李丹雄,赵廷宁,张艳,冯晶晶

(北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

采石废弃地是指采石场在其完成或终止采石功能之后,所遭受到破坏、不经治理将无法使用的土地[1]。近几十年来,随着我国经济建设的蓬勃发展,各项土建工程相继动工,各地采石场、取土场的数量猛增,采石场所带来的环境问题日益受到人们的高度重视。根据第3次全国水土流失普查数据[2],“十五”期间因大量的采石、挖砂、取土等生产建设活动造成的扰动地表面积5.53万km2,弃土弃渣量达92.1亿t。近年来,从采石废弃地的造林技术[3]、岩石边坡植被与土壤的关系研究[4]到如何重建采石场的生态系统[5],越来越多的专家学者对采石废弃地植被恢复做了大量的研究工作[6-8];但是,仍有很多问题需要改进,如植物种选择的任意性、复绿方式的单一性等[9]。采石场的地形地貌比较特殊、复杂,排土场、采石边坡、泥石堆等采石场常见立地的土壤理化性质大不相同[10],单一的、统一化的植被恢复方法并不完全适用。据有关专家[11]推测,矿山植被自然恢复进展比较缓慢,一般需要100年以上的时间;因此,要因地制宜,针对采石废弃地的各种立地类型特点,采取不同的植被恢复方法。

对立地类型进行分类、评价是研究和掌握立地植被的生长环境及其对植被和植被生产力影响的重要途径[12],也是加快植被恢复的关键所在。立地类型划分在造林地上使用较多[12-14],随着经济的发展,采矿业的兴起,立地条件类型划分也开始被用于加快矿山的植被恢复。目前用于划分采石场立地类型的方法有Fuzzy聚类分析[15]、主成分 聚类分析结合[16]等,而立地质量评价多用于有林地,对于无林地的研究较少[12],常用的立地质量评价方法有专家打分法、层次分析方法等。为了加快采石场的生态恢复,笔者通过对太行山北段东麓采石废弃地的植被恢复影响因子进行相关性分析,划分采石废弃地的立地类型并进行评价,以期为植被恢复工作提供参考。

1 研究区概况

研究地点东麓采石废弃地地处华北平原太行山脉北段,位于北京市房山区周口店镇娄子水村与黄院村附近,地理坐标 E115°53′～115°55′、N39°39′～39°41′,海拔 70 ～250 m,面积范围约 100 hm2,属于露天采石场,主要出产石灰石、石板材料等。

研究区属于暖温带半湿润季风气候区,四季分明。多年平均气温12.1℃,其中1月份最低,平均-4℃,7、8月份最高,平均26℃。多年平均降水量700 mm,年平均水面蒸发量1 800 mm,年际与年内降水分布不均衡,年内降雨多集中在7—9月份。岩石种类以灰绿色千枚状板岩为主,土壤为棕褐土。研究区山坡中上部土层厚度在10～20 cm之间,中下部土层厚度在30 cm左右,山前为冲积平原,土壤层较厚,均在30 cm以上,肥力较好。周口店河为主要河流,全长15 km,流域面积达58 km2。受当地降水影响,河流在7、8月份才达到正常水位。研究区的地下水径流和排泄条件好,交替强烈,地下水属于石灰岩裂隙水。

2 研究方法

2.1 实验标准地选取

2011年7—8月,在野外实地踏查及资料收集的基础上,采用典型样地法,在研究区不同海拔、坡向、坡度的坡面上共选取39个样地;用GPS进行样地定位、编号,并调查坡向、坡度、坡长、土石比等微立地因子[17];根据典型样地的坡面情况,沿坡面上、中、下部位,分别设置3个小样方,其中草本样方面积1 m×1 m,灌木样方面积5 m×5 m,乔木样方面积10 m×10 m;调查每个样方内植被的植物名称、数量、平均高度、种盖度、冠幅和总盖度等。

2.2 土壤样品采集及测定

在每个样方中心,采集0～30 cm的混合土样,取回将其风干后采用精密酸度计测定pH值,用1 mol/L的NH4AC浸提、原子吸收法测定速效钾质量分数,用NaHCO3(pH值8.5)浸提法测定有效磷质量分数,用重铬酸钾容量法测定有机质质量分数,用凯氏定氮法测定土壤全氮质量分数,用甲种比重计速测法测定土壤颗粒组成。

2.3 立地因子选取及立地划分

研究区样地相对集中,海拔相差不大,年降雨量、气温变化、地貌类型等变化较小,不需要列为研究区影响植被恢复的主要限制因子。根据野外调查及资料分析结果,筛选出研究区的主要限制因子有坡度X1/(°)、土壤层厚度X2/cm、植物种数X3、植被覆盖度X4/%、植物平均高度X5/cm、土壤pH值X6、土壤质地X7、土壤有机质质量分数X8/(g·kg-1)、速效钾质量分数X9/(mg·kg-1)、有效磷质量分数X10/(mg·kg-1)、全氮质量分数 X11/(g·kg-1)、土石比X12/%、坡面长度X13/m和坡向X14等。

