铜冶炼尾矿废弃地土壤种子库特征研究

张 熙，龙 荣，韩 郸，王雪梅，胡金朝

(1.四川省地质矿产勘察开发局攀西地质队，四川 西昌 615000;2.西昌学院资源与环境学院,四川 西昌 615013)

0 引言

土壤种子库是指存在于土壤表面及各种凋落物和土壤中全部具有生命活力的种子的总和[1]。对于退化过后生态系统的植被修复与重建，土壤种子库具有重要的理论和实践意义[2]。土壤种子库中拥有很多在植物演替中起着非常重要作用的乡土植物先锋物种，对于极端环境它们具有非常强的耐性和适应能力，这些乡土植物的种子往往来自于相邻生环境的种子库中[3]。近年来，研究土壤种子库已成为恢复生态学的热点，大量学者在这一领域展开了深入的研究[4]。

尾矿废弃地是由于矿业废弃物堆积而形成的，改变了原有土壤的理化性质，破坏了原来的生态环境，弃置过后其自然生态恢复的过程是典型的生态系统原生演替过程，其植被自然恢复的过程需要较为漫长的时间[5]。尾矿废弃地对生态环境有较严重的危害[6]，因此开展尾矿废弃地植被恢复十分必要。常用的植被恢复方法主要有物理法、化学法和植被法[7]。相较于物理法和化学法费用较高且有可能会造成二次污染的问题，植被法具有成本较低、适应范围广、不易造成二次污染等优点，并且修复之后会产生非常好的生态效益，能够使受污染的土壤持久清洁地修复，因而被更多的人接受[8]。

凉山地区地处“两屏三带”中“黄土高原-川滇生态屏障”的重要区域，区内矿产资源富集，是国家重点治理的生态脆弱区和重点扶贫区，由于彝区经济落后等原因造成矿山生态环境问题频现，产生的大量尾矿弃渣占用了大量的土地。因此本文以西昌市康铜冶炼厂尾矿废弃地为例，研究铜冶炼尾矿废弃地土壤种子库及其相邻生境土壤种子库的特征，以期为铜冶炼尾矿废弃地的植物修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本实验取材于康铜冶炼厂尾矿废弃地(27°58′34″ N，102°11′50″ E)，位于西昌市西北部，总面积约为18543m2。该地隶属于中亚热带季风气候，年温差较小。干湿分明，夏季多雨，冬季少雨且温暖，空气湿度较低。阳光旺盛，平均日照时间较长。相对而言，春天风力较大，风力等级可达3～4级。夏季最高气温大概为27～28℃，而冬季夜间最低气温也在0℃以上。尾矿废弃地内已有一定的植物成功定居，但种类较为单一，数量较少。

1.2 研究区植被调查

于2018年10月对研究区开展了植被调查，实验采取以尾矿库中心为起点，分别向东、南、西、北4个方向设置4条样线，然后在每条样线两侧随机设置样方5个。样方面积为1m×1m，共设样方20个。分别调查每个样方内的植物种类、植株高度、株数和盖度等。调查结果发现，康铜冶炼厂尾矿废弃地内的植被分为3种较稳定的群落。成功自然定居的植物共25种，分属9科23属25种植物，主要有禾本科植物7种，菊科植物5种，苋科植物3种。生活型多以一年生植物为主。

表1 地上植被群落类型及特征

1.3 土壤种子库取样

土壤取样在2018年10月中旬进行。按植被分布情况，在尾矿废弃地设东、西两个样地，然后采用五点取样法在样地中选取四角和中心共五个小样方，采集0～10cm表层土，将土样带回实验室备用。按同样的方法取一份矿渣，一份相邻生环境土壤。

1.4 实验方法

取出土样进行人工筛选，去除其中的石块和残余的植物器官，混合均匀并根据重量分成两份，编号分别为A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，其中A组为矿渣，B组和C组为尾矿废弃地土壤，D组为相邻生境土壤。放置至自然风干。自然风干之后，采用高温法对土壤中休眠的种子进行破休眠，40℃处理24h。20cm×15cm×8cm 塑料盘为萌发床，其中先填充5cm 经处理的基质，基质均通过高温灭活(用烘箱经过120℃高温烘烤12h)，将土样分别平铺于基质表面，厚度约为2cm置于温室内进行发芽试验。每天浇水2次，以保证种子萌发所需的水分，光照时长为12h，温室的温度控制在为25～27℃。每天记录1次发芽数量，并且在种子发芽生长7d后进行移植，移至装有5cm营养土基质的萌发盘中，并定期记录其生长情况。当萌发数量增加较少或停止萌发时翻动土壤，保证更多的种子能够萌发，直到连续14d无种子萌发为止。幼苗移植后继续培养，直至鉴出植物种类。

1.5 数据处理和分析

本论文对于实验得到的结果采用 Sorensen’s coefficient 指数法[9]，计算土壤种子库与地上植被(或其它种子库)二者之间的相似性。

式中：CC—Sorensen指数的值；c—在地上植被与土壤种子库中皆出现的植物种数；s1、s2—地上植被所有植被种数，土壤种子库中所有的植物种数。

根据各样地土壤种子库中的种子数量及其种类，分别计算Margalct 丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielow均匀度指数(E)[10]:

E=H/lnS

式中：S—物种总数；N—植物种子总数；Pi—各样地第i种植物的种子数在该样地种子库中总种子数中所占比例。

2 结果与分析

2.1 土壤种子库的组成

种子萌发实验结果见表2。可知尾矿废弃地土壤共萌发了5种植物，隶属于4科5属5种，其中以禾本科为主，出现了2种禾本科植物，植物的生活型以多年生草本植物为主。尾矿废弃地中矿渣共萌发了3种植物，隶属于3科3属3种，生活型以多年生草本为主。相邻生境土壤共萌发了6种植物，隶属于3科6属6种，其中以禾本科和菊科为主，禾本科3种，菊科2种，生活型以多年生草本为主。根据结果可见三种土样中，萌发结果数量最多的是禾本科植物狗牙根，说明狗牙根不仅是尾矿废弃地的乡土植物，而且对尾矿污染的土地表现出了很强的耐性，可以做为后期植物修复的植物之一。

表2 不同样地主要植物及其主要比例 (%)

2.2 不同样地土壤种子库比较

不同样地的种子库密度差异较大，废弃地B(375粒/m2)>矿渣A(350粒/m2)>相邻生境D(300粒/m2)>废弃地C(175粒/m2)。而同样是尾矿废弃地种子库，但其结果之间差距达到近两倍，说明废弃地土壤种子库存在空间异质性。

由表3可知，不同样地土壤种子库与地上植被的相似性为0.214～0.387，相邻生境表现出最高的相似性，矿渣最低。

表3 各样地土壤种子库种子密度及其地上植被的相似性

计算不同样地土壤种子库的相似度(表4)，结果显示，不同样地之间的相似性差异较大，其变化区间为0.222～0.857，其中矿渣与尾矿废弃地的相似性最高，矿渣和相邻生境相似性最低，可见植被类型受到矿渣基质的影响很大。而尾矿废弃地由于受到矿渣堆积的影响表现出与矿渣种子库的相似性较高。

表4 各样地土壤种子库之间的相似度

2.3 各样地土壤种子库多样性特征

由Margalct指数和Shannon-Wiener指数计算结果，均表明相邻生境的土壤种子库丰富度以及多样性都是最高的，而矿渣种子库丰富度最低，尾矿废弃地土壤种子库与矿渣的多样性接近。在均匀度方面，尾矿废弃地的两个样方差异明显，说明其土壤种子库存在明显的空间异质性。

表5 不同样地土壤种子库的物种多样性

3 讨论

土壤种子库是植物自然更新的物质基础[11]，对于地上的植被更新具有重要的意义，与地上植被之间存在相互影响的动态关系[12]。地上植被的种子经过各种途径最终还是会进入到土壤之中，就形成了土壤种子库，土壤种子库中有活力的种子在一定的条件下成功萌发，在一定程度上也决定了地上群落的结构和功能[13]。研究表明西昌康铜冶炼厂尾矿废弃地土壤种子库萌发并鉴别出的植物种类仅有5种左右，多样性指数值也偏小，植物的多样性较低。而植被调查表明地上植被类型有25种，地上植被丰富度远大于土壤种子库，两者之间相似度较低。尾矿废弃地土壤种子库的5种植物均是地上植被调查出现过的物种，这表明康铜冶炼厂尾矿废弃地的植被群落在未来短时间不会发生特别大的变化。地上植被调查和土壤种子库萌发结果表明，康铜冶炼厂厂尾矿废弃地定居的植物以禾本科和菊科植物为主，也表明尾矿废弃地比较适合禾本科和菊科植物的生长。

植被群落的结构由土壤中的种子和无性繁殖体共同决定[14]。研究中土壤种子库的统计仅包含了土壤中能萌发的种子,并未考虑根茎等无性繁殖体，尾矿种子库与地上植被的相似性低可能是由于一些地上物种进行无性繁殖对土壤种子库形成的贡献较小造成的。此外有研究显示，不同气候特征下的土壤种子库与地上植被两者的相似性也存在较大的差异，其中又以亚热带地区差异最大[15]，本实验的研究地隶属于亚热带地区，因此研究中相似性指数较低可能与其气候特征有关。

而尾矿废弃地的两个样地均匀度差异较大，存在明显的空间异质性，原因之一可能是尾矿废弃地内矿渣堆放不规则，其二是尾矿废弃地内的土壤湿度存在明显的空间差异。

调查结果显示，尾矿废弃地内各群落构成与相邻生环境群落构成差异较大，尾矿废弃地以狗牙根的覆盖度最大，而相邻生环境以白茅的覆盖度最大。可见，在尾矿废弃地中土壤的理化性质影响了其种子库的特征。

4 结论

西昌康铜冶炼厂尾矿废弃地土壤萌发存活并最终鉴定的植物有5种，均为草本植物，以禾本科植物居多，植物多样性较低。在萌发的植物种中，出现最多的是禾本科植物狗牙根(Cynodon dactylon)，其表现出了旺盛的生命力以及对铜尾矿重金属的抗性，可以作为尾矿废弃地植被重建的先锋植物。与相邻生环境土壤种子库对比，康铜冶炼厂尾矿废弃地基质的改变影响了土壤种子库的特征。康铜冶炼厂尾矿废弃地存在明显的空间异质性，在下一步的研究中应结合废弃地土壤性质的空间变化增加采样数，更加全面地掌握其特征。