我國礦區(qū)廢棄地土壤種子庫特征及其在生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

張元良,劉 安,黃 威,靳冬軒,劉曉龍,2，周立青,楊洪濤,2

(1.宜春學(xué)院，江西 宜春 336000；2.江西省高等院校硒農(nóng)業(yè)工程中心，江西 宜春 336000)

0 引 言

礦業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國煤炭、鋼鐵以及有色金屬等的品種、產(chǎn)量與品質(zhì)穩(wěn)居世界前3[1]。資料表明，我國95%以上的能源、80%以上的工業(yè)原料以及70%以上的農(nóng)業(yè)物資均源自礦產(chǎn)資源[2]，因此，礦產(chǎn)資源的開發(fā)已成為了我國經(jīng)濟(jì)增長的重要手段。但是，礦業(yè)活動造成地表景觀的破壞、水文干擾與水質(zhì)污染，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、大氣污染與微氣候擾動，土地資源的破壞，土壤污染與退化，水土流失加劇以及生物多樣性的破壞等諸多生態(tài)環(huán)境問題[3-5]，嚴(yán)重制約了礦區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。因此，礦業(yè)活動引起的生態(tài)環(huán)境問題已成為全球生態(tài)環(huán)境面臨的熱點問題之一。自十八大以來，生態(tài)文明理念漸入人心，在踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的道路上，將礦區(qū)廢棄地修復(fù)成綠水青山變得尤為重要和關(guān)鍵。因此，開展礦區(qū)土壤的修復(fù)使得退化的土地得以恢復(fù)和重新利用，完善優(yōu)化景觀結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而逐步解決因礦山開發(fā)而引起的生態(tài)環(huán)境問題已成為我國可持續(xù)發(fā)展政策優(yōu)先關(guān)注的關(guān)鍵問題之一。

植物的種子是植物更新的源儲存庫，具有避免脅迫與干擾對植被更新造成不利影響的生態(tài)功能。土壤種子庫是指存在于土壤的表層以及土壤中全部活的種子[6]，是土壤中種子聚集和持續(xù)的結(jié)果[7]，亦是植物對逆境適應(yīng)機(jī)制和植被恢復(fù)演替研究的關(guān)鍵內(nèi)容[8]。此外，由于土壤種子庫保存了不同環(huán)境條件和不同時期地上植被的種子，可在一定程度上反應(yīng)地表植被過去的狀況，也可用于預(yù)估將來植被群落的結(jié)構(gòu)以及演替動態(tài)[9]。目前，土壤種子庫已成為國內(nèi)外生態(tài)學(xué)的研究熱點之一，其研究對于退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建具有重要的意義。近年來，國際上已有許多將土壤種子庫應(yīng)用于植被恢復(fù)工程中的成功案例[10-11]，而我國對各種退化生態(tài)系統(tǒng)的土壤種子庫以及將土壤種子庫應(yīng)用于植被恢復(fù)的實踐工程中的研究尚不多見[12-13]。本文在分析國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，介紹了國內(nèi)外礦區(qū)廢棄地修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展以及礦區(qū)土壤種子庫的特征，總結(jié)了我國礦區(qū)廢棄地土壤種子庫的研究進(jìn)展，進(jìn)而提出我國礦區(qū)土壤種子庫研究的框架體系與研究重點以及其潛在礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)中的潛在應(yīng)用價值，以期加強(qiáng)我國礦區(qū)土壤修復(fù)中土壤種子庫的研究與應(yīng)用，為提高礦區(qū)廢棄地土壤利用率以及加快地表植被群落的恢復(fù)進(jìn)程提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)土壤種子庫的重要性及其研究

