干旱復(fù)水對幾種礦山生態(tài)修復(fù)植物群落構(gòu)建的影響

孫 偉，李 昊，楊越晴，高文謙

(礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

目前國內(nèi)礦山廢棄地的治理方式多采用生態(tài)修復(fù)施工，已有研究多集中在土壤改良、植物配置模式、施工工藝等方面，而后續(xù)的灌溉養(yǎng)護是維持修復(fù)效果的關(guān)鍵因素[1-2]。一些歷史遺留小規(guī)模礦山通常分布分散，地區(qū)經(jīng)濟落后且水源、交通不便，導(dǎo)致養(yǎng)護困難。因此，研究干旱狀態(tài)下的工程植物生長狀況，篩選一些適合礦山廢棄地耐干旱植物品種及搭配模式成為必然。本研究選取8種常用的華北地區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)植物品種[3-4]，觀察評價自然干旱一定天數(shù)復(fù)水的生長狀況和群落構(gòu)建情況,旨在為礦山生態(tài)修復(fù)工程耐性植物選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗于2019年5月在礦冶科技集團研發(fā)中心溫室內(nèi)進行，以避免自然降水對土壤含水率影響。在定制的37°角安置的1 m×1 m×0.3 m規(guī)格PVC容器底層鋪10 cm厚廢石粒，以模擬礦山自然基面，下部留孔用于澆水飽和時排出。廢石粒上方覆蓋15 cm厚基于前期研究[5]配比的植生土層(詳見表1)，以模擬噴播工程應(yīng)用的植物生長基材。選用的8種工程植物品種及特性見表2，種子選用前一年新種。

表1 植生基材成分配比表成分配比

表2 選種植物特性表

1.2 實驗設(shè)計

用電子天平(精確度0.01 g)稱取每種植物種子各2.5 g，混合均勻后撒播在植生土層上，即每種植物播種規(guī)格2.5 g/m2。播種后控制澆水維持土壤水分適宜水平[6](土壤含水率15%～20%)10 d待種子萌發(fā)。之后在溫室內(nèi)自然干旱，參照北方園林綠化灌溉養(yǎng)護需水[7]，對照組(CK)7 d一次補水至飽和，脅迫處理組(D)21 d一次補水至飽和。依據(jù)選用植物種的生長周期，本實驗設(shè)計D組循環(huán)干旱脅迫4次(約90 d)作為觀測時長，同期觀測CK組，每組處理6個重復(fù)。播種后每7 d一次測定植物株高、覆蓋度，同時測定土壤含水率，即CK組每次澆水后3 d。觀測生長周期內(nèi)是否有繁殖器官發(fā)育。

1.3 測定項目和方法

土壤相對含水量：用土壤水分速測儀(TIME-PICO Portable)測定和計算。

植物株高：精度1 mm卷尺測量，枯死植株不計。

覆蓋度：數(shù)碼相機和Photoshop軟件非破壞性測定，枯死植株記為0。

可繁殖情況：通過觀測完整周期是否開花、結(jié)籽判斷是否來年可再生。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

Excel數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率

依據(jù)對兩組處理的植生土干旱程度觀測記錄，統(tǒng)計土壤水率變化如圖1。

圖1 不同處理的土壤含水率時間分布Fig.1 Distribution of soil water content with time

由圖1可見，CK組的土壤含水率均一，維持在適宜植物生長的水平。D組土壤含水率隨時間變化較大，在每次斷水后的第2周、3周分別達到中旱、重旱[6]程度，補水后達到適宜程度又再次干旱。

2.2 植株生長狀況

通過記錄各時期兩組處理的植物株高增長(圖2、圖3)，分析比對不同植物品種在干旱脅迫下的生長情況。同時記錄植物的繁殖器官形成情況，分析其在干旱生境中繁殖的可能性。

由圖2、圖3可見，干旱處理(D)的黑麥草、早熟禾在斷水后第一周后對比CK組株高差異顯著，是由于禾本科的草本植物水分充足條件下發(fā)育前期著重葉片發(fā)育，干旱脅迫導(dǎo)致發(fā)育明顯延緩。每次復(fù)水后黑麥草均明顯增長(5～6 cm)，在第四次重旱時枯死，相較CK組存活時間偏短，但已有結(jié)籽，可繁殖。早熟禾復(fù)水后增長程度不大，在第3次重旱時枯死，最終株高僅為10.15 cm，相較CK組差別達到19 cm，發(fā)育受干旱影響極大，沒有結(jié)籽，說明早熟禾無法在持續(xù)干旱條件下存活和繁殖。

