張一岷 ，趙樹蘭 ，2，多立安 ，2

(1.天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2.天津師范大學(xué)生物多樣性調(diào)控與機(jī)場鳥擊防御研究中心，天津300387)

機(jī)場是一個(gè)特殊的生態(tài)系統(tǒng)，開放的半自然狀態(tài)形成了機(jī)場特殊的植物群落[1].植物群落的異質(zhì)性、植物與動物的多樣性都對機(jī)場區(qū)域的鳥類多樣性和活動模式產(chǎn)生重要影響，在一定程度上也決定了機(jī)場范圍內(nèi)飛行器的起降安全[2]，近年來鳥類與飛機(jī)相撞成為全球民用航空面臨的重大安全問題和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3-4].目前，國內(nèi)外對于機(jī)場地被植物群落的調(diào)控最主要是控制植物的高度，采用低草管理策略控制鳥類數(shù)量[5-6]；其次是選擇適宜的植物物種，種植適口性低、不吸引鳥類或具有驅(qū)蟲功效的植物，如喀西茄、薰衣草等[4]；另外，也采用其他的調(diào)控方式，如種植含有獨(dú)特內(nèi)生菌的草坪草進(jìn)行調(diào)控[7]、對機(jī)場草地進(jìn)行不同程度的火燒[8]等.利用廢棄物基質(zhì)調(diào)控機(jī)場地被植物研究尚未見報(bào)道.

粉煤灰是燃煤火力電廠在生產(chǎn)過程中排出的大量固體廢物，國內(nèi)外對其綜合利用主要在建筑工程和基礎(chǔ)工程等方面[9]，其次是用于改良和修復(fù)土壤[10]、涂料或填料以及污水處理等[11].本研究運(yùn)用群落生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論，利用粉煤灰對天津機(jī)場地被植物進(jìn)行基質(zhì)調(diào)控研究，旨在從植物方面控制鳥類食物源頭和改變鳥類棲息、繁殖環(huán)境，降低物種多樣性，實(shí)現(xiàn)植物單一化，進(jìn)而減少鳥類物種數(shù)及數(shù)量，降低鳥類對機(jī)場安全造成的隱患，為機(jī)場經(jīng)營管理植物群落提供理論依據(jù)，同時(shí)也為機(jī)場鳥擊防范工作提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)自然概況

天津?yàn)I海國際機(jī)場(北緯 39.07°，東經(jīng) 117.20°，海拔高度為3 m)位于天津市東麗區(qū)機(jī)場大道(機(jī)場立交南側(cè))，距天津市中心13 km，距天津港30 km，總占地面積760 hm2，裸地面積460 hm2[12].該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤性大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫為11.8℃，無霜期一般為188 d，全年降水量500～700 mm，降水主要集中在夏季，占全年降水量的76%左右.春季多風(fēng)，干旱少雨；夏季炎熱，雨季集中；秋季晴朗干燥；冬季寒冷，干燥少雪.機(jī)場內(nèi)植物資源豐富，植被覆蓋率高，主要植物種為夏至草(Lagopsis supina)、蘆葦(Phragmites australis)、虎尾草(Chloris virgata)、纖毛鵝觀草(Roegneria ciliaris)、泥胡菜(Hemistepta lyrata)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、中華小苦荬(Ixeridium chinense)、灰綠藜(Chenopodium glaucum)、巴天酸模(Rumex patientia)和獨(dú)行菜(Lepidium apetalum)等[13].

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地設(shè)在天津?yàn)I海國際機(jī)場的實(shí)驗(yàn)田中，土壤類型為沙壤土，pH為7.95，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.7%，密度為1.46 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為28.7 g/kg，全氮含量為2.37 g/kg，速效磷含量為21.43 mg/kg.

實(shí)驗(yàn)地分為粉煤灰調(diào)控區(qū)和對照區(qū)兩塊，總面積約為30 m×20 m.其中，粉煤灰調(diào)控區(qū)平分成3塊，大小為6.7 m×15.0 m.粉煤灰施加量分別為0.83、1.67和2.50 t，分別以LFA、MFA和HFA表示，以不添加粉煤灰的區(qū)域?yàn)閷φ諈^(qū)(CK).粉煤灰含有大量堿性氧化物，主要有SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%)、Fe2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～15%)、CaO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～10%)、Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%～35%)等，有機(jī)質(zhì)含量為13.54 g/kg，全氮含量為0.24 g/kg，速效磷含量為6.89 mg/kg，pH值為8.76.整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的植被均為自然生長狀態(tài).

