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      呼倫貝爾草原采煤沉陷對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響及評(píng)價(jià)

      2021-03-25 08:52:50肖能文史娜娜高曉奇郭志強(qiáng)溫建忠全占軍
      環(huán)境科學(xué)研究 2021年3期
      關(guān)鍵詞:土壤水分含水量群落

      韓 煜, 肖能文, 趙 偉, 史娜娜, 王 琦, 高曉奇, 郭志強(qiáng), 溫建忠, 全占軍*

      1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012 2.北京城市快軌建設(shè)管理有限公司, 北京 100027 3.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)神公司敏東一礦, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100

      呼倫貝爾草原煤炭資源豐富,草原區(qū)含煤面積達(dá)2.7×104km2,占該區(qū)域總面積的31%[1],分布有伊敏煤田、大雁煤田、白音華煤田、寶日希勒煤田、呼和諾爾煤田等,該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,氣候干燥寒冷,水資源短缺,加之煤炭資源長(zhǎng)時(shí)期、高強(qiáng)度的開發(fā),對(duì)原本脆弱的草原生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的威脅,表現(xiàn)為土地資源損毀、地下水漏斗、草地生產(chǎn)力下降、土地退化和沙化等[2-4].

      眾多學(xué)者針對(duì)采煤沉陷引起的土壤質(zhì)量變化開展了研究. 例如,雷少剛[5]對(duì)補(bǔ)連塔礦區(qū)土壤水分的研究表明,地表沉陷使采區(qū)土壤含水率低于非采區(qū),對(duì)風(fēng)沙土的影響尤為突出;趙國(guó)平等[6]研究不同塌陷年限土壤粒徑組成的變化發(fā)現(xiàn),塌陷兩年后土壤中物理性黏粒含量顯著減少. 采煤沉陷對(duì)土體的擾動(dòng)導(dǎo)致土壤容重增加,孔隙度下降,使土壤機(jī)械組成粗?;?,從而對(duì)土壤水分造成影響[7-8]. 同時(shí),一些研究表明,采煤沉陷造成土壤養(yǎng)分出現(xiàn)不同程度的下降[9-11],對(duì)于風(fēng)沙土而言,沉陷區(qū)土壤TN(全氮)、TP(全磷)含量顯著降低,而OM(有機(jī)質(zhì))和TK(全鉀)含量變化不明顯[12-13];在土壤質(zhì)地為壤土的礦區(qū),沉陷使OM含量降低且空間變異性增大,尤其對(duì)表層土壤的影響最明顯[14]. 采煤沉陷對(duì)植被影響的研究集中在植物群落數(shù)量特征和物種組成變化方面. 在神東礦區(qū),地表沉陷初期植被蓋度和生物量有所下降,沉陷穩(wěn)定后又會(huì)上升,受沉陷的干擾,植物種數(shù)和物種組成也會(huì)發(fā)生一定變化[15-18]. 上述研究大多集中在采煤沉陷對(duì)土壤性質(zhì)或植被群落特征某一方面的影響,當(dāng)前關(guān)于草原區(qū)采煤沉陷后土壤質(zhì)量和植物群落關(guān)系的研究較少,土壤質(zhì)量如何影響植物群落的變化以及影響的關(guān)鍵因素都有待進(jìn)一步研究. 鑒于此,該文以呼倫貝爾草原區(qū)的敏東一礦為研究對(duì)象,分析采煤沉陷干擾對(duì)土壤性質(zhì)和植物群落特征的影響,采用冗余分析法和因子分析法,探索土壤性質(zhì)與群落結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性并對(duì)土壤-植物系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),有助于更好地認(rèn)識(shí)土壤質(zhì)量和植物群落之間的關(guān)系,以期為草原礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)提供參考.

