半干旱矿区生态环境脆弱, 立地条件恶劣, 生态重建与植被恢复困难。苜蓿作为主要的生态恢复物种, 具有较强的适生性, 其庞大的根系不仅能够改良土壤孔隙结构, 其根系分泌物、代谢物还可增加土壤有机质, 改善土壤团粒结构^[1]。另外, 苜蓿作为豆科植物, 具有很强的根瘤固氮作用, 能够增加土壤碳氮养分水平, 而且苜蓿作为绿肥, 还可为土壤改良提供充足的有机质来源^[2-3]。目前, 苜蓿成为我国北方半干旱矿区生态重建中的先锋种与优势种, 在矿区植被恢复中占据重要地位, 对区域的脆弱生态环境修复、土壤结构改善、土壤肥力提高起着极为重要的作用^[4]。然而, 苜蓿在恶劣生境下寿命缩短, 限制其改良土壤效应, 其在条件严苛的矿区的演变规律亟需明确。

土壤是由形状与大小各异的土壤颗粒组成的多孔介质, 作为土壤结构体的基本单元, 土壤颗粒在一定程度上决定了土壤的结构和性质, 并间接影响了土壤的水分特性、肥力状况等理化性质^[5-6]。Tyler^[7]、杨培岭^[8]等提出土壤颗粒粒径分布的质量分形计算公式, 吴承祯等^[9]研究表明分形维数可以很好地反映土壤的肥力特征。随着激光衍射技术的发展和应用, 土壤颗粒体积分布特征更容易且精确得到, 王国梁等^[10]在前人的公式和模型的基础上, 采用土壤颗粒体积分形维数的概念, 被越来越多的学者应用于土壤分形特征的研究中。大量研究表明土壤颗粒的分形特征与土壤理化特性具有一定的关系, 对矿区生态环境具有一定的指示作用^[11-13]。目前针对矿区土壤分形特征的研究主要侧重不同区域、不同废弃地类型或植被类型下土壤颗粒分形特征的研究, 以及土壤分形维数与土壤类型、水分、养分状况、土壤机械组成、土壤侵蚀等关系^[14-17]。王金满等^[18]研究表明半干旱黄土区露天煤矿排土场重构土壤颗粒组成具有明显的多重分形特征, 但对于广泛种植的苜蓿地随植被恢复过程的相关研究未见报道。

因此本研究针对半干旱露天矿排土场不同恢复年限的苜蓿草地, 分析种植苜蓿恢复过程中土壤颗粒分形特征及与土壤特性的关系, 探讨矿区排土场苜蓿恢复模式效益, 进而为半干旱矿区排土场生态重建实践提供科学指导。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究区为武家塔露天矿(39°15′ 16″—39°17′ 50″N, 110°05′ 55″—110°10′ 48″E), 地处鄂尔多斯高原腹地, 为黄土高原和毛乌素沙地两大地貌单元之间的过渡带, 地形特征为西北高、东南低, 基本呈一斜坡状, 属于半干旱半沙漠的高原大陆性气候, 年平均降水量370—410 mm, 多集中在6—9月, 且多以暴雨的形式出现。冬季严寒, 夏季炎热干燥, 春季多风, 全年少雨, 温差较大(-27.9—36.6 ℃), 年平均气温为5.5—8.1 ℃, 无霜期152—169 d。研究区区域性土壤类型为黄土和风沙土, 并且零星分布着草甸土和栗钙土型沙土。

研究区主要植被类型为温带草原植被, 优势植被为耐寒耐旱的旱生小叶灌木、半灌木, 主要为沙柳(Salix cheilophila)、沙蒿(Artemisia desertorum)等。武家塔4#排土场复垦深度1 m左右, 平台上采取种植刺槐(Robinia Pseudoacacia)、沙柳(Salix cheilophila)、沙棘(Hippophae Rhamnoides)、柠条(Caragana Korshinskii)、沙打旺(Astragalus adsurgens)和苜蓿(M. Sativa)牧草等10余种植被恢复模式, 完成复垦面积200多公顷, 其中苜蓿种植面积占50%以上。

