姚一文, 戴全厚, 林梽桓, 高儒學(xué), 嚴(yán)友進(jìn), 伏文兵

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025; 2.華力創(chuàng)通工程咨詢有限公司, 貴陽(yáng) 550000)

以貴州省為中心的西南喀斯特地區(qū)是全球三大巖溶集中分布區(qū)之一[1]，由于其特殊的地質(zhì)背景使得其生態(tài)環(huán)境脆弱，受破壞后自我修復(fù)能力較差[2-3]。近年來貴州省因經(jīng)濟(jì)發(fā)展而審批的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量急劇上升，但生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施不僅對(duì)地表造成了嚴(yán)重的破壞，而且還形成了大量的土石混合工程堆積體。堆積體物質(zhì)組成復(fù)雜、土壤結(jié)構(gòu)松散、粘聚力差、保水保肥能力差，受雨水沖刷后極易發(fā)生泥石流等次生災(zāi)害[4]，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及人民群眾的生產(chǎn)生活。植被恢復(fù)作為改善土壤質(zhì)量的重要措施之一，能夠有效減少土壤侵蝕[5]。大量學(xué)者[6]通過對(duì)生態(tài)環(huán)境較為脆弱的黃土高原地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)重建能夠改善土壤質(zhì)量，能明顯影響到物種多樣性，物種多樣性變化也能夠間接反映出該地區(qū)土壤質(zhì)量的好壞[7]。有研究發(fā)現(xiàn)在立地條件相似條件下，隨恢復(fù)時(shí)間增加，物種多樣性反而減?。贿€有學(xué)者發(fā)現(xiàn)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)隨恢復(fù)時(shí)間增加呈增大—減小—增大的趨勢(shì)[8]。

就喀斯特區(qū)土石混合工程堆積體而言，土石混合工程堆積體由于土壤結(jié)構(gòu)不良、養(yǎng)分含量低、持水能力差等原因，導(dǎo)致植被恢復(fù)效果不佳[9]。從水土流失角度看，當(dāng)前對(duì)于工程堆積體研究主要集中在其坡面侵蝕與產(chǎn)沙規(guī)律[10-11]及其對(duì)土石混合堆積體物理力學(xué)性質(zhì)和坡面穩(wěn)定性的研究[12-13]，而針對(duì)其植被恢復(fù)過程中物種多樣性特征及其與土壤性質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系鮮見報(bào)道。此外，依坡傾倒型工程堆積體作為最典型的工程堆積體，因堆積方式形成臺(tái)面與坡面兩種立地類型，不同的立地條件，兩者植被恢復(fù)特征是否存在異同尚不可知，了解土石混合工程堆積體植被自然恢復(fù)過程中植物群落組成能夠?yàn)榻窈笸潦旌瞎こ潭逊e體植被恢復(fù)及其生態(tài)治理提供更多的理論支持。鑒于此，本文通過研究不同恢復(fù)時(shí)間土石混合堆積體臺(tái)面和坡面物種多樣性和土壤的基本特性，闡明不同恢復(fù)時(shí)間土石混合堆積體植被與表層土壤特征的變化規(guī)律，探究潛在的可加速土石混合堆積體植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子，為喀斯特區(qū)土石混合堆積體的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于貴州省貴陽(yáng)市，屬貴州高原中部淺切剝蝕型巖溶低中山丘陵區(qū)，海拔為800～1 300 m，為典型中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。年均日照時(shí)數(shù)約為1 062.0 h，年平均氣溫約為15.1℃，年平均積溫≥10℃，年平均相對(duì)濕度為77%，平均年降水量為1 100～1 300 mm，其中5—10月(雨季)降水量約占79%，無霜期約為270 d。屬中亞熱帶常綠闊葉林帶，植被以常綠闊葉林為主，但是由于人類活動(dòng)的長(zhǎng)期破壞，原生植被已基本不復(fù)存在。原成土母質(zhì)主要以第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的黃壤。此外，基于對(duì)貴州省貴陽(yáng)市各區(qū)35個(gè)由線性工程建設(shè)而產(chǎn)生土石工程堆積體樣地調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)貴州省貴陽(yáng)市土石混合工程堆積體的土石比為25%～40%，坡度在30°～45°分布居多，堆積時(shí)間多數(shù)集中在10 a以內(nèi)，因此，本研究采用空間代替時(shí)間的研究方法，選擇4個(gè)土石比例為30%，坡長(zhǎng)為18 m左右，坡度30°左右，土壤類型為黃壤的依坡傾倒型土石混合工程堆積體作為研究對(duì)象。每個(gè)堆積體臺(tái)面和坡面面積大約為5 000 m2，自然恢復(fù)時(shí)間(出現(xiàn)植被開始)分別為1，2，4，6 a的4個(gè)土石混合工程堆積體。各堆積體基本信息見表1，保證除恢復(fù)年限恢復(fù)時(shí)間不同外，坡度、坡長(zhǎng)、海拔高度以及其他生態(tài)因子基本相似，盡量減少氣候、地形等因素帶來的影響。

