

表2 不同坡度樣地的主要物種Table 2 The main species at different slope gradient sites

2.1.2 不同工程條件下巖質邊坡植物多樣性

巖質邊坡植物多樣性不僅受到植被恢復的影響，也受到坡位和坡度的影響。由圖1 可以看出，坡度Ⅰ的巖質邊坡豐富度指數和Shannon指數均高于其他兩個坡度類型，說明坡度緩的邊坡恢復效果好。坡度Ⅰ的巖質邊坡豐富度指數在不同的坡位上均表現為上坡位＞中坡位＞下坡位；Shannon 指數表現為上坡位＞下坡位＞中坡位。豐富度指數、Shannon 指數和Pielou 指數在坡度Ⅱ的巖質邊坡表現為下坡位＞中坡位＞上坡位。坡度Ⅰ和坡度Ⅱ的巖質邊坡豐富度指數、Shannon 指數和Simpson 指數在不同坡位之間有顯著差異（P＜0.05）。豐富度指數、Simpson 指數和Shannon 指數在巖質邊坡不同坡度類型之間有顯著差異（P＜0.05），Pielou 指數在巖質邊坡相同坡度類型的中坡位之間均有顯著差異（P＜0.05），在相同坡度不同坡位之間無顯著差異（P＞0.05）。

圖1 不同工程條件巖質邊坡的植物多樣性（a～d）（a） 豐富度指數； （b） Shannon指數； （c） Simpson指數； （d） Pielou指數Fig.1 The plant diversity of rocky slope under different engineering conditions (a-d)(a) Richness index; (b) Shannon index; (c) Simpson index; (d) Pielou index

2.2 不同工程條件下巖質邊坡人工土壤理化性質

2.2.1 不同工程條件對巖質邊坡人工土壤物理性質的影響

人工土壤的物理性質是評價巖質邊坡植被生態恢復效果的重要指標。容重可以反映土壤顆粒排列的松緊度和土壤保持水分的能力。容重越大，土壤的結構和透水性越差。良好的土壤容重標準約為1.5 g/cm3。從表3 可以看出，不同坡度和坡位的土壤容重均小于1.5 g/cm3。說明巖質邊坡上植被的恢復可以有效改善土壤表層容重。巖質邊坡容重在不同坡度類型間差異顯著（P＜0.05），在不同坡位之間差異不顯著（P＞0.05）。

土壤含水量是土壤的主要成分，它是運輸各種營養物質和植物生長所必需的條件。其對水分遷移、保持和有效性有重要作用［26］。從表3 可以看出，不同坡位的巖質邊坡人工土壤含水量表現為中坡位＞下坡位＞上坡位，但不同坡位間差異不顯著（P＞0.05）。巖質邊坡人工土壤含水量在不同坡度類型表現為坡度Ⅱ＞坡度Ⅰ＞坡度Ⅲ。人工土壤含水量在坡度Ⅰ與坡度Ⅲ、坡度Ⅱ與坡度Ⅲ之間差異顯著（P＜0.05）。說明坡度大于60°的巖質邊坡很難有效保持水分。

土壤機械組成指土壤中各粒級組分所占的比例，可以反映組成土壤顆粒的大小及成分狀況。從表3 中可以看出，巖質邊坡人工土壤中砂粒（0.02 mm～2 mm）含量最多，在不同坡位與坡度，砂粒含量均超過80%，而粉粒（0.02 mm～0.002 mm）和黏粒（＜0.002 mm）較少。這是因為巖質邊坡人工土壤較薄，雖然在噴播時添加了有機質和保水劑等，但是缺乏必要的成土過程，以砂粒為主的礦質顆粒與有機質很難形成團聚體結構，土壤結構不穩定。

