稀土礦場(chǎng)修復(fù)過(guò)程中植物多樣性變化與土壤改良的相關(guān)性

張 琳，劉勝洪，劉 文，2，梁 紅

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510225；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東廣州 510642)

恢復(fù)生態(tài)學(xué)是一門(mén)建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的交叉學(xué)科，退化土地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)研究具有理論與現(xiàn)實(shí)雙重意義[1-2]。由于土地資源的稀缺性和山區(qū)植被在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，礦山退化及其恢復(fù)問(wèn)題備受關(guān)注[3]。植物多樣性是植被恢復(fù)內(nèi)在機(jī)理的外在表現(xiàn)，可用于度量群落的組織結(jié)構(gòu)和功能[4]，也可表征系統(tǒng)穩(wěn)定性和抵御干擾能力，對(duì)防治邊坡水土流失具有重要作用[5]。土壤是植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)[6]，土壤養(yǎng)分的可利用性是決定植物群落的組成和群落多樣性的重要環(huán)境因子，其理化性質(zhì)影響著植被演替[7]，與此同時(shí)也受到植被的反作用，二者相輔相成[8-9]。

稀土廣泛應(yīng)用于電子信息、航天航空、新能源、原子能、機(jī)械、石油化工、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域[10]。中國(guó)是稀土資源最豐富的國(guó)家[11]，廣東省東北部山區(qū)富含稀土資源，是風(fēng)化殼離子型稀土礦的主分布區(qū)和主產(chǎn)區(qū)之一[12]。隨著稀土需求量的日益增大，稀土開(kāi)采引發(fā)了日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[13]。多數(shù)礦區(qū)植被遭到大面積破壞，基巖裸露，水土流失日趨嚴(yán)重，產(chǎn)生大量的風(fēng)化砂土，同時(shí)還存在著不同程度的偏酸或偏堿，高鹽或有害重金屬毒害等現(xiàn)象，使植物難以生長(zhǎng)[14]。稀土礦場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)與重建的關(guān)鍵在于土壤基質(zhì)的重構(gòu)，只有恢復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)有功能，才能為廢棄稀土礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供根本保障[15]。用于礦山土壤修復(fù)的技術(shù)方法大致可分為物理化學(xué)修復(fù)方法和生物修復(fù)方法[16]，以生物修復(fù)手段將微生物與植物結(jié)合，利用植物自然演替、人工種植或二者兼顧，使受到人為破壞污染或自然毀損而產(chǎn)生的生態(tài)脆弱區(qū)重新建立植物群落，恢復(fù)生態(tài)功能，對(duì)礦區(qū)植物修復(fù)具有重要經(jīng)濟(jì)意義[17]。董世超通過(guò)對(duì)廢棄稀土礦場(chǎng)土壤植物修復(fù)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腐熟的雞糞對(duì)稀土礦場(chǎng)土壤改良有很好效果[18]。郭永盛等對(duì)新疆石河子荒漠草原進(jìn)行氮肥添加試驗(yàn)，認(rèn)為氮肥添加降低了荒漠草地物種豐富度和物種多樣性[19]。鄭華平等研究認(rèn)為，土壤養(yǎng)分增加會(huì)引起植物多樣性的增加，施氮后物種豐富度比對(duì)照提高42.90%[20]。Gong等探索了坡向?qū)χ参锏挠绊慬21-22]。上述研究大多還局限于對(duì)土壤理化性狀及植物篩選的相關(guān)研究，主要集中于實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模的模擬試驗(yàn)，在實(shí)地應(yīng)用上還需進(jìn)一步驗(yàn)證。關(guān)于沙化稀土礦場(chǎng)植被多樣性變化與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系以及對(duì)環(huán)境因素響應(yīng)的定量變化研究很少。

