两种幼龄乔木修复林下土壤改良及植被多样性研究

吴芮欣,马会强,支天一,初兆娴,李爽,石珍瑜,韩泽治,*

1.辽宁石油化工大学,化学化工与环境学部,辽宁抚顺 113001

2.抚顺市环境科学研究院,辽宁抚顺 113006

3.抚顺市环境监测中心站,辽宁抚顺 113006

0 前言

随着工业化进程的不断推进,社会经济发展对矿产资源的需求日益增加[1],进而加大了矿产资源的开发和利用,这严重地破坏了原生景观生态系统,并导致了矿区生态系统的退化和环境深度污染[2]。矿山的开采会破坏原有的地形、地貌和植被,使形成大面积裸露坡面和次生裸地,诱发地质灾害和水土流失[3-4]。因此,矿山废弃地生态系统的恢复与重建成为当下亟待解决的重大课题。

据相关调查统计,辽宁省共有矿山8493 座,占地面积约5 万hm2,其中多为百年以上开采历史,由于当时环保意识薄弱、法律政策监管不到位,矿山废弃地基本上没有得到相应的生态恢复[5]。2013年,抚顺市榆树铁矿和傲牛铁矿响应辽宁省政策“青山工程”,对各自所属矿山废弃地进行植被修复。本研究通过考量两矿山已恢复样地的植被生长指标、土壤肥力及植被多样性变化情况,对比分析恢复初期两矿山不同单纯幼龄乔木群植被修复效果的差异,进而推出适于抚顺本地矿山修复的先锋树群配置方式,其研究结果对其它中小型矿山的植被修复有一定的借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

以抚顺市新宾县榆树铁矿及抚顺市后安镇傲牛铁矿已进行生态修复的矿山废弃地作为研究对象。榆树铁矿位于抚顺市新宾满族自治县榆树乡西南部,东经124°39′50″,北纬41°33′22″。傲牛铁矿位于抚顺县后安镇傲牛村,地理坐标为东经124°21′49″,北纬41°61′12″。研究对象地理位置见下图1。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置及植被调查

选取榆树铁矿和傲牛铁矿植被修复年限、立地条件(坡位、坡向、海拔等)基本一致的恢复场地作为研究样地[6]。在两矿山恢复区分别设置3 个10 m × 10 m 的乔木层样方。在乔木层样方的四角和中心设置5 个1 m×1 m 的草本层小样方[7],共计30 个。每个样地重复用土壤环刀采集幼龄林下15— 30 cm 表土用于实验室分析,待样品自然风干后粉碎研磨,过2 mm 和0.25 mm 土壤筛备用。调查乔木层样方内树苗的生长指标(树高、胸径),调查草本层样方内草本植物的种类及数量。样方的基本情况见表1。测量时间为2013—2017年,每年的5月份。

图1 研究对象地理位置图 Figure1 Study object location map

表1 样方基本情况表 Table1 The basic situation of the quadrat

1.2.2 土壤养分测定与评价方法

对 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾6 个指标进行测定。pH 测定采用 pH 计法,有机质测定采用重铬酸钾外加热法,全氮测定采用半微量凯氏定氮法,碱解氮测定采用 NaOH 碱解扩散法,速效磷测定采用碳酸氢钠浸提钼蓝比色法,速效钾测定采用乙酸铵浸提原子吸收分光光度计法[8]。本文参照表2全国第二次土壤普查标准对矿山已恢复样地土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾进行土壤肥力单项指标评价,了解土壤肥力状况,并比较不同幼龄乔木群修复的矿山废弃地差异[9-11]。

1.2.3 植被多样性评价

1）香农-维纳多样性评价法

本研究样地均采用单纯乔木群的配置方式进行人为干预的乔木层植被修复,而草本层和灌木层则是遵循次生的自然植被演替过程。有研究表明,撂荒地从先锋植物群落阶段到丛生禾草阶段的自然演替过程就需要15—20 a[12]。因此,本研究仅限于调查现已修复5 a 的样地草本层植被多样性,调查内容包括草本植物的种名及数量。

植被多样性的评价通常由多样性、均匀度和优势度3 项指标来表征。目前常用能同时考量物种丰富性和均匀度的香农-维纳指数或辛普森指数来综合评估植被多样性大小[13-14]。本研究选用了香农-维纳多样性评价法进行评价:

式中:H'为多样性指标;Pi代表第i种个体数ni占总个体数N的比例,即Pi=ni/N;E'为均匀度(0—1);H为多样性指标;Hmax= lnT为最大多样性;T代表总丰富度,即群落中物种总数。

表2 土壤养分含量分级标准 Table2 The classification criterion of soil nutrients

2）评价指标归一化处理

归一化后的评价指标= lg (归一化前的评价指标)[15]。

3)指标权重设定

研究采用德尔菲法确定香农-维纳多样性评价方法中的各项指标权重。德尔菲法(Delphi)于20 世纪50年代初由美国兰德公司提出,该方法用于那些无法直接定量分析且模糊性较高的问题,以匿名方式函询征求专家意见,通过利用业内专家的知识及经验,最终获取判定结论[16-18]。权重系数的计算公式如下:

式中:Wi为第i项指标的权重系数;为第i项指标所有专家赋予的权重系数之和。

4）草本层植被多样性指数计算

植被多样性指数VI=H'×WH+E'×WE+D'×WD。其中,VI为植被多样性指数;H'归一化后的多样性指数;E'为归一化后的均匀度指数;D'归一化后的优势度指数;WH为多样性指数权重;WE为均匀度指数权重;WD为优势度指数权重。

2 结果与分析

2.1 乔木群生长指标统计结果

调查期间逐年记录榆树铁矿和傲牛铁矿各样方内的樟子松苗和刺槐苗的生长指标(株高、胸径)变化情况,调查结果见下表3。

由上表3以及图2、3 可知,样方内樟子松和刺槐的树高随着恢复年限的延长逐年升高。明显可见,处于幼龄林恢复期的刺槐林生长速度格外迅猛于樟子松林,但其株高累计生长量却伴随着株高逐年生长量下降的趋势而升高,而樟子松的株高累计生长量基本伴随着株高逐年生长量均量上升。于恢复期2013年至2015年,刺槐总年均生长速率可达樟子松的1.94—4.43 倍,至2017年5月,刺槐林的平均树高可达574.7—595.5 cm,而樟子松林仅在195.8 cm—206.2 cm。分析可能与刺槐本身的生长习性有关,经历1 至2年的初生缓苗期,于2013年至2017年进行废弃地修复的刺槐正处其速生期。

表3 2013—2017年样方植被生长指标化情况表 Table3 The index of vegetation growth indexes in 2013-2017

图2 株高累计生长量 Figure2 Cumulative growing of plant height

图3 胸径累计生长量 Figure3 Cumulative growing of DBH

随着恢复年限的增长,样方内樟子松和刺槐的胸径也逐年升高。总体来看,樟子松胸径的逐年生长量较为均匀,仅在植被修复的第二年内出现小幅上升,最大年均生长量为1.671 cm,至2017年5月,样方内幼龄樟子松林平均胸径可达5.242 cm—5.522 cm 之间。相比之下,刺槐胸径累计生长曲线波动较大,在植被恢复的第一年内胸径增长速度较慢,年均生长量在0.75 cm—0.90 cm 之间,第二年内刺槐胸径生长速度达到最快为2.19 cm/a,之后趋于平稳。至2017年5月,样方内幼龄刺槐林平均胸径可达7.03 cm—7.19 cm。

2.2 土壤养分含量变化

通过逐年对抚顺市榆树铁矿和傲牛铁矿植被恢复区的各样地进行土壤采样测定分析，两矿山恢复区土壤肥力的调查结果见表4。参照全国第二次土壤普查分级标准对其各自土壤肥力状况进行分级评价,评价结果见表5、图4:

pH 是土壤化学性质的综合反映,它能通过影响土壤养分的有效性而影响土壤肥力[19]。由表4可见,2013年恢复之初,榆树铁矿和傲牛铁矿样地土壤pH 分别在5.38—5.54 和5.24—5.42 之间,呈酸性。2017年5月,两矿山植被恢复区土壤pH 分别位于6.81—6.87 和6.64—6.84 之间,对植被存活生长没有限制作用,均达适合植物生长的中性土壤(pH=6.5—7.5)[20]。

表4 2013—2017年样方土壤养分指标化情况表 Table4 Soil nutrient index of sample plots in 2013-2017

