亢晨波，郭漢清，張 垚，劉 洋

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801）

我國(guó)作為全世界最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭資源的長(zhǎng)期開采使陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生一系列的負(fù)面變化[1]，造成嚴(yán)重的土地退化現(xiàn)象[2]。因此，土地復(fù)墾和植被恢復(fù)成為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與重建的必要手段[3]。植被恢復(fù)措施可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤水分含量、提高土壤肥力水平、減少水土流失等礦區(qū)日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[4]。土壤水作為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的關(guān)鍵，關(guān)乎著礦區(qū)植被的生長(zhǎng)及土壤環(huán)境的變化[5]。

土壤層是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在蓄水保肥等方面發(fā)揮著重要作用，是生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體[6]。相關(guān)研究表明，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分含量和水熱變化等因素都會(huì)直接或間接改善土壤的理化性質(zhì)[7]。王麗等[8]研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)可有效改善土壤質(zhì)量，提高土壤的水分持蓄能力。YAO等[9]通過研究露天礦排土場(chǎng)不同植被配置下對(duì)土壤水分的影響發(fā)現(xiàn)，天然植被的水源涵養(yǎng)和水分調(diào)節(jié)能力高于人工恢復(fù)植被，且天然植被對(duì)土壤的水分利用效率大于人工植被。不同的植被恢復(fù)模式對(duì)土壤水分[10]和理化性質(zhì)[11]影響不同，這些變化又會(huì)直接或間接的影響到植被的恢復(fù)過程[12]。此外，熊遠(yuǎn)清等[13]研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量還影響著各種養(yǎng)分物質(zhì)的礦化和轉(zhuǎn)移速度，對(duì)植被的生長(zhǎng)和繁殖具有重要意義。因此，對(duì)復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型土壤水分及其持蓄性能的研究可為人工植被的建設(shè)和生態(tài)修復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

陽(yáng)泉市是我國(guó)最大的無煙煤生產(chǎn)基地[14]，由于開發(fā)時(shí)間早、開采強(qiáng)度大等導(dǎo)致原有生態(tài)系統(tǒng)平衡遭受嚴(yán)重破壞，動(dòng)植物生存環(huán)境惡化，生物多樣性銳減；同時(shí)，地下水位下降、立地條件差等造成礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作難以進(jìn)行[15-16]。自1988年國(guó)務(wù)院頒布實(shí)施了《土地復(fù)墾規(guī)定》，該礦區(qū)加速了人工植被的恢復(fù)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到一定改善。筆者以陽(yáng)泉礦區(qū)復(fù)墾示范工程五礦矸石復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，研究4種主要土地類型的土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能，探究復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型下土壤水源涵養(yǎng)功能的差異性，以期為今后礦區(qū)水土流失防治和植被恢復(fù)提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于山西省平定縣境內(nèi)的陽(yáng)煤五礦復(fù)墾區(qū)，海拔760～906 m，氣候類型為暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫10.8℃，年均降雨量585.9 mm，7—9月多雨且降雨集中；該區(qū)土壤類型主要為褐土和褐土性土，地帶性植被屬暖溫帶落葉闊葉林[17]。五礦矸石山原始地貌為荒溝，1992年開始排矸，后于2003年依據(jù)“由上向下、分層碾壓、黃土覆蓋、恢復(fù)植被”的治理方針，采用附近山體黃土對(duì)煤矸石進(jìn)行復(fù)墾種植，其中平臺(tái)覆土1 m，邊坡覆土0.5 m[18]。復(fù)墾后土地類型均為林地和耕地，有刺槐（Robinia pseudoacacia）、垂柳（Salix babylonica）、蘆 葦（Phragmites communis）、構(gòu) 樹（Broussonetia papyrifera）、紅 葉 李（Prunus ceraifera）、側(cè) 柏（Platycladusorientalis）、毛白楊（Populustomentosa）和紫穗槐（Amorpha fruticosa）等[19]。耕地作物均為玉米（Zea maysL.）（優(yōu)迪919），按傳統(tǒng)方式進(jìn)行粗放經(jīng)營(yíng)，施肥為“一炮轟”，復(fù)墾區(qū)內(nèi)無灌溉系統(tǒng)，水分均來源于天然降水。綜合考慮地形地貌特征、植被恢復(fù)狀況和復(fù)墾年限等因素，在保證不受外界環(huán)境影響的條件下，在復(fù)墾區(qū)同一區(qū)域（平臺(tái)）選取復(fù)墾時(shí)間早、生長(zhǎng)良好和保存完整的4種土地類型為研究對(duì)象，分別是草地(蘆葦Phragmites communis)（記為A）、紫穗槐(Amorpha fruticosaL.)（記為B）、楊樹(PopulusL.)（記為C）和耕地（記為D）。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本概況Tab.1 Basic situation of plot

