风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征.pdf

第4 3卷第4期2 0 2 3年8月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 5 修回日期:2 0 2 2-1 2-0 6 资助项目:辽宁省自然资源科技创新项目“辽西矿区土壤基质改良与生物修复技术及应用研究”;辽宁工程技术大学学科创新团队项目(L N TU 2 0 T D-0 1,L N TU 2 0 T D-2 5)第一作者:王东丽(1 9 8 6),女(汉族),山西省怀仁市人,博士,副教授,主要从事植被恢复与生态修复研究。E m a i l:s t a r h o m e 0 5 2 21 6 3.c o m。通讯作者:赵晓亮(1 9 8 1),男(汉族),安徽省淮北市人,博士,副教授,主要从事矿区环境治理与修复研究。E m a i l:z h a o x i a o l i a n g 2 0 0 8 1 2 6.c o m。风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征王东丽1,刘 艺1,张子倩1,赵晓亮1,王 东2,杨 光3(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0;2.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0;3.辽宁省阜新市产业技术创新推广中心,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0)摘 要:目的研究不同侵蚀微生境下基质的理化性质与水分特征,为揭示其植被定居与恢复的驱动与限制机制提供理论基础,为北方早期矿区废弃地植被重建的实践提供科学参考。方法以裸坡、细沟、浅沟与堆积体为研究对象,研究其基质的机械组成、容重、毛管孔隙度、p H值、电导率与水分特征及其相互关系。结果各粒径基质在不同侵蚀微生境间变化各异,而且不同土层间存在差异。不同侵蚀微生境基质容重大小表现为:浅沟细沟裸坡堆积体,而毛管孔隙度大小表现为:堆积体裸坡浅沟细沟。不同侵蚀微生境基质的p H值无显著性差异,但其在不同土层变化有所差异;电导率均表现为:堆积体裸坡浅沟细沟,且在1 02 0c m土层高于01 0c m土层。不同侵蚀微生境的基质含水率与毛管持水量均表现为:堆积体裸坡浅沟细沟,裸坡与浅沟的基质含水率与毛管持水量均在上坡位最低,而细沟的在中坡位最低。结论风化矸石山基质水分特征主要受容重和毛管孔隙度影响显著,裸坡和堆积体砂粒和中粗粒相对较多,水分较好,可为植被定居与恢复提供安全生境。关键词:风化矸石山;侵蚀微生境;机械组成;理化性质;水分特性文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 2 4-0 7 中图分类号:S 1 5 2.3文献参数:王东丽,刘艺,张子倩,等.风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(4):2 4-3 0,5 2.D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3.0 4.0 0 4;W a n gD o n g l i,L i uY i,Z h a n gZ i q i a n,e t a l.P h y s i c a l-c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o i s t u r e c h a r a c t e r i s t i c so f s u b s t r a t e s i nd i f f e r e n t e r o d e dm i c r o h a b i t a t so fw e a t h e r e dg a n g u ed u m p sJ.B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(4):2 4-3 0,5 2.P h y s i c a l-c h e m i c a lC h a r a c t e r i s t i c sa n dM o i s t u r eC h a r a c t e r i s t i c so fS u b s t r a t e s i nD i f f e r e n tE r o d e dM i c r o h a b i t a t so fW e a t h e r e dG a n g u eD u m p sW a n gD o n g l i1,L i uY i1,Z h a n gZ i q i a n1,Z h a oX i a o l i a n g1,W a n gD o n g2,Y a n gG u a n g3(1.C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y,F