滇東北鉛鋅礦區(qū)廢棄地的自然演替特征研究

袁鑫奇，郭兆來，王越，曾銘，俞乃琪，潘瑛，劉嫦娥,段昌群*

（1. 云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650091；2. 云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091）

生態(tài)系統(tǒng)的污染和退化是我國的主要環(huán)境問題，采礦活動(dòng)正是導(dǎo)致其發(fā)生的主要原因之一[1-2]。然而對于欠發(fā)達(dá)地區(qū)而言，礦產(chǎn)資源開發(fā)是促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要手段，但開采與冶煉技術(shù)落后、產(chǎn)業(yè)布局不合理、無計(jì)劃開采和未進(jìn)行環(huán)境監(jiān)管等原因，導(dǎo)致開采區(qū)及周邊人類生活區(qū)土壤受到嚴(yán)重的重金屬污染[3-6]。一方面，過高的土壤重金屬含量使本土植物在生存、生長和繁殖等方面受到了不同程度的威脅[7]。另一方面，重金屬元素會(huì)隨著徑流遷移，導(dǎo)致污染擴(kuò)散，甚至?xí)ㄟ^食物鏈傳遞進(jìn)入人體，從而嚴(yán)重危害人類的生存與生產(chǎn)[6]。因此，對礦區(qū)廢棄地進(jìn)行治理是當(dāng)務(wù)之急。

迄今為止，礦區(qū)治理的主要方法可分為物理化學(xué)手段和植物修復(fù)手段[8]，但由于成本問題，使得后者變得愈受歡迎[9]，并成為了研究熱門。植物修復(fù)具有成本低、對環(huán)境溫和、破壞性小、原位修復(fù)且普適等優(yōu)點(diǎn)[10]，大規(guī)模種植本地優(yōu)勢植物，是利用其修復(fù)退化土地的主要方式[11]。但人為新建的植物群落抵抗力較差，容易被外來物種入侵，從而導(dǎo)致修復(fù)效果不佳[12]，再加上極端條件下種間種內(nèi)的消極互作關(guān)系，導(dǎo)致污染退化區(qū)域草叢向森林的演替不易發(fā)生[13]。相關(guān)研究表明，即使對復(fù)墾后區(qū)域進(jìn)行人為管理，但由于其在維持物種多樣性層面上的效果有限[14]，故使得問題依舊難以解決。因此，科研工作者開始關(guān)注退化環(huán)境的自然演替研究，如Yuan等[15]在山西煤礦廢棄地的研究中發(fā)現(xiàn)，再生的生態(tài)系統(tǒng)可以達(dá)到自我維持的狀態(tài)，Mohd等[16]對馬來西亞自然再生和人工恢復(fù)的紅樹林進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)特征分析比較，表明人工恢復(fù)的紅樹林可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得更高的生物量，而自然再生的紅樹林物種多樣性更高，林分結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，他們建議紅樹林恢復(fù)應(yīng)以自然再生為主。相關(guān)學(xué)者對金屬尾礦區(qū)自然演替的研究也有多年，如對鋁礦[17]、煤 礦[18]、鐵礦[19]等廢棄地的自然恢復(fù)進(jìn)行研究，且都得到了相似的結(jié)論——穩(wěn)定且能自我維持的植物群落才能適應(yīng)極端生境。

