王東麗, 郭瑩瑩, 謝 偉,, 錢曉彤, 郭建軍, 趙曉亮, 連 昭, 杜華棟

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新123000; 2.內(nèi)蒙古神東天隆集團股份有限責任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000; 3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 西安 710054)

土壤及其表面凋落物中所有存活種子的總和即為土壤種子庫[1]，土壤種子庫有瞬時種子庫和持久種子庫兩種類型，其中種子在土壤中存活1 a以上的為持久種子庫，具有在干擾環(huán)境中發(fā)揮繁殖能力來恢復(fù)植被群落多樣性的能力[2-3]。地上植被生產(chǎn)的種子是土壤種子庫的主要來源，地上植物的生長發(fā)育狀況及繁殖能力直接影響著種子庫的組成及動態(tài)變化[4-5]。土壤種子庫通過種子的萌發(fā)及形成的幼苗在植被種群更新、演替的過程中扮演著重要的角色，很大程度上決定植被恢復(fù)的進度與方向[6-7]。因而，地上植被與土壤種子庫緊密聯(lián)系、不可分割，研究二者特征及關(guān)系對群落更新、演替及生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建十分重要。

礦區(qū)廢棄地為我國土地資源損毀的主要形式之一，排土場的堆放引發(fā)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)改變及環(huán)境污染等問題[8]，加之排土場土壤生物活性低、養(yǎng)分貧瘠、保水保肥能力差，因此排土場的生態(tài)恢復(fù)和植被重建始終是礦區(qū)復(fù)墾的重點和難點[9]。我國土地復(fù)墾工作開展以來，排土場植被恢復(fù)的理論與實踐工作一直備受關(guān)注，針對生態(tài)系統(tǒng)的功能恢復(fù)開展了大量的研究，主要側(cè)重于適宜植物篩選、群落與生態(tài)系統(tǒng)營建及其生態(tài)恢復(fù)效益等方面[10-13]。然而，隨著我國煤炭開采逐步向西部生態(tài)脆弱地區(qū)拓展，由于地域性差異與惡劣的生境，適宜的植被恢復(fù)模式仍是區(qū)域礦區(qū)廢棄地生態(tài)重建的關(guān)鍵。風沙黃土區(qū)排土場土質(zhì)疏散，易發(fā)生面蝕、溝蝕，還會出現(xiàn)沙礫化面蝕、沉陷、崩塌、滑坡等問題[14]，開展快速、有效的植被恢復(fù)實踐至關(guān)重要，科學(xué)的植被恢復(fù)模式評價是其基本保障。然而相關(guān)研究多集中在植物群落、土壤改良等方面，土壤種子庫作為植物群落恢復(fù)潛力的重要表征指標，在排土場生態(tài)重建中未受到廣泛重視，僅在海州露天礦、安太堡露天礦和廣州市白云山地區(qū)排土場有少量研究[15-18]。

因此，本文選取鄂爾多斯礦區(qū)排土場不同植被類型恢復(fù)模式為研究對象，通過研究其地上植被與土壤種子庫特征及二者關(guān)系，探明風沙黃土區(qū)排土場不同植被類型恢復(fù)效益及潛力，為其植被重建與生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗武家塔露天煤礦，其地理位置為東經(jīng)110°05′55″—110°10′48″，北緯39°15′16″—39°17′50″，平均海拔為1 100 m左右。屬半干旱半沙漠的高原大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季炎熱干燥，降水稀少，年平均降水量約為390 mm，雨量集中在6—9月，年蒸發(fā)量大。本區(qū)春冬兩季大風頻繁，風向多為西北。土壤類型為以風沙黃綿土為主，并且少量分布著栗鈣土型沙土和草甸土。植被屬于溫帶草原區(qū)，主要植被類型為沙生植被類型。武家塔排土場基于適宜性植物甄選、生態(tài)恢復(fù)模式建立、及水土流失防治等方面的生態(tài)重建實踐，現(xiàn)已完成復(fù)墾面積約200萬m2，人工植被主要包括苜蓿(MedicagoSativa)、沙棘(Hippophaerhamnoides.)、檸條(CaraganaKorshinskii)、沙柳(SalixPsammophila)、榆樹(Ulmuspumila.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等[19]。

2 研究方法

2.1 樣地選取

本研究樣地設(shè)在武家塔露天煤礦4號排土場，自2010年排土以來，平臺開展了多種植被類型的生態(tài)重建模式，本研究針對草地、灌木和喬木3種植被類型分別選取3個樣地作為研究樣地，樣地的基本情況見表1。

