安太堡露天煤矿排土场土壤种子库特征研究.doc

安太堡露天煤矿排土场土壤种子库特征研究* Email: 。韩丽君1，李晋川2，白中科3，崔艳1，岳建英2（1.山西农业大学资源环境学院，太谷 030801； 2.山西省生物研究所，太原 0300062；3.中国地质大学土地科学技术系，北京 100083）摘 要：安太堡露天煤矿地处黄土高原东部的干旱、半干旱生态脆弱区，是全国最大的露天煤矿。因露天开采、岩土排弃，原地貌形态、地层结构、生物种群已不复存在。在“气候干旱高寒、土壤极其贫瘠”的极端生境下，进行矿区废弃地的土地复垦和生态重建研究，建立较稳定的人工生态系统。土壤种子库作为原先植被的繁殖体的来源，在退化土地的植被重建中具有潜在重要性。通过对排土场土壤种子库特征的系统调查和研究，可以深刻地了解和阐明植物群落结构、种类组成及植物物种多样性变化的机理，从而为矿区排土场植被的快速恢复提供依据。在种子尚未萌发的3月底采集土壤样品，选择9个典型采样地点，其中复垦时间分为前期（14年）、中期（47年）和后期（大于7年，即基本稳定期），复垦模式分为草本、灌木、乔木及混交模式，还有排弃3年未复垦区和排土场附近原地貌撂荒地。土壤种子库试验采用种子萌发法，有效鉴别土壤里活性种子的数量和种类。本文采用Margalct丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数以及Peilow均匀度指数研究排土场土壤种子库的物种多样性，探讨在生态系统彻底破坏条件下植被的演替进程，进一步分析土壤种子库的自我更新能力，结果表明：（1）排土场复垦地有抗性强、生态适应性广的活性种子存在，土壤种子库中物种多样性远高于排土场附近的原地貌撂荒地，说明排土场复垦的确有利于植被恢复和生态环境的改善，对于黄土高原类似的大型露天矿的土地复垦和生态重建具有重要的生物学意义。（2）ATB矿排土场土壤种子库表现出极大的时空异质性。由于复垦时间、复垦模式或立地条件的不同，各样地土壤种子库的密度、种类和各项指数均不相同。随着复垦及人工种植植被时间的延长，选择正确的复垦模式，有利于土壤种子库各项指标的增加和排土场生态系统稳定。（3）对排土场复垦早期和基本稳定期不同复垦模式下土壤种子库进行研究，苜蓿地、沙棘和刺槐都有良好的土壤培肥效果。未复垦的空旷区有利于外来种子侵入，但土壤微环境较差，不利于土壤种子库的形成。复垦早期豆科牧草改良土壤效果显著，活性种子密度和种类皆高于沙棘地；沙棘地培肥效果虽好，但因为后期根蘖繁殖及长势过旺，影响土壤种子库的形成和发育；基本安定期刺槐油松混交林为最佳模式，各项指标都是最高，对ATB矿排土场的土地复垦和生态重建具有重要的恢复生态学意义。关键词：露天煤矿排土场；土壤种子库；时空异质性；物种多样性；植被恢复人类活动越来越多地干扰自然界。通过对其土壤种子库特征的系统调查和研究，可以深刻地了解和阐明植物群落结构、种类组成及植物物种多样性变化的机理1。种子库的研究对群落演替和植被恢复有重大意义，对植物群落的有效管理依赖于对种子库动态的理解。土壤种子库作为原先植被的繁殖体的来源，在退化土地的植被重建中具有潜在重要性2。我国对土壤种子库的研究起步较晚，但也作了大量的研究工作，主要集中在森林和草原等自然生态系统，对退化生态系统土壤种子库的研究还不多见。安太堡露天煤矿（以下简称ATB矿）地处黄土高原东部的干旱、半干旱生态脆弱区，是全国最大的露天煤矿。矿区地处黄土高原东部，山西省朔州市平鲁区境内,地理坐标：东经11211-11230，北纬39233937，属典型的温带半干旱大陆性季风气候区，年均蒸发量为降雨量的4.6倍，是我国生态最脆弱、水土流失最严重的地区之一。该区土壤物理风化强烈，土质偏砂，土体干旱。地带性植被类型属干草原。因露天开采、岩土排弃，原地貌形态、地层结构、生物种群已不复存在3,4。在“气候干旱高寒、土壤极其贫瘠”的极端生境下，本文就ATB矿排土场土壤种子库的时空异质性进行物种多样性研究，探讨在生态系统彻底破坏条件下排土场植被的演替进程，进一步分析各样地土壤种子库的自我更新能力，从而为矿区植被的快速恢复提供依据。