      1 研究區(qū)概況

      研究區(qū)位于呼倫貝爾市鄂溫克旗的敏東一礦(119°52″E~119°59″E、48°42″N~48°48″N),海拔705~730 m,為丘陵地貌類型. 該區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候,多年平均降水量350 mm,主要集中在7—9月,年均蒸發(fā)量 1 247 mm,年均氣溫-2.4 ℃,無(wú)霜期110 d,年均風(fēng)速4.2 ms. 地帶性土壤為栗鈣土,土壤質(zhì)地為沙土,植被類型屬草甸草原區(qū)羊草群落,主要植物種包括羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、日陰菅(Carexpedifermis)、寸草苔(Carexduriuscula)、洽草(Koeleriacristata)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等.

      2 研究方法

      2.1 樣地設(shè)置與試驗(yàn)方法

      地表沉陷后出現(xiàn)的盆地具有明顯的分區(qū)特征[19],從沉陷邊界至中心依次為坡頂(地表沉陷邊界附近)、坡中(沉陷邊緣區(qū))、坡底(沉陷中心區(qū)). 選擇下墊面狀況相似的2個(gè)盆地作為研究區(qū),這2個(gè)盆地坡度為32°~34°,植被類型相似,植被蓋度為27%~30%. 其中,一個(gè)為自然形成的盆地,地下未采煤,設(shè)為對(duì)照區(qū);另一個(gè)于2013年發(fā)生沉陷,將沉陷后的盆地設(shè)為沉陷區(qū). 2017年7月在沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)的坡頂、坡中、坡底各布置3個(gè)樣地(見(jiàn)圖1),土壤取樣以20 cm為一層,分3層進(jìn)行取樣,采用梅花五點(diǎn)法取混合樣,每次重復(fù)采樣3次. 植物群落調(diào)查采用樣方法,在每個(gè)樣地各設(shè)3個(gè)1 m×1 m的樣方,調(diào)查植物種類、蓋度、數(shù)量、高度、頻度.

      圖1 研究區(qū)樣地布置示意Fig.1 Distribution of sample plots in the study area

      采用德國(guó)TRIME -TDR型土壤水分儀測(cè)定15 cm處的土壤體積含水量(簡(jiǎn)稱“土壤含水量”),每個(gè)樣地平行測(cè)定5次. 土壤TK、TP、TN、AK(速效鉀)、AP(速效磷)、OM含量的測(cè)定方法分別為NaOH熔融-火焰光度法、NaOH熔融-鉬銻抗比色法、半微量凱氏法、NH4COOH浸提-火焰光度法、NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法與重鉻酸鉀氧化法.

      2.2 數(shù)據(jù)分析與處理方法

      植物群落物種重要值(E)計(jì)算公式:

      E=(A+B+C)3×100%

      (1)

      Margalef豐富度指數(shù)(M):

      M=(S-1)lnN

      (2)

      Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H):

      (3)

      Pielou均勻度指數(shù)(J):

      J=HlnS

      (4)

      Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D):

      (5)

      式中,A為相對(duì)蓋度,B為相對(duì)密度,C為相對(duì)頻度,S為群落中的總種數(shù),N為群落中個(gè)體總數(shù),Pi為第i種個(gè)體數(shù)占群落中所有種個(gè)體數(shù)的比例.

      采用Excel 2010軟件對(duì)土壤因子和植物群落特征數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析,利用SPSS 19軟件的單因素方差分析(One way ANOVA)和多重比較(LSD法)分析不同樣地的差異顯著性(P<0.05),利用因子分析法評(píng)價(jià)采煤沉陷對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響;利用CANONO軟件的冗余分析(redundancy analysis,RDA)研究土壤因子與植物群落特征的關(guān)系.

      3 結(jié)果與分析

      3.1 土壤性質(zhì)變化特征

      3.1.1土壤含水量

      從土壤含水量變化(見(jiàn)圖2)可以看出,沉陷區(qū)土壤含水量平均值為6.47%,對(duì)照區(qū)為6.69%,沉陷區(qū)比對(duì)照區(qū)下降了4.8%,采煤沉陷對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞,引起土壤水分的減少,沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)土壤含水量差異顯著(P<0.05). 從不同坡位分析,沉陷區(qū)坡底、坡中和坡頂土壤含水量分別比對(duì)照區(qū)相同坡位減少了3.8%、8.4%和2.3%,沉陷區(qū)坡中土壤水分損失比坡頂和坡底嚴(yán)重,坡中土壤含水量與對(duì)照區(qū)同一坡位差異顯著(P<0.05),沉陷區(qū)不同部位土壤含水量差異不明顯(P>0.05).