云南省是我國的“有色金屬之鄉(xiāng)”，有眾多的礦區(qū)廢棄地正遭受重金屬污染。因此，研究尾礦區(qū)的自然演替過程對其治理與恢復(fù)過程有重要意義。故本文將以云南省東北部兩處已進(jìn)行多年自然演替的鉛鋅礦區(qū)廢棄地為研究區(qū)域，揭示礦區(qū)廢棄地自然演替過程中土壤理化性質(zhì)、重金屬含量以及植物更替的動(dòng)態(tài)變化特征，為污染退化環(huán)境的自然恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究點(diǎn)選在會(huì)澤縣礦山鎮(zhèn)礦區(qū)（103.70°E，26.64°N）和羅平縣富樂鎮(zhèn)礦區(qū)（104.38°E，25.35°N），兩地均位于云南省東北部的曲靖地區(qū)，為典型的溫帶高原季風(fēng)氣候，四季不明，夏無酷暑，冬季冷寒，干濕分明。年均雨量為858.4 mm，平均海拔2 200 m以上，年均晴日225 d，年均日照2 100 h，年均氣溫12.7 ℃。年均相對濕度79%，年均風(fēng)速 2.5 m/s，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)占13%，靜風(fēng)頻率為21%。水熱條件優(yōu)越，有利于植物生長，為自然恢復(fù)提供有利的地質(zhì)氣候條件。兩區(qū)鉛鋅礦冶煉歷史距今約有70年（1950—1990年為冶煉期）[20]，現(xiàn)為廢棄地。天然土壤類型為黃棕壤，土壤呈弱堿性，植被稀疏，以灌木和草本植物為主[21]。

1.2 植物調(diào)查和土壤采集

于2020年10月對兩鉛鋅礦區(qū)廢棄地進(jìn)行植物調(diào)查和土壤樣品采集，由于各區(qū)域廢棄年限不同，故利用空間序列代替時(shí)間序列的方法，在每個(gè)研究區(qū)設(shè)置6個(gè)演替階段（見表1），分別為次生裸地（Secondary bare land，SL，廢棄1年）、稀疏草叢（Sparse grass，SG，廢棄5年）、高草草叢（Tall grass，TG，廢棄10年）、灌木草叢（Bushes，BU，廢棄15年）、稀樹草叢（Sparse tree，ST，廢棄20年）和針闊混交林（Coniferous and broad-leaved mixed forest，CB，廢棄25年）。采用最小樣方面積法對植物組成進(jìn)行調(diào)查，其中稀疏草叢樣方面積為1 m×1 m、高草草叢為2 m×2 m、灌木草叢為3 m×3 m、稀樹草叢為5 m×5 m、針闊混交林為10 m×10 m，每個(gè)階段三個(gè)重復(fù)。對每個(gè)階段的樣方（包括次生裸地樣方， 1 m×1 m，三個(gè)重復(fù)）進(jìn)行五點(diǎn)取樣法采集土樣（五點(diǎn)的土樣混成一個(gè)樣方土樣），土樣重量為500～ 1 000 g，采集深度為0～20 cm，共36份土壤樣品。所有樣品用聚乙烯塑料袋放氣封裝后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，以供相關(guān)指標(biāo)測定。

表1 采樣點(diǎn)概況Table 1 Overview of sampling points

1.3 指標(biāo)測定方法

在采集土壤樣品之前，先用OLYMPUS VANTA便攜式重金屬元素分析儀對研究區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行初步測定。根據(jù)《土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)——農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值(試行)》規(guī)定，得知兩區(qū)超標(biāo)重金屬元素為Pb、Zn、Mn、Cu和Cd。

植物的相關(guān)指標(biāo)測定方法：現(xiàn)場測量調(diào)查并記錄草本和灌木的種類、株數(shù)、蓋度，喬木的樹高、胸徑、種類、株數(shù)，以此計(jì)算重要值，并設(shè)置優(yōu)勢度等級，對植物種進(jìn)行等級分類。具體如下[22]：

株高大于1.3 m的植物重要值計(jì)算公式為：

株高小于1.3 m的植物重要值計(jì)算公式為：

式中：IV（Important value）為重要值，RS（Relative significance）為相對顯著度，RC（Relative coverage）為相對蓋度，RA（Relative abundance）為相對多度。

