粉煤灰基質調控對天津機場地被植物群落特征的影響

張一岷 ，趙樹蘭 ，2，多立安 ，2

(1.天津師范大學生命科學學院，天津 300387；2.天津師范大學生物多樣性調控與機場鳥擊防御研究中心，天津300387)

機場是一個特殊的生態系統，開放的半自然狀態形成了機場特殊的植物群落[1].植物群落的異質性、植物與動物的多樣性都對機場區域的鳥類多樣性和活動模式產生重要影響，在一定程度上也決定了機場范圍內飛行器的起降安全[2]，近年來鳥類與飛機相撞成為全球民用航空面臨的重大安全問題和經濟負擔[3-4].目前，國內外對于機場地被植物群落的調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蟲功效的植物，如喀西茄、薰衣草等[4]；另外，也采用其他的調控方式，如種植含有獨特內生菌的草坪草進行調控[7]、對機場草地進行不同程度的火燒[8]等.利用廢棄物基質調控機場地被植物研究尚未見報道.

粉煤灰是燃煤火力電廠在生產過程中排出的大量固體廢物，國內外對其綜合利用主要在建筑工程和基礎工程等方面[9]，其次是用于改良和修復土壤[10]、涂料或填料以及污水處理等[11].本研究運用群落生態學的基礎理論，利用粉煤灰對天津機場地被植物進行基質調控研究，旨在從植物方面控制鳥類食物源頭和改變鳥類棲息、繁殖環境，降低物種多樣性，實現植物單一化，進而減少鳥類物種數及數量，降低鳥類對機場安全造成的隱患，為機場經營管理植物群落提供理論依據，同時也為機場鳥擊防范工作提供科學依據.

1 研究區自然概況

天津濱海國際機場(北緯 39.07°，東經 117.20°，海拔高度為3 m)位于天津市東麗區機場大道(機場立交南側)，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].該地區屬暖溫帶半濕潤性大陸季風氣候，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，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.機場內植物資源豐富，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)和獨行菜(Lepidium apetalum)等[13].

2 研究方法

2.1 樣地設置

樣地設在天津濱海國際機場的實驗田中，土壤類型為沙壤土，pH為7.95，含水質量分數為11.7%，密度為1.46 g/cm3，有機質含量為28.7 g/kg，全氮含量為2.37 g/kg，速效磷含量為21.43 mg/kg.

實驗地分為粉煤灰調控區和對照區兩塊，總面積約為30 m×20 m.其中，粉煤灰調控區平分成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域為對照區(CK).粉煤灰含有大量堿性氧化物，主要有SiO2(質量分數為40%～60%)、Fe2O3(質量分數為2%～15%)、CaO(質量分數為1%～10%)、Al2O3(質量分數為17%～35%)等，有機質含量為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.整個實驗區的植被均為自然生長狀態.

2.2 植物群落調查

2016年4月至9月，采用樣方法對實驗區植物進行調查，每個月調查2次.根據群落以低矮草本植物為主的特點，選取面積為1 m×1 m的樣方，分別在粉煤灰調控區的高、中、低含量以及對照區各布設3個樣方，共12個，記錄每個樣方內的植物種類、高度、株數以及蓋度.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 植物多樣性的計算方法

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

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

2.4 數據統計分析

采用SPSS 22.0軟件對實驗數據進行單因素方差分析以檢驗不同處理之間的差異；利用Microsoft Excel 2010進行圖表制作.

3 結果與分析

3.1 植物群落的季相變化

實驗區植物群落以連片的草叢植被為主體，一年之內季相變化明顯，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(CK)的綠色面積大于粉煤灰調控區.植物在春季和夏季大部分以營養生長為主，表現為蔥綠色，低添加量的粉煤灰調控區(LFA)與對照區可見白色、紫色、黃色和粉紅色的花朵陸續開放.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.實驗區內有藤蔓植物葎草，其枯萎后莖呈黑灰色，因此對照區與低添加量的粉煤灰調控區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控區季相呈黑灰、黃相間.