1.1 礦區(qū)土壤種子庫的重要性

經(jīng)過礦產(chǎn)資源開發(fā)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的破壞，成為一種特殊的退化生態(tài)系統(tǒng)，而土壤種子庫是礦區(qū)廢棄土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)中不可或缺的重要資源。礦山開發(fā)留下的通常是心土或者礦渣等，加上機(jī)械設(shè)備的壓實作用，導(dǎo)致了土壤板結(jié)、緊實度高、有機(jī)質(zhì)以及養(yǎng)分等匱乏[14]。因此，礦區(qū)土壤理化性質(zhì)的變化與開采/修復(fù)工藝密切相關(guān)。研究表明，礦山開采造成的廢棄的土地，經(jīng)過修復(fù)后，其土壤理化性質(zhì)和生物特征發(fā)生了顯著變化，且變化程度與開采年限和修復(fù)工藝密切相關(guān)[15]。土壤種子庫作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)原能力[16]，因此相比于其他修復(fù)方式，采用土壤種子庫對礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)的作用大些。Uesugi等[17]認(rèn)為，利用土壤種子庫修復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)是一種不損壞遺傳區(qū)域性前提下恢復(fù)遺傳多樣性最有效的方法，因為土壤種子庫中含有大量原生生態(tài)系統(tǒng)的遺傳與變異特性[11]。與人工生態(tài)系統(tǒng)相比，由土壤種子庫萌發(fā)形成的群落更接近于原生生態(tài)系統(tǒng)，有利于向著原生群落的方向演替[18]。土壤種子庫對于外界的干擾較為敏感[19]，而礦區(qū)土壤、水文以及植被等生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化[14]，進(jìn)而不可避免的直接或間接影響礦區(qū)土壤種子庫的形成、發(fā)展以及演替特征。

1.2 礦區(qū)土壤種子庫的研究論文發(fā)表及國家分布

分別以“soil seed bank”and“application”和“土壤種子庫”和“應(yīng)用”為關(guān)鍵詞在Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)庫和CNKI為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，時間尺度設(shè)置為1920年至2020年，分別共計檢索到144篇和315篇(圖1)。

圖1 WOS核心數(shù)據(jù)庫與CNKI數(shù)據(jù)關(guān)于土壤種子庫應(yīng)用研究發(fā)文數(shù)量Fig.1 Publication number on soil seed bank and its application in the databases of web of science and CNKI

土壤種子庫作為地表植物群落恢復(fù)與重建的重要種源與模板，可顯著影響植被恢復(fù)的演替方向，近些年來土壤種子庫用于恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的研究與實踐已成為土壤種子庫研究的熱點之一。由圖1和圖2可知，我國關(guān)于土壤種子庫應(yīng)用的研究開始于1978年，截止到2020年，共有144篇相關(guān)文章；而國外則開始于1992年，截止到2020年共有315篇相關(guān)文章。自國外開始土壤種子庫應(yīng)用的研究，基本上每年的發(fā)文數(shù)量均較國內(nèi)多，僅2000年CNKI數(shù)據(jù)庫比WOS核心數(shù)據(jù)的發(fā)文數(shù)量多1篇，其余各年份中2011年CNKI和WOS核心數(shù)據(jù)庫發(fā)文數(shù)量差值達(dá)到了17篇。關(guān)于土壤種子庫應(yīng)用研究發(fā)文數(shù)量最多的國家是美國(61篇)，其次為澳大利亞(50篇)、德國(32篇)英國(30篇)、西班牙(19篇)、巴西(18篇)以及加拿大(16篇)等，我國的發(fā)文數(shù)量僅為16篇，排在加拿大之后。因此，可以看出來我國關(guān)于土壤種子庫應(yīng)用的研究雖然起步較早，但是發(fā)展較慢，未能積累足夠的成功案例。

圖2 WOS核心數(shù)據(jù)庫中各國家關(guān)于土壤種子庫應(yīng)用研究發(fā)文數(shù)量Fig.2 Publication number on soil seed bank application in web of science (core database) from different countries

2 我國礦區(qū)土壤種子庫的研究進(jìn)展

當(dāng)前，我國礦區(qū)土壤種子庫的基礎(chǔ)研究主要集中于礦區(qū)排土場、廢棄地土壤種子庫以及不同恢復(fù)措施處理后土壤種子庫的基本特征，而應(yīng)用研究則主要針對礦區(qū)廢棄地復(fù)墾中覆土厚度以及覆土后種子成活率和萌發(fā)率等方面開展[20]。

