賀蘭山采煤跡地先鋒鄉(xiāng)土物種適生性研究

王興哲，劉秉儒，高文麗，毛大串

(北方民族大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

我國露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、青海、寧夏等省區(qū)。露天煤礦開采會(huì)造成一定程度污染，而當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境一旦破壞很難修復(fù)[1]，汝箕溝露天煤礦地處賀蘭山腹地騰格里沙漠邊緣，屬于干旱大陸性氣候，煤礦高強(qiáng)度的開采會(huì)導(dǎo)致排土場的治理與綠化跟不上維持礦區(qū)生態(tài)平衡的需求。對(duì)于露天煤礦開采而導(dǎo)致的自然生態(tài)結(jié)構(gòu)缺損、林地功能退化等問題[2]，根據(jù)礦區(qū)的自然條件應(yīng)選用有較強(qiáng)適應(yīng)性、抗逆性的鄉(xiāng)土植物為主要先鋒植物[3]。

鄉(xiāng)土植物是指經(jīng)過長期的自然選擇及物種演替后，對(duì)某一特定地區(qū)有高度生態(tài)適應(yīng)性的自然植物區(qū)系成分的總稱[4]，對(duì)于露天采煤跡地這種特殊的裸巖形式鄉(xiāng)土植物可以增加植被覆蓋度的面積、降低大氣粉塵污染，同時(shí)植物的根系深深扎入土壤，能提高土地的抗剪強(qiáng)度，減少水土流失，提高邊坡穩(wěn)定性[5]。本文對(duì)賀蘭山采煤跡地周邊所生長的鄉(xiāng)土物種進(jìn)行比較，優(yōu)選其中適用于礦山生境的生態(tài)恢復(fù)物種。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在汝箕溝露天礦場周邊地區(qū)選擇生長勢較好的優(yōu)勢種植物，采集優(yōu)勢種植物的同一生長水平的種子留作盆栽實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用煤渣土土壤取自汝箕溝煤礦排土場。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

對(duì)汝箕溝煤礦及其周圍生長的沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst. et Kit)、中亞濱藜(AtriplexcentralasiaticaIljin)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、灰綠藜(ChenopodiumglaucumL)、中亞紫菀木(Asterothamnuscentrali-asiaticus)6種植物成熟的種子進(jìn)行采集，用0.4%的高錳酸鉀消毒25 min，蒸餾水漂洗3～4次，將消毒后的種子每50粒整齊地置入鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中[6]，每種植物設(shè)置3個(gè)重復(fù)，加入蒸餾水至恰好潤濕濾紙，置于溫度為22 ℃的培養(yǎng)箱中，連續(xù)培養(yǎng)10 d并每天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽個(gè)數(shù)，以種子露白芽為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)[7]。每天通過稱重法補(bǔ)充減少水分[8]，第10天開始統(tǒng)計(jì)總發(fā)芽數(shù)量。

2.2.2 土壤理化性質(zhì)分析

將汝箕溝采煤跡地采集的煤渣土土樣與風(fēng)沙土土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析。土壤全氮采用凱氏蒸餾法測定，土壤水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測定，土壤銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法(分光光度法)測定，土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)法測量，土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測量，土壤pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測量[9]。

2.2.3 種子盆栽實(shí)驗(yàn)

將汝箕溝煤礦排土場采集的煤渣土與風(fēng)沙土作為土樣，用烘箱分別對(duì)土樣在140 ℃下經(jīng)行40 min的烘烤，消除土壤種子庫。

土壤設(shè)置為3組，一組僅裝入煤渣土，另一組在裝入的煤渣土上覆蓋約2 cm厚的風(fēng)沙土，第3組僅裝入風(fēng)沙土作為對(duì)照。選取沙蒿、豬毛蒿、中亞濱藜、鹽生草、綠藜、中亞紫菀木六種植物籽粒飽滿的種子，運(yùn)用0.4%的高錳酸鉀進(jìn)行消毒25 min，蒸餾水漂洗3～4次，分別以這3種土壤環(huán)境進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，每種環(huán)境設(shè)置3個(gè)重復(fù)組，每組均勻種植50粒種子，種子植入深約2 cm，每盆土壤厚度約10 cm，培養(yǎng)在溫度約25 ℃的大棚中，連續(xù)培養(yǎng)30 d，每24 h記錄一次數(shù)據(jù)，每5 d進(jìn)行一次補(bǔ)水，每10 d測量一次各植物的胚根長，胚芽長和子葉數(shù)。(每組隨機(jī)選取3株幼苗進(jìn)行測定，僅選取足夠三株幼苗的植物種類進(jìn)行測定)[8]。

