人工植被恢复对土壤有机质的影响及其在矿区复垦中的应用

doi:10.12677/hjas.2024.1412183

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人工植被恢复对土壤有机质的影响及其在矿区复垦中的应用
Effects of Artificial Vegetation Restoration on Soil Organic Matter and Its Application in Mining Area Reclamation

DOI: 10.12677/hjas.2024.1412183, PDF, HTML, XML, 科研立项经费支持
作者: 李刚：陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安；陕西地建–西安交大土地工程与人居环境技术创新中心，陕西西安；农业农村部耕地质量监测与保育重点实验室，陕西西安；自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安；陕西省土地整治重点实验室，陕西西安
关键词: 中国北方；植被恢复；矿区；生态复垦；Northern China； Vegetation Restoration； Mining Area； Ecological Reclamation

摘要: 本研究聚焦中国北方干旱半干旱地区，阐述土壤有机质对土壤质量的重要性及该地区植被恢复对其含量影响效果的差异。通过选取相关文献进行综合分析，研究植被建设对土壤有机质含量的影响状况。结果显示：乔木栽植对该区域内土壤有机质含量有不显著的增加作用，灌木栽植则有明显增加作用，不同降雨量地区乔木栽植对土壤有机质含量增加作用均不显著，且400 mm以下地区增加量大于400 mm以上地区。随着降雨量增加，灌木恢复后土壤有机质含量逐渐降低。综上，干旱半干旱区植被栽植能改善土壤质量、增加有机质含量，在北方干旱半干旱地区矿区开展复垦及生态修复时，应选适宜当地环境条件的树种，优先选择灌木栽植很有必要。

Abstract: This study focuses on the arid and semi-arid areas of northern China, elucidating the importance of soil organic matter on soil quality and the differences in the effects of vegetation restoration on its content in the area. By selecting relevant literature for comprehensive analysis, the impact of vegetation construction on soil organic matter content was studied. The results show that: tree planting has an insignificant effect on increasing soil organic matter content in the area, while shrub planting has a significant increasing effect. In areas with different rainfall areas, tree planting has an insignificant effect on increasing soil organic matter content, and areas below 400 mm have an increase in soil organic matter content. The area is larger than 400 mm. As rainfall increased, soil organic matter content gradually decreased after shrub restoration. In summary, vegetation planting in arid and semi-arid areas can improve soil quality and increase organic matter content. When carrying out reclamation and ecological restoration in mining areas in northern arid and semi-arid areas, tree species that are suitable for local environmental conditions should be selected, and it is necessary to give priority to shrub planting.

文章引用：李刚. 人工植被恢复对土壤有机质的影响及其在矿区复垦中的应用[J]. 农业科学, 2024, 14(12): 1447-1457. https://doi.org/10.12677/hjas.2024.1412183

1. 引言

土壤有机质由一系列存在于土壤中、组成和结构不均一、主要成分为碳和氮的有机化合物组成[1]。是表征土壤质量的重要因子。土壤有机质与养分供给、土壤物理性质的改善和防止土壤侵蚀有着十分重要的关系[2]。尤其是在干旱的荒漠地区，土壤有机质的含量直接影响到该地区土壤质量的高低，对干旱半干旱地区的生态演变及环境有着直接的影响。因此研究该地区土壤有机质分布和含量的状况对该地区的生态恢复与重建有着十分重要的意义。目前，在干旱半干旱地区提高土壤有机质的主要措施是植被恢复，其机理是充分利用土壤–植物复合系统改善土壤功能，植物的凋落物和根系及其微生物等能够向土壤提供新的碳源，进而增加了土壤有机质含量[3]。但是不同情况下植被栽植对土壤有机质含量的影响效果不一。闫琳等人对包头市植被建设区域土壤的有机质变化研究表明，土壤有机质含量随植被恢复而逐年增大[4]。然而，北京沙地栽植的沙打旺刈割之后，土壤有机质含量却出现显著降低的趋势[5]。陕西安塞黄土高原丘陵地区人工林对土壤有机质含量也有显著降低效果[6]。

本研究选取了中国北方干旱半干旱地区植被建设与土壤有机质含量相关的文献，主要选取了以中文形式发表的相关文献。共筛选出55篇文献作为再分析和研究的对象(表1)。通过对以上文献中原始数据基于Meta-analysis的再分析，研究植被建设对土壤有机质含量的影响状况，探讨引起不同地区土壤有机质含量差异的具体原因，以期为中国北方干旱半干旱地区矿区生态修复提供依据。

Table 1. Meta-analysis literature [7]-[60]

表1. Meta-analysis文献[7]-[60]