土壤的相關(guān)指標(biāo)測定方法：揀去雜質(zhì)的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干碾碎后，采用四分法混勻樣品，再分別過2 mm和1 mm篩。采用重鉻酸鉀外加熱法測土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量，凱氏定氮法和氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法分別測土壤全氮（TN）和全磷（TP）的含量[23]；硝酸-高氯酸-氫氟酸消解火焰原子吸收光譜儀（VARIAN 240FS）測定法測土壤中的重金屬含量；用二乙烯三胺五乙酸-三乙醇胺（DTPA-TEP)作為浸提劑，在（20±2）℃條件下，以160～200 r/min的震蕩頻率，震蕩2 h，將上清液過濾后，使用火焰原子吸收光譜儀測定重金屬的有效態(tài)[24]。此外，土壤容重采用環(huán)刀法測定，pH值采用pH計(jì)測定，坡度使用多功能坡度測量儀測定，坡向利用指南針確定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件整理和計(jì)算數(shù)據(jù)；采用SPSS 26.0軟件統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)P＜0.05時(shí)，表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，以單因素方差分析 （oneway ANOVAs）對不同演替階段土壤中的營養(yǎng)元素和重金屬元素及其有效態(tài)進(jìn)行差異性分析，以最小顯著性差異法（Least significant difference，LSD）進(jìn)行多重比較，對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量與重金屬元素含量之間進(jìn)行非參數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)，以檢測其相關(guān)性；采用Sigmaplot 14.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦區(qū)植物群落調(diào)查

在礦山鎮(zhèn)礦區(qū)共調(diào)查植物種類30種（見表2），隸屬于15科，其中菊科8種，禾本科4種，豆科4種，松科和殼斗科各2種，蓼科、鳳尾蕨科、馬?？啤⑺N薇科、小檗科、千屈菜科、樟科、大戟科、楊柳科和樺樹科各1種。優(yōu)勢種分別為：白茅（Imperata cylindrica）、芒（Miscanthus sinensis）、蜈蚣蕨（Pteris vittata）、華山松（Pinus armandii）和云南松（Pinus yunnanensis）。植物群落大多以草本為主，自然演替程度較低，且禾本科和菊科居多，這與菊科和禾本科植物種類多，生長快，分布廣，耐貧瘠、干旱和污染的特性有關(guān)。

表2 礦山鎮(zhèn)鉛鋅礦區(qū)植物種類Table 2 The species of plant in Kuangshan Town Pb-Zn mine

在富樂鎮(zhèn)礦區(qū)共調(diào)查植物種類37種（見表3），隸屬于21科，其中菊科7種，禾本科6種，薔薇科3種，殼斗科、豆科和松科各2種，蓼科、鳳尾蕨科、馬?？?、唇形科、小檗科、千屈菜科、樟科、大戟科、藤黃科、胡桃科、柏科、玄參科、金縷梅科、楊柳科和樺樹科各1種。優(yōu)勢種分別為：白茅、芒、蜈蚣蕨、紫莖澤蘭（Ageratina adenophora）、滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoide）、華山松和云南松。植物群落大多以喬灌木為主，組成較豐富，自然演替程度較高，群落較穩(wěn)定。

2.2 不同演替階段植物種數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

兩研究區(qū)不同演替階段的植物組成動(dòng)態(tài)變化和各物種的優(yōu)勢度等級可見表2和表3，植物種數(shù)的動(dòng)態(tài)變化可見圖1。發(fā)現(xiàn)兩區(qū)在自然演替過程中植物種數(shù)都呈現(xiàn)先增后減的趨勢，即演替前期是以生態(tài)幅寬、抗逆境能力強(qiáng)的先鋒植物為主，如白茅、芒和艾蒿等禾本科、菊科植物，是物種數(shù)快速增長的階段；演替中期以蓋度大、生長繁殖快的過渡植物為主，如蜈蚣蕨，此時(shí)物種數(shù)達(dá)到峰值；演替后期以生物量大、對環(huán)境調(diào)控能力強(qiáng)的喬木為主，如尼泊爾榿木、華山松和云南松，形成了與當(dāng)?shù)貧夂蛳噙m應(yīng)的頂級群落。這整個(gè)過程與廢棄農(nóng)田和災(zāi)后森林等生境的次生演替過程相似。