2.3 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

2.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo)

發(fā)芽率(germination percentage，GP)：

(1)

發(fā)芽勢(germination energy.GE):

(2)

發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI):

(3)

發(fā)芽速度(germination speed，GS)

(4)

式(1)～(4)中:n為試驗(yàn)結(jié)束后全部發(fā)芽的種子數(shù)，N為試驗(yàn)種子總數(shù)，nd為基本發(fā)芽完畢時(shí)間的前1/3時(shí)的發(fā)芽總數(shù)，k表示發(fā)芽總天數(shù)，nt指第t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為相對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)，Gt為第t天的發(fā)芽率，D為發(fā)芽總時(shí)間[8]。

2.3.2 幼苗形態(tài)指標(biāo)

每隔10 d測定一次幼苗形態(tài)指標(biāo)。運(yùn)用鋼尺測量每種植物的培根長與胚芽長，記錄幼苗的葉子數(shù)(每組隨機(jī)選取3株幼苗進(jìn)行測定，僅選取足夠3株幼苗的植物進(jìn)行測定)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel和SPSS 22.0經(jīng)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)盆栽實(shí)驗(yàn)植物的生長情況以及數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，做出每個(gè)指標(biāo)的圖表，直觀的呈現(xiàn)出鄉(xiāng)土植物在煤渣土中生長的狀況，并對(duì)每一品種均進(jìn)行自然生態(tài)價(jià)值評(píng)價(jià)與人工改善礦區(qū)環(huán)境的可行性分析。

3 結(jié)果分析

3.1 煤渣土與風(fēng)沙土土壤理化性質(zhì)

風(fēng)沙土的pH值較高屬于偏堿性土壤，煤渣土pH值超過8.5達(dá)到8.6±0.10屬于強(qiáng)堿性土壤，植物能在煤渣土中有較好長勢則說明這種植物有較強(qiáng)的耐堿性能力，同時(shí)煤渣土中的全氮、水解性氮、有效磷等養(yǎng)分含量均低于風(fēng)沙土中的養(yǎng)分含量，而土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)沙土，這與煤渣土本身的形成特性與形成機(jī)理有關(guān)。綜上所述，煤渣土的生長環(huán)境相較風(fēng)沙土更不適合植物的生長，土壤理化性質(zhì)的不同也是阻礙露天煤礦生態(tài)恢復(fù)的條件之一(表1)。

表1 風(fēng)沙土與煤渣土理化性質(zhì)

3.2 植物種子發(fā)芽率

在培養(yǎng)箱中經(jīng)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)芽率最高，達(dá)到74.67%。

3.3 不同土壤環(huán)境下鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)

將6種植物的盆栽進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽速度4個(gè)指標(biāo)。

發(fā)芽率反映種子發(fā)芽能力；發(fā)芽勢是判斷出苗整齊度及健壯度的一項(xiàng)指標(biāo)[10]；發(fā)芽指數(shù)一定程度上可反映發(fā)芽速度[8]；發(fā)芽速度可衡量種子發(fā)芽速度和整齊度。

圖1 各植物種子發(fā)芽率

相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，灰綠藜與中亞濱藜的種子表現(xiàn)出較高的發(fā)芽傾向與較好的發(fā)芽率，其種子在渣土中的發(fā)芽率達(dá)到63.33%，比中亞濱藜的發(fā)芽率高出了42%，灰綠藜的發(fā)芽率，發(fā)芽指數(shù)，發(fā)芽速度等指標(biāo)相較于其他植物其優(yōu)勢均十分明顯，而中亞濱藜在渣土中的發(fā)芽率達(dá)到21.33%僅次于灰綠藜，其他植物的種子各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)數(shù)據(jù)較低。

表2 不同土樣種各植物生長狀況

如圖2所示，煤渣土與風(fēng)沙土中的灰綠藜在24 h之后便有大量的種子破土，而混合土中種植的灰綠藜則在48 h之后才開始破土，但混合土中種植的灰綠藜種子的累計(jì)發(fā)芽率在第4到第6天時(shí)大幅增長并在第9天超過煤渣土中的灰綠藜種子累計(jì)發(fā)芽率。3種土樣中的累計(jì)發(fā)芽率在第15天時(shí)基本穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其風(fēng)沙土累計(jì)發(fā)芽率最高，混合土與煤渣土的累計(jì)發(fā)芽率基本相等。