文献	研究地区	植被类型
张文军等，2007	内蒙古科尔沁地区	灌木
苏永中等，2004	内蒙古科尔沁地区	灌木
刘明国等，2002	辽宁章古台地区	乔木
胡亚林等，2007	内蒙古大青沟	乔木
刘云霞等，2010	内蒙古大青沟	乔木
曹成有等，2004	内蒙古乌兰敖都	灌木
刘方明等，2006	内蒙古乌兰敖都	灌木
蒋德明等，2008	内蒙古乌兰敖都	灌木
吴祥云等，2001	辽宁彰武县	乔木
何志斌等，2003	内蒙古奈曼旗	乔木，灌木
万景利等，2007	内蒙古锡林郭勒	乔木
丁越岿等，2012	内蒙古乌审旗	灌木
闫德仁等，2011	内蒙古乌兰察布四王子旗	乔木
莎仁图雅等，2009	内蒙古浑善达克	乔木
高艳鹏等，2010	山西神方山县	乔木
陈丽华等，2008	山西榆中县	乔木
王志强等，2005	甘肃定西市	乔木，灌木
袁秉政等，2005	甘肃庆阳市	乔木
邱丽萍等，2010	甘肃庆阳市	乔木
曹靖等，2009	甘肃榆中县	乔木
邱丽萍等，2007	甘肃西峰城	乔木
王思成等，2009	宁夏彭阳县	乔木
杜建民等，2012	宁夏盐池县	乔木，灌木
宋乃平等，2012	宁夏盐池县	灌木
贾晓红等，2012	宁夏中卫市	灌木
李新荣，2005	宁夏中卫市	灌木
贾晓红等，2007	宁夏中卫市	灌木
贾晓红等，2007	宁夏中卫市	灌木
杨丽雯等，2009	宁夏中卫市	灌木
王新平等，2003	宁夏中卫市	灌木
耿玉清等，2006	北京市八达岭	乔木
胡江波，2007	陕西千阳县	乔木，灌木
张笑培等，2010	陕西千阳县	乔木
张景群等，2009	陕西千阳县	乔木
薛萐等，2009	陕西榆林市	乔木
张晋爱等，2007	陕西安塞县	乔木，灌木
张飞等，2010	陕西安塞县	灌木
白文娟等，2005	陕西安塞县	乔木，灌木
邱丽萍等，2007	陕西安塞县	乔木，灌木
刘增文等，2009	陕西延安市	乔木，灌木
郑顺安等，2006	陕西永寿县	乔木
张俊华等，2006	陕西永寿县	乔木，灌木
刘江华等，2008	陕西安塞、淳化、宜川、绥德	乔木
赵鸿雁等，2003	陕西宜川县	乔木
张景群等，2010	陕西千阳县	乔木
白文娟等，2010	陕西神木县	乔木，灌木
杨光等，2007	陕西长武县	乔木，灌木
樊华等，2007	河北宣化县	乔木，灌木
张桂香等，1992	河北太行山区	乔木
杨莉等，2007	河北宣化县	乔木，灌木
杜红梅等，2009	河北木兰林管局	乔木
季宇虹等，2010	新疆墨玉县	灌木
赵溪等，2010	山西吕梁市	乔木，灌木
彭文英等，2005	陕西安塞县	乔木，灌木
焦菊英等，2006	陕西安塞县	乔木，灌木

2. 结果

2.1. 乔木栽植对土壤有机质影响特征分析

利用表1中涉及到乔木栽植文献的研究结果进行Meta-analysis (图1)，发现人工植被对各层土壤有机质含量的结合效应值分别为：0.33、0.20和0.32，其置信区间分别是(−0.02, 0.69)、(−0.23, 0.63)以及(−0.02, 0.66)。结果说明在该地区乔木栽植不显著的增加了不同深度土壤有机质的含量。

Figure 1. Basic characteristics of the effects of tree planting on soil organic matter

图1. 乔木栽植对土壤有机质影响的基本特征

本文将乔木栽植区按照降雨量(400 mm以下和400 mm以上)分类进行亚组分析。其中涉及降雨量0~400 mm地区乔木栽植的相关文献共有16篇。通过Meta-analysis分析发现(图2)，该区域乔木栽植对各层土壤有机质含量有增加作用，其结合效应值分别为0.38、0.20和0.36，但是由于它们的置信区间均包含零，所以结果均不显著，即在降雨量低于400 mm的地区，乔木栽植对土壤有机质含量有不显著的增加作用。

Figure 2. Basic characteristics of the effect of tree planting on soil organic matter in areas with annual rainfall of 0~400 mm

