銅冶煉尾礦廢棄地土壤種子庫(kù)特征研究

張 熙，龍 榮，韓 鄲，王雪梅，胡金朝

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開(kāi)發(fā)局攀西地質(zhì)隊(duì)，四川 西昌 615000;2.西昌學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,四川 西昌 615013)

0 引言

土壤種子庫(kù)是指存在于土壤表面及各種凋落物和土壤中全部具有生命活力的種子的總和[1]。對(duì)于退化過(guò)后生態(tài)系統(tǒng)的植被修復(fù)與重建，土壤種子庫(kù)具有重要的理論和實(shí)踐意義[2]。土壤種子庫(kù)中擁有很多在植物演替中起著非常重要作用的鄉(xiāng)土植物先鋒物種，對(duì)于極端環(huán)境它們具有非常強(qiáng)的耐性和適應(yīng)能力，這些鄉(xiāng)土植物的種子往往來(lái)自于相鄰生環(huán)境的種子庫(kù)中[3]。近年來(lái)，研究土壤種子庫(kù)已成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)，大量學(xué)者在這一領(lǐng)域展開(kāi)了深入的研究[4]。

尾礦廢棄地是由于礦業(yè)廢棄物堆積而形成的，改變了原有土壤的理化性質(zhì)，破壞了原來(lái)的生態(tài)環(huán)境，棄置過(guò)后其自然生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程是典型的生態(tài)系統(tǒng)原生演替過(guò)程，其植被自然恢復(fù)的過(guò)程需要較為漫長(zhǎng)的時(shí)間[5]。尾礦廢棄地對(duì)生態(tài)環(huán)境有較嚴(yán)重的危害[6]，因此開(kāi)展尾礦廢棄地植被恢復(fù)十分必要。常用的植被恢復(fù)方法主要有物理法、化學(xué)法和植被法[7]。相較于物理法和化學(xué)法費(fèi)用較高且有可能會(huì)造成二次污染的問(wèn)題，植被法具有成本較低、適應(yīng)范圍廣、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，并且修復(fù)之后會(huì)產(chǎn)生非常好的生態(tài)效益，能夠使受污染的土壤持久清潔地修復(fù)，因而被更多的人接受[8]。

涼山地區(qū)地處“兩屏三帶”中“黃土高原-川滇生態(tài)屏障”的重要區(qū)域，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源富集，是國(guó)家重點(diǎn)治理的生態(tài)脆弱區(qū)和重點(diǎn)扶貧區(qū)，由于彝區(qū)經(jīng)濟(jì)落后等原因造成礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題頻現(xiàn)，產(chǎn)生的大量尾礦棄渣占用了大量的土地。因此本文以西昌市康銅冶煉廠尾礦廢棄地為例，研究銅冶煉尾礦廢棄地土壤種子庫(kù)及其相鄰生境土壤種子庫(kù)的特征，以期為銅冶煉尾礦廢棄地的植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本實(shí)驗(yàn)取材于康銅冶煉廠尾礦廢棄地(27°58′34″ N，102°11′50″ E)，位于西昌市西北部，總面積約為18543m2。該地隸屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年溫差較小。干濕分明，夏季多雨，冬季少雨且溫暖，空氣濕度較低。陽(yáng)光旺盛，平均日照時(shí)間較長(zhǎng)。相對(duì)而言，春天風(fēng)力較大，風(fēng)力等級(jí)可達(dá)3～4級(jí)。夏季最高氣溫大概為27～28℃，而冬季夜間最低氣溫也在0℃以上。尾礦廢棄地內(nèi)已有一定的植物成功定居，但種類(lèi)較為單一，數(shù)量較少。

1.2 研究區(qū)植被調(diào)查

于2018年10月對(duì)研究區(qū)開(kāi)展了植被調(diào)查，實(shí)驗(yàn)采取以尾礦庫(kù)中心為起點(diǎn)，分別向東、南、西、北4個(gè)方向設(shè)置4條樣線，然后在每條樣線兩側(cè)隨機(jī)設(shè)置樣方5個(gè)。樣方面積為1m×1m，共設(shè)樣方20個(gè)。分別調(diào)查每個(gè)樣方內(nèi)的植物種類(lèi)、植株高度、株數(shù)和蓋度等。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，康銅冶煉廠尾礦廢棄地內(nèi)的植被分為3種較穩(wěn)定的群落。成功自然定居的植物共25種，分屬9科23屬25種植物，主要有禾本科植物7種，菊科植物5種，莧科植物3種。生活型多以一年生植物為主。

表1 地上植被群落類(lèi)型及特征

1.3 土壤種子庫(kù)取樣

土壤取樣在2018年10月中旬進(jìn)行。按植被分布情況，在尾礦廢棄地設(shè)東、西兩個(gè)樣地，然后采用五點(diǎn)取樣法在樣地中選取四角和中心共五個(gè)小樣方，采集0～10cm表層土，將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室備用。按同樣的方法取一份礦渣，一份相鄰生環(huán)境土壤。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

