黃土區(qū)大型露天礦復(fù)墾地土壤對(duì)植物多樣性的影響研究——以平朔安太堡露天礦排土場為例

許建偉，李晉川，白中科，岳建英，韓 靜

（1.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原030001；2.山西省生物研究所，山西太原030006；3.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，山西太谷030801）

礦產(chǎn)資源是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)財(cái)富的重要源泉。我國是礦產(chǎn)資源大國，近年來其采掘量在逐年增加，礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，但同時(shí)也帶來了巨大的破壞。現(xiàn)在對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的破壞和污染十分嚴(yán)重。陳昌篤[1]指出，恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)是我國當(dāng)前面臨的緊迫任務(wù)。其中，采礦廢棄地的恢復(fù)又是首先應(yīng)當(dāng)給予重視的。趙桂久等[2]指出，在退化生態(tài)系統(tǒng)的綜合整治、恢復(fù)與重建試驗(yàn)示范研究中，應(yīng)將其研究重點(diǎn)放在脆弱生態(tài)系統(tǒng)與礦山生態(tài)系統(tǒng)的綜合整治上。

土壤是陸生植物生活的基質(zhì)，它提供了植物生活所必需的營養(yǎng)和水分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所。植物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)多樣性形成的基礎(chǔ)，是反映群落結(jié)構(gòu)和功能特征的有效指標(biāo)，是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度，可以反映廢棄地復(fù)墾的現(xiàn)狀。植物多樣性的大小隨某一生態(tài)因子梯度有規(guī)律性的變化，目前進(jìn)行較多的研究有氣候、海拔、水分、土壤、斜坡等[3]。

本研究采用樣方調(diào)查法及SPSS 分析法，對(duì)安太堡露天礦開采后排土場植物的生長、多樣性的變化及立地條件等環(huán)境因子進(jìn)行了調(diào)查和分析，這對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾及植物多樣性形成具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原東部晉陜蒙接壤的黑三角地帶、山西省北部的朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°11′～112°30′，北緯39°23′～39°37′，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春干旱少雨、寒冷、多風(fēng)，夏秋降水集中、溫涼少風(fēng)。區(qū)內(nèi)年平均降雨量為428.2～449.0 mm，年蒸發(fā)量為1 786.6～2 598.0 mm，年平均氣溫為4.8～7.8 ℃，凍土最大深度1.31 m，風(fēng)沙日數(shù)29 d。

本區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡帶，其成土母質(zhì)多為黃土性的沖積物、洪積物、坡積物，也有部分地帶性的風(fēng)積物，且多數(shù)為花崗巖、片麻巖的風(fēng)化產(chǎn)物，因而土壤的物理風(fēng)化強(qiáng)烈，土質(zhì)偏沙，土體干旱，通氣良好，好氣微生物活動(dòng)旺盛，碳酸鹽含量在8%以上，石灰反應(yīng)通體強(qiáng)烈。土壤貧瘠，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量一般在5.0～9.0 g/kg 之間；全氮含量一般在0.3～0.6 g/kg 之間；速效磷含量一般在5.0～8.0 mg/kg 之間，少數(shù)在10 mg/kg 以上，低的只有2.0～3.0 mg/kg；速效鉀含量一般在50～90 mg/kg 之間，少數(shù)超過100 mg/kg[4]。

2 研究方法

為研究復(fù)墾前后植被的變化，以及植被變化的影響因素，在排土場根據(jù)復(fù)墾時(shí)間和復(fù)墾模式的不同布設(shè)樣地，通過對(duì)典型樣地的多樣性分析，了解復(fù)墾過程中植被恢復(fù)的狀況。

2.1 調(diào)查方法

依據(jù)安太堡煤礦復(fù)墾區(qū)工程圖，應(yīng)用地理定位系統(tǒng)，參照地理信息系統(tǒng)，2006 年8 月根據(jù)復(fù)墾時(shí)間和復(fù)墾模式的不同，在復(fù)墾區(qū)（南排、西排、西擴(kuò)、內(nèi)排）內(nèi)設(shè)置樣地（樣帶），樣地面積為2 000 m2，樣帶面積為20 m2，樣地的長寬依實(shí)際情況而定，長與環(huán)境梯度平行，并在樣地（樣帶）內(nèi)設(shè)置樣方，共設(shè)置樣地17 個(gè)，樣方203 個(gè)，調(diào)查數(shù)據(jù)采用平均值。在原地貌的樣地選擇上，選取撂荒地作為典型樣地。