2.1 我國礦區(qū)土壤種子庫的基礎(chǔ)應(yīng)用研究

我國礦區(qū)土壤修復(fù)工作開始于上世紀(jì)80年代，經(jīng)過多年的發(fā)展已取得了一系列的成果[21-22]。而我國關(guān)于礦區(qū)土壤種子庫的研究多集中于露天煤礦排土場土壤種子庫以及不同植被修復(fù)措施下土壤種子庫組成特征的靜態(tài)檢測[23-24]。

生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)可通過生態(tài)演替的過程實現(xiàn)，尤其是在破壞相對較輕的條件下。研究表明，自然演替在礦區(qū)廢棄地上形成合適的植被覆蓋度大約需要50～100年[3,25-26]。礦區(qū)廢棄地實現(xiàn)植被的自然恢復(fù)是一個十分緩慢的過程，如Skousen等[25]指出，廢棄露天煤礦實現(xiàn)木本植物的定居最快也需要5年，而再經(jīng)過20～30年這些木本植物的蓋度也僅達(dá)到了14%～35%左右；而對于一些重金屬污染的礦區(qū)廢棄地來說，植被的自然恢復(fù)更為困難[27]。這主要是以往適合于這種環(huán)境的植被可能未傳播到這些區(qū)域，或者是傳播到的植被種子未能萌發(fā)，因此對于這些區(qū)域應(yīng)當(dāng)人為地引入更多的植被種類[28]。

群落的組成是土壤種子庫的重要特征之一，土壤種子庫密度、組成以及動態(tài)特征是群落更新與生態(tài)恢復(fù)的重要決定因子。研究表明，礦區(qū)復(fù)墾土地土壤種子庫的組成中以禾本科和菊科為優(yōu)勢種[24,29-31]。

土壤種子庫與地表植被的關(guān)系主要分為三類：(1)相似性；(2)不相似性；(3)動態(tài)關(guān)系[32]。未復(fù)墾空礦區(qū)的存在有利于種子的傳播，但土壤種子庫的組成較為單一，幼苗的生長亦較為緩慢[33]。吳祥云等[34]對客土修復(fù)礦區(qū)排土場進(jìn)行了研究，結(jié)果表明客土回填后雖然種子的萌發(fā)率以及物種多樣性增加，但是土壤種子庫的組成受到了干擾，導(dǎo)致客土修復(fù)后與天然植被的物種相似性降低。

復(fù)墾10年后，沙棘(Hippophaerhamnoides)、刺槐(Robiniapesudoacacia)以及草地的土壤種子庫組成較新排土區(qū)明顯增加，但是草地和沙棘林的優(yōu)勢種以蒿為主，刺槐林以大籽蒿(Artemisiasieversiana)為主，此外沙棘林和刺槐林后期較大的郁閉度可影響土壤種子庫的形成和發(fā)育[24,33]。目前，對于露天煤礦排土場的最佳生物修復(fù)模式為刺槐-油松(Pinustabulaeformis)-檸條(Carganakorshinshii)混交林[24]。

目前，關(guān)于礦區(qū)不同修復(fù)工藝流程對礦區(qū)土壤種子庫的結(jié)構(gòu)和活性等的影響機(jī)制以及修復(fù)期間土壤種子庫的時空動態(tài)變化的研究尚顯薄弱，仍需進(jìn)一步的深入探討。

2.2 礦區(qū)土壤種子庫的密度與結(jié)構(gòu)

礦區(qū)惡劣的土壤理化性質(zhì)導(dǎo)致礦區(qū)土壤種子庫的密度較自然群落低[35]，表明礦區(qū)廢棄地群落的土壤種子庫具有較低的物種多樣性以及群落結(jié)構(gòu)簡單等特點，因此地上植被產(chǎn)生的種子較少[36]。劉文勝等[37]和束文圣等[38]的研究結(jié)果也表明由于礦區(qū)土壤的特殊性導(dǎo)致了礦區(qū)地表植被減少，進(jìn)而導(dǎo)致土壤種子庫的密度較低。張冰等[39]對大同煤矸石山礦區(qū)的土壤種子庫密度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煤矸石山表層(0～10 cm)的土壤種子庫密度在835～2 873?！-2；張濤等[40]發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)重金屬污染的不同立地類型的土壤種子庫密度均值僅為412?！-2，遠(yuǎn)低于該區(qū)域其它生態(tài)系統(tǒng)土壤種子庫的密度；此外，干旱礦區(qū)重金屬生境的土壤種子庫儲量隨季節(jié)變化存在差異，10月份最高，5月份最低[41]。