      圖2 沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)不同坡位土壤含水量Fig.2 Soil moisture at different slope positions in the subsided area and control area

      3.1.2土壤養(yǎng)分

      土壤養(yǎng)分的垂直分布規(guī)律:隨著土壤深度的增加,養(yǎng)分呈減少趨勢(shì),沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤養(yǎng)分在垂向分布上變化一致. 由土壤養(yǎng)分含量(見(jiàn)表1)可知,沉陷區(qū)表層(0~20 cm)土壤養(yǎng)分含量最高,0~20 cm土壤中TN含量比20~40 cm、40~60 cm土壤分別高出了66.7%和87.5%. 方差分析表明,沉陷區(qū)表層TP、TN含量與其他層位差異顯著(P<0.05),其余養(yǎng)分含量在不同層位差異不顯著(P>0.05). 與對(duì)照區(qū)相比,沉陷區(qū)TK、TP、TN、OM和AK含量均有不同程度的降低,AP含量有所增加. 以TP含量為例,沉陷區(qū)0~20、20~40、40~60 cm土壤的TP含量比對(duì)照區(qū)分別降低了23.8%、19.8%和6.6%,AP含量平均值較對(duì)照區(qū)增加了4.2%,通過(guò)方差檢驗(yàn)可知,沉陷區(qū)TP、TN、OM和AK含量與對(duì)照區(qū)差異顯著(P<0.05).

      從不同坡位來(lái)看(見(jiàn)圖3),各土壤養(yǎng)分含量在沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)隨坡位的變化不一致. 與對(duì)照區(qū)相比,沉陷區(qū)TK、TP和TN含量在坡中的降幅最大,降幅為4.13%~29.65%,而OM、AK和AP含量在坡底的降幅最大,分別降低了54.1%、64.1%和13.1%. 方差分析表明,沉陷區(qū)TN含量在坡中與對(duì)照區(qū)差異顯著,OM和AK含量在坡底與對(duì)照區(qū)差異明顯(P<0.05).

      表1 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)不同深度土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征值

      注: 不同字母代表不同樣地差異顯著(P<0.05).圖3 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)不同坡位土壤養(yǎng)分含量Fig.3 Soil nutrient contents at different slope positions in the subsided area and control area

      3.2 植物群落變化特征

      3.2.1植物群落組成

      植物群落組成分析結(jié)果(見(jiàn)表2)表明,沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)物種數(shù)量存在差異,沉陷區(qū)物種總數(shù)比對(duì)照區(qū)減少了28.6%~37.0%. 對(duì)照區(qū)植被類型為羊草+貝加爾針茅群落,羊草、貝加爾針茅作為優(yōu)勢(shì)種,其重要值在群落中最大,分別為19.33%和17.00%,主要伴生種有日陰菅、洽草、星毛委陵菜、祁州漏蘆、麻花頭、蒙古冰草、寸草苔、牻牛兒苗等. 沉陷區(qū)物種的重要值與對(duì)照區(qū)差異顯著,優(yōu)勢(shì)種羊草、貝加爾針茅的重要值分別降至2.58%~10.2%和6.23%~9.31%;伴生種日陰菅的重要值增加,由10.48%~12.52%增至17.55%~41.3%,成為群落中的優(yōu)勢(shì)種;麻花頭、細(xì)葉婆婆納、牻牛兒苗等物種在沉陷區(qū)消失;雙齒蔥、寸草苔、冷蒿、洽草、星毛委陵菜、菊葉委陵菜等旱生伴生種的植物種類和數(shù)量增加.