2 材料和方法

2.1 樣地設(shè)置及土壤樣品采集與分析

利用GoogleEarthl歷史影像地圖初步確定工程堆積體的地理位置和面積，然后實(shí)地調(diào)查確定每個(gè)堆積體的具體堆積年份，篩選出立地條件相似的4個(gè)不同恢復(fù)恢復(fù)時(shí)間(1，2，4，6 a)的土石混合堆積體，每個(gè)土石混合工程堆積體分為臺(tái)面(PL)和坡面(SL)共8個(gè)樣地。研究于2018年7—8月進(jìn)行野外樣品采集，由于工程堆積體前期植被較少且以草本植物為主，因此本研究的喬灌草樣方設(shè)置相對(duì)于其他樣方設(shè)置適當(dāng)進(jìn)行了擴(kuò)大，每個(gè)堆積體臺(tái)面或坡面擴(kuò)大后的喬木樣方為整個(gè)臺(tái)面或坡面的面積，研究的8個(gè)樣地都按對(duì)角線設(shè)置3個(gè)10 m×10 m灌木樣方(共24個(gè))，記錄其種名、株數(shù)、樹高和冠幅等數(shù)據(jù)，每個(gè)灌木樣方內(nèi)再按對(duì)角線(與灌木樣方垂直方向)設(shè)置3個(gè)2 m×2 m草本樣方(共72個(gè))，分別記錄樣方內(nèi)灌木和草本的種名、株數(shù)或叢數(shù)、高度、蓋度等。通過對(duì)每個(gè)堆積體植物科屬、種類及其數(shù)量調(diào)查后，通過計(jì)算得出其群落α多樣性和植物群落比重變化。在每個(gè)堆積體草本樣方內(nèi)除去表層枯落物后，考慮到工程堆積體表層一般情況下具有覆土層，本研究取樣僅僅是20 cm以內(nèi)用200 cm3環(huán)刀隨機(jī)取土3次，8個(gè)樣地共216個(gè)用以測(cè)定土壤容重，并取環(huán)刀周邊土壤用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤含水量(MC)測(cè)定采用烘干稱重法；半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量(TN)和銨態(tài)氮含量(AN)；重鉻酸鉀容量法—外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)；鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷含量(TP)，有效磷(AP)；全鉀(TK)、速效鉀(AK)的測(cè)定利用碳酸氫鈉法和醋酸氨浸提—火焰光度法。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

采用豐富度指數(shù)Margalef、多樣性指數(shù)Shannon-Wiener、均勻度指數(shù)Pielou和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Simpson-Weiner共4個(gè)指標(biāo)對(duì)α多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式如下:

Margalef豐富度指數(shù)

R=(S-1)/lnN

(1)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)

(2)

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

(3)

Pielou均勻度指數(shù)

E=H′/lnS

(4)

式中:S為樣方內(nèi)的物種總數(shù)目(個(gè));ln為自然對(duì)數(shù);N為樣方內(nèi)觀察到的所有物種的個(gè)體總數(shù);Pi為第i種的個(gè)體占樣方內(nèi)總個(gè)體數(shù)的比例。

運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著性差異法(LSD)，并采用CANOCO 5.0軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)研究植被物種多樣性和土壤因子之間的相關(guān)性，并用向前篩選法(Fowarad selection)和蒙特卡洛置換檢驗(yàn)(Monte permulation test)進(jìn)行環(huán)境因子篩選和顯著性檢驗(yàn)[14]，預(yù)測(cè)得出各恢復(fù)時(shí)間內(nèi)土壤因子對(duì)物種多樣性的貢獻(xiàn)率。采用Microsoft Excel 2016和Origin 2018軟件制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土石混合堆積體植被群落物種組成及其多樣性變化特征