1.2 樣地布設(shè)與樣品采集

2020年8月，在陽(yáng)泉礦區(qū)五礦矸石復(fù)墾區(qū)選取紫穗槐、楊樹、耕地和草地4種主要土地類型，各樣地分別布設(shè)3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，隨后在各樣地的對(duì)角線及中心位置選擇5個(gè)小樣方（1 m×1 m），清除地表枯枝落葉和石塊等雜物，在各樣方分別挖掘土壤剖面，深度為60 cm，寬度為80 cm。使用環(huán)刀（V=200 cm3）按20 cm為間隔對(duì)0～60 cm土層進(jìn)行分層取樣，每層3個(gè)重復(fù)，并取各層松散土樣1 kg左右。隨后將野外采集的樣品帶至室內(nèi)進(jìn)行分析。

1.3 土壤水分物理性質(zhì)的測(cè)定

土壤容重（ρs）、孔隙度（Ps）及持水量采用環(huán)刀法測(cè)定：取樣時(shí)稱取每個(gè)空環(huán)刀的質(zhì)量（m0，g）及裝有原狀土樣的環(huán)刀質(zhì)量（m1，g），計(jì)算土壤含水量（Cw，%）。將裝有原狀土樣的環(huán)刀放入平底盆中，注水高度至環(huán)刀上沿為止，浸泡12 h后進(jìn)行稱質(zhì)量（m2，g），計(jì)算飽和持水量（Cs，g/kg）；再將稱質(zhì)量后的環(huán)刀放置在鋪有干砂的平底盤上2h，待土壤中的非毛管孔隙水全部流出，進(jìn)行稱質(zhì)量（m3，g），計(jì)算毛管持水量（Cc，%）；最后將環(huán)刀于105℃烘干至恒質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行稱質(zhì)量（m4，g）[20]。

式中，V為環(huán)刀體積（cm3）：Wh表示涵蓄降雨量（t/m2）；Wd表示最大持水量（t/m2）；Wz表示自然貯水量（t/m2）；Wy表示有效涵蓄量（t/m2）；Wm表示毛管持水量（t/m2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。運(yùn)用SPSS 26.0軟件對(duì)不同土地利用類型水文物理性質(zhì)之間進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANVOA）和最小顯著差異法比較（LSD），最后用Origin 2018軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地類型土壤水文物理性質(zhì)比較

土壤物理性質(zhì)的空間分布特征如圖1所示。

由圖1可知，復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型土壤物理性質(zhì)存在較大差異。其中容重大小表現(xiàn)為草地（1.53 g/cm3）＞紫 穗 槐 林 地（1.52 g/cm3）＞耕 地（1.48 g/cm3）＞楊樹林地（1.37 g/cm3）。不同土地利用類型垂直方向上土壤容重的變化規(guī)律一致，均隨土壤深度的增大而增加。除耕地40～60 cm土層與0～20、20～40 cm土層呈顯著差異（P＜0.05）外，草地、紫穗槐林地和楊樹林地均無顯著差異（P＞0.05）。