1.2 样地选择

选择武家塔矿区4#排土场平台人工种植年限分别为2 a、4 a、6 a和10 a苜蓿地为研究对象, 同时为了比较人工种植苜蓿恢复与天然恢复的差别, 以新排土与天然撂荒地为对照, 各样地覆土来源一致, 且覆土工艺均为逐层覆压, 总厚度为1 m, 具体样地信息见表 1。

1.3 样品采集

2017年8月进行土壤样品的采集。在所选择样地内, 随机选取出3个样点, 在每个样点附近采取多点混合采集法分层采集, 一般设置6—10个点。采集土样时需先用工具将其植被枯枝落叶层去掉, 按照0—5、5—10、10—20、20—40、40—60 cm分层进行取样, 每个采集点对应土层的土样混合为1个样品, 再将土样带回到实验室。

1.4 土壤颗粒组成及土壤理化性质指标的测定

筛分法：将土样分别置于套筛(孔径依次为2.00、1.00、0.50、0.25、0.10 mm)顶部, 底层安放底盒, 顶部盖筛盖, 用振荡式机械筛分仪, 在最大运动频率300次/min准确振荡2 min后, 从上部依次取筛, 得到2.00—1.00、1.00—0.50、0.50—0.25、0.25—0.10 mm的土壤, 分别收集称量。

取通过直径0.10 mm筛孔样品大约3 g放入小烧杯中, 依次加入适量的蒸馏水与双氧水, 放在电炉上加热并且不断搅拌, 直至再无气泡产生, 从而去除土样中有机质, 再用六偏磷酸钠来浸泡24 h使土粒之间分散。处理后的土样再用LS—POP(6)激光粒度仪来测定土壤粒径, 其所测粒径为0.0002—0.50 mm之间, 并可借助仪器附带软件中的分级功能, 得到土壤的任意两粒径之间体积百分含量。

土壤理化性质测定采用常规测定方法^[19]。土壤pH用PHS—P型酸度计测定；有机质用重铬酸钾—外加热容量法测定；速效钾用火焰光度法；测定全磷和速效磷用钼锑抗比色法测定；全氮用半微量开氏法消煮, 全自动定氮仪测定；碱解氮用碱解扩散法测定；电导率用浸提法测定；含水量用烘干法测定。

1.5 数据分析处理

根据LS—POP(6)激光粒度仪测得的土壤粒径体积分布数据, 采用王国梁等提出的土壤颗粒体积分形维数计算方法^[10], 具体计算公式如下：

(1)

(2)

式中, 为某级粒径平均直径；表示粒径小于的颗粒体积；VT为颗粒总体积, d_max为最大粒级值；D为土壤颗粒分形维数。

运用Excel 2018进行数据的整理, 运用SPSS 20.0进行回归性分析, 采用Sigmaplot 10.0进行制图。

2 结果与分析 2.1 排土场不同苜蓿恢复过程中土壤颗粒的组成特征

本研究采用美国制土壤粒径分级方法, 即粘粒(< 0.002 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和砂粒(0.05—2.00 mm)。由图 1中可以看出不同恢复模式下粘粒含量所占的比例最少；在新排土、撂荒地、M2、M4恢复模式下, 粉粒含量所占比例最高, 砂粒次之；在M6、M10恢复模式下, 砂粒含量所占比例最高, 其次是粉粒；可见研究区土壤以粉粒与砂粒为主, 粘粒极少, 且随着苜蓿恢复过程, 土壤由以粉粒为主向以砂粒为主变化, 即呈现出沙化趋势。相对于新排土, 撂荒草地土壤各粒径组成变化不显著(P>0.05), 而不同年限苜蓿恢复模式土壤各粒径组成存在不同程度的变化。其中, 粘粒在M2与M4阶段显著高于其它恢复模式下, 且在M4阶段达到最高值, 随后显著下降(P < 0.05)；而砂粒在M4阶段最低, 随后显著上升(P < 0.05), 主要与其群落在4 a之后开始衰退及导致的土壤退化有关。可见在研究区苜蓿恢复一定时间内能够显著促进土壤粘粒化, 随着恢复进程土壤显著沙化。