      3.2.2植物群落多樣性

      由圖4可知,沉陷區(qū)Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別為2.68~3.51、1.95~2.11、0.8~0.81和0.77~0.82,對(duì)照區(qū)分別為3.19~4.74、2.1~2.64、0.83~0.9、0.83~0.91. 與對(duì)照區(qū)相比,沉陷區(qū)群落多樣性指數(shù)均有不同程度的降低,Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)差異顯著(P<0.05),Pielou均勻度指數(shù)差異不顯著(P>0.05). 受采煤沉陷的影響,群落的物種豐富度、多樣性和優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)程度明顯下降,物種分布的變化不明顯.

      從各坡位來(lái)看,沉陷區(qū)Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均在坡底最高、坡中最低,Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均在坡中最大、坡頂最小,除Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在坡中顯著下降外(P<0.05),其余指數(shù)在沉陷區(qū)不同坡位間的差異均不明顯(P>0.05).

      表2 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)物種組成和重要值

      注: 不同字母代表不同樣地差異顯著(P<0.05).圖4 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)群落多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index of plant community in the subsided area and control area

      3.3 土壤性質(zhì)與群落特征的關(guān)系

      為了探索土壤性質(zhì)與群落特征之間的關(guān)系,基于CANOCO軟件的線性冗余分析(RDA)方法,對(duì)土壤因子和植物多樣性指數(shù)進(jìn)行排序研究(見(jiàn)表3、表4、圖5). 從表3可以看出,土壤性質(zhì)與植物多樣性排序模型達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明土壤性質(zhì)可以很好地解釋植物多樣性的差異. 第一排序軸土壤性質(zhì)對(duì)植物多樣性的解釋率為98.2%,幾乎包含了所有的土壤與植物因子關(guān)系信息,因此對(duì)第一排序軸進(jìn)行深入分析. 結(jié)合各因子與第一排序軸的相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表4)及圖5可知,土壤TP、TN、OM、AK、AP含量均與Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān),其中TP、TN、OM和AK含量與多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.5(P<0.05),TK含量、土壤含水量與上述多樣性指數(shù)均呈負(fù)相關(guān). 可見(jiàn),土壤TN、AK、TP和OM含量對(duì)群落物種多樣性的影響較大.

      表3 土壤性質(zhì)與群落多樣性指數(shù)RDA分析結(jié)果

      表4 土壤性質(zhì)與多樣性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

      注: M—Margalef豐富度指數(shù);H—Shannon-Wiener多樣性指數(shù);J—Pielou均勻度指數(shù);D—Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù);TK—全鉀含量;TN—全氮含量;TP—全磷含量;AK—速效鉀含量;AP—速效磷含量;SWC—土壤含水量.圖5 土壤性質(zhì)與群落多樣性指數(shù)RDA排序結(jié)果Fig.5 RDA biplot of soil properties and species diversity indices

      RDA排序結(jié)果可以反映土壤因子與植物群落間存在的相關(guān)關(guān)系,但它是多種土壤因子作用于群落多樣性的綜合結(jié)果. 因此,利用RDA分析中的前向選擇來(lái)篩選土壤因子中對(duì)植物群落特征變量影響最強(qiáng)的某一個(gè)或幾個(gè)因子. 應(yīng)用前向選擇分析時(shí),每一個(gè)土壤因子作為環(huán)境解釋變量被逐一引入模型分析,并通過(guò)蒙特卡羅檢驗(yàn)評(píng)價(jià)其對(duì)植物變量解釋的顯著性(見(jiàn)表5).

      表5 環(huán)境因子作為解釋變量的前向選擇和蒙特卡羅檢驗(yàn)

      前向選擇分析結(jié)果表明,群落多樣性變化的主要影響因子是土壤TN含量,其單獨(dú)解釋量占土壤性質(zhì)總解釋量的75.8%(P=0.002,F(xiàn)=15.97).

      3.4 土壤-植物系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

      采用因子分析法對(duì)土壤含水量、TN、TK、TP和OM含量以及Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等共計(jì)11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析.

