干旱矿区废弃地重金属生境土壤种子库时空动态

张 涛，何明珠，陈智平，车克钧，胡天光，程斌让

矿区废弃地是指在采矿过程中所破坏的，不经一定处理无法使用的土地，其缺少植被生长所必须的有机质和氮、磷、钾等物质。土壤种子库时期是植物生活史的一个阶段，Harper［1］把它称为潜在种群，它的存在将为植物群落的演替、群落遭受干扰和破坏后的恢复提供繁殖体［2－4］。土壤种子库的大小、组成、结构以及动态变化过程是群落更新与生态恢复的重要决定因子。近年来，土壤种子库研究得到了很大发展，研究内容主要集中在沙地［5－9］、山地［10－12］、耕地［13］、湿地［14－15］等区域的土壤种子库特征，而对矿区废弃地土壤种子库研究少有报道。土壤种子库的组成和大小随时间呈现有规律的变化，尤其是其物种组成和数量具有季节、年际动态变化。本研究对矿业废弃地重金属环境中早期土壤种子库时空分布特征进行研究，以期为矿区废弃地植被恢复提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区选在甘肃省金昌市镍矿区的矿业废弃地。该市是我国著名的“镍都”，其镍矿储量丰富，规模居全国第一位，铜、钴等矿产储量居全国第二位。该市地处东经101°04′—102°43′和北纬37°47′—39°0′之间，位于祁连山北麓，河西走廊东部，以大陆性沙漠干旱气候为主，暖温带荒漠区植被。年均降水量141～352mm，年均蒸发2 000mm左右，无霜期98～144 d，年均风沙日数33d，春季8级以上大风年均7.5次，每次持续1～3d。年平均气温9.3℃，最高气温42.4℃，最低气温－28.3℃。

1.2 野外采样方法

野外采样于2008年的3—11月中旬进行，共采样4次，分别在3，5，7，10月中旬进行。取样地点选择在金昌公司矿区较为典型的3个样点：（1）老尾矿库：① 砾石土覆盖层；② 预试验地；③供暖公司柽柳林地；（2）龙首矿山区：④ 龙首矿开采废弃地；⑤ 龙首矿自然植被区；⑥ 龙首矿绿化区；（3）戈壁滩：⑦ 新尾矿周边自然植被区。分别在上述7个典型区域设置3个10m×10m的固定样地，调查植被情况。在固定样地的四角及中心设5个1m×1m小样方，调查样方内草本情况。分别在小样方附近采取土样，土样面积为20cm×20cm，取样深度为10cm，分0—5cm和5—10cm两层。将各层土样编号带回实验室萌发。4次共取样560个土样。样地情况详见表1。

表1 样地概况

1.3 室内土壤种子萌发

通过萌发土样中种子，鉴定统计土壤中种子的组成及数量。在室内对采集的土样人工研碎，过5mm筛以除去石块和草根，分别放入直径30cm，高5cm的花盘中，花盘内先铺设一层1cm厚的洁净细沙，贴标签，摆放在塑料大棚温室，适时浇水，每天观测记录种子萌发情况，对已萌发并经种类鉴定后的幼苗进行记数，然后清除。将暂时无法鉴定的幼苗移栽到花盆并挂牌标记，直至植株形态能够鉴定。萌发实验持续100d左右，直到不出现新的幼苗为止。

1.4 数据处理

将萌发试验的统计结果按参试筛选土样占原筛选土样的比例及取样面积大小换算成1m2种子数量，即为样地土壤种子库的种子密度。土壤种子库种子储量＝种子数量／m2。

2 结果与分析

2.1 不同废弃地土壤种子库时间动态

2.1.1 不同废弃地土壤种子库储量的时间变化 不同废弃地土壤种子库储量随季节变化趋势大致相似。老尾矿砾石区、供暖公司柽柳林地、龙首矿绿化区、龙首矿开采废弃地、龙首矿自然植被区和新尾矿戈壁自然植被区土壤种子库储量10月最高，随后开始减小，5月份减小至最低，随后开始增加。这与地上植被生长结实规律基本一致，10月份大部分植物种子成熟，土壤接受种子雨输入，土壤种子库储量增加且达到峰值，随着时间推移，土壤种子开始衰老、腐烂、被动物取食、萌发等输出，土壤种子库储量开始减小，到了5月，土壤种子库储量降到最低，随后，随着新的种子雨的输入，土壤种子库储量又开始增加。试验地土壤种子库储量随季节变化趋势稍有不同，3月份最高，7月次之，5月最低，这可能是由于试验地人工浇水增加了植物生长期。7月份部分一年生草本（如灰绿藜、刺藜等）迅速完成生命期，大量种子输入土壤，使土壤种子库储量达到较大值，随后由于土壤水分、温度等条件适宜，有些植物种子开始萌发，土壤种子库储量有所下降，10月过后，大部分植物种子成熟，大量的种子输入土壤种子库，在11月下旬达到最大值（图1—2）。

对不同样地土壤种子库季节变化幅度分析表明，矿区废弃地变化幅度较大，自然植被区变化幅度较小。这是由于矿区废弃地一年生草本占绝对优势，其种子小而多，且一年生草本生长期较短，从开始结实到种子成熟需要时间较短，因而在较短的时间能够对土壤输入较多的种子。自然植被区则多年生草本和灌木相对较多，但它们种子相对大而少，输入种子雨也不太集中，因而变化比较平缓。

