干旱礦區廢棄地重金屬生境土壤種子庫時空動態

張 濤，何明珠，陳智平，車克鈞，胡天光，程斌讓

礦區廢棄地是指在采礦過程中所破壞的，不經一定處理無法使用的土地，其缺少植被生長所必須的有機質和氮、磷、鉀等物質。土壤種子庫時期是植物生活史的一個階段，Harper［1］把它稱為潛在種群，它的存在將為植物群落的演替、群落遭受干擾和破壞后的恢復提供繁殖體［2－4］。土壤種子庫的大小、組成、結構以及動態變化過程是群落更新與生態恢復的重要決定因子。近年來，土壤種子庫研究得到了很大發展，研究內容主要集中在沙地［5－9］、山地［10－12］、耕地［13］、濕地［14－15］等區域的土壤種子庫特征，而對礦區廢棄地土壤種子庫研究少有報道。土壤種子庫的組成和大小隨時間呈現有規律的變化，尤其是其物種組成和數量具有季節、年際動態變化。本研究對礦業廢棄地重金屬環境中早期土壤種子庫時空分布特征進行研究，以期為礦區廢棄地植被恢復提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區選在甘肅省金昌市鎳礦區的礦業廢棄地。該市是我國著名的“鎳都”，其鎳礦儲量豐富，規模居全國第一位，銅、鈷等礦產儲量居全國第二位。該市地處東經101°04′—102°43′和北緯37°47′—39°0′之間，位于祁連山北麓，河西走廊東部，以大陸性沙漠干旱氣候為主，暖溫帶荒漠區植被。年均降水量141～352mm，年均蒸發2 000mm左右，無霜期98～144 d，年均風沙日數33d，春季8級以上大風年均7.5次，每次持續1～3d。年平均氣溫9.3℃，最高氣溫42.4℃，最低氣溫－28.3℃。

1.2 野外采樣方法

野外采樣于2008年的3—11月中旬進行，共采樣4次，分別在3，5，7，10月中旬進行。取樣地點選擇在金昌公司礦區較為典型的3個樣點：（1）老尾礦庫：① 礫石土覆蓋層；② 預試驗地；③供暖公司檉柳林地；（2）龍首礦山區：④ 龍首礦開采廢棄地；⑤ 龍首礦自然植被區；⑥ 龍首礦綠化區；（3）戈壁灘：⑦ 新尾礦周邊自然植被區。分別在上述7個典型區域設置3個10m×10m的固定樣地，調查植被情況。在固定樣地的四角及中心設5個1m×1m小樣方，調查樣方內草本情況。分別在小樣方附近采取土樣，土樣面積為20cm×20cm，取樣深度為10cm，分0—5cm和5—10cm兩層。將各層土樣編號帶回實驗室萌發。4次共取樣560個土樣。樣地情況詳見表1。

表1 樣地概況

1.3 室內土壤種子萌發

通過萌發土樣中種子，鑒定統計土壤中種子的組成及數量。在室內對采集的土樣人工研碎，過5mm篩以除去石塊和草根，分別放入直徑30cm，高5cm的花盤中，花盤內先鋪設一層1cm厚的潔凈細沙，貼標簽，擺放在塑料大棚溫室，適時澆水，每天觀測記錄種子萌發情況，對已萌發并經種類鑒定后的幼苗進行記數，然后清除。將暫時無法鑒定的幼苗移栽到花盆并掛牌標記，直至植株形態能夠鑒定。萌發實驗持續100d左右，直到不出現新的幼苗為止。

1.4 數據處理

將萌發試驗的統計結果按參試篩選土樣占原篩選土樣的比例及取樣面積大小換算成1m2種子數量，即為樣地土壤種子庫的種子密度。土壤種子庫種子儲量＝種子數量／m2。

2 結果與分析

2.1 不同廢棄地土壤種子庫時間動態

2.1.1 不同廢棄地土壤種子庫儲量的時間變化 不同廢棄地土壤種子庫儲量隨季節變化趨勢大致相似。老尾礦礫石區、供暖公司檉柳林地、龍首礦綠化區、龍首礦開采廢棄地、龍首礦自然植被區和新尾礦戈壁自然植被區土壤種子庫儲量10月最高，隨后開始減小，5月份減小至最低，隨后開始增加。這與地上植被生長結實規律基本一致，10月份大部分植物種子成熟，土壤接受種子雨輸入，土壤種子庫儲量增加且達到峰值，隨著時間推移，土壤種子開始衰老、腐爛、被動物取食、萌發等輸出，土壤種子庫儲量開始減小，到了5月，土壤種子庫儲量降到最低，隨后，隨著新的種子雨的輸入，土壤種子庫儲量又開始增加。試驗地土壤種子庫儲量隨季節變化趨勢稍有不同，3月份最高，7月次之，5月最低，這可能是由于試驗地人工澆水增加了植物生長期。7月份部分一年生草本（如灰綠藜、刺藜等）迅速完成生命期，大量種子輸入土壤，使土壤種子庫儲量達到較大值，隨后由于土壤水分、溫度等條件適宜，有些植物種子開始萌發，土壤種子庫儲量有所下降，10月過后，大部分植物種子成熟，大量的種子輸入土壤種子庫，在11月下旬達到最大值（圖1—2）。