2.2.2 不同工程條件對巖質邊坡人工土壤養分的影響

人工土壤養分是限制植被生長的關鍵因素，巖質邊坡坡度較陡，土壤養分容易流失，不同工程條件對巖質邊坡人工土壤養分的分布有顯著影響。由圖2 可以看出，相同坡度不同坡位的速效鉀、堿解氮、有效磷和有機質含量變化趨勢為中坡位＞下坡位＞上坡位。平均有機質含量在坡度Ⅱ（29.5 mg/kg）顯著高于坡度Ⅰ（20.9 mg/kg）和坡度Ⅲ（12.2 mg/kg），且有機質在不同坡度和不同坡位均差異顯著（P＜0.05）。全氮含量坡度Ⅱ（13.8 mg/kg）顯著高于坡度Ⅰ（10.7 mg/kg）和坡度Ⅲ（11.0 mg/kg），且全氮在不同坡度和不同坡位之間均差異顯著（P＜0.05）。堿解氮在坡度Ⅰ和坡度Ⅱ邊坡的不同坡位之間有顯著差異（P＜0.05）。不同坡度類型的堿解氮在中坡位存在顯著差異（P＜0.05）。不同坡度類型的有效磷在相同坡位有顯著差異（P＜0.05）。速效鉀在不同坡度類型巖質邊坡的上坡位有顯著差異（P＜0.05），在相同坡度類型不同坡位之間差異顯著（P＜0.05）。

圖2 不同工程條件巖質邊坡人工土壤養分特征（a～e）（a） 全氮（mg/kg）； （b） 堿解氮（mg/kg）； （c） 速效鉀（mg/kg）； （d） 有機質（mg/kg）； （e） 有效磷（mg/kg）Fig.2 The nutrient characteristics of artificial soil of rocky slope under different engineering conditions(a-e)(a) Total N (mg/kg); (b) Alkali-hydro N (mg/kg); (c) Available K (mg/kg); (d) Organic matter (mg/kg);(e) Available P (mg/kg)

2.3 環境因子與植物多樣性的相關性分析

由圖3 可以得出，在所有環境因子中，土壤含水量、有機質、坡度對巖質邊坡樣地及物種分布的影響較大；堿解氮、全氮、pH 值的影響次之；坡位、速效鉀、有效磷的影響較弱。位于第四象限的6、7 樣地不同坡位的物種分布（即坡度類型Ⅲ）與坡度呈正相關。位于第三象限的4、5 樣地不同坡位的物種分布（即坡度類型Ⅱ）與土壤含水量、有機質、全氮呈正相關。位于第一象限的1、2、3 樣地的物種分布與坡位關系密切。從物種分布來看，位于第三象限的虎尾草與全氮、堿解氮關系密切；位于第一象限的紫苜蓿、鐵桿蒿、紫穗槐與坡位關系密切；位于第四象限的披堿草主要受坡度的影響。結果表明，坡度Ⅱ的植物受土壤含水量、有機質的影響較大，坡度Ⅲ的植物受坡度影響較大。整體來看，不同坡度邊坡樣地受土壤含水量、有機質、坡位的影響大，土壤含水量和有機質對植物生長有重要作用。

圖3 環境因子與物種分布的典范對應分析（CCA）排序Note: 1-U～7-D: Sampling sites; SP: Slope position; SG: Slope gradient; TN: Total N; AN: Alkali-hydro N;OM: Organic matter; AP: Available P; AK: Available K; SWC:Soil water content; Artg: Artemisia gmelinii;Ely: Elymus dahuricus; Arts: Artemisia scoparia; Med:Medicago sativa; Amo: Amorpha fruticose; Chl: Chloris virgataFig.3 The canonical correspondence analysis (CCA)ranking of environmental factors and species distribution

3 討論

巖質邊坡人工土壤厚度有限（10 cm 左右）但其養分含量相對較高，這是因為人工土壤混合腐殖質、植物纖維、化學肥料、有機肥等，增加了人工土壤中植物生長所需的養分，為使客土附著在邊坡上添加了黏結劑和保水劑［8］，因此人工土壤結構、物理化學性質、功能特性與自然土壤差異性極大。本研究中七個巖質邊坡客土噴播為同期施工，客土噴播材料和種子配比均相同。

