稀土矿场修复过程中植物多样性变化与土壤改良的相关性

张 琳，刘胜洪，刘 文，2，梁 红

(1.仲恺农业工程学院生命科学学院，广东广州 510225；2.华南农业大学农学院，广东广州 510642)

恢复生态学是一门建立在多学科基础上的交叉学科，退化土地生态系统的恢复研究具有理论与现实双重意义[1-2]。由于土地资源的稀缺性和山区植被在区域生态系统中的重要作用，矿山退化及其恢复问题备受关注[3]。植物多样性是植被恢复内在机理的外在表现，可用于度量群落的组织结构和功能[4]，也可表征系统稳定性和抵御干扰能力，对防治边坡水土流失具有重要作用[5]。土壤是植物生长发育的物质基础[6]，土壤养分的可利用性是决定植物群落的组成和群落多样性的重要环境因子，其理化性质影响着植被演替[7]，与此同时也受到植被的反作用，二者相辅相成[8-9]。

稀土广泛应用于电子信息、航天航空、新能源、原子能、机械、石油化工、医药等多个领域[10]。中国是稀土资源最丰富的国家[11]，广东省东北部山区富含稀土资源，是风化壳离子型稀土矿的主分布区和主产区之一[12]。随着稀土需求量的日益增大，稀土开采引发了日益严重的生态环境问题[13]。多数矿区植被遭到大面积破坏，基岩裸露，水土流失日趋严重，产生大量的风化砂土，同时还存在着不同程度的偏酸或偏碱，高盐或有害重金属毒害等现象，使植物难以生长[14]。稀土矿场生态恢复与重建的关键在于土壤基质的重构，只有恢复土壤生态系统的应有功能，才能为废弃稀土矿区生态恢复提供根本保障[15]。用于矿山土壤修复的技术方法大致可分为物理化学修复方法和生物修复方法[16]，以生物修复手段将微生物与植物结合，利用植物自然演替、人工种植或二者兼顾，使受到人为破坏污染或自然毁损而产生的生态脆弱区重新建立植物群落，恢复生态功能，对矿区植物修复具有重要经济意义[17]。董世超通过对废弃稀土矿场土壤植物修复进行盆栽试验，发现腐熟的鸡粪对稀土矿场土壤改良有很好效果[18]。郭永盛等对新疆石河子荒漠草原进行氮肥添加试验，认为氮肥添加降低了荒漠草地物种丰富度和物种多样性[19]。郑华平等研究认为，土壤养分增加会引起植物多样性的增加，施氮后物种丰富度比对照提高42.90%[20]。Gong等探索了坡向对植物的影响[21-22]。上述研究大多还局限于对土壤理化性状及植物筛选的相关研究，主要集中于实验室和小规模的模拟试验，在实地应用上还需进一步验证。关于沙化稀土矿场植被多样性变化与土壤理化性质之间的关系以及对环境因素响应的定量变化研究很少。

本研究采用施用有机质肥和人工播种的方式对广东省和平县下车镇815稀土矿场进行人工植物修复，随后调查了修复后1、3、5、7年的植物群落特征并测定了土壤理化特性，分析了植物群落和土壤改良之间的关系，以期揭示稀土矿场植被修复过程中影响植物多样性的主要土壤养分因子，为实现稀土矿场的低成本快速修复提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广东省和平县下车镇地处114°41′～115°16′E，24°05′～24°42′N，毗邻江西省定南县，东临龙川县。该区多属于中低丘陵地，亚热带季风气候，年均温度17.9～20.2 ℃，年均降水量1 536～1 845 mm，年日照1 704 h以上，无霜期267～301 d。试验区位于下车镇815矿区，该矿区从20世纪80年代，经露采-池浸-沉淀法进行稀土开采，2005年开采结束后废弃，经过多年风雨侵蚀和淋溶，地表沙化严重，植物难以生长，至今仍为裸露荒地(图1)。2009年开始进行一系列的人工修复措施(表1)。

表1 稀土矿场人工植物修复措施

注：植被修复主要种植西卡柱花草(Stylosanthesscabra)、山毛豆(Tephrosiacandida)、木豆(Cajanuscajan) 、紫花苜蓿(Medicagosativa)、香根草(Vetiveriazizaniodes)幼苗。

1.2 植被调查与土壤样品采集

2016年5月15—22日，在815稀土矿场，分别选择人工修复后自然演替状态下海拔、坡向、坡度均相近不同修复年限的5个样地：对照(未经过植物修复)以及植物修复后1、3、5、7年的样地。在每1样地内选择立地条件基本一致地段，每块样地设置2条平行样线，沿着样线连片设置8个2 m×2 m的样方，共40个样方。分别记录各样方植物种类、株数、密度、盖度。