取出土樣進(jìn)行人工篩選，去除其中的石塊和殘余的植物器官，混合均勻并根據(jù)重量分成兩份，編號(hào)分別為A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，其中A組為礦渣，B組和C組為尾礦廢棄地土壤，D組為相鄰生境土壤。放置至自然風(fēng)干。自然風(fēng)干之后，采用高溫法對(duì)土壤中休眠的種子進(jìn)行破休眠，40℃處理24h。20cm×15cm×8cm 塑料盤(pán)為萌發(fā)床，其中先填充5cm 經(jīng)處理的基質(zhì)，基質(zhì)均通過(guò)高溫滅活(用烘箱經(jīng)過(guò)120℃高溫烘烤12h)，將土樣分別平鋪于基質(zhì)表面，厚度約為2cm置于溫室內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。每天澆水2次，以保證種子萌發(fā)所需的水分，光照時(shí)長(zhǎng)為12h，溫室的溫度控制在為25～27℃。每天記錄1次發(fā)芽數(shù)量，并且在種子發(fā)芽生長(zhǎng)7d后進(jìn)行移植，移至裝有5cm營(yíng)養(yǎng)土基質(zhì)的萌發(fā)盤(pán)中，并定期記錄其生長(zhǎng)情況。當(dāng)萌發(fā)數(shù)量增加較少或停止萌發(fā)時(shí)翻動(dòng)土壤，保證更多的種子能夠萌發(fā)，直到連續(xù)14d無(wú)種子萌發(fā)為止。幼苗移植后繼續(xù)培養(yǎng)，直至鑒出植物種類(lèi)。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

本論文對(duì)于實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果采用 Sorensen’s coefficient 指數(shù)法[9]，計(jì)算土壤種子庫(kù)與地上植被(或其它種子庫(kù))二者之間的相似性。

式中：CC—Sorensen指數(shù)的值；c—在地上植被與土壤種子庫(kù)中皆出現(xiàn)的植物種數(shù)；s1、s2—地上植被所有植被種數(shù)，土壤種子庫(kù)中所有的植物種數(shù)。

根據(jù)各樣地土壤種子庫(kù)中的種子數(shù)量及其種類(lèi)，分別計(jì)算Margalct 豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielow均勻度指數(shù)(E)[10]:

E=H/lnS

式中：S—物種總數(shù)；N—植物種子總數(shù)；Pi—各樣地第i種植物的種子數(shù)在該樣地種子庫(kù)中總種子數(shù)中所占比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤種子庫(kù)的組成

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。可知尾礦廢棄地土壤共萌發(fā)了5種植物，隸屬于4科5屬5種，其中以禾本科為主，出現(xiàn)了2種禾本科植物，植物的生活型以多年生草本植物為主。尾礦廢棄地中礦渣共萌發(fā)了3種植物，隸屬于3科3屬3種，生活型以多年生草本為主。相鄰生境土壤共萌發(fā)了6種植物，隸屬于3科6屬6種，其中以禾本科和菊科為主，禾本科3種，菊科2種，生活型以多年生草本為主。根據(jù)結(jié)果可見(jiàn)三種土樣中，萌發(fā)結(jié)果數(shù)量最多的是禾本科植物狗牙根，說(shuō)明狗牙根不僅是尾礦廢棄地的鄉(xiāng)土植物，而且對(duì)尾礦污染的土地表現(xiàn)出了很強(qiáng)的耐性，可以做為后期植物修復(fù)的植物之一。

表2 不同樣地主要植物及其主要比例 (%)

2.2 不同樣地土壤種子庫(kù)比較

不同樣地的種子庫(kù)密度差異較大，廢棄地B(375粒/m2)>礦渣A(350粒/m2)>相鄰生境D(300粒/m2)>廢棄地C(175粒/m2)。而同樣是尾礦廢棄地種子庫(kù)，但其結(jié)果之間差距達(dá)到近兩倍，說(shuō)明廢棄地土壤種子庫(kù)存在空間異質(zhì)性。

由表3可知，不同樣地土壤種子庫(kù)與地上植被的相似性為0.214～0.387，相鄰生境表現(xiàn)出最高的相似性，礦渣最低。

表3 各樣地土壤種子庫(kù)種子密度及其地上植被的相似性

計(jì)算不同樣地土壤種子庫(kù)的相似度(表4)，結(jié)果顯示，不同樣地之間的相似性差異較大，其變化區(qū)間為0.222～0.857，其中礦渣與尾礦廢棄地的相似性最高，礦渣和相鄰生境相似性最低，可見(jiàn)植被類(lèi)型受到礦渣基質(zhì)的影響很大。而尾礦廢棄地由于受到礦渣堆積的影響表現(xiàn)出與礦渣種子庫(kù)的相似性較高。