2.2 植物群落調(diào)查

2016年4月至9月，采用樣方法對實(shí)驗(yàn)區(qū)植物進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)月調(diào)查2次.根據(jù)群落以低矮草本植物為主的特點(diǎn)，選取面積為1 m×1 m的樣方，分別在粉煤灰調(diào)控區(qū)的高、中、低含量以及對照區(qū)各布設(shè)3個(gè)樣方，共12個(gè)，記錄每個(gè)樣方內(nèi)的植物種類、高度、株數(shù)以及蓋度.由于4月份植物剛開始返青，4、5月份植被蓋度不足50%，因此生物量從6月份開始測定，采用完全收獲法，于80℃條件下烘至恒重，稱其干重.

2.3 植物多樣性的計(jì)算方法

選用4種常用的物種多樣性指數(shù)對樣地植物群落的多樣性進(jìn)行評價(jià)，即Simpson多樣性指數(shù)(Ds)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度(J)和Margalef豐富度(R)，計(jì)算公式如下：

式中：Pi為物種i的個(gè)體在全部個(gè)體中的比例Ni/N；Ni為物種i的個(gè)體數(shù)，N為群落中全部物種的個(gè)體數(shù)；S為物種數(shù)目.

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析以檢驗(yàn)不同處理之間的差異；利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行圖表制作.

3 結(jié)果與分析

3.1 植物群落的季相變化

實(shí)驗(yàn)區(qū)植物群落以連片的草叢植被為主體，一年之內(nèi)季相變化明顯，草層最高在夏秋之間的果期.春季植物剛開始返青，季相特征呈黃、綠相間，對照區(qū)(CK)的綠色面積大于粉煤灰調(diào)控區(qū).植物在春季和夏季大部分以營養(yǎng)生長為主，表現(xiàn)為蔥綠色，低添加量的粉煤灰調(diào)控區(qū)(LFA)與對照區(qū)可見白色、紫色、黃色和粉紅色的花朵陸續(xù)開放.在秋季，由于大部分植物的葉子枯萎凋落，植被色彩逐漸呈黃色.實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)有藤蔓植物葎草，其枯萎后莖呈黑灰色，因此對照區(qū)與低添加量的粉煤灰調(diào)控區(qū)冬季呈黃色且少見黑灰色的季相特征，而中、高添加量的粉煤灰調(diào)控區(qū)季相呈黑灰、黃相間.

3.2 植物群落的種類組成及變化

實(shí)驗(yàn)區(qū)植物種類共計(jì)36種，具體組成如表1所示.由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)區(qū)植被主要由菊科(Compositae，10種)和禾本科(Gramineae，6種)植物組成，大多是路邊和田間常見的多年生或一年生雜草，雙子葉植物種類多于單子葉植物，主要優(yōu)勢種類有菊科的刺兒菜(CirsiumsetosumWilld.MB.)和阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus Willd.)、禾本科的堿茅(Puccinellia distans)、纖毛鵝觀草(Roegneria ciliaris(Trin.)Nevski)和虎尾草(Chloris virgata Sw.)等.對照區(qū)植物共有16科27種，而粉煤灰調(diào)控區(qū)植物減少到11科22種，且隨著粉煤灰添加量的增加植物種類明顯減少，其中，LFA區(qū)有植物10科19種，MFA區(qū)植物減少到5科11種，HFA區(qū)則減少到4科8種.有些物種在對照區(qū)和粉煤灰調(diào)控區(qū)均存在，如菊科(Compositae)的刺兒菜(Cirsium setosum(Willd.)MB.)和阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus(Willd.)Novopokr.)、蘿藦科(Asclepiadaceae)的鵝絨藤(Cynanchum chinense R.Br.)、藜科(Chenopodiaceae)的灰綠藜(Chenopodium glaucum Linn.)、大麻科(Cannabaceae)的葎草(Humulus scandens(Lour.)Merr.)等；有些物種僅出現(xiàn)在對照區(qū)，如菊科(Compositae)的蒲公英(Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.)和細(xì)葉鴉蔥(Scorzonera pusilla Pall.)、廖科(Polygonaceae)的萹蓄(Polygonum aviculare Linn.)和巴天酸模(Rumex patientia Linn.)、十字花科(Cruciferae)的小花糖芥(Erysimum cheiranthoides Linn.)和獨(dú)行菜(Lepidium apetalum Willdenow)、豆科的黃香草木樨(Melilotus officinalis(Linn.)Desr.)、榆科(Ulmaceae)的榆樹(Ulmus pumila Linn.)、馬齒莧科(Portulacaceae)的馬齒莧(Portulaca oleraceaLinn.)等；有些物種在對照區(qū)正常生長，在粉煤灰調(diào)控區(qū)逐漸消失，如紫草科(Boraginaceae)的斑種草(Bothriospermum chinense Bge)、菊科(Compositae)的泥胡菜(Hemistepta lyrata(Bunge))、禾本科(Gramineae)的狗尾草(Setairaviridis(Linn.)Beauv.)和虎尾草(Chloris virgata Sw.)等；有些物種僅生長于粉煤灰調(diào)控區(qū)，如菊科的鶴虱(Carpesiumabrotanoides Linn.)和旋覆花(Inula japonica Thunb.)、禾本科的堿茅(Puccinellia distans(Linn.)Parl.)等.