3.1 巖質邊坡工程因子對人工土壤理化性質的影響

坡位是局部地形位置因子，地形因素的變化會影響局部地形的光照、水分等環境因子。在一定海拔范圍內，坡位變化會直接影響土壤特征屬性［27］。本研究結果表明，不同坡位人工土壤含水量差異不顯著（P＞0.05），主要原因可能是坡面植物的恢復提高了根系蓄水和截流的能力，使坡面上人工土壤含水量差異不大。本研究結果也表明，土壤含水量在巖質邊坡不同坡度之間差異顯著，坡度是影響植物生長的重要因子。土壤養分是影響植被生長、競爭和分布的關鍵因素。巖質邊坡坡度較大，徑流侵蝕作用較強，土壤養分因坡位不同有明顯差異。這是因為坡位可以改變表層土壤特征，即使是極小范圍也可形成明顯的土壤肥力差異。本研究結果表明相同坡度不同坡位的速效鉀、堿解氮、有效磷和有機質含量均變現為中坡位＞下坡位＞上坡位。其原因是巖質邊坡表層的人工土壤由于受到重力和雨水徑流作用而使土壤養分遷移甚至重新分布，而中坡位植物生長較好，植被覆蓋度較高，植物的根莖對上坡位徑流沖刷下來的養分具有較強的截留作用，土壤養分在中坡位沉積較多。

坡度越大，土壤侵蝕作用越強，易造成巖質邊坡土壤養分的流失，從而影響土壤養分在坡面上的分布特征。特別是堿解氮、有效磷和速效鉀均易溶解于水，容易隨徑流流失。本研究不同坡度的堿解氮、有效磷和速效鉀含量在坡度Ⅰ土壤養分含量豐富。這是因為坡度Ⅰ植物物種組成較豐富，坡度相比其他兩個類型較緩，客土層養分經過植物根系的攔截，受徑流沖刷作用小，養分流失較少。

3.2 巖質邊坡工程因子對人工植被恢復的影響

植物分布格局與地形因子關系密切，研究樣地海拔差異為100 m 以內，不足以引起較大的水熱變化，因此不需考慮海拔對植被恢復的影響。坡度是影響植物生境要素（光照、水文等）差異和植物分布的主要地形因子之一，在植被群落演化過程中具有顯著作用［28］。本研究植物群落調查結果表明坡度Ⅰ（40°～50°）的巖質邊坡植物種類豐富，豐富度指數和Shannon指數也高于其他兩個坡度類型，這是因為坡度使生境局部區域的水分及土壤養分等非生物因子發生改變，造成在不同坡度植物多樣性的差異，坡度較緩的邊坡光照、水分以及土壤養分含量較高，植被恢復較好。坡度大的巖質邊坡持水能力較差，水土流失嚴重，土壤水分養分較低，影響了植物的生長。

3.3 巖質邊坡人工土壤養分與植物多樣性之間的關系

土壤是植物賴以生存和生長的基礎，植物通過根系的吸收作用從土壤中獲取養分和水分。相反，植物的生長也會改變土壤的理化特征和土壤微生態環境［29］。巖質邊坡人工土壤較薄，人工土壤理化性質與自然土壤差異性極大，人工土壤養分分布特征對植物多樣性起著重要作用。本研究中三個坡度類型的優勢種都有豆科植物，提高了植物對氮的利用率，增加了土壤的氮含量［30-31］。氮是植物生長重要養分因子，豆科植物具有較強的生存能力，能為生態系統中其他植物的生長與定居創造有利的微生境條件［32］。Wang等［33］研究表明速效鉀對植被恢復影響顯著，其次是總氮和有機質。而本文CCA 結果表明有機質是影響植物生長最重要的因子之一。這是因為人工土壤中添加了外源腐殖質、植物纖維等，其有機質含量相對于自然土壤含量較高；枯落物是土壤有機質的重要來源，坡面植物生物量較大，會產生大量枯枝落葉，凋落物堆積較多，土壤動物和微生物的降解作用使有機質的含量增加，而植物根系對有機質也有攔截作用，有利于有機營養物質的保持與積累，對邊坡植被的恢復有重要作用。

4 結論與建議

工程條件（坡度和坡位）對客土噴播后巖質邊坡的植被恢復有顯著影響。不同坡度樣地其微生境和植被群落物種組成存在差異，植物多樣性指數變化明顯，其中坡度Ⅰ邊坡植物種類最豐富，生境結構復雜，植物多樣性指數較高，養分含量較高，生態恢復效果好于其他坡度類型的邊坡。土壤容重和土壤含水量在不同坡度類型之間差異顯著。不同坡位速效鉀、堿解氮、有效磷和有機質含量差異明顯，其平均值均表現為中坡位＞下坡位＞上坡位。CCA 分析結果表明土壤含水量和有機質是影響植被生長的重要因子。因此山西礦區巖質邊坡生態恢復應對坡度大的邊坡進行削坡處理，降低坡度，人工土壤配方中增加保水劑和有機質含量，并加強后期的養護管理。