土壤種子庫的結(jié)構(gòu)與地表植被并無必然聯(lián)系。其原因是多方面的，首先土壤種子庫的種子不能完全萌發(fā)；其次地表植被的種子并不能完全進(jìn)入土壤中；第三，雖然有種子進(jìn)入了土壤中，但部分種子屬于短暫種子庫，在調(diào)查前已萌發(fā)或死亡；最后，外源種子也會影響土壤種子庫的結(jié)構(gòu)。研究表明，復(fù)墾的排土場的土壤種子庫以禾本科的草本植物最多，其次為菊科[24,34]。齊丹卉等[29]發(fā)現(xiàn)蘭坪鉛鋅礦區(qū)土壤種子庫中以禾本科、菊科和薔薇科為優(yōu)勢種；而束文圣等[38]通過對華南鉛鋅礦區(qū)的土壤種子庫的組成進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該區(qū)域的土壤種子庫中共有16科53種可以萌發(fā)，其中禾本科為優(yōu)勢種，其次為菊科；沈章軍等[30]發(fā)現(xiàn)銅尾礦土壤種子庫的組成中禾本科、菊科和豆科植物為優(yōu)勢種；莫愛等[31]發(fā)現(xiàn)天山北坡的煤礦廢棄地土壤種子庫以禾本科和菊科為優(yōu)勢種。因此，可以認(rèn)為礦區(qū)植物群落的優(yōu)勢種的種子均具有耐重金屬脅迫、種子的體積小、種子量大以及易隨風(fēng)飄散等特征，以便于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)[36]。

2.3 礦區(qū)土壤種子庫的時空動態(tài)特征

土壤種子庫是一個動態(tài)的系統(tǒng)，其密度以及組成受種子的輸入與輸出兩個方面的影響[42]。以往的研究證實了土壤種子庫的組成和密度具有明顯的季節(jié)性動態(tài)[43]。由于礦區(qū)植被的生長規(guī)律、土壤生物活性以及土壤理化性質(zhì)與礦山開采和土地利用中不同植被的去除、表土的剝離與存放、土壤恢復(fù)以及后期的植被恢復(fù)等活動密切相關(guān)[44-45]，因此礦區(qū)的土壤種子庫的動態(tài)特征較其他地區(qū)更加明顯[46]。

土壤種子庫的主要輸入途徑為土壤種子雨，而其輸出則主要通過種子的萌發(fā)被攝食以及腐爛等過程[37,47]。因此，土壤種子庫的輸入與輸出除了與種子自身的生物學(xué)特征相關(guān)外，還與氣候與土壤等特點密切相關(guān)。如降水決定了種子的成熟、傳播、萌發(fā)與休眠等特征[48]；礦區(qū)極端的生態(tài)系統(tǒng)對種子的萌發(fā)與休眠等產(chǎn)生重要的影響；此外，礦區(qū)惡劣的土壤理化性質(zhì)可減少土壤生物的活動，進(jìn)而降低種子被攝食或腐爛的概率，因而對土壤種子庫的動態(tài)具有重要的影響[49]。

土壤種子庫中種子的空間分布主要受種子的表型特征、動物干擾以及土壤結(jié)構(gòu)等因素的影響[50]。由于體積小的種子相對更容易進(jìn)入土壤深處，而體積較大的種子則相對較難，這導(dǎo)致了特定深度的土層中含有特定體積的種子。地表的種子主要通過雨水的沖刷、動物的干擾以及土壤裂隙的影響[30]。研究表明，土壤種子庫的密度隨著土壤深度的增加而逐漸減少。通常土壤中的種子主要分布在0～4 cm的土層中，而8～12 cm的土層中種子的密度顯著降低[51]。張濤等[41]發(fā)現(xiàn)0～5 cm土層中集中了土壤種子庫中76.5%的種子；沈章軍等[30]的研究結(jié)果表明，礦區(qū)土壤種子庫80%的種子集中在0～5 cm的表土中。因此，礦業(yè)開采過程會造成礦區(qū)內(nèi)不同地段的土壤混合、壓實以及土壤理化性質(zhì)的變化[45]，進(jìn)而礦區(qū)干擾因素的復(fù)雜性導(dǎo)致了土壤種子庫的空間變異性增加。

