矿山开采造成的土地破坏在全球范围内一直受到高度重视^[1]，露天矿排土场是导致矿区及周边地区大气、水体污染及水土流失等生态问题的重点区域之一^[2]；因此，排土场是矿区复垦建设的重点对象，这类区域土壤结构差、肥力贫瘠、水土流失严重，而且土壤种子库遭受破坏，天然植被恢复极其缓慢^[3-4]。海州露天矿是我国较早的大型露天煤矿，矿区在采煤的同时，排出了大量废弃岩土，形成了1万3 000 hm²的排土场^[5]。该矿区排土场具有年降雨量不足和土壤结构不良的特点，由于土壤水分和肥力等是影响植物生长的重要因子，所以在该矿区排土场开展植被重建和恢复也极为困难；因此该矿区排土场的植被恢复情况也具有极为典型的特征与比较高的研究价值。

目前，在我国针对矿区排土场的生态修复模式研究较多^[6-7]，而对于不同具体植被种类对矿区排土场的生态恢复效果评价研究较少。另外，关于植物对土壤持水能力、结构变化等土壤特性影响的研究多集中在沙地、草原等自然形成的脆弱生态系统^[8-10]，而针对于矿区排土场这类特殊的人为影响条件下的不同植物根区土壤物理性质研究较少，尤其是不同植物对根区土壤结构和质地产生的影响及其具体作用需要做进一步研究。在矿区排土场实施生态治理中，选择出适宜干旱瘠薄土壤、生长良好、改良功能较强的树种，既有利于提高森林健康水平，又有利于增加土壤生产潜力；因此，笔者针对海州露天矿排土场现有的不同植物种类，选取典型的3种乔木榆树(Ulmus pumila)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、火炬树(Rhus typhina)林地、3种灌木紫穗槐(Amorpha fruticosa)、荆条(Vitex negundo)、杠柳(Periploca sepium)林地和荒草地为研究对象，研究不同植物对于0~50 cm根区土壤物理性质的改良效果，并采用主成分分析法评价不同植物对根区土壤物理性质的改良效果，进而为矿区排土场的植被恢复与重建提供参考。

海州露天排土场是阜新境内煤矸石地最大且最典型的代表地块，面积约为13 km²，地处E 121°40′12″，N 41°57′36″，海拔为165~200 m，地势为东南高，西北低，属于半干旱大陆性季风气候，多风沙。年均降雨量485.2 mm，集中在7—9月。年均蒸发量1 800 mm，是降水量的3.7倍，年均气温7.3 ℃。排土场于2004年由国土资源部投资对其进行了土地复垦工作，首先进行了土地平整工作，使用大型工程设备对地表进行了平整、压实，然后进行客土回填工程，覆土厚度达到30 cm，客土来源于附近荒草地，土壤为褐色土，土壤理化性质基本一致。次年，矿务局与辽宁工程技术大学合作开展植被恢复工作，种植刺槐、榆树、紫穗槐、荆条等植被。目前，该排土场成林植被主要有刺槐、榆树、火炬树、荆条、紫穗槐、杠柳等。

实验于2015年5月在阜新市海州露天矿排土场复垦区进行实地取样，在复垦年限为13年、植物种植为12年的排土场同一平台内，选取榆树、刺槐、火炬树、杠柳、紫穗槐、荆条林地各3块标准样地，在每个标准样地内选择2株标准木，每种植物共计选取6株标准木(表 1)。另设1块无林种的荒草地为对照。

表 1(Table 1)

表 1 研究样地基本情况 Table 1 Basic situation of the studied sites 植物类型 Plant type 样地尺寸 Site size/(m×m) 平均树高 Mean height/m 密度 Density/(Plants·hm-2) 榆树 Ulmus pumila 40×40 8.48 181.25 刺槐 Robinia pseudoacacia 40×40 10.64 193.75 火炬树 Rhus typhina 40×40 4.59 750 紫穗槐 Amorpha fruticosa 10×10 2.12 1 200 荆条 Vitex negundo 10×10 1.56 5 500 杠柳 Periploca sepium 10×10 0.93 6 700

表 1 研究样地基本情况 Table 1 Basic situation of the studied sites

采样方法：以标准木为圆心，1 m长为半径画圆，分别在圆的4个方位上，用100 cm³体积的环刀取得原状土，按0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm 5个层次进行取样。

