礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤特性與物種多樣性分析*

蘇軍德，李國霞

(甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100)

我國作為世界上礦產(chǎn)資源較為豐富的國家，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類對(duì)礦產(chǎn)資源的不斷開采，使礦區(qū)土地資源和植被遭到嚴(yán)重破壞，造成了水土流失、滑坡、泥石流等眾多不良影響[1]，加之礦山廢棄地土壤貧瘠，重金屬元素含量較高，嚴(yán)重限制著植物的生長發(fā)育。近年來，礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)與重建已引起了眾多學(xué)者[2-4]的高度關(guān)注，其中，植物群落和土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)[5]，因此，對(duì)礦山廢棄地土壤理化性質(zhì)和植被多樣性的演替規(guī)律進(jìn)行深入研究就顯得尤為重要。

甘肅省金昌市金川礦山作為我國重要的鎳鈷生產(chǎn)基地，經(jīng)過多年的開采，現(xiàn)已形成由尾礦和矸石堆積而成的礦山廢棄地約3.1 km2[6]，這不僅改變了區(qū)域內(nèi)土壤的理化性質(zhì)，還致使水體和植被遭到了重金屬的污染，加之干旱的氣候環(huán)境，使植物種群演替十分緩慢。近年來，眾多學(xué)者[7-8]對(duì)礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)過程中物種選取進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)礦山廢棄地土壤及植被的演替規(guī)律及其二者的響應(yīng)分析還鮮有報(bào)道。本文就以金川礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)區(qū)為研究對(duì)象，通過對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤理化特性及物種多樣性進(jìn)行深入調(diào)查分析研究，探討土壤理化性質(zhì)及植物多樣性的演替變化規(guī)律，進(jìn)而分析植物多樣性與土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，為礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)和重建提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)位于祁連山中部，河西走廊西段的龍首山脈北坡，海拔1 620 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫為9.2 ℃，年均降水量為210 mm，年輻射量138.0 J/m2，蒸發(fā)量是降水量的21倍[9]。植被多為溫帶荒漠型植被，土壤以灰鈣土、灰棕漠土及栗鈣土為主，尾礦多沙粒和粉粒，土壤含量和有機(jī)質(zhì)極少，透氣性較差，且含有Ni、Cu、Cd等重金屬元素。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料采集與處理

選擇修復(fù)區(qū)內(nèi)林木立地條件良好，具有代表性的地段按照對(duì)角線法布設(shè)20個(gè)(10 m×10 m)喬木樣方、20個(gè)(3 m×3 m)灌木樣方和20個(gè)(1 m×1 m)草本樣方，記錄樣方內(nèi)植被的數(shù)量、胸徑、基徑、高度、數(shù)量、覆蓋度等指標(biāo)。同時(shí)在每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置2個(gè)取樣點(diǎn)，挖取土壤剖面，取0～10 cm、10～20 cm的土壤樣品，裝入封口保鮮袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析其理化性質(zhì)。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤電導(dǎo)率和pH值用電位法測(cè)定；含水率用烘干法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀稀釋法測(cè)定[10]；速效磷用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；硝態(tài)氮用酚二磺酸比色法測(cè)定；銨態(tài)氮用2 mol/L KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；全氮用開氏蒸餾法測(cè)定；全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定[11]。

1.2.3 植物多樣性計(jì)算

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2019、SPSS 18.0及Origin 9.1軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、Pearson相關(guān)系數(shù)、變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植物群落的變化

2.1.1 植被種類特征分析

金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)樣方植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如表1所示，研究區(qū)植物群落共計(jì)20種，隸屬15個(gè)科，其中喬木6科7種，以楊柳科的旱柳(Salix matsudana Koidz)和楊樹(Populus L.)為主；灌木4科4種，檉柳科中的紅柳(Tamarix ramosissima Lcdcb)較多；草本植物5科9種，以禾本科的早熟禾(Poa annua L.)和冰草(Agropyron cristatum (L.) Gaertn.)為主。

表1 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被種類特征值

植物種群多度是指單位樣地上某種植物的全部個(gè)體數(shù)，反映了各物種在群落中的分布情況[13]。研究區(qū)喬木層植物類型較為豐富，由落葉闊葉植物與常綠針葉植物構(gòu)成，其中，旱柳的多度值較大，為29.67%，按Clement多度等級(jí)劃分，屬于常見，在喬木層中占據(jù)重要的位置，其相對(duì)顯著度和重要值分別為34.87%和28.83%。除榆樹外，其它植物多度值在5%～25%之間，在Clement多度等級(jí)劃分中屬偶見。通常來說，植物種類的多少能夠直接反應(yīng)群落的豐富度[14]，榆樹雖在樣方調(diào)查中僅有4棵，但對(duì)礦山恢復(fù)區(qū)植物群落的多樣性和穩(wěn)定性具有重要的意義。灌木層植物種類較少，多樣性較差，豐富度較低，按Drude多級(jí)等級(jí)劃分，紅柳和檸條多度值在25%～50%之間，屬多類，但紅柳由于樹冠幅度大于檸條，在灌木層中占據(jù)更重要的位置，沙木蓼和駝絨藜多度值在5%～25%之間，屬尚多類。值得一提的是，灌木層各物種具有相同的相對(duì)頻度，這說明灌木層各物種在群落中分布相對(duì)均勻。草本層植物種類繁多，豐富度較好，尤其是早熟禾，其多度和重要值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他植物，分別為46.66%和24.88%，在草本層中占據(jù)主導(dǎo)地位，為優(yōu)勢(shì)種。臭蒿雖多度值較小，僅為3.53%，按Braun-Blanquet等級(jí)劃分屬于稀少，但其相對(duì)高度值較大，為30.57%，重要性超過了多度值較大的冰草。