表3 富樂鎮(zhèn)鉛鋅礦區(qū)植物種類Table 3 The species of plant in Fule Town Pb-Zn mine

從營養(yǎng)資源配置策略的角度分析不同演替階段的優(yōu)勢植物可知，前期優(yōu)勢植物主要將資源用于定植和生存，中期優(yōu)勢植物主要將資源用于生長和繁殖擴(kuò)散，后期優(yōu)勢植物則主要將資源用于占據(jù)生態(tài)位和調(diào)控微環(huán)境。從繁殖策略分析，可發(fā)現(xiàn)隨著演替進(jìn)行優(yōu)勢種繁殖方式的變化過程為：主營無性繁殖→無性繁殖和有性繁殖共營或無性繁殖向有性繁殖轉(zhuǎn)化→主營有性繁殖。分析不同演替階段優(yōu)勢植物的生活型，得知其大致變化過程為：一年生→多年生、草本→灌木→喬木。

2.3 不同演替階段土壤重金屬含量及其有效態(tài)含量的變化

通過實(shí)驗(yàn)室測定分析兩研究區(qū)土壤的pH值和重金屬含量，結(jié)果表明（表4），兩礦區(qū)的土壤pH值范圍為7.1～7.4，且大致都呈現(xiàn)在演替中后期pH值下降的趨勢，其變化的原因可能是因?yàn)橹泻笃诘膬?yōu)勢物種主要以生物量較大的喬木為主，其分解產(chǎn)生的有機(jī)酸釋放到土壤中所致，同時(shí)全球變暖導(dǎo)致的酸沉降也會(huì)影響pH值的變化[25]。

表4 不同演替階段的土壤重金屬含量（mg/kg）Table 4 Soil heavy metal content in different succession stages

通過分析土壤重金屬含量可知，礦山鎮(zhèn)礦區(qū)不同演替階段土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的平均含量分別為：808.4、547.9、1 311.8、220.5和4.6 mg/kg。 其中，Pb含量在針闊混交林階段最高，為2 195.8 mg/kg，分別是云南省背景值、全國背景值和土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)管制值的54倍、84倍和3倍。Cd含量的最高值在灌木草叢階段，為6.8 mg/kg，分別是云南省背景值、全國背景值和土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)管制值的34倍、68倍和2倍。Zn含量最大值也在灌木草叢階段，為588.5 mg/kg，是云南省背景值和全國背景值的7倍和8倍。Mn和Cu含量的最高值在稀疏草叢階段和高草草叢階段，為2 182.5 mg/kg和267.7 mg/kg，是全國背景值的4倍和12倍，且Cu的最大含量還是云南省背景值的6倍。

富樂鎮(zhèn)礦區(qū)不同演替階段土壤Pb、Zn、Mn、 Cu和Cd的平均含量分別為：776.1、641.2、2 282.8、 180.3和19.5 mg/kg。其中，Pb含量在灌木草叢階段最高，為1 689.5 mg/kg，分別是云南省背景值、全國背景值和土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)管制值的42倍、65倍和2倍。Zn、Mn和Cu含量的最高值點(diǎn)都在次生裸地階段，分別為873.3、3 686.7和315.3 mg/kg，分別是全國背景值的12倍、6倍和14倍，其中，Zn和Cu的最高含量分別是云南省背景值的10倍和7倍。而Cd含量的最高值點(diǎn)在針闊混交林階段，為34.9 mg/kg，是云南省背景值、全國背景值和土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)管制值的175倍、349倍和12倍。兩區(qū)土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的含量均遠(yuǎn)超相關(guān)背景值，其中Pb和Cd的含量超過了國家的管制值，是主要污染物。不同演替階段植被覆蓋程度的差異，使阻止重金屬元素的流失和擴(kuò)散的能力不盡相同[26]，從而導(dǎo)致不同階段的土壤重金屬含量及其有效態(tài)含量存在不同。

對土壤重金屬有效態(tài)含量及其與土壤重金屬總量的比值進(jìn)行分析，結(jié)果如表5和表6所示。不同演 替階段土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd有效態(tài)的平均含量礦山鎮(zhèn)為：232.2、52.4、286.9、33.8和0.7 mg/kg， 富 樂 鎮(zhèn) 為210.3、45.2、296.9、38.0和4.7 mg/kg。兩區(qū)土壤Pb和Zn的有效態(tài)占比大體上都呈現(xiàn)隨演替進(jìn)行而降低的趨勢，富樂鎮(zhèn)的Mn和Cd亦是如此。礦山鎮(zhèn)Mn、Cu和Cd的有效態(tài)占比在不同演替階段呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)；富樂鎮(zhèn)的Cu有效態(tài)占比呈現(xiàn)隨演替發(fā)生而先增后減的趨勢。通過對比發(fā)現(xiàn)，兩區(qū)土壤Pb和Zn及富樂鎮(zhèn)礦區(qū)土壤Cd的總量隨演替的發(fā)生而持續(xù)增長，而有效態(tài)占比卻呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，可以證明植被的覆蓋能有效地降低土壤中重金屬有效態(tài)的含量，從而減少污染危害。