同时，还可为与之毗邻的安家岭露天矿、即将投产的东露天矿及黄土高原类似的大型露天矿的土地复垦和生态重建提供示范，为人工生态系统重建提供依据。1 试验材料和方法1.1 土壤样品的采集根据土壤种子库的时空异质性，选择9个典型采样地点，将复垦时间分为前期（14年）、中期（47年）和后期（大于7年，即基本稳定期），复垦模式分为草本、灌木、乔木及混交模式，还有排弃3年未复垦区和排土场附近原地貌撂荒地，具体样地布置见表1。在种子尚未萌发的3月底采集土壤样品，选择植被均匀的黄土覆盖平台，根据立地条件（如土壤质地和植被覆盖）的差异选取具有代表性的样方，自制土壤种子库采样器底面积为2020cm2，采集表层0-5cm原状土体，装入土袋，带回实验室。表1 ATB矿排土场土壤种子库试验样地布置Table1 Plots arrangement of soil seed bank experiment at dump of ATB mine样地号Plot No.采样地点plots复垦时间Reclamation time复垦模式Reclamation models1南寺沟1490平台2西扩1435台顶3年紫花苜蓿Medicago sativa3内排上1435台顶3年沙棘柠条刺槐Hippophae rhamnoidesCaragana korshinskiiRobinia pseudoacacia4内排下1435平台5年沙棘Hippophae rhamnoides5西排上1520平台10年沙棘刺槐冰草Hippophae rhamnoidesRobinia pseudoacaciaAgropyron cristatum6南排1450平台12年冰草刺槐柠条Agropyron cristatumRobinia pseudoacaciaCaragana korshinskii7西排下1520平台12年油松云杉落叶松Pinus tabulaeformisPiceakoraiensis NakaiLarixgmelinii Rupr.8南排1380平台13年刺槐油松柠条Robinia pseudoacaciaPinus tabulaeformisCaragana korshinskii9原地貌撂荒地1330注：“”表示该样地未经复垦或无人为管理。1.2 土壤种子库试验方法种子库试验采用种子萌发法，可有效鉴别土壤里种子的活性和种类。在温室进行种子萌发试验，具体方法如下：为提高土样中大多数物种的萌发率，在萌发前进行土样浓缩处理，即用小网孔筛对土样进行筛洗，除去其中的植物残余器官及其它杂物，以缩短萌发周期。土样浓缩处理后，把土壤样品置于不含植物种子的砂子上，铺土的厚度在3cm左右，在直径16cm的塑料花盆中作培养试验，每个土样三个重复。把土样置于温室，进行种子发芽和幼苗种属诊断实验，控制适当的光、温、湿度条件，使存活种子尽可能全部萌发，定期记录种苗数目变化，最终鉴定所有幼苗种类5。1.3 数据处理由于不同学者的研究目的和对象不同,提出的物种多样性的定义和指标也不同,现有的指标达数十个之多。将萌发试验的统计结果按取样面积大小换算为1m2种子数量即为样地土壤种子库的种子密度，按不同样地统计出现的植物种类即各样地土壤种子库的种子种类。根据各样地种子库中的种子数量及其种类，大多土壤种子库的研究采用Margalct丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数以及在此基础上进行Peilow均匀度指数的计算6,7,8。算式如下：Margalct丰富度指数：Shannon-winener多样性指数：Peilow均匀度指数:式中，S为各样地种子库中物种总数，N为各样地种子库中所有种的种子总数，Pi为各样地第i种植物的种子数占该样地种子库中总种子数比例。2 试验结果与分析2.1 复垦时间对土壤种子库组成的影响“空间代替时间”是群落演替研究中的通行做法，但在样地的选择上需要注意许多问题，不同的生境将导致不同群落类型的出现。