表1 樣地的基本概況

2.2 野外調(diào)查

不同植被恢復(fù)樣地按照“S”字型隨機設(shè)置6個1 m×1 m的樣方調(diào)查草本層，3個5 m×5 m樣方調(diào)查灌木林，3個10 m×10 m樣方調(diào)查喬木林。估測樣方的總體蓋度，調(diào)查記錄其相應(yīng)的物種名、個數(shù)、優(yōu)勢物種、高度、蓋度、頻度。

2.3 土壤種子庫樣品采集與測定

在所選擇樣地內(nèi)由北向南劃分為3個樣帶，每個樣帶隨機選取8～12個樣點，采用直徑為6 cm的專用采樣器分別按上層(0—2 cm)、中層(2—5 cm)和下層(5—10 cm)進行土樣采集，每個采樣點同一土層的土樣混合為1個樣品，分別進行編號后裝袋，帶回實驗室風干備用。土壤種子庫測定采用萌發(fā)試驗[20]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分析不同植被恢復(fù)類型土壤種子庫與地上植被的物種多樣性。計算公式如下：

(1)Simpson指數(shù)：

(1)

(2) Shannon-Wiener指數(shù)：

(2)

(3) Pielou指數(shù)：

(3)

式中:Pi為第i種植物的個體數(shù)占所有物種總個體數(shù)的比例;S為物種i所在樣方的物種總數(shù)。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)計算樣地不同物種重要值,計算公式如下:

重要值=(相對密度+相對蓋度+相對高度+

相對頻度)/4

(4)

采用Sorensen相似性系數(shù)分析評價不同植被恢復(fù)類型土壤種子庫及地上植被物種組成相似性，計算公式如下：

SC=2ω/(a+b)

(5)

式中:SC是相似性系數(shù);ω為兩樣地共有的植物種數(shù);a,b分別為地表植被、土壤種子庫各自擁有的植物種數(shù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析采用SPSS 18.0軟件，不同植被類型間土壤種子庫密度的差異性采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較。結(jié)果圖的繪制采用SigmaPlot 14.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 物種組成及多樣性

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計可得，不同植被類型地上植被中共47種植物，分屬16科40屬，土壤種子庫共14種植物，分屬5科13屬，明顯少于地上植被，其中禾本科、菊科、藜科、豆科在研究區(qū)植被中占絕對優(yōu)勢。由圖1可知，對于地上植被灌木類型下科數(shù)、屬數(shù)、物種數(shù)均最多，草地植被類型最少，而對于土壤種子庫物種組成則表現(xiàn)為在灌木和草地類型下較好。

圖1 不同植被恢復(fù)類型的物種組成結(jié)構(gòu)

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計可知，研究區(qū)地上植被以一、二年生草本植物為主，占51.1%，多年生草本(45.7%)次之，其他類型植物最少(3.3%)。土壤種子庫中一年生草本植物占71.4%，多年生草本占28.6%。由表2可知，地上植被中3種植被類型差異不大，物種數(shù)也相差不多，但仍表現(xiàn)為隨著植被由草地變?yōu)楣嗄炯皢棠?，其一、二年生植物占比稍有下降，而多年生植物則呈現(xiàn)相反趨勢。而對于土壤種子庫，草地和灌木植被類型下一、二年生草本植物所占比例明顯高于多年生草本植物，可見一、二年生草本植物在土壤種子庫占主導(dǎo)地位。

由圖2可知，研究區(qū)地上植被的Simpson指數(shù)變化在0.842～0.892，不同植被恢復(fù)類型表現(xiàn)為草地<灌木<喬木，但無顯著性差異；土壤種子庫的Simpson指數(shù)變化在0.880～0.993，不同植被恢復(fù)類型表現(xiàn)為草地 <喬木 <灌木，也無顯著性差異。地上植被的Shannon-Wiener指數(shù)變化較小(0.976～0.977)，土壤種子庫的Shannon-Wiener指數(shù)變化在0.852～0.895，均與Simpson指數(shù)變化趨勢一致?？梢姡厣现脖恢胁莸刂脖活愋臀锓N多樣性較差，土壤種子庫中喬木植被類型較差，灌木植被類型不論是在地上植被還是土壤種子庫中均表現(xiàn)為物種多樣性最佳。地上植被的Pielou指數(shù)則變化在0.351～0.377，其中草地植被類型下最大，與土壤種子庫的結(jié)果一致，可見草地植被類型有利于地上植被和土壤種子庫中物種數(shù)目的均勻分配，這可能與豆科植物占據(jù)優(yōu)勢地位對其他植物產(chǎn)生限制有關(guān)，但不同植被類型之間無顯著性差異。

