肖 平,陳 皓,馮 萍,李海福,顏 旭,許玉鳳
(1.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 西露天礦,遼寧 撫順 113004;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽 110866)
礦業(yè)的快速發(fā)展給我國帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時,對生態(tài)環(huán)境也造成了巨大的破壞[1-2]。煤礦的露天開采導(dǎo)致土壤肥力嚴(yán)重下降,使植物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變,植被衰退,生物多樣性下降,同時還會引起土壤重金屬污染[3-4]。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)迫在眉睫[5]。植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。植被恢復(fù)不僅可以美化環(huán)境,同時還能改良土壤,對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建具有促進(jìn)作用[6-7]。撫順西露天煤礦經(jīng)過百年的露天開采,在礦區(qū)內(nèi)形成了大面積的排土場,形成了水土流失、土壤和大氣污染等許多環(huán)境問題[7]。秉承“綠水青山,就是金山銀山”的生態(tài)理念,撫順西露天礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作刻不容緩。為此,通過對撫順西露天礦區(qū)植物與土壤理化特性進(jìn)行調(diào)查,分析了影響礦山植被恢復(fù)的關(guān)鍵性因子,為其生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)提供借鑒。
1)試驗(yàn)樣地。根據(jù)西露天礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)現(xiàn)狀,選取4 塊典型樣地和1 塊對照樣地,分別為:①西端幫樣地WS:自然恢復(fù)1~5 年;②東端幫樣地ES:自然恢復(fù)5~10 年;③南幫樣地NS:人工和自然恢復(fù)相結(jié)合30~40 年;④北幫樣地SS:自然恢復(fù)30~40 年;⑤千臺山樣地CK:對照樣地。
2)植被調(diào)查。調(diào)查于2020 年8 月進(jìn)行。在每一個樣地,設(shè)1 個規(guī)格為10 m×10 m 喬木樣方,2 個規(guī)格為5 m×5 m 灌木樣方,5 個規(guī)格為1 m×1 m 草本樣方;分別記錄樣方中植物種類、數(shù)量、高度、胸徑(基徑)、冠幅、蓋度等,以及樣方海拔、經(jīng)緯度等。
3)土壤樣品的采集與測定。與植被調(diào)查同時進(jìn)行。用環(huán)刀(d=5 cm)采集樣方內(nèi)0~30 cm 土壤3 份,其中2 份裝入自封袋中保存,1 份保存在環(huán)刀中,做好標(biāo)記。帶回實(shí)驗(yàn)室后,采用環(huán)刀法測定土壤含水量、密度、總孔隙度;采用電位法測定土壤pH;采用重鉻酸鉀-稀釋熱法測定有機(jī)質(zhì)含量;分別采用凱氏定氮法、堿熔-鉬銻抗比色法、堿熔-火焰光度計法測定全N、全P、全K;采用堿解-擴(kuò)散法測定有效N,采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定有效P,采用CH3COONH4浸提-火焰光度計法測定速效K,重金屬Ni、Zn、Cu、Cr、Cd 含量采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀ICP-AES(IRISIntrepidII)測定。
采用Simpson 多樣性指數(shù)、Shannon-wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)和Margalef 豐富度指數(shù)這4 個指標(biāo)來衡量不同樣地群落多樣性變化特征。不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)植物群落α 多樣性指數(shù)的影響如圖1。(圖中不同字母表示存在顯著差異(p<0.05))。
圖1 不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)植物群落α 多樣性指數(shù)的影響