在調(diào)查的24個(gè)大樣地中，共記錄到維管植物113種，隸屬44科101屬，不同恢復(fù)年限恢復(fù)時(shí)間的工程堆積體植物群落組成的科屬種變化特征見圖1。隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，臺(tái)面植物的科、屬、種數(shù)呈一定的波動(dòng)趨勢(shì)，具體為先減小后增加再減?。黄旅嬷参锏目?、屬、種數(shù)總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且在恢復(fù)時(shí)間為2 a的堆積體坡面表出現(xiàn)多屬同歸于少數(shù)科的情況。綜合整理研究區(qū)臺(tái)面和坡面植物種類，發(fā)現(xiàn)坡面植物種類(99種)明顯高于臺(tái)面(74種)，挑選前10種物種數(shù)最多的科類(圖2)發(fā)現(xiàn)生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)的植物主要集中在菊科(Composita)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminous)，三者物種數(shù)之和占群落物種比例在臺(tái)面(54.05%)、坡面(44.44%)，占群落前十科的比例在臺(tái)面和坡面依次為72.7%，65.7%。

從植物群落層次來看(圖3)，臺(tái)面和坡面上各恢復(fù)年限恢復(fù)時(shí)間內(nèi)物種數(shù)目表現(xiàn)為草本層>灌木層>喬木層，恢復(fù)時(shí)間為1 a和2 a的堆積體草本植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)恢復(fù)時(shí)間達(dá)到6 a時(shí)，臺(tái)面喬、灌層比重分別上升到5.41%,6.82%，而臺(tái)面草本層下降10.81%，坡面的草本層下降了19.56%。表明隨恢復(fù)時(shí)間的增加，喬灌層物種數(shù)所占比重逐漸上升，草本層有所下降，且坡面草本層植物種類下降幅度大于臺(tái)面。

圖1 不同恢復(fù)期土石混合堆積植物物種組成

圖2 研究區(qū)物種前10科

土石混合堆積體臺(tái)面和坡面植物物種多樣性隨恢復(fù)時(shí)間的變化如圖4所示，各物種多樣性指數(shù)隨恢復(fù)時(shí)間增加都表現(xiàn)出“先上升，后下降”的變化趨勢(shì)。但不同多樣性指數(shù)變化幅度、最大值出現(xiàn)年份不盡相同。臺(tái)面上，Margalef指數(shù)在植被恢復(fù)前期(1 a和2 a)數(shù)值較低且差異不顯著，恢復(fù)4 a時(shí)達(dá)到最大值為1.87，與恢復(fù)前期比差異顯著(p<0.05)。Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)均在恢復(fù)時(shí)間為2 a時(shí)最高，且這兩種指數(shù)在各恢復(fù)時(shí)間內(nèi)具有一定差異。坡面上，Margalef指數(shù)最大值出現(xiàn)在4 a，是恢復(fù)時(shí)間1 a的3.07倍，其余3種指數(shù)最大值皆出現(xiàn)在恢復(fù)時(shí)間為2 a，4種多樣性指數(shù)在恢復(fù)前期(1 a和2 a)和后期(6 a)相比差異顯著(p<0.05)。

圖3 不同恢復(fù)時(shí)間植物群落比重

注:R為豐富度指數(shù)，H′為多樣性指數(shù)，D為優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，E為均勻度指數(shù)。不同小寫字母表示同一指數(shù)在不同恢復(fù)時(shí)段恢復(fù)時(shí)間差異顯著(p<0.05)。