u x i n,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0,C h i n a;2.C o l l e g eo fM i n e s,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y,F u x i n,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0,C h i n a;3.I n d u s t r i a lT e c h n o l o g yI n n o v a t i o na n dP r o m o t i o nC e n t e ro fF u x i nC i t yi nL i a o n i n gP r o v i n c e,F u x i n,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dw a t e rc h a r a c t e r i s t i c so fs u b s t r a t e su n d e rd i f f e r e n t e r o d e dm i c r o h a b i t a t sw e r es t u d i e dt op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o ru n d e r s t a n d i n gt h ed r i v i n ga n dl i m i t i n gm e c h a n i s m so fv e g e t a t i o ns e t t l e m e n ta n dr e s t o r a t i o n,a n dt op r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rt h ep r a c t i c eo fv e g e t a t i o nr e c o n s t r u c t i o ni ne a r l ya b a n d o n e dm i n i n ga r e a si nt h eN o r t hC h i n a.M e t h o d sT h em e c h a n i c a l c o m p o s i t i o n,b u l kd e n s i t y,c a p i l l a r yp o r o s i t y,p H v a l u e,e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y,a n d m o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fb a r es l o p e s,r i l l s,s h a l l o wg u l l i e s,a n dd e p o s i tb o d i e sw e r es t u d i e d,a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e m w e r ea n a l y z e d.R e s u l t sP a r t i c l es i z em a t r i c e sv a r i e da m o n gd i f f e r e n te r o d e dm i c r o h a b i t a t s,a n dt h e r ew e r ed i f f e r e n c e sa m o n gd i f f e r e n t s o i l l a y e r s.T h eb u l kd e n s i t yo f t h es u b s t r a t e s i nd i f f e r e n t e r o d e dm i c r o h a b i t a t s f o l l o w e dt h eo r d e ro f s h a l l o wg u l l yr i l l b a r es l o p e d e p o s i tb o d y,w h i l ec a p i l l a r yp o r es i z ef o l l o w e dt h eo r d e ro fd e p o s i tb o d y b a r es l o p e s h a l l o wg u l l y r i l l.T h e r ew e r en os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s i nt h ep Hv a l u eo fd i f f e r e n te r o d e dm i c r o h a b i t a t