2.1.2 不同林分物種多樣性分析

金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)不同林分豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)存在明顯的差異，如圖1所示，灌木層由于物種相對(duì)單一，豐富度、多樣性和優(yōu)勢(shì)度明顯低于喬木層和草本層，但其具有較高的均勻度，這是由于金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植物多為人工種植，在植物群落初建時(shí)灌木層物種分布的相對(duì)均勻所致。喬木層和草本層在豐富度、均勻度、多樣性和優(yōu)勢(shì)度上均未表現(xiàn)出明顯的差異。彭少麟[15]等的研究結(jié)果也同樣表明，在亞熱帶植物群落中，較大的喬木樹冠層下能夠容納較多的低矮植物，進(jìn)而增加物種的多樣性。同時(shí)也說明，適當(dāng)?shù)倪x擇喬木和增加物種種類能夠有效的提高人工植被恢復(fù)的效果。

圖1 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)不同林分多樣性特征

2.2 不同林分土壤理化性質(zhì)的變化

2.2.1 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量變化

土壤pH值作為影響土壤肥力的重要因子，對(duì)土壤碳氮的累積以及微生物的活動(dòng)具有重要的影響[16]。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力高低的重要指標(biāo)，對(duì)土壤緩沖能力、顆粒結(jié)構(gòu)、礦質(zhì)養(yǎng)分等理化性質(zhì)都有較大的影響[17]。金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)不同林分和不同深度土壤pH值均沒有顯著的變化，如圖2(a)所示，但相比對(duì)照點(diǎn)土壤pH值均有不同程度的下降，且未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)地處干旱地區(qū)，年降水量較少，土壤溫濕度較低，微生物活動(dòng)較慢，進(jìn)而致使凋落物分解速度減緩，所以土壤并未演化為酸性。草地的下降幅度最大，喬木最小，下降后的值分別為：草地(7.83、7.94)，喬木(7.98、8.02)。不同林分的pH值都低于對(duì)照點(diǎn)，這充分說明植被的恢復(fù)可有效的改善土壤水、氣、熱等狀況，進(jìn)而促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與吸收的同時(shí)有利于土壤pH值的降低。不同林分不同深度土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出一致的變化，均隨深度的增加而減小，且都顯著高于對(duì)照點(diǎn)，如圖2(d)所示，具有明顯的表聚效應(yīng)。草地土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為(19.12 g/kg、8.75 g/kg)，灌木最低，為(14.06 g/kg、7.71 g/kg)，具體表現(xiàn)為草地>喬木>灌木。

2.2.2 土壤含水率和電導(dǎo)率的變化

土壤電導(dǎo)率作為土壤重要的物理參數(shù)，是土壤鹽漬化的重要標(biāo)志。如圖2(b)所示，相比對(duì)照點(diǎn)，研究區(qū)不同林分電導(dǎo)率都有顯著的下降，這充分說明植被恢復(fù)能夠有效的降低土壤中重金屬離子和改善土壤的鹽漬化程度，促進(jìn)植物生長。不同林分土壤含水率都隨深度的增加而增大，如圖2(c)所示，其中，草地的土壤含水率最大，0～10 cm和10～20 cm土壤含水率分別為13.88%和16.97%；灌木的土壤含水率最小，0～10 cm和10～20 cm土壤含水率分別為10.05%和10.66%。不同林分土壤含水率都顯著高于對(duì)照點(diǎn)，這說明合理的配置草種和林種，能夠有效的改善土壤水分含量，進(jìn)而對(duì)廢棄地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)重建[18]。

圖2 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤理化性質(zhì)

2.2.3 不同林分土壤養(yǎng)分含量的變化

通過對(duì)金川礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)區(qū)不同林分土壤養(yǎng)分分析可知，如表2所示，相比對(duì)照點(diǎn)，不同林分的全氮、全磷和全鉀含量都顯著提高，但不同林分間全氮、全磷和全鉀的增長量有所差異，其中，草地全氮含量增長較快，約是對(duì)照點(diǎn)的2.89倍，但所有林分氮含量均低于1.0 g/kg，表明目前研究區(qū)氮含量貯備不足；灌木全鉀含量增長最快，約是對(duì)照點(diǎn)的2.43倍，且所有林分全鉀含量都高于25 g/kg，表明目前廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)鉀能夠完全滿足植物生長；喬木和草地全磷含量的增長基本一致，分別為0.65 g/kg和0.64 g/kg，約是對(duì)照點(diǎn)的3.42倍。