干旱處理(D)的紫花苜蓿和多花木蘭整個實驗期內(nèi)增長緩慢，最大株高相較CK：多花木蘭相差3.44倍(29.86、8.68 cm)，紫花苜蓿最大株高相差1.91倍(48.29、25.26 cm)，但始終沒有枯萎。并且紫花苜蓿在最后一次復(fù)水后增長值(4.55 cm)大于前兩次(1～1.5 cm)，可能由于缺水環(huán)境中紫花苜蓿先期注重地下部分生長[8]。實驗周期內(nèi)紫花苜蓿記錄到開花和結(jié)籽，可以繁殖；多花木蘭沒有結(jié)籽，但作為多年生灌木，可能在本實驗干旱條件下的生長周期內(nèi)著重營養(yǎng)器官累積[9-10]。

圖2 黑麥草、早熟禾、紫花苜蓿、多花木蘭株高增長情況Fig.2 Growth of plant height of Loliumperenne L.、Poaannua L.、Medicago sativa L.、Magnolia multiflora

圖3 刺槐、臭椿、波斯菊、藍色矢車菊株高增長情況Fig.3 Growth of plant height of Robiniapseudoacacia L.、Cosmos bipinnata Cav.、Centaureacyanus ‘blue’、Ailanthus altissima (Mill.) Swingle

刺槐在水分充足時生長迅速，CK組最高達到93.44 cm，D組緩慢生長，最高僅為14.91 cm，但作為喬木的幼苗成功存活。臭椿萌芽很晚(CK組第35 d，D組第42 d)，但D組每次復(fù)水后株高有所增加(3～5 cm)，說明它是對干旱適應(yīng)性較好的木本。

波斯菊和藍色矢車菊成活率呈現(xiàn)不同。CK組波斯菊生長旺盛，在第56 d就基本達到了最大株高(120 cm)，D組則生長緩慢，最高僅為30 cm左右，但成活率高，均記錄到開花和結(jié)籽，作為觀賞草本可以實現(xiàn)它的景觀意義。D組的藍色矢車菊則沒有存活至開花，在第3次干旱脅迫時全部枯死，最高株高13.45 cm，相較CK組56.17 cm差別很大。

2.3 覆蓋度變化

依據(jù)對D組覆蓋度觀測統(tǒng)計，各種植物在實驗期間覆蓋度變化情況見圖4。

圖4 植被覆蓋度變化情況Fig.4 Variation of coverage with time

從圖4可以看出，各種植物的覆蓋度隨時間呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。1)在實驗的前35 d，黑麥草覆蓋度最高，之后隨干旱有所降低但在復(fù)水后回升，原因是黑麥草葉片在失水時葉片明顯內(nèi)卷，第77 d以后黑麥草退化消失；早熟禾在前期短時間里也形成了一定的覆蓋度(7.8%)，但在第二次干旱脅迫(第49 d)后就開始退化，且沒有因復(fù)水改善，直至第70 d后歸0消失。2)紫花苜蓿在第一次復(fù)水(第35 d)后覆蓋度呈現(xiàn)增加并且受干旱脅迫影響不大，最終成為優(yōu)勢種覆蓋度達45.98%；多花木蘭出現(xiàn)后覆蓋度不大但始終增長(從3.94%至13.75%)，在群落中穩(wěn)定。3)刺槐覆蓋度很低(1%～3%)，但始終穩(wěn)定，受干旱影響較?。怀舸怀霈F(xiàn)很晚，但覆蓋度也低而穩(wěn)定(2%)，受干旱影響不大，兩種喬木都能在群落中穩(wěn)定發(fā)展。4)波斯菊在第14 d出現(xiàn)后覆蓋度穩(wěn)定在4%～7%，受干旱影響較小，并且開花結(jié)籽，是群落中存活穩(wěn)定的花卉草本；藍色矢車菊最大僅為4.2%，且在第70 d后消失，無法適宜持續(xù)干旱的生長環(huán)境。