s,b u tt h e r ew e r ed i f f e r e n c e si nt h ec h a n g e si nd i f f e r e n ts o i ll a y e r s.E l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yf o l l o w e dt h eo r d e ro fd e p o s i tb o d yb a r es l o p e s h a l l o wg u l l yr i l l,a n dw a sh i g h e r i nt h e1 02 0c ms o i l l a y e r t h a n i nt h e01 0c ms o i l l a y e r.T h em a t r i xm o i s t u r e c o n t e n t a n dc a p i l l a r yw a t e rc a p a c i t yo fd i f f e r e n te r o d e dm i c r o h a b i t a t sf o l l o w e dt h eo r d e ro fd e p o s i tb o d yb a r es l o p es h a l l o wg u l l y r i l l.T h em a t r i xm o i s t u r ec o n t e n t a n dc a p i l l a r yw a t e rc a p a c i t yo f t h eb a r es l o p ea n dt h es h a l l o wg u l l yw e r e t h e l o w e s t o n t h eu p p e r s l o p e,w h i l et h e yw e r e l o w e s t f o r t h er i l lo nt h em i d d l es l o p e.C o n c l u s i o nT h es u b s t r a t em o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fw e a t h e r e dg a n g u ed u m p sw e r e s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yb u l kd e n s i t ya n dc a p i l l a r yp o r o s i t y.T h e r ew e r er e l a t i v e l y m o r es a n da n d m e d i u m-c o a r s eg r a i np a r t i c l e si nb a r es l o p e sa n dd e p o s i tb o d i e so fw e a t h e r e dg a n g u ed u m p s,a n dt h em o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c sw e r es u p e r i o r.B a r es l o p e sa n dd e p o s i tb o d i e sc a np r o v i d eas a f eh a b i t a t f o rv e g e t a t i o ns e t t l e m e n t a n dr e s t o r a t i o n.K e y w o r d s:w e a t h e r e dg a n g u ed u m p s;e r o d e dm i c r o h a b i t a t s;m e c h a n i c a l c o m p o s i t i o n;p h y s i c a l-c h e m i c a lp r o p e r t i e s;m o i s t u r e c h a r a c t e r i s t i c s 生境作为生物生活的空间和全部生态因子的总和,其类型直接影响植物群落结构、物种组成和多样性1。微生境是指空间尺度一般在01m范围内的生境2。由于小尺度的环境异质性,一些微生境非常有利于种子萌发与幼苗存活,这些适宜的微生境最早被称为安全生境(s a f es i t e s)3,指的是可以满足种子萌发与幼苗建植的基本要求的生境,在立地条件恶劣的生态系统或裸地原生演替过程中对植物的定居具有重要意义4-5。煤矸石山是煤炭开采过程中大量固体废弃物排放堆积形成的,不仅占用大量的土地资源,污染地下水、空气和土壤,水土流失和地质灾害频繁,严重危害矿区的生态环境6,生态恢复是解决其环境保护和综合治理的有效途径。中国矿区生态恢复3 0a来,已开展了一系列矿区土地复垦与生态修复理论和技术方面的研究与实践,涉及不同区域矸石山的整地方式7-8、基质改良9-1 0、植被恢复动态、效益、机制、模式与技术1 1-1 2等方面。