表4 各樣地土壤種子庫(kù)之間的相似度

2.3 各樣地土壤種子庫(kù)多樣性特征

由Margalct指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)計(jì)算結(jié)果，均表明相鄰生境的土壤種子庫(kù)豐富度以及多樣性都是最高的，而礦渣種子庫(kù)豐富度最低，尾礦廢棄地土壤種子庫(kù)與礦渣的多樣性接近。在均勻度方面，尾礦廢棄地的兩個(gè)樣方差異明顯，說(shuō)明其土壤種子庫(kù)存在明顯的空間異質(zhì)性。

表5 不同樣地土壤種子庫(kù)的物種多樣性

3 討論

土壤種子庫(kù)是植物自然更新的物質(zhì)基礎(chǔ)[11]，對(duì)于地上的植被更新具有重要的意義，與地上植被之間存在相互影響的動(dòng)態(tài)關(guān)系[12]。地上植被的種子經(jīng)過(guò)各種途徑最終還是會(huì)進(jìn)入到土壤之中，就形成了土壤種子庫(kù)，土壤種子庫(kù)中有活力的種子在一定的條件下成功萌發(fā)，在一定程度上也決定了地上群落的結(jié)構(gòu)和功能[13]。研究表明西昌康銅冶煉廠尾礦廢棄地土壤種子庫(kù)萌發(fā)并鑒別出的植物種類(lèi)僅有5種左右，多樣性指數(shù)值也偏小，植物的多樣性較低。而植被調(diào)查表明地上植被類(lèi)型有25種，地上植被豐富度遠(yuǎn)大于土壤種子庫(kù)，兩者之間相似度較低。尾礦廢棄地土壤種子庫(kù)的5種植物均是地上植被調(diào)查出現(xiàn)過(guò)的物種，這表明康銅冶煉廠尾礦廢棄地的植被群落在未來(lái)短時(shí)間不會(huì)發(fā)生特別大的變化。地上植被調(diào)查和土壤種子庫(kù)萌發(fā)結(jié)果表明，康銅冶煉廠廠尾礦廢棄地定居的植物以禾本科和菊科植物為主，也表明尾礦廢棄地比較適合禾本科和菊科植物的生長(zhǎng)。

植被群落的結(jié)構(gòu)由土壤中的種子和無(wú)性繁殖體共同決定[14]。研究中土壤種子庫(kù)的統(tǒng)計(jì)僅包含了土壤中能萌發(fā)的種子,并未考慮根莖等無(wú)性繁殖體，尾礦種子庫(kù)與地上植被的相似性低可能是由于一些地上物種進(jìn)行無(wú)性繁殖對(duì)土壤種子庫(kù)形成的貢獻(xiàn)較小造成的。此外有研究顯示，不同氣候特征下的土壤種子庫(kù)與地上植被兩者的相似性也存在較大的差異，其中又以亞熱帶地區(qū)差異最大[15]，本實(shí)驗(yàn)的研究地隸屬于亞熱帶地區(qū)，因此研究中相似性指數(shù)較低可能與其氣候特征有關(guān)。

而尾礦廢棄地的兩個(gè)樣地均勻度差異較大，存在明顯的空間異質(zhì)性，原因之一可能是尾礦廢棄地內(nèi)礦渣堆放不規(guī)則，其二是尾礦廢棄地內(nèi)的土壤濕度存在明顯的空間差異。

調(diào)查結(jié)果顯示，尾礦廢棄地內(nèi)各群落構(gòu)成與相鄰生環(huán)境群落構(gòu)成差異較大，尾礦廢棄地以狗牙根的覆蓋度最大，而相鄰生環(huán)境以白茅的覆蓋度最大?？梢?jiàn)，在尾礦廢棄地中土壤的理化性質(zhì)影響了其種子庫(kù)的特征。

4 結(jié)論

西昌康銅冶煉廠尾礦廢棄地土壤萌發(fā)存活并最終鑒定的植物有5種，均為草本植物，以禾本科植物居多，植物多樣性較低。在萌發(fā)的植物種中，出現(xiàn)最多的是禾本科植物狗牙根(Cynodon dactylon)，其表現(xiàn)出了旺盛的生命力以及對(duì)銅尾礦重金屬的抗性，可以作為尾礦廢棄地植被重建的先鋒植物。與相鄰生環(huán)境土壤種子庫(kù)對(duì)比，康銅冶煉廠尾礦廢棄地基質(zhì)的改變影響了土壤種子庫(kù)的特征?？点~冶煉廠尾礦廢棄地存在明顯的空間異質(zhì)性，在下一步的研究中應(yīng)結(jié)合廢棄地土壤性質(zhì)的空間變化增加采樣數(shù)，更加全面地掌握其特征。