3.2 土石混合工程堆積體土壤理化性狀

土石混合堆積體植被恢復(fù)過程中，各理化指標(biāo)隨恢復(fù)時(shí)間增加均有不同程度變化，具體見表2。堆積體植被恢復(fù)對(duì)SOM含量具有顯著影響，表現(xiàn)為隨植被恢復(fù)時(shí)間增加而增加，恢復(fù)6 a的有機(jī)質(zhì)含量臺(tái)面上是1 a的3.4倍，坡面為3.7倍；TN，TP含量在兩種不同位置含量隨時(shí)間變化具有一定的波動(dòng)性，整體表現(xiàn)為恢復(fù)6 a的樣地顯著高于其他恢復(fù)時(shí)間樣地的含量(p<0.05)。植被恢復(fù)對(duì)AN影響不明顯，隨恢復(fù)時(shí)間增加其含量在臺(tái)面和坡面呈先增加后降低趨勢(shì)，但5 a的恢復(fù)時(shí)間AN含量?jī)?nèi)只增長(zhǎng)了8.5%；AK含量隨植被恢復(fù)時(shí)間變化趨勢(shì)與AN相同。在臺(tái)面上6 a的BD高于1 a，這可能與土壤沉降有關(guān)，坡面BD隨恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)而減小。MC隨恢復(fù)時(shí)間的增加反而減少，說明在植被在恢復(fù)5 a后并沒有顯著改善土壤的貯水能力涵養(yǎng)水分功能。此外，對(duì)于同一恢復(fù)時(shí)間的臺(tái)面和坡面來說，BD和SOM在臺(tái)面與坡面之間(除4 a)差異顯著(p<0.05)，TP和TK除恢復(fù)時(shí)間為2 a時(shí)臺(tái)面與坡面之間差異顯著外，其余都不顯著。

3.3 植被物種多樣性與土壤理化性質(zhì)關(guān)聯(lián)分析

本研究采用冗余分析(RDA)來呈現(xiàn)物種多樣性與土壤環(huán)境的關(guān)系，其中土壤環(huán)境因子作為解釋變量，物種多樣性作為響應(yīng)變量，分析2組變量得到植物物種多樣性與土壤環(huán)境因子的雙序圖(圖5)。在排序圖中，帶有實(shí)心箭頭的線表示植被物種多樣性，空心箭頭的線表示土壤環(huán)境因子。由圖5可知，BD，TK，MC，AN，TN在4種不同恢復(fù)的工程堆積體上與箭頭連線較長(zhǎng)，說明對(duì)物種多樣性影響較大，其中MC和BD對(duì)臺(tái)面物種多樣性的影響大于坡面，而土壤養(yǎng)分對(duì)坡面影響較大。

表2 不同恢復(fù)時(shí)間土石混合工程堆積體土壤理化性質(zhì)

△ 臺(tái)面 ○ 坡面

從恢復(fù)時(shí)間和空間位置上看，恢復(fù)時(shí)間為1 a的堆積體(圖5A)，TK，BD和AK與4種多樣性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，MC，AP和SOM與各指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且坡面上受磷元素影響較大；恢復(fù)時(shí)間為2 a的堆積體(圖5B)，Margalef豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與MC，AK，TN呈正相關(guān)關(guān)系，與BD和TK呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而Pielou均勻度指數(shù)與BD和TK呈正相關(guān)關(guān)系。多樣性在臺(tái)面上主要受到氮素和含水量影響，坡面受TK影響；恢復(fù)時(shí)間為4 a的堆積體(圖5C)，Pielou均勻度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與BD，SOM等呈正相關(guān)關(guān)系，Margalef豐富度指數(shù)與MC和AN呈正相關(guān)關(guān)系且AN與其夾角最小表明與Margalef指數(shù)相關(guān)性強(qiáng)；恢復(fù)時(shí)間為6 a的堆積體(圖5D)，4種多樣性指數(shù)與TP，TN和BD呈正相關(guān)關(guān)系。其中BD與Margalef指數(shù)相關(guān)性大于它與其余多樣性指數(shù)。MC和AP對(duì)臺(tái)面物種多樣性影響較大，TN和TP影響體現(xiàn)在坡面。

為了更加直觀地表現(xiàn)解釋變量對(duì)植物物種多樣性的影響，采用向前篩選法和蒙特卡洛檢驗(yàn)對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行排序，選取累計(jì)貢獻(xiàn)率超過70%的環(huán)境因子，默認(rèn)這些因子在各恢復(fù)時(shí)間內(nèi)對(duì)植物物種多樣性起主要影響作用。結(jié)果見表3，不同恢復(fù)時(shí)段恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，各土壤因子對(duì)物種多樣性的影響程度也不同。在恢復(fù)時(shí)間為1 a的堆積體SOM，AP和MC貢獻(xiàn)率之和為78.3%，其中SOM貢獻(xiàn)率為48.2%，遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)且影響顯著(p<0.05)；恢復(fù)時(shí)間2 a時(shí)，TK和AK貢獻(xiàn)率之和達(dá)到84.5%，對(duì)物種多樣性更是具有極顯著影響(p<0.01)。隨恢復(fù)時(shí)間增加，影響物種多樣性的土壤因子也增加，且土壤因子貢獻(xiàn)率較為平均，恢復(fù)時(shí)間4 a時(shí)MC，TK，AK和BD貢獻(xiàn)率分別為29%，23.8%，13.8%，10.7%；BD，TN，TK和AK對(duì)恢復(fù)時(shí)間為6 a的物種多樣性累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到72%。