從圖1可以看出，不同土地利用類型下總孔隙度變化在37.6%～52.3%，且表現(xiàn)為楊樹林地（48.3%）＞耕地（44.0%）＞紫穗槐林地（42.5%）＞草地（42.2%）。其中，楊樹林地總孔隙度分別是草地、紫穗槐林地和耕地的1.2、1.1、1.1倍；楊樹林地毛管孔隙度分別是草地、紫穗槐林地和耕地的0.9、1.0、0.8倍；楊樹林地非毛管孔隙度分別是草地、紫穗槐林地、耕地的1.9、1.4、2.7倍。0～20 cm土層，總孔隙度和毛管孔隙度在各土地利用類型下均不存在顯著差異（P＞0.05）；20～40 cm土層，楊樹林地總孔隙度和非毛管孔隙度與草地、紫穗槐林地和楊樹林地均存在顯著差異（P＜0.05）。土壤毛管孔隙度和總孔隙度的大小總體呈現(xiàn)出隨土層厚度的增加而減小，與容重隨土層厚度的變化規(guī)律剛好相反；非毛管孔隙度的大小隨土層深度的變化規(guī)律不明顯。

2.2 不同土地類型土壤持蓄水能力比較

土壤水分持蓄性能的空間分布特征如表2所示。

表2 土壤水分持蓄性能的空間分布特征Tab.2 Spatial distribution characteristics of soil water holding capacity

從表2可以看出，除耕地外，土壤含水量均呈現(xiàn)出隨土層厚度的增加而減小的規(guī)律。地表層土壤含水量最大為楊樹林地（24.35%），草地最?。?3.03%）。且在不同剖面，楊樹林地土壤含水量均顯著大于其他3個(gè)樣地（P＜0.05）。土壤的水分持蓄量也均隨土層深度的增加而減小。0～20 cm土層，土壤的最大持水量和蓄水量分別為270.85～347.41 g/kg和7.42～9.69 t/m2，毛管持水量和蓄水量分別為238.58～293.42 g/kg和6.57～8.18 t/m2，非毛管持水量和蓄水量分別為28.04～53.99 g/kg和0.81～1.51 t/m2。不同土地利用類型下土壤最大持水量、毛管持水量均未發(fā)生顯著性改變，楊樹林地表層土壤最大蓄水量與其他3個(gè)樣地均存在顯著差異（P＜0.05），且0～20 cm土層持水性能顯著高于20 cm土層以下（P＜0.05）。

就土壤持水量而言，耕地表層土壤最大持水量和毛管持水量均最高，分別為347.41、293.42 g/kg；草地的最大持水量和毛管持水量最低，分別為270.85、238.58 g/kg。就土壤蓄水量而言，0～20 cm土層，土壤最大蓄水量和毛管蓄水量均表現(xiàn)為耕地最大，分別為9.69、8.18 t/m2，草地土壤最大蓄水量最小，為7.42 t/m2。且0～20 cm土層土壤的最大蓄水量和毛管蓄水量均顯著高于20 cm以下（P＜0.05）。耕地表層土壤涵蓄降雨量最大，為6.00 t/m2，除楊樹林外，土壤涵蓄降雨量隨土層厚度增加均有所減小，且紫穗槐林和耕地表層土壤涵蓄降雨量顯著大于深層土壤。不同土地利用類型下土壤有效涵蓄量有所差異，耕地表層土壤有效涵蓄量最大，為4.49 t/m2，且楊樹林土壤有效涵蓄量顯著低于其他3個(gè)樣地。

2.3 土壤水分持蓄性能的主要影響因素

由表3可知，容重與總孔隙度和自然含水量分別呈極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)關(guān)系；總孔隙度與自然含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；毛管孔隙度與最大持水量、毛管持水量和有效涵蓄量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與涵蓄降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；非毛管孔隙度與有效涵蓄量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；有機(jī)質(zhì)含量與最大持水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；最大持水量和毛管持水量均與涵蓄降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），且毛管持水量與有效涵蓄量之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表3 土壤持水量與主要影響因素的相關(guān)性分析Tab.3 Correlations between soil water holding capacity and main influence factors