千臺山的Margalef 和Simpson 多樣性指數(shù)高于礦區(qū)4 個樣地,差異顯著(p <0.05),Pielou 和Shannon-wiener 多樣性指數(shù)比礦區(qū)4 個樣地低(p<0.05),說明千臺山的優(yōu)勢種具有更加突出的主導(dǎo)地位。隨著恢復(fù)年限的增加,Simpson 和Shannonwiener 指數(shù)有逐漸增大的趨勢,而Margalef 豐富度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)的變化呈波動,說明群落在恢復(fù)初期,隨著時間的延長,植物種類逐漸增多,到后期時,由于競爭產(chǎn)生了淘汰。與自然恢復(fù)比,在人工恢復(fù)與自然恢復(fù)相結(jié)合的恢復(fù)方式下,4 種植物群落多樣性指數(shù)均較高。
不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)土壤理化特性的影響見表1。
由表1 可知,礦區(qū)南幫土壤密度最小,與對照樣地千臺山比差異不顯著(p>0.05)。千臺山的土壤總孔隙度與西端幫、東端幫和北幫相比差異顯著(p<0.05)。礦區(qū)南幫土壤孔隙度最高。土壤含水量表現(xiàn)為南幫最高,其次是對照樣地千臺山,與礦區(qū)其他3個樣地比差異顯著(p<0.05)。
表1 不同恢復(fù)年限和恢復(fù)方式對礦區(qū)土壤理化特性的影響
土壤pH 值為7.0~7.7,說明礦區(qū)土壤顯弱堿性或中性,且pH 隨恢復(fù)年限的延長逐漸降低。隨著恢復(fù)年限的增加,各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增大(除西端幫外),對照樣地千臺山最高,與其他樣地比差異顯著(p<0.05),有機(jī)質(zhì)含量比較豐富,達(dá)到了全國土壤養(yǎng)分二級標(biāo)準(zhǔn)。隨著恢復(fù)年限的增加,各樣地土壤全N 和有效N 含量逐漸升高,且千臺山顯著高于礦區(qū)4 個樣地(p<0.05),但礦區(qū)4 個樣地土壤全N含量差異不顯著(p>0.05),西端幫土壤有效N 含量與其他3 個樣地比差異顯著(p<0.05)。礦區(qū)P 與K的含量隨著恢復(fù)時間的變化無明顯規(guī)律,東端幫和北幫土壤全P 含量達(dá)到全國土壤養(yǎng)分一級,含量豐富,但有效P 缺乏。土壤總孔隙度、含水量、有機(jī)質(zhì)和速效K 含量,自然與人工相結(jié)合的恢復(fù)方式比自然恢復(fù)方式高。p 為概率值,反映某一事件發(fā)生的可能性大小。統(tǒng)計學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的p值,一般以p<0.05 為有統(tǒng)計學(xué)差異。
各樣地土壤重金屬的含量見表2。
表2 各樣地土壤重金屬的含量
土壤重金屬含量與恢復(fù)年限和恢復(fù)方式之間規(guī)律不明顯。參考遼寧省土壤的背景值和風(fēng)險篩選值,可知礦區(qū)各樣地內(nèi)無鉻污染(背景值51.1 mg/kg);北幫具有一定程度的鋅污染(背景值70 mg/kg);南幫和西端幫有一定程度的鎳污染(背景值23.3 mg/kg);礦區(qū)內(nèi)有明顯的銅污染(背景值19.8 mg/kg);各個樣地中,鎘含量均已超過遼寧省土壤背景值和風(fēng)險篩選值,說明存在比較嚴(yán)重的鎘污染(背景值0.12 mg/kg)。
采用CANOCO 5.0 軟件對礦區(qū)植被群落與土壤因子之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA),土壤因子與植被變量的RDA 排序如圖2。
圖2 土壤因子與群落植物多樣性RDA 排序
圖2 中實(shí)線箭線箭頭代表土壤因子,虛線箭線實(shí)心箭頭代表植被群落數(shù)據(jù);土壤因子箭線的長短可以代表土壤因子對于植被數(shù)據(jù)解釋量(影響程度)的大?。煌寥酪蜃优c植被數(shù)據(jù)夾角的余弦值代表他們之間的相關(guān)性,即夾角小于90°為正向相關(guān)關(guān)系,夾角大于90°為負(fù)向相關(guān)關(guān)系,夾角等于90°則無相關(guān)性;DS為Simpson 指數(shù);H′為Shannon-wiener 指數(shù);S 為Margalef 指數(shù);JP為Pielou 指數(shù);其他變量同表1。