测定指标与方法：采用环刀法测定土壤密度及土壤水分物理性质(饱和持水量、毛管持水量、田间持水量)；使用AZS-100定位TDR土壤水分仪(产地中国)测定土壤各层含水率；土壤机械组成采用LA-300激光散射粒度分布分析仪(产地日本)测定，粒径大小按国际制划分，即粗砂(1~0.2 mm)、细砂(0.2~0.02 mm)、粉粒(0.02~0.002 mm)、黏粒(0~0.002 mm)。

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理及图表绘制，使用SPSS 23统计软件中One-Way ANOVA进行单因素方差分析。运用SPSS 23统计软件进行主成分分析并运算主成分得分以及综合得分，根据得分进行评价。

土壤物理性质主要包括土壤密度、土壤颗粒组成及导水、持水特征等密切相关的多项指标^[11]，在不同土层中的土壤物理性质决定土壤水、肥、气、热等肥力状况，因此被认为是反映土壤结构及评价土壤质量的重要指标^[12]。因此，本研究选取粗砂、细沙、粉粒、黏粒、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤密度、含水率9个指标作为评价指标^[13]。

采用主成分分析法建立土壤物理性质的综合得分评价体系。该方法利用SPSS 23统计软件计算所有指标的初始特征值和方差贡献率，根据该结果将多个评价指标分成若干个主成分，基于主成分载荷矩阵得出各成分特征向量建立主成分的得分表达式，再基于各主成分的方差贡献率建立的综合得分的表达式。当计算出主成分得分后，再通过综合得分表达式得出综合得分。将综合得分按照高低进行排序，通过综合排序结果及某个主成分得分衡量其土壤物理性质质量情况^[14]。

田间持水量是反映土壤水分状况的重要指标，与土壤保水、供水有密切的关系。如图 1所示，7种植物根系周围的土壤的田间持水量在0~50 cm土壤剖面上普遍存在先增加后减小的趋势，而且除火炬树外，其他植物在40~50 cm土层处田间持水量均低于15%，说明矿区复垦地土壤保水、供水能力改良效果在浅层优于深层。然而，田间持水量在土壤剖面的分布特征在不同植物间存在一定的差异，火炬树林地各层土壤的田间持水量显著(P＜0.05)大于其他植物土壤，说明火炬树林地土壤保水、持水能力最强，火炬树表现出良好的改善土壤水分条件的效果；其次为榆树林地土壤，紫穗槐、荆条灌木林地各层土壤田间持水量排在最后。总体来看，乔木林地的土壤田间持水量要优于灌木林地。

图 1(Figure 1)

不同小写字母表示不同植物田间持水量差异显著(P＜0.05)。 Different lowercase letters refer to significant at (P < 0.05) lever among field capacity characteristics of different plants. 图 1 不同植物根区土壤田间持水量特征 Figure 1 Field capacity characteristics around the root regions of different plants

土壤密度可以判断土壤的松紧程度，疏松、有团粒结构的土壤密度小，反之，紧实板结的密度大^[15]。如图 2所示，火炬树根区土壤密度在各层中值最小，说明火炬树根系周围土壤比其他植物根系周围土壤疏松且具有更多团粒结构；在0~10 cm、20~30 cm土壤中，紫穗槐土壤密度最大，说明紫穗槐表层土壤紧实板结，团粒较少，蓄水少，透水较慢；杠柳根系周围土壤密度在10~20 cm、30~40 cm、40~50 cm最大，这说明其土壤孔隙数量少，土壤的水分、空气、热量状况较差。

图 2(Figure 2)

图 2 不同植物根区土壤密度特征 Figure 2 Soil bulk density around the root regions of different plants

如图 3所示，7种植物根系周围土壤砂粒质量分数显著大于粉粒与黏粒质量分数，砂粒质量分数大，造成土壤吸水、保肥能力弱，养分易随径流流失。土壤颗粒机械组成主要受客土来源的影响，然而不同植物根系的物理作用也会使土壤质地和孔隙状况产生变化^[16]。在0~10 cm土层中，杠柳根系附近土壤粉粒与黏粒质量分数最多；10~20 cm土层中的乔木林地土壤的粉粒与黏粒质量分数大于灌木林地；在20~30 cm土层，榆树林地粉粒与黏粒质量分数达到最大值，这与田间持水量的最大值出现的土层是一致的；除火炬树外，其他几种植物土壤在30~50 cm土层随深度的增加，粉粒与黏粒质量分数在减少；火炬树林地土壤粉粒与黏粒的质量分数随着深度的增加而增加；荒草地根系周围土壤的粉粒与黏粒质量分数在30~50 cm土层质量分数很少。