3 土壤種子庫在我國礦區(qū)廢棄地修復(fù)中的作用

3.1 我國礦區(qū)廢棄地主要修復(fù)技術(shù)

礦業(yè)活動嚴(yán)重破壞了原生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)退化與環(huán)境污染。針對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點，我國普遍采用的土地修復(fù)與復(fù)墾技術(shù)主要包括：(1)土地、土壤、水和大氣等環(huán)境因子的重建和利用技術(shù)；(2)利用物種、種群以及群落等生物因素的恢復(fù)和再生技術(shù)[14]。然而，這兩種技術(shù)手段均需要性質(zhì)較好且富含有機(jī)質(zhì)與土壤種子庫的表層土壤[44]。有關(guān)利用土壤種子庫在我國礦區(qū)土壤修復(fù)與植被恢復(fù)等領(lǐng)域中的作用已受到廣泛的關(guān)注[26]。但礦區(qū)土壤具有顯著的時空特異性等特點，且與礦業(yè)開采的工藝密切相關(guān)[23]，因此，礦區(qū)土壤種子庫的研究需要結(jié)合礦區(qū)復(fù)墾技術(shù)與土地利用特征。

3.2 土壤種子庫在我國礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用

由于礦區(qū)廢棄地的土壤保肥保水能力差，重金屬元素含量高以及pH失衡等可嚴(yán)重破壞了原有的生態(tài)系統(tǒng)，造成土地荒廢，植物的生長發(fā)育受到抑制，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。從近幾次的世界生態(tài)恢復(fù)大會關(guān)于礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的報告和論文來看，礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)的核心是植被、土壤、空氣以及水的修復(fù)，而系統(tǒng)性與大尺度的生態(tài)修復(fù)則是研究的重要方向。礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)的理論基礎(chǔ)是群落演替，若僅依靠礦區(qū)廢棄地自身條件則恢復(fù)過程非常緩慢，如果礦區(qū)廢棄地?zé)o表土，恢復(fù)過程可能需要上千年，而有表土仍需要50～100年，研究表明在廢棄的露天煤礦地上出現(xiàn)木本植物至少需要5年，再經(jīng)20～30年，這些定居的木本植物冠層蓋度才能達(dá)到14%～35%[25]。因此，礦區(qū)廢棄地的植被恢復(fù)需要引入更多的植被種類，該措施對于增加礦區(qū)廢棄地地表植被物種的多樣性以及地表覆蓋率非常重要[15]。土壤種子庫技術(shù)可減少人工造林所需的周期、降低植被恢復(fù)的成本以及減少生物入侵等特點，是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建的重要方式之一[52-53]。土壤種子庫對于地表植被群落的結(jié)構(gòu)和功能具有顯著影響，利用土壤種子庫進(jìn)行礦區(qū)廢棄地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建是一個主要途徑，但我國對于土壤種子庫的研究僅在理論水平，在工程應(yīng)用中的研究則更少。

土壤種子庫的應(yīng)用主要有管理現(xiàn)有植被群落的組成與結(jié)構(gòu)以及用于恢復(fù)和重建生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)土壤種子庫取樣地與目標(biāo)區(qū)域之間的關(guān)系，可將土壤種子庫的應(yīng)用分為“原地恢復(fù)(in situ restoration)”與“易地恢復(fù)(ex situ restoration)”[54]。利用土壤種子庫進(jìn)行植被恢復(fù)的主要步驟有：(1)背景值調(diào)查，主要進(jìn)行地表植被與土壤種子庫資源的調(diào)查。記錄地表植被群落與土壤種子庫的結(jié)構(gòu)與數(shù)量。估計表土量，同時還應(yīng)分析采用土壤種子庫進(jìn)行植被恢復(fù)的可行性；(2)表土剝離，主要剝離沃土層以及潛在的沃土層(通常為0～30 cm)，剝離時應(yīng)盡量保持其物理性狀；(3)表土儲存，應(yīng)以適宜的方式保存表土；(4)植被恢復(fù)，將含有土壤種子庫的土壤用于植被恢復(fù)；(5)植被檢測，主要對恢復(fù)后植被群落的結(jié)構(gòu)、密度以及多樣性進(jìn)行檢測，并采取適宜的管理與養(yǎng)護(hù)方式。雖然土壤種子庫具有潛在的植被恢復(fù)能力，可用于植被恢復(fù)，但“原地”與“易地”兩種恢復(fù)方式的應(yīng)用均尚未積累足夠的案例。