生态环境异质性对土壤种子库的影响除表现为因经纬度差异而引起的地带性分布外，在小范围内则表现为微环境的差异性，如土壤类型、pH值、干燥度等。研究区因复垦时间长短不同，使土壤微环境、特别是土壤养分状况差异悬殊，从而引起了土壤种子库种类组成和幼苗长势不同。对黄土覆盖沙棘平台进行研究，采样地点立地条件相同，分别代表排土场复垦初期(以3年为例)、中期（以5年为例）和基本稳定期（即后期，以10年为例）。从土壤种子库的组成种类上来说，三个样地的种子库包括12种植物，只有猪毛蒿(Artemisia siversiana)和拂子茅(Calamagrostis epigejos)全部出现，狗尾草（Setaria viridis）在两个样地出现，其它9种植物都只出现在其中一个样地。从数量上看，出现在5号样地即复垦后期的菊科和禾本科植物数量最多；猪毛蒿在初期样地只有3粒，中期样地增至16粒，到后期样地数量变化不大，但平均株高由5.2cm增至6.7cm，这是由于沙棘的的根瘤固N及枯枝落叶向土壤中归还有机物质，表层土壤全N、有机质及其它养分含量提高，使幼苗长势改善9；受风力的传播、土壤动物的搬运、人为的随机携带等作用，外来种子不断侵入，拂子茅和狗尾草的数量随复垦时间明显增加。表2 沙棘林不同复垦时间土壤种子库研究Table 2 Research of soil seed bank in Hippophae rhamnoides wood at different reclamation time样地号Plot No.复垦时间Reclamationtime密度（粒/m2）Density（seeds/m2）种类Category丰富度指数Richness index多样性指数Diversity index均匀度指数Evenness index33年183.351.29410.84700.526345年35061.33771.16230.6487510年2308.360.88901.24190.6931由表2可以看出，随着复垦时间的延长，种植沙棘使得土壤养分条件有所改善，土壤种子库密度有很大程度的提高，植物种类也呈增长趋势，多样性指数和均匀度指数明显增长，但是到后期丰富度指数反而降低（如5号样地的沙棘林），多样性和均匀度增长幅度也有所减小。这是因为沙棘水平根蘖繁殖，使沙棘林密度加大，已接近郁闭，不利于外来种子侵入，并极易发生病虫害和生理性干旱导致退化，从而影响生态系统的稳定。总体上看，伴随着群落的形成与演替，植物群落的物种多样性呈逐渐增加的趋势。2.2 复垦模式对土壤种子库组成的影响2.2.1基本安定期不同复垦模式土壤种子库研究合理的植被重建模式可使土壤的物理化学性质得到改良，从而缩短植被演替的进程，加快矿山废弃地的生态重建进程。与新排土区未复垦或复垦时间较短的沙棘林地相比，基本安定期的草地、沙棘、纯林地和混交林养分含量高，土壤种子库组成种类复杂、数量多、幼苗长势好，但四者的培肥效果及对土壤种子库的影响又有所不同。基本安定期的四个样地立地条件基本相似，分别代表四种不同的复垦模式：草（冰草）、灌（沙棘）、乔（油松云杉落叶松）以及混交林(刺槐油松榆树)。对土壤种子库的影响来看，沙棘和刺槐都能很好的改善土壤的微环境条件，灌木林和混交林的土壤种子库数量和组成种类增多、幼苗生长旺盛，有利于野生植物的侵入和生长，更好地促进物质循环和生态系统的稳定。同时，除7号样地苗圃外，菊科蒿属植物个体数量多、占优势，说明蒿属植物可能是排土场复垦地的优势侵入植物，且因复垦模式不同，种子库组成种类及优势种不同。表3复垦后期不同复垦模式土壤种子库指数计算Table 3 Index of soil seed bank in empress period at different Reclamation models样地号Plot No.