分節(jié)點統(tǒng)計實驗周期內(nèi)D組各個干旱時段的優(yōu)勢植物，選取第28 d、49 d、70 d、91 d結(jié)果，分析各種植物的覆蓋度分布情況，見圖5。

圖5 不同時段各植物覆蓋度分布情況Fig.5 Distribution of coverage of different period

圖5顯示，在第1次重旱(第28 d)時，植物正處于苗期，總覆蓋度較低(51.35%)，其中黑麥草最高(22.79%)，占總覆蓋度的44%；多花木蘭(9.35%)和早熟禾(6.41%)次之，分別占總覆蓋度18%和12%；說明黑麥草、早熟禾和多花木蘭在前期出苗快，能在短時間形成一定植被蓋度。第2次重旱(第49 d)時，紫花苜蓿覆蓋度顯著提升達到20.04%，占總覆蓋度28%；黑麥草有所退化降低到17.50%，占總覆蓋度26%；多花木蘭(11.39%)、波斯菊(5.61%)、藍色矢車菊(4.20%)、刺槐(1.92%)覆蓋度變化不大，臭椿開始出現(xiàn)(0.03%)；總覆蓋度增加至68.57%，原因是植物莖葉數(shù)量的增加。第3次重旱(第70 d)時，紫花苜蓿覆蓋度進一步增加達到35.92%，占總覆蓋度45%，成為優(yōu)勢種；黑麥草(17.60%)變化不大略有升高，原因是葉片數(shù)量增多；早熟禾(2.10%)進一步褪化僅占總覆蓋度的3%；總覆蓋度進一步增加至79.84%，增幅主要來自紫花苜蓿(增加15.88%)。第4次重旱(第91 d)時，黑麥草、早熟禾、藍色矢車菊消失，紫花苜蓿覆蓋度達到48.23%，占總覆蓋度(71.90%)的64%，成為絕對優(yōu)勢種；多花木蘭、刺槐、臭椿、波斯菊穩(wěn)定而略有增加，分別為13.75%、2.71%、2.60%和6.86%；總覆蓋度較上一周期減少7.96%，原因是黑麥草結(jié)籽后在這一周期枯萎(消失17.60%)。

總體上，經(jīng)歷4次干旱復(fù)水循環(huán)后，在91 d的生長周期里逐步形成以紫花苜蓿為優(yōu)勢種，多花木蘭、波斯菊、刺槐、臭椿穩(wěn)定發(fā)育的植被群落。

通過本實驗的研究可以得出：

1)黑麥草適宜在干旱環(huán)境中迅速復(fù)綠，可以作為礦山生態(tài)修復(fù)前期草種；

2)紫花苜蓿對干旱適應(yīng)性強，發(fā)育穩(wěn)定，是群落構(gòu)建的優(yōu)勢草本；

3)多花木蘭雖然生長緩慢，但受干旱影響小，是耐旱群落的優(yōu)勢灌木種；

4)波斯菊生長受干旱影響但發(fā)育至可繁殖，是具備景觀性的伴生種；

5)刺槐、臭椿零星存活，但作為喬木穩(wěn)定發(fā)育，是喬木層的優(yōu)勢種；

6)早熟禾、藍色矢車菊無法發(fā)育至繁殖狀態(tài)，不適宜在連續(xù)干旱條件生存。

3 結(jié)論和建議

1)在干旱、半干旱地區(qū)難以養(yǎng)護的礦山生態(tài)修復(fù)實施中，可以選擇黑麥草、紫花苜蓿、多花木蘭、波斯菊、刺槐、臭椿，構(gòu)建黑麥草先鋒復(fù)綠、豆科灌草逐步演替、喬木層穩(wěn)定發(fā)育且兼具一定景觀性的植被群落。

2)本實驗針對植物在自然干旱條件下的生長狀況做了觀測，但對植物在持續(xù)固定干旱環(huán)境中的生理變化研究有限，今后需要重點研究不同干旱梯度、持續(xù)不同時長的條件下植物生理、形態(tài)變化。