銅冶煉尾礦廢棄地土壤種子庫特征研究

張 熙，龍 榮，韓 鄲，王雪梅，胡金朝

(1.四川省地質礦產勘察開發局攀西地質隊，四川 西昌 615000;2.西昌學院資源與環境學院,四川 西昌 615013)

0 引言

土壤種子庫是指存在于土壤表面及各種凋落物和土壤中全部具有生命活力的種子的總和[1]。對于退化過后生態系統的植被修復與重建，土壤種子庫具有重要的理論和實踐意義[2]。土壤種子庫中擁有很多在植物演替中起著非常重要作用的鄉土植物先鋒物種，對于極端環境它們具有非常強的耐性和適應能力，這些鄉土植物的種子往往來自于相鄰生環境的種子庫中[3]。近年來，研究土壤種子庫已成為恢復生態學的熱點，大量學者在這一領域展開了深入的研究[4]。

尾礦廢棄地是由于礦業廢棄物堆積而形成的，改變了原有土壤的理化性質，破壞了原來的生態環境，棄置過后其自然生態恢復的過程是典型的生態系統原生演替過程，其植被自然恢復的過程需要較為漫長的時間[5]。尾礦廢棄地對生態環境有較嚴重的危害[6]，因此開展尾礦廢棄地植被恢復十分必要。常用的植被恢復方法主要有物理法、化學法和植被法[7]。相較于物理法和化學法費用較高且有可能會造成二次污染的問題，植被法具有成本較低、適應范圍廣、不易造成二次污染等優點，并且修復之后會產生非常好的生態效益，能夠使受污染的土壤持久清潔地修復，因而被更多的人接受[8]。

涼山地區地處“兩屏三帶”中“黃土高原-川滇生態屏障”的重要區域，區內礦產資源富集，是國家重點治理的生態脆弱區和重點扶貧區，由于彝區經濟落后等原因造成礦山生態環境問題頻現，產生的大量尾礦棄渣占用了大量的土地。因此本文以西昌市康銅冶煉廠尾礦廢棄地為例，研究銅冶煉尾礦廢棄地土壤種子庫及其相鄰生境土壤種子庫的特征，以期為銅冶煉尾礦廢棄地的植物修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本實驗取材于康銅冶煉廠尾礦廢棄地(27°58′34″ N，102°11′50″ E)，位于西昌市西北部，總面積約為18543m2。該地隸屬于中亞熱帶季風氣候，年溫差較小。干濕分明，夏季多雨，冬季少雨且溫暖，空氣濕度較低。陽光旺盛，平均日照時間較長。相對而言，春天風力較大，風力等級可達3～4級。夏季最高氣溫大概為27～28℃，而冬季夜間最低氣溫也在0℃以上。尾礦廢棄地內已有一定的植物成功定居，但種類較為單一，數量較少。

1.2 研究區植被調查

于2018年10月對研究區開展了植被調查，實驗采取以尾礦庫中心為起點，分別向東、南、西、北4個方向設置4條樣線，然后在每條樣線兩側隨機設置樣方5個。樣方面積為1m×1m，共設樣方20個。分別調查每個樣方內的植物種類、植株高度、株數和蓋度等。調查結果發現，康銅冶煉廠尾礦廢棄地內的植被分為3種較穩定的群落。成功自然定居的植物共25種，分屬9科23屬25種植物，主要有禾本科植物7種，菊科植物5種，莧科植物3種。生活型多以一年生植物為主。

表1 地上植被群落類型及特征

1.3 土壤種子庫取樣

土壤取樣在2018年10月中旬進行。按植被分布情況，在尾礦廢棄地設東、西兩個樣地，然后采用五點取樣法在樣地中選取四角和中心共五個小樣方，采集0～10cm表層土，將土樣帶回實驗室備用。按同樣的方法取一份礦渣，一份相鄰生環境土壤。

1.4 實驗方法

取出土樣進行人工篩選，去除其中的石塊和殘余的植物器官，混合均勻并根據重量分成兩份，編號分別為A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，其中A組為礦渣，B組和C組為尾礦廢棄地土壤，D組為相鄰生境土壤。放置至自然風干。自然風干之后，采用高溫法對土壤中休眠的種子進行破休眠，40℃處理24h。20cm×15cm×8cm 塑料盤為萌發床，其中先填充5cm 經處理的基質，基質均通過高溫滅活(用烘箱經過120℃高溫烘烤12h)，將土樣分別平鋪于基質表面，厚度約為2cm置于溫室內進行發芽試驗。每天澆水2次，以保證種子萌發所需的水分，光照時長為12h，溫室的溫度控制在為25～27℃。每天記錄1次發芽數量，并且在種子發芽生長7d后進行移植，移至裝有5cm營養土基質的萌發盤中，并定期記錄其生長情況。當萌發數量增加較少或停止萌發時翻動土壤，保證更多的種子能夠萌發，直到連續14d無種子萌發為止。幼苗移植后繼續培養，直至鑒出植物種類。

1.5 數據處理和分析

本論文對于實驗得到的結果采用 Sorensen’s coefficient 指數法[9]，計算土壤種子庫與地上植被(或其它種子庫)二者之間的相似性。

式中：CC—Sorensen指數的值；c—在地上植被與土壤種子庫中皆出現的植物種數；s1、s2—地上植被所有植被種數，土壤種子庫中所有的植物種數。

根據各樣地土壤種子庫中的種子數量及其種類，分別計算Margalct 豐富度指數(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Pielow均勻度指數(E)[10]:

E=H/lnS

式中：S—物種總數；N—植物種子總數；Pi—各樣地第i種植物的種子數在該樣地種子庫中總種子數中所占比例。

2 結果與分析

2.1 土壤種子庫的組成

種子萌發實驗結果見表2。可知尾礦廢棄地土壤共萌發了5種植物，隸屬于4科5屬5種，其中以禾本科為主，出現了2種禾本科植物，植物的生活型以多年生草本植物為主。尾礦廢棄地中礦渣共萌發了3種植物，隸屬于3科3屬3種，生活型以多年生草本為主。相鄰生境土壤共萌發了6種植物，隸屬于3科6屬6種，其中以禾本科和菊科為主，禾本科3種，菊科2種，生活型以多年生草本為主。根據結果可見三種土樣中，萌發結果數量最多的是禾本科植物狗牙根，說明狗牙根不僅是尾礦廢棄地的鄉土植物，而且對尾礦污染的土地表現出了很強的耐性，可以做為后期植物修復的植物之一。

表2 不同樣地主要植物及其主要比例 (%)

2.2 不同樣地土壤種子庫比較

不同樣地的種子庫密度差異較大，廢棄地B(375粒/m2)>礦渣A(350粒/m2)>相鄰生境D(300粒/m2)>廢棄地C(175粒/m2)。而同樣是尾礦廢棄地種子庫，但其結果之間差距達到近兩倍，說明廢棄地土壤種子庫存在空間異質性。

由表3可知，不同樣地土壤種子庫與地上植被的相似性為0.214～0.387，相鄰生境表現出最高的相似性，礦渣最低。

表3 各樣地土壤種子庫種子密度及其地上植被的相似性

計算不同樣地土壤種子庫的相似度(表4)，結果顯示，不同樣地之間的相似性差異較大，其變化區間為0.222～0.857，其中礦渣與尾礦廢棄地的相似性最高，礦渣和相鄰生境相似性最低，可見植被類型受到礦渣基質的影響很大。而尾礦廢棄地由于受到礦渣堆積的影響表現出與礦渣種子庫的相似性較高。

表4 各樣地土壤種子庫之間的相似度

2.3 各樣地土壤種子庫多樣性特征

由Margalct指數和Shannon-Wiener指數計算結果，均表明相鄰生境的土壤種子庫豐富度以及多樣性都是最高的，而礦渣種子庫豐富度最低，尾礦廢棄地土壤種子庫與礦渣的多樣性接近。在均勻度方面，尾礦廢棄地的兩個樣方差異明顯，說明其土壤種子庫存在明顯的空間異質性。

表5 不同樣地土壤種子庫的物種多樣性

3 討論

土壤種子庫是植物自然更新的物質基礎[11]，對于地上的植被更新具有重要的意義，與地上植被之間存在相互影響的動態關系[12]。地上植被的種子經過各種途徑最終還是會進入到土壤之中，就形成了土壤種子庫，土壤種子庫中有活力的種子在一定的條件下成功萌發，在一定程度上也決定了地上群落的結構和功能[13]。研究表明西昌康銅冶煉廠尾礦廢棄地土壤種子庫萌發并鑒別出的植物種類僅有5種左右，多樣性指數值也偏小，植物的多樣性較低。而植被調查表明地上植被類型有25種，地上植被豐富度遠大于土壤種子庫，兩者之間相似度較低。尾礦廢棄地土壤種子庫的5種植物均是地上植被調查出現過的物種，這表明康銅冶煉廠尾礦廢棄地的植被群落在未來短時間不會發生特別大的變化。地上植被調查和土壤種子庫萌發結果表明，康銅冶煉廠廠尾礦廢棄地定居的植物以禾本科和菊科植物為主，也表明尾礦廢棄地比較適合禾本科和菊科植物的生長。

植被群落的結構由土壤中的種子和無性繁殖體共同決定[14]。研究中土壤種子庫的統計僅包含了土壤中能萌發的種子,并未考慮根莖等無性繁殖體，尾礦種子庫與地上植被的相似性低可能是由于一些地上物種進行無性繁殖對土壤種子庫形成的貢獻較小造成的。此外有研究顯示，不同氣候特征下的土壤種子庫與地上植被兩者的相似性也存在較大的差異，其中又以亞熱帶地區差異最大[15]，本實驗的研究地隸屬于亞熱帶地區，因此研究中相似性指數較低可能與其氣候特征有關。

而尾礦廢棄地的兩個樣地均勻度差異較大，存在明顯的空間異質性，原因之一可能是尾礦廢棄地內礦渣堆放不規則，其二是尾礦廢棄地內的土壤濕度存在明顯的空間差異。

調查結果顯示，尾礦廢棄地內各群落構成與相鄰生環境群落構成差異較大，尾礦廢棄地以狗牙根的覆蓋度最大，而相鄰生環境以白茅的覆蓋度最大。可見，在尾礦廢棄地中土壤的理化性質影響了其種子庫的特征。

4 結論

西昌康銅冶煉廠尾礦廢棄地土壤萌發存活并最終鑒定的植物有5種，均為草本植物，以禾本科植物居多，植物多樣性較低。在萌發的植物種中，出現最多的是禾本科植物狗牙根(Cynodon dactylon)，其表現出了旺盛的生命力以及對銅尾礦重金屬的抗性，可以作為尾礦廢棄地植被重建的先鋒植物。與相鄰生環境土壤種子庫對比，康銅冶煉廠尾礦廢棄地基質的改變影響了土壤種子庫的特征。康銅冶煉廠尾礦廢棄地存在明顯的空間異質性，在下一步的研究中應結合廢棄地土壤性質的空間變化增加采樣數，更加全面地掌握其特征。