土壤種子庫可很大程度上決定植被恢復(fù)的演替方向，但土壤種子庫應(yīng)用于植被恢復(fù)時，還應(yīng)注意：(1)所需要的目標(biāo)植物種存在與否；(2)對種子萌發(fā)有利的環(huán)境條件的調(diào)控。在某些重金屬礦區(qū)廢棄地中，植被群落被嚴(yán)重破壞，土壤亦受到不同濃度與種類污染物的污染，并且土壤中有機(jī)質(zhì)以及營養(yǎng)元素含量比較低，僅為正常土壤的20%～30%[55-58]。在利用土壤種子庫修復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)時，種子能否萌發(fā)是最重要的環(huán)節(jié)，而植物的種子的萌發(fā)以及定居階段是植物個體生存的關(guān)鍵時期[59]，水文狀況以及土壤養(yǎng)分是影響植物種子萌發(fā)以及植物群落形成的基礎(chǔ)[60-62]。礦區(qū)廢棄地經(jīng)過多年的開發(fā)已不適宜土壤中大部分種子萌發(fā)和定居，因此在進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時，應(yīng)針對礦區(qū)廢棄地土壤的特點選擇適宜的土壤修復(fù)措施結(jié)合土壤種子庫進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，以加速礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)。目前，可用于重金屬污染土壤修復(fù)的物質(zhì)主要有石灰性物質(zhì)、有機(jī)物、磷酸鹽等[63]，而重金屬富集植物可采用土壤種子庫—重金屬濃度法進(jìn)行篩選[64]。如呼倫貝爾地區(qū)的露天排土礦場通過表土剝離和土壤培肥增加土壤有機(jī)質(zhì)和N、P、K等營養(yǎng)元素，然后將剝離的表土進(jìn)行回覆>30 cm。覆土厚度也顯著影響土壤理化性質(zhì)以及植物生長，研究表明覆土較薄時，不利于植物的正常生長，但過高的覆土厚度對植物的生長發(fā)育無明顯影響，反而增加了成本[65]。有學(xué)者指出應(yīng)根據(jù)植物根系的入土深度確定覆土的厚度[66]。北京野鴨湖濕地通過覆蓋鄰近區(qū)域土壤種子庫密度大的濕地表土，實現(xiàn)了退化濕地的生態(tài)恢復(fù)[67]。所以，當(dāng)這類土地進(jìn)行植被恢復(fù)前，應(yīng)利用適宜的土壤改良物質(zhì)進(jìn)行土壤改良或修復(fù)，或者選擇對土壤污染物富集能力較強(qiáng)的植物進(jìn)行有針對性的土壤改良和修復(fù)，為后續(xù)的植被恢復(fù)提供良好的基礎(chǔ)。

3.3 土壤種子庫在實際應(yīng)用中的限制因素

土壤種子庫中的種子均有其時空分布特征，在空間上的分布特征反映了種子在土壤中的初始分布以及之后的運動狀況[47]。土壤種子庫的水平分布特征主要受種子傳播方式與距離的影響，垂直分布特征則受土層深度、海拔等因素的影響[68]。通常土壤種子庫的垂直特征對種子的保存與萌發(fā)均有影響，種子在土壤中的數(shù)量隨著土層深度的增加而減少。研究表明，礦區(qū)表層(0～5 cm)的種子密度占土壤種子庫的80%，且種類也大于深層土壤[30]。但下層土壤的理化性質(zhì)相對穩(wěn)定，使得處于較深土層中的種子保存和存活時間相較于表層土壤中的種子要長，但發(fā)芽率也相對較低。