（1）喬木樣方：在樣地內(nèi)設(shè)10 m×10 m 的喬木樣方3 個(gè)，每個(gè)樣方內(nèi)取4 m×4 m 的灌木樣方2 個(gè)，1 m×1 m 的草本樣方4 個(gè)。

（2）灌木樣方：樣地內(nèi)設(shè)4 m×4 m 樣方3～4個(gè)，每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置1 m×1 m 草本樣方2 個(gè)。

（3）草本樣方：在樣地內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置樣帶，樣帶長度為20 m，寬度為1 m，長與環(huán)境梯度平行，并在每個(gè)樣帶內(nèi)設(shè)置1 m×1 m 的草本樣方5 個(gè)。

調(diào)查內(nèi)容：喬灌木包括喬灌木的樹高、胸徑、地徑、冠幅和蓋度等；草本群落包括植物種類、蓋度、高度等。同時(shí)登記樣地的立地條件，即地理位置、海拔高度、坡度、坡向、坡位，了解植被恢復(fù)年限及恢復(fù)方式。

2.2 資料整理及計(jì)算

將野外收集到的植被分為喬木、灌木、草本的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并對(duì)各個(gè)樣地的植物多樣性進(jìn)行測定分析[5，6]。

（1）物種豐富度指數(shù)：R=（S-1）/LnN

（3）均勻度指數(shù)：E=H/LnS

式中，R 為Margalef 指數(shù)；S 為群落中的總種數(shù)；N 為觀察到的個(gè)體總數(shù)（隨樣本大小而增減）；H 為香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)；Pi 為種i 的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例；E 為Pielou 均勻度指數(shù)。

數(shù)據(jù)采用SPSS 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖表在Excel中完成。

2.3 土壤分析方法[7～9]

土壤養(yǎng)分分析選擇撂荒地和復(fù)墾1 年的沙打旺樣地作為參照，方法如表1 所示。

表1 土壤分析方法

3 結(jié)果與分析

3.1 立地條件對(duì)植物形態(tài)的影響分析

3.1.1 不同母質(zhì)類型對(duì)刺槐生長的影響 礦區(qū)排土場主要的地表物質(zhì)（母質(zhì)）類型有黃土、紅土、巖石風(fēng)化物及土石混排物等。刺槐在不同母質(zhì)上的生長狀況如表2 所示。

表2 不同母質(zhì)的刺槐生長情況

從表2 可以看出，黃土母質(zhì)有利于1 年生刺槐的生長；隨著刺槐的生長，黃土與矸石風(fēng)化物上的刺槐整體要好于其他。其原因?yàn)椋? 年生刺槐的根系主要分布于表層，而黃土母質(zhì)能保持較多的水分來滿足其根系生長的需要[10]；但隨刺槐樹齡的增大，下層黃土由于容重大而使根系不易向下扎，水分、養(yǎng)分的吸收受到限制，不利于刺槐的生長。

3.1.2 不同地表組成對(duì)人工植被的影響 本研究選取了相同種植年限、相同種植模式、相同管理措施的2 個(gè)不同地表物質(zhì)組成的樣地進(jìn)行了分析。

從表3 可以看出，對(duì)于經(jīng)大型機(jī)械化作業(yè)形成的特殊地貌單元，地表含有的一定量石礫（直徑5 cm 以下）對(duì)于植被的生長不但沒有害處，而且有利于植被的生長。地表石礫較多的樣地，其人工植被生長明顯好于較少的、土壤板結(jié)的樣地，對(duì)檸條生長的影響最為顯著，石礫較多的樣地比石礫較少的樣地檸條平均增高1.1 m，增長65%，沙棗平均增高37 cm，增長13%，刺槐平均增高65 cm，增長41%。

表3 地表組成對(duì)人工植被生長的影響

3.1.3 不同地表類型草本植物多樣性比較 草本植物大多為淺根系物種，受土壤變化的影響較大。而且草本植物的變化會(huì)影響到植物多樣性的變化。因此，本研究選擇了2 塊種植年限相同、模式相同、覆土類型相同及管理措施相同的樣地進(jìn)行研究。