不同苜蓿恢复模式下土壤粒径组成在土壤垂直剖面变化各异。如图 2所示, 撂荒地土壤在表层0—10 cm, 较新排土呈现由砂粒向粉粒转化；在M2与M4阶段, 土壤各粒径组成在土壤剖面上变化幅度较大, 在20—60 cm粘粒和粉粒呈现增加趋势, 而砂粒呈现下降趋势；在M6阶段, 粘粒与粉粒均下降, 而砂粒明显增大, 且在各土层间变化幅度较小；而达到M10阶段, 粉粒有所增加, 而砂粒表现为减少。

2.2 排土场不同苜蓿恢复过程中土壤分形维数特征

如图 3所示, 土壤分形维数在不同恢复模式下各异, 变化范围为2.14—2.46, 撂荒地相比于新排土没有显著变化, 而在M2与M4模式下, 土壤分形维数显著增加, 在M4达到最大值(2.46), 而随着恢复过程显著下降(2.14)再上升(2.31), 主要由于在M6阶段苜蓿群落与土壤退化, 导致土壤分形维数发生逆向演替, 而进入M10阶段, 群落由天然植被物种侵入, 开始天然恢复演替阶段。

对土壤颗粒组成与土壤颗粒分形维数进行相关分析(图 4), 发现土壤粘粒和粉粒含量与土壤颗粒分形维数具有极显著正相关关系(P < 0.01), 土壤砂粒含量与土壤颗粒分形维数具有极显著负相关关系(P < 0.01), 这与石战飞等^[20]的研究结论一致。同时研究发现粘粒与D值回归方程的决定系数R²最大为0.634, 表明土壤粘粒含量对D值的影响较大。

2.3 土壤体积分形维数在垂直剖面的演变特征

如图 5所示, 土壤颗粒分形维数D值在垂直剖面上不同苜蓿恢复过程的变化规律各异, 变化范围为2.09—2.57。新排土与撂荒地的土壤颗粒分形维数D值在垂直剖面上整体上无明显变化, 各土层分形维数D值相差不大, 表明在垂直剖面上自然恢复对土壤分形维数影响不大；不同恢复年限的苜蓿地, 其土壤分形维数在垂直剖面上的变化各异, 苜蓿地2 a与苜蓿地4 a随着土层深度的增加, 分形维数D值整体上随之增大；苜蓿地6 a和苜蓿地10 a随着土层深度的增加, 分形维数D值整体上随之减小；表明不同恢复年限的苜蓿地在垂直剖面上, 分形维数的变化呈现一定的规律。

2.4 土壤分形维数与土壤理化性质的关系

在不同苜蓿恢复阶段, 土壤分形维数与土壤理化性质的关系表现各异。由表 2可知, 土壤分形维数与电导率呈极显著负相关关系(P < 0.01), 与pH值和速效钾呈显著负相关关系(P < 0.05), 与碱解氮呈显著正相关关系(P < 0.05)；表明分形维数可表征研究区苜蓿恢复过程中土壤的一些理化性质, 即分形维数D值越大, 电导率、pH值越小, 速效钾含量越低, 但碱解氮含量越高。另外, 分形维数D值与全氮含量、全磷含量、有机质、含水量、速效磷含量均未达到显著水平。