辽西大部分矿区早期由于缺乏科学的复垦规划,后期资金难以保障,多数矸石山只能依靠自然恢复。它们经过长期风化作用形成粒径不一的基质。土壤侵蚀作为坡面上的一种自然过程,通常伴随着土壤养分的流失、土壤持水力的降低及冲淤微地形的形成等,影响着植物的生长、发展以及繁殖、更新1 3-1 5。由于矸石山坡度普遍较陡,风化物较松散,在水力作用下,坡面形成大量的侵蚀微地貌。辽西地处水土资源匮乏的生态脆弱区,矿区废弃地坡面植被定居困难,恢复缓慢,水力侵蚀形成的微生境能否为其自然植被定居提供有利的安全生境及其影响机制有待明确。本研究以辽西风化矸石山坡面不同侵蚀微生境为研究对象,通过野外调查与室内测定,研究不同侵蚀微生境下基质的理化性质与水分特征及其相互关系,旨在掌握其变化规律与作用关系,进而为揭示其植被定居与恢复的驱动与限制机制提供理论基础,为北方矿区废弃地植被重建的实践提供参考依据。1 研究区概况本研究区位于辽宁省阜新市,地处辽宁省西北部。该区北临科尔沁沙地,东接辽河平原,西靠热河山地,为辽河与大凌河流域上中游浅山丘陵区。全区呈现长矩形,总面积约为1.0 51 04k m2。地势西北高,东南低;西南高,东北低。该区属北温带半干旱半湿润大陆性季风气候区,四季分明。日照丰富,干燥多风。降水时空分布不均,冬季严寒少雪,夏季炎热多雨。经常有干旱、冰雹、大风、暴雨、霜冻等不利天气,自 然 灾 害 频 繁。该 地 的 代 表 性 植 物 有:油 松(P i n u st a b u l a e f o r m i s)、蒙古栎(Q u e r c u sm o n g o l i c a)、家榆(U l m u sp u m i l a)、胡枝子(L e s p e d e z ab i c o l o r)、百里香(T h y m u sm o n g o l i c u s)、荆条(V i t e xn e g u n d o)等1 6。地带性土壤是在各种岩石风化物残积母质上以黄土、红土母质发育的淋溶褐土、褐土性土,大多分布于丘陵和低山丘陵区,土层较薄。阜新市拥有百余年的煤炭开采历史,境内广泛分布大量早期开采遗留的矿山废弃地,主要有海州露天排土场、新邱排土场、高德矸石山和孙家湾矸石山等。2 研究方法2.1 样地选择通过对 阜 新 市 周 边 煤 矸 山 进 行 充 分 探 查,于2 0 1 9年7月 选 取 位 于 城 区 南 部(4 2 0 1 5.4 1 4 2 0 1 1.1 1 N,1 2 1 4 3 5.2 9 1 2 1 4 3 1 0.8 6 E)的某风化矸石山作为研究区。该地区海拔约1 8 0m,平台面积为1.2 5k m2,坡长变化在1 51 7m,坡度为3 8.5 3 9.1。调查矿区排矸年限约为81 0a,经过多年的风化作用,该矸石山表面已遭受不同程度的侵蚀,形成不同类型的侵蚀微地貌。研究区的侵蚀微生境主要类型为细沟、浅沟和堆积体。选取以广泛分布细52第4期 王东丽等:风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征沟和浅沟为主的典型阳坡作为样地,不同侵蚀微生境的具体形态详见文献1 7。2.2 侵蚀微生境的选取在所选样地,按上、中、下坡位分别选取代表性裸坡、细沟和浅沟及坡下堆积体作为研究对象。样方大小分别为:裸坡0.5m0.5m,细沟1m0.2 5m,浅沟1m0.5m,堆积体1m1m。各选取三组重复,其具体特征详见表1。2.3 样品的采集与测定2.3.1 样品采集 在上述所选微生境,随机选取6个样点,采 用 土 钻 在02 0c m的 基 质 剖 面 内 每 隔1 0c m取样,用于基质机械组成与化学性质的测定。同时,再随机选取3个样点,采用容积为2 0 0c m3的大环刀于02 0c m的基质剖面内进行样品采集,用于测定基质容重、毛管孔隙度、基质含水率及毛管持水量等指标。2.3.2 基质理化特征的测定 由于基质组成的特殊性,本研究采用的粒级划分标准与以往土壤颗粒组成划分标准不同。主要根据吕刚等1 8研究,结合风化矸石 山 的 实 际 情 况,将 基 质 的 机 械 组 成 按 粒 径2 0mm划分为砂粒、中粗粒、粗粒和巨粒4个组分。将采集的样品充分晾干后,通过四分法将样品分为4等份,通过对分法取处于对角线位置的两份,根据阿基米德原理采用排水法测量样品中各粒组的含量。含水率采用烘干法测定,基质的酸碱度和电导率分别采用P H S-3 C酸度计和D D S J-3 1 8电导率仪测定。基质的容重和毛管持水量采用室内环刀原状土吸水法测定1 9-2 0,毛管孔隙度基于容重和毛管持水量换算而得,具体计算公式为:毛管持水量=环刀内水分重量/环刀内干土质量1 0 0%(1)毛管孔隙度=毛管持水量容重1 0 0%(2)2.4 数据处理与统计分析研究中所涉及的数据采用E x c e l软件进行整理,利用S P S S2 5.0对不同基质的理化性质及水分特征进行单因素方差分析(ANOVA)与多重比较(L S D)。