土壤種子庫對退化生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)是可行的，但土壤種子庫在實際應(yīng)用中的效果受到采集表土的厚度、土壤種子庫的損耗、覆土厚度以及覆土后種子發(fā)芽率等諸多因素的影響[11]，因此覆土等基質(zhì)改良措施將有利于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。其中，覆土的厚度需要滿足絕大部分種子萌發(fā)所需要的條件，如Grant等[69]在澳大利亞采用紅柳桉樹林的土壤種子庫對鋁土礦進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)，結(jié)果表明埋土深度超過5 cm的種子萌發(fā)與出土較為困難；然而我國學(xué)者則認(rèn)為在鉛鋅礦區(qū)若想實現(xiàn)植被恢復(fù)，需要覆土至少8 cm厚的表土[26,38]，這些結(jié)果表明采集表土的厚度以其生態(tài)系統(tǒng)均可影響土壤種子庫在礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)中的效果。此外，預(yù)鋪阻隔材料再引入土壤種子庫則可有利于種子庫中種子的萌發(fā)與定植[70]，劉會平等[71]發(fā)現(xiàn)以煤矸石作為阻隔材料，再覆土處理后的煤礦塌陷區(qū)土地的生產(chǎn)力與覆土厚度密切相關(guān)。已有的研究證實了覆土的厚度以及土壤理化性質(zhì)均可對種子的萌發(fā)、生長發(fā)育以及植被的恢復(fù)效果產(chǎn)生重要影響，因此在土壤種子庫的實際應(yīng)用中，國內(nèi)外學(xué)者提出了客土噴播和人造表土等技術(shù)方法，用于提高種子的萌發(fā)率和植被恢復(fù)的效果[1,11,72-73]。國外(特別是日本)在土壤種子庫的應(yīng)用中已取得了很多成功的經(jīng)驗，而我國關(guān)于土壤種子庫的實際應(yīng)用研究尚不多見，需要加強(qiáng)探索。

4 結(jié) 語

近些年來，國內(nèi)外關(guān)于礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)方面的研究有了突破性的進(jìn)展，然而礦區(qū)廢棄地土壤理化性質(zhì)的特殊性，廢棄物構(gòu)成的多樣性、堆積地形、所處環(huán)境的特殊性等使得礦區(qū)廢棄地的自然恢復(fù)更為緩慢與復(fù)雜。在我國今后的礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復(fù)研究中，應(yīng)借鑒并結(jié)合國內(nèi)外礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的成功經(jīng)驗，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)演替的規(guī)律，研究礦區(qū)廢棄地地表植被和土壤變化的自然規(guī)律與機(jī)理。

針對礦區(qū)土壤種子庫的特殊性，本文基于礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)以及表土管理利用程序構(gòu)建了土壤種子庫在我國礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)中應(yīng)用研究的框架體系，即以從背景值普查、修復(fù)技術(shù)以及效果評估3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展研究。(1)背景值普查。在礦區(qū)開采前或引入外源土壤種子庫前，應(yīng)系統(tǒng)全面地對礦區(qū)內(nèi)地表植被生物多樣性、土壤理化背景值和土壤種子庫的組成、密度以及時空分布格局等背景值進(jìn)行普查，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，可作為后期修復(fù)研究與工作中的參照背景值；(2)由于礦區(qū)廢棄地具有廢棄物構(gòu)成的多樣性、堆積地形、所處環(huán)境的特殊性等因素，礦區(qū)廢棄地的自然恢復(fù)更為緩慢與復(fù)雜，因此土壤種子庫是礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)的潛在材料。采用土壤種子庫對礦區(qū)廢棄地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時，需要明確土壤基質(zhì)改良措施以及最適宜的表土覆蓋厚度，并進(jìn)一步研究提高表土中土壤種子庫的有效性的技術(shù)措施；(3)明確礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)中土壤種子庫與地表植被的關(guān)系，明確生態(tài)修復(fù)效果與實際恢復(fù)效果的關(guān)系，制定評價土壤種子庫修復(fù)效果的技術(shù)指標(biāo)體系。