根据文献[16-19]对边坡立地条件划分的研究经验,并结合调查情况,采用Spearman相关分析方法对立地因子进行相关性分析,并采用主成分分析、聚类分析等方法划分立地类型。

2.4 因子评分标准及立地质量评价

立地质量评价常被用于造林地、宜林地的立地条件评价[20-21]。根据采石废弃地的特殊地形及主成分分析结果,参考前人的研究经验[22],拟定了适用于研究区立地条件的因子评分标准(表1),然后根据公式Wi=λi/∑λi来确定因子的权重,最后采用质量评价法计算出研究区的立地质量评价结果。式中:λi为第i个主成分的特征根;Wi为第i个主成分的权重。

表1 因子评分标准表Tab.1 Factor scoring standard

2.5 数据处理

本文所有的数据均使用Excel 2013、SPSS 21.0等软件处理。

3 结果与分析

3.1 立地因子相关性分析

将筛选出的立地因子数量化、中心化处理,进行Spearman相关分析,结果见表2。可知,14个因子之间的相关关系多以正相关为主,呈正显著关系的因子居多,如土壤层厚度(9正1负)、植物种数(9正)、植被覆盖度(9正)、土壤有机质质量分数(10正1负)、速效钾质量分数(10正1负)、全氮质量分数(9正1负)、土石比(9正1负)等。

表2 立地因子的相关性分析结果Tab.2 Correlation analysis of site factors

在这些相关性显著的因子中,植物种数和植被覆盖度可描述植被状况,土壤层厚度、土石比、全氮质量分数、速效钾质量分数和土壤有机质质量分数可描述立地条件与土壤特性。其中,已有的植被能够为后期的植被恢复提供种子来源,并对目前立地的土壤理化性状起到一定的改善作用。土壤条件对植被的发芽、生长、发育等影响较大,土壤条件良好的立地,植物生长快,植被恢复较好,而土壤条件差的则反之。

此外,由表2可知,坡度与植物平均高度、土壤质地、土壤有机质质量分数、速效钾质量分数、全氮质量分数、土石比、坡面长度等均呈显著的负相关关系。说明在植被恢复过程中,坡度越大,其他因子对于植被恢复的不利影响也越明显,因此需要考虑削坡、降低坡度等措施。

3.2 采石废弃地植被恢复的主要限制因子分析

采石废弃地的立地条件往往都比较恶劣,找出植被恢复的限制性因子尤为关键。根据Blcakman的限制因子定律[23],在生态环境中,某个环境因子过多或过少都会对植被的生长起到抑制作用。有研究[24-25]表明,坡度、海拔、坡面长度、土壤层厚度、土壤有机质质量分数、土壤质地、年降水量、土壤硬度、地表破坏程度等是采石废弃地植被恢复的主要限制因子。本文根据相关性分析结果,将调查样地的14个指标数据数量化、标准化后,采用主成分分析方法,得到前 5 个主成分 F1、F2、F3、F4、F5的方差累积贡献率为77.38%(＞75%),基本包含了原来指标的信息。其中,在KMO和Bartlett的球形度检验中,Kaiser-Meyer-Olkin度量等于0.659(＞0.5),sig.＜0.01。因此,构建这5个主成分与各指标关系式如下:

从以上关系式可以看出,第1主成分代表土壤肥力情况(土壤有机质质量分数、速效钾质量分数、有效磷质量分数、全氮质量分数的系数＞0.25),第2主成分表示土壤的水分持有能力(土壤层厚度、土石比的系数＞0.30),第3主成分表示地形特征(坡度、坡面长度、坡向的系数分别为 -0.460、0.376、-0.328),第4主成分为土壤颗粒组成(土壤质地的系数为0.835),第5主成分为土壤pH值(系数为0.807)。

由此可见,土壤状况及地形因子等是研究区植被恢复比较关键的限制性因子,这与尹金珠等[4]、王琼等[24]的研究相一致。并且还发现,采石创面的大小及破损程度影响了表层土壤,改变了小地形,从而间接影响了植被的生长与分布。

图1 聚类分析树状图Fig.1 Cluster analysis

3.3 采石废弃地立地类型划分

将立地因子采用欧氏距离、组间联接的方法进行聚类分析,结果如图1所示。根据聚类分析过程中由聚合系数画出的变化曲线图所呈现的分类拐点[26],并结合实际的调查情况,将39个样地的立地划分成8类(表3)。

第Ⅰ类:低山带阳坡/半阴半阳坡向土石混合体堆体边坡,该类立地的坡度较陡(平均坡度40°),坡面上的石块多,土壤理化性质差,土壤有机质质量分数低,植物种数少,植物长势不良。