采用P e a r s o n相关性分析法对水分特征与理化性质进行相关性分析,其结果图的绘制使用O r i g i n2 0 1 8软件进行。表1 不同侵蚀微生境的基本信息T a b l e1 B a s i c i n f o r m a t i o no fd i f f e r e n t e r o s i o nm i c r o h a b i t a t s侵蚀微生境形态参数单沟平均侵蚀量植物群落特征 裸 坡植物易于集中生长在坡面偶有的片状小坑,密度为02 0.0株/m2细 沟宽1 9.5 91.0 5c m深1 0.4 80.7 1c m0.2 70.0 1m3植物多生长沟与坡面交界处,种类较少,密度为1 3.34 5.3株/m2浅 沟宽3 9.6 31.0 8c m深2 1.1 91.3 5c m0.4 20.0 6m3植物罕见生长,密度为1.34.0株/m2堆积体植物生长较好,种类较丰富,密度为5.05 2.0株/m2 注:数据为平均值标准误。3 结果与分析3.1 不同侵蚀微生境基质的物理特征3.1.1 基质的机械组成特征 由图1可以看出,不同垂直剖面土层各侵蚀微生境的基质机械组成均以2 0mm的巨粒含量较低,平均值分别为1 3.2%和1 1.9 3%。然 而,各 粒 径 基 质 在 不 同 侵 蚀微生境间变化各异,而且不同土层间存在差异。在01 0c m土层中,砂粒和中粗粒含量均表现为:堆积体裸坡细沟浅沟,而巨粒和粗粒则表现为相反的规律;且浅沟中的砂粒含量显著低于其他侵蚀微生境,巨 粒 含 量 明 显 高 于 其 他 侵 蚀 微 生 境。而 在1 02 0c m土层中,除浅沟的中粗粒含量显著低于细沟,具有差异性(p0.0 5)外,其他粒径含量在不同侵蚀微生境间均无显著差异。3.1.2 容重与孔隙度 不同侵蚀微生境基质容重与孔隙度的规律各异(图2)。不同侵蚀微生境基质容重的平均值由大到小依次为:浅沟细沟裸坡堆积体,但不同侵蚀微生境间无显著性差异(p0.0 5),而毛管孔隙度的平均值由大到小依次表现为堆积体裸坡浅沟细沟,其中堆积体显著高于细沟和浅沟(p0.0 5)。3.2 不同侵蚀微生境基质的化学特征3.2.1 基质的酸碱度特征 不同侵蚀微生境下基质酸碱度与电导率及在垂直剖面的分布各异(图3)。不同侵蚀微生境基质的酸碱度均分布在6.57.0之间,62 水土保持通报 第4 3卷呈弱酸性。在不同土层均表现为:裸坡堆积体浅沟,且在01 0c m均稍低于在1 02 0c m,但均不存在显著差异(p0.0 5);而细沟在不同土层表现迥异,在01 0c m高于其他微生境,在1 02 0c m则反之。注:不同字母表示同一粒径不同侵蚀微生境间差异显著(p0.0 5)。下同。图1 不同侵蚀微生境基质的机械组成特征F i g.1 M e c h a n i c a l c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s u b s t r a t e s i nd i f f e r e n t e r o d e dm i c r o h a b i t a t s图2 不同侵蚀微生境基质容重及毛管孔隙度F i g.2 B u l kd e n s i t ya n dc a p i l l a r yp o r o s i t yo f s u b s t r a t e s i nd i f f e r e n t e r o d e dm i c r o h a b i t a t s图3 不同垂直剖面深度下不同侵蚀微生境基质化学特征F i g.3 C h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fm a t r i x i nd i f f e r e n t e r o s i o nm i c r o h a b i t a t sa td i f f e r e n t v e r t i c a lp r o f i l ed e p t h s3.2.2 基质的电导率特征 不同侵蚀微生境间的基质电导率变化在4 6 1.7 57 1 2.3 3S/c m,无论在任何土层均表现为:堆积体浅沟裸坡细沟,而且电导率均表现为1 02 0c m土层高于01 0c m土层。这可能是表层基质中盐离子被水流冲刷带走或淋溶至下层所导致的(图3)。3.3 侵蚀微生境基质的水分特征不同侵蚀微生境下基质的含水率与毛管持水量的变化规律具有一致性(图4),其大小均表现为:堆积体裸坡浅沟细沟,其中不同侵蚀微生境间的72第4期 王东丽等:风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征含水率不存在显著差异(p0.0 5),而堆积体的毛管持水量显著高于细沟与浅沟(p0.0 5)。不同侵蚀微生境水分特征的基本情况。由表2可以看出,不同侵蚀微生境下基质含水率与毛管持水量随坡位变化表现各异。对于裸坡,其含水率在坡面由上至下呈先升高后降低的趋势,且在不同坡位间存在显著差异(p0.0 5),而细沟的含水率相反,浅沟则表现为在坡面由上至下呈逐渐升高的趋势,但均不存在显著性差异(p0.0 5);不同侵蚀微生境下基质毛管持水量在坡面上的变化规律与含水率具有一致性,但均无显著性差异(p0.0 5)。