表1 試驗(yàn)區(qū)植物名錄Tab.1 List of plants in the experimental plots

植物群落物種數(shù)隨時(shí)間的變化如圖1所示.

圖1 植物群落物種數(shù)隨月份的變化Fig.1 Monthly variation of plant species

由圖1可以看出，整個(gè)調(diào)查期間粉煤灰調(diào)控區(qū)植物群落的物種數(shù)均顯著低于對照區(qū)(P＜0.05).其中，LFA區(qū)物種數(shù)隨時(shí)間一直呈降低的趨勢，但均高于MFA和HFA區(qū)的物種數(shù)；對照區(qū)與HFA區(qū)物種數(shù)的月變化均呈先增加后減少的趨勢，6月份達(dá)到最大值，分別為20種和8種，HFA區(qū)植物群落物種數(shù)在9月份僅有3種；MFA區(qū)物種數(shù)在5月份達(dá)到最大值，之后呈緩慢下降趨勢.

3.3 植物群落多樣性特征

對照區(qū)與粉煤灰調(diào)控區(qū)的植物群落多樣性變化如圖2所示.

圖2 機(jī)場植物群落多樣性特征變化Fig.2 Variation of plant community diversity in Airport

由圖2(a)可以看出，在整個(gè)調(diào)查期間，對照區(qū)植物群落的Margalef豐富度指數(shù)顯著高于粉煤灰調(diào)控區(qū)(P＜0.05)，隨著粉煤灰添加量的增加，植物群落的豐富度呈下降趨勢.對照區(qū)的豐富度在5月份達(dá)到最大，之后隨著觀測期的延長呈下降趨勢；LFA、MFA和HFA區(qū)的豐富度最大值分別出現(xiàn)在4月份、5月份和6月份.由圖2(b)可以看出，4—7月份，對照區(qū)與LFA區(qū)植物群落的均勻度接近(P＞0.05)，MFA區(qū)在7—9月份與對照區(qū)和LFA區(qū)接近，HFA區(qū)始終低于對照區(qū)和其他實(shí)驗(yàn)區(qū).由圖2(c)和2(d)可以看出，植物群落的Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)均隨著粉煤灰添加量的增加而降低，4—6月份，MFA與HFA區(qū)的數(shù)值相近，7—9月份，MFA則與LFA區(qū)的數(shù)值相近.

3.4 植物群落生物量

6—9月份對照區(qū)和粉煤灰調(diào)控區(qū)植物群落生物量如表2所示.

表2 植物群落生物量的變化Tab.2 Change of biomass of plant community g/m2

由表2可以看出，對照區(qū)和粉煤灰調(diào)控區(qū)的植物群落生物量隨調(diào)查時(shí)間均呈增加趨勢.粉煤灰調(diào)控區(qū)植物群落的生物量均低于對照區(qū)，且隨著粉煤灰添加量的增加生物量呈下降趨勢.MFA區(qū)和HFA區(qū)的生物量相近，二者均顯著低于對照區(qū)(P＜0.05).與對照區(qū)相比，HFA區(qū)的生物量在6—9月份期間分別降低了47.3%、41.4%、38.1%和38.4%.