3.2 植物群落的種類組成及變化

實驗區植物種類共計36種，具體組成如表1所示.由表1可以看出，實驗區植被主要由菊科(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.對照區植物共有16科27種，而粉煤灰調控區植物減少到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區有植物10科19種，MFA區植物減少到5科11種，HFA區則減少到4科8種.有些物種在對照區和粉煤灰調控區均存在，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；有些物種僅出現在對照區，如菊科(Compositae)的蒲公英(Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.)和細葉鴉蔥(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；有些物種在對照區正常生長，在粉煤灰調控區逐漸消失，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控區，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 試驗區植物名錄Tab.1 List of plants in the experimental plots

植物群落物種數隨時間的變化如圖1所示.

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

由圖1可以看出，整個調查期間粉煤灰調控區植物群落的物種數均顯著低于對照區(P＜0.05).其中，LFA區物種數隨時間一直呈降低的趨勢，但均高于MFA和HFA區的物種數；對照區與HFA區物種數的月變化均呈先增加后減少的趨勢，6月份達到最大值，分別為20種和8種，HFA區植物群落物種數在9月份僅有3種；MFA區物種數在5月份達到最大值，之后呈緩慢下降趨勢.

3.3 植物群落多樣性特征

對照區與粉煤灰調控區的植物群落多樣性變化如圖2所示.

圖2 機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，在整個調查期間，對照區植物群落的Margalef豐富度指數顯著高于粉煤灰調控區(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.對照區的豐富度在5月份達到最大，之后隨著觀測期的延長呈下降趨勢；LFA、MFA和HFA區的豐富度最大值分別出現在4月份、5月份和6月份.由圖2(b)可以看出，4—7月份，對照區與LFA區植物群落的均勻度接近(P＞0.05)，MFA區在7—9月份與對照區和LFA區接近，HFA區始終低于對照區和其他實驗區.由圖2(c)和2(d)可以看出，植物群落的Shannon-Wiener指數和Simpson指數均隨著粉煤灰添加量的增加而降低，4—6月份，MFA與HFA區的數值相近，7—9月份，MFA則與LFA區的數值相近.

3.4 植物群落生物量

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

4 討論與結論

作為機場生態系統的一個重要組成部分，地被植物群落在美化環境方面發揮了很大的作用，且能有效調節機場內的小生態氣候，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、鷗類等來機場取食和停息[14]，對飛機起降造成威脅.因此，對機場地被植物進行調控具有重要意義.從天津濱海國際機場實驗區地被植物來看，該地區植物群落組成多數為禾本科和菊科，且雙子葉植物物種多于單子葉植物，這與大多數機場的植被調查結果一致[15-16].這是因為禾本科和菊科都是世界性的大科，種類多、分布廣、適應性很強.

基質是植被良好生長的物質基礎，其理化性質影響植物生長發育，進而影響植物群落的穩定發展[17].在基質中添加粉煤灰會對植物群落產生影響.首先，粉煤灰添加對植物群落的物種組成有一定的影響，本研究結果表明，粉煤灰調控區的植物群落總物種數明顯少于未添加粉煤灰的對照區，且隨著添加量的增加物種數減少，這可能是由于粉煤灰質地松散，養分含量低，保水保肥能力差[18].禾本科植物中僅有堿茅在HFA區出現，刺兒菜始終占優勢，由于刺兒菜葉緣有細密的針刺，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育.其次，基質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.對各個月份的物種多樣性指數進行比較發現，Shannon-Wiener指數和Simpson指數在全年的變化趨勢基本相同，粉煤灰調控區的植物群落多樣性顯著低于對照區，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表征，不僅可以應用于分析植被生產能力，還可以評價植物群落、種群的構建特征，是生態系統結構和功能的基礎，也是生態系統環境質量的綜合體現[20].基質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度和飽和水氣壓虧缺，導致葉片凈光合速率和蒸騰速率降低，進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中，對機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，粉煤灰調控區比對照區少了5科6種，HFA區植物只有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，土壤基質中添加粉煤灰對機場地被植物群落的調控效果顯著.

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