表5 不同演替階段的土壤重金屬有效態(tài)含量（mg/kg）Table 5 Soil heavy metal available content in different succession stages

表6 不同演替階段土壤重金屬有效態(tài)含量與總量之比（%）Table 6 Ratio of soil heavy metal available content to total content in different succession stages

2.4 不同演替階段土壤營養(yǎng)元素的變化

對兩研究區(qū)不同演替階段的土壤營養(yǎng)元素進(jìn)行分析，可知（見圖2），不同演替階段的土壤營養(yǎng)元素含量有著顯著差異，其中，兩區(qū)土壤全氮都隨著演替的發(fā)生而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且都在灌木草叢階段的土壤氮素含量最高，同時(shí)，灌木草叢階段的物種數(shù)也都是演替過程中最多的時(shí)期，表明兩者在自然恢復(fù)過程中呈現(xiàn)出正向協(xié)同的關(guān)系，可證明氮素在維持物種多樣性的層面上發(fā)揮了重要的作 用[29]。土壤有機(jī)質(zhì)含量都隨演替的推進(jìn)而持續(xù)增長，這與凋落物的含量和分解增多有關(guān)[30]，同時(shí)有機(jī)質(zhì)的含量增加可加速退化環(huán)境的自然修復(fù)進(jìn)程[31]，表明兩者為相互促進(jìn)關(guān)系。兩區(qū)土壤全磷變化趨勢不同，礦山鎮(zhèn)礦區(qū)的土壤全磷隨演替進(jìn)行呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢，而富樂鎮(zhèn)礦區(qū)的土壤全磷卻呈現(xiàn)先減后增的趨勢，根據(jù)前人對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水循環(huán)耦合過程的研究可發(fā)現(xiàn)，植物在生長盛期時(shí)，土壤C、N、P和水循環(huán)之間的耦合作用最強(qiáng)[32]，再分析土壤全磷與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性，可知，礦山鎮(zhèn)礦區(qū)的自然恢復(fù)一直處于生長盛期，而富樂鎮(zhèn)礦區(qū)在灌木草叢階段之后才為生長盛期。

2.5 土壤營養(yǎng)元素與重金屬元素之間的相關(guān)性

為了探明礦區(qū)土壤重金屬元素與營養(yǎng)元素之間的相關(guān)性，以及判斷重金屬之間的來源是否相同，故進(jìn)行了Spearman等級相關(guān)系數(shù)和Kendallζ相關(guān)系數(shù)的計(jì)算。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果（見表7和表8）可知，在礦山鎮(zhèn)礦區(qū)中，Pb和Zn、Pb和SOM呈極顯著正相關(guān)性，Pb和TP、Mn和TN、Cd和TN、Zn和SOM、SOM和TN呈顯著正相關(guān)性，Pb和Cu、Zn和Cu、Cu和SOM、Cu和TP呈顯著負(fù)相關(guān)性。在富樂鎮(zhèn)礦區(qū)中，Pb和Zn呈極顯著正相關(guān)性，Zn和Mn、Zn和Cu、Zn和SOM、Pb和TP、SOM和TN呈顯著正相關(guān)性，Pb和Cu、Zn和Cd、Cu和Cd呈顯著負(fù)相關(guān)性。兩區(qū)土壤Pb和Zn之間都存在極顯著的正相關(guān)性，這與它們之間具有很高的同源性有關(guān)[33]，而Cu與其他重金屬元素之間主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與其具有獨(dú)特的積累和螯合機(jī)制有關(guān)[34]。兩區(qū)的SOM和TN之間都呈現(xiàn)顯著的正向相關(guān)性，是因?yàn)榈氐脑黾涌梢栽鰪?qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能[35]。兩區(qū)的Pb和TP、Zn和SOM之間都呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，且礦山鎮(zhèn)的Pb和SOM之間更是為極顯著正相關(guān)關(guān)系，這是由于土壤營養(yǎng)元素可以降低重金屬元素的有效性，從而減輕或消除重金屬對植物體的毒害作用[36]，使演替正常進(jìn)行。