本研究采用施用有機(jī)質(zhì)肥和人工播種的方式對(duì)廣東省和平縣下車鎮(zhèn)815稀土礦場(chǎng)進(jìn)行人工植物修復(fù)，隨后調(diào)查了修復(fù)后1、3、5、7年的植物群落特征并測(cè)定了土壤理化特性，分析了植物群落和土壤改良之間的關(guān)系，以期揭示稀土礦場(chǎng)植被修復(fù)過(guò)程中影響植物多樣性的主要土壤養(yǎng)分因子，為實(shí)現(xiàn)稀土礦場(chǎng)的低成本快速修復(fù)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣東省和平縣下車鎮(zhèn)地處114°41′～115°16′E，24°05′～24°42′N，毗鄰江西省定南縣，東臨龍川縣。該區(qū)多屬于中低丘陵地，亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫度17.9～20.2 ℃，年均降水量1 536～1 845 mm，年日照1 704 h以上，無(wú)霜期267～301 d。試驗(yàn)區(qū)位于下車鎮(zhèn)815礦區(qū)，該礦區(qū)從20世紀(jì)80年代，經(jīng)露采-池浸-沉淀法進(jìn)行稀土開(kāi)采，2005年開(kāi)采結(jié)束后廢棄，經(jīng)過(guò)多年風(fēng)雨侵蝕和淋溶，地表沙化嚴(yán)重，植物難以生長(zhǎng)，至今仍為裸露荒地(圖1)。2009年開(kāi)始進(jìn)行一系列的人工修復(fù)措施(表1)。

表1 稀土礦場(chǎng)人工植物修復(fù)措施

注：植被修復(fù)主要種植西卡柱花草(Stylosanthesscabra)、山毛豆(Tephrosiacandida)、木豆(Cajanuscajan) 、紫花苜蓿(Medicagosativa)、香根草(Vetiveriazizaniodes)幼苗。

1.2 植被調(diào)查與土壤樣品采集

2016年5月15—22日，在815稀土礦場(chǎng)，分別選擇人工修復(fù)后自然演替狀態(tài)下海拔、坡向、坡度均相近不同修復(fù)年限的5個(gè)樣地：對(duì)照(未經(jīng)過(guò)植物修復(fù))以及植物修復(fù)后1、3、5、7年的樣地。在每1樣地內(nèi)選擇立地條件基本一致地段，每塊樣地設(shè)置2條平行樣線，沿著樣線連片設(shè)置8個(gè)2 m×2 m的樣方，共40個(gè)樣方。分別記錄各樣方植物種類、株數(shù)、密度、蓋度。

生物多樣性采用以下方法測(cè)度[2]：

(1)重要值(IV)=(相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度+相對(duì)優(yōu)勢(shì)度)/300。

Margalef 指數(shù)R3=(S-1)/lnN；

Gleason 指數(shù)D=S/lnA。

式中：S為物種數(shù)目；N為全部種類的個(gè)體數(shù)；Ni為樣方內(nèi)某種類個(gè)體數(shù)；Pi為種類i的重要值；A為單位面積。

(3)Sφrensenβ多樣性指數(shù)：Cs=2c/(a+b)。式中：c為群落A和群落B中共有種的總數(shù)；a為群落A的物種總數(shù)；b為群落B的物種總數(shù)；Cs為群落相似性系數(shù)。

1.3 土樣的選取與測(cè)定

每個(gè)樣點(diǎn)采用5點(diǎn)取樣法，按對(duì)角線取0～3 cm表土土樣，混合均勻，裝入已滅菌密封袋中，于實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后研細(xì)，一部分1 mm孔徑過(guò)篩，用于土壤電導(dǎo)率和pH值測(cè)定，另一部分2 mm孔徑過(guò)篩，測(cè)量土壤養(yǎng)分。用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷含量采用鹽酸氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，采用醋酸銨交換-火焰光度法測(cè)定速效鉀含量[13]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Origin 8.0軟件制圖，統(tǒng)計(jì)分析利用Excel和SPASS完成，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)后不同年份的植物群落特征