生物多样性采用以下方法测度[2]：

(1)重要值(IV)=(相对盖度+相对频度+相对优势度)/300。

Margalef 指数R3=(S-1)/lnN；

Gleason 指数D=S/lnA。

式中：S为物种数目；N为全部种类的个体数；Ni为样方内某种类个体数；Pi为种类i的重要值；A为单位面积。

(3)Sφrensenβ多样性指数：Cs=2c/(a+b)。式中：c为群落A和群落B中共有种的总数；a为群落A的物种总数；b为群落B的物种总数；Cs为群落相似性系数。

1.3 土样的选取与测定

每个样点采用5点取样法，按对角线取0～3 cm表土土样，混合均匀，装入已灭菌密封袋中，于实验室自然风干后研细，一部分1 mm孔径过筛，用于土壤电导率和pH值测定，另一部分2 mm孔径过筛，测量土壤养分。用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用盐酸氟化铵浸提-钼锑抗比色法测定，采用醋酸铵交换-火焰光度法测定速效钾含量[13]。

1.4 统计分析

用Origin 8.0软件制图，统计分析利用Excel和SPASS完成，显著水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 修复后不同年份的植物群落特征

对和平县815稀土矿场修复后的地表植被进行普查，共发现植物种24种，分属于20科，24个属(表2)。地表覆盖浓密的草本植物中主要以1、2年生草本植物[如菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)]为主，之前人工播种的植物(如柱花草、苜蓿和香根草等)逐渐被本土植物所取代。随着修复进程的继续，盖度呈明显的递增趋势，修复后最初的3～5年植被恢复速度明显加快，盖度增加至75%以上，种类也不断增多，与对照相比修复后5年物种丰富度增加了89.47%。修复后7年植被的盖度高达98.31%，但物种数却明显下降。

调查修复后5个不同年份的样地还发现，修复后7年植物群落仍旧在不断演替，其组成结构发生了很大变化。从表3可以看出，芒草(Miscanthussinensis)、蔓生莠竹(MicrostegiumvagansA.Camus)、美洲商陆(PhytolaccaamericanaL.)和龙葵(SolanumnigrumL.)等为各群落建群种，在修复后的3～5年已形成阶段性稳定结构。随着恢复年限的延长，前5年物种数呈递增趋势，修复后7年，这些优势种和建群种逐渐被蕨菜所取代，物种数明显下降，蕨菜成为修复区的关键种(表3)。

表2 稀土矿场修复区植物群落物种分布及盖度

2.2 群落多样性及相似性比较

从表4可以看出，修复后1～3年的植物种类较少，但相似性最高达0.40。修复后3、5年相似性高达0.48，值得注意的是，修复后7年群落相似性与修复初期的3～5年相似性几乎为0，与修复后1年样地相似性指数也仅为0.33。表明在修复初期一些建群种和优势种先定居使植物群落达到了一个暂时性的稳定状态，随着修复年限的延长，植物群落仍旧不断演替，物种间相互竞争，使得一些适应性和生长能力强的植物后来居上。

表3 稀土矿场修复区植物群落数量特征

表4 稀土矿修复区不同年份植物群落相似性

从图2可以看出，不经植被修复，仅自然修复状态下经过3年以上天然恢复的稀土矿场，其修复程度仍然很低，盖度几乎为0。与之相反，经人为干预后的稀土矿场，在不同恢复时期植被特征和物种多样性发生了巨大的变化。修复初期的 1～5 年Shannon-Wiener指数、Gleason指数、Margalef多样性指数都明显增加，前二者均在修复后5年达到高峰，修复后7年又明显降低，Margalef多样性指数于修复后7年达到高峰。与之相反的是，Simpson指数、Pielou均匀度指数随着修复年限的增加明显降低，随后又升高。Pielou多样性指数于修复后3年达到高峰0.77。Gleason指数、Shannon-Wiener指数呈现同样的趋势，修复后1年和7年优势种明显，Simpson指数明显高于修复后3～5年，修复后7年蕨菜几乎占据了整个样地，这可能与稀土矿场的环境和土壤状况有很大关系。

2.3 不同恢复期土壤性状分析

对不同修复时期土壤养分含量进行分析，从表5可以看出，土壤呈弱酸性，pH值5.76～6.09，调查植物样方时，也发现不同修复年限样地中多次出现酸性指示植物美洲商陆。总体来看，与未修复样地相比，随着修复年限的延长，土壤养分呈梯度递增。修复后1～5年稀土矿场土壤的有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量迅速增加，土壤电导率明显降低，但修复后5年又逐步上升；修复后7年速效磷含量、速效钾含量分别高达未修复样地的627.27、7.00倍，电导率也高于未修复样地。