3 讨论

土壤颗粒在一定程度上决定了土壤的结构和性质, 土壤颗粒体积分形维数与土壤颗粒组成具有密切的联系^[21]。本研究表明, 研究区排土场土壤颗粒组成与土壤颗粒分形维数具有相关性, 其中土壤粘粒与土壤分形维数具有显著的正相关关系, 与风沙区不同种植年限苜蓿地^[3]、风沙区煤矿复垦地^[22]的研究结果一致, 可见土壤颗粒粘粒含量所占比重对土壤颗粒分形维数的影响最为显著。同时, 随着苜蓿恢复年限的增加土壤粘粒含量所占比重先增大后减小, 即土壤质地表现为先细粒化后沙化的规律, 在M4阶段细粒化程度最高, 这与其它自然生态系统或者植被恢复方式的相关研究结果不一致, 如风沙区不同种植年限苜蓿地、半干旱沙区不同植被恢复年限、不同退耕年限林草地, 均随着恢复时间的延长, 表现为土壤颗粒分形维数增大, 土壤质地细粒化^[23-25]。可见, 研究区苜蓿恢复模式只能在短期内具有改善土壤颗粒组成的作用, 恢复一定年限后其改善土壤颗粒组成的作用下降。主要在于矿区排土场作为人工塑造生态系统, 立地条件差、生境脆弱, 苜蓿种植4 a后群落发生明显的退化。土壤分形维数在垂直剖面上的变化特征可表征植物根系对土壤颗粒组成的作用。本研究发现, 不同苜蓿恢复过程中土壤颗粒分形维数D值在垂直剖面上变化各异, 新排土与撂荒地不同土层颗粒体积分形维数之间无明显变化, M2与M4土壤分形维数在垂直剖面上整体上随土层深度加深而增大, M6与M10土壤分形维数在垂直剖面上整体上随土层深度加深而减小, 表明苜蓿恢复2 a与4 a时, 其根系能够促进深层土壤粘粒化, 具有改良土壤粒径组成的作用。然而, 张社齐等^[26]通过研究黄土高原刺槐人工林地, 表明不同树龄刺槐人工林地的土壤颗粒分形维数在土壤剖面的不同深度上趋于均一, 而且小于同种质地的其他土壤；党亚国等^[27]研究也表明黄土高原典型剖面土壤颗粒体积分形特维数在不同土层间差异不显著；贾晓红等^[28]通过研究沙冬青灌丛地的土壤颗粒大小分形维数空间的变异, 发现在垂直剖面上分形维数随土层加深呈减少趋势。可能在于研究区排土场土壤多为人为覆盖的生土, 且从未有过植被定居, 而其他生态系统均为自然生态系统, 深层土壤颗粒组成较排土场更佳。

众多研究表明, 土壤分形维数可较好地反映土壤的肥力特征^[29-30]。本研究发现, 排土场苜蓿恢复模式下土壤分形维数与土壤电导率、速效钾、碱解氮、pH值具有相关关系, 可以用土壤分形维数表征土壤速效养分状况；石占飞等^[20]通过研究陕北神木矿区土壤颗粒体积分形特征, 表明分形维数D值可以表征土壤养分变化程度, 这与本研究结果较一致。同时, 本研究发现在苜蓿恢复过程中, 土壤分形维数与土壤养分整体呈先增加后下降的规律, 在M4阶段时, 土壤分形维数最大, 养分状况最佳；而黄晓娜等^[31]研究发现煤矿塌陷区随着复垦年限的增加, 土壤理化性质变好, 分形维数也随之增大。这与本研究结果存在一定的差异, 主要在于苜蓿恢复模式属于人工恢复方式, 群落物种单一, 加之本研究区植物恢复种为苜蓿, 其优势性导致其它植物种入侵、定居的难度, 而且随着其对土壤水分与养分消耗过度, 使得土壤在恢复一定年限后发生退化。

因此, 半干旱矿区排土场苜蓿恢复过程中, 土壤分形特征与土壤特性在一定恢复年限内, 随着恢复年限的增加逐渐变好, 在M4阶段时达到最佳状态。故在类似生态系统采用苜蓿恢复模式时, 可考虑与其它植物种进行混播配置或补播改造, 增加群落的物种多样性, 防治其退化；亦可在其土壤改良最佳阶段, 结合土壤与水分管理进行复垦利用等。

4 结论

武家塔露天矿排土场土壤各粒径含量大小整体表现为粘粒 < 粉粒 < 砂粒。较新排土与自然撂荒而言, 随着苜蓿恢复过程, 粘粒与粉粒含量整体表现为先增加后下降的趋势, 且在M4阶段达到最佳, 砂粒反之。不同恢复阶段, 分形维数整体上先增大到2.46后减小到2.31, 在M4阶段达到最大, 在垂直剖面上的变化规律表现各异。土壤分形维数与土壤颗粒组成、土壤pH、电导率、速效钾含量、碱解氮含量密切相关, 且整体在M4阶段达到最佳, 土壤分形维数可以用来表征其土壤改良效果。因此, 在半干旱矿区排土场进行苜蓿恢复时应注意恢复年限的调控, 适时进行适宜的利用与改造, 确保矿区生态恢复的可持续性。