图 3(Figure 3)

图 3 不同植物根区土壤机械组成特征 Figure 3 Mechanical characteristics of soil around the root regions of different plants

运用主成分分析法，对乔灌草7种植物的改良土壤物理性质效果进行综合分析^[17]，根据特征值和相应的方差贡献率，将9个指标分为3个主成分，其中第1主成分以饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、土壤密度为主的指标贡献较大，第2主成分中粗砂、细砂、粉粒和含水率的贡献较大。第3主成分以黏粒的贡献较大。最终确定主成分得分和综合得分表达式如下：

主成分1得分=-1.39X₁+1.26X₂+0.71X₃+0.96X₄+1.48X₅+1.52X₆+1.43X₇-1.58X₈-1.14X₉，

主成分2得分=0.81X₁-0.72X₂-0.85X₃-0.13X₄+0.51X₅+0.68X₆+0.74X₇-0.29X₈+0.49X₉，

主成分3得分=-0.1X₁-0.03X₂-0.32X₃+0.76X₄-0.05X₅-0.11X₆-0.1X₇+0.03X₈+0.15X₉，

综合得分=48.556×主成分1得分/100+23.663×主成分2得分/100+9.585×主成分3得分/100。

上式中X₁…X₉分别为粗沙、细沙、粉粒、黏粒、饱和持水量、毛管持水量，田间持水量、土壤密度、含水率9个指标。

如表 2，从综合得分来看，除紫穗槐外其它植物均表现在0~10 cm土层得分较高，说明多种植物均对表层土壤的改良效果较好。对各层土壤的综合得分进行求和后，其得分依次为火炬树>榆树>刺槐>杠柳>荒草地>荆条>紫穗槐，此结果可作为7种植物对根区土壤物理性质改良效果的参考。

表 2(Table 2)

表 2 主成分分析评价(得分/排名) Table 2 Principal component analysis evaluation (Score/Rank) 植物类型 Plant type 土层深度 Soil depth/cm 主成分1 Principal component 1 主成分2 Principal component 主成分3 Principal component 3 综合得分 Comprehensive score 排名 Ranking 总分/综合排名 Total score/Comprehensive ranking 榆树 Ulmus pumila 0~10 4.65 4.06 -0.64 3.16 6 4.65/2 10~20 2.77 2.27 0.51 1.93 9 20~30 2.29 -2.89 0.20 0.45 13 30~40 -2.12 1.37 -0.15 -0.72 17 40~50 -1.96 2.88 1.12 -0.16 16 刺槐 Robinia pseudoacacia 0~10 5.17 1.91 -0.38 2.93 7 -0.13/3 10~20 1.85 1.45 0.17 1.26 10 20~30 -2.55 1.98 0.52 -0.72 18 30~40 -4.46 0.26 0.47 -2.06 27 40~50 -3.34 -0.08 1.14 -1.53 22 火炬树 Rhus typhina 0~10 10.09 1.63 -1.12 5.18 1 22.06/1 10~20 10.49 -2.01 -0.40 4.58 2 20~30 8.90 0.47 -0.15 4.42 3 30~40 8.24 -0.60 0.34 3.89 5 40~50 8.64 -1.00 0.31 3.99 4 紫穗槐 Amorpha fruticosa 0~10 -3.04 -1.04 -0.55 -1.77 25 -8.14/6 10~20 1.64 -3.44 1.36 0.11 15 20~30 -6.35 -5.23 -0.60 -4.38 33 30~40 3.27 -4.60 -0.77 0.43 14 40~50 -2.72 -4.84 -0.62 -2.53 28 荆条 Vitex negundo 0~10 0.29 2.87 -0.51 0.77 12 -11.82/7 10~20 -9.41 0.30 0.38 -4.46 34 20~30 -10.03 1.20 -0.05 -4.59 35 30~40 -4.24 2.46 -0.71 -1.54 23 40~50 -4.41 0.70 -0.17 -1.99 26 杠柳 Periploca sepium 0~10 6.55 -2.28 0.07 2.65 8 -6.78/4 10~20 -6.48 0.27 -0.55 -3.14 30 20~30 -3.09 2.65 -0.96 -0.97 20 30~40 -3.95 0.82 0.53 -1.67 24 40~50 -5.75 -3.43 -0.48 -3.65 31 荒草地 Grassland 0~10 1.21 1.17 0.01 0.87 11 -7.81/5 10~20 -2.77 1.31 0.43 -0.99 21 20~30 -2.40 1.16 -0.77 -0.96 19 30~40 -5.54 -0.59 0.01 -2.83 29 40~50 -6.25 -3.56 -0.11 -3.89 32