      由分析結(jié)果(見(jiàn)表6)可知,提取的3個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為57.7%、18.4%和9.4%,這3個(gè)因子的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.5%,可以反映11個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息. 其中,因子1中TP、TN、OM、AK含量以及Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)的載荷均較大(絕對(duì)值均大于0.7),主要反映土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量和群落多樣性特征,土壤養(yǎng)分狀況越好,植物對(duì)養(yǎng)分的利用效率越高,群落的物種豐富度和多樣性越大,植物個(gè)體分布也較均勻,因此可以概括為土壤養(yǎng)分供給和利用因子;因子2中TK、AP含量的載荷均大于0.9,因TK性質(zhì)較穩(wěn)定,其含量在研究區(qū)變化不大,故稱為土壤AP因子;因子3中具有較高載荷的是土壤含水量,反映土壤水分條件的優(yōu)劣,即為土壤水分因子.

      表6 因子旋轉(zhuǎn)后土壤、植物指標(biāo)因子載荷矩陣

      由旋轉(zhuǎn)后因子模型得到沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)各樣地因子得分雷達(dá)圖(見(jiàn)圖6),結(jié)果表明,沉陷區(qū)在因子1中的得分均較低,而對(duì)照區(qū)得分均較高,沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分供給和利用受到干擾較大,養(yǎng)分匱缺嚴(yán)重,導(dǎo)致植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用受阻. 反映AP的因子2在沉陷區(qū)得分較高,由于沉陷區(qū)AP平均含量高于對(duì)照區(qū),說(shuō)明沉陷區(qū)AP有偏大、活化的趨勢(shì). 因子3在沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)的得分相差不大,對(duì)照區(qū)相對(duì)較高,沉陷區(qū)土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞,土壤持水能力下降,使水分發(fā)生損失. 通過(guò)沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤-植物系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)(見(jiàn)表7)得出,沉陷區(qū)各樣地土壤-植物系統(tǒng)的綜合得分均低于對(duì)照區(qū),整個(gè)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài),土壤-植物系統(tǒng)退化趨勢(shì)明顯,而且沉陷區(qū)不同部位的退化程度表現(xiàn)為坡中>坡頂>坡底.

      注: 圖中C1、C2、C3、D1、D2、D3依次代表沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)的坡底、坡中、坡頂樣地; 數(shù)值代表因子得分.圖6 沉陷區(qū)和對(duì)照區(qū)各樣地因子得分雷達(dá)圖Fig.6 Factor scores and radar diagram of each factor of sample plots in the subsided area and control area

      表7 沉陷區(qū)與對(duì)照區(qū)土壤-植物系統(tǒng)綜合得分

      4 討論

      4.1 采煤沉陷對(duì)土壤水分的影響

      井工礦開采會(huì)破壞煤層覆巖的力學(xué)平衡,導(dǎo)致覆巖發(fā)生垮落、裂隙和彎曲下沉[20],使采空區(qū)上方地表發(fā)生沉陷. 該研究顯示,沉陷區(qū)土壤含水量比非采區(qū)有所減少,尤其在坡中(沉陷邊緣區(qū))最明顯,這與已有研究結(jié)果[21-23]基本一致. 土壤含水量受到土壤水分補(bǔ)給和土壤持水性能的影響[24-25]. 沉陷使地表產(chǎn)生裂縫,土體結(jié)構(gòu)遭到破壞,土壤結(jié)構(gòu)變得疏松,孔隙度增大,導(dǎo)致土壤持水能力下降[26-28],而且裂縫的出現(xiàn)增加了水分的垂向滲漏和側(cè)向蒸發(fā),減少了大氣降水的有效補(bǔ)給,從而造成土壤含水量的下降. 由于坡中產(chǎn)生的裂縫數(shù)量多且寬度大,土壤水分的下滲量和蒸發(fā)量也隨之增大,致使坡中土壤水分減少最多.