表5 稀土矿场不同恢复年限土壤养分含量变化

稀土矿场不同恢复年份植物群落多样性因土壤养分状况的变化而表现出不同的响应。从表6可以看出，土壤速效钾含量与土壤中碱解氮含量和电导率、植物多样性与丰富度呈显著正相关。其中，植物多样性与土壤电导率相关性也高达0.70，表明那些能耐受高电导率的植物才能够生长在稀土矿场，并且这些植物可以降低土壤的电导率，从一定程度上达到修复矿区土壤、减少矿区水土流失的功效。

表6 植物特性与表层土壤养分之间的相关性

注：“*”表示显著相关(P<0.05)，“**”表示极显著相关(P<0.01)。

3 讨论与结论

群落盖度的增加和物种多样性的提高意味着植被恢复，物种多样性的提高同时可以表明物种定居的顺利进行[23]，物种的顺利定居恰恰是植被恢复的开始[24]。本研究结果表明，稀土矿场修复后1年已经开始有一些先锋种定居，物种丰富度提高，均匀度降低且植物群落不断发生演替。调查显示，自然修复 3年后，已有多种以禾本科植物为代表的乡土植物侵入修复区，人工植被有向自然群落过渡的趋势，因此群落还处于更新演替的动态变化阶段，尚未达到稳定水平。张彦东等也认为，植物退化严重的草地肥力增加后，在短期内变成以禾本科植物为主导的状态[25]，这与本研究结果一致。研究还发现修复后5年植物种类已达到18种，盖度高达92.38%，修复第7年整个样地几乎完全被蕨菜占据，盖度高达98.31%。肖培青等研究表明，盖度为65%的草皮和灌木坡面可以抵抗径流侵蚀，与裸露边坡相比，具有较好的保持水土作用[26]。

本研究还发现植物修复后的时间越长，稀土矿场植物群落差异越大。修复初期，植物多样性及盖度不断增加，使得土壤有效养分得以增加，随着恢复年限的延长，群落生长受到了一定的干扰，在新的生境下，各物种竞争趋势明显。有效养分促进了地上部分优势种群的生长，恢复后期，优势种蕨菜充分发展，覆盖度得到了明显增加，其强烈的竞争优势将许多初期阶段可以短暂共存的物种排斥掉，最终弱势种竞争不过优势种而被淘汰；由此推定，对于判断植被恢复程度来说，物种多样性指标必须同群落盖度和后期优势种的盖度变化结合起来使用才能取得较好效果。本研究结果也恰好反映了时间梯度上土壤因子和群落结构的规律性变化。

可能由于沙化土壤营养贫瘠，地上生长的植被种类较少，而野生蕨菜适应性和抗逆性强，孢子生命力强，繁殖系数大，适宜生长在热带及亚热带山地，经过几年修复期稀土矿场湿润腐殖质深厚、阳光充足为蕨菜的生长提供了绝佳的条件。但随着生态系统的恢复力提高，后来物种取代先定居物种，地表植被覆盖增加，物种演替还在进行，产生大量养分丰富的枯落物，这些枯落物在土壤中积累和腐解，产生大量的养分，这些有机质又被植被吸收利用，进一步增加了地表植被覆盖，提高了群落特征指数，物种丰富度、多样性得到提高。野生蕨菜可以当做是稀土矿场土壤恢复的一种理想修复植物。蕨菜常与豆科植物、杂草等混生，因此推测随着演替的进行可能会出现更多的豆科和草本植物，但还有待进一步验证。

土壤性质和群落多样性的响应和反馈可以作为表征区域生态环境变化的重要指标[27]。通过测定不同修复年限土壤理化性状发现，经过多年的自然淋溶作用，下车镇815稀土矿场逐渐由强酸性[13]趋于土壤pH呈微酸性(pH值5.76～6.09)。各土壤因子由于修复年限的不同而存在差异，且存在明显的梯度变化。本研究发现修复7年速效磷含量、速效钾含量分别高达未修复样地的627.27倍、7.00倍。李兆龙等研究也发现，难以生长植物的稀土矿土壤速效磷含量几乎为0[14]。表明该2种元素是制约植物定居和生长的主要因子，其中速效磷含量的影响更大一些。物种多样性随养分增加的变化是由土壤的初始条件决定的，在贫瘠环境下，物种多样性仍有增值的空间，短时间内不会发生淘汰式竞争，从而养分添加会增加物种多样性。而在肥沃环境下，物种多样性增值的空间不大，竞争非常激烈，一些物种被淘汰，养分会降低物种多样性。

本研究结果表明，经人工修复后的稀土矿场在自然演替过程中，随恢复年限的递增，植物多样性呈先升后降的趋势，土壤养分因子存在明显的梯度变化。植物群落多样性因土壤养分状况的变化也表现出不同的响应，土壤速效磷含量、碱解氮含量对稀土矿场植物物种多样性影响较大，速效磷含量表现最为明显。

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