對(duì)和平縣815稀土礦場(chǎng)修復(fù)后的地表植被進(jìn)行普查，共發(fā)現(xiàn)植物種24種，分屬于20科，24個(gè)屬(表2)。地表覆蓋濃密的草本植物中主要以1、2年生草本植物[如菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)]為主，之前人工播種的植物(如柱花草、苜蓿和香根草等)逐漸被本土植物所取代。隨著修復(fù)進(jìn)程的繼續(xù)，蓋度呈明顯的遞增趨勢(shì)，修復(fù)后最初的3～5年植被恢復(fù)速度明顯加快，蓋度增加至75%以上，種類也不斷增多，與對(duì)照相比修復(fù)后5年物種豐富度增加了89.47%。修復(fù)后7年植被的蓋度高達(dá)98.31%，但物種數(shù)卻明顯下降。

調(diào)查修復(fù)后5個(gè)不同年份的樣地還發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后7年植物群落仍舊在不斷演替，其組成結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。從表3可以看出，芒草(Miscanthussinensis)、蔓生莠竹(MicrostegiumvagansA.Camus)、美洲商陸(PhytolaccaamericanaL.)和龍葵(SolanumnigrumL.)等為各群落建群種，在修復(fù)后的3～5年已形成階段性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，前5年物種數(shù)呈遞增趨勢(shì)，修復(fù)后7年，這些優(yōu)勢(shì)種和建群種逐漸被蕨菜所取代，物種數(shù)明顯下降，蕨菜成為修復(fù)區(qū)的關(guān)鍵種(表3)。

表2 稀土礦場(chǎng)修復(fù)區(qū)植物群落物種分布及蓋度

2.2 群落多樣性及相似性比較

從表4可以看出，修復(fù)后1～3年的植物種類較少，但相似性最高達(dá)0.40。修復(fù)后3、5年相似性高達(dá)0.48，值得注意的是，修復(fù)后7年群落相似性與修復(fù)初期的3～5年相似性幾乎為0，與修復(fù)后1年樣地相似性指數(shù)也僅為0.33。表明在修復(fù)初期一些建群種和優(yōu)勢(shì)種先定居使植物群落達(dá)到了一個(gè)暫時(shí)性的穩(wěn)定狀態(tài)，隨著修復(fù)年限的延長(zhǎng)，植物群落仍舊不斷演替，物種間相互競(jìng)爭(zhēng)，使得一些適應(yīng)性和生長(zhǎng)能力強(qiáng)的植物后來(lái)居上。

表3 稀土礦場(chǎng)修復(fù)區(qū)植物群落數(shù)量特征

表4 稀土礦修復(fù)區(qū)不同年份植物群落相似性

從圖2可以看出，不經(jīng)植被修復(fù)，僅自然修復(fù)狀態(tài)下經(jīng)過(guò)3年以上天然恢復(fù)的稀土礦場(chǎng)，其修復(fù)程度仍然很低，蓋度幾乎為0。與之相反，經(jīng)人為干預(yù)后的稀土礦場(chǎng)，在不同恢復(fù)時(shí)期植被特征和物種多樣性發(fā)生了巨大的變化。修復(fù)初期的 1～5 年Shannon-Wiener指數(shù)、Gleason指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)都明顯增加，前二者均在修復(fù)后5年達(dá)到高峰，修復(fù)后7年又明顯降低，Margalef多樣性指數(shù)于修復(fù)后7年達(dá)到高峰。與之相反的是，Simpson指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)隨著修復(fù)年限的增加明顯降低，隨后又升高。Pielou多樣性指數(shù)于修復(fù)后3年達(dá)到高峰0.77。Gleason指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)，修復(fù)后1年和7年優(yōu)勢(shì)種明顯，Simpson指數(shù)明顯高于修復(fù)后3～5年，修復(fù)后7年蕨菜幾乎占據(jù)了整個(gè)樣地，這可能與稀土礦場(chǎng)的環(huán)境和土壤狀況有很大關(guān)系。