第Ⅱ类:低山带阳坡/半阴半阳坡向“V”型山谷边坡,该类立地的坡度较陡(平均坡度31°),坡面上的石块少,土壤层较厚,土壤理化性质一般,植物种数较多,植物长势优良。

第Ⅲ类:低山带阳坡向山麓堆体边坡,该类立地的边坡较缓(平均坡度25°),短坡,坡面上的石块较多,土壤层厚度较薄,土壤理化性质差,土壤有机质质量分数低,植物种数少,植物长势不良。

第Ⅳ类:低山带阳坡/半阴半阳坡向山麓边坡,该类立地的边坡较缓(平均坡度22°),坡面上的石块极少,土壤层厚度较厚,土壤理化性质良好,有机质质量分数较高,植物种数多,植物长势良好。

第Ⅴ类:低山带半阴半阳坡向山脊较缓边坡,该类立地的坡度较平坦(平均坡度5°),边坡较长,坡面上的石块极少,土壤层厚度较厚,土壤理化性质良好,有机质质量分数较高,植物种数较多,植物长势良好。

第Ⅵ类:低山带阴坡向山脊较陡边坡,该类立地的坡度较陡(平均坡度35°),边坡较长,坡面上的石块极少,土壤层厚度较厚,土壤理化性质良好,有机质质量分数高,植物种数多,但植物长势较差。

第Ⅶ类:低山带半阴半阳坡向“U”型山谷边坡,该类立地的边坡较缓(平均坡度13°),边坡长达50 m,坡面上的石块极少,土壤层厚度较厚,土壤理化性质良好,有机质质量分数高,植物种数多,植物长势良好。

第Ⅷ类:低山带阴坡向山麓边坡,该类立地的坡度较陡(平均坡度60°),坡面上的石块较多,土壤层厚度一般,土壤理化性质良好,有机质质量分数高,植物种数较多,植物长势良好。

表3 研究区采石场立地类型划分及其特征表Tab.3 Quarry site type classification and list of features

3.4 采石废弃地立地质量评价

研究区的立地质量评价结果见表4。可知:综合得分≥24的立地条件较好,有机质质量分数均在70 g/kg以上,土壤理化性质较好,土壤层厚度＞50 cm,表土砾石质量分数较少,地上植物种数达17种,植物长势良好;综合得分20～24的立地条件一般,有机质质量分数在35～70 g/kg之间,土壤理化性质良好,土壤层厚度＞80 cm,表土砾石质量分数较少,地上植被较多,植物种数达15种,植物长势一般;综合得分18～20的立地条件较差,有机质质量分数在20～35 g/kg之间,土壤理化性质较差,土壤层厚度＞140 cm,表土砾石质量分数较少,地上植物种数达18种;综合得分＜18的立地条件很差,坡度较陡,有机质质量分数低(小于15.0 g/kg),土壤理化性质差,土壤颗粒较粗,碎石块多,土壤以砂质土居多,土壤层较薄,坡面保水保土性能差,不利于植被生长。

表4 研究区采石场立地质量评价结果_Tab.4 Quarry site quality evaluation

4 结论与建议

1)土壤养分质量分数、土壤层厚度和地形特征等是研究区植被恢复的主要限制性因子,同时也是采石废弃地上判断某一立地条件优劣的重要因子,这些因子受采石干扰程度的影响极大。

2)研究区采石废弃地可划分成8类立地类型:Ⅰ低山带阳坡/半阴半阳坡向土石混合堆体边坡、Ⅱ低山带阳坡/半阴半阳坡向“V”型山谷边坡、Ⅲ低山带阳坡向山麓堆体边坡、Ⅳ低山带阳坡/半阴半阳坡向山麓边坡、Ⅴ低山带半阴半阳坡向山脊较缓边坡、Ⅵ低山带阴坡向山脊较陡边坡、Ⅶ低山带半阴半阳坡向“U”型山谷边坡、Ⅷ低山带阴坡向山麓边坡。

3)研究区采石场8类立地类型可划分为4类:第1类边坡的立地条件较好,综合得分≥24,植物种数达17种,植物长势良好,这样的坡面非常适宜植被生长,不需要人工辅助措施,植被能生长良好;第2类边坡的立地条件稍差,综合得分20～24,土壤理化性质良好,只需采取封育措施,植被能自然恢复起来;第3类边坡的立地条件较差,综合得分18～20,植被生长情况一般,需要进行适当的人工削坡、客土等技术措施方能促进植被恢复;第4类边坡的立地条件较为恶劣,综合得分＜18,地面碎石块较多,土壤理化性质较差,土壤层厚度较薄,不利于植被生长,急需进行人工削坡、地面平整、客土等人工辅助技术措施才能加快植被恢复。