對不同樣地土壤種子庫季節變化幅度分析表明，礦區廢棄地變化幅度較大，自然植被區變化幅度較小。這是由于礦區廢棄地一年生草本占絕對優勢，其種子小而多，且一年生草本生長期較短，從開始結實到種子成熟需要時間較短，因而在較短的時間能夠對土壤輸入較多的種子。自然植被區則多年生草本和灌木相對較多，但它們種子相對大而少，輸入種子雨也不太集中，因而變化比較平緩。

圖1 不同廢棄地土壤種子庫季節動態變化

圖2 不同廢棄地土壤種子庫季節動態變化

2.1.2 不同廢棄地土壤種子庫物種種類時間變化由表2可以看出，不同廢棄地土壤種子庫物種種類隨季節變化具有一定的差異，其時間變化與土壤種子庫儲量基本一致。老尾礦礫石區、供暖公司檉柳林地、龍首礦開采廢棄地和新尾礦戈壁自然植被區土壤種子庫物種種類10月份較為豐富，7月次之，5月份最?。积埵椎V綠化區和龍首礦自然植被區7月份物種最多，10月次之。

3月份研究區還沒有解凍，大多數植物種子沒有萌發。隨著溫度不斷升高，到5月份，土壤中種子萌發，數量不斷減少，植物進入生長期。隨之，一些旱生、超旱生植物適應干旱生境，縮短生命周期，開始結實，土壤中開始輸入種子雨，種子數量及種類開始增加，到10月份達到高峰。

表2 不同季節土壤種子庫種子種類的變化

2.2 土壤種子庫垂直分布特征

種子經過種子雨灑落到土壤表皮，經過一段時間后，在重力、風力作用和下滲水分的帶動下，一部分種子下移，進入土壤較深層中。對不同廢棄地各層土壤種子庫儲量分析表明（圖3—4），土壤中種子主要分布在0—5cm土層中，該層種子比例平均占到種子庫全部種子數量的76.5%，隨著土壤深度的增加，種子數量逐漸減少，5—10cm土層中種子比例平均只占到種子庫全部種子數量的23.5%，10cm以下幾乎沒有種子分布。

圖3 不同廢棄地土壤種子庫儲量垂直變化

3 結果討論

3.1 土壤種子庫時間變化

土壤種子庫的組成和大小隨時間呈現有規律的變化，尤其是其物種組成和數量具有季節動態［16－18］。季節的變化所引起的溫度、光照、水分等非生物因素的變化直接影響了種子雨、種子的散布情況以及種子的萌發和腐爛，從而影響種子庫大小的輸入和輸出情況。Russi等［19］對地中海草地的研究發現，土壤中的種子庫最大在5—6月，即牧場上植物種子成熟并散布后；翌年的3—4月，即在新種子散布之前下降到最低點。李寧等［20］對塔克拉瑪干沙漠北緣土壤種子庫研究表明，土壤種子數在11月份最高，而在8月份降至最小值。本研究結果表明，該區域土壤種子庫最小出現在5月，最大出現在10月，這與上述研究結果有一定的出入，分析認為，這可能與研究區的植被條件和本研究取樣時間有關。一方面，本試驗區屬于干旱典型重金屬廢棄地，植被組成簡單，為演替初期，以一年生草本為主，且多為旱生、超旱生先鋒物種，其長期適應干旱等嚴酷環境，表現為在適宜條件下快速完成生命周期，因而在短時間內使土壤種子的大量輸入成為可能；另一方面，本次取樣時間設計為3，5，7和10月中旬，間隔較長，可能沒有在土壤種子庫實際極小或極大值時取樣，造成一定的誤差。

3.2 土壤種子庫垂直分布

種子的垂直運動和在上層的最終分布主要由種子形狀、土壤結構和大小、動物干擾或其他物理過程決定。某一特定深度含有特定大小的種子，因為大種子很難進入土壤深處，而小種子易進入土壤深處。落到地表的種子可以通過不同途經向下移動：（1）雨水的沖刷；（2）動物的活動；（3）土壤裂隙的存在。Kemp［21］研究認為，沙漠中土壤種子大部分分布在土壤的表面，這些種子大約有80%～90%分布在土壤上層2cm處，這2cm處的種子大多數又分布在凋落物層或土壤上層的幾毫米處。隨著土壤深度的增加，單位面積種子數目下降［22］。本試驗中，土壤中的種子主要是分布在0—5cm土層中，該層種子比例平均占到種子庫全部種子數量的76.5%，隨著土壤深度的增加，種子數量逐漸減少，5—10cm土層中種子比例平均只占到種子庫全部種子數量的23.5%，10cm以下幾乎沒有種子分布。本研究在5—10cm還有一定比例的種子出現，可能由于試驗區土壤主要為礫石，土壤裂隙較大，有利于種子向下運動。