2.3 不同恢復(fù)期土壤性狀分析

對(duì)不同修復(fù)時(shí)期土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分析，從表5可以看出，土壤呈弱酸性，pH值5.76～6.09，調(diào)查植物樣方時(shí)，也發(fā)現(xiàn)不同修復(fù)年限樣地中多次出現(xiàn)酸性指示植物美洲商陸。總體來(lái)看，與未修復(fù)樣地相比，隨著修復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分呈梯度遞增。修復(fù)后1～5年稀土礦場(chǎng)土壤的有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量迅速增加，土壤電導(dǎo)率明顯降低，但修復(fù)后5年又逐步上升；修復(fù)后7年速效磷含量、速效鉀含量分別高達(dá)未修復(fù)樣地的627.27、7.00倍，電導(dǎo)率也高于未修復(fù)樣地。

表5 稀土礦場(chǎng)不同恢復(fù)年限土壤養(yǎng)分含量變化

稀土礦場(chǎng)不同恢復(fù)年份植物群落多樣性因土壤養(yǎng)分狀況的變化而表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。從表6可以看出，土壤速效鉀含量與土壤中堿解氮含量和電導(dǎo)率、植物多樣性與豐富度呈顯著正相關(guān)。其中，植物多樣性與土壤電導(dǎo)率相關(guān)性也高達(dá)0.70，表明那些能耐受高電導(dǎo)率的植物才能夠生長(zhǎng)在稀土礦場(chǎng)，并且這些植物可以降低土壤的電導(dǎo)率，從一定程度上達(dá)到修復(fù)礦區(qū)土壤、減少礦區(qū)水土流失的功效。

表6 植物特性與表層土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性

注：“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)，“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3 討論與結(jié)論

群落蓋度的增加和物種多樣性的提高意味著植被恢復(fù)，物種多樣性的提高同時(shí)可以表明物種定居的順利進(jìn)行[23]，物種的順利定居恰恰是植被恢復(fù)的開(kāi)始[24]。本研究結(jié)果表明，稀土礦場(chǎng)修復(fù)后1年已經(jīng)開(kāi)始有一些先鋒種定居，物種豐富度提高，均勻度降低且植物群落不斷發(fā)生演替。調(diào)查顯示，自然修復(fù) 3年后，已有多種以禾本科植物為代表的鄉(xiāng)土植物侵入修復(fù)區(qū)，人工植被有向自然群落過(guò)渡的趨勢(shì)，因此群落還處于更新演替的動(dòng)態(tài)變化階段，尚未達(dá)到穩(wěn)定水平。張彥東等也認(rèn)為，植物退化嚴(yán)重的草地肥力增加后，在短期內(nèi)變成以禾本科植物為主導(dǎo)的狀態(tài)[25]，這與本研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)修復(fù)后5年植物種類已達(dá)到18種，蓋度高達(dá)92.38%，修復(fù)第7年整個(gè)樣地幾乎完全被蕨菜占據(jù)，蓋度高達(dá)98.31%。肖培青等研究表明，蓋度為65%的草皮和灌木坡面可以抵抗徑流侵蝕，與裸露邊坡相比，具有較好的保持水土作用[26]。

本研究還發(fā)現(xiàn)植物修復(fù)后的時(shí)間越長(zhǎng)，稀土礦場(chǎng)植物群落差異越大。修復(fù)初期，植物多樣性及蓋度不斷增加，使得土壤有效養(yǎng)分得以增加，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，群落生長(zhǎng)受到了一定的干擾，在新的生境下，各物種競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)明顯。有效養(yǎng)分促進(jìn)了地上部分優(yōu)勢(shì)種群的生長(zhǎng)，恢復(fù)后期，優(yōu)勢(shì)種蕨菜充分發(fā)展，覆蓋度得到了明顯增加，其強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將許多初期階段可以短暫共存的物種排斥掉，最終弱勢(shì)種競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)優(yōu)勢(shì)種而被淘汰；由此推定，對(duì)于判斷植被恢復(fù)程度來(lái)說(shuō)，物種多樣性指標(biāo)必須同群落蓋度和后期優(yōu)勢(shì)種的蓋度變化結(jié)合起來(lái)使用才能取得較好效果。本研究結(jié)果也恰好反映了時(shí)間梯度上土壤因子和群落結(jié)構(gòu)的規(guī)律性變化。