表 2 主成分分析评价(得分/排名) Table 2 Principal component analysis evaluation (Score/Rank)

1) 土壤良好的物理性质是植物生长的先决条件，也是土壤涵养水源、减少水土流失的基础^[18]。土壤颗粒是土壤最基本的组成单元，土壤颗粒的粒径分布对土壤孔隙、土壤水分和土壤团聚体都有着巨大的影响^[19]。本研究结果表明：不同植物土壤田间持水量范围为12.88%~26.18%，多种植物在深层土壤中的田间持水量都低于15%。虽然海州露天矿排土场覆土类型为褐色土，但其深层土壤已经与该地原有的风沙土以及岩石风化物充分混合，其机械组成已经发生了变化，使其呈现出较低的田间持水量指标，接近于辽西地区常见的风沙土，其田间持水量在4.5%~11.7%^[20]。另外，由于植物生长，其枯枝落叶对表层土壤的改良效果也优于深层，所以呈现出上层土壤的理化性质较好的趋势。孙刘义^[21]对于土壤密度研究发现，在1.14~1.26 g/cm³之间比较有利于幼苗的出土和根系的正常生长，当土壤密度达1.5 g/cm³时，植物根系已难伸入，而达到1.6~1.7 g/cm³，已是根系穿插的临界点，本研究得出，在0~10 cm土层，紫穗槐根区土壤密度达到1.5 g/cm³，其他植物的土壤密度均在1.14 g/cm³左右，而较深层土壤密度较大。相比之下乔木林土壤比灌木林土壤密度小。土壤的机械组成对土壤的结构有很大的影响，且砂粒含量直接影响土壤渗透及孔隙等性能，从而影响土壤的抗蚀性能^[22]，而土壤中的黏的颗粒细小、表面积较大，且附着较多的矿物决定了它在土壤结构中的重要作用^[23]。本研究发现，在10~20 cm，乔木林土壤粉粒与黏粒量大于灌木林，这与田间持水量的规律一致。根据以上结果可以推测乔木林的土壤改良效果优于灌木林。

2) 对乔灌草7种植物进行全面综合评价得出根区土壤物理性质综合排序依次为火炬树>榆树>刺槐>杠柳>荒草地>荆条>紫穗槐。乔木林对土壤结构的改良作用、持水能力要强于灌木林，与讨论1)得出的结果一致，也与孟晨等^[24]在华北土石山区典型区域研究结论一致。火炬树综合排名第一，这与其容重、田间持水量和粘粒指标的研究结果一致，并与寻明华等^[25]研究海州南缘矸石山火炬树林分试验结果相近。

根据7种植物根区土壤的田间持水率、土壤密度、机械组成等指标得出乔木优于灌木的土壤改良效果，运用主成分分析法得出根区土壤物理性质质量排序为火炬树>榆树>刺槐>杠柳>荒草地>荆条>紫穗槐。对于矿区排土场来说，土壤结构差、土质贫瘠，而火炬树根系发达，萌蘖性强，故对根区土壤结构改良作用较大；因此，此类矿区排土场复垦时使用火炬树可以获得相对较好的土壤改良效果，榆树、刺槐次之，正由于火炬树超强的繁殖能力，火炬树具有许多入侵物种的特性，所以，在植被重建实践中，选择火炬树要慎重，还应结合气候、土壤、树种、生物学特性等因素综合考虑。

作者将继续关注矿区排土场土壤有机质和土壤养分、微生物种群结构变化等，进一步分析土壤改良的效果。