表7 營養(yǎng)元素與重金屬元素之間的Spearman和Kendallζ系數(shù)（礦山鎮(zhèn)）Table 7 Spearman and Kendallζ coefficients between nutrient elements and heavy metal elements (Kuangshan Town)

表8 營養(yǎng)元素與重金屬元素之間的Spearman和Kendallζ系數(shù)（富樂鎮(zhèn)）Table 8 Spearman and Kendallζ coefficients between nutrient elements and heavy metal elements (Fule Town)

3 討論

3.1 礦區(qū)廢棄地自然演替的發(fā)生過程

空間序列代替時(shí)間序列的方法經(jīng)常在不明群落年限的植物（植被）調(diào)查中使用[37]，是較為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。本研究將此方法運(yùn)用于礦區(qū)廢棄地自然恢復(fù)的探索中，發(fā)現(xiàn)兩區(qū)的自然演替都呈現(xiàn)演替前期以生態(tài)位互補(bǔ)效應(yīng)為主，演替中后期以功能冗余和物種保險(xiǎn)機(jī)制為主，演替后期以選擇效應(yīng)為主的過程[38]。與其他退化生境的次生演替類似，礦區(qū)廢棄地的自然演替也由適宜的環(huán)境、正向的種間互作關(guān)系和土壤種子庫組成共同決定。潘攀等[39]的研究表明，植物群落和土壤營養(yǎng)物質(zhì)之間的協(xié)同響應(yīng)與人工草地恢復(fù)演替存在明顯的關(guān)聯(lián)性，在演替的不同階段主導(dǎo)的環(huán)境因素也不相同。與之類似，在本研究中，尾礦區(qū)的土壤氮素和有機(jī)質(zhì)在維持植物多樣性和推動(dòng)演替進(jìn)行的過程中都發(fā)揮了重要的作用。李婷婷等[40]在研究次生林主要物種的種間聯(lián)結(jié)性動(dòng)態(tài)變化中發(fā)現(xiàn)，在演替過程中，不同物種會(huì)通過調(diào)節(jié)自身的生態(tài)位來適應(yīng)激烈的競爭，最后趨于穩(wěn)定，使種間聯(lián)結(jié)緊密性增強(qiáng)，總體聯(lián)結(jié)性會(huì)由不顯著正聯(lián)結(jié)變?yōu)轱@著正聯(lián)結(jié)。根據(jù)表2和表3，分析礦區(qū)廢棄地不同植物在演替過程中的變化，可知不同階段的適應(yīng)性植物種類不盡相同，但確實(shí)存在物種更替的連續(xù)性，從而使得植物群落向氣候頂級群落發(fā)展。在以前的研究中相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)土壤種子庫為演替的發(fā)生提供了可能，其組成與原生植物組成和環(huán)境條件有關(guān)[41]，根據(jù)此結(jié)論可推測，可能是因?yàn)閮晌驳V區(qū)的地理位置和氣候條件差異不大以及土壤種子庫組成類似，才使得兩區(qū)的適生植物出現(xiàn)相似性。