表3 理化性質(zhì)在RDA分析中的前瞻性選擇特征

4 討 論

4.1 植被恢復(fù)過程中物種多樣性特性

群落構(gòu)成是群落結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其物種組成變化在一定程度上反映了群落外貌，是植物群落對(duì)所處環(huán)境各因素綜合反映的外部表現(xiàn)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，堆積體臺(tái)面與坡面前期基本以草本植物為主，隨恢復(fù)時(shí)間增加，喬灌木植物種類增加。研究區(qū)植物以菊科、禾本科和豆科為主，原因在于三者屬于耐干擾植物[16]，具有高繁殖力和高生長(zhǎng)率，并將主要資源分配給維持生殖生長(zhǎng)，能在植被恢復(fù)前期占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。物種多樣性是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的重要內(nèi)容與標(biāo)志，但并非多樣性高的群落其結(jié)構(gòu)一定穩(wěn)定，還與群落演替動(dòng)態(tài)有密切關(guān)系[17]。Odum[18]認(rèn)為物種多樣性在群落演替前期不斷增大，中期達(dá)到峰值后隨時(shí)間增加出現(xiàn)降低趨勢(shì)。這與本研究發(fā)現(xiàn)Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)均表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)相同，但變化程度以及臺(tái)面和坡面各指數(shù)峰值出現(xiàn)年份不盡相同。原因在于恢復(fù)前期，土壤質(zhì)地被嚴(yán)重破環(huán)，地表裂隙大，養(yǎng)分流失嚴(yán)重，從而導(dǎo)致植被物種單一，物種多樣性和均勻度指數(shù)較低。隨恢復(fù)時(shí)間增加，埋藏在堆積體土壤中的草本種子經(jīng)過一段時(shí)間的積累，利用其生長(zhǎng)速度快，基數(shù)大，擴(kuò)散能力強(qiáng)等特點(diǎn)[8]，大面積在堆積體上定居，植物種類快速增加，此階段的豐富度指數(shù)較高。隨植被恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，多年生植物開始介入，群落結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致研究區(qū)域的小生境發(fā)生變化。由于不同的植物物種具有不同的資源生態(tài)位[19]，生態(tài)幅較窄的物種逐漸消失，適應(yīng)能力強(qiáng)的物種存留下來。加上喬灌木形成的林下小環(huán)境不利于某些草本植物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致物種多樣性和豐富度指數(shù)降低。但謝晉陽(yáng)等[20]通過對(duì)暖溫帶落葉闊葉林的物種多樣性特征分析發(fā)現(xiàn)物種多樣性隨群落演替進(jìn)行逐漸增加，在演替頂極達(dá)到最大。這可能與研究區(qū)本地條件有關(guān)，土石混合工程堆積體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤養(yǎng)分易流失，限制植物生長(zhǎng)，植物群落演替達(dá)到頂級(jí)所需時(shí)間相對(duì)于暖溫帶落葉闊葉林有所減少，導(dǎo)致植物物種多樣性變化也具有差異。此外，本研究發(fā)現(xiàn)坡面植物種類多于臺(tái)面，造成其原因可能是植物種子主要是靠風(fēng)、蟲、雨水等媒介進(jìn)行傳播繁殖，坡面更容易接收到外來種子，降雨也會(huì)導(dǎo)致雨水夾雜植物種子從臺(tái)面向坡面移動(dòng)。其次，研究區(qū)雖然選擇離人群較遠(yuǎn)，盡量排除人類干擾，但仍有放牧和其他人類活動(dòng)對(duì)此產(chǎn)生影響。