表2 不同植被類型下地上植被與土壤種子庫的生活型結(jié)構(gòu)

注：圖中大寫字母為地上植被間的差異性，小寫字母為土壤種子庫間的差異性。

3.2 密度特征

研究區(qū)地上植被密度的變化范圍在88.48～495.47株/m2，土壤種子庫密度的變化范圍在74.74～1 422.91粒/m2。由圖3看出，地上植被和土壤種子庫均在草地類型下密度最大，灌木類型下密度最小，主要由于土壤種子庫在恢復(fù)初期群落的先鋒物種具有較強的種子生產(chǎn)能力。

注：圖中所有密度值進行了對數(shù)轉(zhuǎn)換；實線為中位數(shù)，虛線為平均值。

由圖4所示，研究區(qū)土壤種子庫密度0—10 cm總密度由高到低表現(xiàn)為草地>喬木>灌木，變化在(385.8±141.5)～(1 977.7±286.1)粒/m2之間。3種恢復(fù)模式整體表現(xiàn)為在0—2 cm密度最大，其中草地和灌木植被類型呈隨著土層加深呈先下降后小幅增長的趨勢，草地植被類型在0—2 cm時達到最大值(1 422.9±195.4)粒/m2。喬木植被類型呈隨著土層加深而增長的趨勢。其中灌木植被類型下土壤種子庫密度低，變化在(74.7±32.6)～(208.1±99.0)粒/m2之間。

3.3 地上植被與土壤種子庫的關(guān)系

由表3可知，地上植被的相似性系數(shù)為0.62～0.69，其中草地與喬木植被類型的相似性系數(shù)最低。土壤種子庫的相似性系數(shù)為0.50～0.57，其中草地與灌木植被類型的相似性系數(shù)最低。地表植被與土壤種子庫的相似性系數(shù)為0.16～0.23，相似性由高到低依次為草地>喬木>灌木，而地表植被與土壤種子庫的共有物種表現(xiàn)為草灌類型優(yōu)于喬木林地?？梢?，研究區(qū)排土場地上植被的相似性普遍較高，而不同植被恢復(fù)模式間地上植被與土壤種子庫相似性低。

圖4 不同植被類型下土壤種子庫密度的垂直分布特征

表3 土壤種子庫和地上植被的相似性指數(shù)

4 討 論

4.1 地上植被與土壤種子庫的物種多樣性

風沙黃土區(qū)排土場不同植被恢復(fù)類型地上植被中共統(tǒng)計47種植物種，土壤種子庫共14種植物，二者在物種數(shù)方面相差較大，表明研究區(qū)具備一定的種源，但植被恢復(fù)與穩(wěn)定發(fā)展的種源供給具有一定的風險，自我恢復(fù)的潛力受限。研究區(qū)地上植被與土壤種子庫均主要由禾本科、菊科、藜科、豆科植物組成，這與我國北方代表性安太堡露天煤礦排土場的研究結(jié)果一致[15]，吳祥云等、王改玲等對礦區(qū)植被恢復(fù)地上植物種類研究也發(fā)現(xiàn)菊科、禾本科為主要先鋒植物[16-17]，驗證了這一結(jié)論；且灌木類型的地上植被與土壤種子庫均呈現(xiàn)出較多的科屬種數(shù)，可見，灌木植被類型有利于風沙黃土區(qū)排土場恢復(fù)植物群落物種組成的豐富。研究區(qū)地上植被與土壤種子庫以一二年生草本為主，安太堡露天礦排土場也得出相似結(jié)果[16]，但海州露天礦則以多年生植物為主[17]；研究區(qū)除種植植物種外，其優(yōu)勢種大部分為風播且廣泛分布的一二年生植物，如狗尾草、狐尾草、豬毛菜等，這些植物通常具有較強的適生性，且種子個體小、數(shù)量多、易萌發(fā)出苗，可快速進入新的生境定居，可作為該區(qū)惡劣生境植被恢復(fù)的先鋒物種，這與Shu等[21]對礦區(qū)植物在群落演替初期主要通過風力傳播進入樣地和土壤種子庫的結(jié)論一致。同時，研究區(qū)隨著植被由草地變?yōu)楣嗄炯皢棠?，其一二年生植物占比稍有下降，而多年生植物則呈現(xiàn)相反趨勢；而且在灌木植被類型下偶有喬木出現(xiàn)，在喬木植被類型下有少量灌木出現(xiàn)，表明風沙黃土區(qū)排土場能提供一定的初期種源，人工喬灌植被類型恢復(fù)模式在一定程度上可加快該區(qū)植被演替。