图1 不同废弃地土壤种子库季节动态变化

图2 不同废弃地土壤种子库季节动态变化

2.1.2 不同废弃地土壤种子库物种种类时间变化由表2可以看出，不同废弃地土壤种子库物种种类随季节变化具有一定的差异，其时间变化与土壤种子库储量基本一致。老尾矿砾石区、供暖公司柽柳林地、龙首矿开采废弃地和新尾矿戈壁自然植被区土壤种子库物种种类10月份较为丰富，7月次之，5月份最小；龙首矿绿化区和龙首矿自然植被区7月份物种最多，10月次之。

3月份研究区还没有解冻，大多数植物种子没有萌发。随着温度不断升高，到5月份，土壤中种子萌发，数量不断减少，植物进入生长期。随之，一些旱生、超旱生植物适应干旱生境，缩短生命周期，开始结实，土壤中开始输入种子雨，种子数量及种类开始增加，到10月份达到高峰。

表2 不同季节土壤种子库种子种类的变化

2.2 土壤种子库垂直分布特征

种子经过种子雨洒落到土壤表皮，经过一段时间后，在重力、风力作用和下渗水分的带动下，一部分种子下移，进入土壤较深层中。对不同废弃地各层土壤种子库储量分析表明（图3—4），土壤中种子主要分布在0—5cm土层中，该层种子比例平均占到种子库全部种子数量的76.5%，随着土壤深度的增加，种子数量逐渐减少，5—10cm土层中种子比例平均只占到种子库全部种子数量的23.5%，10cm以下几乎没有种子分布。

图3 不同废弃地土壤种子库储量垂直变化

3 结果讨论

3.1 土壤种子库时间变化

土壤种子库的组成和大小随时间呈现有规律的变化，尤其是其物种组成和数量具有季节动态［16－18］。季节的变化所引起的温度、光照、水分等非生物因素的变化直接影响了种子雨、种子的散布情况以及种子的萌发和腐烂，从而影响种子库大小的输入和输出情况。Russi等［19］对地中海草地的研究发现，土壤中的种子库最大在5—6月，即牧场上植物种子成熟并散布后；翌年的3—4月，即在新种子散布之前下降到最低点。李宁等［20］对塔克拉玛干沙漠北缘土壤种子库研究表明，土壤种子数在11月份最高，而在8月份降至最小值。本研究结果表明，该区域土壤种子库最小出现在5月，最大出现在10月，这与上述研究结果有一定的出入，分析认为，这可能与研究区的植被条件和本研究取样时间有关。一方面，本试验区属于干旱典型重金属废弃地，植被组成简单，为演替初期，以一年生草本为主，且多为旱生、超旱生先锋物种，其长期适应干旱等严酷环境，表现为在适宜条件下快速完成生命周期，因而在短时间内使土壤种子的大量输入成为可能；另一方面，本次取样时间设计为3，5，7和10月中旬，间隔较长，可能没有在土壤种子库实际极小或极大值时取样，造成一定的误差。

3.2 土壤种子库垂直分布

种子的垂直运动和在上层的最终分布主要由种子形状、土壤结构和大小、动物干扰或其他物理过程决定。某一特定深度含有特定大小的种子，因为大种子很难进入土壤深处，而小种子易进入土壤深处。落到地表的种子可以通过不同途经向下移动：（1）雨水的冲刷；（2）动物的活动；（3）土壤裂隙的存在。Kemp［21］研究认为，沙漠中土壤种子大部分分布在土壤的表面，这些种子大约有80%～90%分布在土壤上层2cm处，这2cm处的种子大多数又分布在凋落物层或土壤上层的几毫米处。随着土壤深度的增加，单位面积种子数目下降［22］。本试验中，土壤中的种子主要是分布在0—5cm土层中，该层种子比例平均占到种子库全部种子数量的76.5%，随着土壤深度的增加，种子数量逐渐减少，5—10cm土层中种子比例平均只占到种子库全部种子数量的23.5%，10cm以下几乎没有种子分布。本研究在5—10cm还有一定比例的种子出现，可能由于试验区土壤主要为砾石，土壤裂隙较大，有利于种子向下运动。

李宁等［20］对塔克拉玛干沙漠北缘荒漠区土壤种子库研究表明，土壤种子库主要分布在0—6cm的土壤层中，其中以0—3cm土壤层中为最多。这可能是由于大多数荒漠植物的种子较轻，主要是依靠风力传播，重力较小不利于种子向深层的下渗。

4 结论

（1）不同区域土壤种子库储量随季节变化趋势大致相似。老尾矿砾石区、供暖公司柽柳林地、龙首矿绿化区、龙首矿开采废弃地、龙首矿自然植被区和新尾矿戈壁自然植被区土壤种子库储量10月最高，随后开始减小，5月份减小至最低，随后开始增加。土壤种子库物种种类时间变化与土壤种子库储量相似。这与地上植被生长结实规律基本一致。

（2）不同废弃地土壤中种子主要分布在0—5cm土层中，该层种子比例平均占到种子库全部种子数量的76.5%，随着土壤深度的增加，种子数量逐渐减少，5—10cm土层中种子比例平均只占到种子库全部种子数量的23.5%，10cm以下几乎没有种子分布。

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