3 討論

3.1 復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)是反映土壤水文功能的重要參數(shù)，決定著土壤的持水和滲透性能的好壞[21]。礦區(qū)土壤的物理性質(zhì)受植被類型、降雨條件以及成土母質(zhì)等因素的影響較大[22]。本研究中，林地土壤容重小于草地，這是由于林地發(fā)達(dá)的根系和豐富的枯枝落葉有效地改善了土壤結(jié)構(gòu)，使表土疏松多孔，有利于土壤水分的下滲。這與呂剛等[23]研究結(jié)果相似，但也有學(xué)者得出不同結(jié)論，如溫明霞等[24]對(duì)神東集團(tuán)馬家塔露天煤礦復(fù)墾區(qū)研究發(fā)現(xiàn)草地容重大于林地，這可能是由于風(fēng)沙土土質(zhì)疏松，結(jié)構(gòu)松散，林地對(duì)土壤的改良作用優(yōu)于草地，使得土壤質(zhì)地變好，非毛管孔隙度數(shù)量減少，土壤水分持蓄性能增強(qiáng)。有研究表明，結(jié)構(gòu)性良好的土壤容重在1.25～1.35 g/cm3[25]。本研究表明，復(fù)墾礦區(qū)楊樹林地土壤容重在1.37～1.48 g/cm3，而草地土壤容重均大于1.49 g/cm3，表明在復(fù)墾區(qū)楊樹林對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果強(qiáng)于草地。

3.2 復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤水分持蓄性能的影響

土壤持水量是評(píng)價(jià)植被-土壤水源涵養(yǎng)功能的重要水文參數(shù)[26]。本研究中，表層土壤最大持水量均大于深層土壤，且復(fù)墾區(qū)土壤最大持水量和蓄水量、毛管持水量和蓄水量最小均出現(xiàn)在草地，說明林地對(duì)土壤透水通氣性能的改善強(qiáng)于草地，有利于土壤蓄水性能的增強(qiáng)，這與李奕等[27]結(jié)果相符。此外，土壤最大持水量與毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著性差異（P＜0.05），與容重之間存在負(fù)相關(guān)；而土壤有機(jī)質(zhì)含量與容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與總孔隙度和毛管孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系。說明有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤持水量具有直接或間接作用，且已有研究表明[28-29]，土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，還能影響土壤的持水性能。

本研究表明，在復(fù)墾礦區(qū)的4種土地利用方式下，喬灌林地土壤自然含水量高于草地，這是由于楊樹林和紫穗槐林具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗寒性[30]，且林下枯枝落葉豐富，能有效減少土壤中水分的蒸發(fā)和散失，而草地枯落物相對(duì)較少，在一定程度上增加了地表蒸發(fā)，從而使土壤中水分含量降低，而土壤有效涵蓄量未表現(xiàn)出顯著差異，這可能是因?yàn)橛行Ш盍坎粌H受毛管持水量，還受自然含水量的影響，在多重因素影響下，未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

本研究表明，不同土地利用類型土壤容重在1.33～1.62 g/cm3，表現(xiàn)為草地＞紫穗槐林地＞耕地＞楊樹林地；總孔隙度在36.93～52.25%，且其他土地利用類型較草地總孔隙度高出0.71%～14.45%。

土壤最大持水量和蓄水量、毛管持水量和蓄水量均表現(xiàn)出表層大于深層的規(guī)律；且表層土壤最大持水量、毛管持水量最大均出現(xiàn)在耕地，分別為347.41、293.42 g/kg，草地最小，分別為270.85、238.58 g/kg。

容重與自然含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），總孔隙度與自然含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；毛管孔隙度與最大持水量、毛管持水量和有效涵蓄量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與涵蓄降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；非毛管孔隙度與有效涵蓄量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；有機(jī)質(zhì)含量與最大持水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；最大持水量和毛管持水量均與涵蓄降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），且毛管持水量與有效含蓄量間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。不同水文物理性質(zhì)與土壤的持水性能密切相關(guān)?？傮w來看，復(fù)墾區(qū)不同土地利用類型涵養(yǎng)水源能力楊樹林最強(qiáng)，耕地和紫穗槐林次之，草地最差。