      4.2 采煤沉陷對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

      土壤養(yǎng)分是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo). 該研究初步表明,沉陷區(qū)TP、TN、OM和AK含量較非采區(qū)均有顯著下降,這與張發(fā)旺等[29-30]的結(jié)果相似,但與其不同的是,AP含量有增加趨勢(shì),因?yàn)槌料輰?dǎo)致土壤中的粉粒和黏粒減少,使土壤沙化嚴(yán)重[31-32],沙土對(duì)磷素的固定和緩沖能力差,除非活性磷外,其他形態(tài)磷可全部或部分釋放到土壤中使AP含量增加[33-35],這與姚國(guó)征等[13]的結(jié)論基本吻合. 土壤結(jié)構(gòu)的改變與土壤養(yǎng)分運(yùn)移密切相關(guān),沉陷形成地表裂縫,使土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素沿裂縫滲漏至采空區(qū),從而引起土壤養(yǎng)分的缺失[20]. 同時(shí),該研究發(fā)現(xiàn),TN在沉陷區(qū)坡中流失嚴(yán)重,OM和AK含量在坡底減少量最多,這是因?yàn)椴煌寥鲤B(yǎng)分的流失途徑存在差別. 坡中氮素沿裂縫淋溶至土壤深層發(fā)生損失,而坡底位于沉陷中心區(qū),地勢(shì)低洼,水熱條件相對(duì)較好,調(diào)查時(shí)也發(fā)現(xiàn)該部位植物種類多、蓋度高,可能是由于植物對(duì)土壤養(yǎng)分吸收利用程度高而造成可利用養(yǎng)分相對(duì)于其他坡位較低.

      4.3 采煤沉陷對(duì)植物群落的影響

      沉陷區(qū)土壤水分和養(yǎng)分條件的改變會(huì)打破土壤與植被之間的動(dòng)態(tài)平衡,從而對(duì)植物群落產(chǎn)生影響[36]. 根據(jù)此次調(diào)查可知,沉陷后植物種類有所減少,群落組成發(fā)生改變,原生植被羊草、貝加爾針茅優(yōu)勢(shì)地位下降,旱生植物種類和數(shù)量增多,植物群落發(fā)生逆向演替. 由于沉陷區(qū)土壤水分減少,加劇了水分脅迫,使環(huán)境趨于干旱化,而埋在土壤中適合旱生條件的植物種子(如雙齒蔥、菊葉委陵菜等)因生存環(huán)境適宜而萌發(fā)長(zhǎng)成植株. 該研究中,沉陷區(qū)植物群落的Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均明顯低于對(duì)照區(qū),這與烏仁其其格等[1,36]的研究結(jié)果一致,而Pielou均勻度指數(shù)變化不顯著. 受采煤沉陷的影響,群落的物種多樣性有所下降,而物種均勻度變化不明顯. 這是因?yàn)?,沉陷區(qū)TN、TP、OM等營(yíng)養(yǎng)元素含量的降低使群落中部分植物的生長(zhǎng)受到限制,如羊草在氮素虧缺的條件下光合速率會(huì)降低[37],使原有優(yōu)勢(shì)種在群落中失去生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),從而為次優(yōu)勢(shì)種、伴生種和其他適宜物種(如日陰菅、寸草苔、雙齒蔥等)提供了機(jī)會(huì),使其在種間競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì). 這些植物的生長(zhǎng)不僅會(huì)抑制群落中其他植物的生長(zhǎng),甚至?xí)?dǎo)致其他物種的消失[38],從而造成物種多樣性降低. 同時(shí),這也驗(yàn)證了生態(tài)學(xué)的中度干擾假說(shuō)[39],若干擾過(guò)度,先鋒種不能發(fā)展到演替中期,使物種多樣性較低. 雖然沉陷區(qū)植物群落的Pielou均勻度指數(shù)無(wú)顯著變化,但是仍有小幅降低. 在沉陷的影響下,群落中原有優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)地位下降,優(yōu)勢(shì)種發(fā)生改變,因此其分布的均勻度下降. 但草原植物的生態(tài)位相似,適應(yīng)性強(qiáng)的物種會(huì)因?yàn)榉N間競(jìng)爭(zhēng)而不會(huì)因優(yōu)勢(shì)種的改變使其生態(tài)位寬度增加而大幅擴(kuò)散[40],所以與對(duì)照區(qū)相比,物種Pielou均勻度未出現(xiàn)明顯降低.

