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

        2010-12-23 04:05:34許建偉李晉川白中科岳建英
        山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:刺槐樣方樣地

        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)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ),是社會財富的重要源泉。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)和利用對經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的推動作用,但同時也帶來了巨大的破壞?,F(xiàn)在對礦山生態(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)墾時間和復(fù)墾模式的不同布設(shè)樣地,通過對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,樣方203 個,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,每個樣方內(nèi)取4 m×4 m 的灌木樣方2 個,1 m×1 m 的草本樣方4 個。

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

        (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,并在每個樣帶內(nèi)設(shè)置1 m×1 m 的草本樣方5 個。

        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)計整理,并對各個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 的個體數(shù)占群落中總個體數(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 立地條件對植物形態(tài)的影響分析

        3.1.1 不同母質(zhì)類型對刺槐生長的影響 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。其原因為:1 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。這可能是因為(1)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)墾工藝會使地表含有大量生土,地表有機(jī)質(zhì)含量降低。同時大型排土設(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,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 不同地表組成對草本植物多樣性的影響

        3.2 土壤因子對植物多樣性的影響

        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。

        [1] 陳昌篤.注目世界動向,迎接21 世紀(jì)中國生態(tài)學(xué)新發(fā)展[J].科技導(dǎo)報,1996(2):7-9.

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