4.2 植被恢復(fù)過程中土壤因子特征

土壤為植物生長(zhǎng)提供生存空間和營(yíng)養(yǎng)元素，其理化性質(zhì)變化將會(huì)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育而植被恢復(fù)可以改善土壤理化特性[21]。本研究表明，隨土石混合工程堆積體恢復(fù)時(shí)間的增加，植被正向演替過程中，土壤性質(zhì)均得到不同程度的改善，SOM含量顯著提高，養(yǎng)分含量明顯增加?；謴?fù)6 a的TK含量相對(duì)于恢復(fù)時(shí)間1 a提高了13.9%、TN含量提高了114.9%，表明植被恢復(fù)能提高土壤養(yǎng)分，但提高的程度存在差異。隨植被恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，SOM含量明顯增加，其原因是由于植物枯枝落葉分解和根系分泌物是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源[22]，植物凋落物分解提高了SOM含量[23]。此外，植被還可以通過根系分泌及其脫落物向地下輸送有機(jī)質(zhì)，利用自身進(jìn)行生物量的投入來改變SOM含量[24]，并且植物枯枝落葉分解后產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)元素逐漸釋放到土壤中，為各種營(yíng)養(yǎng)元素提供養(yǎng)分來源。不同恢復(fù)時(shí)段恢復(fù)時(shí)間的臺(tái)面和坡面AK和AP含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，原因在于土壤磷素是一種沉積性礦物，植物生長(zhǎng)所需要的磷元素由植被凋落物和有機(jī)質(zhì)分解提供[25]，隨著植被恢復(fù)，地表覆蓋物增加，加速礦物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的積累進(jìn)而提高AK含量，恢復(fù)后期植被生長(zhǎng)，發(fā)育會(huì)消耗大量的AK，導(dǎo)致其含量下降。此外，有學(xué)者[26]發(fā)現(xiàn)，BD隨恢復(fù)時(shí)間增加而減小，而本研究發(fā)現(xiàn)坡面BD隨恢復(fù)時(shí)間增加而減小，臺(tái)面反之，其原因可能是前者是由于植物根系活動(dòng)引起土壤松動(dòng)和動(dòng)植物殘?bào)w為有機(jī)質(zhì)提供來源導(dǎo)致BD隨恢復(fù)時(shí)間增加而下降，后者原因在于土石混合堆積體在重力作用下土壤發(fā)生沉降，致使土壤質(zhì)地緊密，導(dǎo)致數(shù)值偏大。綜上所述，隨土石混合工程堆積體恢復(fù)時(shí)間的增加，其植被正向演替過程中對(duì)土壤理化性質(zhì)起到了不同程度的改善作用，但對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響程度明顯大于土壤物理性質(zhì)。

4.3 植被恢復(fù)過程中土壤理化因子對(duì)物種多樣性響應(yīng)

土壤是植物生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤理化性質(zhì)的不同，影響著生長(zhǎng)于其中的植物，從而影響到物種多樣性[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，BD，MC，TK，AK，AN在4種不同恢復(fù)時(shí)段恢復(fù)時(shí)間的工程堆積體上與箭頭連線較長(zhǎng)，說明對(duì)物種多樣性影響較大?；謴?fù)時(shí)間較短的堆積體，鉀素對(duì)促進(jìn)植被恢復(fù)有較大影響，隨恢復(fù)時(shí)間增加，作用效果有所下降，氮素作用效果明顯。此外，MC和BD對(duì)臺(tái)面物種多樣性的影響大于坡面，而土壤養(yǎng)分對(duì)坡面影響較大，原因可能是工程堆積體臺(tái)面土壤發(fā)生沉降使其較為緊實(shí)，土壤通透性差，地表容易板結(jié)，導(dǎo)致植物種子萌發(fā)后，根系不易吸收水分。而坡面土壤較為疏松，但水土流失嚴(yán)重，特別是強(qiáng)降雨下，養(yǎng)分容易混合雨水從地表徑流和堆積體孔隙間流失，導(dǎo)致植被對(duì)土壤養(yǎng)分吸收減弱。在恢復(fù)時(shí)間為2 a的堆積體上MC與各指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件，對(duì)土壤性質(zhì)和植物生長(zhǎng)影響較大，進(jìn)而影響到植物的分布格局。隨恢復(fù)時(shí)間增加，BD與豐富度指數(shù)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。其過大會(huì)使得土壤緊實(shí)，進(jìn)而影響根系生長(zhǎng)[27]?；謴?fù)時(shí)間增加BD減小，植物根系更容易吸收土壤水分，使更多植物種類能夠存活?；謴?fù)后期各多樣性指數(shù)與TN和SOM都呈正相關(guān)，研究表明[28]隨著植被演替的進(jìn)行，植物生物量和地表凋落物增加，土壤微生物也在增加，從而導(dǎo)致土壤中的TN含量也上升。此外，由于恢復(fù)年限恢復(fù)時(shí)間的增加，根系微生物含量也隨之增加，使更多的有機(jī)氮礦化作用促進(jìn)植物生長(zhǎng)[29]。這都表明在植被恢復(fù)過程中，土壤質(zhì)量在不斷的改善，并反過來促進(jìn)植被生長(zhǎng)發(fā)育，推動(dòng)植被演替的正向進(jìn)行，而植被恢復(fù)進(jìn)一步提高土壤質(zhì)量。速效磷與各物種多樣性指數(shù)皆表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其原因可能是土壤中磷的含量與成土母質(zhì)有關(guān)，工程堆積體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤來源廣泛，磷含量受土壤類型和氣候條件影響較大，而受植被演替中群落結(jié)構(gòu)的影響較小[30]。