土壤有机质是反映土壤肥力的重要指标[21],综上表4、5 以及图4可见,土壤有机质的含量随着恢复年限的增加而上升,榆树铁矿和傲牛铁矿样地土壤有机质均含量变化范围分别为6.01—17.64 mg·k-1和5.57—13.04 mg·kg-1;2013年榆树铁矿恢复区有机质含量水平为5 级,傲牛铁矿为6 级,经过樟子松和刺槐对土壤基质的改良,于2017年两矿山植被恢复区土壤机质含量水平均提升至4 级水平。

全氮是指土壤中所含植物可利用和不可利用的各种形态的氮总量,综上表4、5 以及图4可见,土壤有机质的含量随着恢复年限的增加而上升,榆树铁矿和傲牛铁矿样地土壤全氮均含量变化范围分别为0.25—1.21 g·kg-1和0.25—1.07 g·kg-1;2013年恢复初期,榆树铁矿和傲牛铁矿恢复区土壤全氮均为6级水平,经樟子松和刺槐对土壤基质的改良,于2017年两矿山恢复区土壤全氮水平分别被提高至3级和4 级。

表5 土壤养分指标级别变化表 Table5 Change of soil nutrient index level

碱解氮、有效磷、速效钾是土壤中可以被植被直接利用的氮、磷、钾。综上表4、5 以及图4可见,土壤有效养分的含量随着恢复年限的增加而上升,榆树铁矿和傲牛铁矿样地土壤碱解氮均含量变化范围分别为11.91—31.00 mg·kg-1和11.47—22.03 mg·kg-1,至2017年虽樟子松和刺槐都对土壤中碱解氮含量有所积累,但其含量仍处于第二次土壤普查的5 级和6 级水平;两矿山土壤有效磷均含量变化范围分别为4.32—23.43 mg·kg-1和3.03—12.51 mg·kg-1,樟子松样地和刺槐样地对速效磷氮的积累分别由5 级含量水平达到最终的2 级和3 级水平;调查期间两矿山土壤速效钾均含量变化范围,分别为34.94—59.31 mg·kg-1和33.25—51.69 mg·kg-1,且两矿山恢复样地植被对速效钾含量的积累较慢,分别由5 级含量水平达到最终的4 级和5 级水平。

2.3 草本层植被多样性评价

2.3.1 香农-维纳多样性

通过对榆树铁矿幼龄樟子松林以及傲牛铁矿幼龄刺槐林林下草本层植被多样性的实地调查,两矿山样方内共出现草本植物19 种,隶属于11 科16 属,其中幼龄樟子松林下草本层出现植物11 种,隶属于7 科9 属,幼龄刺槐林下草本层出现植物15 种,隶属于6 科8 属。样方草本层所出现的物种组成情况见表6。经调查统计分析,各样方草本层植被多样性的调查评价结果见表7。

由表7可见,样方A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3 的多样性指数H 依次为1.817、1.802、1.765、2.273、2.003、2.326,从整体上看,幼龄刺槐林草本层多样性指数高于幼龄樟子松林;各样方的均匀度指数E 分别为0.827、0.867、0.803、0.886、0.869、0.906,从数值上来看各样地间无显著差异,但傲牛铁矿各样方内幼龄刺槐林下草本层的均匀度普遍较高;通过对各样方草本层植被优势度指数D 的计算发现,幼龄樟子松林优势度指数的普遍高于幼龄刺槐林,且最高值出现在样地A-3 达0.431,并由表6可知,该样方内草本层优势种为菊科茵陈蒿地位最为突出。

图4 矿山土壤养分变化条形图 Figure4 Mine soil nutrient change bar chart

表6 各样地草本层物种组成 Table6 Herbarium species composition

表7 香农-维纳多样性评价 Table7 Shannon-Wiener diversity assessment

2.3.2 评价指标归一化处理结果

将香农-维纳多样性评价指标归一化处理,结果见下表8:

表8 评价指标归一化处理结果 Table8 Evaluation index normalized

2.3.3 评价指标权重值的确定

采用德尔菲法对香农-维纳多样性评价方法中各项评价指标的相对重要性进行评分。本研究专家组由矿区土地复垦与生态恢复等相关领域的 10 名权威专家组成,采用“背靠背”的决策方式,将问题的背景资料及待定权重系数的评价指标系统提交给各位专家,使其独立给出各项指标的权重系数值,最后收回专家所评数据对其进行汇总整理计算。权重值的确定结果为:均匀度指数(0.499)＞多样性指数(0.404)＞优势度指数(0.097)。这表明均匀度指数是用于评价两矿山废弃地草本层植被多样性及自然演替能力中最为重要的指标,多样性指数和优势度指数次之。

2.3.4 草本层植被多样性指数计算结果

根据上述评价指标的归一化结果及指标权重值,计算草本层植被多样性指数,结果见下表9:

由上表9可知,傲牛铁矿样地VI 值0.058 ＞ 榆树铁矿样地VI 值0.019。结果表明,虽幼龄樟子松林较幼龄刺槐林更易于快速积累贫瘠废弃地中的土壤养分,但其样方的草本层植被多样性指数却均小于幼龄樟子松林。分析这可能是樟子松通过挥发途径产生化感作用的结果,樟子松枝叶释放的萜类挥发物会对其林下植物的萌发与生长产生不同程度的抑制作用,尤其是在春秋季节,萜类物质占挥发物总量80%,甚至高达97%[22-23]。因此,通常情况下其林下共生的植被较少甚至无植被。鉴于此,傲牛铁矿刺槐林下草本层良好的自然恢复状态更有利于矿山废弃地后续的生态演替以及植被修复效果,故分析豆科刺槐林进行废弃地植被修复更易加快矿山废弃地植被修复进程。

表9 草本层植被多样性指数 Table9 Herbaceous vegetation diversity index

3 结论与建议

3.1 结论

(1)随着恢复年限的增长,样方内樟子松和刺槐的胸径和树高均逐年升高。调查期间刺槐林树高生长速度迅猛于樟子松林,其树高的年均生长速率可达樟子松的1.94—4.43 倍。

(2)榆树铁矿和傲牛铁矿恢复区土壤分别由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,由酸性土壤改良至适合植物生长的中性土壤。

(3)随着恢复年限的增长,土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量逐年升高,参照全国第二次土壤普查标准,对矿山已恢复样地中土壤养分进行土壤肥力单项指标评价结果表明:榆树铁矿恢复区土壤养分指标级别较傲牛铁矿恢复区总能更早的达到土壤养分更高水平,幼龄樟子松林较幼龄刺槐林更易于快速积累贫瘠废弃地中的土壤养分。

(4)调查样地中,共出现19 种草本植物,隶属于11科16属,其中幼龄樟子松林下草本层出现植物11种,隶属于7 科9 属,幼龄刺槐林下草本层出现植物15 种,隶属于6 科8 属。香农-维纳多样性评价结果表明:幼龄樟子松林样方下草本层物种数目较少且优势种明显为茵陈蒿,幼龄刺槐林下草本层物种就相对丰富、均匀度较高、系统也相对稳定。

(5)草本层植被多样性指数计算结果表明:傲牛铁矿幼龄刺槐林样方的草本层植被多样性指数均高于榆树铁矿幼龄樟子松林。VI 值为傲牛铁矿样地0.058 ＞榆树铁矿样地0.019。

3.2 建议

综上,在幼龄林恢复初期阶段,比较傲牛铁矿和榆树铁矿恢复情况,榆树铁矿樟子松林对土壤基质改良效果明显优于傲牛铁矿刺槐林,因幼龄樟子松更易于快速积累土壤中的养分,榆树铁矿样地土壤中各指标总能更快的达到第二次土壤普查标准中的更高级别。而傲牛铁矿恢复样地林下共生植被较多、物种配比均匀、草本层植被多样性指数高的刺槐林,却更有利于草本层的自然恢复,且其迅猛的生长速度更有利于在恢复初期对矿山土壤基质的固定。

鉴此,针对抚顺市矿山废弃地的植被修复建议乔木层混交配置樟子松和刺槐,同时发挥刺槐强大的固土能力及樟子松的土壤改良能力进行植被修复,这将更有利于植被恢复的进程,并引入灌木种来丰富群落层次结构,形成的“乔-灌-草”复合系统将使退化生态系统在更短的时间内达到最优的修复效果。