      4.4 采煤沉陷對(duì)土壤-植物系統(tǒng)的影響

      土壤環(huán)境是植物群落生長(zhǎng)的基礎(chǔ),土壤質(zhì)量對(duì)植物多樣性的影響需要深入研究. 這可能是因?yàn)橥寥览砘再|(zhì)和養(yǎng)分因子之間的關(guān)系本就復(fù)雜[41],其作用于物種多樣性的耦合效應(yīng)更為復(fù)雜,而且不同植物功能群對(duì)土壤質(zhì)量的響應(yīng)也不同. 該研究表明,土壤因子與植物多樣性的排序模型達(dá)到顯著水平,其對(duì)植物多樣性的解釋率為98.2%. 總體來(lái)看,土壤養(yǎng)分與植物群落多樣性指數(shù)呈正相關(guān),這與李向磊等[42-43]的研究結(jié)果吻合. 其中TN、AK、TP和OM含量與群落物種多樣性的相關(guān)性顯著,且相關(guān)系數(shù)均大于0.5. 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),影響群落多樣性變化的關(guān)鍵因子是TN含量. 土壤氮素是植物生產(chǎn)力的決定性因素,也是影響草原植物群落組成的主要土壤環(huán)境因子[44]. 沉陷區(qū)TN含量的減少會(huì)使依賴于氮素的植物生長(zhǎng)受限[37],在物種競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)甚至被淘汰,導(dǎo)致群落多樣性降低. 而植物多樣性的降低又會(huì)影響土壤微生物群落和土壤酶活性[17,36],進(jìn)而影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素代謝,導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量進(jìn)一步降低. 可見(jiàn),在采煤沉陷的干擾下,土壤與植被是相互作用、相互影響的.

      土壤-植物系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,與對(duì)照區(qū)相比,采煤沉陷后土壤-植物系統(tǒng)發(fā)生退化,且坡中位置退化最明顯,這與坡中土壤水分和養(yǎng)分的缺失及其對(duì)植物群落的作用有關(guān). 因此,在我國(guó)東部草原區(qū)開展生態(tài)恢復(fù)時(shí)要注重土壤質(zhì)量的恢復(fù),尤其是地表裂縫密集的部位,通過(guò)合理的措施改良土壤結(jié)構(gòu),增加土壤蓄水、保肥能力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)植被系統(tǒng)的快速恢復(fù),促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)朝著健康、穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展.

      5 結(jié)論

      a) 呼倫貝爾草原采煤沉陷后,沉陷區(qū)土壤含水量比對(duì)照區(qū)下降了4.8%,坡中土壤水分損失最多. 土壤TK、TP、TN、OM和AK含量均有不同程度的降低,土壤養(yǎng)分在坡中和坡底流失嚴(yán)重.

      b) 沉陷區(qū)植物種類數(shù)量比對(duì)照區(qū)減少了28.6%~37.0%,原生植被羊草、貝加爾針茅的重要值下降,雙齒蔥、寸草苔等旱生植物種類和數(shù)量增加,植物群落發(fā)生逆向演替,物種多樣性有所下降.

      c) 研究結(jié)果顯示,土壤因子對(duì)植物多樣性的解釋率為98.2%,土壤TP、TN、OM和AK含量與多樣性指數(shù)均呈正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)均大于0.5,土壤TN含量是影響群落多樣性的關(guān)鍵因子.

      d) 土壤-植物系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)得出,沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分受影響較大,從而影響群落的結(jié)構(gòu)特征. 沉陷區(qū)土壤-植物系統(tǒng)較對(duì)照區(qū)退化趨勢(shì)明顯,沉陷盆地坡中部位(沉陷邊緣區(qū))退化最嚴(yán)重.

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