對(duì)于恢復(fù)時(shí)間不同的土石混合堆積體，土壤因子對(duì)物種多樣性的貢獻(xiàn)度也不相同，研究發(fā)現(xiàn)隨恢復(fù)時(shí)間增加，影響程度有所差異，TK和AK在恢復(fù)時(shí)間為2 a貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了84.5%，表明此段恢復(fù)時(shí)間里，鉀素對(duì)物種多樣性的影響較大，成為限制植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因子，而到恢復(fù)時(shí)間為6 a時(shí)，TK和AK貢獻(xiàn)率分別為16.1%，12.8%。兩種土壤因子分別下降了72.99%,48.59%，MC從恢復(fù)時(shí)間1 a的11.9%到恢復(fù)時(shí)間4 a的29%，貢獻(xiàn)率上升了2.4倍。表明各土壤因子在不同時(shí)期對(duì)植物的作用不同，成為植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要影響因子也會(huì)隨之改變。因此在防治土石混合堆積體水土流失上，植被恢復(fù)方面前期應(yīng)該針對(duì)主要缺乏的鉀素進(jìn)行補(bǔ)充，使植被能夠存活下來，同時(shí)進(jìn)行人為干擾減少堆積體上的水分蒸發(fā)。隨恢復(fù)時(shí)間增加，植被正向演替進(jìn)行，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的因素變多，增加土壤養(yǎng)分的投入能夠更好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)。植物物種選擇既能保水、保土又能與土壤微生物相互作用補(bǔ)充土壤中氮素類營(yíng)養(yǎng)元素的豆科類或與豆科植物互利共生植物。

5 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)土石混合堆積體臺(tái)面植物共32科、71屬、74種，坡面植物共39科、91屬、99種，隨土石混合堆積體恢復(fù)時(shí)間增加，各堆積體植物種類呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且坡面植物種類明顯高于臺(tái)面；各多樣性指數(shù)隨堆積體恢復(fù)時(shí)間增加表現(xiàn)出先增加后降低。

(2) 土石混合堆積體植被恢復(fù)時(shí)間增加，土壤多項(xiàng)理化性質(zhì)得到改善。土壤TN，TK，AP和SOM含量隨恢復(fù)時(shí)間總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，AN和AK含量表現(xiàn)為先增加后降低。隨土石混合堆積體植被恢復(fù)時(shí)間增加，環(huán)境因子對(duì)物種多樣性的貢獻(xiàn)率也不同，MC，BD，TN，TK和AK在不同恢復(fù)時(shí)段恢復(fù)時(shí)間內(nèi)對(duì)植物物種多樣性影響較大，其中鉀素在初期對(duì)植被恢復(fù)作用效果明顯，氮素在后期影響較大。

(3) 臺(tái)面植被易受土壤物理因子影響，而坡面更容易受土壤養(yǎng)分影響，因此從水土保持的角度看，考慮到土石混合堆積體保水能力差，植被類型建議以草灌混交恢復(fù)為主，植物物種種類上選擇既能保水保土又能與土壤微生物相互作用補(bǔ)充土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的豆科類植物。