可能由于沙化土壤營(yíng)養(yǎng)貧瘠，地上生長(zhǎng)的植被種類較少，而野生蕨菜適應(yīng)性和抗逆性強(qiáng)，孢子生命力強(qiáng)，繁殖系數(shù)大，適宜生長(zhǎng)在熱帶及亞熱帶山地，經(jīng)過(guò)幾年修復(fù)期稀土礦場(chǎng)濕潤(rùn)腐殖質(zhì)深厚、陽(yáng)光充足為蕨菜的生長(zhǎng)提供了絕佳的條件。但隨著生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力提高，后來(lái)物種取代先定居物種，地表植被覆蓋增加，物種演替還在進(jìn)行，產(chǎn)生大量養(yǎng)分豐富的枯落物，這些枯落物在土壤中積累和腐解，產(chǎn)生大量的養(yǎng)分，這些有機(jī)質(zhì)又被植被吸收利用，進(jìn)一步增加了地表植被覆蓋，提高了群落特征指數(shù)，物種豐富度、多樣性得到提高。野生蕨菜可以當(dāng)做是稀土礦場(chǎng)土壤恢復(fù)的一種理想修復(fù)植物。蕨菜常與豆科植物、雜草等混生，因此推測(cè)隨著演替的進(jìn)行可能會(huì)出現(xiàn)更多的豆科和草本植物，但還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

土壤性質(zhì)和群落多樣性的響應(yīng)和反饋可以作為表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)[27]。通過(guò)測(cè)定不同修復(fù)年限土壤理化性狀發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年的自然淋溶作用，下車鎮(zhèn)815稀土礦場(chǎng)逐漸由強(qiáng)酸性[13]趨于土壤pH呈微酸性(pH值5.76～6.09)。各土壤因子由于修復(fù)年限的不同而存在差異，且存在明顯的梯度變化。本研究發(fā)現(xiàn)修復(fù)7年速效磷含量、速效鉀含量分別高達(dá)未修復(fù)樣地的627.27倍、7.00倍。李兆龍等研究也發(fā)現(xiàn)，難以生長(zhǎng)植物的稀土礦土壤速效磷含量幾乎為0[14]。表明該2種元素是制約植物定居和生長(zhǎng)的主要因子，其中速效磷含量的影響更大一些。物種多樣性隨養(yǎng)分增加的變化是由土壤的初始條件決定的，在貧瘠環(huán)境下，物種多樣性仍有增值的空間，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生淘汰式競(jìng)爭(zhēng)，從而養(yǎng)分添加會(huì)增加物種多樣性。而在肥沃環(huán)境下，物種多樣性增值的空間不大，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，一些物種被淘汰，養(yǎng)分會(huì)降低物種多樣性。

本研究結(jié)果表明，經(jīng)人工修復(fù)后的稀土礦場(chǎng)在自然演替過(guò)程中，隨恢復(fù)年限的遞增，植物多樣性呈先升后降的趨勢(shì)，土壤養(yǎng)分因子存在明顯的梯度變化。植物群落多樣性因土壤養(yǎng)分狀況的變化也表現(xiàn)出不同的響應(yīng)，土壤速效磷含量、堿解氮含量對(duì)稀土礦場(chǎng)植物物種多樣性影響較大，速效磷含量表現(xiàn)最為明顯。

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