圖2 不同土樣中的灰綠藜累計(jì)發(fā)芽率

由圖3所示，中亞濱藜破土?xí)r間較晚，第四天開始破土。其破土24 h內(nèi)的累計(jì)發(fā)芽率煤渣土>風(fēng)沙土>混合土，這可能是因?yàn)槊涸恋牧较鄬?duì)于風(fēng)沙土較大，而中亞濱藜的種子也較大，其種子的萌芽更容易暴露在煤渣土的縫隙中。在3種不同的土樣中，風(fēng)沙土相對(duì)于其他兩種土樣其累計(jì)發(fā)芽率始終保持較高的增長，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)風(fēng)沙土的累計(jì)發(fā)芽率也遠(yuǎn)高于混合土與煤渣土中的中亞濱藜累計(jì)發(fā)芽率。風(fēng)沙土中的中亞濱藜30 d累計(jì)發(fā)芽率比煤渣土高出14%比混合土高出16%。

圖3 不同土樣中的中亞濱藜累計(jì)發(fā)芽率

由圖4、圖5可知，豬毛蒿、沙蒿、鹽生草、中亞紫菀木4種植物的種子在土樣中的累計(jì)萌發(fā)率較低，在煤渣土中中亞紫菀木的累計(jì)萌發(fā)率最高僅為8%，而混合土中中亞紫菀木的累計(jì)萌發(fā)率則達(dá)到了25%(表2)，這說明煤渣土上覆風(fēng)沙土之后再進(jìn)行播種的方式可以大幅提高中亞紫菀木的累計(jì)發(fā)芽率。沙蒿種子在培養(yǎng)箱中進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)的萌發(fā)率也較低，因此沙蒿萌發(fā)率始終偏低(圖1)可能是由于種子的活力本身不高所致，而鹽生草和豬毛蒿兩種植物在培養(yǎng)箱中進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)萌發(fā)率較高而在土樣中發(fā)芽率較低可能時(shí)由于這兩種植物的種子較小，頂土能力較差而無法發(fā)芽。

圖4 煤渣土中沙蒿、豬毛蒿、鹽生草、中亞紫菀木發(fā)芽情況

圖5 混合土中沙蒿、豬毛蒿、鹽生草、中亞紫菀木物發(fā)芽情況

6種植物除鹽生草外，發(fā)芽率普遍表現(xiàn)出風(fēng)沙土>混合土>煤渣土的特點(diǎn)，但這種特點(diǎn)在灰綠藜種子的萌發(fā)中表現(xiàn)的并不明顯，灰綠藜種子在這3種不同土制的發(fā)芽率幾乎相同，且出苗時(shí)間短，出苗速度快，出苗后生長快，反映出灰綠藜具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.4 不同土壤環(huán)境對(duì)不同植物種子根莖生長的影響

每10 d對(duì)所種植的植物經(jīng)行一次根長莖長與葉子數(shù)的測量，取樣測量后計(jì)算平均值，所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)灰綠藜在20～30 d期間根長與葉子數(shù)出現(xiàn)了明顯的增長，而中亞濱藜的芽長在其他植物始終保持優(yōu)勢，但根長始終短于灰綠藜，在第30天的采樣測量中，風(fēng)沙土中的中灰綠藜在根長和莖長上明顯長于混合土與煤渣土中的灰綠藜，且葉片數(shù)目與其他兩種培養(yǎng)環(huán)境下的植株葉片數(shù)目具有明顯差異(圖6)，同時(shí)，在煤渣土與混合土中培養(yǎng)的灰綠藜葉片偏紅，中亞濱藜的葉子生長較為緩慢，而灰綠藜的葉子始終穩(wěn)定增長(圖7)。

圖6 渣土 中亞濱藜

圖7 灰綠藜(從左至右：風(fēng)沙土3株；混合土3株；煤渣土3株)

同時(shí)，在對(duì)測量植株的觀察中發(fā)現(xiàn)，生長在渣土與混合土中的植株側(cè)根普遍較少，而風(fēng)沙土中植株側(cè)根普遍較多，相較于其他植株灰綠藜幼苗具有發(fā)達(dá)的根系，可以有效礦場防止水土流失。

表3 灰綠藜盆栽生長情況

4 討論

土壤環(huán)境的差異會(huì)影響群落演替過程中植物多樣性的變化[11，12]。煤渣土保水性差，容易板結(jié)，pH值偏高，粒徑較大，會(huì)抑制種子的萌發(fā)。6種植物種子的累計(jì)萌發(fā)率普遍表現(xiàn)出風(fēng)沙土>混合土>煤渣土的規(guī)律，這種現(xiàn)象也說明在煤渣土上覆風(fēng)沙土可有效增加種子的累計(jì)萌發(fā)率。其原因可能與風(fēng)沙土覆土減少了種子的破土阻力，提高煤渣土保水能力，減少土樣的平均粒徑，提高土壤中有效磷，水解性氮、硝態(tài)氮、全氮、銨態(tài)氮等因素有關(guān)。

