兩種幼齡喬木修復林下土壤改良及植被多樣性研究

吳芮欣,馬會強,支天一,初兆嫻,李爽,石珍瑜,韓澤治,*

1.遼寧石油化工大學,化學化工與環境學部,遼寧撫順 113001

2.撫順市環境科學研究院,遼寧撫順 113006

3.撫順市環境監測中心站,遼寧撫順 113006

0 前言

隨著工業化進程的不斷推進,社會經濟發展對礦產資源的需求日益增加[1],進而加大了礦產資源的開發和利用,這嚴重地破壞了原生景觀生態系統,并導致了礦區生態系統的退化和環境深度污染[2]。礦山的開采會破壞原有的地形、地貌和植被,使形成大面積裸露坡面和次生裸地,誘發地質災害和水土流失[3-4]。因此,礦山廢棄地生態系統的恢復與重建成為當下亟待解決的重大課題。

據相關調查統計,遼寧省共有礦山8493 座,占地面積約5 萬hm2,其中多為百年以上開采歷史,由于當時環保意識薄弱、法律政策監管不到位,礦山廢棄地基本上沒有得到相應的生態恢復[5]。2013年,撫順市榆樹鐵礦和傲牛鐵礦響應遼寧省政策“青山工程”,對各自所屬礦山廢棄地進行植被修復。本研究通過考量兩礦山已恢復樣地的植被生長指標、土壤肥力及植被多樣性變化情況,對比分析恢復初期兩礦山不同單純幼齡喬木群植被修復效果的差異,進而推出適于撫順本地礦山修復的先鋒樹群配置方式,其研究結果對其它中小型礦山的植被修復有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

以撫順市新賓縣榆樹鐵礦及撫順市后安鎮傲牛鐵礦已進行生態修復的礦山廢棄地作為研究對象。榆樹鐵礦位于撫順市新賓滿族自治縣榆樹鄉西南部,東經124°39′50″,北緯41°33′22″。傲牛鐵礦位于撫順縣后安鎮傲牛村,地理坐標為東經124°21′49″,北緯41°61′12″。研究對象地理位置見下圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置及植被調查

選取榆樹鐵礦和傲牛鐵礦植被修復年限、立地條件(坡位、坡向、海拔等)基本一致的恢復場地作為研究樣地[6]。在兩礦山恢復區分別設置3 個10 m × 10 m 的喬木層樣方。在喬木層樣方的四角和中心設置5 個1 m×1 m 的草本層小樣方[7],共計30 個。每個樣地重復用土壤環刀采集幼齡林下15— 30 cm 表土用于實驗室分析,待樣品自然風干后粉碎研磨,過2 mm 和0.25 mm 土壤篩備用。調查喬木層樣方內樹苗的生長指標(樹高、胸徑),調查草本層樣方內草本植物的種類及數量。樣方的基本情況見表1。測量時間為2013—2017年,每年的5月份。

圖1 研究對象地理位置圖 Figure1 Study object location map

表1 樣方基本情況表 Table1 The basic situation of the quadrat

1.2.2 土壤養分測定與評價方法

對 pH、有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀6 個指標進行測定。pH 測定采用 pH 計法,有機質測定采用重鉻酸鉀外加熱法,全氮測定采用半微量凱氏定氮法,堿解氮測定采用 NaOH 堿解擴散法,速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提鉬藍比色法,速效鉀測定采用乙酸銨浸提原子吸收分光光度計法[8]。本文參照表2全國第二次土壤普查標準對礦山已恢復樣地土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀進行土壤肥力單項指標評價,了解土壤肥力狀況,并比較不同幼齡喬木群修復的礦山廢棄地差異[9-11]。

1.2.3 植被多樣性評價

1）香農-維納多樣性評價法

本研究樣地均采用單純喬木群的配置方式進行人為干預的喬木層植被修復,而草本層和灌木層則是遵循次生的自然植被演替過程。有研究表明,撂荒地從先鋒植物群落階段到叢生禾草階段的自然演替過程就需要15—20 a[12]。因此,本研究僅限于調查現已修復5 a 的樣地草本層植被多樣性,調查內容包括草本植物的種名及數量。

植被多樣性的評價通常由多樣性、均勻度和優勢度3 項指標來表征。目前常用能同時考量物種豐富性和均勻度的香農-維納指數或辛普森指數來綜合評估植被多樣性大小[13-14]。本研究選用了香農-維納多樣性評價法進行評價:

式中:H'為多樣性指標;Pi代表第i種個體數ni占總個體數N的比例,即Pi=ni/N;E'為均勻度(0—1);H為多樣性指標;Hmax= lnT為最大多樣性;T代表總豐富度,即群落中物種總數。

表2 土壤養分含量分級標準 Table2 The classification criterion of soil nutrients

2）評價指標歸一化處理

歸一化后的評價指標= lg (歸一化前的評價指標)[15]。

3)指標權重設定

研究采用德爾菲法確定香農-維納多樣性評價方法中的各項指標權重。德爾菲法(Delphi)于20 世紀50年代初由美國蘭德公司提出,該方法用于那些無法直接定量分析且模糊性較高的問題,以匿名方式函詢征求專家意見,通過利用業內專家的知識及經驗,最終獲取判定結論[16-18]。權重系數的計算公式如下:

式中:Wi為第i項指標的權重系數;為第i項指標所有專家賦予的權重系數之和。

4）草本層植被多樣性指數計算

植被多樣性指數VI=H'×WH+E'×WE+D'×WD。其中,VI為植被多樣性指數;H'歸一化后的多樣性指數;E'為歸一化后的均勻度指數;D'歸一化后的優勢度指數;WH為多樣性指數權重;WE為均勻度指數權重;WD為優勢度指數權重。

2 結果與分析

2.1 喬木群生長指標統計結果

調查期間逐年記錄榆樹鐵礦和傲牛鐵礦各樣方內的樟子松苗和刺槐苗的生長指標(株高、胸徑)變化情況,調查結果見下表3。

由上表3以及圖2、3 可知,樣方內樟子松和刺槐的樹高隨著恢復年限的延長逐年升高。明顯可見,處于幼齡林恢復期的刺槐林生長速度格外迅猛于樟子松林,但其株高累計生長量卻伴隨著株高逐年生長量下降的趨勢而升高,而樟子松的株高累計生長量基本伴隨著株高逐年生長量均量上升。于恢復期2013年至2015年,刺槐總年均生長速率可達樟子松的1.94—4.43 倍,至2017年5月,刺槐林的平均樹高可達574.7—595.5 cm,而樟子松林僅在195.8 cm—206.2 cm。分析可能與刺槐本身的生長習性有關,經歷1 至2年的初生緩苗期,于2013年至2017年進行廢棄地修復的刺槐正處其速生期。

表3 2013—2017年樣方植被生長指標化情況表 Table3 The index of vegetation growth indexes in 2013-2017

圖2 株高累計生長量 Figure2 Cumulative growing of plant height

圖3 胸徑累計生長量 Figure3 Cumulative growing of DBH

隨著恢復年限的增長,樣方內樟子松和刺槐的胸徑也逐年升高。總體來看,樟子松胸徑的逐年生長量較為均勻,僅在植被修復的第二年內出現小幅上升,最大年均生長量為1.671 cm,至2017年5月,樣方內幼齡樟子松林平均胸徑可達5.242 cm—5.522 cm 之間。相比之下,刺槐胸徑累計生長曲線波動較大,在植被恢復的第一年內胸徑增長速度較慢,年均生長量在0.75 cm—0.90 cm 之間,第二年內刺槐胸徑生長速度達到最快為2.19 cm/a,之后趨于平穩。至2017年5月,樣方內幼齡刺槐林平均胸徑可達7.03 cm—7.19 cm。

2.2 土壤養分含量變化

通過逐年對撫順市榆樹鐵礦和傲牛鐵礦植被恢復區的各樣地進行土壤采樣測定分析，兩礦山恢復區土壤肥力的調查結果見表4。參照全國第二次土壤普查分級標準對其各自土壤肥力狀況進行分級評價,評價結果見表5、圖4:

pH 是土壤化學性質的綜合反映,它能通過影響土壤養分的有效性而影響土壤肥力[19]。由表4可見,2013年恢復之初,榆樹鐵礦和傲牛鐵礦樣地土壤pH 分別在5.38—5.54 和5.24—5.42 之間,呈酸性。2017年5月,兩礦山植被恢復區土壤pH 分別位于6.81—6.87 和6.64—6.84 之間,對植被存活生長沒有限制作用,均達適合植物生長的中性土壤(pH=6.5—7.5)[20]。

表4 2013—2017年樣方土壤養分指標化情況表 Table4 Soil nutrient index of sample plots in 2013-2017