李寧等［20］對塔克拉瑪干沙漠北緣荒漠區土壤種子庫研究表明，土壤種子庫主要分布在0—6cm的土壤層中，其中以0—3cm土壤層中為最多。這可能是由于大多數荒漠植物的種子較輕，主要是依靠風力傳播，重力較小不利于種子向深層的下滲。

4 結論

（1）不同區域土壤種子庫儲量隨季節變化趨勢大致相似。老尾礦礫石區、供暖公司檉柳林地、龍首礦綠化區、龍首礦開采廢棄地、龍首礦自然植被區和新尾礦戈壁自然植被區土壤種子庫儲量10月最高，隨后開始減小，5月份減小至最低，隨后開始增加。土壤種子庫物種種類時間變化與土壤種子庫儲量相似。這與地上植被生長結實規律基本一致。

（2）不同廢棄地土壤中種子主要分布在0—5cm土層中，該層種子比例平均占到種子庫全部種子數量的76.5%，隨著土壤深度的增加，種子數量逐漸減少，5—10cm土層中種子比例平均只占到種子庫全部種子數量的23.5%，10cm以下幾乎沒有種子分布。

［1］ Harper J L.Population Biology of Plants［M］.London：Academic Press.1977.

［2］ Fenner M.Seed：The ecology of regeneration in plant community［M］.UK：C.A.B International，1992：211－235.

［3］ Kebrom T，Tesfaye B.The role of soil seed banks in the rehabilitation of degraded hill slopes in Southern Wello，Ethiopia［J］.Biotropica，2000，32（1）：23－32.

［4］ 楊躍軍，孫向陽，王保平.森林土壤種子庫與天然更新［J］.應用生態學報.2001，12（2）：304－308.

［5］ 于順利，Marcelo Sternberg，蔣高明，等.地中海沿岸沙丘種子大小對植物及其種子多度的影響［J］.生態學報，2005，25（4）：749－755.

［6］ 曹子龍，趙廷寧，鄭翠玲，等.渾善達克沙地南緣沙化草地圍封過程中土壤種子庫與地上植被的耦合關系［J］.干旱區資源與環境，2006，20（1）：178－183.

［7］ 李雪華，韓士杰.科爾沁沙地沙丘演替過程的土壤種子庫特征［J］.北京林業大學學報，2007，29（2）：66－69.

［8］ 陳榮毅，張元明.不同沙丘部位和不同結皮類型對土壤種子庫的影響［J］.干旱區研究，2008，25（1）：107－112.

［9］ 劉曉霞，王明玖.渾善達克沙地土壤種子庫結構與動態特征［J］.畜牧與飼料科學，2009，30（2）：42－46.

［10］ 沈有信，江潔，陳勝國，等.滇東南巖溶山地退化植被土壤種子庫的儲量與組成［J］.生態環境學報，2009，28（1）：101－106.

［11］ 張建利，畢玉芬.金沙江干熱河谷山地草地封育過程中土壤種子庫時空特征［J］.生態學報，2009，18（4）：1427－1432.

［12］ 馬文寶，薛建輝.西南喀斯特山地森林群落土壤種子庫研究綜述［J］.生態學雜志，2009，28（12）：2619－2623.

［13］ 魏守輝，強勝，馬波，等.不同作物輪作制度對土壤雜草種子庫特征的影響［J］.生態學雜志，2005，24（4）：385－389.

［14］ 王國棟，呂憲國.三江平原恢復濕地土壤種子庫及其與植被的關系［J］.植物生態學報，2012，36（8）：763－773.

［15］ 莫訓強，王秀明.天津地區濕地土壤種子庫及其在受限空間中的植被演替研究［J］.水土保持通報，2012，32（4）：219－224.

［16］ Levassor C M，Ortega B P.Seed bank dynamics of Mediterranean pastures subjected to mechanical disturbance［J］.Journal of Vegetation Science，1990，1（3）：339－344.

［17］ Lavorel S，Debussche M，Lebreton J D，et al.Seasona patterns in the seed bank of Mediterranean old－fields［J］.Oikos，1993，67（1）：114－128.

［18］ 楊允菲，祝玲，張宏一.松嫩平原兩種堿蓬群落土壤種子庫通量及幼苗死亡的分析［J］.生態學報，1995，15（1）：66－71.

［19］ Russi L P S，Cocks E H .Roberts.Seed bank dynamic in a Mediterranean grassland［J］.Journal of Applied E－cology，1992，29（2）：763－771.

［20］ 李寧，馮固，田長彥.塔克拉瑪干沙漠北緣土壤種子庫特征及動態［J］.中國科學（D輯）：地球科學，2006，36（SⅡ）：110－118

［21］ Kemp P R.Seed Bank and Vegetation Processes in Deserts［M］∥Leck M A，Parker V T，Simpson R.L，ed.Ecology of Soil Seed Bank.San Diego：Academic Press，1989：257－282.

［22］ Guo Q，Rundel P W，Goodall D W.Horizontal and vertical distribution of desert seed banks：Patterns，causes，and implications［J］.Journal of Arid Environments，1998，38（3）：465－478.