表2 不同林分土壤養(yǎng)分變化(A表示極顯著差異；a表示顯著差異)

土壤中的速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮容易被植物吸收利用，是表征土壤肥力的重要因素。金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)不同林分速效鉀、速效磷、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量都有大幅度提升，但不同林分間各速效養(yǎng)分上升速度有明顯的差異，其中，氨態(tài)氮的提升速率最快，約為對(duì)照點(diǎn)的9.74～10.91倍，速效鉀的提升速率最慢，約為對(duì)照點(diǎn)的2.51～3.92倍。草地速效鉀和硝態(tài)氮含量顯著高于喬木和灌木，其值分別為59.74 mg/kg和97.89 mg/kg，喬木速效磷的含量卻明顯高于灌木和草地，為14.35 mg/kg，這充分表明在金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)草地能夠提供較多的K和N元素供植物生長，而喬木能夠?yàn)橹参锷L提供較多的P元素，同時(shí)也說明合理的配置植物能夠有效的改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分，更有利于廢棄地的修復(fù)和重建。

2.3 土壤理化指標(biāo)與群落物種多樣性的相關(guān)性

金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤理化因子與植物多樣性相關(guān)分析表明，如表3所示，植被均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、多樣性指數(shù)均與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)；除速效磷含量和全磷含量外，各指數(shù)與其它理化因子都呈顯著或極顯著正相關(guān)，這也充分表明，土壤和植被是一個(gè)相互作用、協(xié)調(diào)發(fā)展的共同體，土壤改良能夠促進(jìn)植被的恢復(fù)，而植被的改善又能夠有效的促進(jìn)土壤理化性質(zhì)的變化。

表3 土壤理化因子與植物多樣性相關(guān)系數(shù)(＊，＊＊分別表示r=0.05和r=0.01水平上的顯著性)

3 結(jié)論與討論

植被的恢復(fù)與重建是改良退化生態(tài)系統(tǒng)的重要手段，礦山廢棄地的改良實(shí)質(zhì)上是重建生態(tài)系統(tǒng)，使之從簡單到復(fù)雜、低級(jí)向高級(jí)演變的過程[19]。物種多樣性作為植物群落的基本特征，能夠很好的反映群落的穩(wěn)定程度、發(fā)展階段以及生境差異[20]。金川礦山廢棄地經(jīng)過10余年的人工治理，物種多樣性逐年增加，現(xiàn)已有物種20余種，隸屬15個(gè)科，由于開采過程中廢棄地破壞程度以及恢復(fù)時(shí)間不同，整個(gè)區(qū)域內(nèi)灌木種類較少，但草本和喬木的豐富度和多樣性都較好，彭東海[12]等在金尾礦廢棄地不同植被恢復(fù)階段物種多樣性研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，這也說明不同礦山廢棄地生物群落的演替和演化具有較為一致的變化。

金川礦山廢棄地地處祁連山中部，區(qū)域內(nèi)生境惡劣，土層較薄且含有大量的重金屬元素，土壤的理化性質(zhì)對(duì)植物生長具有重要的影響，是決定植被恢復(fù)和維持的重要因子。研究結(jié)果表明，選擇適宜的物種進(jìn)行合理的配置，土壤養(yǎng)分明顯改善，土壤電導(dǎo)率和pH值顯著下降，土壤水分和有機(jī)質(zhì)含量顯著增加。土壤理化因子與植物多樣性相關(guān)分析也同樣表明，研究區(qū)植物多樣性與土壤pH值和電導(dǎo)率顯著負(fù)相關(guān)，與土壤含水率和有機(jī)質(zhì)含量極顯著正相關(guān)。劉其蕾[21]在廢棄宕口研究中表明，植物群落多樣性的增加，能夠有效的改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分，與本文研究結(jié)果一致，表明土壤和植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是相互影響、相互制約的統(tǒng)一體，植物群落的良性發(fā)展有利于土壤的改良，而土壤結(jié)構(gòu)的改善又能促進(jìn)植物群落的進(jìn)一步演替。

相比自然恢復(fù)，人工植被恢復(fù)能夠較快增加植物的多樣性，進(jìn)而加快生態(tài)系統(tǒng)的演替。本文研究表明，金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)不同植被類型在豐富度、均勻度、多樣性和優(yōu)勢(shì)度上表現(xiàn)出一定的差異，這與許麗[22]等的研究結(jié)果較為一致，同時(shí)也表明在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中應(yīng)將喬木、草本和灌木相結(jié)合，深根系植物與淺根系植物相結(jié)合，根據(jù)不同的立地條件和植物生長特性進(jìn)行合理搭配，上植下掛，充分利用種植空間，合理配置植物，創(chuàng)造豐富的植物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有效的加快土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的改良，促進(jìn)廢棄地生態(tài)恢復(fù)。