土壤有機質是反映土壤肥力的重要指標[21],綜上表4、5 以及圖4可見,土壤有機質的含量隨著恢復年限的增加而上升,榆樹鐵礦和傲牛鐵礦樣地土壤有機質均含量變化范圍分別為6.01—17.64 mg·k-1和5.57—13.04 mg·kg-1;2013年榆樹鐵礦恢復區有機質含量水平為5 級,傲牛鐵礦為6 級,經過樟子松和刺槐對土壤基質的改良,于2017年兩礦山植被恢復區土壤機質含量水平均提升至4 級水平。

全氮是指土壤中所含植物可利用和不可利用的各種形態的氮總量,綜上表4、5 以及圖4可見,土壤有機質的含量隨著恢復年限的增加而上升,榆樹鐵礦和傲牛鐵礦樣地土壤全氮均含量變化范圍分別為0.25—1.21 g·kg-1和0.25—1.07 g·kg-1;2013年恢復初期,榆樹鐵礦和傲牛鐵礦恢復區土壤全氮均為6級水平,經樟子松和刺槐對土壤基質的改良,于2017年兩礦山恢復區土壤全氮水平分別被提高至3級和4 級。

表5 土壤養分指標級別變化表 Table5 Change of soil nutrient index level

堿解氮、有效磷、速效鉀是土壤中可以被植被直接利用的氮、磷、鉀。綜上表4、5 以及圖4可見,土壤有效養分的含量隨著恢復年限的增加而上升,榆樹鐵礦和傲牛鐵礦樣地土壤堿解氮均含量變化范圍分別為11.91—31.00 mg·kg-1和11.47—22.03 mg·kg-1,至2017年雖樟子松和刺槐都對土壤中堿解氮含量有所積累,但其含量仍處于第二次土壤普查的5 級和6 級水平;兩礦山土壤有效磷均含量變化范圍分別為4.32—23.43 mg·kg-1和3.03—12.51 mg·kg-1,樟子松樣地和刺槐樣地對速效磷氮的積累分別由5 級含量水平達到最終的2 級和3 級水平;調查期間兩礦山土壤速效鉀均含量變化范圍,分別為34.94—59.31 mg·kg-1和33.25—51.69 mg·kg-1,且兩礦山恢復樣地植被對速效鉀含量的積累較慢,分別由5 級含量水平達到最終的4 級和5 級水平。

2.3 草本層植被多樣性評價

2.3.1 香農-維納多樣性

通過對榆樹鐵礦幼齡樟子松林以及傲牛鐵礦幼齡刺槐林林下草本層植被多樣性的實地調查,兩礦山樣方內共出現草本植物19 種,隸屬于11 科16 屬,其中幼齡樟子松林下草本層出現植物11 種,隸屬于7 科9 屬,幼齡刺槐林下草本層出現植物15 種,隸屬于6 科8 屬。樣方草本層所出現的物種組成情況見表6。經調查統計分析,各樣方草本層植被多樣性的調查評價結果見表7。

由表7可見,樣方A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3 的多樣性指數H 依次為1.817、1.802、1.765、2.273、2.003、2.326,從整體上看,幼齡刺槐林草本層多樣性指數高于幼齡樟子松林;各樣方的均勻度指數E 分別為0.827、0.867、0.803、0.886、0.869、0.906,從數值上來看各樣地間無顯著差異,但傲牛鐵礦各樣方內幼齡刺槐林下草本層的均勻度普遍較高;通過對各樣方草本層植被優勢度指數D 的計算發現,幼齡樟子松林優勢度指數的普遍高于幼齡刺槐林,且最高值出現在樣地A-3 達0.431,并由表6可知,該樣方內草本層優勢種為菊科茵陳蒿地位最為突出。

圖4 礦山土壤養分變化條形圖 Figure4 Mine soil nutrient change bar chart

表6 各樣地草本層物種組成 Table6 Herbarium species composition

表7 香農-維納多樣性評價 Table7 Shannon-Wiener diversity assessment

2.3.2 評價指標歸一化處理結果

將香農-維納多樣性評價指標歸一化處理,結果見下表8:

表8 評價指標歸一化處理結果 Table8 Evaluation index normalized

2.3.3 評價指標權重值的確定

采用德爾菲法對香農-維納多樣性評價方法中各項評價指標的相對重要性進行評分。本研究專家組由礦區土地復墾與生態恢復等相關領域的 10 名權威專家組成,采用“背靠背”的決策方式,將問題的背景資料及待定權重系數的評價指標系統提交給各位專家,使其獨立給出各項指標的權重系數值,最后收回專家所評數據對其進行匯總整理計算。權重值的確定結果為:均勻度指數(0.499)＞多樣性指數(0.404)＞優勢度指數(0.097)。這表明均勻度指數是用于評價兩礦山廢棄地草本層植被多樣性及自然演替能力中最為重要的指標,多樣性指數和優勢度指數次之。

2.3.4 草本層植被多樣性指數計算結果

根據上述評價指標的歸一化結果及指標權重值,計算草本層植被多樣性指數,結果見下表9:

由上表9可知,傲牛鐵礦樣地VI 值0.058 ＞ 榆樹鐵礦樣地VI 值0.019。結果表明,雖幼齡樟子松林較幼齡刺槐林更易于快速積累貧瘠廢棄地中的土壤養分,但其樣方的草本層植被多樣性指數卻均小于幼齡樟子松林。分析這可能是樟子松通過揮發途徑產生化感作用的結果,樟子松枝葉釋放的萜類揮發物會對其林下植物的萌發與生長產生不同程度的抑制作用,尤其是在春秋季節,萜類物質占揮發物總量80%,甚至高達97%[22-23]。因此,通常情況下其林下共生的植被較少甚至無植被。鑒于此,傲牛鐵礦刺槐林下草本層良好的自然恢復狀態更有利于礦山廢棄地后續的生態演替以及植被修復效果,故分析豆科刺槐林進行廢棄地植被修復更易加快礦山廢棄地植被修復進程。

表9 草本層植被多樣性指數 Table9 Herbaceous vegetation diversity index

3 結論與建議

3.1 結論

(1)隨著恢復年限的增長,樣方內樟子松和刺槐的胸徑和樹高均逐年升高。調查期間刺槐林樹高生長速度迅猛于樟子松林,其樹高的年均生長速率可達樟子松的1.94—4.43 倍。

(2)榆樹鐵礦和傲牛鐵礦恢復區土壤分別由pH= 5.38—5.54 和pH=5.24—5.42 改良至pH=6.81—6.87和pH=6.64—6.84,由酸性土壤改良至適合植物生長的中性土壤。

(3)隨著恢復年限的增長,土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量逐年升高,參照全國第二次土壤普查標準,對礦山已恢復樣地中土壤養分進行土壤肥力單項指標評價結果表明:榆樹鐵礦恢復區土壤養分指標級別較傲牛鐵礦恢復區總能更早的達到土壤養分更高水平,幼齡樟子松林較幼齡刺槐林更易于快速積累貧瘠廢棄地中的土壤養分。

(4)調查樣地中,共出現19 種草本植物,隸屬于11科16屬,其中幼齡樟子松林下草本層出現植物11種,隸屬于7 科9 屬,幼齡刺槐林下草本層出現植物15 種,隸屬于6 科8 屬。香農-維納多樣性評價結果表明:幼齡樟子松林樣方下草本層物種數目較少且優勢種明顯為茵陳蒿,幼齡刺槐林下草本層物種就相對豐富、均勻度較高、系統也相對穩定。

(5)草本層植被多樣性指數計算結果表明:傲牛鐵礦幼齡刺槐林樣方的草本層植被多樣性指數均高于榆樹鐵礦幼齡樟子松林。VI 值為傲牛鐵礦樣地0.058 ＞榆樹鐵礦樣地0.019。

3.2 建議

綜上,在幼齡林恢復初期階段,比較傲牛鐵礦和榆樹鐵礦恢復情況,榆樹鐵礦樟子松林對土壤基質改良效果明顯優于傲牛鐵礦刺槐林,因幼齡樟子松更易于快速積累土壤中的養分,榆樹鐵礦樣地土壤中各指標總能更快的達到第二次土壤普查標準中的更高級別。而傲牛鐵礦恢復樣地林下共生植被較多、物種配比均勻、草本層植被多樣性指數高的刺槐林,卻更有利于草本層的自然恢復,且其迅猛的生長速度更有利于在恢復初期對礦山土壤基質的固定。

鑒此,針對撫順市礦山廢棄地的植被修復建議喬木層混交配置樟子松和刺槐,同時發揮刺槐強大的固土能力及樟子松的土壤改良能力進行植被修復,這將更有利于植被恢復的進程,并引入灌木種來豐富群落層次結構,形成的“喬-灌-草”復合系統將使退化生態系統在更短的時間內達到最優的修復效果。