复垦模式Reclamation models密度（粒/m2）Density（seeds/m2）种类Category丰富度指数Richness index多样性指数Diversity index均匀度指数Evenness index6草本Grass566.740.71100.86990.62755灌木Shrub2308.360.88901.24190.69317乔木Arbor983.350.83850.39840.24768混交林Mixed wood2141.7111.80212.07140.8638在基本安定期，复垦时间对各样地土壤种子库影响不大，复垦模式才是产生差异的主要原因，土壤种子库空间差异性及其产生的原因：（1）四个样地中复垦时间最少的5号样地即沙棘地有效种子密度最大，归因于沙棘的固氮能力强，通过枯枝落叶向土壤中归还的有机物质也较多，其改土培肥效果明显，10年后土壤养分含量可高于原地貌农地10，各项指数均高于草地和林地；（2）冰草地土壤种子库密度和种类都低于其它样地，这是因为6号样地复垦模式有误，冰草迅速形成优势种，当年种植的沙棘和刺槐已不存在，只有少量柠条存活。在取样过程中发现冰草盘根错节，不利于杂草侵入及生长，丰富度指数最低，而多样性指数和均匀度指数仅高于7号样地；（3）7号样地是92年苗圃，主要种植的有油松、云杉、落叶松和樟子松，地表植被少，土壤状况同原地貌，野生杂草完全靠自然侵入，多样性指数和均匀度指数均是最低，下层植被恢复效果不是很好；（4）混交林的各项指数都明显高于其他样地，说明此群落属多优势种群落，种的数量比较多，结构复杂，所含信息量大，能缓冲外界影响，具有较高的稳定性。2.2.2复垦早期不同复垦模式土壤种子库研究安太堡矿排土场表面覆盖的黄土都是煤田深层土，在复垦初期废弃地内很少有野生植物的出现。由表4可知，1号样地土壤种子库数量为0，说明沉降3年未复垦地外来种子极少；9号样地为原地貌撂荒地，位于南排土场附近，植被数量较多，但种类很少，丰富度指数极低，说明自然植被恢复缓慢，有待于人为管理并加以合理利用。复垦前期土壤种子库组成种类及优势种也有很大差别，只有狗尾草同时存在于三个样地，平均株高分别为10.8cm、34cm、17cm，说明沙棘地培肥效果明显。狗尾草在9号原地貌撂荒地种子库中数量最多，但由于土壤肥力条件差，长势不如沙棘地，而2号样地的优势种为藜（Chenopodium album）。各样地种子库种类组成各异，对排土场的物种多样性和生态稳定大有好处。表4复垦早期不同复垦模式土壤种子库指数计算Table 4 Index of soil seed bank in ex- period at different Reclamation models样地号Plot No.复垦模式Reclamation models密度（粒/m2）Density（seeds/m2）种类Category丰富度指数Richness index多样性指数Diversity index均匀度指数Evenness index1000002草本Grass52561.64230.48160.26883灌木Shrub183.351.29410.84700.5263940020.36070.54010.7792矿山废弃物和类土壤物质缺乏氮、磷等营养物质，是植物生长的限制因子之一，解决这类问题的办法是利用豆科植物的固氮能力。牧草地近地表根系发达，每年因根茎、叶残体及根分泌物释放到土壤中的有机物质多，因此培肥效果与沙棘相似。2号样地种植豆科植物苜蓿，土壤种子库数量远大于3号样地即同期复垦的沙棘地，丰富度指数较高，但多样性指数和均匀度指数较低，不能缓冲外界影响，不具有稳定性，在今后的植被演替中将表现出来，因此复垦早期种植草本植物用于培肥土壤。3 结论3.1 排土场复垦地有抗性强、生态适应性广的活性种子存在，土壤种子库中物种多样性远高于排土场附近的原地貌撂荒地，说明排土场复垦的确有利于植被恢复和生态环境的改善，对于黄土高原类似的大型露天矿的土地复垦和生态重建具有重要的生物学意义。3.2 ATB矿排土场土壤种子库表现出极大的时空异质性。由于复垦时间、复垦模式或立地条件的不同，各样地土壤种子库的密度、种类和各项指数各不相同。随着复垦及人工种植时间的延长，选择正确的复垦模式，有利于土壤种子库的各项指标的增加和排土场生态系统稳