图4 不同侵蚀微生境基质的水分特征F i g.4 W a t e rc h a r a c t e r i s t i c so f s u b s t r a t e s i nd i f f e r e n t e r o d e dm i c r o h a b i t a t s表2 不同侵蚀微生境水分特征的基本情况T a b l e2 B a s i c i n f o r m a t i o no nw a t e rc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t e r o s i o nm i c r o h a b i t a t s侵蚀生境类型含水率/%坡上坡中坡下毛管持水量/%坡上坡中坡下裸坡5.3 90.1 8c9.7 90.8 2a7.2 90.4 0b3 0.5 41.3 0a3 1.6 60.7 7a3 0.6 20.7 1a细沟7.2 81.0 8a5.1 50.6 0a7.8 00.6 8a3 0.9 11.0 4a2 6.9 11.1 0a3 1.9 22.3 5a浅沟5.4 20.1 8a7.0 21.1 4a8.2 41.0 4a2 7.7 90.3 6a3 0.9 41.3 4a3 1.4 42.0 1a 注:括号中数据为平均值标准误,同行不同字母表示差异显著(p0.0 5)。3.4 土壤基质水分与理化性质的关系不同侵蚀微生境基质的水分特征与理化性质的相关性分析如表3所示,其含水率与机械组成均无显著的相关性。裸坡的基质含水率与其毛管孔隙度呈显著正相关关系(p0.0 5);细沟的基质毛管持水量与其毛管孔隙度呈极显著正相关关系(p0.0 1);浅沟的基质含水率和毛管持水量均与其容重显著负相关(p0.0 5),而与其毛管孔隙度呈极显著正相关关系(p0.0 1);堆积体的毛管持水量与其电导率显著负相关(p0.0 5)。可见,基质的水分特征与大部分侵蚀微生境的容重及毛管孔隙度密切相关。表3 基质水分与基质理化性质的相关性T a b l e3 C o r r e l a t i o nb e t w e e nm a t r i xm o i s t u r ea n dm a t r i xp h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e s基质水分特征侵蚀微生境物理性质砂粒中粗粒粗粒巨粒容重毛管孔隙度化学性质p H值电导率裸 坡-0.3 6 3-0.0 6 00.0 6 50.3 1 90.0 5 30.7 5 30.0 4 9-0.4 4 4 含水率细 沟0.1 7 30.2 7 00.1 4 6-0.5 6 0-0.5 8 8 0.6 2 10.1 8 80.5 7 9浅 沟-0.2 0 8-0.1 0 3-0.3 2 90.4 7 6-0.7 5 0*0.9 1 5*0.0 5 9-0.3 2 3 堆积体0.5 3 4-0.9 1 7-0.9 2 70.5 9 9-0.7 0 2 0.5 1 2-0.3 3 4-0.9 5 3*裸 坡0.1 2 50.1 5 3-0.1 6 7-0.1 7 5-0.5 3 2 0.4 6 2-0.0 5 10.1 9 8毛管持水量细 沟0.3 6 80.5 0 0-0.1 2 1-0.6 6 6-0.4 8 1 0.8 3 8*0.0 1 80.6 0 2浅 沟-0.2 5 3-0.2 1 9-0.2 7 20.5 5 3-0.8 9 0*0.9 7 1*-0.1 8 6-0.0 7 4 堆积体0.7 3 0-0.4 9 9-0.7 2 5-0.0 1 1-0.9 3 0 0.6 7 5-0.0 7 9-0.7 5 7 注:*,*分别表示在p=0.0 5和p=0.0 1水平上的显著性。4 讨论与结论4.1 讨 论4.1.1 不同侵蚀微生境下基质理化性质的差异 微地形改变对土壤属性和微生境、降雨入渗及水蚀过程等方面会产生重要的影响1。土壤机械组成是土壤结构的基础2 1,对土壤的肥力、水分、热量及土壤结构等都有一定的影响2 2,是土壤重要的物理性质。本研究发现,风化1 0a左右的矸石山主要以砂粒为主,在不同侵蚀微生境下变化为3 2.8 6%6 5.2 2%,而L i等2 3对山西阳泉煤矸石废弃地3种植被类型下矸石风化物的研究表明,煤矸石风化物粒径小于3mm所占比重变化在4 0.8%6 6.7%,而且王丽艳等2 4研究表明植被的恢复可增加小粒径的比重,可见研究区基82 水土保持通报 第4 3卷质在无植被恢复的情况下已可风化趋于细粒化,但不同侵蚀微生境间变异性相对较大,存在一定的差异。由于研究区风化矸石山基质粒径大小不一,分布不均,在水力冲刷作用下,不同粒径的基质发生重新分布。本研究区中,01 0c m深度受水力冲刷作用强烈,侵蚀沟中的砂粒基质受到水力作用由上冲刷下来,在堆积体表层积聚,特别是浅沟基质中的砂粒含量显著低于堆积体和裸坡;相反,巨粒由于重量大可抵抗强烈的水流冲刷作用,可在水力作用强烈的浅沟中保留,故其含量显著高于堆积体和裸坡。