由圖2 可以看出,第1 排序軸和第2 排序軸的解釋量分別為61.02%和8.94%,兩軸共解釋了69.96%的信息,說明RDA 分析在一定程度上可以解釋土壤因子與植被群落的關(guān)系。對比不同土壤因子對物種多樣性的影響,土壤有機(jī)質(zhì)對物種多樣性的影響最高(箭頭連線最長),其次是土壤重金屬Cd,土壤全鉀、全磷和重金屬Ni 對物種多樣性的影響較弱(箭頭連線較短)。各樣地土壤因子與群落植物多樣性的相關(guān)性分析見表3。
表3 各樣地土壤因子與群落植物多樣性的相關(guān)性分析
由表3 可知,不同土壤因子對物種多樣性的影響不同,其中土壤化學(xué)性質(zhì)與物種多樣性的影響程度高于土壤物理性質(zhì),具體表現(xiàn)為:Simpson 指數(shù)與土壤含水量(r=0.68,p<0.01)呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系,與土壤速效鉀(r=-0.83,p<0.01)和土壤重金屬Cd(r=-0.55,p<0.05)呈顯著負(fù)向相關(guān)關(guān)系;Shannonwiener 指數(shù)與土壤含水量(r=0.54,p<0.05)和土壤有效磷(r=0.49,p<0.05)呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系,與土壤速效鉀(r=-0.84,p<0.01)和土壤重金屬Cd(r=-0.48,p<0.05)呈顯著的負(fù)向相關(guān)關(guān)系;Pielou 指數(shù)與土壤pH 值(r=0.63,p<0.01)、土壤全氮(r=0.59,p<0.01)、土壤有效氮(r=0.61,p<0.01)和土壤重金屬Ni(r=0.39,p<0.05)表現(xiàn)顯著的正向相關(guān)關(guān)系,與重金屬Cd(r=-0.52,p<0.05)、Cu(r=-0.65,p<0.01)和Zn(r=-0.63,p<0.01);Margalef 指數(shù)與土壤孔隙度(r=0.67,p<0.01)、土壤有效磷(r=0.81,p<0.01)、土壤含水量(r=0.47,p<0.05)呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系,與土壤速效鉀(r=-0.77,p<0.01)呈負(fù)向相關(guān)關(guān)系。r 為相關(guān)系數(shù),是衡量變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)。樣本相關(guān)系數(shù)用r 表示總體相關(guān)系數(shù),r 的絕對值越大,誤差越小,變量之間的線性相關(guān)程度越高;r 的絕對值越接近0,誤差越大,變量之間的線性相關(guān)程度則越低。
1)千臺山的Margalef 和Simpson 多樣性指數(shù)顯著高于礦區(qū)4 個樣地(p <0.05),Pielou 和Shannonwiener 指數(shù)卻比礦區(qū)4 個樣地低(p<0.05),說明千臺山優(yōu)勢種的主導(dǎo)地位比礦區(qū)4 個樣地更為突出。自然與人工恢復(fù)相結(jié)合的恢復(fù)方式,更有利于礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。
2)礦區(qū)土壤呈中性至弱堿性,pH 為6.8~7.7。當(dāng)恢復(fù)年限逐漸增加時,pH 逐漸降低。西端幫土壤中含有油頁巖和凝灰?guī)r,含有較高的有機(jī)質(zhì)和鉀元素。隨著恢復(fù)時間的延長,礦區(qū)土壤性質(zhì)會逐漸得到改善和恢復(fù)。在植被恢復(fù)過程中,隨著時間的延長,礦區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)基本上保持逐漸增加的趨勢。因采煤活動的干擾,各樣地出現(xiàn)了重金屬污染,其中較多是Cd 和Cu 污染。對照樣地中的重金屬污染,推測因冶煉導(dǎo)致空氣污染所致。
3)與土壤物理特性比,撫順西露天礦植物多樣性受土壤化學(xué)特性的影響較大。植被恢復(fù)在短時間內(nèi)可能對土壤物理特性具有較大的影響,而對土壤化學(xué)特性的改變應(yīng)該是緩慢的過程。RDA(冗余分析)表明,土壤中有機(jī)質(zhì)的含量對群落植物多樣性的影響最大,鎘次之。土壤有機(jī)質(zhì)能被微生物分解,為植物生長發(fā)育提供營養(yǎng),并且可以改善土壤的物理特性,利于礦山的植被恢復(fù)。礦區(qū)的鎘污染對植物的生長具有一定的抑制作用。