從表4 可以看出，在礦區(qū)特殊的土壤環(huán)境中，地表石礫較多的樣地，草本的植物多樣性指數(shù)明顯高于較少的、土壤板結(jié)的樣地。這可能是因?yàn)椋?）該礦區(qū)位于黃土高原，水土流失嚴(yán)重，且采用黃土直接復(fù)墾工藝會(huì)使地表含有大量生土，地表有機(jī)質(zhì)含量降低。同時(shí)大型排土設(shè)備的反復(fù)碾壓，增加了土壤容重，雖然在種植過程中采用設(shè)備翻松，但是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)已被破壞，如果植被生長不好或沒有必要的措施，黃土?xí)趲啄陜?nèi)沉降，土壤容重回升，從而加重土壤板結(jié)情況。而地表有較多石礫時(shí)，可以增加土壤孔隙，減少地表徑流的形成，增加雨水入滲，有利于近地面草本植物的生長。草本植物的增加又可以有效攔蓄降水，提高水分利用率，增加土壤含水量；另一方面草本植物枯死后可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而形成良性循環(huán)。（2）礦區(qū)石礫主要為矸石或頁巖等，隨著樹齡的增大，植物根系會(huì)加強(qiáng)石礫的生物風(fēng)化，釋放作用逐漸加強(qiáng)，使刺槐可吸收更多的水分、養(yǎng)分，其生長環(huán)境也可逐漸改善。

表4 不同地表組成對(duì)草本植物多樣性的影響

3.2 土壤因子對(duì)植物多樣性的影響

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，本研究選取了種植年限相近（10～13 年）、種植模式相近、管理措施相同的樣地通過SPSS 作Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果表明，均勻度指數(shù)與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與總孔度呈極顯著正相關(guān)。香農(nóng)-威納指數(shù)與速效Cu 呈顯著正相關(guān)。植物多樣性指數(shù)與土壤化學(xué)性狀都沒有達(dá)到顯著相關(guān)性。

從表5，6，7 可以看出，有機(jī)質(zhì)和N 作為植物生長的營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)礦區(qū)多年復(fù)墾地植物各樣性影響較小。本研究選擇的3 個(gè)多樣性指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、全N 和速效N 均未達(dá)到顯著性相關(guān)，而土壤容重、總孔度與均勻度指數(shù)關(guān)系密切。這說明經(jīng)過10 多年的復(fù)墾后，尤其是固氮植物的種植，氮肥已經(jīng)不再是植被生長發(fā)展的限制性因子。土壤容重大、總孔度小會(huì)限制植被的廣泛分布，是影響植被傳播、分布的重要限制因子。有益元素銅的影響機(jī)理，還有待進(jìn)一步研究。

表5 土壤化學(xué)性狀對(duì)植被香農(nóng)-威納指數(shù)影響的相關(guān)分析

表6 土壤微量元素對(duì)香農(nóng)-威納指數(shù)影響的相關(guān)分析

表7 土壤物理性狀對(duì)均勻度指數(shù)影響的相關(guān)分析

4 結(jié)論與討論

（1）立地條件在一定程度上影響著植物的生長，立地條件好，含有一定量石礫的樣地，植物生長就較好，多樣性指數(shù)較高。

（2）植物均勻度與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與總孔度呈極顯著正相關(guān)，植物香農(nóng)-威納指數(shù)與土壤速效Cu 呈顯著正相關(guān)。草灌喬配置模式為植物的生長提供更大的生態(tài)位，其樣地內(nèi)的植物多樣性指數(shù)較高。

（3）土壤是植物群落的主要環(huán)境因子，而土壤肥力作為土壤的基本屬性，它對(duì)群落演替的影響不容忽視。眾多研究表明，在植被群落演替的前期階段，土壤性質(zhì)影響著植被的變化，同時(shí)也因植被的變化而發(fā)生改變。植物群落與土壤間的這種彼此影響，相互促進(jìn)的作用，是植被恢復(fù)演替的動(dòng)力；某一演替類型不僅改變了土壤肥力的狀況，也反映了群落與土壤相互作用的結(jié)果，同時(shí)也決定了后續(xù)演替過程的土壤肥力的初始狀態(tài)。而不同植物群落對(duì)土壤條件的適應(yīng)性以及在不同土壤肥力下的植物種群繁殖能力也不同。因此，關(guān)于黃土區(qū)復(fù)墾地土壤與植物群落的相互關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

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