3.2 超標(biāo)重金屬元素在演替過程中的變化

由于云南省位于亞歐板塊和印度洋板塊的交界處，所以礦產(chǎn)資源較為豐富，在建國后便成為了我國工業(yè)化階段的主要礦產(chǎn)輸送地，但這給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。陸泗進(jìn)等[42]對會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤中Pb和Cd的含量超標(biāo)嚴(yán)重，為主要的污染物。這與本文上述結(jié)果保持一致，這是因?yàn)閷︺U鋅礦進(jìn)行開采時(shí)不僅會(huì)向環(huán)境中釋放大量的Pb和Zn，同時(shí)也伴隨著Cd的釋放，而Cd在自然界的存在狀態(tài)較為穩(wěn)定，易原位積累。導(dǎo)致礦區(qū)廢棄地不同演替階段土壤重金屬含量變化的主要原因?yàn)橥寥赖拇呕什煌筒煌参飳χ亟饘僭氐母患D(zhuǎn)運(yùn)能力不同。趙宏等[43]在會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)進(jìn)行過土壤磁化率與Pb、Zn和Cd的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明土壤磁化率與pH、有機(jī)質(zhì)、全量Pb和全量Zn呈顯著正相關(guān)，與Cd的相關(guān)性不顯著。根據(jù)這一結(jié)論再結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可分析得到，隨著演替的進(jìn)行土壤的磁性升高，這可能是因?yàn)殡S著演替進(jìn)行，相關(guān)植物的根系對土壤中鐵鎂離子的控制能力增強(qiáng)，從而使土壤中鐵鎂礦物增多磁性增強(qiáng)。根據(jù)秦麗等[44]在會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)對主要植物的重金屬富集特征所做的研究可發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)可生存于其中的植物對Pb、Zn和Cd都有一定的富集轉(zhuǎn)移功能，由于本研究的結(jié)果表明不同演替階段的植物組成不 同，所以造成不同演替階段的土壤重金屬含量也存在差異。

3.3 演替過程中土壤營養(yǎng)元素與重金屬元素之間的關(guān)聯(lián)

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，有些重金屬元素與土壤營養(yǎng)元素呈正相關(guān)關(guān)系而有些重金屬與土壤營養(yǎng)元素卻成負(fù)相關(guān)關(guān)系。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因可分為四種[45]：1）某種營養(yǎng)元素增多可促進(jìn)植物對某種重金屬元素的積累；2）游離的營養(yǎng)元素離子可與游離的重金屬離子形成競爭關(guān)系；3）游離的營養(yǎng)元素離子與土壤溶膠發(fā)生置換反應(yīng)，使土壤pH值發(fā)生變化，從而增加或減少植物對游離重金屬離子的生物利用度，甚至可以影響土壤重金屬的有效態(tài)含量；4）營養(yǎng)元素可形成難溶鹽直接在表面吸附重金屬離子或誘導(dǎo)增強(qiáng)土壤的吸附作用，且營養(yǎng)元素離子還可與重金屬離子發(fā)生沉淀作用。結(jié)合整個(gè)演替過程發(fā)現(xiàn)，植物種類與土壤營養(yǎng)元素含量和重金屬元素含量的動(dòng)態(tài)變化特征與生物地球化學(xué)生態(tài)位假說相一致，即不同植物種對不同營養(yǎng)元素含量有著特定的需求及對不同的重金屬元素有著相應(yīng)的耐受性[46]。

4 結(jié)論

1）通過對兩尾礦區(qū)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩區(qū)的植物組成較豐富，次生演替過程中植物種數(shù)變化趨勢以及不同演替階段優(yōu)勢植物的資源配置策略、繁殖方式轉(zhuǎn)變和生活型變化等特征與廢棄農(nóng)田和災(zāi)后森林等生境的次生演替過程相似。

2）兩區(qū)土壤Pb、Zn、Mn、Cu和Cd的含量均超過相關(guān)背景值，其中Pb和Cd的含量超過了國家的風(fēng)險(xiǎn)管制值，是主要污染物。兩區(qū)的土壤重金屬元素有效態(tài)含量都隨著演替發(fā)生而降低，可以證明植被覆蓋能降低土壤重金屬元素的有效含量，從而降低污染危害。

3）兩區(qū)土壤的SOM和TN之間都呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，兩者在礦區(qū)廢棄地自然恢復(fù)的過程中共同發(fā)揮重要作用；兩區(qū)Pb和Zn之間都存在極顯著的正相關(guān)性，表明它們之間具有很高的同源性，而 Cu與其他重金屬元素和營養(yǎng)元素之間主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與其具有獨(dú)特的積累性和螯合機(jī)制有關(guān)。