研究區(qū)地上植被的Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)均在草地植被類型下最小，可見研究區(qū)草地植被類型的物種多樣性相對較差，可能由于苜蓿優(yōu)勢性強，對于養(yǎng)分、光照、熱等競爭能力強，不利于其他物種的侵入，只有少數(shù)種子傳播能力較強的植物種定居，呂春娟[22]、郭逍宇[23]等通過對黃土區(qū)排土場生態(tài)恢復(fù)群落研究發(fā)現(xiàn)部分先鋒植物的繁殖體傳播能力較強，證實了這一結(jié)論。同時，土壤種子庫的Simpson指數(shù)也在草地植被類型下最小，Shannon-Wiener指數(shù)在喬木植被類型下最小，主要在于研究區(qū)處于生態(tài)恢復(fù)前中期階段，喬木相對較大的植冠具有較好的防風效應(yīng)，早期物種傳播方式以風力傳播為主，其他物種種子不利于侵入其生境；而苜蓿地由于地上植被定居困難，其土壤種子庫的種源供給受限，而灌木類型下多樣性指數(shù)均較大，一方面由于本研究灌木植被類型的檸條、沙柳+沙蒿兩種模式的恢復(fù)年限已有7～8 a，重建群落已演替到一定階段，較多的植物已成功侵入定居；另一方面，可能由于灌叢郁閉后，其灌叢對植物種子有一定的攔截作用[24]，而且這兩種模式處于排土場的邊界，更易截獲擴散到排土場的種子并為其提供有利生境使其進入土壤種子庫。故研究區(qū)人工種植灌木有利于增加物種多樣性，礦區(qū)排土場生態(tài)重建時可以考慮人工適當引入灌木，豐富群落物種多樣性與層次結(jié)構(gòu)，提高群落的多樣性與穩(wěn)定性，促使復(fù)墾的生態(tài)系統(tǒng)在更短時間內(nèi)恢復(fù)到較優(yōu)狀態(tài)。地上植被和土壤種子庫的Pielou指數(shù)均在草地植被類型下達到最大值，可見草地植被類型有利于地上植被和土壤種子庫中物種數(shù)目的均勻分配。研究區(qū)地上植被與土壤種子庫的Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)與黃土區(qū)其他排土場物種多樣性相差不大，但Pielou指數(shù)較低，可見排土場人工恢復(fù)植被群落的物種均勻性較差。

4.2 地上植被與土壤種子庫的密度

本研究區(qū)不同植被土壤種子庫密度變化在(385.8±141.5)～(1 977.7±286.1)粒/m2之間，較研究區(qū)所屬黃土丘陵區(qū)土壤種子庫密度(約2 000～5 000粒/m2)偏低[25]。地形地勢條件、周圍植被分布的密集程度和氣候等多種原因均會導(dǎo)致土壤種子庫密度差異[26]，本研究區(qū)排土場的土壤種子庫密度偏低主要在于其為人工重塑生態(tài)系統(tǒng)，無植被覆蓋，且其復(fù)墾土壤多來源于風沙黃土區(qū)深厚土層的生土，未有儲存的種子，故在植被恢復(fù)過程中可考慮引入外源種子庫提升群落恢復(fù)的潛力。另外，本研究區(qū)土壤種子庫密度均在0—2 cm土層時達到最大值，一方面種子身處土壤表層易受風力影響再次擴散，難以進入土壤深層；另一方面，導(dǎo)致深層土壤中能萌發(fā)的種子數(shù)量較少的原因可能是有些種子扁長且較輕，不易進入土壤深處，在風蝕、下滲水、冬季降雪、融雪等因素影響下，才使其進入土壤深層[27-28]。

正常條件下土壤種子庫中的存活種子通過萌發(fā)和形成實生苗參與地上植被的更新演替，直接影響著地上植物群落的組成與結(jié)構(gòu)[29-30]，故地上植被的物種組成及密度特征與土壤種子庫的特征一致。研究區(qū)地上植被與土壤種子庫中均在草地植被類型下密度最大，灌木植被類型下密度最小，由于草地植被類型中苜蓿占據(jù)優(yōu)勢地位，可能會導(dǎo)致土壤表層干旱，不利于其他植物種子萌發(fā)并生長，故儲存在土壤種子庫中[31]；另外，不同土地利用類型、放牧均會影響土壤種子庫的密度，其優(yōu)勢物種在不同措施下表現(xiàn)并不相同[32]，研究區(qū)人為干擾也是引起土壤種子庫密度和組成差異的重要原因。同時，研究區(qū)的地帶性植被以草原植被為主，故建議該區(qū)礦山廢棄地植被重建或恢復(fù)時以草本植物為主，進而保障群落的恢復(fù)潛力。