图2. 年降雨量0~400 mm地区乔木栽植对土壤有机质影响的基本特征

图3是降雨量超过400 mm地区乔木栽植对土壤有机质含量影响的结果。结果显示，不同深度土壤有机质含量的结合效应值均大于零(0.34、0.20和0.30)，说明该地区栽植乔木能够改善土壤环境质量，增加土壤有机质含量。但是其置信区间分别是(−0.11, 0.79)、(−0.35, 0.75)和(−0.09, 0.69)，说明乔木栽植对土壤有机质含量的影响结果不显著。

Figure 3. Basic characteristics of the effect of tree planting on soil organic matter in areas with an annual rainfall of more than 400 mm

图3. 年降雨量400 mm以上地区乔木栽植对土壤有机质影响的基本特征

2.2. 灌木栽植对土壤有机质影响的基本特征

本项研究搜集到的文献中，共有30篇涉及灌木栽植对土壤有机质含量的影响。通过Meta-analysis分析发现，灌木栽植对该地区的各土壤层有机质含量均有增加作用(1.07、0.56和1.19)，其置信区间分别是(0.77, 1.36)、(0.25, 0.87)和(0.90, 1.49) (如图4)，所以我国干旱半干旱地区的灌木栽植对土壤有机质含量有显著的增加作用。

Figure 4. Basic characteristics of the effects of shrub planting on soil organic matter

图4. 灌木栽植对土壤有机质影响的基本特征

本文将灌木按降雨量区域(0~200 mm、200~400 mm地区及400 mm以上地区)分类进行亚组分析。其中涉及降雨量0~200 mm地区灌木栽植的相关文献共有15篇(表1)。通过Meta-analysis分析发现(图5)，该区域灌木栽植对土壤有机质含量均有显著的增加作用，0~10 cm土壤有机质含量的结合效应值为0.84，其置信区间是(0.37, 1.31)；10~30 cm土壤有机质含量的结合效应值为7.84，其置信区间为(4.95, 10.73)。

Figure 5. Basic characteristics of the impact of shrubs on soil organic matter in areas with annual rainfall of 0~200 mm

图5. 年降雨量0~200 mm地区灌木对土壤有机质影响的基本特征

图6是降雨量介于200~400 mm地区灌木栽植对土壤有机质含量影响的结果。各层土壤有机质含量的结合效应值均大于零，分别为1.08、1.97和1.89，并且各层土壤有机质含量的结合效应值置信区间都不包含零，分别是(0.57, 1.60)、(1.37, 2.57)和(1.48, 2.29)，说明该区域的灌木对土壤有机质均有显著的增加作用。

Figure 6. Basic characteristics of the impact of shrubs on soil organic matter in areas with annual rainfall of 200~400 mm

图6. 年降雨量200~400 mm地区灌木对土壤有机质影响的基本特征

表1中涉及年降雨量400 mm以上地区灌木栽植的相关文献共有19篇。通过Meta分析表明(图7)，各层土壤有机质含量的结合效应值均大于零，其结合效应值分别是2.42、0.37和1.32，但是10~30 cm土壤有机质含量的结合效应值置信区间包含零，所以该区域灌木对0~10 cm和30 cm以下的土壤有机质有显著增加作用，对10~30 cm的土壤有机质有不显著的增加作用。

Figure 7. Basic characteristics of the impact of shrubs on soil organic matter in areas with annual rainfall above 400 mm

图7. 年降雨量400 mm以上地区灌木对土壤有机质影响的基本特征

3. 小结与讨论

研究发现，乔木栽植对该区域内的土壤有机质含量有不显著的增加作用，各层土壤有机质结合效应值均大于零(分别为0.33、0.20和0.32)；灌木栽植对该区域内的土壤有机质含量有明显的增加作用，各层土壤有机质含量的结合效应值分别是1.07、0.56和1.19。不同降雨量地区的乔木栽植对土壤有机质含量均有不显著的增加作用，总体上400 mm以下地区土壤有机质含量增加量(0.31)大于降雨量超过400 mm地区的土壤有机质含量的增加量(0.29)。随着降雨量的增加，土灌木恢复后，土壤有机质含量逐渐降低(其效应值分别是4.19、1.65和1.35)。

综上所述，通过Meta-analysis的方法综合研究发现，干旱半干旱区植被栽植能够改善土壤质量，增加土壤有机质含量。在北方干旱半干旱地区矿区开展复垦及生态修复时，应当选择适宜当地环境条件的树种进行植被建设，优先选择灌木在干旱半干旱地区进行栽植是十分必要的。

基金项目

陕西地建–西安交大土地工程与人居环境技术创新中心开放基金项目，陕北防沙带矿区生态修复与净土关键技术研究应用(2024WHZ0236)。

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