而不同侵蚀微生境在水流冲刷作用难以触及的1 02 0c m土层中,其砂粒、粗粒和巨粒均没有显著差异性,可见不同侵蚀微地形通过改变水蚀过程进一步对其基质的机械组成进行再重塑。土壤容重与土壤孔隙度直接对土壤水源涵养功能起重要作用,影响其持水性和透水性,是土壤中基础物理性质的指标2 5。在本研究中,不同侵蚀微生境基质容重无显著性差异,整体分布区间为1.21.4g/c m3,姚贤良2 6研究认为一般植物适应于生长在容重小于1.3g/c m3的土壤中,而容重达到1.4g/c m3时,容重成为制约植物根系生长的限制性因素。可见本研究区风化矸石山容重整体满足植物根系生长的要求,其中浅沟容重的平均值最大,且变异性较小,可能与其基质以大粒径为主有关;而堆积体反之。不同侵蚀微生境的毛管孔隙度则表现为堆积体显著大于细沟和浅沟,由于毛管孔隙具有毛细管作用,水分可借毛管弯月面力储存其内,并依靠毛管引力运移,是对植物最有利的水分状态,应该是导致堆积体植物生长最佳的原因之一。土壤酸碱度和电导率是基质的基本化学性质之一,能够影响矿物的形成与分解释放和富集等各种物理化学反应2 7,是描述土壤盐分状况,影响土壤肥力,植物生长和微生物活动的重要因素之一2 8。本研究表明,电导率均表现为堆积体最大,细沟最小,可见对于植物生长而言,细沟对植物生长的化学限制较小;且不同侵蚀微生境的电导率在1 02 0c m土层均高于01 0c m土层,表明本研究区01 0c m土层的基质盐分状况较好。因为电导率表征的是基质中水溶性盐的状况,由于风化矸石山具有丰富的孔隙,淋溶作用强烈,使得表层的水溶性盐离子淋溶至下层,导致表层的电导率较低;同理,基质孔隙度也表现为堆积体最大,细沟最小,再次验证风化矸石山基质孔隙对其电导率的影响较大。研究区不同侵蚀微生境基质的酸碱度整体呈中性,且无显著差异性,不是该区不同侵蚀微生境植被定居与恢复的限制因素;不同侵蚀微生境的酸碱度在垂直剖面具有差异性,细沟的p H值在不同土层变化较大,表层最大,下层最小,可能与其独特的微地貌有关,可以汇集一定的径流。由于具有中等的孔隙度,基质中盐基离子易淋溶至下层。相对来说浅沟由于水力冲刷作用强,径流来不及停滞与入渗,故没有明显的垂直剖面差异。此外,史沛丽2 9对西部风沙区采煤塌陷土研究发现其电导率和酸碱度具有相似的变化趋势,本研究结果整体也表现出一致规律,除表层的细沟与裸坡和下层外。4.1.2 不同侵蚀微生境下基质水分特征的差异及影响机制 水分是植物生长与发展最敏感的限制因子,特别是在脆弱生态区植被恢复与生态重建过程中起决定性作用3 0-3 1。本研究发现,同一侵蚀微生境基质的含水率与毛管持水量具有一致的变化趋势,这与郑彬3 2对阜新矿区煤矸石风化进程中风化物理化学性质的变化研究的结果相同。但不同侵蚀微生境基质水分特征的变化趋势不尽相同。含水率与毛管持水量在不同侵蚀微生境中均表现为裸坡和堆积体高于细沟和浅沟。其中堆积体的含水率与毛管持水量最大,与胡振琪等3 3对风化矸石山土壤水文效应的研究结果一致。与其他侵蚀微生境相比,浅沟含水率最低,与张宏芝等3 4对陕北微地形土壤的研究所得到的结论有所不同,陕北黄土坡面的土壤含水率与毛管持水量表现为浅沟高于原状坡,这是两个区域浅沟的机械组成差异大所致,体现了矸石山不同侵蚀微生境的独特性。水分对山地坡面植被格局影响的重要性,一直备受关注。本研究表明,在坡中基质含水率与毛管持水量在不同侵蚀微生境下变化一致,且裸坡最佳,细沟最差,而在坡上与坡下则各异,大部分情况下表现为细沟水分状况优于其他微生境,可能与坡中为凸型坡有关,所以坡型对于微生境水分特征的影响有待明确。在垂直剖面变化各异,浅沟1 02 0c m没有暴露在地表,无法分化成细小颗粒,受水力冲刷作用不明显,无明显规律。水热条件的差异是造成微地形上景观差异的主要原因,可能影响其植被的定居与发展及格局,有待更深入的研究。水分特征通常与其物理结构特征密切相关。G a oX i a o d o n g等3 5研究发现在坡面沟道内土壤质地对土壤水分的影响要大于地形因素。本研究发现,阜新风化矸石山不同侵蚀微生境下基质的水分特征与其机械组成没有显著关系,但大部分侵蚀沟微生境基质的水分特征与其容重及毛管孔隙度的含量显著相关,其中细沟的基质毛管持水量与其毛管孔隙度呈现极显著正相关,浅沟的基质含水率和毛管持水量与其毛管92第4期 王东丽等:风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征孔隙度 极 呈 显 著 正 相 关,而Z h u Y u a n j u n和S h a oM i n g a n3 6认为坡面表层1 5c m土壤含水率受坡度、容重和砾石覆盖度影响较小,这可能与其研究对象各异有关,再次体现风化矸石山的特殊性。基质这些独特的物理特性与水分特性及关系,直接或间接地影响着研究区植被定居与分布格局,有待深入研究。4.2 结 论辽西风化矸石山不同侵蚀微生境基质以砂粒为主,在01 0c m中,堆积体砂粒和中粗粒含量最大,裸坡次之,