灰綠藜與中亞濱藜種子萌發(fā)過程中對(duì)溫度和水分的適應(yīng)范圍較廣均，適合在土壤瘠薄、礦質(zhì)元素含量較少， 有機(jī)質(zhì)含量低，pH值呈堿性的土壤中生長[13～15]，同時(shí)，灰綠藜與中亞濱藜生長迅速并具有一定水土保持能力，是本次實(shí)驗(yàn)中所篩選出的作為修復(fù)賀蘭山采煤跡地的先鋒物種各項(xiàng)指標(biāo)都較高的鄉(xiāng)土植物。在本次實(shí)驗(yàn)中沙蒿、鹽生草、豬毛蒿、中亞紫菀木的發(fā)芽率，萌發(fā)勢等參數(shù)較低，但并不代表在這些植物沒有改善賀蘭山煤礦跡地的潛力。如豬毛蒿種子較多，易于大面積擴(kuò)散，作為R選擇植物，對(duì)于采煤跡地的修復(fù)具有一定優(yōu)勢。

高強(qiáng)[16]等在鄉(xiāng)土植物在城市水土保持與生態(tài)修復(fù)中的作用及應(yīng)用前景中指出鄉(xiāng)土植物具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性、成活率髙、施工成本低等特點(diǎn)，符合節(jié)約型社會(huì)要求等優(yōu)勢。在本次實(shí)驗(yàn)中的六種植物中灰綠藜和中亞濱藜的幾個(gè)萌發(fā)指標(biāo)都較高，灰綠藜和中亞濱藜生長迅速，較快的生長速度是先鋒植物基本特點(diǎn)之一[16]，生長速度較快才能快速的定植于惡劣的環(huán)境中。這種特性對(duì)采煤跡地的生態(tài)演替有一定促進(jìn)作用，可防止早期的土壤侵蝕、減少水土流失[17]。同時(shí)，這兩種植物母體植株在賀蘭山采煤跡地容易尋找，種源豐富，易于采集，方便管理，成本較低[16]，適合作為先鋒物種對(duì)賀蘭山采煤跡地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。灰綠藜和中亞濱藜適應(yīng)性強(qiáng)、有一定的抗逆能力[16]，并且抗干旱能強(qiáng)，本次實(shí)驗(yàn)中每五天進(jìn)行一次澆水，累計(jì)發(fā)芽率與發(fā)芽勢等各項(xiàng)指標(biāo)依然很高，靠天然降水可以良好生長，減少了人工管理的成本。在對(duì)灰綠藜的根長莖長進(jìn)行測量后發(fā)現(xiàn)其根系發(fā)達(dá)，可在陡坡進(jìn)行大面積噴播，可減少水土流失，對(duì)陡坡地段的土壤侵蝕有一定緩解作用[18]。地下根系對(duì)土壤的加筋、錨固作用， 有利于緩解坡面侵蝕、增強(qiáng)其穩(wěn)定性[19]。在上山采樣與挑選種籽時(shí)發(fā)現(xiàn)灰綠藜每株產(chǎn)種數(shù)量大，自行播種面積廣，不需要人為播種和授粉，可以進(jìn)行自然生長。

趙明國等在報(bào)道中指出一個(gè)地區(qū)生物多樣性的重要組成是鄉(xiāng)土植物[20]。灰綠藜與中亞濱藜的植株在賀蘭山采煤跡地都有發(fā)現(xiàn)，屬于鄉(xiāng)土植物，鄉(xiāng)土植物適應(yīng)當(dāng)?shù)貐^(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)，非引入植物，不會(huì)造成物種入侵。作為鄉(xiāng)土植物，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)也易于接受，易于維持生態(tài)平衡。

綜上所述，灰綠藜與中亞濱藜對(duì)煤渣土的適應(yīng)性極強(qiáng)，是本次實(shí)驗(yàn)種所篩選的用于改善賀蘭山采煤跡地的最佳先鋒植物，可用于大面積種植，且作為鄉(xiāng)土植物對(duì)于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境改善與生態(tài)環(huán)境具有非同尋常的意義和一定的優(yōu)勢，可以大力推廣。