4 討論與結(jié)論

作為機(jī)場生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，地被植物群落在美化環(huán)境方面發(fā)揮了很大的作用，且能有效調(diào)節(jié)機(jī)場內(nèi)的小生態(tài)氣候，具有吸收水分和融雪的功能.不足之處在于為昆蟲、鼠類、野兔和大量的土壤動物提供了食物和棲息場所，從而吸引各種鳥類，尤其是猛禽、鴿子、鸻鷸類、鷗類等來機(jī)場取食和停息[14]，對飛機(jī)起降造成威脅.因此，對機(jī)場地被植物進(jìn)行調(diào)控具有重要意義.從天津?yàn)I海國際機(jī)場實(shí)驗(yàn)區(qū)地被植物來看，該地區(qū)植物群落組成多數(shù)為禾本科和菊科，且雙子葉植物物種多于單子葉植物，這與大多數(shù)機(jī)場的植被調(diào)查結(jié)果一致[15-16].這是因?yàn)楹瘫究坪途湛贫际鞘澜缧缘拇罂?，種類多、分布廣、適應(yīng)性很強(qiáng).

基質(zhì)是植被良好生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，其理化性質(zhì)影響植物生長發(fā)育，進(jìn)而影響植物群落的穩(wěn)定發(fā)展[17].在基質(zhì)中添加粉煤灰會對植物群落產(chǎn)生影響.首先，粉煤灰添加對植物群落的物種組成有一定的影響，本研究結(jié)果表明，粉煤灰調(diào)控區(qū)的植物群落總物種數(shù)明顯少于未添加粉煤灰的對照區(qū)，且隨著添加量的增加物種數(shù)減少，這可能是由于粉煤灰質(zhì)地松散，養(yǎng)分含量低，保水保肥能力差[18].禾本科植物中僅有堿茅在HFA區(qū)出現(xiàn)，刺兒菜始終占優(yōu)勢，由于刺兒菜葉緣有細(xì)密的針刺，會影響和阻礙鳥類及其他生物的生命活動，不利于鳥類的生長發(fā)育.其次，基質(zhì)中添加粉煤灰對植物群落多樣性也有一定的影響，從豐富度和均勻度來看，粉煤灰對植物群落的物種豐富度影響較大，添加量較高時(shí)對植物群落均勻度也有顯著影響.控制植物單一化可以最大限度減少鳥類的數(shù)量，植物單一會使以植物為食的鳥類因覓食困難而離去，也將導(dǎo)致以植物為食的昆蟲及其他動物單一化，從而使以昆蟲等無脊椎動物為食的鳥類離開.對各個(gè)月份的物種多樣性指數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)在全年的變化趨勢基本相同，粉煤灰調(diào)控區(qū)的植物群落多樣性顯著低于對照區(qū)，且隨粉煤灰添加量的增加而降低，這可能由于粉煤灰中含有較高的水溶性鹽和硼，隨著施用量的增加，土壤的堿性和水溶性硼含量增大，土壤全氮含量下降，從而不利于植物生長[19].

生物量作為一種生態(tài)表征，不僅可以應(yīng)用于分析植被生產(chǎn)能力，還可以評價(jià)植物群落、種群的構(gòu)建特征，是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，也是生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量的綜合體現(xiàn)[20].基質(zhì)添加粉煤灰使黃香草木樨、榆樹等蓋度和生物量均較大的植物消失，從而顯著降低了植物群落的生物量，這可能是由于粉煤灰改變了植物葉片氣孔導(dǎo)度和飽和水氣壓虧缺，導(dǎo)致葉片凈光合速率和蒸騰速率降低，進(jìn)而降低了地上生物量[21].

綜上所述，粉煤灰作為廢棄物添加到土壤基質(zhì)中，對機(jī)場地被植物群落的物種組成、多樣性與生物量均有影響.在物種組成上，粉煤灰調(diào)控區(qū)比對照區(qū)少了5科6種，HFA區(qū)植物只有4科8種.隨著粉煤灰添加量的增加，植物群落豐富度和多樣性呈明顯下降趨勢，群落生物量也隨之降低.因此，土壤基質(zhì)中添加粉煤灰對機(jī)場地被植物群落的調(diào)控效果顯著.

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