4.3 地上植被與土壤種子庫的相似性

研究區(qū)不同植被類型地上植被的相似性系數(shù)(0.62～0.69)及其土壤種子庫的相似性系數(shù)(0.50～0.57)均大于0.5且普遍較高，可見不同植被類型間地上植被及土壤種子庫的差異較小。而各植被類型下土壤種子庫與地上植被的相似性系數(shù)變化在0.16～0.23，其相似性均較小，與韓麗君等[15]、劉建立等[33]的研究結(jié)果一致。地上植被與種子庫產(chǎn)生差異的原因一方面是傳播、演替、干擾(動物采食和人類干擾)等[34-35]，另一方面是本研究土壤種子庫取樣時間是在6月下旬，在雨季來臨前，已經(jīng)有一部分先鋒物種萌發(fā)了，這些先鋒物種多為機遇性植物，適生性較強，只要擁有合適條件便會萌發(fā)，導(dǎo)致土壤種子庫的組成與其地上植被組成之間相似性小，其季節(jié)動態(tài)差異有待進一步研究。

研究區(qū)不同植被類型地上植被與土壤種子庫的相似性表現(xiàn)為草地>喬木>灌木，草地植被類型的相似性之所以最高，可能是由于礦區(qū)排土場生態(tài)重建時人工種植豆科牧草成為群落優(yōu)勢種，使得其他物種很難在群落中侵入并定居，導(dǎo)致該植被類型中植物種類較少，而地表植被主要由土壤種子庫提供種源，地上植被與土壤種子庫組成基本一致，因此相似性系數(shù)較其他植被類型高。灌木和喬木植被類型的相似性較低，一方面是由于灌木和喬木對一些植物種子具有攔截作用，能夠為一部分植物提供定居的微生境，而且使其進入土壤種子庫；另一方面是研究區(qū)排土場人工植被恢復(fù)初期土壤種子庫物種組成較小，排土場嚴重的強光輻射與干旱脅迫等會對研究生境產(chǎn)生較大干擾[36]。不同植被類型地表植被與土壤種子庫的共有種表現(xiàn)出草灌類型優(yōu)于喬木林地，不同植被類型間植物種類有所差異。其中狗尾草、灰綠藜和冷蒿在3種植被類型下均為共有種，主要由于這些植物種具有較強的種子生產(chǎn)力，而且種子易形成持久種子庫；而在草地共有種還以苜蓿、地膚為主，在灌木林地共有種主要還包含早熟禾，在喬木林地不同樣地共有種各異，表明礦區(qū)這種干擾生態(tài)系統(tǒng)人工恢復(fù)初期，不同植被類型地上植被與土壤種子庫的共有種仍以種子產(chǎn)量大、持久性強、擴散廣、適生性強的植物為主，在群落中占據(jù)重要地位，其次在人工草地種植種成為其次要共有種，而喬灌林地的次要共生種則各異，也證實了喬灌林恢復(fù)有利于促進物種多樣性的增加。

5 結(jié) 論

風沙黃土區(qū)排土場不同植被恢復(fù)類型中，地上植被物種和科屬組成數(shù)量是土壤種子庫的3倍左右，均以禾本科、菊科、藜科、豆科占絕對優(yōu)勢，以一、二年生草本植物為主，多年生草本次之。草地植被類型在地上植被中密度最大，灌木植被類型在地上植被與土壤種子庫的物種多樣性均表現(xiàn)為最佳。研究區(qū)土壤種子庫可為植被恢復(fù)提供一定的種源，但土壤種子庫與地上植被相似性較低時，在干擾生境下自我恢復(fù)的潛力也相應(yīng)較低，因此，可考慮引入外源種子庫提升群落恢復(fù)的潛力。研究區(qū)在草地和灌木恢復(fù)模式下達到最優(yōu)，所以可以考慮構(gòu)建以草灌配置為主的人工植被恢復(fù)模式，一方面可保障群落的恢復(fù)潛力，另一方面可提高群落多樣性與穩(wěn)定性，進而為植被恢復(fù)效益與可持續(xù)性提供保障。